(57)【要約】【課題】パーライト組織を有する高強度レールについて、頭部の表層脱炭を抑制して表面の硬さの低下を防止した、耐摩耗性に優れるレールを提供する。【解決手段】質量パーセントで、Ｃ：0.60〜1.0％、Si：0.1〜1.5％、Mn：0.01〜1.5％、Cr：0.1〜2.0％、Sb：0.005〜0.5％、Ｐ：0.035％以下およびＳ：0.030％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の化学成分とする。【選択図】図１
2014084507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量パーセントで
Ｃ：0.60〜1.0％、
Si：0.1〜1.5％、
Mn：0.01〜1.5％、
Cr：0.1〜2.0％、
Sb：0.005〜0.5％、
Ｐ：0.035％以下および
Ｓ：0.030％以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の化学成分を有するレール。
【請求項２】
前記化学成分は、さらに、質量パーセントで
Cu：0.01〜1.0％、
Ni：0.01〜0.5％、
Mo：:0.01〜0.5％、
Ｖ：0.001〜0.15％および
Nb:0.001〜0.030％
から選ばれる１種または２種以上を含有する請求項１に記載のレール。
【請求項３】
脱炭層の深さが0.5mm以下である請求項１または２に記載のレール。
【請求項４】
レールの頭部の表面硬さＡ（HB）と前記頭部の表面から３mmの深さにおける硬さＢ（HB）との比Ａ／Ｂが0.97以上である請求項１ないし３のいずれかに記載のレール。
【請求項５】
脱炭層のパーライトラメラー間隔が0.15μm以下、初析フェライトの面積分率が３％以下である請求項１ないし４のいずれかに記載のレール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、レールの頭部表面の硬さ低下の小さい耐久性に優れた高強度のレールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
貨物輸送や鉱山鉄道の貨車は、その積載重量が客車の場合と比較して重いため、貨車の車軸にかかる荷重は高く、レールと車輪との間の接触環境は非常に苛酷である。こうした環境で用いられるレールには耐摩耗性が求められており、従来、パーライト組織をもつ鋼が用いられている。
【０００３】
近年、鉄道輸送における高効率化を目指して、貨物や鉱物の積載重量の更なる増加などが進められた結果、レールの摩耗が一層激しくなっており、レール交換寿命は短くなっている。
ここに、レールの交換寿命の延長をはかるべくレールの耐摩耗性を向上することが求められ、レール硬さを高めた高硬度のレールが数多く提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４については、セメンタイトの量を増加させた過共析レールおよびその製造方法に関するものである。さらに、特許文献５、特許文献６および特許文献７については、共析炭素レベルの鋼に対してパーライト組織のラメラー間隔を微細化することで高硬度化を図った技術である。
【０００５】
かように、パーライト熱処理レールの硬さ向上が検討されているが、その鋼中の炭素量は概ねやや亜共析系の0.6％Ｃ〜共析を超えるＣレベルの1.0％程度である。そのため、レールの製造工程においてレールの頭部表層が脱炭され、表面硬さが低下してしまう。ここでの脱炭層の深さは、場合によっては１mm以上の深さにまで存在することがあり、レール使用初期の耐摩耗性や耐損傷性を低下させる要因となっている。
【０００６】
