(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
列車の車輪と接触するレールの頭部表面に、所定幅、所定深さおよび所定形状の少なくとも一つの条件で溝を形成し、
前記溝に、所定温度条件および所定時間条件で、銀を主成分とする金属ろう剤を充填して溶着し、
溶着された前記金属ろう剤を自然冷却させて、
冷却された前記金属ろう剤が、前記頭部表面より所定高さ以下の突出となるように研磨し、
前記所定高さは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、レール表面処理方法。
【請求項２】
前記所定幅は、６ｍｍ以上８ｍｍ以下であり、前記所定深さは、１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ以下である、請求項１記載のレール表面処理方法。
【請求項３】
前記所定形状は、前記溝の底部が幅方向全体における曲線により形成される、請求項１又は２記載のレール表面処理方法。
【請求項４】
前記曲線は、前記溝の底面および端部においても形成されている、請求項３記載のレール表面処理方法。
【請求項５】
前記溝の底部は、略Ｕ字状の曲線を有し、前記溝の端部は、前記溝内部からレール表面につながるＲ状の曲線を有している、請求項４記載のレール表面処理方法。
【請求項６】
前記溝の底部の曲線および端部の曲線は、研削および切削の少なくとも一方で、形成される、請求項４又は５記載のレール表面処理方法。
【請求項７】
前記所定幅は、前記所定深さの６倍以上８倍以下であって、当該所定幅および所定深さの比率によって、前記溝の曲線が定義される、請求項４から６のいずれか記載のレール表面処理方法。
【請求項８】
前記溝に溶着された金属ろう剤は、前記溝の底部および端部の曲線に沿った曲線を、前記溝との接合面に有する、請求項４から７のいずれか記載のレール表面処理方法。
【請求項９】
前記金属ろう剤は、銀、銅および亜鉛を含む銀ろうである、請求項１から８のいずれか記載のレール表面処理方法。
【請求項１０】
前記銀ろうは、更に貴金属素材を含む、請求項９記載のレール表面処理方法。
【請求項１１】
前記所定温度条件は、７５０℃未満である、請求項１から１０のいずれか記載のレール表面処理方法。
【請求項１２】
前記所定時間条件は、前記金属ろう剤の溶着が、１３０ｍｍ／分〜１５０ｍｍ／分で行われる条件である、請求項１から１１のいずれか記載のレール表面処理方法。
【請求項１３】
列車の車輪と接触する頭部表面に、所定幅、所定深さおよび所定形状の少なくとも一つの条件で形成された溝と、
前記溝に、所定温度条件および所定時間条件で、溶着された銀を主成分とする金属ろう剤と、を、備え、
前記金属ろう剤は、溶着後に自然冷却および所定高さ未満での研磨を受け、
前記所定高さは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、レール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レールの防錆性を向上させたりレールの導電性を向上させたりするためのレールの表面処理方法および当該処理方法によって製造されるレールに関する。
【背景技術】
【０００２】
線路上には複数の分離したレールが、連続的に敷設されている。列車は、この連続的に敷設されたレール上を走行する。連続するレール同士は、走行可能な程度に連結しているものの、物理的には分離している。レールの底面には、枕木および砂利が設置されている。レールには列車の車体重量がかかるため、レールは充分な強度を有している必要がある。加えて、レールは、列車を走行させるだけでなく、列車の通過や接近を検出する導電体としての役割も必要とする。このため、レールは、高い導電性を有していることが好適である。
【０００３】
例えば、線路上に踏切が設けられている場合には、踏切が自動で反応して動作するように、列車の近接を、レールを通じて踏切が認知することが好ましい。このため一般的に、踏切から所定距離のレールに電流を流し或いは電圧をかけ、列車の車輪が到達しレール電流を遮断或いは通電することで、踏切が列車を検出する方法が採られている。
【０００４】
一方で、列車はレール上を走行するので、レール表面は列車の車輪によって研磨されている。しかし、列車間隔がある場合、この研磨されたレール表面は自然に酸化されることにより、酸化物の皮膜が生じ、特に小雨等の気象条件下では短時間で皮膜が成長することが知られている。この酸化皮膜は導電性が低く、車輪踏面とレール表面との間に絶縁層を形成し、レールの短絡感度が低下することとなる。このように酸化被膜により短絡感度が低下した場合、列車の到達による電流の遮蔽あるいは通電の検出が不十分となる恐れがある。この場合には、レールが列車の到達を検出できなくなり、踏切装置は、列車を検出できなくなって、誤動作を生じさせる可能性がある。当然ながら、踏切装置の誤動作は、列車事故などを引き起こしかねないので、生じさせることは好ましくない。このため、レールには、レールめっきと呼ばれる表面処理が施されて、レールの導電性を高めることが行われている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実公昭４９−１５０４２号公報
