(57)【要約】【課題】重荷重鉄道で使用される高炭素含有のパーライト組織のレールにおいて、レール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低下させ、レール柱部の靭性低下を防止する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．０５〜２．００％、Ｐ≦０．０３０％、Ｓ≦０．０２５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールのレール柱部の中立軸中央部において、直行する長さ３００μｍの線分と交差する初析セメンタイト組織の本数（ＮＣ：初析セメンタイト交線数）が、下式で示されるの値（ＣＥ）に対して、ＮＣ≦ＣＥとなることを特徴とするレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。ＣＥ＝６０〔ｍａｓｓ％Ｃ〕−１０〔ｍａｓｓ％Ｓｉ〕＋１０〔ｍａｓｓ％Ｍｎ〕＋５００〔ｍａｓｓ％Ｐ〕＋５０〔ｍａｓｓ％Ｓ〕＋３０〔ｍａｓｓ％Ｃｒ〕−５４【選択図】　　図１
2004043863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ　：０．９０〜１．２０％、
Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、
Ｃｒ：０．０５〜２．００％、
Ｐ　≦０．０３０％、
Ｓ　≦０．０２５％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールのレール柱部の中立軸中央部において、直行する長さ３００μｍの線分と交差する初析セメンタイト組織の本数（ＮＣ：初析セメンタイト交線数）が、下式で示される値（ＣＥ）に対して、ＮＣ≦ＣＥであることを特徴とするレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
ＣＥ＝６０〔ｍａｓｓ％Ｃ〕−１０〔ｍａｓｓ％Ｓｉ〕＋１０〔ｍａｓｓ％Ｍｎ〕＋５００〔ｍａｓｓ％Ｐ〕＋５０〔ｍａｓｓ％Ｓ〕＋３０〔ｍａｓｓ％Ｃｒ〕−５４
【請求項２】
前記鋼レールに、質量％で、さらに、
Ｍｏ：０．０１〜０．５０％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
【請求項３】
質量％で、さらに、
Ｖ　：０．００５〜０．５０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％
の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
【請求項４】
質量％で、さらに、
Ｂ　：０．０００１〜０．００５０％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
【請求項５】
質量％で、さらに、
Ｃｏ：０．１０〜２．００％、
Ｃｕ：０．０１〜１．００％
の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
【請求項６】
質量％で、さらに、
Ｎｉ：０．０１〜１．００％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
【請求項７】
質量％で、さらに、
Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
【請求項８】
質量％で、さらに、
Ａｌ：０．００４０〜１．００％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
【請求項９】
質量％で、さらに、
Ｚｒ：０．０００１〜０．２０００％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重荷重鉄道で使用される高炭素含有のパーライト組織のレールにおいて、レール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低下させ、レール柱部の靭性低下を防止することを目的としたものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、海外の石炭や鉄鉱石を輸送する重荷重鉄道や国内の貨物鉄道では、より一層の鉄道輸送の高効率化のために、貨物の高積載化を強力に進めており、特に急曲線のレールでは、Ｇ．Ｃ．部や頭側部の耐摩耗性が十分確保できず、摩耗によるレール寿命の低下が問題となってきた。このような背景から、現状の共析炭素含有の高強度レール以上の耐摩耗性を有するレールの開発が求められるようになってきた。この問題を解決するため、本発明者らは下記に示すようなレールを開発した。
【０００３】
▲１▼過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を増加させた耐摩耗性に優れたレール（特開平８−１４４０１６号公報）。
▲２▼過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を増加させ、同時に、硬さを制御した耐摩耗性に優れたレール（特開平８−２４６１００号公報）。
