(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．７５ｍａｓｓ％超０．８５ｍａｓｓ％未満、Ｓｉ：０．１〜０．３ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．７〜１．１ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０３５ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０００５〜０．０１０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％を含有し、Ｃ，Ｓｉ，ＭｎおよびＣｒ含有量の合計が１．９ｍａｓｓ％超２．３ｍａｓｓ％未満で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、下記（１）式で表される電気抵抗率ρが２１．１〜２３．７μΩ・ｃｍ、０．２％耐力が５００ＭＰａ超８００ＭＰａ未満であるパーライト鋼レール。
ρ［μΩ・ｃｍ］＝０．９５×Ａ＋１２．４  ・・・（１）
ここで、Ａ＝（１３．８×Ｓｉ＋６．０１×Ｍｎ＋５．３８×Ｃｒ＋０．０１）×（（１−０．１５×Ｃ）／（１−０．３×Ｃ））
ここで、上記式中の元素記号は、その元素の含有量（ｍａｓｓ％）である。
【請求項２】
上記成分組成に加えてさらに、Ｖ：０．００１〜０．０３ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：０．５ｍａｓｓ％以下およびＭｏ：０．１ｍａｓｓ％以下の中から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載のパーライト鋼レール。
【請求項３】
引張強さが９００ＭＰａ超１０８０ＭＰａ未満、０．２％耐力と引張強さの比が５５％超であることを特徴とする請求項１または２に記載のパーライト鋼レール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レールと車輪との接触によりレール頭部のコーナー部（ゲージ・コーナー部；以降、「ＧＣ部」とも称する）に発生するきしみ割れを低減させた、耐きしみ割れ性に優れるパーライト鋼レールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道輸送は、他の輸送機関と比較して輸送効率が高く、環境にも優しいことから、近年、運行速度の高速化や貨車積載荷重の増大化、ダイヤの過密化などによる輸送力の増強が積極的に進められている。その結果、レールに対する負荷が過酷化しており、レールの耐摩耗性や耐転がり損傷性、ダークスポット損傷性などの特性（以降、「耐摩耗性」と総称する）に優れることが重要視されている。
【０００３】
一方、近年、上記ＧＣ部の摩耗によるレール交換以前に、きしみ割れによってレール交換がなされる頻度が次第に増加し、問題となっている。このきしみ割れは、曲線軌道区間の外軌レールなどのＧＣ部に、比較的間隔の狭い亀裂が連続して発生するもので、成長すると、亀裂と亀裂の間の部分が剥離を起こすことがある。そのため、曲線軌道区間に用いられるレールには、耐摩耗性を向上する観点から、従来、高強度レールが使用されてきたが、ＧＣ部の耐摩耗性を従来レールと同等以上とした上で、さらに、耐きしみ割れ性をも向上したレールが求められるようになってきている。
【０００４】
レールの耐摩耗性に着目し、これを改善しようとする技術について、これまでにも多くの提案がなされている。例えば、特許文献１には、酸化物系介在物の量および組成を適正範囲に制御することによって、レール頭部の内部に生じる転動疲労損傷（「ヘビーシュリング損傷」という）に対する耐損傷性を高めたレールが開示されている。また、特許文献２には、レール頭頂部に適切な硬度分布を付与することによって、レールと車輪との接触応力状態を緩和させ、レール頭部中央に発生する損傷（ヘッドチュック）を軽減する技術が開示されている。また、特許文献３には、レール頭頂部の硬さとコーナー部の硬さを制御することによって、車輪の走行、スリップに起因して頭頂部やコーナー部に発生するマルテンサイト組織（ホワイトフェーズ）の生成を防止し、耐転がり疲労損傷性を高める技術が開示されている。