(57)【要約】【課題】レール鋼の成分、すなわち、ＣｏとＮｉを複合添加し、Ｎｉ／Ｃｏの比率をある一定の範囲に納めることにより、パーライト組織の耐摩耗性と延性を向上させ、組織と硬さを制御することにより、パーライト組織の耐摩耗性と延性を向上させ、重荷重鉄道に使用されるレールの使用寿命を向上させる。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．６５〜１．２０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜２．００％、Ｃｏ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．１０〜２．２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、Ｎｉに対するＣｏ含有量の比（Ｎｉ／Ｃｏ、質量％）が２．０〜４．５の範囲であり、該鋼レールの頭表部の少なくとも一部がパーライト組織であることを特徴とする耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レール。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．６５〜１．２０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜２．００％、Ｃｏ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．１０〜２．２５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、Ｎｉに対するＣｏ含有量の比であるＮｉ質量％／Ｃｏ質量％が２．０〜４．５の範囲であり、該鋼レールの頭表部の少なくとも一部がパーライト組織であることを特徴とする耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項２】
請求項１において、Ｃ：０．９０〜１．２０％の範囲であることを特徴とする耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項３】
請求項１又は２において、質量％で、さらに、Ｃｒ：０．０１〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％の１種または２種を含有し、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および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、質量％で、さらに、Ｖ：０．００５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％の１種または２種を含有し、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および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、質量％で、さらに、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％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および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項において、質量％で、さらに、Ｃｕ：０．０５〜１．００％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および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、質量％で、さらに、Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％の１種または２種を含有し、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および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、質量％で、さらに、Ａｌ：０．０１００〜１．００％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および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項において、質量％で、さらに、Ｚｒ：０．０００１〜０．２０００％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および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項において、質量％で、さらに、Ｎ：０．００６０〜０．０２００％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および延性に優れたパーライト系レール。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項において、前記鋼レールにおける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の範囲がパーライト組織であり、かつ、その硬さがＨｖ３２０〜５００の範囲であることを特徴とする耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重荷重鉄道で使用されるレールにおいて、頭部の耐摩耗性と延性を同時に向上させることを目的としたパーライト系レールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送の高効率化を図るため、貨物の高積載化を進めており、特に急曲線のレールでは、Ｇ.