(57)【要約】【課題】製造コストの上昇をまねくことなしに、高い延性および靭性を有するレールを製造するための方途について提案する。【解決手段】Nb：0.001〜0.05％を含み、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成を有する鋼素材に、熱間圧延を施したのち冷却を行ってパーライトレールを製造するに当たり、前記熱間圧延に先立って前記鋼素材を1200℃以上1330℃以下に加熱することおよび、前記熱間圧延は、950℃以下の温度域での累積減面率を40％以上、かつ仕上げ温度をレールの頭部で800℃以上および足部で600℃以上とするとともに前記頭部と足部との温度差を200℃以内として行う。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：0.75〜0.85％、
Si：0.2〜1.2％、
Mn：0.4〜1.5％、
Ｐ：0.035％以下、
Ｓ：0.035％以下および
Nb：0.001〜0.05％
を含み、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成を有する鋼素材に、熱間圧延を施したのち冷却を行ってパーライトレールを製造するに当たり、
前記熱間圧延に先立って前記鋼素材を1200℃以上1330℃以下に加熱することおよび、
前記熱間圧延は、950℃以下の温度域での累積減面率を40％以上、かつ仕上げ温度をレールの頭部で800℃以上および足部で600℃以上とするとともに前記頭部と足部との温度差を200℃以内として行うこと
を特徴とするレールの製造方法。
【請求項２】
前記冷却は、パーライト変態開始温度以上の温度域から２℃／ｓ以下の冷却速度で500℃以下の温度域まで行うことを特徴とする請求項１に記載のレールの製造方法。
【請求項３】
前記鋼素材はさらに、質量％で、
Ｖ：0.1％以下、
Cr：1.5％以下、
Cu：1.0％以下、
Ni：1.0％以下、
Mo：1.0％以下および
Ca：0.015％以下
のうちから選んだ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または２に記載のレ−ルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レール、特に延性および靭性の高いレールを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レールは、鉄道用、工事現場などの軌道用、さらにはクレーンやエレベータ等、様々な用途に供されている。その用途によって要求される性能も様々であるが、延性および靭性の高いことが基本性能として要求される。
例えば、鉱石の運搬等を主体とする鉱山鉄道（高軸重鉄道）では、貨車の車軸にかかる荷重が高く、またレールの使用環境も過酷であるため、このような環境下で使用されるレールには、炭素含有量の高いパーライト組織を有する鋼が使用されている。この種の鋼は、耐摩耗性に優れる反面、延性や靭性が低いところに難点があった。
【０００３】
延性や靭性を向上するには、パーライト組織の微細化、例えばパーライト変態前のオーステナイト粒の微細化や、パーライト変態時の組織の微細化が必要になる。そのためには、熱間圧延時の圧延温度を低減することが有効な手段であるが、熱間圧延直後のオーステナイト粒の微細化は達成できても、該熱間圧延後の熱処理開始までの間に粒成長が進む結果、延性に乏しいレールになっていた。
【０００４】
これに対して、特許文献１には、レール形状に圧延後に低温再加熱を行った後に加速冷却を行うことによって、パーライト組織の微細化をはかることが提案されている。さらに、特許文献２には、析出物によってオーステナイト粒の成長を抑制することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭63−128123号公報
【特許文献２】特開2010−1500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、上記したいずれの手法も、製造コストの増加をまねくことが問題であった。すなわち、特許文献１に記載の技術では、低温再加熱および加速冷却を付加することから、これら熱処理に要するコストの増加は不可避であった。
また、特許文献２に記載の技術は、Ti析出物を微細析出させて圧延後のオーステナイト粒成長を抑制するものであるため、Ti析出物によるレールの転動疲労寿命の低下の問題が懸念される。
【０００７】
そこで、本発明は、製造コストの上昇をまねくことなしに、また、合金元素としてTiを添加することなしに、高い延性および靭性を有するレールを製造するための方途について提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、上記の課題を解決するための手段について鋭意究明したところ、成分組成および熱間圧延の諸条件を規制することが、製品段階におけるパーライト組織の微細化の実現に有効であることを見出し、本発明を完成するに到った。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
【０００９】
（１）質量％で、
Ｃ：0.75〜0.85％、