また、特許文献４には、レールの成分組成を適正範囲に制御することによって、電気アーク溶接の際に鋼材表面に生じるマルテンサイトの生成を防止し、耐折損性を向上する技術が開示されている。さらに、特許文献５には、パーライト組織の鋼レールにおいて、鋼の成分を適正範囲に制御すると同時に、適正な熱処理を施すことによって、初期硬さを所定の範囲とし、さらに衝撃値を向上させることにより、直線区間や緩曲線区間に使用されるレールの耐表面損傷性と靭性の向上を図る技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２０６５１号公報
【特許文献２】特許第３３１７１４６号公報
【特許文献３】特許第２６２０３６９号公報
【特許文献４】特開２００５−３５０７２３号公報
【特許文献５】特許第３６３１７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、鉄道の高速化や貨車積載荷重の増大化、ダイヤの過密化が進行している近年においては、レールに対する負荷が従来にも増して過酷になってきており、特に、曲線軌道区間の外軌レールにおいては、上記従来技術のレールが有する耐摩耗性やレール頭頂部表面の耐転がり損傷性では次第に不十分となりつつある。
というのは、例えば、特許文献１の技術は、レール内部に存在する介在物を起点とする疲労破壊を防止しようとするものであるが、ＧＣ部のきしみ割れに対しては、十分な検討がなされていない。また、特許文献２の技術は、レール頭部中央に発生するヘッドチェックの抑制には有効であるが、ＧＣ部のきしみ割れの防止には不十分である。また、特許文献３の技術は、レール頭頂部とコーナー部に硬度差を設けて、転がり損傷を抑制するものであるが、ＧＣ部のきしみ割れについては十分な検討がなされていない。また、特許文献４の技術は、レール表面に何らかの理由でマルテンサイト組織が形成されたときに発生する亀裂や折損を防止する観点から、マルテンサイト組織の生成を抑制する技術であり、マルテンサイト組織のような異常組織が形成されないＧＣ部のきしみ割れを抑制することについては、十分な検討がなされていない。さらに、特許文献５の技術は、レール頭頂部と深さ２０ｍｍまでの硬さと硬度差を規制する技術であり、耐きしみ割れ性を向上させることについては十分な検討がなされていないからである。
【０００７】
本発明は、従来技術が抱えている上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高強度レールが有する耐摩耗性を低下することなく、レールと車輪との接触によりゲージ・コーナー部に発生するきしみ割れを低減させたパーライト鋼レールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、上記課題を解決するため、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒの含有量を変化させ、さらに、０．２％耐力を変化させた種々のパーライト鋼レールを製作し、強度や耐摩耗性、耐きしみ割れ性について調査した。その結果、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒおよびそれらの合計の含有量を適正範囲に制御し、かつ、０．２％耐力を適正範囲に制御することで、耐摩耗性を低下させることなく、耐きしみ割れ性を向上することができることを新規に見出した。さらに、引張強さおよび０．２％耐力と引張強さの比（降伏比：ＹＲ）を適正範囲に制御することで、より安定して、耐きしみ割れ性を向上できることも見出した。
