(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
亜鉛部（２１）とアルミニウム部（２２）とが４０：６０〜５０：５０の体積比で非層状態に堆積する溶射皮膜（２）を、低温アーク溶射によって、底部（４）の下面（４Ｂ）から腹部（６）にわたる表面に被覆形成し、上記溶射皮膜（２）の平均膜厚寸法（Ｔ）を、２００μｍ≦Ｔ≦５００μｍに設定し、
上記底部（４）を締結部材（３）（３）によって枕木（Ｍ）に固着した使用状態下で、上記締結部材（３）（３）の押圧部（３０）（３０）が弾発付勢力（Ｆ）をもって接触する上記底部（４）の上面（４Ａ）に於て、上記溶射皮膜（２）の膜厚寸法（Ｔ２）を、上記平均膜厚寸法（Ｔ）よりも局部的に厚く形成して、締結用の被押圧部（２０）（２０）を設けたことを特徴とする鉄道用レール。
【請求項２】
上記溶射皮膜（２）は、１００ｇ／ｍ２〜２４０ｇ／ｍ２の無機質系封孔剤にて封孔処理されている請求項１記載の鉄道用レール。
【請求項３】
上記溶射皮膜（２）は、母材レール鋼（１）の表面をブラスト処理によって粗面形成して平均表面粗さ（ＲＺ）を５０μｍ以上とした被溶射面部（１５）上に形成されている請求項１又は２記載の鉄道用レール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道用レールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道用のレール鋼に金属を溶射し、トンネルや踏切、海岸沿いの地域等の腐食環境下でも腐食しにくい防食レールが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−６２５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の防食レールは、亜鉛−アルミニウム合金から成る線材を、ガス炎で溶融し、さらに溶融した合金に圧縮空気流を当てて細粒化し、溶融状態の液滴を加速して被溶射面に衝突堆積させて皮膜を形成する溶線式フレーム溶射にて防錆処理を行っていた。亜鉛−アルミニウム合金は、アルミニウムの含有量を体積比で１５％程度とするのが限度であり、従来の防食レールは、その亜鉛−アルミニウム合金の線材を溶射材料として用いるため、アルミニウムの含有率が低く、溶射皮膜の耐蝕性が十分でなかった。また、溶射皮膜が粗雑となって、水や酸素の透過を防止することができなかった。さらに、溶線式フレーム溶射は、ガス炎による溶融の熱量が高く、吹き付ける溶射材料の温度が非常に高温となるため、被溶射面が歪みを発生し、溶射皮膜が剥離して傷や割れ目を生じ易くなっていた。海底トンネルや地下トンネル等の腐食環境下で、鉄道用レールに傷や割れ目等から水分等が浸透すると発錆や腐食が発生し、レール寿命が短くなるという欠点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、海底トンネルや海岸沿い、又は、連接軌道踏切等に敷設する鉄道用レール及び締結部材の耐腐食性を改善し、また、レールに確実に耐腐食性を付与できる防錆処理方法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】
【０００６】
本発明に係る鉄道用レールは、亜鉛部とアルミニウム部とが４０：６０〜５０：５０の体積比で非層状態に堆積する溶射皮膜を、低温アーク溶射によって、底部の下面から腹部にわたる表面に被覆形成し、上記溶射皮膜の平均膜厚寸法を、２００μｍ≦Ｔ≦５００μｍに設定し、上記底部を締結部材によって枕木に固着した使用状態下で、上記締結部材の押圧部が弾発付勢力をもって接触する上記底部の上面に於て、上記溶射皮膜の膜厚寸法を、上記平均膜厚寸法よりも局部的に厚く形成して、締結用の被押圧部を設けたものである。
また、上記溶射皮膜は、１００ｇ／ｍ２〜２４０ｇ／ｍ２の無機質系封孔剤にて封孔処理されているものである。
