【事件の表示】
　特許第２９７０３３９号「耐転動疲労損傷性に優れたレール」の請求項１ないし３に係る特許に対する特許異議の申立てについて、次のとおり決定する。
【結　論】
　訂正を認める。
　特許第２９７０３３９号の請求項１ないし３に係る特許を維持する。
【理　由】
１．手続きの経緯
　本件特許第２９７０３３９号の手続きの経緯は次のとおりである。
　特許出願　　　平成　５年　９月２７日
　設定登録　　　平成１１年　８月２７日 　
　公報発行　　　平成１１年１１月　２日
　特許異議申立　平成１２年　５月　１日
　取消理由通知　平成１２年　９月１３日付
　訂正請求　　　平成１２年１２月　４日
　異議意見書　　平成１２年１２月　４日
　申立人上申書 　 平成１３年　２月１５日
　
２．訂正の適否
２−１．訂正の要旨
　訂正事項ａ
　　明細書中の特許請求の範囲【請求項１】乃至【請求項３】に係る「耐転動疲労損傷性に優れたレール。」を「耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レール。」と訂正する。
　訂正事項ｂ
［００１１］［００１２］及び［００１３］に係る「耐転動疲労損傷性に優れたレール。」を「耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レール。」と訂正する。
２−２．訂正の目的の適否、新規事項の有無及び拡張・変更の存否
　訂正事項ａは、訂正前の特許請求の範囲【請求項１】乃至【請求項３】の「耐転動疲労損傷性に優れたレール。」をより下位概念である「耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レール。」に限定するもので、レールが「非再加熱処理レール」であることは、明細書の［０００９］［００１０］［００２４］［００２６］の記載に基づくものである。
　この訂正は、特許請求の範囲の減縮を目的とするものに相当する。
　訂正事項ｂは、訂正事項ａの訂正に伴い、詳細な説明の記載をこれに整合させるための訂正であり、不明りょうな記載の釈明を目的とする訂正に相当する。
　そして、これら訂正事項は、実質的に特許請求の範囲を拡張又は変更するものではなく、また、特許明細書に記載した事項の範囲内においてなされるものである。
２−３．訂正の適否についての結論
　以上のとおりであるから、上記訂正請求は、特許法第１２０条の４第２項及び同条第３項で準用する第１２６条第２項乃至４項の規定に適合するので、当該訂正を認める。
３．特許異議の申立てについての判断
３−１．本件請求項１〜３に係る発明
【請求項１】重量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．３０〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．７０〜３．００％、Ｖ：０．００５〜０．０５％未満を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、頭部が均一ベイナイト組織であり、硬さが頭頂及び頭部コーナー部のいずれの位置においてもＨｖで２４０〜３９０の間であることを特徴とする耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レール。
【請求項２】重量％で、Ｎｂ：０．００５〜０．０１％未満、Ｔｉ：０．００１〜０．０１％未満の１種又は２種をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レール。
【請求項３】重量％で、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜２．０、Ｍｏ：０．００５〜０．０５％の１種又は２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レール。
３−２．異議申立ての理由及び取消し理由
　特許異議申立人は、甲第１〜２号証を提示して、甲各号証記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるから、本件請求項１〜３に係る発明の特許は、特許法第２９条第２項の規定に違反してなされたものであり、本件特許は取り消されるべきものであると主張する。
３−３．甲各号証に記載の事項
◎甲第１号証：特開平２−２８２４４８号公報　・摘示１：「しかしながら最近の旅客鉄道各社では、高速化を積極的に推進しているため、レールと車輪間の動的な荷重条件や、レールに加わる接線力が過酷になり、レール頭頂部や、車輪フランジとの接触が起きる頭部コーナー部に、種々のころがり疲労損傷が多発している。特に新幹線においては、列車が高速で走行しているため、従来からし一ル頭頂部に頭頂面シェリングと呼ばれる特異なころがり疲労損傷が発生し、防止策に苦慮している。また最近では、いままであまり頭頂面シェリングが発生しなかった在来線においても、列車速度の上昇等の影響により、頭頂面シェリングが多発する傾向にあり、早急に対策レールが必要になってきた。
頭頂面シェリングの発生原因のひとつとしては、車輪の走行、スリップによってレールのパーライト組織が、局部的にマルテンサイト組織に変態した、ホワイトフェーズの生成が確かめられている。ホワイトフェーズは非常に高硬度であるため、ホワイトフェーズ自身に割れが生じたり、パーライト組織との界面に割れが発生し、その割れが進展して頭頂面シェリングに発展する。
　このホワイトフェーズの生成は、炭素量が多いほど発生しやすく、また摩耗が少ないほど、摩耗による除去が起きにくいため、ホワイトフェーズが残留しやすい。従来の鋼レール（Ｃ：０．６５〜０．８５％，Ｓｉ：０．１５〜０．３５％，Ｍｎ：０．７〜１．０％を含有する成分率）は炭素量を多く含有するためホワイトフェーズが生成しやすく、また従来成分のレール頭頂部の摩耗量は、ホワイトフェーズが継続的に除去されるほど大きくはない、という欠点が存在した。」（第２頁左上段１６行目〜左下段８行目）