このような脱炭を防止するための方策として、特許文献８では、レールの炭素量に応じて鋼片の最大加熱温度や1100℃以上に加熱する時間を制御した提案がなされている。この提案は、炭素量が0.9％以上を対象とした脱炭がしやすい過共析レールに関するものである。しかしながら、これよりＣ量が少なくて比較的脱炭が少ないとされる、0.8％Ｃ系の共析系レールにおいても、図１に当該レールの頭部の深さ方向Ｃ濃度を示すように、深さ１mm程度の領域で炭素濃度が低下しており、脱炭が生じているが、この種のレールに対しては、特許文献８の手法は効果に乏しいものであった。なぜなら、レールの圧延を考慮すると、鋼片を高温域まで加熱する必要があり、操業の間隔が変動する結果、保持時間の短縮も困難なことが多いためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許4272385号公報
【特許文献２】特許3078461号公報
【特許文献３】特許3081116号公報
【特許文献４】特許3513427号公報
【特許文献５】特許4390004号公報
【特許文献６】特開2009-108396号公報
【特許文献７】特開2009-235515号公報
【特許文献８】特許4272437号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、パーライト組織を有する高強度レールについて、頭部の表層脱炭を抑制して表面の硬さの低下を防止した、耐摩耗性に優れるレールを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、レールの頭部の表層脱炭を抑制する方途について鋭意究明したところ、化学成分の設計によって1.0％以下のＣ系レールにおいても脱炭の抑制が可能であることを見出し、本発明を導くに到った。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．質量パーセントで
Ｃ：0.60〜1.0％、
Si：0.1〜1.5％、
Mn：0.01〜1.5％、
Cr：0.1〜2.0％、
Sb：0.005〜0.5％、
Ｐ：0.035％以下および
Ｓ：0.030％以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の化学成分を有するレール。
【００１０】
２．前記化学成分は、さらに、質量パーセントで
Cu：0.01〜1.0％、
Ni：0.01〜0.5％、
Mo：:0.01〜0.5％、
Ｖ：0.001〜0.15％および
Nb:0.001〜0.030％
から選ばれる１種または２種以上を含有する前記１に記載のレール。
【００１１】
３．脱炭層の深さが0.5mm以下である前記１または２に記載のレール。
なお、脱炭層の定義は、後述のとおりである。
【００１２】
４．レールの頭部の表面硬さがHB370以上かつ、前記頭部の表面硬さＡ（HB）と前記頭部表面から３mmの深さにおける硬さＢ（HB）との比Ａ／Ｂが0.97以上である前記１ないし３のいずれかに記載のレール。
【００１３】
５．脱炭層のパーライト−ラメラー間隔が0.15μm以下、初析フェライトの面積分率が３％以下である前記１ないし４のいずれかに記載のレール。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、脱炭による表面の硬度低下が極めて少ないため、レールにとって重要な耐摩耗性や耐疲労損傷性をレールの新品時から発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】レールの頭部の深さ方向Ｃ濃度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、本発明のレールにおける、各化学成分の限定理由について以下に述べる。なお、化学成分に関する％表示は、特に断らない限り質量パーセントを示している。
Ｃ：0.60〜1.0％
Ｃは、パーライト系レールにおいて、セメンタイトを形成し硬さや強度を高め、耐摩耗性を向上させる重要な元素である。しかし、0.60％未満ではそれらの効果が小さいことから下限を0.60％とした。一方、過度のＣ量はセメンタイト量の増加を意味しており、硬さや強度の上昇が期待できるが、延性は逆に低下する。また、Ｃ量の増加はγ＋θ域の温度範囲を拡大させ、溶接熱影響部の軟化を助長する。これらの悪影響を考慮して、Ｃの上限は1.0％とした。好ましい範囲としては、0.70〜0.97％の範囲である。