Ｃ.部や頭側部の耐摩耗性が十分確保できず、摩耗によるレール使用寿命の低下が問題となってきた。このような背景から、現用の共析炭素鋼含有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。これらの問題を解決するため、下記に示すようなレールが開発された。これらのレールの主な特徴は、耐摩耗性を向上させるため、鋼の炭素量を増加し、パーライトラメラ中のセメタイト相の体積比率を増加させ、さらに、硬さを制御している（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１の開示技術では、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体積比率を増加させ、耐摩耗性に優れたレールを提供することができる。
【０００４】
また、特許文献２の公開技術では、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体積比率を増加させ、同時に、硬さを制御し、耐摩耗性に優れたレールを提供することができる。
【０００５】
しかし、特許文献１〜２の開示技術では、パーライト組織中のセメタイト相の体積比率を増加させる、すなわち、鋼の炭素量を増加させることにより、ある一定レベルの耐摩耗性の向上が図れる。しかし、パーライト組織自体の延性が著しく低下し、レール折損が発生しやすくなるいという問題点があった。さらに、レールの延性に有害な初析セメンタイト組織が生成しやすくなり、レール折損が発生しやすくなるいという問題点があった。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１４４０１６号公報
【特許文献１】特開平８−２４６１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような背景から、パーライト組織の耐摩耗性を向上させ、同時に、延性を向上させた耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レールの提供が望まれるようになった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み案出されたものであり、その目的とするところは、重荷重鉄道のレールで要求される、頭部の耐摩耗性と延性を同時に向上させることを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）質量％で、Ｃ：０．６５〜１．２０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜２．００％、Ｃｏ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．１０〜２．２５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、Ｎｉに対するＣｏ含有量の比であるＮｉ質量％／Ｃｏ質量％が２．０〜４．５の範囲であり、該鋼レールの頭表部の少なくとも一部がパーライト組織であることを特徴とする耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レール。
【００１０】
（２）上記（１）において、Ｃ：０．９０〜１．２０％の範囲であることを特徴とする耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レール。
【００１１】
（３）また、上記（１）又は（２）のレールには、質量％でさらに、下記[1]〜[8]の成分を選択的に含有させることができる
[1]Ｃｒ：０．０１〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％の１種または２種、
[2]Ｖ：０．００５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％の１種または２種、
[3]Ｂ：０．０００１〜０．００５０％の１種、
[4]Ｃｕ：０．０５〜１．００％の１種、
[5]Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％の１種または２種以上、
[6]Ａｌ：０．０１００〜１．００％の１種、
[7]Ｚｒ：０．０００１〜０．２０００％の１種、
[8]Ｎ：０．００６０〜０．０２００％の1種、
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。
【００１２】
（４）上記（１）〜（３）のいずれかのレールにおいて、前記鋼レールにおける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の範囲がパーライト組織であり、かつ、その硬さがＨｖ３２０〜５００の範囲であることを特徴とする耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レール。
【発明の効果】
【００１３】