Si：0.2〜1.2％、
Mn：0.4〜1.5％、
Ｐ：0.035％以下、
Ｓ：0.035％以下および
Nb：0.0001〜0.05％
を含み、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成を有する鋼素材に、熱間圧延を施したのち冷却を行ってパーライトレールを製造するに当たり、
前記熱間圧延に先立って前記鋼素材を1200℃以上1330℃以下に加熱することおよび、
前記熱間圧延は、950℃以下の温度域での累積減面率を40％以上、かつ仕上げ温度をレールの頭部で800℃以上および足部で600℃以上とするとともに前記頭部と足部との温度差を200℃以内として行うこと
を特徴とするレールの製造方法。
【００１０】
（２）前記冷却は、パーライト変態開始温度以上の温度域から２℃／ｓ以下の冷却速度で500℃以下の温度域まで行うことを特徴とする（１）に記載のレールの製造方法。
【００１１】
（３）前記鋼素材はさらに、質量％で、
Ｖ：0.1％以下、
Cr：1.5％以下、
Cu：1.0％以下、
Ni：1.0％以下、
Mo：1.0％以下および
Ca：0.015％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載のレ−ルの製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来に比べて極めて高い延性および靭性を有するパーライト鋼レールを安価に製造することが可能となり、特に、高軸重鉄道に適したレールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】レール頭部からの引張試験片の採取位置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、所定の成分組成を有する鋼素材に、所定の条件下での熱間圧延にてレール形状に成形し、その後、冷却を経てレールとするものであり、まず、鋼素材の成分組成から順に説明する。
鋼素材は、Ｃ：0.75〜0.85％、Si：0.2〜1.2％、Mn：0.4〜1.5％、Ｐ：0.035％以下、Ｓ：0.035％以下およびNb：0.001〜0.05％を含み、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成を基本とする。以下に、各成分の限定理由を示す。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味する。
【００１５】
Ｃ：0.75〜0.85％
パーライト変態前のオーステナイト粒の微細化をはかるには、再結晶温度以下の温度域での熱間変形を増加すること、具体的には、再結晶温度を上昇させて熱間圧延における再結晶温度以下での加工を増加することが有効である。従って、Ｃは、再結晶温度を上昇させるために、0.85％以下に制限する。さらに、0.85％以下に制限すれば、初析セメンタイト総量が抑制されて延性および靭性を向上できる点でも有利である。一方、Ｃが0.75％未満では、パーライト組織中のセメンタイトの形成が不十分となり、硬さが低下してレールに必要な耐摩耗性を確保することが困難となるため、0.75％以上で含有させる。
【００１６】
Si：0.2〜1.2％
Siは、脱酸材として、およびパーライト組織を強化するために0.2％以上必要であるが、1.2％を超えると、レールの表面疵の生成を促進させることからその含有量の上限を1.2％とする。従って、Si量は0.2〜1.2％とする。
【００１７】
Mn：0.4〜1.5％
Mnは、パーライトへの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る。そのためには、0.4％以上必要であるが、1.5％を超えると、パーライト平衡変態温度を低下させるとともにベイナイトが生成し易くなる。従って、Mn量は0.4〜1.5％とする。
【００１８】
Ｐ：0.035％以下
Ｐの含有量が0.035％を超えると、延性および靭性を劣化するため、Ｐ量は0.035質量％以下とする。好ましくは0.020％以下である。なお、0.001％未満とするには、製鋼コストの増加が余儀なくされることから、0.001％以上の含有は許容される。
【００１９】
Ｓ：0.035％以下
Ｓの含有量が0.035％を超えると、圧延方向に進展したMnSを形成してレールの延性および靭性が劣化するため、Ｐ量は0.035質量％以下とする。好ましくは0.020％以下である。なお、0.0005％未満とするには、製鋼コストの増加が余儀なくされることから、0.0005％以上の含有は許容される。
【００２０】
Nb：0.0001〜0.05％
Nbは、基本組成において重要な成分であり、フェライトの生成を抑制し再結晶温度を引き上げる効果を有する。そして、Nb添加による未再結晶温度域の引き上げにより、後述する未再結晶温度域（再結晶温度以下）の圧延を容易とし、延性の向上に寄与する。さらに、炭化物の析出を促進する効果もあり、上記したＣ量の制限に伴う強度の低下を補うことが可能になる。そのためには、Nb量を0.0001％以上とする必要がある。一方、Nb量が0.05％を超えると、凝固過程で粗大なNb炭窒化物が生成し清浄性を低下させることから、Nbの含有量の上限は0.05％とする。好ましくは、0.001〜0.03％である。