【００１７】
Si：0.1〜1.5％
Siは、レール材に脱酸剤およびパーライト組織強化のために添加するが、0.1％未満ではこれらの効果が小さい。一方、Siの過度の含有は脱炭を促進させることや、レールの表面疵の生成を促進させることから、上限を1.5％とした。好ましくは、0.2〜1.3％の範囲である。
【００１８】
Mn：0.01〜1.5％
Mnは、パーライト変態温度を低下させ、パーライトラメラー間隔を緻密にする効果があるため、レール内部まで高硬度を維持するために有効な元素であり、0.01％未満ではその効果が小さい。一方、1.5％を超えての添加は、パーライトの平衡変態温度（TE）を低下させるとともにマルテンサイト変態し易くなるので、上限を1.5％とした。好ましくは、0.3〜1.3％の範囲である。
【００１９】
Ｐ：0.035％以下
Ｐは、0.035％超えると靭性や延性を低下させる。そのため、Ｐは0.035％以下に抑制する必要がある。好適範囲としては0.025％以下に制限する。なお、Ｐ量を極力低減するために特殊精錬などを行うと溶製のコスト上昇を招くことから、下限は0.001％とすることが好ましい。
【００２０】
Ｓ：0.030％以下
Ｓは、圧延方向に伸展した粗大なMnSを形成して、延性や靭性を低下させる。そのため、Ｓは0.030％以下、好ましくは0.015％以下に抑制する必要がある。なお、Ｓ量を極力低減するには溶製処理時間の増大など溶製時のコストアップが著しいため、下限は0.0005％とすることが好ましい。
【００２１】
Cr：0.1〜2.0％
Crは、平衡変態温度（TE）を上昇させ、パーライトラメラー間隔の微細化に寄与して、硬さや強度を上昇させる。また、Sbとの併用効果で脱炭層生成抑制に有効である。そのため、0.1％以上の添加を必要とする。一方、2.0％を超えての添加は、溶接欠陥の発生を増加させるとともに、焼入れ性を増加させマルテンサイトの生成を促進させる。そのため、上限を2.0％とした。より好ましくは、0.2％〜1.5％の範囲である。
なお、SiとCrの添加量の総量は、2.0％以下とすることが望ましい。Si＋Crが2.0％を超える場合には、スケールの密着性が増すためにスケールの剥離が阻害され、脱炭が促進される。そのため、Si＋Crは2.0％以下とすることが望ましい。
【００２２】
Sb：0.005〜0.5％
Sbは、レール鋼素材を加熱炉で再加熱する際に、その再加熱中の脱炭を防止するという顕著な効果を有する。特に、Crとの併用において、Sbが0.005％以上で脱炭層を軽減する効果がある。一方、0.5％を超えての添加は効果が飽和することから、上限を0.5％とした。好ましくは0.01〜0.3％である。
【００２３】
上記の化学組成には、さらに、Ｃu：0.01〜1.0％、Ｎi：0.01〜0.5％、Mo:0.01〜0.5％、Ｖ:0.001〜0.15％およびNb:0.001〜0.030％の１種または２種以上を添加することができる。
Cu：0.01〜1.0％
Cuは、固溶強化により一層の高硬度化を図ることができる元素である。また、脱炭抑制にも効果がある。この効果を期待するためには、0.01％以上で添加することが好ましい。一方、1.0％を超えての添加は連続鋳造時や圧延時に表面割れを生じ易くすることから、上限を1.0％とすることが好ましい。0.05〜0.6％の範囲がより一層好ましい。
【００２４】
Ni：0.01〜0.5％
Niは、靭性や延性を向上させるのに有効な元素である。また、Cuと複合添加することでCu割れを抑制するのにも有効な元素であるため、Cuを添加する場合にNiを添加することが望ましい。但し、0.01％未満ではこれら効果が認められないことから、下限を0.01％とすることが好ましい。一方、0.5％を超えての添加は、焼入れ性を高めマルテンサイトの生成を促進させることから、上限を0.5％とすることが好ましい。