【特許文献２】特開２００６−１６１４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、電車の車輪と接触するレール頭部上面に溝を形成し、この溝内に銅若しくは銅合金等を溶着させるレールを開示する。特許文献１は、溝が形成された上で、この溝内に銅合金が溶着されることで、レール表面の導電性を高める技術を開示している。
【０００７】
しかしながら、軌道の分岐内等に使われる熱処理レールのような炭素含有量が０．８０質量％程度のレールに、錆の発生を抑制すべく銅若しくは銅合金を溶着する場合、銅若しくは銅合金を溶着させるために銅若しくは銅合金の溶融温度にまで熱処理レールを加熱すると、炭素含有量が０．８０質量％程度のレールではオーステナイト領域に入る温度となり、その後の冷却によって溶着部にマルテンサイト組織が生成してしまい、強度低下が問題視されていた。特にHH３４０やHH３７０などの品番で特定される熱処理レールではこの傾向が強く、最悪ケースでは列車荷重によりマルテンサイト組織部分からレールが破断する事故が発生する可能性もある。このため、レール破断等の危険懸念から、当該技術の適用範囲は、熱処理されていない普通レールで、しかも列車速度が遅い駅構内等に限られることが多かった。しかし、現在では熱処理レールが主流となってきている。また、冷却速度を遅くしてマルテンサイト組織生成を抑えるべく、溶着時に予熱処理及び後熱処理が行われていたが、その分、レールの表面処理（レールめっきを施す処理）に時間がかかる問題があった。また、充填された金属ろう剤の磨耗や損耗が早く、列車の走行時間の累積と共に、レールの導電性が低下する問題があった。
【０００８】
特許文献２は、特許文献１と同様に、レール表面の長手方向に沿ってＵ字溝を形成し、このＵ字溝に金属ろう剤を充填する技術を開示する。この金属ろう剤によって、レールの導電性を向上させる。さらにこの金属ろう材を溝に盛り上げて充填し、盛り上げ部分を車輪で押圧延展し、車輪とろう材との接触面積を大きくすることによって、レールの導電性を向上させる。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に開示される技術も、特許文献１の技術と同様に、レールの強度低下をもたらす問題を有していた。加えて、充填された金属ろう剤の磨耗や損耗が早く、列車の走行時間の累積と共に、レールの導電性が低下する問題があった。
【００１０】
特許文献１、２に開示される技術は、レールに導電性の金属ろう剤を充填する工程および金属ろう剤そのものに、不十分さがあり、上述のような問題を生じさせていた。
【００１１】
本発明は、これらの課題に鑑み、列車の走行による磨耗や損耗にも高い耐久性を示して、レールの種別及び線路の種別を問わず長期間にわたって十分な導電性を維持できるレールの表面処理方法およびレールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題に鑑み、本発明のレール処理方法は、列車の車輪と接触するレールの頭部表面に、所定幅、所定深さおよび所定形状の少なくとも一つの条件で溝を形成し、溝に、所定温度条件および所定時間条件で、銀を主成分とする金属ろう剤を充填して溶着し、溶着された金属ろう剤を自然冷却させて、冷却された金属ろう剤が、頭部表面より所定高さ以下の突出となるように研磨し、所定高さは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のレール処理方法は、所定の溝であって幅広の溝を形成した上で金属ろう剤を充填するので、十分な導電性をレール表面に確保できる。加えて、金属ろう剤として、銀を主成分とする銀ろう剤を用いるので、溶着温度をオーステナイト変態温度以下に抑え、組成変成によるレール強度低下を防止できることで、レール種別や線路種別を問わず施工が可能となるほか、予熱処理及び後熱処理を省略できることから、溶着時間を短縮でき、作業効率を向上させることができる。
【００１４】
また、必要となる燃料も少なくなるので、作業現場（敷設済みの線路）に運搬する必要のある燃料タンク（燃料ボンベ）も小型化できる。結果として、レール処理に必要な種々の作業効率が向上し、作業の安全性も高まるメリットがある。
【００１５】
特に、レールの種類及び線路の種別を問わず長期間に渡って導電性を維持できることが作業効率の良さと相まって、様々な鉄道現場で、本発明の表面処理が行える。これにより、日本の鉄道のみならず、海外の鉄道のレールの表面処理も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＦｅ−Ｃ系平衡状態図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるレールの斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１における溝の形成工程を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態における溝への金属ろう剤の充填を示す説明図である。
