JP3513427B2 - 耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重荷重鉄道のレー
ルに要求される耐摩耗性、耐内部疲労損傷性を向上させ
たパーライト系レールおよびその製造法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送の高効
率化の手段として、列車速度の向上や列車積載重量の増
加が図られている。このような鉄道輸送の効率化はレー
ル使用環境の過酷化を意味し、レール材質の一層の改善
が要求されるに至っている。具体的には、曲線区間に敷
設されたレールでは、Ｇ．Ｃ．（ゲージ・コーナー）部
や頭側部の摩耗が急激に増加し、レールの使用寿命の点
で問題視されるようになった。

【０００３】しかしながら、最近の高強度化熱処理技術
の進歩により、共析炭素鋼を用いた微細パーライト組織
を呈した下記に示すような高強度（高硬度）レールが発
明され、重荷重鉄道の曲線区間のレール寿命を飛躍的に
改善してきた。 [1] 頭部がソルバイト組織、または微細なパーライト
組織の超大荷重用の熱処理レール（特公昭５４−２５４
９０号公報）。 [2] 圧延終了後あるいは、再加熱したレール頭部をオ
ーステナイト域温度から８５０〜５００℃間を１〜４℃
/secで加速冷却する１３０kgf/mm² 以上の高強度レール
の製造法（特許第１５９７９１４号）。これらのレール
の特徴は、共析炭素含有鋼（炭素量：０．７〜０．８
％）による微細パーライト組織を呈する高強度レールで
あり、その目的とするところは、パーライト組織中のラ
メラ間隔を微細化し、耐摩耗性を向上させるところにあ
った。

【０００４】しかし、近年海外の重荷重鉄道ではより一
層の鉄道輸送の高効率化のために、貨物の高積載化を強
力に進めており、特に急曲線のレールでは上記開発のレ
ールを用いてもＧ．Ｃ．部や頭側部の耐摩耗性が十分確
保できず、摩耗によるレール寿命の低下が問題となって
きた。このような背景から、現状の共析炭素鋼の高強度
レール以上の耐摩耗性を有するレールの開発が求められ
るようになってきた。

【０００５】これらの問題を解決するため、本発明者ら
は下記に示すようなレールを開発した。 [3] 過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用い
て、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を
増加させた耐摩耗性に優れたレール（特開平８−１４４
０６１号公報） [4] 過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用い
て、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を
増加させ、同時に、硬さを制御した耐摩耗性に優れたレ
ール（特開平８−２４６１００号公報）これらのレール
の特徴は、鋼の炭素量を増加し、パーライトラメラ中の
耐摩耗性に優れたセメタイト相の密度を増加させ、さら
に、硬さを制御することによりパーライト組織の耐摩耗
性を向上させるものであった。

【０００６】さらに、本発明者らは、炭素量の高い過共
析鋼を用いて、レール頭部の耐摩耗性と耐内部疲労損傷
性を向上させた下記に示すようなレールを開発した。 [5] 過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）にＢを
添加することにより、耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を向
上させたレール（特願平８−５２７４６５号明細書）。
このレールの特徴は、過共析鋼に微量なＢを添加するこ
とにより、パーライト変態を促進させ、レール頭表面か
ら内部までより均一な硬度分布を付与し、レールの耐摩
耗性と耐内部疲労損傷性大きく向上させるものであっ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記 [5]に示された発
明レールは、耐摩耗性に優れた過共析鋼（Ｃ：０．８５
超〜１．２０％）に微量なＢを添加することにより、耐
摩耗性、耐内部疲労損傷性を兼ね備え、重荷重鉄道用レ
ールの高寿命化に最も寄与するものと期待されるが、鋼
の成分系の違いによっては、過共析鋼に単にＢを添加し
たのみでは、パーライト変態の促進効果が十分に得られ
ず、レール頭表面から内部まで均一な硬度分布が得られ
ない場合があることが明らかとなった。

【０００８】そこで、本発明者らはこの問題点を解決す
るため、Ｂに代わる添加元素を実験により検討した。実
レールを用いたレール頭部の加速冷却実験を行った結
果、レール頭表部と比較して冷却速度の遅いレール頭部
内部では、過共析鋼にＶを添加することにより、パーラ
イトイ組織中のフェライト地にＶの炭化物が析出しやす
く、レール頭部内部の硬度が向上することが確認され
た。