・摘示２：「このような問題に対処するため本発明者たちは、ホワイトフェーズの生成とその成長、残留を防止するため、炭素含有量が低く、摩耗しやすいレールを検討した。しかし、低炭素レールは車輪フランジとの接触により、レール頭部コーナー部の摩耗が非常に大きい上、この部分にきしみ割れ、フレーキング、スポーリングなどの別のころがり疲労損傷が発生しやすいという問題が生じた。そこで、炭素量が低く、レール頭部コーナー部のみを熱処理等によって高硬度化したレールは、レール頭頂部のころがり疲労損傷とし−ル頭部コーナー部の疲労損傷の両方を防止できることを明らかにした。」（第２頁左下段１３行目〜右下段５行目）
・摘示３：「重量％でＣ：０．１０〜０．５５％、Ｓｉ：０．２０〜１．２０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％の他にＣｒ：０．１０〜５．００％、Ｍｏ：０．０５〜３．００％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｖ：０．０５〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％の一種又は二種以上を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる鋼レールで、該レール頭頂部のビッカース硬度Ｈｖ２００〜３５０、頭部コーナ部のビッカース硬度がＨｖ２５０〜４１０であることを特徴とするころがり疲労損傷性に優れたレール」（特許請求の範囲請求項２）
・摘示４：第１表および第３表に、実施例としてのレール符号Ｂは、Ｃ：０．３３、Ｓｉ：０．３３、Ｍｎ：１．２０、Ｃｒ：１．２０、Ｎｂ：０．０１で、硬度頭頂部Ｈｖ２７０、コーナー部Ｈｖ３７０であることが示されている。
・摘示５：「この他、本発明において不可避的不純物成分としてのＰ、Ｓは本発明の目的を阻害する有害な成分で、極力低下せしめる必要がある。」（第３頁右下段１４〜１６行目）、Ｖ：０．０５〜０．２０（請求項２）、「Ｓｉはパーライトまたはベイナイト組織中のフェライトに固溶することによって強度を上昇させ耐摩耗性を向上させる」（第３頁左上段１１〜１２行目）及び「ＭｎはＣ同様パーライトおよびべ−ナイト変態温度を低下させ焼入性を高めることによって、高強度化に寄与する元素である。」（第３頁左上段１６〜１９行目）、Ｍｏ：０．０５〜３．００％（請求項２）と記載されている。
◎甲第２号証：ＨＥＡＶＹ　ＨＡＵＬ　ＲＡＩＬＷＡＹＳ　ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ，ＰＥＲＴＨ，ＷＥＳＴＥＲＮ　ＡＵＳＴＲＡＬＩＡ，１８ｔｈ　ｔｏ　２２ｎｄ　ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ，１９７８，Ｓｅｃｔｉｏｎ３０７，Ｐａｐｅｒｌ．３
　「レール鋼の接触疲労と耐摩耗挙動についての調査」と題する論文において、第７〜９頁に「３．異なる微細構造のレール鋼の耐摩耗挙動」として、第８頁のＴＡＢＬＥVIに示すＨｅａｔＮＯ．１〜７のパーライト鋼と、１１〜１３のベイナイト鋼における摩耗試験による摩耗量がＦｉｇ．１１に示されている。
（以下、甲第１、２号証を、各甲１，甲２という。）
３−４．判断
　本件請求項１乃至３に記載の各発明（以下、この各発明を本件各発明という。）は、レールの寿命を左右する頭頂及び頭部コーナー部に生じる転動疲労損傷に対する耐損傷性に優れたレールを提供するもので、レール表面に生成される白色層を摩耗により除去するために鋼を低炭素系とし、硬さを低下させると共に摩耗量を従来レールより多くするため頭部全体を均一ベイナイト組織とする一方、レール寿命も確保するためにその硬さを規定したものであり、上記均一ベイナイト組織とするためにＣｒを添加し、そして、白色層の生成量を減らし、内部硬度を維持するためにＶを所定量添加した、非再加熱処理のレールである。（本件特許公報段落０００２〜００１０、００１９、００３５〜００４０参照）
　本件各発明の具体的構成は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓの各含有量を規定し、さらに少なくとも所定量のＣｒとＶを含有する鋼であって、頭部が均一ベイナイト組織であり、頭頂及び頭部コーナー部のいずれの位置においても所定の硬度範囲である非再加熱処理レールである。
　本件各発明と甲１に記載の事項とを対比すると、甲１のレール頭部に起きる問題点（摘示１）の認識と、白色層の生成を抑え、且つこれを除去できるようにして、シェリング損傷防止と転動疲労損傷防止のために、低炭素化する考え方（摘示２前段）は両者共通している。
　しかしながら、頭頂及び頭部コーナー部からなるレール頭部全体に対する上記問題の解決手段として、甲１は、鋼レールの再加熱処理により頭部コーナー部の硬度を頭頂部よりも高くして解決した（摘示２後段）のに対し、本件各発明は、再加熱処理をすることなく頭部全体を特定の均一組織とすることにより達成したのである。
　ここで、両者レール鋼の成分組成について検討すると、本件各発明では、ＣｒとＶは必須成分であるのに対し、甲１で採用する鋼（摘示３）は、ＣｒとＶは高強度化、高延性化のための選択成分であり、その実施例（摘示４）をみてもＣｒとＶを共に含むものは示されていないから、甲１では必ずしもＣｒとＶは必須の成分として認識されているわけではない。
　そして、本件各発明の鋼は、甲１の規定よりも狭いＣｒ量と、甲１の規定量よりも少ないＶ量の成分組成からなるとしており、この所定のＣｒ量とＶ量の共存により、本件明細書の表３，表４及び図３，図４に示されるように、白色層の厚さ低減に有効であると同時にレール頭部から内部までの硬さ分布も高く維持できるのである。