また、上記溶射皮膜は、母材レール鋼の表面をブラスト処理によって粗面形成して平均表面粗さを５０μｍ以上とした被溶射面部上に形成されているものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の鉄道用レールによれば、密着性に優れた緻密な溶射皮膜を強固に形成することができる。よって、確実に底部の腐食を防止でき、海水に触れたり、あるいは、迷走電流が流れるような厳しい腐食環境下で、長期間使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の鉄道用レールの実施の一形態を示した断面正面図である。
【図２】図１のＸ部拡大図である。
【図３】図１のＹ部拡大図である。
【図４】鉄道用レール及び締結部材の使用状態を示した断面正面図である。
【図５】鉄道用レール及び締結部材の使用状態を示した平面図である。
【図６】鉄道用レールのブラスト処理工程を示した断面正面図である。
【図７】鉄道用レールの防錆処理工程を示した断面正面図である。
【図８】金属溶射手段の一例を示した簡略図である。
【図９】鉄道用レールの封孔処理工程を示した断面正面図である。
【図１０】他の締結部材を示した断面正面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面に基づき本発明を詳説する。
図１は、本発明の実施の一形態を示したものであり、鉄道用レール本体Ｒは、海底トンネルや海岸沿い、又は、連接軌道踏切等に敷設することを想定して作製され、母材レール鋼１が海水の塩害による腐食や電食に耐えられるように防錆処理が施されている。
本発明の鉄道用レール本体Ｒは、底部４の上面４Ａ及び下面４Ｂに、亜鉛とアルミニウムとが４０：６０〜５０：５０の体積比で構成される溶射皮膜２を被覆形成している。溶射皮膜２は、鉄道用レール本体Ｒの底部４の下面４Ｂから腹部６にわたる表面に被覆形成されている。(なお、本発明に於て、上記底部４を底壁部と呼ぶこともある。）
対象となる母材レール鋼１は、３０ｋｇレール、３７ｋｇレール、４０ｋｇＮレール、５０ｋｇＮレール、及び、６０ｋｇレール等が適用され、化学成分が、Ｃ：０．５％〜０．７５％、Ｓｉ：０．１５％〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０％〜１．１０％、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０５０％以下の鋼鉄製であって、機械的性質が、引張強さ：６９０Ｎ／ｍｍ２以上、伸び９％以上、硬さ２３５ＨＢ以上のものが用いられる。
【００１０】
図２と図３に示すように、溶射皮膜２は、亜鉛部２１とアルミニウム部２２とが非層状態に堆積している。言い換えると、溶射皮膜２は、亜鉛とアルミニウムが不均一に積み重なった状態であり、断面視で亜鉛とアルミニウムが不均等に分布している。つまり、擬合金皮膜と呼ばれるものである。
溶射皮膜２は、母材レール鋼１の表面をブラスト処理によって粗面形成して平均表面粗さＲＺを５０μｍ以上とした被溶射面部１５上に形成されている。被溶射面部１５は、溶射皮膜２が被覆形成される母材レール鋼１の底部１０及び腹部１１の表面に形成されている。
溶射皮膜２は、その表面から被溶射面部１５までの膜厚寸法Ｔ１を、所定の複数箇所で計測し平均した数値を平均膜厚寸法Ｔとし、その平均膜厚寸法Ｔを、２００μｍ≦Ｔ≦５００μｍに設定している。溶射皮膜２は、局部的に厚く形成して、最大で２０００μｍ程度の膜厚寸法ＴＭＡＸに形成することも可能である。
溶射皮膜２は、１００ｇ／ｍ2〜２４０ｇ／ｍ２の無機質系封孔剤にて封孔処理されている。具体的には、無機質系封孔剤として、「ケイソルＧＳガード」（中国塗装株式会社製）が用いられる。
【００１１】
上述のように、鉄道用レール本体Ｒに溶射皮膜２を被覆形成する方法として、低温アーク溶射法がある。