本発明は、上記知見に、さらに検討を重ねて開発したものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、Ｃ：０．７５ｍａｓｓ％超０．８５ｍａｓｓ％未満、Ｓｉ：０．１〜０．３ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．７〜１．１ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０３５ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０００５〜０．０１０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％を含有し、Ｃ，Ｓｉ，ＭｎおよびＣｒ含有量の合計が１．９ｍａｓｓ％超２．３ｍａｓｓ％未満で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、下記（１）式；
ρ［μΩ・ｃｍ］＝０．９５×Ａ＋１２．４  ・・・（１）
ただし、Ａ＝（１３．８×Ｓｉ＋６．０１×Ｍｎ＋５．３８×Ｃｒ＋０．０１）×（（１−０．１５×Ｃ）／（１−０．３×Ｃ））
ここで、上記式中の元素記号は、その元素の含有量（ｍａｓｓ％）である。
で表される電気抵抗率ρが２１．１〜２３．７μΩ・ｃｍ、０．２％耐力が５００ＭＰａ超８００ＭＰａ未満であるパーライト鋼レールである。
【００１０】
本発明のパーライト鋼レールは、上記成分組成に加えてさらに、Ｖ：０．００１〜０．０３ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：０．５ｍａｓｓ％以下およびＭｏ：０．１ｍａｓｓ％以下の中から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のパーライト鋼レールは、引張強さが９００ＭＰａ超１０８０ＭＰａ未満、０．２％耐力と引張強さの比が５５％超であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来のパーライト鋼レールに比べて耐摩耗性を低下させることなく、耐きしみ割れ性を向上させたレールを安定して提供することが可能となるので、レールの長寿命化のみならず、鉄道事故の防止にも大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】冷却停止温度と０．２％耐力との関係を示すグラフである。
【図２】熱延後の冷却速度と０．２％耐力との関係を示すグラフである。
【図３】引張試験に用いる試験件の採取位置を示すレール頭部の断面図である。
【図４】耐摩耗性の評価に用いる西原式摩耗試験の試験片を説明する図である。
【図５】西原式摩耗試験に用いる試験片の採取位置を示すレール頭部の断面図である。
【図６】耐きしみ割れ性の評価に用いた試験片を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まず、本発明のパーライト鋼レールの成分組成を限定する理由について説明する。
Ｃ：０．７５ｍａｓｓ％超０．８５ｍａｓｓ％未満
Ｃは、パーライト組織のセメンタイトを形成し、強度を確保するために必須の元素である。しかし、０．７５ｍａｓｓ％以下では上記０．２％耐力や引張強さを高める効果が小さいため、きしみ割れの発生を抑制する効果が十分ではなく、割れが発生しやすい。一方、０．８５ｍａｓｓ％以上になると、０．２％耐力や引張強さが上昇して耐摩耗性や耐きしみ割れ性が向上する反面、一旦、きしみ割れが発生すると、この割れは摩耗によって除去され難くなっているため、残存するようになる。そこにさらに新たなきしみ割れが加わることで、割れの数が増加し、耐きしみ割れ性が低下してしまう。よって、Ｃの含有量は０．７５ｍａｓｓ％超０．８５ｍａｓｓ％未満の範囲とする。
【００１５】
Ｓｉ：０．１〜０．３ｍａｓｓ％
Ｓｉは、脱酸剤として、また、パーライト組織を形成させて鋼を強化する目的で添加される元素であり、０．１ｍａｓｓ％以上の添加が必要である。しかし、０．３ｍａｓｓ％を超えて添加すると、レールの電気伝導性を低下させる。よって、Ｓｉの含有量は０．１〜０．３ｍａｓｓ％の範囲とする。
【００１６】
Ｍｎ：０．７〜１．１ｍａｓｓ％
Ｍｎは、パーライト変態温度を低下させて、ラメラー間隔を細かくすることにより、０．２％耐力や引張強さを高める元素である。しかし、０．７ｍａｓｓ％未満の添加では、０．２％耐力や引張強さを高める効果が十分ではないため、きしみ割れの抑制力が小さく、割れが発生しやすい。一方、１．１ｍａｓｓ％を超えて添加すると、０．２％耐力や引張強さが上昇し、耐摩耗性や耐きしみ割れ性を高めることができる。しかし、一旦、きしみ割れが発生すると、この割れが摩耗によって除去されずに残存するようになる。そこにさらに新たなきしみ割れが加わることで、割れの数が増加し、耐きしみ割れ性が低下してしまう。よって、Ｍｎは０．７〜１．１ｍａｓｓ％の範囲で添加する。