　そして、このことは所定量のＣｒの存在下、少量のＶによって所期の効果が達成できるということであり、この両者の規定は技術的にみて有意な組み合わせであり、この点は甲１に示唆されていない。
　さらに、鋼の組織についてみても、甲１には、鋼中に添加される元素の添加理由を述べた箇所にＳｉはパーライトまたはベイナイト組織中のフェライトに固溶する、Ｍｎはパーライトおよびベイナイト変態温度を低下させる旨（摘示５）の記載があるのみで、レール頭部を均一組織にすることは示されておらず、まして、頭頂部だけでなく頭部コーナー部も含めた頭部全体を均一なベイナイト組織にすることの示唆は見いだせない。
　結局、本件各発明は、甲１の複数種の選択成分から、ＣｒとＶを取り出し、甲１より狭い範囲のＣｒ量と更に少量のＶ量にして、再加熱処理をすることなく頭部全体の組織を所定硬度の均一ベイナイトにした結果、適正な摩耗量を示し、白色層の生成を抑制し、そして、頭部が内部まで適度で均質な硬さを示すものが得られ、レールの耐転動疲労損傷性だけでなく、レールの使用寿命も確保できたのである。
　したがって、本件各発明の上記構成は、甲１の記載からは当業者といえども容易に想起することはできないものと認められる。
　次に、甲２には、ベイナイト鋼の摩耗量が同一硬度のパーライト鋼と比べて大きいことが示されており、この開示内容は、本件明細書の図１に類似するものであるが、適正な摩耗量比を示すための硬度と組織の関係を示すものではなく、本件のように頭部全体を均一ベイナイト組織とすることを示唆するものではない。また、上記本件各発明のＣｒ量と、甲１、甲２に示される鋼よりも更に少ない量のＶの両元素を含む成分組成の規定の示唆もなされていないから、甲１に甲２の記載を併せ考えてみても、上記本件各発明の構成の組み合わせを容易に想起できるものではない。
　
４．むすび
　以上のとおりであるから、特許異議申し立ての理由によっては、本件請求項１〜３に係る発明の特許を取り消すことはできない。
　また、他に本件上記請求項に係る発明の特許を取り消すべき理由を発見しない。
　よって、結論のとおり決定する。
【異議決定日】
平成１３年５月２日（２００１．５．２）
【訂正の要旨】
　（３）訂正事項
　▲１▼訂正事項ａ
　請求の範囲の請求項１乃至３に係る記載
　「耐転動疲労損傷性に優れたレール。」
を「耐転動疲労損傷性に優れた
非再加熱処理レール
と訂正する。
　▲２▼訂正事項ｂ
　［００１１］、［００１２］及び［００１３］に係る記載
　「耐転動疲労損傷性に優れたレール。」
を「耐転動疲労損傷性に優れた
非再加熱処理レール
と訂正する。
（５４）【発明の名称】
耐転動疲労損傷性に優れたレール
（５７）【特許請求の範囲】
　【請求項１】　重量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．３０〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．７０〜３．００％、Ｖ：０．００５〜０．０５％未満を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、頭部が均一ベイナイト組織であり、硬さが頭頂及び頭部コーナー部のいずれの位置においてもＨｖで２４０〜３９０の間であることを特徴とする耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レール。
　【請求項２】　重量％で、Ｎｂ：０．００５〜０．０１％未満、Ｔｉ：０．００１〜０．０１％未満の１種又は２種をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レール。
　【請求項３】　重量％で、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜２．０、Ｍｏ：０．００５〜０．０５％の１種又は２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レール。
【発明の詳細な説明】
　【０００１】
　【産業上の利用分野】
　本発明は、鉄道においてレールの寿命を左右する頭頂並びに頭部コーナー部に生じる転動疲労損傷に対する耐損傷性に優れたレールに関する。
　【０００２】
　【従来の技術】
　鉄道輸送は他の輸送機関と比較して輸送効率が高く、年々高速化、ダイヤの過密化が指向されており、レールに対する負荷が年々過酷になっている。このため、直線部においてはレール頭頂面の、曲線部においては頭部コーナー部の転動疲労損傷が増加している。
　【０００３】
　従って、レールに求められる特性もより高性能化しつつあり、これまで以上に転動疲労特性に対する耐損傷性に優れるレールが求められている。このようなレールとしては、例えば特公昭５５−２３８８号公報に開示されているような頭部を高温に再加熱して所定の温度域から冷却し、７００〜６５０℃の温度域を１０．５〜１５℃／秒の速度で冷却することにより得られる熱処理レールが知られている。このような熱処理レールは特に頭部の硬度が高いことから軸重の高い鉄道に使用され優れた特性を示している。
　【０００４】
　また特開平２−２８２４４８号公報には、Ｃ量を従来レールよりも幾分か低くして、さらに頭頂部と頭部コーナー部に硬度差を付け、耐ころがり疲労損傷性を良好にしたレールが開示されている。
　【０００５】
　【発明が解決しようとする課題】
　ところで、最近高速化の進んでいる在来線において、これまで新幹線に敷設したレールにしか認められなかったレール頭頂面シェリングが発生するようになり、この対応に苦慮している。
　【０００６】