レール鋼の成分、すなわち、ＣｏとＮｉを複合添加し、Ｎｉ／Ｃｏの比率をある一定の範囲に納めることにより、パーライト組織の耐摩耗性と延性を向上させ、また、組織と硬さを制御することにより、重荷重鉄道に使用されるレールの使用寿命を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明を実施する形態として、耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レールにつき、詳細に説明する。以下、組成における質量は、単に％と記載する。
【００１５】
まず、本発明者らはレール鋼の摩耗特性を支配している因子を明らかにするため、まず、長期間上記のような実軌道で使用され、車輪との接触により十分に摩耗したレール頭部の摩耗面の微視組織を観察した。その結果、レール頭部の摩耗面では、基地パーライト組織のフェライト相とセメンタイト相のラメラ構造が微細となり、さらに、部分的にはラメラ構造が消失し、破砕された硬質のセメンタイト相と微細なフェライト組織からなる組織形態であることを確認した。
【００１６】
さらに、本発明者らはレールの摩耗と組織変化の関係を調査した。その結果、耐摩耗性に優れたレール頭部の摩耗面の組織は、ラメラ構造が微細であり、さらに、フェライト粒径が微細化していることが確認された。
【００１７】
これまでの実験室での検討から、これらの組織を微細化するには、硬質なセメンタイト相の体積比率の増加が有効なことが確認されている。しかし、セメンタイト相の体積比率の増加、すなわち、炭素量の増加は、鋼の延性を大きく低下させる。そこで、本発明者らは、鋼の炭素量を増加させずに摩耗面の組織を微細化する方法を検討した。様々な合金元素を検討した結果、一定量のＣｏを添加することにより、摩耗面のラメラ構造やフェライト粒径が微細化し、パーライト鋼の耐摩耗性がより一層向上することを見出した。
【００１８】
そこで、Ｃｏ添加鋼の変態特性を実験室的に評価した。炭素量１．００％Ｃのレール鋼をベースに、Ｃｏの添加量を変化させた材料を溶製し、レール相当の圧延条件を模擬した加熱冷却実験を行い、変態特性を調査した。その結果、Ｃｏ添加鋼はパーライト変態を促進させると同時に、高炭素鋼の脆化要因となる初析セメンタイト組織の生成を抑制することが確認され、レールのような高炭素鋼においては、Ｃｏ添加鋼は耐摩耗性とパーライト変態特性を安定させる元素として極めて有効な合金であることが明らかとなった。
【００１９】
さらに、Ｃｏ添加鋼の延性を実験室的に評価した。炭素量０．６５〜１．２０％Ｃのレール鋼をベースに、Ｃｏを０．２０％添加した材料を溶製し、レール相当の圧延条件を模擬したラボ圧延実験を行い、引張試験により延性を調査した。なお、素材の硬さは熱処理条件の制御によりＨｖ４００レベルに揃えた。
【００２０】
図１に炭素量と全伸び値との関係を示す。いずれの炭素量においてもＣｏを添加することにより、全伸び値は低下することが確認された。
【００２１】
さらに、本発明者らはＣｏ添加による全伸び値の低下を改善する方法を検討した。まず、Ｃｏ添加による延性低下原因を解明した。引張試験片の組織観察を行った結果、フェライト相に多数のクラックの存在が確認され、Ｃｏ添加によりパーライト組織のフェライト相が脆化していることが分かった。
【００２２】
そこで、フェライト相の脆化を抑制する方法を検討した。炭素量０．６５〜１．２０％、さらに、Ｃｏを０．２０％添加したレール鋼をベースに、合金変化させた材料を溶製し、レール相当の圧延条件を模擬したラボ圧延実験を行い、引張試験により延性を評価した。なお、素材の硬さは熱処理条件の制御によりＨｖ４００レベルに揃えた。
【００２３】
図１に上記材料にＮｉを０．５０％添加した鋼の結果を合わせて示す。一定量のＮｉを添加することにより、Ｃｏ添加によるフェライト相の脆化が抑制され、全伸び値の低下が防止できることが確認された。
【００２４】
さらに、本発明者らは上記のＮｉ添加量の最適範囲を検討した。炭素量１．００％の鋼、さらにＣｏを０．０５％、０．２０％、０．５０％添加した１．００％Ｃの鋼をベースに、Ｎｉ添加量を変化させた材料を溶製し、レール相当の圧延条件を模擬したラボ圧延実験を行い、引張試験と摩耗試験を行い、延性や耐摩耗性におよぼすＮｉ添加量の影響を調査した。なお、素材の硬さは熱処理条件の制御によりＨｖ４００レベルに揃えた。
【００２５】
図２にＮｉ添加量と全伸び値の関係を示す。Ｎｉ添加量が少ないと全伸び値には大きな変化は認められず、Ｎｉ添加量がある一定量以上になると全伸び値が増加し、延性が向上することが確認され、延性向上についてはＮｉ添加量に下限値が存在することが明らかとなった。さらに、ここで、Ｃｏ添加量とＮｉ添加量の比率に着目すると、いずれのＣｏ添加量においてもＮｉ／Ｃｏの比率が２．０未満では全伸び値は向上せず、Ｎｉ／Ｃｏの比率が２．０以上で全伸び値が向上することが確認された。
【００２６】
次に、本発明者らは摩耗特性を検討した。図３にＮｉ添加量と摩耗量の関係を示す。なお、摩耗試験は本発明の実施例で示した摩耗試験機を使用し、同一条件で試験を実施した。Ｎｉ添加量が少ない場合、摩耗量には大きな変化は認められず、Ｎｉ添加量がある一定量以上になると摩耗量が大きく増加し、耐摩耗性が低下することが確認された。このことは、Ｎｉを添加すると、ころがり面でのラメラ構造やフェライト粒径の微細化が抑制され、加工硬化が抑制されることに起因している。これらの結果から、耐摩耗性を確保するにはＮｉ添加量に上限値が存在することが明らかとなった。さらに、ここで、Ｃｏ添加量とＮｉ添加量の比率に着目すると、いずれのＣｏ添加量においてもＮｉ／Ｃｏの比率が４．５以下では耐摩耗性の低下は認められず、Ｎｉ／Ｃｏの比率が４．５を超えると耐摩耗性が低下することが確認された。
【００２７】