【００１７】
Ｐ：０．０３５ｍａｓｓ％以下
Ｐは、鋼の延性に有害な元素であり、特に、０．０３５％を超える含有は延性を大きく低下させる。よって、Ｐの含有量は０．０３５ｍａｓｓ％以下とする。
【００１８】
Ｓ：０．０００５〜０．０１０ｍａｓｓ％
Ｓは、主にＡ系介在物の形態で鋼材中に存在するが、０．０１０ｍａｓｓ％を超えて含有すると、この介在物の量が著しく増加して粗大な介在物を形成し、鋼材の清浄性を著しく悪化させる。よって、Ｓは０．０１０ｍａｓｓ％以下とする。ただし、過剰なＳの低減は、製鋼コストの増加を招くので、下限は０．０００５ｍａｓｓ％程度とする。
【００１９】
Ｃｒ：０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％
Ｃｒは、パーライト平衡変態温度を上昇させ、ラメラー間隔の微細化による高強度化に寄与するとともに、固溶強化によって、さらなる高強度化をもたらす元素である。しかし、０．０５ｍａｓｓ％未満の添加では、０．２％耐力や引張強さを高める効果に乏しいため、きしみ割れ発生の抑制力が小さい。一方、０．２５ｍａｓｓ％を超えて添加すると、０．２％耐力や引張強さが上昇し、耐摩耗性や耐きしみ割れ性が向上する反面、一旦、きしみ割れが発生すると、この割れが摩耗によって除去されずに残存するようになる。そこにさらに新たなきしみ割れが加わることで、割れの数が増加し、耐きしみ割れ性が低下する。よって、Ｃｒの含有量は０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％の範囲とする。
【００２０】
本発明のパーライト鋼レールは、上記成分組成を満たすことのほかに、Ｃ，Ｓｉ，ＭｎおよびＣｒ含有量の合計が、下記範囲を満たすことが必要である。
Ｃ＋Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｃｒ：１．９ｍａｓｓ％超２．３ｍａｓｓ％未満
Ｃ，Ｓｉ，ＭｎおよびＣｒは、パーライト鋼レールの硬さを上昇させるために添加する元素であるが、それら元素の含有量のバランスが適正でないと、耐きしみ割れ性が低下する。特に、Ｃ，Ｓｉ，ＭｎおよびＣｒ含有量の合計が１．９ｍａｓｓ％以下であると、０．２％耐力や引張強さが低下し、耐きしみ割れ性が低下する。一方、Ｃ，Ｓｉ，ＭｎおよびＣｒ含有量の合計が２．３ｍａｓｓ％以上であると、０．２％耐力や引張強さが上昇して、耐摩耗性や耐きしみ割れ性が向上する反面、一旦、きしみ割れが発生した場合には、その割れが摩耗によって除去されずに残存するようになる。これに、新たなきしみ割れが加わることによって割れの数が増加し、耐きしみ割れ性が低下するようになる。よって、Ｃ，Ｓｉ，ＭｎおよびＣｒ含有量の合計は、１．９ｍａｓｓ％超２．３ｍａｓｓ％未満の範囲とする。
【００２１】
さらに、本発明のパーライト鋼レールは、上記成分に加えてさらに、Ｖ，Ｃｕ，ＮｉおよびＭｏのうちから選ばれる１種または２種以上を下記の範囲で含有することができる。
Ｖ：０．００１〜０．０３ｍａｓｓ％
Ｖは、炭窒化物を形成して基地中に分散して析出し、０．２％耐力や引張強さを向上する。しかし、０．００１ｍａｓｓ％未満ではその効果が小さい。一方、０．０３ｍａｓｓ％を超えると、０．２％耐力や引張強さが上昇し、耐摩耗性や耐きしみ割れ性が向上する。しかし、一旦、きしみ割れが発生した場合には、その割れが摩耗により除去されないため残存し、これにさらに新たなきしみ割れが加わって、割れの数が増加し、耐きしみ割れ性が低下するようになる。また、０．０３ｍａｓｓ％を超える添加は、原料コストが増加し、製造コストの上昇を招く。よって、Ｖを添加する場合は、０．００１〜０．０３ｍａｓｓ％の範囲とするのが好ましい。
【００２２】