　頭頂面シェリングの発生原因については、全てが解明されているわけではないが、その原因の一つとして、車輪の走行、スリップ時のレール表面の急速加熱・急速冷却によりレールの表面に白色層と称されるマルテンサイト層の生成が報告されている。この場合、白色層は非常に硬いことからマトリクスとの境界に割れが発生し、進展することによりシェリング損傷に至るとされている。
　【０００７】
　白色層の硬さは一般にＣ量によって決まり、Ｃ量が多いほど白色層の硬さが高くなる。従来のレールは、特公昭５５−２３８８号公報に開示されたものを含め、Ｃ量が０．６５〜０．８５％と多いことから白色層が生成した場合、硬さが高くなる点が弱点となっている。また、従来のレールはミクロ組織がパーライト組織となっており、軟らかいフェライト層と硬いセメンタイト層がラメラー状となっていることから摩耗し難く、一度生成した白色層が、列車の通過時の車輪とレールの接触に伴う摩耗によっても除去されず、損傷の起点となりやすい点も欠点となっている。
　【０００８】
　本発明者たちは、この問題に対処するため白色層の硬さが低く、また白色層が生成しても列車通過時の車輪とレールの接触による摩耗によって除去されるようなレールを検討した。白色層すなわちマルテンサイトの硬さはＣ量によって一義的に決まることからこの硬さを低くするためにはＣ量を低くすることが有効である。
　【０００９】
　しかし、Ｃ量を低くしただけのレールでは、強度が低くなりレール表面に大きな塑性フローが生じ、これがきしみ割れ等の別種の損傷となるという問題が生じた。これに対しては、例えば前述の特開平２−２８２４４８で開示されているようにＣ量の低いレールで頭部コーナー部のみを熱処理等で高硬度とするレールが開発されている。けれども実際の鉄道における列車の走行においては、車輪とレールの接触は一様ではなく、高硬度化した頭部コーナー近傍部が車輪と接触することがあり、この場合には頭頂部に接触が生じず、摩耗量を増やすことにより白色層の除去を行うという当初の目的が達成されないため白色層は除去され難く、耐転動疲労損傷性が必ずしも良好とはいえないという欠点があった。本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、耐転動疲労損傷性に優れたレールを提供することを目的とする。
　【００１０】
　【課題を解決するための手段及び作用】
　本願発明者らは、上記のような従来技術の欠点を考慮した結果、複雑な熱処理を行うことなく頭頂部及び頭部コーナー部が共に塑性フローによる損傷が生じない程度の均一な硬さを有し、疲労強度及び硬さが従来レールと同等であり、さらに頭部のミクロ組織を全面ベイナイト組織とすることで従来レールよりも１．３〜３．０倍摩耗量を多くすることによって、白色層の除去が可能となり、転動疲労損傷に対する耐損傷性に優れることを見出した。さらに微量合金元素を加えることにより摩耗量は全面ベイナトイ組織の場合と同等で、かつ白色層の生成を抑制し、頭部が内部まで同一硬さを示すことから使用寿命が著しく延びることも明らかにした。
　【００１１】
　本発明は以上の知見に基づいてなされたものであり、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．３０〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．７０〜３．００％、Ｖ：０．００５〜０．０５％未満を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、頭部が均一ベイナイト組織であり、硬さが頭頂及び頭部コーナー部のいずれかの位置においてもＨｖで２４０〜３９０の間であることを特徴とする耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レールを提供する。
　【００１２】
　また、重量％で、Ｎｂ：０．００５〜０．０１％未満、Ｔｉ：０．００１〜０．０１％未満の１種又は２種をさらに含有することを特徴とする耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レールを提供する。
　【００１３】
　さらに、上記基本組成に、又は上記元素をさらに含有した組成に、さらにＣｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜２．０、Ｍｏ：０．００５〜０．０５％の１種又は２種以上を含有させたことを特徴とする耐転動疲労損傷性に優れた非再加熱処理レールを提供する。
　【００１４】
　以下、本発明について詳細に説明する。まず、化学成分の限定理由について説明する。なお、以下の説明において、％表示は全て重量％を表わす。
　【００１５】
Ｃ：０．１５〜０．４５％Ｃは白色層の硬さとレールそのものの強度に重要な影響を与える元素であり、その含有量が０．４５％を超えるとレール頭頂部における白色層の硬さが著しく硬くなり、母材の硬度差が高くなりすぎることからシェリング損傷の起点となる。一方、０．１５％未満では母材の強度が低くなり、塑性フローが著しく、これを起点とする損傷が発生する。従って、Ｃ量を０．１５〜０．４５％に規定する。
　【００１６】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％Ｓｉは、脱酸剤として有効なだけでなく、マトリクスに固溶して強度を上昇させる元素であるが、その含有量が０．０５％未満ではその効果が認められない。また１．０％を超えるとマトリクスが脆化し、また硬いＳｉＯ２がマトリクス中に分散してこれがシェリングの起点となる。従って、Ｓｉ量を０．０５〜１．０％に規定する。
　【００１７】
Ｍｎ：０．３０〜２．５％Ｍｎはマトリクスに固溶して焼入性を高め高強度化する元素であるが、０．３０％未満ではその効果が認められず、２．５％を超えると偏析部にマルテンサイトを生成しやすくなり、損傷の起点となる。従って、Ｍｎ量を０．３０〜２．５％に規定する。