これらの材質試験の結果から、Ｃｏ添加鋼において延性を改善するには、Ｎｉの添加が有効であることが確認されたが、延性を確実に向上させ、耐摩耗性を確保するには、Ｎｉ添加量に最適な範囲が存在し、その最適な範囲はＮｉ／Ｃｏの比率をある一定の範囲に納めることにより制御できることを新たに知見した。
【００２８】
すなわち、本発明は、高炭素含有の鋼レールにおいて、ＣｏとＮｉを複合添加し、Ｎｉ／Ｃｏの比率をある一定の範囲に納めることにより、パーライト組織の耐摩耗性と延性を向上させ、レールの使用寿命を向上させることを目的としたパーライト系レールに関するものである。
【００２９】
次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。以下、組成における質量％は、単に％と記載する。
【００３０】
（１）化学成分の限定理由
請求項１において、レール鋼の化学成分を上記請求範囲に限定した理由について詳細に説明する。
【００３１】
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る。Ｃ量が０．６５％未満では、レールに要求される最低限の強度や耐摩耗性が維持できない。また、Ｃ量が１．２０％を超えると、粗大な初析セメンタイト組織が多量に生成し、耐摩耗性や延性が低下する。このため、Ｃ添加量を０．６５〜１．２０％に限定した。    
なお、Ｃ量を０．９０％以上にすると、耐摩耗性がより一層向上し、レールの使用寿命が一段と改善する。このため、過酷な使用条件の軌道において、レールの耐摩耗性をより一層向上させ、高寿命化を図るには、請求項３に示すように、Ｃ添加量を０．９０〜１．２０％に限定することが望ましい。
【００３２】
Ｓｉは、脱酸材として必須の成分である。また、パーライト組織中のフェライト相への固溶強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。さらに、過共析鋼において、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、延性の低下を抑制する元素である。しかし、Ｓｉ量が０．０５％未満では、これらの効果が十分に期待できない。また、Ｓｉ量が２．００％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。さらに、焼入性が著しく増加し、レールの耐摩耗性や延性に有害なマルテンサイト組織が生成する。このため、Ｓｉ添加量を０．０５〜２．００％に限定した。
Ｍｎは、焼き入れ性を高め、パーライトラメラ間隔を微細化することにより、パーライト組織の硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、Ｍｎ量が０．０５％未満では、その効果が小さく、レールに必要とされる耐摩耗性の確保が困難となる。また、Ｍｎ量が２．００％を超えると、焼入性が著しく増加し、耐摩耗性や延性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このため、Ｍｎ添加量を０．０５〜２．００％に限定した。
【００３３】
Ｃｏは、パーライト組織中のフェライト相に固溶し、レール頭部の摩耗面において、車輪との接触により形成させる微細なフェライト組織をより一層微細化し、耐摩耗性を向上させる元素である。Ｃｏ量が０．０５％未満では、ラメラ構造やフェライト粒径の微細化が図れず、耐摩耗性の向上効果が期待できない。また、Ｃｏ量が０．５０％を超えると、パーライト組織の延性が著しく低下する。また、合金添加コストの増大により経済性が低下する。このため、Ｃｏ添加量を０．０５〜０．５０％に限定した。
【００３４】
Ｎｉは、パーライト組織中のフェライト相の延性を向上させ、Ｃｏ添加による延性低下を抑制すると同時に、固溶強化により高硬度（強度）化を図る元素である。Ｎｉ量が０．１０％未満では、その効果が著しく小さく、また、Ｎｉ量が２．２５％を超えると、パーライト組織中のフェライト相の延性が著しく低下することや、パーライト組織の耐摩耗性大きく低下させる。このため、Ｎｉ添加量を０．１０〜２．２５％に限定した。
【００３５】
また、上記の成分組成で製造されるレールは、パーライト組織や初析フェライト組織の硬度（強化）の向上、延性の向上、溶接熱影響部の軟化の防止、レール頭部内部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎの元素を必要に応じて添加する。
【００３６】
ここで、Ｃｒ、Ｍｏは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、主に、パーライトラメラ間隔を微細化することによりパーライト組織の硬度を確保する。Ｖ、Ｎｂは、熱間圧延やその後の冷却課程で生成した炭化物や窒化物により、オーステナイト粒の成長を抑制し、さらに、フェライト組織やパーライト組織中に析出硬化することにより、パーライト組織の靭性と硬度を向上させる。また、炭化物や窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。Ｂは、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レール頭部の硬度分布を均一にする。Ｃｕは、フェライト組織やパーライト組織中のフェライトに固溶し、パーライト組織の硬度を高める。Ｔｉは、熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止する。Ｍｇ、Ｃａは、レール圧延時においてオーステナイト粒の微細化を図り、同時に、フェライトやパーライト変態を促進し、靭性を向上させる。Ａｌは、共析変態温度を高温側へ移動させ、パーライト組織の硬度を高める。Ｚｒは、ＺｒＯ２介在物が高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レールの延性低下を防止する。Ｎはオーステナイト粒界からのパーライト変態を促進させ、パーライト組織を微細にすることより、延性を向上させることが主な添加目的である。