より好ましくは、0.05〜0.3％の範囲である。
【００２５】
Mo：0.01〜0.5％
Moは、高強度化に有効な元素であるが、0.01％未満ではその効果が小さいため、下限を0.01％とすることが好ましい。一方、0.5％を超えての添加は、焼入れ性を高めてマルテンサイトの生成をまねくため、靭性や延性を極端に低下させる。そのため、上限は0.5％とすることが好ましい。より好ましくは、0.05〜0.3％の範囲である。
【００２６】
Ｖ：0.001〜0.15％
Ｖは、VCあるいはVNなどを形成してフェライト中へ微細に析出し、フェライトの析出強化を通して高強度化に寄与する元素である。また、水素のトラップサイトとしても機能し、遅れ破壊を抑制する効果も期待できる。そのためには、0.001％以上で添加することが好ましい。一方、0.15％を超えての添加は、それらの効果が飽和するのに対して合金コストの上昇が甚だしいため、上限を0.15％とすることが好ましい。より好適には、0.005〜0.12％の範囲である。
【００２７】
Nb：0.001〜0.030％
Nbは、オーステナイトの未再結晶温度を上昇させ、圧延時のオーステナイト中への加工歪の導入によるパーライトコロニーやブロックサイズの微細化に有効であり、延性や靭性向上に対して有効な元素である。その効果を期待するためには、0.001％以上で添加することが好ましい。一方、0.030％を超えての添加は、凝固過程でNb炭窒化物を晶出させ、清浄性を低下させるため、上限を0.030％とすることが好ましい。より好ましくは、0.003〜0.025％である。
【００２８】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。不可避的不純物として、Ｎについては0.015％まで、Ｏについては0.004％まで、Ｈについては0.0003％まで、それぞれ混入を許容できる。また、硬質のAlNやTiNについては転動疲労特性を低下させるため、Alについては0.001％以下、Tiも0.001％以下とすることが望ましい。
【００２９】
上記した化学成分を有するレールは、さらに所定の、脱炭層深さ、表面硬さおよびミクロ組織を有することが好ましく、それぞれの規定理由について以下に述べる。
［脱炭層の深さが0.5mm以下］
レール頭部の表層に生成する脱炭層の深さが0.5mmを超える場合、レール敷設直後のレール摩耗が促進するとともに、塑性流動に伴う微視亀裂を生じ、耐損傷性も低下させることから、脱炭層の厚みを0.5mm以下に規制した。なお、レール使用時には敷設直後に削正が行われるのが通例であり、脱炭層の厚みが0.5mm未満であれば、この削正によりおおむね脱炭層が除去されることも利点である。そのため、脱炭層深さは0.5mm以下と限定した。好ましくは0.3mm以下である。
なお、脱炭層の定義は以下のとおりである。すなわち、レール頭部より分析サンプルを採取し、埋め込み研磨後、表面から深さ領域にＥＰＭＡを用いて炭素のライン分析（図１参照）を行う。その際に、炭素の強度値がバルクになった時点までの表面からの深さ領域を脱炭層とする。
【００３０】
［レールの頭部の表面硬さＡ（HB）と前記頭部表面から３mmの深さにおける硬さＢ（HB）との比Ａ／Ｂが0.97以上］
レールの耐摩耗性は、基本的には硬さと相関しており、レールの頭部表面から内側にかけての組織がパーライトであり、且つ表面より内側でより高硬度であることが望ましい。レール表層の脱炭層の硬さが内部（頭部表面から３mmの深さ）の硬さよりも小さい場合には、車輪との接触に伴うレール表層の塑性流動が大きくなり、微視亀裂が生成、成長することでレールの耐損傷性を低下させる。そのため、比Ａ／Ｂは0.97以上とした。
ここで、レールの頭部表面の硬さはHB370以上、好ましくはHB390以上であることが、レールに優れた耐摩耗性を付与する上で好ましい。
【００３１】
［レールのミクロ組織：頭部の脱炭層のパーライトラメラー間隔が0.15μm以下および、初析フェライトの面積分率が３％以下］