【図５】本発明の実験例の結果を示す写真である。
【図６】従来例での表面処理の結果を示す写真である。
【図７】本発明の実施の形態におけるレールでの列車検知の実験結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の第１のレール表面処理方法は、列車の車輪と接触するレールの頭部表面に、所定幅、所定深さおよび所定形状の少なくとも一つの条件で溝を形成し、溝に、所定温度条件および所定時間条件で、銀を主成分とする金属ろう剤を充填して溶着し、溶着された金属ろう剤を自然冷却させて、冷却された金属ろう剤が、頭部表面より所定高さ以下の突出となるように研磨し、所定高さは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。
【００１８】
この構成により、レールは、導電性を有する部分を、その頭部表面に有するようになる。この構成により、列車のレール走行に影響が及ばない。
【００１９】
本発明の第２のレール表面処理方法では、第１の発明に加えて、所定幅は、６ｍｍ以上８ｍｍ以下であり、所定深さは、１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ以下である。
【００２０】
この構成により、導電性を十分に発揮しつつ、レールの頭部を損傷させることのない導電部分が形成される。
【００２１】
本発明の第３のレール表面処理方法では、第１又は第２の発明に加えて、所定形状は、溝の底部が幅方向全体における曲線により形成される。
【００２２】
この構成により、溝に角部や屈曲部が生じなくなり、金属ろう剤の充填が、確実に行われる。特に、金属ろう剤と溝表面との間に空隙ができにくくなり、導電性が損なわれにくくなる。
【００２３】
本発明の第４のレール表面処理方法では、第３の発明に加えて、曲線は、溝の底面および端部においても形成されている。
【００２４】
この構成により、金属ろう剤は、溝（レール）となだらかに溶着される。
【００２５】
本発明の第５のレール表面処理方法では、第４の発明に加えて、溝の底部は、略Ｕ字状の曲線を有し、溝の端部は、溝内部からレール表面につながるＲ状の曲線を有している。
【００２６】
この構成により、溶着時の熱の滞留によるレールへの熱影響を軽減し、金属ろう剤は、溝となだらかに溶着される。
【００２７】
本発明の第６のレール表面処理方法では、第４又は第５の発明に加えて、溝の底部の曲線および端部の曲線は、研削および切削の少なくとも一方で、形成される。
【００２８】
この構成により、溝は、効率的かつ高い精度で形成される。
【００２９】
本発明の第７のレール表面処理方法では、第４から第６のいずれかの発明に加えて、所定幅は、所定深さの６倍以上８倍以下であって、当該所定幅および所定深さの比率によって、溝の曲線が定義される。
【００３０】
この構成により、深さと幅の設定によって、溝加工において曲線が自動的に形成できる。
【００３１】
本発明の第８のレール表面処理方法では、第４から第７のいずれかの発明に加えて、溝に溶着された金属ろう剤は、溝の底部および端部の曲線に沿った曲線を、溝との接合面に有する。
【００３２】
この構成により、金属ろう剤は、広い面で溝と接合するので、高い導電性を有する。また、角部や空隙がないことで、損傷も生じにくい。
【００３３】
本発明の第９のレール表面処理方法では、第１から第８のいずれかの発明に加えて、金属ろう剤は、銀、銅および亜鉛を含む、液相線温度が７５０℃未満の銀ろうである。
【００３４】
この構成により、金属ろう剤は、オーステナイト変態点未満の温度で、溶融する。
【００３５】
本発明の第１０のレール表面処理方法では、第９の発明に加えて、銀ろうは、更に貴金属素材を含む。
【００３６】
この構成により、金属ろう剤は、レール溝接触面との溶着力が強化され、耐久性を向上させることができる。
【００３７】
本発明の第１１のレール表面処理方法では、第１から第１０のいずれかの発明に加えて、所定温度条件は、７５０℃未満である。
【００３８】
この構成により、レールにマルテンサイト組織が生じなくなる。
【００３９】
本発明の第１２のレール表面処理方法では、第１から第１１のいずれかの発明に加えて、所定時間条件は、金属ろう剤の溶着が、１３０ｍｍ／分〜１５０ｍｍ／分で行われる条件である。
【００４０】
この構成により、溶着速度が高まり、作業効率が高まる。
【００４３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
【００４４】
（実施の形態１）
列車の走行による磨耗や損耗にも高い耐久性を示して、レールの種別及び線路の種別を問わず長期間にわたって十分な導電性を維持できるレールの表面処理が必要である。このレールの表面処理の基本は、車輪と接触するレール頭部に、溝を形成して、当該溝に金属ろう剤を充填・溶着することである。このとき、従来技術で説明したように、金属ろう剤を溶着する際の加熱温度が、オーステナイト領域に入る温度であると、冷却時にマルテンサイト組織を生成してしまう危険があり、レールそのものの強度が低下する問題がある。