【０００９】さらに、本発明者らはＶの効果をさらに向
上させる元素を上記実験により検討した。その結果、Ｖ
の添加に加えて、Ｎを複合添加することにより、過共析
鋼のパーライトイ組織中のフェライト地に析出するＶの
炭化物に加えて、Ｖの窒化物が析出し、レール頭部内部
の硬度が大幅に向上することが確認された。以上の実験
結果から、本発明者らは過共析鋼へのＢの添加に代わっ
て、Ｖ、さらには、Ｖに加えてＮを添加することによ
り、レール頭部内部においても硬度の向上を可能とし、
耐摩耗性、耐内部疲労損傷性を同時に向上させることが
できることを確認した。

【００１０】これに加えて、本発明者らは、Ｖ、さらに
は、Ｖに加えてＮを添加した鋼レールの高強度化を図る
ための熱処理条件について実験により検討した。その結
果、レール頭表部においてマルテンサイトなどの異常組
織を生成させず、耐摩耗性に優れたパーライト組織を安
定的に生成させ、同時に、レール頭部内部においてＶの
炭化物および窒化物を析出させ、硬度の向上を図るに
は、レール頭表部の冷却速度に一定の範囲が存在するこ
とを確認した。

【００１１】以上の結果から、本発明者らは重荷重鉄道
用レールの耐摩耗性および耐内部疲労損傷性を向上させ
るため、まず、レール鋼の炭素量を増加させ、同時に、
Ｖ、さらには、Ｖに加えてＮを添加することにより、Ｖ
の炭化物および窒化物を安定的に生成させ、これに加え
て、加速冷却熱処理を行うことにより、レール頭表面か
ら内部まで均一な高い硬度分布を有した耐摩耗性および
耐内部疲労損傷性に優れた高強度レールが製造できるこ
とを知見した。

【００１２】すなわち本発明の目的は、重荷重鉄道のレ
ールに要求される耐摩耗性を向上させ、同時に、耐内部
疲労損傷性を安定的に向上させることを目的としたパー
ライト系レールおよびその製造法に関するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するものであって、その要旨とするところは、以下の通
りである。 （１）質量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０
〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、 Ｖ ：０．０２
〜０．２０％、 Ｎ ：０．００６０〜０．０５００％ を含有し、さらに必要に応じて、 Ｃｒ：０．０５〜１．００％、 Ｍｏ：０．０１
〜０．２０％、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｉ：０．０５
〜１．００％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、 Ｔｉ：０．００
５０〜０．０３００％、 Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：０．００
１０〜０．０１５０％、 Ｃｏ：０．１０〜２．００％ の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなることを特徴とする耐摩耗性、耐内部
疲労損傷性に優れたパーライト系レール。 （２） 前記（１）記載の成分を有するレールであっ
て、前記鋼レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を
起点として少なくとも深さ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３
６０〜４８０の範囲で、かつ、その硬さの差がＨｖ４０
以下であるパーライト組織とすることを特徴とする耐摩
耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。 （３）前記（１）記載の成分からなる、熱間圧延ままの
Ａｒ１点以上の温度の鋼レール頭部、あるいは熱処理す
る目的でＡｃ１点＋３０℃以上の温度に加熱された鋼レ
ール頭部を、オーステナイト域温度から１〜１５℃／se
c の冷却速度で加速冷却し、前記鋼レールの頭部の温度
が６５０〜４５０℃に達した時点で加速冷却を停止し、
その後放冷して、前記鋼レールの頭部コーナー部および
頭頂部表面を起点として少なくとも深さ２０mmの範囲
が、硬さＨｖ３６０〜４８０の範囲で、かつ、その硬さ
の差がＨｖ４０以下であるパーライト組織とすることを
特徴とする耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパーラ
イト系レールの製造方法。

【００１４】

【発明の実施の態様】以下、本発明について詳細に説明
する。請求項１〜６において、化学成分、または化学成
分とパーライト組織の範囲および硬さ、およびパーライ
ト組織の硬さの差を、上記請求範囲のように限定した理
由について詳細に説明する。