Ｃｕ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｃｕは、Ｃｒと同様、固溶強化による高強度化を目的として添加する元素である。その効果を得るには、０．００５ｍａｓｓ％以上の添加が好ましい。しかし、０．５ｍａｓｓ％を超える添加は、Ｃｕによる熱間圧延時の割れが生じ易くなる。よって、Ｃｕを添加する場合は、０．５ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。
【００２３】
Ｎｉ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｎｉは、鋼の延性を低下させることなく高強度化を図ることができる元素である。また、Ｎｉは、Ｃｕによる割れを抑制する効果があるので、Ｃｕを添加する場合には、Ｎｉも複合して添加するのが望ましい。それらの効果を得るには、Ｎｉは０．００５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。しかし、０．５ｍａｓｓ％を超える添加は、焼き入れ性が上昇してマルテンサイトが生成しやすくなるので、レールの寿命が低下する。よって、Ｎｉを添加する場合は、０．５ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。
【００２４】
Ｍｏ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｍｏは、固溶強化により鋼を高強度化するために添加する元素である。その効果を得るには、０．００５ｍａｓｓ％以上の添加が好ましい。しかし、０．１ｍａｓｓ％を超える添加は、０．２％耐力や引張強さが上昇して、耐摩耗性や耐きしみ割れ性を向上する反面、一旦、きしみ割れが発生した場合には、その割れが、摩耗により除去されずに残存するようになる。ここにさらに、新たなきしみ割れが加わって割れの数が増加すると、耐きしみ割れ性が低下するようになる。よって、Ｍｏを添加する場合は、０．１ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。
【００２５】
本発明のパーライト鋼レールは、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。ただし、本発明の作用効果に悪影響を及ぼさない範囲内であれば、他の成分を含有することを拒むものではない。例えば、不可避的不純物として混入してくるＮは０．００６ｍａｓｓ％以下、また、Ｏは０．００４ｍａｓｓ％以下であれば混入を許容することができる。さらに、不純物として混入するＴｉは、酸化物を形成し、レールの基本特性である耐疲労損傷性の低下を招く元素であるが、０．００１０％以下であれば混入を許容することができる。
【００２６】
さらに、本発明のパーライト鋼レールは、安全運行のためにレールに電気信号を流す必要があることから、電気抵抗率（比抵抗）ρを２１．１〜２３．７μΩ・ｃｍの範囲に制御する必要があり、そのためには、Ｃ，Ｓｉ，ＭｎおよびＣｒは、下記（１）式；
ρ［μΩ・ｃｍ］＝０．９５×Ａ＋１２．４  ・・・（１）
ただし、Ａ＝（１３．８×Ｓｉ＋６．０１×Ｍｎ＋５．３８×Ｃｒ＋０．０１）×（（１−０．１５×Ｃ）／（１−０．３×Ｃ））
ここで、上記式中の元素記号は、その元素の含有量（ｍａｓｓ％）を意味する。
を満たして含有する必要がある。電気抵抗率が、２１．１〜２３．７μΩ・ｃｍの範囲から外れると、軌道短絡が発生しやすくなり、鉄道の運行管理の妨げとなるからである。
【００２７】
次に、本発明のパーライト鋼レールの機械的特性について説明する。
０．２％耐力：５００ＭＰａ超８００ＭＰａ未満
きしみ割れは、塑性流動に沿ってレール内部へ進展し、レールの使用寿命を低下させる現象である。このきしみ割れに対する抵抗力を高めるために、本発明のパーライト鋼レールは、０．２％耐力を５００ＭＰａ超８００ＭＰａ未満の範囲に制御する必要がある。
以下、その裏づけとなる基礎実験について説明する。
【００２８】
（基礎実験１）