　【００１８】
Ｐ：０．０３％以下Ｐは靭性を劣化させることから、０．０３％以下に規定する。Ｓ：０．０３％以下Ｓは主に介在物の形態で鋼中に存在するが、０．０３％を超えるとこの介在物量が著しく増加し、マトリクスを脆化せしめることから、０．０３％以下に規定する。
　【００１９】
Ｃｒ：０．７０〜３．００％Ｃｒはベイナイト焼入性を増加する元素であり、本発明鋼のようにミクロ組織をベイナイト組織として高強度化を図るために非常に重要な元素であるが、０．７０％未満ではベイナイト焼入性が低く、ミクロ組織が均一なベイナイト組織とならない。一方、３．００％を超えるとマルチンサイトが生成しやすくなり損傷の起点となる。従って、Ｃｒ量を０．７０〜３．００％に規定する。
　【００２０】
Ｖ：０．００５〜０．０５％未満Ｖはマトリクス中のＣと結び付いて圧延後に析出することから、頭部の内部まで析出強化により硬度を高くし、レールの寿命を延ばすために有効なだけでなく、車輪の走行、スリップ時における頭部表面の急速加熱時にＣと析出物を形成しておりこれが分解しないことから、結果として急速加熱された部分の固溶Ｃ量を低減させ、白色層の硬さを低くしてシェリング損傷を抑制するのに非常に有効である。ただし、その量が０．００５％未満ではその効果を有効に発揮することができない。また、０．０５％以上添加してもその効果は飽和してしまう。従って、Ｖ量を０．００５〜０．０５％未満に規定する。
　【００２１】
Ｎｂ：０．００５〜０．０１％未満Ｔｉ：０．００１〜０．０１％未満Ｎｂ，ＴｉはＶと同様にマトリクス中のＣと結びついて圧延後に析出することから、頭部の内部まで析出強化により硬度を高くし、レールの寿命を延ばすために有効なだけでなく、車輪の走行、スリップ時における頭部表面の急速加熱時にＣと析出物を形成しており、これが分解しないことから結果として急速加熱された部分の固溶Ｃ量の低減に有効であり、白色層の硬さを低くしてシェリング損傷の抑制に非常に有効である。その効果はＶと複合添加とすることで著しいが、Ｎｂで０．００５％未満、Ｔｉで０．００１％未満の添加では有効でない。また、Ｎｂで０．０１％、Ｔｉで０．０１％以上添加してもその効果は飽和してしまうだけでなく、析出物が粗大化しやすく別の損傷原因となる可能性が生じる。従って、Ｎｂ，Ｔｉを含有させる場合には、その量はＮｂ：０．００５〜０．０１％未満、Ｔｉ：０．００１〜０．０１％未満に規定され、これらの１種又は２種が添加される。
　【００２２】
Ｃｕ：０．０５〜２．０％Ｎｉ：０．０５〜２．０％Ｍｏ：０．００５〜０．０５％Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏは、いずれもマトリクスに固溶してベイナイト焼入性を向上せしめ、高強度化するのに有効な元素であるが、上記範囲未満ではその効果が認められず、またその範囲を超えるとマルテンサイトが生成しやすくなりシェリング損傷の起点となる。従って、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏを含有させる場合には、その量はＣｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｏ：０．００５〜０．０５％に規定され、これらの１種又は２種以上が添加される。
　【００２３】
　次に、本発明のレールのミクロ組織について説明する。本発明ではレール頭部を均一ベイナイト組織とする。ベイナイト組織は従来レールのパーライト組織と比較して転位密度を増やして高強度化していることからＣ量をパーライト鋼よりも低くすることが可能である。また、パーライト組織では硬い炭化物（セメンタイト）が層状に配向していることから摩耗し難いのに対し、ベイナイト組織は炭化物がマトリクス中に微細な炭化物として分散しているため、マトリクスの摩耗時に同時に除去されることからパーライト組織と比較して摩耗しやすいという特徴を有している。
　【００２４】
　転動疲労損傷は、レール表面近傍において疲労層が蓄積して発生する場合、もしくは白色層と母材の境界から亀裂が生じてこれが進展して発生する場合が考えられるが、いずれの場合においても蓄積した疲労層もしくは生じた白色層を、列車が通過する時のレールと車輪の接触により摩耗させて除去することにより損傷発生を抑制することが可能である。従って、上述したようにレール頭部を所定の硬さを有する均一ベイナイト組織にして摩耗しやすくすれば、転動疲労損傷性に優れたものとなるのである。このように白色層を摩耗により有効に除去するためには、普通レール（ＪＩＳによる、以下同じ）と比較して摩耗量が多いことが必要であるが、著しく摩耗量が多いとレール頭部の減肉が著しくなり、必要な寿命が確保できない。実際には、摩耗量が普通レールの１．３〜３．０倍であれば、必要な寿命を確保しつつ、転動疲労損傷性に優れたものとなる。本発明の成分組成の鋼で製造され、以下に示す範囲の硬さを有するベイナイト組織であれば、摩耗量が普通レールの１．３〜３．０倍の範囲であり、減肉による寿命も問題ない。なお、このようなベイナイト組織は、圧延後、レール素材を空冷又は加速冷却することにより得ることができる。
　【００２５】
　なお、レールの摩耗量については実際に敷設した場合の摩耗量で評価することが最も望ましいが、実敷設レールの接触条件をシミュレートした西原式摩耗試験機を用いた比較試験により評価した値も有効である。
　【００２６】
　硬さについては、頭頂部・頭部コーナー部いずれの位置においてもＨｖで２４０〜３９０の硬さ有することが必要である。ベイナイト組織で、かっこの範囲の硬さを有していれば、普通レールよりも磨耗量が多く、転動疲労損傷性が良好である。この場合に、ベイナイト組織で頭頂部、頭部コーナー部を実質的に均一硬さとすることは、複雑な熱処理が不要であるためコスト的に望ましい。