【００１５】（１）レール鋼の化学成分 まず、本発明においてレールの化学成分を上記のように
限定した理由について説明する。Ｃは、パーライト変態
を促進させて、かつ、耐摩耗性を確保する有効な元素で
あり、通常のレール鋼としてはＣ量０．６０〜０．８５
％が添加されているが、Ｃ量０．８５％以下では耐摩耗
性の向上を図るためのパーライト組織中のセメンタイト
相の密度が確保できず、さらに、レール頭部内部に疲労
損傷の起点となる粒界フェライトが生成し易くなり、レ
ール寿命が低下する。また、Ｃ量が１．２０％を超える
と、成分系によっては、パーライト組織中に初析セメン
タイト組織が生成し、レールの靱性や延性が大きく低下
することや、パーライト組織中のセメンタイト相の密度
が増加し、レールに必要とされる延性を十分に確保でき
なくなるため、Ｃ量を０．８５超〜１．２０％に限定し
た。

【００１６】Ｓｉは、パーライト組織中のフェライト相
への固溶体硬化によりレール頭部の硬度（強度）を上昇
させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果が十
分に期待できず、また、１．００％を超えると、熱間圧
延時に表面疵が多く生成することや、酸化物の生成によ
り溶接性が低下するため、Ｓｉ量を０．１０〜１．００
％に限定した。

【００１７】Ｍｎは、パーライト変態温度を低下させ、
焼き入れ性を高めることによって高強度化に寄与し、さ
らに、初析セメンタイト組織の生成を抑制する元素であ
るが、０．１０％未満の含有量ではその効果が小さく、
レール頭部に必要とされる硬さの確保が困難となる。ま
た、１．５０％を超えると、焼入性が著しく増加し、マ
ルテンサイト組織が生成し易くなることや、偏析が助長
され、偏析部にレールの靭性に有害な初析セメンタイト
組織が生成し易くなるため、Ｍｎ量を０．１０〜１．５
０％に限定した。

【００１８】Ｖはレール頭部の熱処理において、レール
頭表部と比較して冷却速度の遅いレール頭部内部で炭化
物や窒化物を形成し、パーライト組織中のフェライト地
に析出することにより、頭部内部の硬度を向上させる元
素であるが、０．０１％未満では、窒化物や窒化物の形
成が困難となり、レール頭部内部のパーライト組織の析
出硬化が困難となる。また、０．２０％を超えて添加し
てもそれ以上の効果が期待できないことや、Ｖの窒化物
を形成させる化学的に当量であるＮの添加量が０．０５
００％を超え、溶鋼溶製時に、内部疲労損傷の起点とな
るブローホールなどの内部欠陥が発生しやすくなるた
め、Ｖ量を０．０１〜０．２０％に限定した。

【００１９】また、さらにＮを含有させ、Ｖの効果を相
乗効果で高めるために添加する。ＮはＶと結合してＶの
窒化物を形成し、パーライト組織中のフェライト地に析
出することにより、冷却速度の比較的遅いレール頭部内
部の硬度をより一層向上させる元素であるが、０．００
６０％未満では、Ｖの窒化物の生成が困難となる。ま
た、０．０５００％を超えると、溶鋼溶製時に、内部疲
労損傷の起点となるブローホールなどの内部欠陥が発生
しやすくなるため、Ｎ量を０．００６０〜０．０５００
％に限定した。なお、レール内部の硬さの上昇を図るた
め、Ｖの窒化物を安定的に生成させ、同時にブローホー
ル等の内部欠陥の発生を抑制するには、Ｎ添加量を０．
０１００〜０．０２００％の範囲とすることが望まし
い。

【００２０】また、上記の成分組成で製造されるレール
は強度、延性、靭性、さらには溶接時の材料劣化を防止
する目的で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍ
ｇ、Ｃａ、Ｃｏの元素を、必要に応じて１種類または２
種以上を添加する。ここで、Ｃｒ、Ｍｏは高強度化と耐
摩耗性向上、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉは延性と靭性と同時に強
度と向上、Ｃｕ、Ｃｏは強度向上、Ｍｇ、Ｃａは延性と
靭性の向上を主な目的として添加する。

【００２１】Ｃｒは、パーライトの平衡変態点を上昇さ
せ、結果としてパーライト組織を微細にして高強度化に
寄与すると同時に、パーライト組織中のセメンタイト相
を強化することによって耐摩耗性を向上させる元素であ
るが、０．０５％未満ではその効果が小さく、１．００
％を超える過剰な添加を行うと、マルテンサイト組織が
多量に生成し、レールの靱性を低下させるため、Ｃｒ量
を０．０５〜１．００％に限定した。