表１に示した成分組成を有する鋼素材を、レール形状に熱間圧延後、表２に示したように冷却停止温度を種々に変化させて加速冷却した。次いで、上記レールについて、後述する実施例と同じ条件で、引張試験および西原式摩耗試験機を用いたきしみ割れ試験を行い、引張特性および耐きしみ割れ性を評価し、その結果を表２に併記して示した。なお、耐きしみ割れ性の評価は、上記摩耗試験後の試験片を、後述する図６に示すように厚さ方向に半分に切断し、カーボン樹脂に埋め込み後、研摩し、サンプルに発生した割れの個数を測定し、規準となる鋼材（表２の鋼記号Ｂ）よりも１０％以上割れの個数の少ない場合を◎、基準材と同等の場合を○、基準材よりも５％以上割れの個数が多い場合を△と評価した。
【００２９】
【表１】
0005453624.tif 000002
【００３０】
【表２】
0005453624.tif 000003
【００３１】
図１は、冷却停止温度と０．２％耐力との関係を示したものであり、冷却停止温度を低くすることにより、０．２％耐力を高めることができることがわかる。
また、表２より、０．２％耐力を５００ＭＰａ超８００ＭＰａ未満とすることで、良好な耐きしみ割れ性が得られていることがわかる。
【００３２】
（基礎実験２）
表３に示した成分組成を有する鋼素材を、レール形状に熱間圧延後、表４に示したように、冷却速度を種々に変化させて加速冷却した。次いで、上記レールについて、後述する実施例と同じ条件で、引張試験および西原式摩耗試験機を用いたきしみ割れ試験を行い、引張特性および耐きしみ割れ性を評価し、その結果を表４に併記して示した。なお、耐きしみ割れ性の評価は、上記摩耗試験後の試験片を、後述する図６に示すように厚さ方向に半分に切断し、カーボン樹脂に埋め込み後、研摩し、サンプルに発生した割れの個数を測定し、規準となる鋼材（表４の鋼記号Ｂ）よりも１０％以上割れの個数の少ない場合を◎、基準材と同等の場合を○、基準材よりも５％以上割れの個数が多い場合を△と評価した。
【００３３】
【表３】
0005453624.tif 000004
【００３４】
【表４】
0005453624.tif 000005
【００３５】
図２は、冷却速度と０．２％耐力との関係を示したものであり、冷却速度が０．５℃／秒以下の場合、放冷の場合と比較して差は認められないが、冷却速度を大きくすることにより、０．２％耐力を高めることができ、３℃／秒超えでは８００ＭＰａ以上となることがわかる。
また、表４より、先述した表２と同様に、０．２％耐力を５００ＭＰａ超８００ＭＰａ未満とすることで、良好な耐きしみ割れ性が得られていることがわかる。
【００３６】
以上のことから、０．２％耐力を５００ＭＰａ超８００ＭＰａ未満の範囲とすることで、耐きしみ割れ性が良好なレールが得られることがわかる。なお、０．２％耐力が、上記のように塑性流動深さ、きしみ割れ深さや個数および摩耗量に及ぼす影響は以下のように説明することができる。
０．２％耐力が５００ＭＰａ以下では、塑性流動深さおよびきしみ割れの深さが大きくなり、耐きしみ割れ性は低下するが、同時に摩耗量も増加するため、きしみ割れの個数は上昇しない。一方、０．２％耐力の上昇により、耐摩耗性や耐きしみ割れ性は向上するものの、８００ＭＰａを超えると、一旦、きしみ割れが発生した場合には、その割れは摩耗によって除去されずに残存するようになり、ここにさらに新たなきしみ割れが加わって、割れの数が増加するため、耐きしみ割れ性が低下するものと考えられる。
【００３７】
引張強さ：９００ＭＰａ超１０８０ＭＰａ未満
本発明のパーライト鋼レールは、引張強さを、９００ＭＰａ超１０８０ＭＰａ未満の範囲に制御するのが好ましい。引張強さが９００ＭＰａ以下では、耐きしみ割れ性が低下し、割れが発生しやすくなる。一方、引張強さが上昇するとともに、耐摩耗性、耐きしみ割れ性は向上するが、引張強さが１０８０ＭＰａ以上になると、一旦、きしみ割れが発生すると、その割れは摩耗によって除去されずに残存し、ここにさらに新たなきしみ割れが加わることにより、割れの数が増加し、耐きしみ割れ性が低下するようになる。よって、本発明のパーライト鋼レールは、引張強さを９００ＭＰａ超１０８０ＭＰａ未満の範囲とするのが好ましい。
【００３８】
０．２％耐力と引張強さとの比（降伏比：ＹＲ）：５５％超
０．２％耐力と引張強さの比である降伏比ＹＲを５５％超に制御すると、０．２％耐力や引張強さを好ましい範囲に制御することができ、より安定して耐きしみ割れ性に優れたレールを得ることが可能となる。よって、０．２％耐力と引張強さとの比は５５％超が好ましい。