図６〜図９に基づいて、その具体的形態を説明すると、まず、図６に示すように、母材レール鋼１の頭部１２を、ガムテープ等の養生部材１４で被覆し、母材レール鋼１の底部１０の下面１０Ｂが上方になるように上下逆さまに倒立させた状態とし、母材レール鋼１の底部１０及び腹部１１の全面にわたってブラスト処理を行って、被溶射面部１５を形成する。この工程を、ブラスト処理工程とし、除錆度：（ＪＩＳ）Ｓａ＝２．５以上、粗さ：（ＪＩＳ）ＲＺ＝４５μｍ以上の処理グレードを備えるステンレススラグから成る研磨材が用いられる。研磨材の処理グレードがこれより低いと、母材レール鋼１の表面硬度が高いため、十分に粗面形成できない虞れがある。
【００１２】
次に、図７と図８に示すように、防錆処理工程として、母材レール鋼１の表面に溶射皮膜２を形成する。この防錆処理工程は、金属溶射手段７を用いて低温アーク溶射法によって行われる。
金属溶射手段７にて、亜鉛線材Ｚとアルミニウム線材Ａの間でアーク放電を発生させて亜鉛線材Ｚとアルミニウム線材Ａとを同時に溶融し、その後方から圧縮空気を噴射して亜鉛微細粒２３とアルミニウム微細粒２４とする。溶融した亜鉛微細粒２３とアルミニウム微細粒２４とを、４０：６０〜５０：５０の体積比で被溶射面部１５に吹き付ける。
そして、母材レール鋼１の被溶射面部１５上で、亜鉛微細粒２３とアルミニウム微細粒２４とを固化し、図２と図３に示すような、亜鉛部２１とアルミニウム部２２とが非層状態に堆積する溶射皮膜２を成膜する。
また、金属溶射手段７は、アーク放電によって溶融した亜鉛とアルミニウムの外周を囲むようにして、環状噴射口７Ａから噴射した圧縮空気により低気圧気流圏で、亜鉛微細粒２３及びアルミニウム微細粒２４を形成し、被溶射面部１５に吹き付けて到達する直前の温度を４０℃〜８０℃として、被溶射面部１５の温度が異常上昇しないように溶射を行なう。より好ましくは、亜鉛微細粒２３及びアルミニウム微細粒２４が被溶射面部１５に当たる直前の温度は、５０℃以下とするのが良い。このようにして、溶射皮膜２が、低温アーク溶射にて成膜される。
【００１３】
次に、図９に示すように、封孔処理工程として、溶射皮膜２の表面に、１００ｇ／ｍ２〜２４０ｇ／ｍ２の無機質系封孔剤を、スプレーにて噴霧、又は、刷毛にて塗布する。封孔剤は、溶射皮膜２中の微細孔に浸透して隙間を塞ぎ、その後固化して水やガスの浸入を防止する。
【００１４】
図１、図３、及び、図４、図５、図１０に示すように、本発明のレール本体Ｒは、底部（底壁部）４を締結部材３，３によって枕木（まくらぎ）Ｍに固着した使用状態下で、締結部材３，３の押圧部３０，３０が接触する底部（底壁部）４の上面４Ａに於て、溶射皮膜２の膜厚寸法Ｔ２を、５００μｍ〜２０００μｍに局部的に厚く形成して、締結用の被押圧部２０，２０を設けている。より好ましくは、被押圧部２０の膜厚寸法Ｔ２を、５００μｍ〜１２００μｍに設定するのが良い。
レール本体Ｒは、合成ゴムから成る軌道パッド８を介して枕木Ｍに載置され、長手方向の所定間隔毎に配設された締結部材３，３により底部４の上面４Ａを押圧されて枕木Ｍに固定される。レール本体Ｒは、締結部材３の押圧部３０が底部４の上面４Ａに接触する位置を予め把握し、損耗し易い被押圧部２０の膜厚寸法Ｔ２を局部的に厚くして、溶射皮膜２が摩擦により薄くなって食孔が形成されるの防止している。なお、締結部材３の押圧部３０が接触する以外に、母材レール鋼１に電流を流すことで電食が発生し易い部位の溶射皮膜２を、局部的に厚く形成しておくことも望ましい。
【００１５】
図４、図５に示すように、締結部材３は、材料が（ＪＩＳ）Ｇ４８０１のＳＵＰ９から成り、線ばね状に形成されている。締結部材３は、枕木Ｍに固着される固着部材９の取付孔９Ａに一端の挿入部３３を挿入し、かつ、他端の押圧部３０を、約１２．５ｋＮの弾発付勢力Ｆをもって底部４の上面４Ａに押し付けている。
また、図１０に示すように、締結部材３は、（ＪＩＳ）Ｅ１１１８で規定するような板バネ状とするも好ましい。締結部材３，３は、それぞれボルトによって枕木Ｍに固着され、弾発付勢力Ｆをもって底部４の上面４Ａに押し付ける押圧部３０，３０を有する。
【００１６】
締結部材３は、低温アーク溶射によって、亜鉛とアルミニウムとが４０：６０〜５０：５０の体積比で構成される溶射皮膜部３２が被覆されている。