　【００２７】
　また、頭部コーナー部はＨｖで２４０〜３９０あれば塑性フローは従来レールと同等であり、塑性フローを起点とする損傷は発生しない。Ｈｖで３９０を超えると摩耗量が低下するため不都合が生じること、ベイナイト組織でＨｖ３９０以上とするには合金添加量を増加する必要があるため、コスト的に有効でないことから３９０以下に規定する。
　【００２８】
　次に、実験例に基づいて、上述した本発明における各要件の限定理由の根拠について説明する。図１は摩耗減量比に及ぼすマトリクス組織、硬さの影響を調査した結果である。供試鋼は表１に成分範囲を示すように、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉを種々変化させた成分で、いずれも熱間圧延により１６ｍｍの鋼板とし、一部の鋼板はエアー冷却を行っている。これらの鋼板から外径３０ｍｍ、幅８ｍｍの西原式摩耗試験片を採取し、在来線のレールと車輪の接触をシミュレートした接触荷重１３５ｋｇ、すべり率−１０％、無潤滑条件で摩耗試験を行い、１０万回転後の摩耗減量を測定した。評価においては、普通レールの摩耗量を測定し、普通レールに対する供試鋼の摩耗減量比を求めて、この値を用いている。なお、図１の組織の欄において、Ｐはパーライトを示し、Ｂはベイナイトを示す。
　【００２９】
　【表１】
　【００３０】
　図１から理解できるように、マトリクス硬さの増加に伴い摩耗減量が減少している。普通レールはＨｖ２４０以上の硬さを有しており、この硬さでレール頭部コーナー部のきしみ割れが重大な問題となっていないこと、きしみ割れはレールコーナー部の塑性変形によるものであり、コーナー部の強度（硬さ）のみで規定されるものであることから、硬さの下限値はＨｖ２４０以上であれば問題ないことが理解できる。また、同一マトリクス硬さにおいてはパーライト組織よりもベイナイト組織の方が摩耗減量が大きい。このことから、普通レールよりも摩耗減量を多くして耐損傷性に優れるようにするためには、頭部をベイナイト組織とする必要があることが理解できる。
　【００３１】
　これまでの各種検討から、摩耗による疲労層の除去には摩耗減量比が１．３倍以上あることが必要であると考えられている。さらにレールの計画寿命の観点からは、摩耗減量が普通レールの３．０倍を超えると計画寿命に達する前にレール頭部の摩耗による減肉が著しくなり使用不可能となることから、摩耗減量比の上限は３．０倍となる。現在使用されているパーライト組織を有する普通レールの硬さはＨｖ２４０〜２６０程度であるが、これよりも摩耗減量比が１．３〜３．０倍の値を示すベイナイト組織の硬さはＨｖ２４０〜３９０であることが図１から理解できる。従って、本発明の目的とするベイナイト組織の硬さがＨｖ２４０〜３９０であれば、摩耗による疲労層の除去、レール頭部の減肉による寿命、レール頭部コーナー部のきしみ割れのいずれの観点からも満足できるレールとなることがこの図から示される。
　【００３２】
　図２はレール頭頂部表面に生成する白色層の硬さ、厚さに及ぼすマトリクスのＣ量の影響を示したものである。供試鋼は表２に成分範囲を示すようにＣ量を変化させた成分で、熱間圧延により１６ｍｍの鋼板とした。これらの鋼板から直径３ｍｍの円柱試験片を採取し、西原式転動疲労試験機のレールサンプルを取り付ける側にこの円柱試験片をセットし、車輪試験片と瞬間的に接触させて、強制滑りによる急速加熱、急速冷却の実レールにおけるすべりによる白色層生成をシミュレートして生成した白色層の硬さ、厚さを評価した。
　【００３３】
　【表２】
　【００３４】
　図２から理解できるように、白色層の厚さはＣ量の減少により薄くなる。これはＣ量の低下に伴い白色層生成における臨界冷却速度が高冷速側にシフトするために冷却速度の遅い内部では白色層が形成されないためであると考えられる。白色層の硬さはＣ量に大きく依存し、Ｃ量の減少に伴い硬度が低下している。白色層とマトリクスとに硬度差が有りすぎると摩耗による白色層の除去の抵抗となることから、白色層の硬さはマトリクス硬さの１．７５倍以内であることが必要と考えられる。図１に示したように摩耗減量比の観点からマトリクス硬さの上限をＨｖ３９０としていることから、白色層硬さはＨｖ６８０以下とすることが必要である。従って、Ｃ量の上限は０．４５％となる。
　【００３５】
　図３はレール頭頂部表面に生成する白色層の厚さに及ぼす微量添加物の影響を示したものである。供試鋼は表３に成分範囲を示すように０．４％ＣをベースにＶ，Ｎｂ，Ｔｉを変化させた成分で、熱間圧延により１６ｍｍの鋼板とした。これらの鋼板から図２の場合と同様、直径３ｍｍの円柱試験片を採取し、西原式転動疲労試験機のレールサンプルを取り付ける側にこの円柱試験片をセットし、車輪試験片と瞬間的に接触させて、強制滑りによる急速加熱、急速冷却の実レールにおけるすべりによる白色層生成をシミュレートして生成した白色層の厚さを評価した。
　【００３６】
　【表３】
　【００３７】
　図３から、Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉを添加することにより白色層厚さが減少することが理解される。Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉは炭化物を形成し、急速加熱ではこの炭化物が分解しないため、結果として固溶Ｃ量が減少して白色層生成における臨界冷却速度が高冷速側にシフトし、冷却速度の遅い内部で白色層が生成しなくなることから白色層厚さが減少するのである。図３に示すように、この効果はＶが著しく大きく、Ｎｂ，Ｔｉは炭化物生成能は高いが、単独添加ではそれほど大きくはない。そして、その効果は、Ｖで０．０５％以上、Ｎｂ，Ｔｉで０．０１％以上で飽和していることが確認される。また図３中に黒塗りのマークで示すようにＶ添加系をベースにＮｂ，Ｔｉを添加した場合、Ｖを単独で添加した場合よりも白色の厚さが低下していることが理解できる。そして、この場合には白色層の硬さも低下している。従って、Ｎｂ，Ｔｉは単独では効果小さいが、Ｖとの複合添加により上記効果が増大することから、Ｖとの複合添加が望ましいことが理解される。