【００３９】
次に、本発明のパーライト鋼レールは、上述した本発明の成分組成に調整した鋼素材を、例えば、以下に示す条件で熱間圧延し、放冷または加速冷却することで製造することができる。
圧延仕上温度：８５０〜９５０℃
熱間圧延における圧延仕上温度は、８５０〜９５０℃の範囲とするのが好ましい。圧延仕上温度が８５０℃より低いと、オーステナイトの低温域で圧延が行われることになるので、オーステナイト結晶粒に加工歪が導入されるだけでなく、結晶粒の伸長度が大きくなってオーステナイト粒界面積が増加する。その結果、パーライト核生成サイトが増加し、パーライトコロニーサイズが微細化する。しかし、パーライト核生成サイトの増加によって、パーライト変態開始温度が上昇し、パーライト層のラメラー間隔が粗大化するため、０．２％耐力および引張強さが低下して、きしみ割れに対する抵抗力が低下してしまう。一方、圧延仕上温度が９５０℃を超えると、オーステナイト結晶粒が粗大化し、パーライト核生成サイトが減少するため、パーライト変態開始温度が低下して、パーライト層のラメラー間隔が微細化する。そのため、０．２％耐力や引張強さが上昇し、耐摩耗性や耐きしみ割れ性が向上するが、一旦、きしみ割れが発生すると、その割れは摩耗によっても除去されずに残存するようになり、これにさらに、新たなきしみ割れが加わることで、割れの数が増加し、耐きしみ割れ性が低下するからである。
【００４０】
熱間圧延後の冷却：放冷または加速冷却
上記熱間圧延後、圧延されたレールは常温まで冷却されるが、この際の冷却方法は、放冷、加速冷却のいずれでもよい。ただし、０．２％耐力や引張強さを上昇させたい場合には、レール頭表部を、パーライト変態開始温度以上の温度から５５０〜７００℃までを０．５℃／秒超３℃／秒以下の速度で冷却する加速冷却を行うことが好ましい。以下、上記加速冷却条件について説明する。なお、この際、レール底部は、加速冷却を行っても放冷してもかまわない。
【００４１】
加速冷却開始温度：パーライト変態開始温度以上
加速冷却を行う場合は、冷却開始温度をパーライト変態開始温度以上とするのが好ましい。冷却開始温度がパーライト変態開始温度より低下すると、０．２％耐力や引張強さを高めることが困難となるからである。なお、パーライト変態開始温度は、成分組成や冷却速度によって変化するが、本発明では、平衡変態温度のことを言うものとする。したがって、本発明のレールの成分組成範囲では、７２０℃以上の温度から加速冷却を開始すればよいことになる。
【００４２】
加速冷却速度：０．５℃／秒超３℃／秒以下
加速冷却における冷却速度は、０．５℃／秒超３℃／秒以下とするのが好ましい。図４に示した冷却速度と０．２％耐力との関係から明らかなように、冷却速度が０．５℃／秒以下では、放冷のときの０．２％耐力と差はなく、加速冷却の効果が得られない。一方、冷却速度が３℃／秒を超えると、０．２％耐力が上昇し過ぎて、本発明の範囲（５００ＭＰａ超８００ＭＰａ未満）外となってしまうからである。
【００４３】
加速冷却停止温度：５５０〜７００℃
加速冷却における冷却停止温度は、５５０〜７００℃の範囲とするのが好ましい。図１に示した冷却停止温度と０．２％耐力との関係から明らかなように、冷却停止温度が７００℃を超えると、放冷の場合と冷却条件に差がなくなるため、０．２％耐力が低下し、５００ＭＰａ以下となってしまう。一方、冷却停止温度が５５０℃未満になると、パーライト変態終了後まで冷却することになるため、０．２％耐力が上昇し過ぎ、８００ＭＰａ以上となってしまう。よって、加速冷却するときに冷却停止温度は５５０〜７００℃とするのが好ましい。
【実施例】
【００４４】
表５に示した成分組成を有する鋼素材を、表６に示した条件で熱間圧延し、放冷または加速冷却してレールを製造した。なお、加速冷却は、レール頭部に対してのみ行ない、冷却停止後は放冷した。なお、表６中の圧延仕上温度とは、最終圧延ミル入側のレール頭部側面表層の温度を放射温度計で測定した値であり、冷却停止温度は、冷却設備出側のレール頭部側面表層の温度を放射温度計で測定した値であり、また、冷却速度は、冷却開始から停止までの間の温度の平均時間変化であり、放冷は、加速冷却していないことを表している。