【００２１】
上記した基本成分に加えて、必要に応じて、Ｖ：0.1％以下、Cr：1.5％以下、Cu：1.0％以下、Ni：1.0％以下、Mo：1.0％以下およびCa：0.015％以下のうちから選んだ１種または２種以上を含有することができる。各成分の好適添加量は、次のとおりである。
【００２２】
Ｖ：0.1％以下
Ｖは、VCあるいはVN等を形成してフェライト中に微細に析出し、フェライトの析出強化を通して高強度化に有効な元素である。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。しかし、0.1％を超えての添加は、合金コストの上昇を招く。したがって、Ｖは0.1％を上限として添加できるものとする。なお、Ｖ添加に
よる高強度化や耐遅れ破壊抑制の作用を発現させるためには、Ｖは0.001％以上含有させ
ることが好ましい。
【００２３】
Cr：1.5％以下
Crは、パーライトの平衡変態温度を上昇させ、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。しかし、1.5％を超えてCrを添加すると、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。したがって、Crは1.5％を上限として添加できるものとする。
【００２４】
Cu：1.0％以下
Cuは、固溶強化によって一層の高強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。しかし、1.0％を超えてCuを添加すると、連続鋳造時や圧延時に表面割れが生じ易くなることから、Cuは1.0％を上限として添加できるものとする。
【００２５】
Ni：1.0％以下
Niは、靭性や延性を向上させる有効な元素である。また、Cuと複合添加することでCu割れを抑制する有効な元素であるため、Cuを添加する場合はNiを添加することが好ましい。しかし、1.0％を超えてNiを添加すると、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、Niは1.0％を上限として添加できるものとする。
【００２６】
Mo：1.0％以下
Moは、高強度化に有効な元素であるため必要に応じて添加することができるが、1.0％を超えてMoを添加すると、焼入れ性を高め、その結果としてマルテンサイトが生成するため、靭牲や延性が極端に低下する。そのため、Moを添加する場合には、その含有量の上限を1.0％とする。
【００２７】
Ca：0.015％以下
Caは、凝固時に鋼中のＯおよびＳと結合して粒状のオキシサルファイドを形成し、延性や靭性、さらには耐遅れ破壊特性を向上させる作用を有するので添加することができるが、Caを過剰に添加すると鋼の清浄性が劣化するので、Caを添加する場合の上限は0.015％とする。
鋼素材の成分組成において、以上説明した元素以外の残部はFeおよび不可避的不純物である。
【００２８】
以上の成分組成からなる鋼素材は、高炉、溶銑予備処理、転炉、RH脱ガス等の溶製法プロセスにて成分調整された溶鋼を、連続鋳造法により鋼片としたものが望ましくは用いられる。このようにして鋼片とされた鋼素材に対し、熱間圧延を施してレール形状に成形したのち、冷却を行ってレール製品となる。その際、熱間圧延に先立って前記鋼素材を1200℃以上1330℃以下に加熱することおよび、熱間圧延は、950℃以下の温度域での累積減面率を40％以上、かつ仕上げ温度をレールの頭部で800℃以上および足部で600℃以上とするとともに前記頭部と足部との温度差を200℃以内として行うこと、が肝要である。
【００２９】
［鋼素材加熱温度：1200℃以上1330℃以下］
熱間圧延において、オーステナイト粒を生成させ、かつオーステナイト粒が安定して再結晶を繰り返すためには、添加したNbの固溶を確実に行うことが有利である。そのためには、鋼素材を1200℃以上1330℃以下に加熱してから熱間圧延に供する必要がある。すなわち、加熱温度が1200℃未満では、Nbの固溶が不十分となり未再結晶温度域の上限温度を上昇させる程の固溶NbあるいはNbの微細析出物が得られないので、後述する未再結晶温度域での圧延が困難となり、オーステナイト粒を微細化できず、結果としてレールに十分な延性を付与することができない。一方、加熱温度が1330℃を超えると、素材の溶融が発生し、後述する熱間圧延が困難となる場合がある。したがって、鋼素材の加熱温度は1200℃以上1330℃以下とする。
【００３０】
熱間圧延条件
［950℃以下の温度域での累積減面率を40％以上］
未再結晶温度域で熱間圧延を行ってパーライト組織の微細化を安定して実現するには、950℃以下での累積減面率を40％以上とする。なぜなら、累積減面率が40％未満では、パーライト変態前のオーステナイト粒の微細化が不十分となり、結果としてレールの延性を向上することができない。
【００３１】
ここで、未再結晶温度域は、上述した成分組成であれば950℃以下であればよく、そのため、累積減面率を40％以上とする熱間圧延を950℃以下の温度域で行うものとする。
【００３２】