　【００３８】
　図４はレール頭部の表面から内部３０ｍｍ位置までの硬さ分布に及ぼすマトリクスの成分の影響を示したものである。供試鋼は表４に成分範囲を示すようにＣｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉを変化させた成分で、熱間圧延によりレール頭部の形状にシミュレート圧延した後、頭部中央の表面から内部３０ｍｍ位置までビッカース硬さを測定した。
　【００３９】
　【表４】
　【００４０】
　図４から理解できるように内部硬さの低下は、析出硬化元素であるＶ，Ｎｂ，Ｔｉの添加により小さくなる。また、ベイナイト焼入性を増加するＣｕ，Ｎｉ，Ｍｏの複合添加によっても小さくなることが理解できる。但し、Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉの多量添加を行ってもレール内部の硬さ低下の抑制が飽和することから、Ｖでは０．０５％以上、Ｎｂ，Ｔｉの０．０１％以上の添加は必要ない。一方Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏの多量の添加は表層にマルテンサイト層を形成することから望ましくない。
　【００４１】
　【実施例】
　以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
（実施例１）表５の組成、ミクロ組織、硬さを有する供試鋼について摩耗試験を行った。摩耗試験は、外径３０ｍｍ、幅８ｍｍの試験片を供試鋼より採取し、鉄道車輪材から同一寸法のタイヤ試験片を採取し、これらを西原式摩耗試験機を用いて、在来線における接触状況として報告されている接触荷重１３５ｋｇ、すべり率−１０％、潤滑剤無しの条件で接触させることで行った。そして、その際の摩耗減量と比較として行った普通レール材の摩耗減量との比をとり、その摩耗減量比によって摩耗性を評価した。その結果を表５に併記する。また、供試鋼製造の際の加速冷却の有無も表５に併記した。
　【００４２】
　【表５】
　【００４３】
　表５に示すように、本発明よりもＣ量が高く、パーライト組織を示しているＥ−４，７，９については、Ｅ−４，９が硬さがＨｖで２５０，３５０と本発明の範囲内を満たすが、摩耗減量比が１．００，０．９５と低く、Ｅ−７は摩耗減量比が１．４０と良好であるが硬さがＨｖで２００と本発明の下限値未満であるため実用に共し得ない。
　【００４４】
　Ｅ−１，２，３，５，６，８はベイナイト組織を呈しているが、Ｅ−２はＣｒが０．６５％と本発明の範囲未満であることから、硬さがＨｖで２３０と低く、摩耗減量比が３．５８と多すぎる結果となっている。Ｅ−６はＭｎが３．０５％と本発明の範囲を超えており、硬さがＨｖで４２０と高く、摩耗減量比も１．２０と十分な摩耗性とはいえない。
　【００４５】
　べーナイト組織を有するもので、全ての成分が本発明の範囲内であるＥ−１，３，５，８は、硬さも本発明の範囲内であり、摩耗減量も適正な値となっていることが確認された。
　【００４６】
（実施例２）表６の組成、ミクロ組織、硬さを有する供試鋼について、実施例１と同様に摩耗試験を行った。その際の摩耗減量比も表６に併記した。また、供試鋼製造の際の加速冷却の有無も表６に併記した。なお、供試鋼は全てベイナイト組織を呈していた。
　【００４７】
　【表６】
　【００４８】
　表６に示すように、Ｍｎ，Ｃｒの含有量が本発明の範囲よりも低いＦ−１，４，７は硬さが低く、摩耗減量比が３．０以上の高い値を示す。また、Ｍｎ，Ｃｒの含有量が本発明の範囲よりも高いＦ−３，６，９は硬さが著しく高く、摩耗減量比が１．３未満となっている。これに対し、Ｍｎ，Ｃｒの含有量が本発明の範囲を満たすＦ−２，５，８については硬さが本発明の範囲内であり、摩耗減量比が適正な範囲であることが確認された。
　【００４９】
（実施例３）表７の組成、ミクロ組織、硬さを有する供試鋼について、実施例１と同様に摩耗試験を行った。その際の摩耗減量比も表７に併記した。また、供試鋼製造の際の加速冷却の有無も表７に併記した。供試鋼のミクロ組織は、Ｈｖが３９０を超えているものについては、一部ベイナイトとマルテンサイトの混合組織となった。なお、表７のミクロ組織の欄において、Ｍ＋Ｂはマルテンサイトとベイナイトとの混合組織を示す。
　【００５０】
　【表７】
　【００５１】
　表７に示すように、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏの１種または２種以上の添加量が本発明の範囲を満たしているＧ−１，３，５，７，９，１１，１３は硬さがＨｖで２７１〜３３５と本発明の範囲内であり、摩耗減量比が１．４３〜２．８４と適正な範囲となっていた。しかし、合金元素のうちＣｕ添加量が本発明の範囲を超えているＧ−２、Ｎｉ添加量が本発明の範囲を超えているＧ−４，８，１２，１４、Ｍｏ添加量が本発明の範囲を超えているＧ−６，１０、Ｎｉ，Ｍｏの二種の添加量が本発明の範囲を超えているＧ−１４は、いずれもＨｖ３９０以上の硬さを示し、摩耗減量比が１．３以下と小さくなっていることが確認された。
　【００５２】