【００３７】
これらの成分の限定理由について、以下に詳細に説明する。
Ｃｒは、平衡変態温度を上昇させ、結果としてフェライト組織やパーライト組織を微細にして高硬度（強度）化に寄与すると同時に、セメンタイト相を強化して、パーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であるが、Ｃｒ量が０．０１％未満ではその効果は小さく、レール鋼の硬度を向上させる効果が全く見られなくなる。また、Ｃｒ量２．００％を超える過剰な添加を行うと、焼入れ性が増加し、マルテンサイト組織が生成し、頭部コーナー部や頭頂部にマルテンサイト組織を起点としたスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Ｃｒ添加量を０．０１〜２．００％に限定した。
Ｍｏは、Ｃｒと同様に平衡変態温度を上昇させ、結果としてフェライト組織やパーライト組織を微細にすることにより高硬度（強度）化に寄与し、硬度（強度）を向上させる元素であるが、Ｍｏ量が０．０１％未満ではその効果が小さく、レール鋼の硬度を向上させる効果が全く見られなくなる。また、Ｍｏ量が０．５０％を超える過剰な添加を行うと、変態速度が著しく低下し、頭部コーナー部や頭頂部にマルテンサイト組織を起点としたスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Ｍｏ添加量を０．０１〜０．５０％に限定した。
【００３８】
Ｖは、高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Ｖ炭化物やＶ窒化物のピニング効果により、オーステナイト粒を微細化し、さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したＶ炭化物、Ｖ窒化物による析出硬化により、フェライト組織やパーライト組織の硬度（強度）を高めると同時に、延性を向上させるのに有効な元素である。また、Ａc1点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、比較的高温度域でＶ炭化物やＶ窒化物を生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、Ｖ量が０．００５％未満ではその効果が十分に期待できず、フェライト組織やパーライト組織の硬度の向上や延性の改善は認められない。また、Ｖ量が０．５０％を超えると、Ｖの炭化物や窒化物の析出硬化が過剰となり、フェライト組織やパーライト組織の延性が低下し、頭部コーナー部や頭頂部にスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Ｖ添加量を０．００５〜０．５０％に限定した。
【００３９】
Ｎｂは、Ｖと同様に、高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Ｎｂ炭化物やＮｂ窒化物のピニング効果により、オーステナイト粒を微細化し、さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化物による析出硬化により、フェライト組織やパーライト組織の硬度（強度）を高めると同時に、延性を向上させるのに有効な元素である。また、Ａc1点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、低温度域から高温度域までＮｂの炭化物やＮｂ窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、その効果は、Ｎｂ量が０．００２％未満では、その効果が期待できず、フェライト組織やパーライト組織の硬度の向上や靭性の改善は認められない。また、Ｎｂ量が０．０５０％を超えると、Ｎｂの炭化物や窒化物の析出硬化が過剰となり、フェライト組織やパーライト組織の延性が低下し、頭部コーナー部や頭頂部にスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Ｎｂ添加量を０．００２〜０．０５０％に限定した。
【００４０】
Ｂは、オーステナイト粒界に鉄炭ほう化物（Ｆｅ２３（ＣＢ）６）を形成し、パーライト変態の促進効果により、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、頭表面から内部までより均一な硬度分布をレールに付与し、レールを高寿命化する元素であるが、Ｂ量が０．０００１％未満では、その効果が十分でなく、レール頭部の硬度分布には改善が認められない。また、Ｂ量が０．００５０％を超えると、粗大な鉄炭ほう化物が生成し、延性や靭性の低下を招く。このため、Ｂ添加量を０．０００１〜０．００５０％に限定した。
【００４１】
Ｃｕは、フェライト組織やパーライト組織中のフェライト相に固溶し、固溶強化によりパーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であるが、Ｃｕ量が０．０５％未満では、その効果が期待できない。また、Ｃｕ量が１．００％を超えると、著しい焼入れ性向上により延性に有害なマルテンサイト組織が生成し、頭部コーナー部や頭頂部にスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Ｃｕ量を０．０５〜１．００％に限定した。