脱炭層を除くレール頭部のミクロ組織は、パーライト組織である。ここでいうパーライト組織とは、板状のフェライトとセメンタイトとからなる層状のラメラー組織のことを指す。そして、パーライトラメラー間隔が、少なくともレール頭部のレール使用深さである25mmまでの深さについては、0.15μm以下であることが好ましい。0.15μmを超える場合には、耐磨耗性と耐損傷性が低下する。さらに好ましくは、0.12μm以下である。
【００３２】
一方、レール頭部の脱炭層の組織も、耐磨耗性と耐損傷性の確保の観点からパーライトラメラー間隔が0.15μm以下のパーライト組織である。但し、パーライト組織以外に、脱炭に伴う初析フェライトが僅かに生成することもある。この初析フェライトの面積分率が３％を超える場合には、耐磨耗性と耐損傷性を低下させることから、その上限を３％とした。なお、レールの頭部以外の部位についても、上記のミクロ組織を有することが好ましい。
【００３３】
なお、レール表面のラメラー間隔とは、レール表面を含む断面組織観察用のサンプル（埋め込み後に研磨）を用意し、ナイタールで腐食させた後、走査型電子顕微鏡を用いて観察倍率15000倍以上で表面〜0.5mm深さまでの領域について、ラメラー間隔の細かい部分を少なくとも５視野以上観察し、ラメラーが密に観察されている部分のラメラー間隔を線分法で測定し、その平均値として求めた。一方、初析フェライト分率については、同様にナイタールで腐食させた後、光学顕微鏡にて倍率５００倍以上の倍率でレール表面から0.5mm深さの範囲で0.1mm２以上の視野を観察、撮影し、初析フェライトを画像処理することで観察視野に対する初析フェライトの面積を導出して、フェライト分率とした。
【００３４】
次に、レールの製造方法について詳しく述べる。
高炉、溶銑予備処理、転炉およびRH脱ガスなどの溶製法プロセスにて、上記した化学成分に調整された溶鋼を、連続鋳造法にて素材とし、この素材を1150〜1300℃に加熱するに当たり、当該温度域での滞留時間を0.5〜５ｈとすることが望ましい。すなわち、加熱温度が1150℃未満では圧延時の変形抵抗が高く、成形性が低下する。一方、1300℃を超えての加熱はスケールロスおよび脱炭を大きくする。滞留時間は成形性の観点から0.5ｈ以上は必要であるが、５ｈを超えると脱炭層が増加するため、５ｈ以下とする必要がある。
かくして鋳片を加熱したのち、粗圧延、本圧延、そして仕上圧延を行いレール形状に熱間圧延を行う。その際、ブレークダウンや粗圧延のリバース圧延工程では少なくとも１０００℃以上の温度で３回以上のデスケーリングを行い、圧延過程で進行する脱炭を抑制することが望ましい。
熱間圧延後は、所定の強度レベルに応じて空冷や加速冷却を行って構わない。
【実施例】
【００３５】
表１に示す化学組成を有する鋼を溶製して、加熱、熱間圧延および冷却の工程を経てレールを製造した。その製造条件を表２に示す。次いで、製造されたレールの表層の硬さおよびミクロ組織を評価し、その結果を表２に併記した。
表２に示すように、Sbを添加していないベース鋼から製造したレールでは、脱炭層が0.88mm深さまで存在しており、表面と３mm深さとの硬さ比Ａ／Ｂは0.96であった。一方、Sbを発明範囲内で添加した鋼から製造した発明例のレールでは、脱炭層が0.5mm以下の深さまでに減少しており、それに伴い硬さ比Ａ／Ｂも0.97以上まで増加し、表面の脱炭に伴う硬さ低下が軽減されていた。
ここで、Sb量が発明範囲外のレールは、ベース鋼と同様に脱炭層が深くまで及び、表面と３mm深さの硬さ比Ａ／Ｂも0.97％未満と低く、表面硬さは低下していた。また、Sb量は発明範囲内であるものの、Cr量が発明範囲の下限に満たないレールは、脱炭層が0.55mmの深さまで存在しており、表面と３mm深さとの硬さ比Ａ／Ｂは0.97未満と低く、表面硬さは低下していた。
【００３６】
【表１】
2014084507.tif 000003
【００３７】
【表２】
2014084507.tif 000004
【図１】
2014084507.tif 000005