また、950℃以下の温度域での累積減面率は、熱間圧延において、950℃以下での圧延を開始直前の被圧延材のレール頭部に相当する部分の断面積をＡと熱間圧延終了の段階でのレール頭部の断面積をＢとしたとき、
（Ａ−Ｂ）／Ａ×100
に従って算出することができる。上記断面積ＡおよびＢは、熱間圧延におけるロール孔型形状と圧下隙パターンを設定することで調整できる。
【００３３】
［仕上げ温度：レールの頭部が800℃以上および足部が600℃以上、かつ頭部と足部との温度差が200℃以内］
上記のように、再結晶温度以下の温度域で熱間圧延を行う場合は、レール特有の形状に起因してレールの頭部に比べて足部が低温になり易く、圧延中に割れや傷が発生する、おそれがある。そこで、熱間圧延における仕上げ温度をレールの頭部で800℃以上および足部で600℃以上にする。すなわち、レールの頭部で800℃以上とするのは、初析フェライトや初析セメンタイトの発生を防止し、延性の低下を防止するためであり、足部で600℃以上にするのは、圧延中に足部に傷が発生することを防止するためである。
さらに、頭部と足部との温度差が200℃以内にする必要がある。なぜなら、頭部と足部との温度差が200℃を超えると、温度差にともなうレールの反り量が大きくなり圧延が困難となるためである。
【００３４】
ここで、仕上げ温度を上記に制御するには、例えばレール形状に圧延する際に、粗圧延までを950℃超にて圧延を行い、その後、被圧延材を仕上圧延機の前で待機させる、あるいは、強制冷却することで950℃以下にまで低下させ、その後に仕上圧延機で累積減面率が40％以上となる圧延を施すようにすることが好適である。なお、レールの頭部の断面積が大きく、粗圧延を行った後に950℃まで被圧延材の温度を低下させる際に空冷による冷却では長時間を要する場合には、強制冷却は冷却時間の短縮化のためにミスト冷却を行うことが好ましい。
【００３５】
上記した熱間圧延を経てレール形状に成形したのち冷却して製品となる。この熱間圧延工程までに実現したオーステナイト粒の微細化効果をレール製品におけるパーライト組織の微細化に確実に導くために、冷却条件を制御することが好ましい。すなわち、パーライト変態開始温度以上の温度域から２℃／ｓ以下の冷却速度で500℃以下の温度域まで行うことが好ましい。
まず、冷却開始温度をパーライト変態開始温度以上とすることが好ましいのは、パーライト組織を確実に得るためである。
次に、２℃／ｓ以下の冷却速度とするのは、レールの使用中に割れ起点となるベイナイトやマルテンサイトの生成を抑制するためである。
さらに、冷却停止温度を500℃以下の温度域とするのは、頭部全域にわたりパーライト組織を得るためである。
【００３６】
なお、パーライト変態開始温度以上の温度域から500℃以下の温度域までの冷却速度は0.3℃/ｓ以上とすることが好ましい。冷却速度が0.3℃/ｓ未満となると、パーライト変態後にセメンタイトの球状化が生じ、レールの頭部の硬さが低下するためである。
【実施例】
【００３７】
表１に示す成分組成を有する鋼素材に、表２に示す条件で熱間圧延および冷却を施して、パーライト鋼レールを製造した。なお、冷却はレールの頭部のみに行って、冷却停止後は放冷した。このパーライト鋼レールについて、組織および粒径を調査するとともに、機械的特性を評価した。その結果を表３に示す。
【００３８】
なお、表２中の仕上げ温度とは、最終圧延ミル入側のレール頭部および足部の側面表層の温度を放射温度計で測定した値を圧延仕上温度として示している。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を冷却停止温度として示している。冷却速度は、冷却開始から冷却停止までの間の温度変化を時間変化で除した値を冷却速度とした。表３中の組織は、光学顕微鏡にて調査した。
【００３９】
また、機械的特性としては、硬さ、降伏点（0.2％耐力）（ＹＰ）、引張強さ（ＴＳ）および全伸び（Ｅｌ）について、次のとおりに評価した。
（硬さ）
レール頭部の頭頂面を含む部分を切り出し、頭頂面の脱炭層を取り除くために0.3mm深さまでを研磨して除去し、研磨した面についてブリネル硬さを測定した。
【００４０】
（降伏点、引張強さおよび全伸び）
図１に示すように、レールの頭部１から、平行部径12.7mmφ、ゲージレングス50.8mmの引張試験片２を採取し、ASTM Ａ370に準拠して引張試験を行い起伏点（0.2％耐力）ＹＰ、引張強さＴＳおよび全伸びＥｌを測定した。
【００４１】
さらに、圧延後のレールについて、表面への疵の有無を目視で確認した。疵は、スケール疵の有無、および、足部３（図１参照）表面に存在する欠け落ち疵の有無で評価した。いずれも疵が認められなかった場合を○、それ以外を×として表３中に示した。
【００４２】
【表１】
2015209590.tif 000002
【００４３】
【表２】
2015209590.tif 000003
【００４４】
【表３】
2015209590.tif 000004
【００４５】
表３に示した結果から、成分組成あるいは製造条件が外れた比較例では、発明例に対してＹＰ、ＴＳ、Ｅｌおよび表面疵の発生状態のいずれかが劣っていることがわかる。
【符号の説明】
【００４６】
１  レールの頭部
２  引張試験片
３  足部
【図１】
2015209590.tif 000005