溶射皮膜部３２は、締結部材３の表面の全体に一定の膜厚寸法Ｔ３をもって均一に被覆形成されている。溶射皮膜部３２は、図２と同様に、亜鉛部２１とアルミニウム部２２とが非層状態に堆積する擬合金皮膜である。溶射皮膜部３２は、平均表面粗さＲＺを５０μｍ以上に粗面形成した被溶射面上に形成され、膜厚寸法Ｔ３を２００μｍ〜５００μｍの範囲内で一定としている。溶射皮膜部３２は、１００ｇ／ｍ２〜２４０ｇ／ｍ２の無機質系封孔剤にて封孔処理されている。
【００１７】
上述した本発明の鉄道用レールの使用方法（作用）について説明する。
本発明の鉄道用レールに於て、溶射皮膜２は、低温アーク溶射によって形成された擬合金皮膜であるため、被溶射面部１５の歪みによる剥離を生じることなく母材レール鋼１に密着する。溶射皮膜２は、アルミニウム部２２の表面に酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を形成し、緻密であり、かつ、水や酸素を透過しにくく、しかも、耐蝕性に優れている。また、溶射皮膜２は、亜鉛部２１が鉄よりもイオン化し易いため、母材レール鋼１が腐食するのを防止する。亜鉛部２１が放出した電子が介在して、水と酸素が反応し、水酸化イオンを生じ、亜鉛イオンと水酸化イオンが反応すると、水酸化亜鉛から成る白錆が発生する。アルミニウム部２２の酸化皮膜は、亜鉛部２１を被覆し、過度にイオン化して溶出することを防止すると共に、水・酸素の透過を抑制し、防錆作用を長期にわたって適正に保持する。このように、溶射皮膜２は、母材レール鋼１に対して電気科学的な防食・防錆作用を長期にわたって発揮する。
従って、鉄道用レール本体Ｒは、海底トンネルや海岸沿い、又は、連接軌道踏切等に敷設する場合であっても、海水による塩害や電食に耐え、従来工法以上の長期間にわたって使用することが可能である。
【００１８】
また、鉄道用レール本体Ｒは、水・海水に接触し易い底部４の上面４Ａ及び下面４Ｂを、溶射皮膜２によって被覆し、腐食によるレール寿命の短命化を抑制する。鉄道用レール本体Ｒは、ブラスト処理工程から封孔処理工程に至る加工段階で、上下逆さまとして倒立させるため、溶射皮膜２が底部４の下面４Ｂに正確に成膜される。つまり、レール本体Ｒの防錆を行なう上で、最も重要な底部４の下面４Ｂに、確実かつ均整を保って溶射皮膜２が形成される。
しかも、底部４の上面４Ａに於て、締結部材３の押圧部３０が接触する部位、又は、電食発生部位で、溶射皮膜２の膜厚寸法Ｔ２を局部的に厚くして、溶射皮膜２が損耗して発錆・腐食を生じるのを確実に防止する。
【００１９】
また、本発明の締結部材３に於て、溶射皮膜部３２は、低温アーク溶射によって形成された擬合金皮膜であり、電気科学的な防食・防錆作用を長期にわたって発揮する。
使用状態下で、締結部材３は、非常に大きな弾発付勢力Ｆをレール本体Ｒの底部４に常時付与する。よって、締結部材３には、弾発付勢力Ｆを生みだすための内部ひずみが生じる。締結部材３は、内部ひずみに対する応力を、全体で均等に分散して負担する。溶射皮膜部３２は、締結部材３の表面の全体を、一定の膜厚寸法Ｔ３をもって均一に被覆し、締結部材３内部の応力のバランスを崩すことなく形成される。
従って、締結部材３は、海底トンネルや海岸沿い、又は、連接軌道踏切等に敷設する鉄道用レールの固定に用いる場合であっても、海水による塩害や電食に耐え、従来工法以上の長期間にわたって使用することが可能である。
【００２０】
以上のように、本発明に係る鉄道用レールは、底部４の上面４Ａ及び下面４Ｂに、亜鉛とアルミニウムとが４０：６０〜５０：５０の体積比で構成される溶射皮膜２を被覆形成したので、溶射皮膜２の密着性が良く、十分に厚く被覆でき、かつ、緻密な溶射皮膜２を強固に形成することができる。よって、確実に底部４の腐食を防止でき、海水に触れたり、あるいは、迷走電流が流れるような厳しい腐食環境下で、長期間使用することができる。
【００２１】
また、溶射皮膜２は、亜鉛部２１とアルミニウム部２２とが非層状態に堆積しているので、電気科学的な防食・防錆作用を長期にわたって発揮できる。
【００２２】