【００４５】
【表５】
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【００４６】
【表６】
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【００４７】
上記のようにして得た各種レールについて、引張試験、耐摩耗性および耐きしみ割れ性の評価を、下記の要領で行った。
＜引張試験＞
ＪＩＳ  Ｅ１１０１に規定された引張試験片の採取位置（図３参照）から、ＪＩＳ  Ｚ２２０１に規定された４号試験片を採取し、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に準じて引張試験を行い、０．２％耐力（０．２％ＰＳ）、引張強さ（ＴＳ）を測定し、０．２％耐力と引張強さの比である降伏比（ＹＲ）を求めた。
【００４８】
＜摩耗試験＞
耐摩耗性の評価は、レールを実際に敷設して行うのが最も望ましいが、その方法では評価に長時間を要する。そこで、本発明では、短時間で耐摩耗性を評価することができる西原式摩耗試験機（島津製作所製）を用いて、実際のレールと車輪の接触条件をシミュレートした加速試験を行った。この摩耗試験は、外径が３０ｍｍφ、内径が１６ｍｍφで厚さが８ｍｍのリング状摩耗試験片の外周面（試験面）に曲率半径１５ｍｍの曲面を付与した摩耗試験片ａを、同形状、同寸法のタイヤ試験片ｂと、図４に示したように接触させ、すべりを伴って回転させることにより耐摩耗性を評価するものである。なお、図中の矢印は、摩耗試験片ａおよびタイヤ試験片ｂの回転方向を示したものである。
評価の対象となる上記摩耗試験片ａは、レール頭部の図５に示した位置から採取した。また、タイヤ試験片ｂは、ＪＩＳ  Ｅ１１０１に記載された普通レールの頭部から採取した３２ｍｍφの丸棒を熱処理し、ビッカース硬さＨｖ（荷重９８Ｎ）が３９０の焼き戻しマルテンサイト組織としたのち試験片形状に加工したものである。
なお、摩耗試験は、接触圧力：１．４ＧＰａ、試験片ａの回転速度：６７５ｒｐｍ、タイヤ試験片ｂの回転速度：７５０ｒｐｍ（滑り率：−１０％）で行い、１６．２万回回転後の質量と試験前の質量との差から摩耗量を求めた。なお、耐摩耗性の評価は、基準となる鋼材（表５の鋼Ｎｏ．１）より摩耗量が少ないほど耐摩耗性に優れていると評価した。
【００４９】
＜耐きしみ割れ性＞
耐きしみ割れ性も、レールを実際に敷設して評価するのが最も望ましいが、その方法では評価に長時間を要する。そこで、本発明では、上述した摩耗試験後の試験片ａを図６に示すように厚さ方向に半分に切断し、カーボン樹脂に埋め込み、研摩した後、サンプルに発生した割れの個数を測定した。なお、耐きしみ割れ性の評価は、規準となる鋼材（表６の鋼Ｎｏ．１）よりも１０％以上割れの個数の少ない場合を◎、基準材と同等の場合を○、基準材よりも５％以上割れの個数が多い場合を△と評価した。
【００５０】
表６の結果から、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，ＳおよびＣｒの成分組成を本発明の適正範囲に制御し、かつ、製造条件を本発明の範囲として０．２％耐力を５００ＭＰａ超８００ＭＰａ未満に制御した発明例のレール（Ｎｏ．２〜１０）は基準材（Ｎｏ．１）に比べて、耐摩耗性を低下することなく、耐きしみ割れ性が改善されていることがわかる。一方、本発明のＳｉが本発明範囲より高いＮｏ．１１のレールは、引張特性、耐きしみ割れ性は優れているが、電気抵抗率が高い。また、成分組成が本発明範囲から外れるＮｏ．１２〜１９のレールは、０．２％耐力が本発明範囲外となり、基準材に比べて耐きしみ割れ性が低下している。なお、成分組成が本発明の範囲内であっても、製造条件が好ましくないＮｏ．２０〜２４のレールは、０．２％耐力が本発明範囲外となり、基準材に比べて耐きしみ割れ性が低下している。
【符号の説明】
【００５１】
ａ：摩耗試験片
ｂ：タイヤ試験片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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