【００２２】Ｍｏは、Ｃｒ同様パーライトの平衡変態点
を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にするこ
とにより高強度化に寄与し、耐摩耗性を向上させる元素
であるが、０．０１％未満ではその効果が小さく、０．
２０％を超える過剰な添加を行うと、偏析が助長され、
さらに、パーライト変態速度が低下し、偏析部にマルテ
ンサイト組織が生成し、レールの靱性が低下するため、
Ｍｏ量を０．０１〜０．２０％に限定した。

【００２３】Ｃｕは、パーライト鋼の靭性を損なわず強
度を向上させる元素であり、その効果は０．０５〜０．
５０％の範囲で最も大きく、また、０．５０％を超える
と赤熱脆化を生じやすくなることから、Ｃｕ量を０．０
５〜０．５０％に限定した。

【００２４】Ｎｉは、パーライト鋼の延性と靭性を向上
させ、同時に、固溶強化によりパーライト鋼の高強度化
を図る元素であるが、０．０５％未満ではその効果が著
しく小さく、また、１．００％を超える過剰な添加を行
ってもそれ以上の効果が期待できない。したがって、Ｎ
ｉ量を０．０５〜１．００％に限定した。

【００２５】Ｎｂは、Ｖと同様にＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化
物による析出硬化で強度を高め、さらに、高温度に加熱
する熱処理が行われる際に結晶粒の成長を抑制する作用
によりオーステナイト粒を微細化させ、そのオーステナ
イト粒成長抑制効果はＶよりも高温度域（１２００℃近
傍）まで作用し、パーライト組織の延性と靭性を改善す
る。その効果は、０．００２％未満では期待できず、ま
た、０．０５０％を超える過剰な添加を行ってもそれ以
上の効果が期待できない。従って、Ｎｂ量を０．００２
〜０．０５０％に限定した。

【００２６】Ｔｉは、レール圧延時の再加熱において、
析出したＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が溶解しないことを利
用して、圧延加熱時のオーステナイト結晶粒の微細化を
図り、パーライト組織の延性や靭性を向上させるのに有
効な成分である。しかし、０．００５０％未満ではその
効果が少なく、０．０３００％を超えて添加すると、粗
大なＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が生成して、レール使用中
の疲労損傷の起点となり、き裂を発生させるため、Ｔｉ
量を０．００５０〜０．０３００％に限定した。

【００２７】Ｍｇは、Ｏ、または、ＳやＡｌ等と結合し
て微細な酸化物を形成し、レール圧延時の再加熱におい
て、結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒の微細
化を図り、パーライト組織の延性や靭性を向上させるの
に有効な元素である。さらに、ＭｇＯ、ＭｇＳがＭｎＳ
を微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成
し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーラ
イトブロックサイズを微細化することにより、パーライ
ト組織の延性や靭性を向上させるのに有効な元素であ
る。しかし、０．００１０％未満ではその効果は弱く、
０．０１００％を超えて添加するとＭｇの粗大酸化物が
生成してレール延性や靭性を劣化させるため、Ｍｇ量を
０．００１０〜０．０１００％に限定した。

【００２８】Ｃａは、Ｓとの結合力が強く、ＣａＳとし
て硫化物を形成し、さらに、ＣａＳがＭｎＳを微細に分
散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成し、パーラ
イト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロッ
クサイズを微細化することにより、パーライト組織の延
性や靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし、
０．００１０％未満ではその効果は弱く、０．０１５０
％を超えて添加するとＣａの粗大酸化物が生成してレー
ル延性や靭性を劣化させるため、Ｃａ量を０．００１０
〜０．０１５０％に限定した。

【００２９】Ｃｏは、パーライトの変態エネルギーを増
加させて、パーライト組織を微細にすることにより強度
を向上させる元素であるが、０．１０％未満ではその効
果が期待できず、また、２．００％を超える過剰な添加
を行ってもその効果が飽和域に達してしまうため、Ｃｏ
量を０．１０〜２．００％に限定した。

【００３０】上記のような成分組成で構成されるレール
鋼は、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製
を行い、この溶鋼を造塊・分塊法あるいは連続鋳造法、
さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。次に、
この熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あるい
は熱処理する目的で高温に再加熱されたレール頭部に熱
処理を施すことにより、レール頭部に硬さの高いパーラ
イト組織を安定的に生成させることが可能となる。