【００４５】
ここで、オーステナイト変態点未満の温度である場合には、レールにはマルテンサイト組織が発生せずに、十分な強度を維持できる。ここで、オーステナイト変態点とは、図１に示すＦｅ−Ｃ系平衡状態図におけるオーテスナイト領域とそれ以外の領域との境界温度である。図１は、本発明の実施の形態１におけるＦｅ−Ｃ系平衡状態図である。
【００４６】
マルテンサイト組織は、所定の鉄鋼材料が図１に示すオーステナイト領域内の温度にまで加熱された後、急冷（水冷や徐冷等）されることで生成される。このため、加熱されて溶着させる金属ろう剤がオーステナイト変態点未満の温度で溶融すれば、所定の鉄鋼材料からなるレールは、溶着させる金属を溶融させるために加熱されてもオーステナイト領域内の温度にまで加熱されることはない。結果として、レールが外界に露出している際に、雨水などによる急冷を受けても、レールは、マルテンサイト組織を発生させることが無い。
【００４７】
また、レール頭部に形成される溝に金属ろう剤が溶着されるので、溝の形状に従って、溶着後の金属ろう剤の形状が定まる。この形状によっては、損傷や損耗が生じやすいことがあり、溝の形状が、耐久性向上に寄与する。
【００４８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされた。
【００４９】
（全体概要）
まず、本発明の全体概要を説明する。
【００５０】
図２は、本発明の実施の形態１におけるレールの斜視図である。レール１は、走行する列車の車輪と接触する頭部２を有する。頭部２が車輪と接触するので、頭部２の導電性が、長期間に渡って維持されることが必要である。このため、頭部２にレールめっきと呼ばれる導電性の金属ろう剤を溶着する表面処理がなされる。金属ろう剤は、頭部２表面に形成される溝３に充填されて溶着される。溶着された金属ろう剤が硬化することで、レール１の頭部２の導電性が確保されるようになる。導電性が確保されれば、レール１を走行する列車の車輪との電気的接続（電気的短絡）が確実に生じ、列車の通過や到達が、検出できるようになる。
【００５１】
表面処理は、次のステップを含む。
（ステップ１）頭部２表面に、所定幅、所定深さおよび所定形状の少なくとも一つの条件で溝３が形成される。
（ステップ２）溝３に、所定温度条件および所定時間条件の銀を主成分とする金属ろう剤が充填されて溶着される。
（ステップ３）溶着された金属ろう剤が自然冷却される。
（ステップ４）自然冷却された金属ろう剤が、頭部２の表面より所定高さ未満の突出となる要に、研磨される。
【００５２】
これらの、ステップ１〜ステップ４によって、レール１が表面処理されることで、耐久性に優れると共にレールの強度低下をもたらさない導電性確保が実現される。特に、金属ろう剤が、銀を主成分とすることで、溶着に必要となる加熱温度がオーステナイト変態点未満とできる。この結果、金属ろう剤の溶着作業において、レールにマルテンサイト組織を発生させることが無くなって、レールの強度低下を防止できる。
【００５３】
次に、各ステップの詳細について説明する。
【００５４】
（ステップ１の詳細）
ステップ１で、レール表面処理方法は、レール１の頭部２に溝３を形成する。溝３は、研削や切削を行う機能を有する溝加工器具が用いられて形成されれば良い。このとき、溝３は、２段階の作業で形成される。図３は、本発明の実施の形態１における溝の形成工程を示す説明図である。
【００５５】
まず、図３の上部に示されるように、溝加工器具で、Ｕ字状の溝３Ａが形成される。研削や切削によって、溝３Ａが形成されれば良い。溝３Ａは、溝３Ａの底部３１はＵ字状の曲線を有しているが、端部３２はそのまま表面２１に繋がっているだけである。また、溝３Ａは、深さが約１．０ｍｍおよび幅が約６．０ｍｍである。
【００５６】
次に、溝加工器具によって、溝３Ａの底部３１および端部３２が二次加工される。この加工によって、図３の下半分に示すような最終的な溝３が形成される。溝３は、この二次加工によって、幅が８ｍｍ、深さが１．２ｍｍとなる。もちろん、二次加工前の状態によっては、最終的な溝３の幅が６ｍｍであり深さが１．０ｍｍ程度であっても良い。すなわち、溝３の幅は、６ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。また、溝３の深さは、１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５７】
このように、溝３は、所定幅として、６ｍｍ以上８ｍｍ以下を有し、所定深さとして、１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ以下を有することが好適である。もちろん、これらは一例であり、これを外れることを除外するものではない。
【００５８】
また、溝３は、所定形状を有することが好ましい。図３の下半分に示される溝３は、所定形状を有している。所定形状は、溝３の底部３１が幅方向（図３における横方向）における曲線により形成される。すなわち、溝３の底部３１は、幅方向に沿って曲線を有している。図３より明らかな通り、溝３の底部３１は、角部や直線部を有さずに、その横断面（幅方向の断面）は、曲線だけで構成される。ここで、角部や直線部を有さないとは、物理的測定での厳密なものを意味するのではなく、一般的な視覚上で角部や直線部を有さないという意味である。製造上のばらつきや精度によって、僅かな角部や直線部が生じていることを除く意図ではない。