【００４２】
Ｔｉは、溶接時の再加熱において析出したＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が溶解しないことを利用して、オーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。しかし、Ｔｉ量が０．００５０％未満ではその効果が少なく、Ｔｉ量が０．０５００％を超えると、粗大なＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が生成して、レールの靭性が低下すると同時に、粗大な析出物から疲労損傷が発生する。このため、Ｔｉ添加量を０．００５０〜０．０５０％に限定した。
【００４３】
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、フェライト組織やパーライト組織の延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、フェライトやパーライト変態の生成に寄与し、その結果、主に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を向上させるのに有効な元素である。しかし、Ｍｇ量が０．０００５％未満ではその効果は弱く、Ｍｇ量が０．０２００％を超えると、Ｍｇの粗大酸化物が生成し、レールの靭性が低下すると同時に、粗大な析出物から疲労損傷が発生する。このため、Ｍｇ添加量を０．０００５〜０．０２００％に限定した。
【００４４】
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、フェライトやパーライト変態の生成に寄与し、その結果、主に、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を向上させるのに有効な元素である。しかし、Ｃａ量が０．０００５％未満ではその効果は弱く、Ｃａ量が０．０１５０％を超えると、Ｃａの粗大酸化物が生成し、レールの靭性を低下させるため、Ｃａ添加量を０．０００５〜０．０１５０％に限定した。
【００４５】
Ａｌは、脱酸材として必須の成分である。また、共析変態温度を高温側へ移動させる元素であり、パーライト組織の高硬度（強度）化に寄与する元素であるが、Ａｌ量が０．０１００％未満では、その効果が弱い。また、Ａｌ量が１．００％を超えると、鋼中に固溶させることが困難となり、粗大なアルミナ系介在物が生成し、レールの靭性が低下すると同時に、粗大な析出物から疲労損傷が発生する。さらに、溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下するため、Ａｌ添加量を０．０１００〜１．００％に限定した。
【００４６】
Ｚｒは、ＺｒＯ２介在物がγ−Ｆｅとの格子整合性が良いため、γ−Ｆｅが凝固初晶である高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、偏析部の特性を向上させる元素である。しかし、Ｚｒ量が０．０００１％以下では、ＺｒＯ２系介在物の数が少なく、凝固核として十分な作用を示さない。また、Ｚｒ量が０．２０００％を超えると、粗大Ｚｒ系介在物が多量に生成し、靭性が低下すると同時に、粗大な析出物から疲労損傷が発生する。このため、Ｚｒ量を０．０００１〜０．２０００％に限定した。
【００４７】
Ｎは、オーステナイト粒界に偏析することにより、オーステナイト粒界からのフェライトやパーライト変態を促進させ、主に、パーライトブロックサイズを微細化することにより、延性を向上させるのに有効な元素である。しかし、Ｎ量が０．００６０％未満では、その効果が弱い。Ｎ量が０．０２００％を超えると、鋼中に固溶させることが困難となり、疲労損傷の起点となる気泡が生成し、レール頭部内部に疲労損傷が発生する。このため、Ｎ添加量を０．００６０〜０．０２００％に限定した。
【００４８】
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。
【００４９】
（２）Ｎｉに対するＣｏ含有量の比（Ｎｉ／Ｃｏ、質量％）の限定範囲
次に、Ｎｉに対するＣｏ含有量の比（Ｎｉ／Ｃｏ、質量％）を２．０〜４．５の範囲に限定した理由について説明する。
【００５０】
Ｎｉ／Ｃｏが２．０未満になると、図２に示したように、フェライト相の脆化が抑制できす、その結果、延性改善効果が認められず、Ｃｏ添加鋼の延性は向上しない。また、Ｎｉ／Ｃｏが４．５を超えると、図３に示したように、ころがり面でのラメラ構造やフェライト粒径の微細化が抑制され、その結果、加工硬化が抑制され、Ｃｏ添加鋼の耐摩耗性が大きく低下する。このため、Ｎｉ／Ｃｏを２．０〜４．５の範囲に限定した。
【００５１】
また、Ｎｉに対するＣｏ含有量の比（Ｎｉ／Ｃｏ、質量％）は、２．０〜４．２の範囲がより好ましく、２．３〜４．２の範囲がさらに好ましい。この理由は以下のとおりである。Ｎｉ／Ｃｏを２．０〜４．２の範囲に制御すると、延性と耐摩耗性の改善効果が安定的に得られ、さらにＮｉ／Ｃｏを２．３〜４．２の範囲に制御すると、延性と耐摩耗性の改善効果がさらに安定的に得られ、レールの耐摩耗性と延性のバランスが最も良くなる。
【００５２】
（３）レール頭部のパーライト組織の硬さとその範囲の限定理由
次に、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の範囲を、硬さＨｖ３２０〜５００の範囲のパーライト組織に限定した理由について説明する。
【００５３】