（実施例４）表８の組成、ミクロ組織、硬さを有する供試鋼について、実施例１と同様に摩耗試験を行った。その際の摩耗減量比も表８に併記した。この実施例では、摩耗減量比に加え、白色層の厚さも測定した。白色層厚さは、供試鋼から直径３ｍｍの円柱試験片を採取し、西原式転動疲労試験機のレールサンプルを取り付ける側にこの円柱試験片をセットし、車輪試験片と瞬間的に接触させることにより、強制滑りを発生させて試験片を急速加熱、急速冷却し、実レールにおけるすべりによる白色層生成をシミュレートした試験を行い、生成した白色層の厚さを測定している。その結果も表８に併記した。また、供試鋼製造の際の加速冷却の有無も表８に示した。なお、供試鋼の成分はＨ−１とＨ−２、Ｈ−３とＨ−４、Ｈ−５とＨ−６、Ｈ−７とＨ−８、Ｈ−９とＨ−１０の間ではＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒがほぼ同一添加量となるように調整し、Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉをそれぞれ本発明の範囲内及び範囲超えの添加量となるようにしている。
　【００５３】
　【表８】
　【００５４】
　表８から明らかなように、いずれも組織がベイナイトであり、硬さが本発明の範囲内であって、摩耗減量比も適正値となっている。しかし、白色層の厚さは、Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉを本発明の範囲を超えて添加してもほとんど変化していないことから、本発明の範囲を超える添加はコストの増加を招くのみで有効性が認められないことが確認された。
　【００５５】
（実施例５）ここでは、表９の組成を有する鋼を実際にレール形状に圧延し、圧延後空冷もしくは加速冷却を行っている。そして、これら供試鋼の表面硬さを各圧延材の頭頂面でＨｖ１０ｋｇで測定した。また、頭頂面から３０ｍｍ深さの位置で内部硬さをＨｖ１０ｋｇで測定した。摩耗減量比は、圧延材頭部（但し、マルチンサイトとベイナイトの混合組織となっている供試材についてはベイナイト単層部）から実施例１に示した摩耗試験用サンプルを採取し、実施例１と同様の試験法により評価した。これらの値も表１０に示す。なお、供試鋼製造の際の加速冷却の有無については、表９に併記した。また、表１０に表層組織を示すが、その欄におけるＭ＋Ｂはマルテンサイト＋ベイナイトを示す。
　【００５６】
　【表９】
　【００５７】
　【表１０】
　【００５８】
　供試鋼Ｉ−１、２はＣ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｃｒ含有量をほぼ同じにしてＶの影響を比較したものであるが、Ｖ含有量が本発明の範囲内であるＩ−２は内部硬さの低下が少ないのに対し、Ｖ含有量が０．００２％と低いＩ−１は内部硬さが著しく低下している。
　【００５９】
　Ｉ−３，４はＶの含有量の高い領域において比較したものであるが、Ｉ−４はＶ含有量が本発明の範囲を超える０．１０５％添加されているにもかかわらず、内部硬度はＩ−３と同等であることから、多量のＶ添加は有効でないことが確認された。
　【００６０】
　Ｉ−５とＩ−６、Ｉ−７とＩ−８、Ｉ−９とＩ−１０は、それぞれＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ含有量をほぼ同じとして、Ｎｂ，Ｔｉの単独もしくは複合添加の影響を比較している。Ｎｂ，Ｔｉを本発明の範囲を超えて添加したＩ−６，８，１０はいずれも内部硬さの低下の程度が本発明の範囲の鋼であるＩ−５，７，９と同等であり、Ｎｂ，Ｔｉの多量に添加してもその効果が飽和していることが確認された。
　【００６１】
　Ｉ−１１とＩ−１２、Ｉ−１３とＩ−１４、Ｉ−１５とＩ−１６、Ｉ−１７とＩ−１８、Ｉ−１９とＩ−２０、Ｉ−２１とＩ−２２、Ｉ−２３とＩ−２４は、それぞれＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ含有量を同程度としてＣｕ，Ｎｉ，Ｍｏの単独もしくは複合添加の影響を比較している。Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏを本発明の範囲を超えて添加したＩ−１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４は、内部硬さの低下は本発明鋼であるＩ−１１，１３，１５，１７，１９，２１，２３とほぼ同等であり有効性がなく、表層に損傷の起点となるマルテンサイトが生成したマルチンサイトとベイナイトの混合組織となってしまうことが確認された。
　【００６２】
　Ｉ−２５，２６はＭｎの影響を比較したものであるが、Ｍｎ含有量が本発明の範囲内のＩ−２５は表層硬さがＨｖ３７９と請求範囲を満たしており、内部硬さの低下が少なく、摩耗減量比も１．３７と適正な値を示すのに対し、Ｉ−２６はＭｎが高いために表層にマルテンサイトが生成し、表層が著しく硬化する。
　【００６３】
　Ｉ−２７，２８はＣの影響について比較したもであるが、Ｃ量が本発明の範囲内であるＩ−２７は表層組織、表面硬度が本発明の範囲内であり、摩耗減量比も適正な値であるのに対し、Ｉ−２８はＣ量が高いことから表層にマルチンサイトが生成し、表層硬さが著しく高くなっている。
　【００６４】
　Ｉ−２９，３０は本発明における合金元素を全て含有した場合のＮｂ，Ｔｉの影響を比較している。Ｎｂ，Ｔｉを本発明に規定する量以上に添加しても内部硬さは本発明鋼と変わらず、多量の添加では効果が飽和する。
　【００６５】
　【発明の効果】
　以上説明したように、本発明によれば、頭部を特定組成の均一ベイナイト組織とし、硬さを頭頂部・頭部コーナー部のいずれの位置においてもＨｖで２４０〜３９０のとすることにより、摩耗量を普通レールよりも増大させたので、耐転動疲労特性に優れたレールが提供される。
【図面の簡単な説明】
　【図１】　摩耗減量比に及ぼすマトリクス組織、硬さの影響を示す図。
　【図２】　白色層の硬さ、厚さに及ぼすＣ量の影響を示す図。
　【図３】　白色層の厚さに及ぼす微量添加物の影響を示す図。
　【図４】　レール頭頂面から内部までの硬さ分布に及ぼす成分の影響を示す図。