【００５９】
この曲線は、溝３の底部３１だけでなく端部３２にも形成されている。すなわち、溝３の一方の端部３２から他方の端部３２にかけて（底部３１を経由して）、上方向へ膨らむ曲線、下方向に膨らむ曲線、上方向へ膨らむ曲線が、連続して、曲線全体を形成している。このようななだらかな曲線を有することで、溝３の形状が決定される。更に詳述すると、溝３の底部３１は、略Ｕ字状の曲線を有し、溝３の端部３２は、溝３内部からレール１の頭部２表面に繋がるＲ状の曲線を有している。
【００６０】
この溝３には、金属ろう剤が充填されるので、溝３の形状によって、金属ろう剤の形状も決定される。金属ろう剤は、幅方向全体での曲線に沿って充填されて溶着される。金属ろう剤がこのような構造を有することで、金属ろう剤は、頭部２の表面の幅方向に広がって形成される。特に、端部３２が、頭部２表面に広がるような曲線形状を有するので、金属ろう剤がこれに合わせて広がる。頭部２表面の幅方向に金属ろう剤が広がれば、導電性が高まる。
【００６１】
また、溝３に金属ろう剤を溶融充填する際、当然ながら溝３近傍は加熱される。この際、溝３の底部３１及び端部３２はバーナーによる加熱を受け、その断面形状に角部（Ｒが小さい曲線部分を含む。）があると、その部分に熱が滞留し温度が上昇してしまう。このため、溝の断面が一様な温度分布とならず、角部ではオーステナイト変態点温度を越えてしまい、マルテンサイトを生成する危険が生じる。
【００６２】
溝３の断面形状に角部が存在しないことで、加熱時に溝３の断面を均等な温度分布とすることが可能となり、この結果、金属ろう剤を、オーステナイト変態点温度未満で、溝３全体に均等に、溶融充填することが可能となる。
【００６３】
また、溝３の断面形状に角部が存在しないことで、レール１と金属ろう剤との接合面の特定の部位に、応力が掛かりにくくなるというメリットもある。この結果、溶着された金属ろう剤は、溝３から剥離しにくくなる。レール１には、列車の走行による圧力や負荷が掛かるが、このような圧力や負荷による剥離にも耐えやすくなる。
【００６４】
このように、溝３が端部３２、底部３１、端部３２にかけて、なだらかな曲線状の断面を有することで、オーステナイト変態点温度未満で金属ろう剤の溶着ができ、溶着された金属ろう剤が、高い導電性と高い耐久性を有するようになる。
【００６５】
また、上述の所定幅と所定深さが定義されることで、この所定形状を有するようになる。すなわち、所定形状は、所定幅と所定深さによって、その形成が実現される。溝加工器具は、この所定幅および所定深さを設定として有して溝３を研削もしくは切削することで、溝３の所定形状を実現する。なお、研削であるか、切削であるかは、特に大きな区別ではなく、レール１の頭部２表面に溝３を形成できる工程であれば何でも良い。
【００６６】
溝加工器具は、種々の要素を設定できる。溝３の所定幅および所定深さをパラメータとして設定可能である。溝加工器具は、設定されたパラメータに従い、レール１の頭部２を研削する。ここで、所定幅と所定深さとを、所定関係として設定することで、溝加工器具は、図３に示されるような所定形状を有する溝３を形成できる。
【００６７】
一例として、所定幅と所定深さの比が、６〜８倍（所定幅の数値が、所定深さの数値の６倍から８倍である）である。所定幅が、所定深さの６〜８倍の数値を有することで、溝加工器具は、図３に示すように、端部３２と底部３１とが全体としてなだらかな曲線で繋がるようになる。
【００６８】
特に、溝３の所定深さは、１．０ｍｍ〜１．２ｍｍ程度であるので、余り深いものではない。この余り深くない所定深さを基準に、所定幅がこの所定深さの６倍〜８倍であることで、溝３の端部３２および底部３１は、自然と曲線状となる。溝加工器具は、このような設定を利用することで、端部３２から底部３１にかけて連続的かつ全体的に繋がる曲線を、溝３の断面に形成することができる。
【００６９】
（ステップ２の詳細）
次に、ステップ２の詳細について説明する。ステップ２では、溝３に所定温度条件および所定時間条件で、銀を主成分とする金属ろう剤が充填されて溶着される。
【００７０】
溝３は、ステップ１で形成されているので、金属ろう剤が、この溝３に充填される。このとき、レール１および金属ろう剤の少なくとも一方が加熱されることで、金属ろう剤は、融点を越えて溶融する。溶融した金属ろう剤は、溝３内部に充填されるようになる。例えば、（図４のように）金属ろう剤の棒１０を溝３の上に斜めから突き立てた状態でバーナー１１で加熱することで、金属ろう剤を溶融させながら、ビート状に溝３内部に充填していく。
【００７１】
図４は、本発明の実施の形態における溝への金属ろう剤の充填を示す説明図である。バーナー１１で加熱されて溶融した金属ろう剤が、棒１０によって溝３内部に充填されていく様子が示されている。
【００７２】