まず、硬さＨｖ３２０〜５００のパーライト組織の範囲を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の範囲に限定した理由について説明する。
硬さＨｖ３２０〜５００のパーライト組織の存在する範囲が、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２０ｍｍ未満では、重荷重鉄道のレールにおいて、耐摩耗性を維持するには小さく、十分なレール使用寿命の向上が図れない。また、硬さＨｖ３２０〜５００のパーライト組織の存在する範囲が、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以上であれば、さらにレール使用寿命が向上し、より望ましい。
【００５４】
次に、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の範囲のパーライト組織の硬さをＨｖ３２０〜５００の範囲に限定した理由について説明する。
本成分系では、パーライト組織の硬さがＨｖ３２０未満になると、レール頭部の耐摩耗性の確保が困難となり、レールの使用寿命が低下する。また、ころがり面に塑性変形起因のフレーキング損傷が発生し、レール頭部の耐表面損傷性が大きく低下する。また、パーライト組織の硬さがＨｖ５００を超えると、パーライト組織の延性が著しく低下し、ころがり面のスポーリング損傷が発生し、レール頭部の耐表面損傷性が低下する。このためパーライト組織の硬さをＨｖ３２０〜５００の範囲に限定した。
【００５５】
ここで、図４に本発明の耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レールの頭部断面表面位置での呼称、および、硬さＨｖ３２０〜５００のパーライト組織が必要な領域を示す。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。
【００５６】
レール頭表部とは、頭部コーナー部、頭頂部表面を起点として深さ５ｍｍまでの範囲を示し、少なくともこの部位に上記の成分範囲のパーライト組織が配置されていれば、レールにおいて耐摩耗性の向上が図れる。
【００５７】
また、硬さＨｖ３２０〜５００のパーライト組織は、頭部コーナー部、頭頂部表面を起点として深さ２０ｍｍまでの範囲、すなわち、少なくとも図中の斜線内に配置されていれば、レールの耐摩耗性がより一層確保され、レールの使用寿命の向上が図れる。
【００５８】
したがって、硬さＨｖ３２０〜５００のパーライト組織は、車輪とレールが主に接するレール頭部表面近傍に配置することが望ましく、それ以外の部分はパーライト組織以外の金属組織であってもよい。
【００５９】
なお、レール頭部において、硬さＨｖ３２０〜５００のパーライト組織を得る方法としては、圧延後、または、再加熱後のオーステナイト領域のある高温のレール頭部に加速冷却を行うことが望ましい。加速冷却の方法としては、特開平８−２４６１００号公報、特開平９−１１１３５２号公報等に記載されているような方法で熱処理を行うことにより、所定の組織と硬さを得ることができる。
【００６０】
また、本発明レールの頭部金属組織は、上記限定のようなパーライト組織であることが望ましい。しかし、レールの成分系や熱処理製造方法によっては、パーライト組織中に面積率で、５％以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が混入することがある。しかし、これらの組織が混入しても、レール頭部の耐摩耗性および延性には大きな悪影響を及ぼさないため、耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レールの組織としては、５％以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織の混在も含んでいる。言い換えれば、本発明レールの頭部金属組織は、９５％以上がパーライト組織であれば良く、耐摩耗性や延性を十分に確保するためには、頭部金属組織の９８％以上をパーライト組織とすることが望ましい。なお、表１及び表２におけるミクロ組織の欄で微量と記載しているのは５％以下の量を意味し、パーライト組織以外の組織において微量と記載していないのは５％超の量を意味する。
【実施例】
【００６１】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１に供試レール鋼の化学成分、Ｎｉ／Ｃｏの値、レール頭部のミクロ組織、硬さを示す。尚、ミクロ組織および硬さは頭表面下２ｍｍ位置のデータであり、ミクロ組織におけるパーライトは、面積率で９５％以上がパーライト組織であることを意味し、パーライト組織以外の組織の微量は面積率が５％以下であることを意味する。さらに、図５に示す位置から試験片を採取し、図６に示す方法で行った摩耗試験の結果、図７に示す位置から試験片を採取して行った引張試験の結果も併記した。
【００６２】
【表１】
2010018844.tif 000002
【００６３】
表２は、比較レール鋼の化学成分、Ｎｉ／Ｃｏの値、レール頭部のミクロ組織、硬さを示す。尚、ミクロ組織および硬さは頭表面下２ｍｍ位置のデータであり、ミクロ組織におけるパーライト組織以外の組織は面積率が５％超であることを意味するが、パーライト組織以外の組織の微量は面積率が５％以下であることを意味する。さらに、図５に示す位置から試験片を採取し、図６に示す方法で行った摩耗試験の結果、図７に示す位置から試験片を採取して行った引張試験の結果も併記した。
【００６４】
【表２】
2010018844.tif 000003