【００３１】（２）パーライト組織の望ましい硬さおよ
びその範囲 はじめに、パーライト組織の望ましい硬さをＨｖ３６０
〜４８０の範囲に限定した理由について説明する。本成
分系では硬さがＨｖ３６０未満になると、レールの摩耗
が進行し、重荷重鉄道で要求されている耐摩耗性を確保
することが困難となり、さらに、急曲線区間において使
用されるレールでは頭部内部から疲労き裂が発生しやす
くなる。また、硬さがＨｖ４８０を超えると、レール頭
表部の車輪とのなじみ性が低下し、表面損傷が発生しや
すくなることや、また、レール熱処理製造において、レ
ール頭部にベイナイトやマルテンサイトなどの異常組織
が生成し、レールの耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を低下
させるため、硬さをＨｖ３６０〜４８０の範囲に限定し
た。

【００３２】次に、硬さＨｖ３６０〜４８０の範囲のパ
ーライト組織の呈する望ましい範囲を、頭部コーナー部
および頭頂部の該頭部表面を起点として深さ２０mmの範
囲に限定した理由について説明する。２０mm未満では、
レール頭部に必要とされている耐摩耗性および耐内部疲
労損傷性領域としては小さく、摩耗の進行および内部疲
労損傷の発生により十分な寿命改善効果が得られないた
めである。また、前記パーライト組織を呈する範囲が頭
部コーナー部および頭頂部の該頭部表面を起点として深
さ３０mm以上あれば、寿命改善効果がさらに増し、より
望ましい。

【００３３】ここで、図１に本発明の耐摩耗性、耐内部
疲労損傷性に優れたレールの頭部断面表面位置での呼称
および耐摩耗性が必要とされる領域を示す。レール頭部
において１は頭頂部、２は頭部コーナー部であり、頭部
コーナー部２の一方は車輪と主に接触するゲージコーナ
ー（Ｇ．Ｃ．）部である。また、硬さＨｖ３６０〜４８
０の範囲のパーライト組織は少なくとも図中の斜線部分
に配置されていれば、レール使用寿命の向上が可能とな
る。

【００３４】（３）パーライト組織の望ましい硬さの差 最後に、深さ２０mmの範囲における望ましいパーライト
組織の硬さの差の最大値をＨｖ４０以下に限定した理由
を説明する。レール頭部では断面の各部位によって冷却
速度が異なるため、一般的に硬さはレール頭表部から頭
部内部へ進むにしたがって低下する分布を示す。このレ
ール頭表面と頭部内部の硬度差がＨｖ４０を超えると、
レール頭部断面内において材料強度の変化が著しく大き
くなり、これにともない、レールに作用する外力から発
生する歪み（塑性変形領域）が、レール頭部内部の低硬
度（強度）部に集中し、その結果、内部疲労損傷が発生
し、レール寿命が低下するため、硬さの差の最大値をＨ
ｖ４０以下に限定した。

【００３５】（４）製造条件 本発明の製造方法において、レール製造時の加熱、冷却
条件を上記のように限定した理由について詳細に説明す
る。まず、レール頭部を冷却する前の温度条件である
が、所定の組織および硬度を得るためには、少なくとも
レール頭部を十分にオーステナイト化させる必要があ
る。その温度は、圧延直後のレール頭部においてはＡｒ
１点以上の温度域であり、また、再加熱されたレール頭
部ではＡｃ１点＋３０℃以上の温度が必要である。な
お、温度の上限は特に規定しないが、あまり高温度にす
ると液相が現れ、オーステナイト相が不安定になるた
め、温度は実質１３５０℃が上限となる。

【００３６】ここで、上記の「レール頭部」とは、図１
に示すレール頭頂部（符号：１）および頭部コーナー部
（符号：２）を含む部分である。以下に説明する冷却速
度および温度は、前記図２に示すレール頭頂部（符号：
１）および頭部コーナー部（符号：２）の頭部表面から
深さが２〜５mmの範囲で測定すれば、レール頭部の少な
くとも深さ２０mmの範囲（図２の斜線部分）を代表させ
ることができ、少なくとも前記部分（図２の斜線部分）
の組織と硬度を制御することが可能となる。

【００３７】次に、レール頭部をオーステナイト域温度
から６５０〜４５０℃までの間を１〜１５℃／sec の冷
却速度で加速冷却する方法において、加速冷却停止温度
を上記の様に限定した理由について説明する。６５０℃
を超える温度で加速冷却を停止すると、加速冷却直後に
パーライト変態が開始し、硬さの低いパーライト組織が
多く生成し、レール頭部の硬さがＨｖ３６０未満とな
り、耐摩耗性や耐内部疲労損傷性が確保できないため、
６５０℃以下に限定した。また、４５０℃未満まで加速
冷却を行うと、加速冷却後にレール内部からの十分な復
熱が期待できず、レール頭部内部の偏析部等にレールの
靭性、耐内部疲労損傷性に有害なマルテンサイト組織が
生成するため４５０℃以上に限定した。