また、溶射皮膜２が、低温アーク溶射によって形成されたので、溶射皮膜２が剥離による割れ目や傷を生じることなく、確実に防錆できる。
【００２３】
また、溶射皮膜２の平均膜厚寸法Ｔを、２００μｍ≦Ｔ≦５００μｍに設定しているので、防食・防錆作用を長期にわたって発揮できる。
【００２４】
また、溶射皮膜２は、１００ｇ／ｍ２〜２４０ｇ／ｍ２の無機質系封孔剤にて封孔処理されているので、水やガスの浸入を確実に防止でき、防食・防錆作用を長期にわたって発揮できる。
【００２５】
また、溶射皮膜２は、母材レール鋼１の表面をブラスト処理によって粗面形成して平均表面粗さＲＺを５０μｍ以上とした被溶射面部１５上に形成されているので、溶射皮膜２が母材レール鋼１に確実に密着し、防食・防錆作用を長期にわたって発揮できる。
【００２６】
また、底部４を締結部材３，３によって枕木Ｍに固着した使用状態下で、締結部材３，３の押圧部３０，３０が接触する底部４の上面４Ａに於て、溶射皮膜２の膜厚寸法Ｔ２を、５００μｍ〜２０００μｍに局部的に厚く形成して、締結用の被押圧部２０，２０を設けたので、溶射皮膜２が損耗して発錆・腐食を生じるのを防止でき、防食・防錆作用を長期にわたって発揮できる。
【００２７】
また、鉄道用レール防錆処理方法は、母材レール鋼１の表面を粗面形成して被溶射面部１５を形成し、亜鉛線材Ｚとアルミニウム線材Ａの間でアーク放電を発生させて亜鉛線材Ｚとアルミニウム線材Ａとを同時に溶融し、その後方から圧縮空気を噴射して亜鉛微細粒２３とアルミニウム微細粒２４とし、亜鉛微細粒２３とアルミニウム微細粒２４とを４０：６０〜５０：５０の体積比で被溶射面部１５に吹き付け、亜鉛部２１とアルミニウム部２２とが非層状態に堆積する溶射皮膜２を成膜するので、母材レール鋼１への密着性に優れた緻密な溶射皮膜２を強固に形成することができる。よって、母材レール鋼１の表面に確実に防錆処理を施し、海水に触れたり、あるいは、迷走電流が流れるような厳しい腐食環境下で、長期間使用することができる。また、電気科学的な防食・防錆作用を長期にわたって発揮できる。
【００２８】
また、亜鉛微細粒２３及びアルミニウム微細粒２４を、被溶射面部１５に吹き付けて到達する直前の温度を４０℃〜８０℃としたので、溶射皮膜２が剥離による割れ目や傷を生じることなく、確実に防錆できる。
【００２９】
また、母材レール鋼１の頭部１２を養生部材１４で被覆し、母材レール鋼１の底部１０の下面１０Ｂが上方になるように上下逆さまに倒立させた状態とし、母材レール鋼１の底部１０の全面にわたって、被溶射面部１５を形成して成膜するので、溶射皮膜２が底部４の下面４Ｂに均一かつ正確に被覆形成できる。
【００３０】
また、締結部材は、低温アーク溶射によって、亜鉛とアルミニウムとが４０：６０〜５０：５０の体積比で構成される溶射皮膜部３２が被覆されているので、密着性に優れた緻密な溶射皮膜部３２を強固に形成することができる。
【００３１】
また、溶射皮膜部３２が、締結部材３の表面の全体に一定の膜厚寸法Ｔ３をもって均一に被覆形成されているので、締結部材３の内部応力のバランスを崩すことなく溶射皮膜部３２を被覆形成でき、海水に触れたり、あるいは、迷走電流が流れるような厳しい腐食環境下で、長期間使用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  母材レール鋼
２  溶射皮膜
３  締結部材
４  底部
４Ａ  上面
４Ｂ  下面
６ 腹部
１０  底部
１０Ｂ  下面
１２  頭部
１４  養生部材
１５  被溶射面部
２０  被押圧部
２１  亜鉛部
２２  アルミニウム部
２３  亜鉛微細粒
２４  アルミニウム微細粒
３０  押圧部
３２  溶射皮膜部
Ｔ  平均膜厚寸法
Ｔ２  膜厚寸法
Ｔ３  膜厚寸法
ＲＺ  平均表面粗さ
Ｍ  枕木（まくらぎ）
Ａ  アルミニウム線材
Ｚ  亜鉛線材
Ｆ 弾発付勢力
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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