【００６５】
（１）本発明レール（３３本）  符号１〜３３
本願発明成分範囲内で、かつ、Ｎｉ／Ｃｏの値、レール頭部のミクロ組織、硬さが規定の範囲の耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レール。
【００６６】
（２）比較レール（２８本）  符号３４〜６１
鋼：３４〜４３：成分範囲が本願発明範囲外のレール。
鋼：４４〜５５：成分範囲が本願発明範囲内であるが、Ｎｉ／Ｃｏの値が本願発明範囲外であるレール。
鋼：５６〜５８：成分範囲が本願発明範囲内であるが、頭部のミクロ組織が本願発明範囲外のレール。
鋼：５９〜６１：成分範囲が本願発明範囲内であるが、頭部の硬さが本願発明範囲外のレール。
【００６７】
（３）評価方法
[1]頭部引張試験
試験機：万能小型引張試験機
試験片形状：ＪＩＳ４号相似
平行部長さ：３０ｍｍ、平行部直径：６ｍｍ、伸び測定評点間距離：２５ｍｍ
試験片採取位置：レール頭部表面下６ｍｍ（図７参照）
引張速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ、試験温度：常温（２０℃）
【００６８】
[2]頭部摩耗試験
試験機：西原式摩耗試験機（図６参照）
試験片形状：円盤状試験片（外径：３０ｍｍ、厚さ：８ｍｍ）
試験片採取位置：レール頭部表面下２ｍｍ（図５参照）
試験荷重：６８６Ｎ（接触面圧６４０ＭＰａ）
すべり率：２０％
相手材：パーライト鋼（Ｈｖ３８０）
雰囲気：大気中
冷却：圧搾空気による強制冷却（流量：１００Ｎｌ／ｍｉｎ）
繰返し回数：７０万回
【００６９】
表１、表２に示すように、本発明レール鋼（鋼：１〜３３）は、比較レール鋼（鋼：３４〜３９）と比べて、鋼の化学成分を限定範囲内に収めることにより、延性や耐摩耗性に悪影響する初析セメンタイト組織、マルテンサイト組織やベイナイト組織等の組織を生成させることなく、安定的に一定の硬さ範囲内のパーライト組織を得ることが可能となる。
【００７０】
表１、表２に示すように、本発明レール鋼（鋼：１〜３３）は、比較レール鋼（鋼：４０〜４３）と比べて、ＣｏやＮｉの添加量を限定範囲内に収めることにより、延性を圧下させることなく耐摩耗性の向上が可能となる。
【００７１】
表１、表２、図８に示すように、本発明レール鋼（鋼：１〜３３）は、比較レール鋼（鋼：４２、４５、４６、４９、５０、５３、５４）と比べて、Ｎｉ／Ｃｏの値をある一定範囲内に納めることにより、パーライト組織のレールの延性を向上させることができる。
【００７２】
表１、表２、図９に示すように、本発明レール鋼（鋼：１〜３３）は、比較レール鋼（鋼：４３、４４、４７、４８、５１、５２、５５）と比べて、Ｎｉ／Ｃｏの値をある一定範囲内に納めることにより、パーライト組織のレールの耐摩耗性を向上させることができる。
【００７３】
表１、表２に示すように、本発明レール鋼（鋼：１〜３３）は、比較レール鋼（鋼：５６〜５８）と比べて、ミクロ組織をパーライト組織にすることにより、耐摩耗性や延性を確保することができる。
【００７４】
表１、表２に示すように、本発明レール鋼（鋼：１〜３３）は、比較レール鋼（鋼：５９〜６１）と比べて、パーライト組織の硬さをある一定範囲内に納めることにより、耐摩耗性や延性を確保することができる。
【００７５】
さらに、表１、表２、図１０に示すように、本発明レール鋼（鋼：１〜３３）は、炭素量を０．９０％以上とすることにより、耐摩耗性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】炭素量０．６５〜１．２０％Ｃのレール鋼をベースに、Ｃｏを０．２０％添加した鋼と、さらにＮｉを０．５０％添加した鋼を用いて、レール相当の圧延条件を模擬したラボ圧延実験を行い、引張試験を行った結果を鋼の炭素量と全伸び値の関係で示した図。
【図２】炭素量１．００％のレール鋼をベースに、さらにＣｏを０．０５％、０．２０％、０．５０％添加し、Ｎｉ添加量を変化させた鋼を用いて、レール相当の圧延条件を模擬したラボ圧延実験を行い、引張試験を行った結果をＮｉ添加量と全伸び値の関係で示した図。
【図３】図２に示した鋼を用いて摩耗試験を行った結果をＮｉ添加量と摩耗量の関係で示した図。
【図４】本発明のレールの頭部断面表面位置での呼称を示した図。
【図５】表１、表２示す摩耗試験における試験片採取位置を図示した図。
【図６】表１、表２に示す摩耗試験の概要を示した図。
【図７】表１、表２に示す引張試験における試験片採取を示した図。
【図８】表１に示す本発明レール鋼と表２に示す比較レール鋼（Ｎｉ／Ｃｏの値が範囲外）の頭部引張試験の結果を炭素量と全伸び値の関係を示した図。
【図９】表１に示す本発明レール鋼と表２に示す比較レール鋼（Ｎｉ／Ｃｏの値が範囲外）の頭部引張試験の結果を炭素量と摩耗量の関係を示した図。
【図１０】本発明レール鋼の頭部摩耗試験の結果を炭素量と摩耗量の関係を示した図。
【符号の説明】
【００７７】
１：頭頂部
２：頭部コーナー部
３：頭側部
４：レール試験片
５：相手材
６：冷却用ノズル
【図１】
2010018844.tif 000004
【図２】
2010018844.tif 000005
【図３】
2010018844.tif 000006
【図４】
2010018844.tif 000007
【図５】
2010018844.tif 000008
【図６】
2010018844.tif 000009
【図７】
2010018844.tif 000010
【図８】
2010018844.tif 000011
【図９】
2010018844.tif 000012
【図１０】
2010018844.tif 000013