【００３８】また、レール頭部の加速冷却速度が１℃／
sec 未満になると、加速冷却途中の高温度域でパーライ
ト変態が開始し、硬さの低いパーライト組織が多く生成
し、レール頭部の硬さがＨｖ３６０未満となり、レール
頭部の耐摩耗性、耐内部疲労損傷性の確保が困難になる
ことや、成分系によってはレールの靭性および延性に有
害な初析セメンタイト組織が生成するため、１℃／sec
以上に限定した。加速冷却速度が１５℃／sec を超える
と、加速冷却中にパーライト変態をせずに、レール頭部
にベイナイトやマルテサイト等の異常組織が生成し、耐
摩耗性や耐内部疲労損傷性を低下させるため、加速冷却
速度を１〜１５℃／sec の範囲に限定した。なお、硬度
の高いパーライト組織をレール頭部内部まで安定的に生
成させるには、加速冷却速度を５〜１０℃／sec の範囲
とすることが最も望ましい。

【００３９】本加速冷却速度範囲は冷却開始から終了ま
での平均的な冷却速度を限定するものであるが、加速冷
却途中においてパーライト変態による発熱やレール内部
からの自然復熱による一時的な温度上昇が発生すること
がある。しかし、加速冷却開始から終了までの平均的な
冷却速度が上記範囲内であれば本パーライト系レールの
特性に大きな影響をおよぼさないため、本レールの加速
冷却条件としては冷却途中の一時的な温度上昇にともな
う冷却速度の低下も含んでいる。

【００４０】また、１〜１５℃／sec の冷却速度を得る
方法としては、空気や空気を主としミスト等を加えた冷
却媒体およびこれらの組み合わせにより、所定冷却速度
を得ることが可能である。

【００４１】従って、Ｈｖ３６０以上のパーライト組織
を呈した耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたレールを
製造するには、レール頭表部において、硬さの低いパー
ライト組織の生成を防止し、耐摩耗性、延性、靱性、耐
内部疲労損傷性に有害な初析セメンタイト、マルテンサ
イト、ベイナイト組織が生成しないように、空気や空気
を主としミスト等を加えた冷媒を用いてオーステナイト
域温度から１〜１５℃／sec の冷却速度で加速冷却し、
該鋼レール頭表部の温度が６５０〜４５０℃に達した時
点で加速冷却を停止することにより、レール頭表部から
内部まで高硬度のパーライト組織を安定的に生成させる
ことが可能となる。

【００４２】また、加速冷却後の冷却は強制的な冷却は
行わず、パーライト変態を完遂するまで放冷、すなわち
自然冷却することが望ましい。なお、生産性向上等のた
めレールを強制的に冷却する時には、マルテンサイト組
織などのレールの靱性を低下させる組織の生成を防止す
るため、パーライト変態が完遂してから冷却を行うこと
が望まし。なお、本成分系において、レール頭部全体の
パーライト変態がほぼ完了する温度は、レール頭表面の
温度が３５０℃未満に冷却された状態である。

【００４３】レールの金属組織としてはパーライト組織
であることが望ましいが、成分系、加速冷却速度および
素材の偏析状態によっては、パーライト組織中に微量な
初析フェライト組織や初析セメンタイト組織が生成する
ことがある。しかし、パーライト組織中にこれらの組織
が微量に生成してもレールの耐摩耗性、延性、靱性、耐
内部疲労損傷性および強度に大きな影響をおよぼさない
ため、本パーライト系レールの組織としては若干の初析
フェライト組織および初析セメンタイト組織の混在も含
んでいる。

【００４４】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。表
１に本発明レール鋼の化学成分、頭部加速冷却条件、レ
ール頭部軸心部硬さ、および頭部ミクロ組織を示す。ま
た、表１には図２に示す強制冷却条件下における西原式
摩耗試験での７０万回繰り返し後の摩耗量、図３に示す
転動疲労試験結果も併記した。

【００４５】

【表１】

【００４６】また、表２に比較レール鋼の化学成分、頭
部加速冷却条件、レール頭部軸心部硬さおよび頭部ミク
ロ組織を示す。また、表１には図２に示す強制冷却条件
下における西原式摩耗試験での７０万回繰り返し後の摩
耗量、図３に示す転動疲労試験結果も併記した。