この金属ろう剤を充填する際の所定温度条件は、加熱温度が７５０℃未満である。７５０℃未満であることで、オーステナイト変態点未満で留まるからである。一方、ろう接では母材の温度を金属ろう剤の溶融温度以上に加熱しておく必要がある。このため、金属ろう剤の溶着には、先ずレール１をバーナーなどで加熱する。この加熱において、レール１がオーステナイト変態点以上に加熱されると、レール１にマルテンサイト組織が発生してしまう危険性がある。
【００７３】
ここで用いる金属ろう剤の溶融温度は、７５０℃未満であるので、レール１を７５０℃以上に加熱する必要は無い。ステップ２で用いられる金属ろう剤は、銀を主成分としているので、銅などを主成分とする金属ろう剤と異なり融点が低い。このため、加熱の際の所定温度を、７５０℃未満とすることができる。
【００７４】
加熱時のレール１の温度をオーステナイト変態点以下とするために、加熱に用いられるバーナーや加熱器具が、バーナー火口やガス圧などの設定によりその加熱温度を７５０℃未満としておけば良い。
【００７５】
また、金属ろう剤の溶着は、１３０ｍｍ／分〜１５０ｍｍ／分の速度である所定時間条件で行われれば良い。金属ろう剤の溶融温度が低いことで、加熱して溶融させる時間が節減できることで、溶着速度が高まる。従来技術の一例として、黄銅を主成分とする金属ろう剤では、加熱温度を９００℃程度としなければならなかったことで、溶着速度は、７０ｍｍ／分〜９０ｍｍ／分程度であった。溶着速度が遅いことは、作業性・安全性の低減という、作業者側の問題だけでなく、レール１の長時間の加熱による損耗を生じさせかねない。
【００７６】
本発明の表面処理方法で用いられる金属ろう剤は、銀を主成分としており、所定温度および所定時間条件が上述の通りであるので、作業性・安全性を高めると共に、レール１の損耗を生じさせにくい。また、溶着速度が速いことで、加熱作業に必要となる燃料（バーナーの燃料）の量を少なくできる。量が少ないことで、運搬作業も効率が高まり、遠隔地での作業も容易化される。
【００７７】
実施の形態１で説明されるレール表面処理方法は、線路が敷設されている場所で行う必要がある。すなわち、鉄道敷に敷設されているレールに、表面処理を施す必要がある。レールが敷設されているのは、山間地や郊外などの不便な場所であったり、頻繁に列車が走行する近傍の側線であったりする。前者の場合には、必要な装置や器具の運搬が用意であることが求められる。後者の場合には、作業時間が短いことが求められる。実施の形態１のレール表面処理方法では、ステップ２が金属ろう剤の溶着に必要な燃料が少ないので、前者の場合にも好適である。また、ステップ２の時間も短いので、後者の場合にも好適である。
【００７８】
このように、実施の形態１のレール表面処理方法は、溶着時間が短いことで、現場作業の効率化が図られる。例えば、レール表面処理は、海外の鉄道に敷設されているレールにも必要であるが、溶着時間が短いことは、このような場合にも好適である。
【００７９】
（金属ろう剤）
このような溶着時間を短縮できるのは、金属ろう剤の融点がオーステナイト変態点以下であることによる。また金属ろう剤の融点や凝固点のほか、導電率などの電気的特性や、硬度、強度や鋼との相性（溶着力）と言った物理的特性は、金属ろう剤の成分や成分比に左右される。
【００８０】
金属ろう剤は、銀を主成分とする。銀を主成分とすることで、黄銅ろうと比較して、先ず電気的特性に優れる、次に、融点が下がる、というメリットがある。またここで、金属ろう剤は、銀、銅および亜鉛を含む銀ろうであることも好適である。銀ろうの場合、溶着後の電気的特性試験において、黄銅ろうとの対比で、約１．７倍の導電率を示している。これにより良好な導電率を保持できる。また、このような成分を含有することで、金属ろう剤は、オーステナイト変態点以下の融点を有するようになる。例えば、銀：銅：亜鉛の比が４０：３０：３０である銀ろう剤は、融点が７３０℃であり、４５：３０：２５では７４５℃であることが知られている。したがって、銀、銅および亜鉛の含有割合は、諸条件を勘案して、適宜定められれば良い。
【００８１】
また、銀ろうは、更に貴金属素材を含むことも好適である。貴金属素材は、銀ろうの融点、強度、耐久性にメリットを与えることが多いからである。貴金属素材は、銀ろうの仕様及び母材である鋼との相性に合わせて、適宜選択されればよい。選択された貴金属素材の特性に応じて、銀ろう（すなわち金属ろう剤）が、溶着された後で、その輝度や色味に特徴が生じることもある。
【００８２】
金属ろう剤は、ステップ１で形成された溝３に加熱されつつ充填される。すなわち、金属ろう剤は溶融状態となって溝３に充填される。このため、溝３の内部に十分に拡張しつつ充填される。この結果、金属ろう剤は、溝３の端部３２から底面３１にかけた曲線にあわせて、充填される。言い換えれば、金属ろう剤とレール１との接合面は、溝３の有する曲線に沿っている。曲線に合っていることで、角部や屈曲部が存在しにくくなり、溶着の耐久性が高まる。
【００８３】
（ステップ３）
次に、ステップ３について説明する。
【００８４】
溝３に充填されて溶着された金属ろう剤は、自然冷却される。レール１は、外界に敷設されているので、外気温に合わせて冷却される。すなわち、自然冷却の一例として溶着された後のレール１をそのまま放置する。金属ろう剤の溶着時の加熱温度は、７５０℃未満であるので、そのまま放置される場合でも、外気温によって十分に冷却される。また、冷却を加速したり、冷却時の損耗を防止したりするために、レール１に毛布やシートが被せられることも好適である。
【００８５】
もちろん、レール１は、溶着された金属ろう材に比べて、圧倒的に比熱容量が大きいため、外界に露出されて外気温で冷却される場合でも、濡れた毛布やシートが被せられて冷却される場合でも、金属ろう剤は、徐々に冷却されることになる。すなわち、急冷されることはない。このため、溶着された金属ろう剤は、結晶構造や格子構造を欠損させることがない。もちろん、レール１も損耗したりすることがない。これらの結果、溶着された金属ろう剤は、確実に溝３に固着されて、レール１と接合する。
【００８６】
ステップ３により、レール１に形成された溝３に、金属ろう剤が固着される。
【００８７】
（ステップ４）
【００８８】
次に、ステップ４について説明する。ステップ４では、冷却されて固着された金属ろう剤が、レール１の頭部２表面より所定高さ以下の突出となるように、金属ろう剤の突出部分が研磨される。
【００８９】
金属ろう剤は、作業者の作業によって、溝３に溶着される。このとき、作業者は、溝３を加熱し、棒状の金属ろう剤を溝３に触れさせ棒の先端部の金属ろう剤を溶融させる、次にろうが溶着した先の溝３を加熱し、同じようにろうを溶着させる、を繰り返しながら金属ろう剤の溶着を繰り返す。このため、硬化したあとの金属ろう剤は、溝３にビート状に固着しており、レール１の頭部２表面より波状に突出した状態となる。突出状態が大きすぎると、当然ながら列車の走行に支障を来たす。このため、冷却されて硬化したあとで、ステップ４にて、突出部分が研磨される。
【００９０】
研磨には、研磨剤、研磨器具などが用いられる。十分に冷却された後で、作業者が研磨剤で研磨したり、研磨器具で研磨したりすることで、突出部分は徐々に平らにならされていく。ただし、レール１の頭部２表面を研磨しすぎてしまわないように注意することも必要である。一方で、研磨が不足することも好ましくない。
【００９１】
このため、所定高さが規定されて、この所定高さ以下となるように研磨されることが好適である。作業工程においてはこの所定高さが規定され、作業者（あるいは作業器具の設定）は、この規定された所定高さ以下となるように、研磨作業を行う。
【００９２】
ここで、所定高さは、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。これは、金属ろう剤の溶着面が列車の車輪踏面と確実に接触するためには、レール頭面よりもいくらか高く盛り上げる必要があるが、施工上、高さを０．２ｍｍ以下で均一化することは困難であり、一方、金属ろう剤の溶着面は、車輪の主荷重によって押さえつけられ、その際に張り出しが生じて剥離を生成する危険性があるため、頭頂面から高く張り出すことは好ましくないからである。また、この程度の突出であれば、レール１を走行する列車に、異音や衝撃などの支障が出ることがほとんどないからである。
【００９３】
以上のように、所定高さを規定した上で研磨されることで、レール表面処理が完了する。レール表面処理が完了することで、レール１の導電性が確保され、列車の到達や通過が、確実に検出されるようになる。もちろん、レール表面処理方法の実施において、レール１へのオーステナイト変態点以上の加熱がなされないことで、レール１の損耗も生じにくい。結果として、十分な耐久性と導電性を有するレール１が実現できる。これにより、レール種別及び線路の種別を問わず、レールの表面処理が適用できるようになる。
【００９４】
（実施の形態２）
【００９５】
実施の形態１では、レール表面処理方法について説明したが、このレール表面処理方法で製造されるレールも、本発明の対象である。
【００９６】
すなわち、実施の形態２のレールは、列車の車輪と接触する頭部表面に、所定幅、所定深さおよび所定形状の少なくとも一つの条件で溝を形成し、溝に、所定温度条件および所定時間条件で、銀を主成分とする金属ろう剤を充填して溶着し、溶着された金属ろう剤を自然冷却させて、冷却された金属ろう剤が、頭部表面より所定高さ未満の突出となるように研磨されて得られる。
【００９７】
実施の形態２のレールは、図２で示されるものと同様である。すなわち、レール１には、溝３が形成され、この溝３に金属ろう剤が充填されることで表面処理が施されたレール１が得られる。溝３の形成、金属ろう剤の充填および研磨は、実施の形態１で説明されたとおりである。すなわち、ステップ１〜ステップ４の工程が施されて、実施の形態２におけるレール１が得られる。
【００９８】
このようにして得られるレール１は、十分な耐久性を有しつつ導電性を有する。この導電性によって、レール１は、列車の到達や通過を検出できるようになる。また、実施の形態１で説明した処理方法は、レールの種別を問わず実施することができるので、熱処理が施されたレールや施されていないレールなどの様々なレールでも、このような処理方法によって導電性が確保されるようになる。
【００９９】