【００４７】

【表２】

【００４８】図４は、表１に示す本発明レール鋼と表２
に示す比較レール鋼（共析炭素含有鋼）の摩耗試験結果
を硬さと摩耗量の関係で比較したものである。図５、６
は本発明レール鋼（符号Ｂ、Ｃ）の頭部断面硬度分布の
一例である。また、図７、８は比較レール鋼（符号Ｍ、
Ｎ）の頭部断面硬度分布の一例である。

【００４９】図２において、３はレール試験片、４は相
手材、５は冷却用ノズルである。また、図３において、
６はレール移動用スライダーであり、この上にレール７
が設置される。１０はモーター９で回転する車輪８の左
右の動きおよび荷重を制御する荷重負荷装置である。試
験は左右に移動するレール７上に車輪８が転動する。

【００５０】なお、レールの構成は以下のとおりであ
る。 ・本発明レール鋼（７本） 符号Ａ〜Ｇ 上記成分範囲で、該鋼レールの少なくともレール頭部表
面から該頭部表面を起点として深さ２０mmの範囲がパー
ライト組織を呈し、前記範囲のパーライト組織の硬さが
Ｈｖ３６０以上で、かつ、その硬さの差がＨｖ４０以下
であることを特徴とする耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に
優れたパーライト系レール。 ・比較レール鋼（１１本） 符号Ｈ〜Ｊ：化学成分が上記請求範囲外の共析炭素含有
鋼による比較レール鋼（３本）。 符号Ｋ〜Ｎ：化学成分が上記請求範囲外の過共析炭素含
有鋼による比較レール鋼（４本）。 符号Ｏ〜Ｒ：製造条件が上記請求範囲外の過共析炭素含
有鋼による比較レール鋼（４本）。

【００５１】摩耗試験条件は次のとおりとした。 試験機 ：西原式摩耗試験機 試験片形状：円盤状試験片（外径：３０mm、厚さ：８m
m） 試験荷重 ：６８６Ｎ すべり率 ：２０％ 相手材 ：パーライト鋼（Ｈｖ３９０） 雰囲気 ：大気中 冷却 ：圧搾空気による強制冷却（流量：１００Ｎ
ｌ／ｍｉｎ） 繰返し回数：７０万回

【００５２】転動疲労試験の条件は次のとおりとした。 試験機：転動疲労試験機 試験片形状 レール：１３６ポンドレール×２ｍ 車 輪：ＡＡＲタイプ（直径９２０mm） ラジアル荷重：１４７０００Ｎ スラスト荷重： ９８００Ｎ 潤滑 ：ドライ＋油（間欠給油）

【００５３】図４に示すように、本発明レール鋼は比較
レール鋼と比べて炭素量を高めることにより同一硬さに
おいて摩耗量が少なく、耐摩耗性が大きく向上してい
る。

【００５４】Ｖに加えてＮを添加することにより、本発
明レール鋼（符号Ｂ）は、図５に示すように、図７、８
に示す比較レール鋼（符号Ｍ、Ｎ）と比べて、レール表
面と内部の硬度差が減少する。

【００５５】さらに、Ｎの添加量を０．０１００〜０．
０２００％の範囲に制御することにより、本発明レール
鋼（符号Ｃ）は、図６に示すように、本発明レール鋼
（符号Ｂ）と比べて、レール表面と内部の硬度差が減少
し、耐内部疲労損傷性がより一層向上する。

【００５６】表１、２に示すように化学成分を適切な範
囲に納め、適切な熱処理条件を選択することにより、レ
ールの靱性や耐摩耗性に有害な初析セメンタイト組織や
マルテンサイト組織の生成させることなく、高い硬度の
パーライト組織をレール頭部内部まで安定的に生成させ
ることが可能となる。

【００５７】

【発明の効果】このように本発明によれば、重荷重鉄道
に耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたレールを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レール頭部断面表面位置の呼称およびＨｖ３７
０以上のパーライト組織の必要範囲を示した図。