レール１の製造工程であるステップ１〜ステップ４は、実施の形態１で説明した通りである。このようにして得られたレール１は、列車の車輪と接触する頭部２表面に、所定幅、所定深さおよび所定形状の少なくとも一つの条件で形成された溝３と、溝３に、所定温度条件および所定時間条件で、溶着された銀を主成分とする金属ろう剤と、を、備える。この金属ろう剤は、溶着後に自然冷却および所定高さ未満での研磨を受ける。この結果、頭部２表面に所定高さ未満の突出を有する金属ろう剤（導電部分）が形成される。このようなレール１は、当然ながら導電性を確保できるので、列車の到達や通過を検出できる。
【０１００】
当然ながら、ステップ１〜ステップ４の特長により、レール１は、高い耐久性、特に導電性の維持を実現できる。結果として、レールを通過する列車の未検出などの問題を引き起こすことが減少し、メンテナンス費用や手間が低減するメリットも生じる。結果として、鉄道システムに対する信頼性も向上する。
【０１０１】
（実験例その１）
銀ろうを主成分とする金属ろう剤であって、上記のステップ１〜ステップ４を用いたレール表面処理により、レールにはマルテンサイトが形成されなくなる。図５は、本発明の実験例の結果を示す写真である。図５の写真から明らかな通り、レールの溝３の底面部分には、マルテンサイト組織を生成する可能性がある熱影響層が発生していない。このため、レールの耐久性が減少することもない。また、図５では、溝３の端部３２とレール表面との接続部分に角部があり、その周辺のレール組織の一部が熱影響を受けていることを示している。これにより、溝３は、その横断面内に角部を有することが好ましくないことを示している。
【０１０２】
一方、図６は、黄銅ろうを主成分とする金属ろう剤であって、ステップ１〜ステップ４とは異なる従来工法で行われたレール表面処理の結果を示している。図６は、従来例での表面処理の結果を示す写真である。図６から明らかな通り、マルテンサイト組織を生成する可能性がある熱影響層が厚く分布しており、金属ろう剤の素材および工程が異なることで、本発明の奏する効果が得られない。逆に言えば、図５に示されるように、本発明は、マルテンサイトを発生させない効果を有している。
【０１０３】
（実験例その２）
また、銀ろうを主成分とする金属ろう剤であって、上記のステップ１〜ステップ４を用いたレール表面処理で得られたレールでの実際の列車検知の実験を行った。
【０１０４】
図７は、本発明の実施の形態におけるレールでの列車検知の実験結果を示す説明図である。図７に示される実験は、踏切終動点で列車を検知した。この実験では、１０日以上列車が運行せずに、レール表面が錆びている状態で、検知結果が採取された。踏切終動点の列車検知には、踏切制御子と呼ばれる開電路型列車検出装置が用いられ、列車検知のための電流には、３０．４kHzまたは４０．４kHzの周波数が用いられる。
【０１０５】
この実験では、列車検知区間である２５ｍ部分に、レールめっきである表面処理が施されている。但し、検知区間内にレールの継ぎ目がある場合には、継ぎ目の両サイド５０ｃｍずつ、合わせて１ｍの区間には、表面処理が施されていない。すなわち、金属ろう剤が溶着されていない。
【０１０６】
図７の最上段に示されるグラフは、踏切制御子のバンド・パス・フィルタ（ＢＰＦ）を通した後の、３０．４kHzの信号周波数を示している。図７の中段に示されるグラフは、列車検知リレーの電圧を示しており、最下段のグラフは、列車検知リレーの反応リレーの電圧を示している。
【０１０７】
導電性の良いレール（レールめっきとの表面処理が施されていなくても）であれば、３０．４ｋHzの信号は、列車が近づくにつれて徐々に大きく検出され、一定レベルになると検知リレーが動作する。一方、列車が遠ざかる際には検知リレーが落下して、次第に３０．４ｋHzの信号が逓減していく。
【０１０８】
図７に示される実験例では、列車がレールめっきの施されている区間に入ると即座に列車を検知し、レールめっきの施されている区間を抜けると検知を終了していることが分かる。このように、レールめっきである表面処理が施されていることで、レールは、確実に列車の通過や到達を検知できるようになる。
【０１０９】
ところで、本文で使用している「列車」とは、一般的概念で使用したものであり、鉄道関係法や省令で定義する、「列車」及び「車両」との区分で定義されるものではなく、その両方に該当するものである。
【０１１０】
なお、実施の形態で説明されたレールの表面処理方法は、本発明の趣旨を説明する一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での変形や改造を含む。
【符号の説明】
【０１１１】
１    レール
２    頭部
３    溝
３１    底部
３２    端部
【図１】
0005954818.tif 000002
【図２】
0005954818.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005954818.tif 000005
【図５】
0005954818.tif 000006
【図６】
0005954818.tif 000007
【図７】
0005954818.tif 000008