【図２】西原式摩耗試験機の概略図。

【図３】転動疲労試験機の概要図。

【図４】本発明レール鋼と比較レール鋼の摩耗試験結果
を硬さと摩耗量の関係で比較した図。

【図５】本発明レール鋼（符号Ｂ）の頭部断面硬度分布
を示した図。

【図６】本発明レール鋼（符号Ｃ）の頭部断面硬度分布
を示した図。

【図７】比較レール鋼（符号Ｍ）の頭部断面硬度分布を
示した図。

【図８】比較レール鋼（符号Ｎ）の頭部断面硬度分布を
示した図。

【符号の説明】

１：頭頂部 ２：頭部コーナー部 ３：レール試験片 ４：相手材 ５：冷却用ノズル ６：レール移動用スライダー ７：レール ８：車輪 ９：モーター １０：荷重負荷装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−92867（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−316598（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−137252（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−137228（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−137227（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−246101（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 301 C21D 9/04 C22C 38/12 C22C 38/52 C21D 8/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、 Ｖ ：０．０１〜０．２０％、 Ｎ ：０．００６０〜０．０５００％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるこ
   とを特徴とする耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパ
   ーライト系レール。
2. 【請求項２】 質量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、 Ｖ ：０．０１〜０．２０％、 Ｎ ：０．００６０〜０．０５００％ を含有し、さらに、 Ｃｒ：０．０５〜１．００％、 Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｉ：０．０５〜１．００％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、 Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、 Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、 Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、 Ｃｏ：０．１０〜２．００％ の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
   避的不純物からなることを特徴とする耐摩耗性、耐内部
   疲労損傷性に優れたパーライト系レール。
3. 【請求項３】 質量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、 Ｖ ：０．０１〜０．２０％、 Ｎ ：０．００６０〜０．０５００％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるレ
   ールであって、前記鋼レールの頭部コーナー部および頭
   頂部表面を起点として少なくとも深さ２０mmの範囲が、
   硬さＨｖ３６０〜４８０の範囲で、かつ、その硬さの差
   がＨｖ４０以下であるパーライト組織とすることを特徴
   とする耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパーライト
   系レール。
4. 【請求項４】 質量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、 Ｖ ：０．０１〜０．２０％、 Ｎ ：０．００６０〜０．０５００％ を含有し、さらに、 Ｃｒ：０．０５〜１．００％、 Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｉ：０．０５〜１．００％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、 Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、 Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、 Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、 Ｃｏ：０．１０〜２．００％ の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
   避的不純物からなるレールであって、前記鋼レールの頭
   部コーナー部および頭頂部表面を起点として少なくとも
   深さ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３６０〜４８０の範囲
   で、かつ、その硬さの差がＨｖ４０以下であるパーライ
   ト組織とすることを特徴とする耐摩耗性、耐内部疲労損
   傷性に優れたパーライト系レール。
5. 【請求項５】 質量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、 Ｖ ：０．０１〜０．２０％、 Ｎ ：０．００６０〜０．０５００％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる、
   熱間圧延ままのＡｒ１点以上の温度の鋼レール頭部、あ
   るいは熱処理する目的でＡｃ１点＋３０℃以上の温度に
   加熱された鋼レール頭部を、オーステナイト域温度から
   １〜１５℃／sec の冷却速度で加速冷却し、前記鋼レー
   ルの頭部の温度が６５０〜４５０℃に達した時点で加速
   冷却を停止し、その後放冷して、前記鋼レールの頭部コ
   ーナー部および頭頂部表面を起点として少なくとも深さ
   ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３６０〜４８０の範囲で、か
   つ、その硬さの差がＨｖ４０以下であるパーライト組織
   とすることを特徴とする耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に
   優れたパーライト系レールの製造方法。
6. 【請求項６】 質量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、 Ｖ ：０．０１〜０．２０％、 Ｎ ：０．００６０〜０．０５００％ を含有し、さらに、 Ｃｒ：０．０５〜１．００％、 Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｉ：０．０５〜１．００％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、 Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、 Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、 Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、 Ｃｏ：０．１０〜２．００％ の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
   避的不純物からなる、熱間圧延ままのＡｒ１点以上の温
   度の鋼レール頭部、あるいは熱処理する目的でＡｃ１点
   ＋３０℃以上の温度に加熱された鋼レール頭部を、オー
   ステナイト域温度から１〜１５℃／sec の冷却速度で加
   速冷却し、前記鋼レールの頭部の温度が６５０〜４５０
   ℃に達した時点で加速冷却を停止し、その後放冷して、
   前記鋼レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点
   として少なくとも深さ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３６０
   〜４８０の範囲で、かつ、その硬さの差がＨｖ４０以下
   であるパーライト組織とすることを特徴とする耐摩耗
   性、耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールの製
   造方法。