これらのレールの特徴は、鋼の炭素量を増加し、パーライトラメラ中のセメタイト相の密度を増加させ、さらに、硬さを制御することによりパーライト組織の耐摩耗性を向上させるものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の▲１▼，▲２▼に示されたパーライト組織を呈する発明レールでは、高炭素化により耐摩耗性の向上が図れる。
しかし、上記の発明レールは、現行の共析炭素含有の高強度レールよりも炭素量が高いため、溶鋼の鋳造段階で、鋳片中心部に炭素や合金元素が濃化した偏析帯が形成されやすい。特に、図１の斜線部に示す圧延後のレール柱部では、偏析帯に沿って初析セメンタイト組織が多量に生成し、靭性が大きく低下するといった問題があった。
【０００５】
このような背景から、高炭素含有のパーライト組織のレールにおいて、柱部の靭性を向上させるために、偏析帯に沿って発生する初析セメンタイト組織の生成量が少ないレールの開発が求められるようになってきた。
すなわち、本発明は、重荷重鉄道で使用される高炭素含有のパーライト組織のレールにおいて、レール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低下させ、レール柱部の靭性低下を防止することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであって、その要旨とするところは次の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ　：０．９０〜１．２０％、　Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、　Ｃｒ：０．０５〜２．００％、
Ｐ　≦０．０３０％、　　　　　Ｓ　≦０．０２５％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールのレール柱部の中立軸中央部において、直行する長さ３００μｍの線分と交差する初析セメンタイト組織の本数（ＮＣ：初析セメンタイト交線数）が、下式で示されるの値（ＣＥ）に対して、ＮＣ≦ＣＥであることを特徴とするレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
ＣＥ＝６０〔ｍａｓｓ％Ｃ〕−１０〔ｍａｓｓ％Ｓｉ〕＋１０〔ｍａｓｓ％Ｍｎ〕＋５００〔ｍａｓｓ％Ｐ〕＋５０〔ｍａｓｓ％Ｓ〕＋３０〔ｍａｓｓ％Ｃｒ〕−５４
【０００７】
（２）また、上記（１）のレールに、質量％でさらに、下記▲１▼〜▲８▼の成分を選択的に含有させ、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。
▲１▼Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、
▲２▼Ｖ　：０．００５〜０．５０％、　　　Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％
の１種または２種、
▲３▼Ｂ　：０．０００１〜０．００５０％、
▲４▼Ｃｏ：０．１０〜２．００％、　　　　Ｃｕ：０．０１〜１．００％
の１種または２種、
▲５▼Ｎｉ：０．０１〜１．００％、
▲６▼Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％
の１種または２種以上、
▲７▼Ａｌ：０．００４０〜１．００％、
▲８▼Ｚｒ：０．０００１〜０．２０００％。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
まず、本発明者らは、レール柱部に生成する初析セメンタイト組織の発生量の定量化を行った。ある視野倍率において、ある一定長さの直交する線分と交差する初析セメンタイト組織の本数（ＮＣ、以下、初析セメンタイト交線数）を測定した結果、セメンタイト組織の生成状態とのよい相関が認められ、初析セメンタイト組織の生成状態を定量化できることがわかった。
【０００９】
次に、本発明者らは、高炭素含有のパーライト組織の鋼レールを用いて、柱部の靭性と初析セメンタイト組織の生成状況の関係を調査した。その結果、高炭素含有のパーライト組織の鋼レールでは、▲１▼レール柱部の靭性は初析セメンタイト交線数（ＮＣ）との負の相関がある。▲２▼初析セメンタイト交線数（ＮＣ）がある一定値以下になるとレール柱部の靭性は低下しない。▲３▼靭性低下の発生の閾値となる初析セメンタイト交線数（ＮＣ）は鋼レールの化学成分との相関があることが明らかとなった。
【００１０】
そこで、本発明者らは、レール柱部の靭性低下の発生の閾値となる初析セメンタイト交線数（ＮＣ）と鋼レールの化学成分の関係を重相関により求めた。その結果、鋼レールの化学成分（ｍａｓｓ％）の寄与度を評価した式１の値（ＣＥ値）を算定することにより、靭性低下の発生の閾値となる初析セメンタイト交線数（ＮＣ）が求められることを見いだした。
【００１１】
さらに、本発明者らは、レール柱部の靭性を向上させる方法を検討した結果、レール柱部の初析セメンタイト交線数（ＮＣ）をレールの化学成分で算定されるＣＥ値以下とすることにより、現行の鋼レールと比較して、柱部の初析セメンタイト組織の生成量が低減し、レールの柱部の靭性低下が防止できることを知見した。
ＣＥ＝６０〔ｍａｓｓ％Ｃ〕−１０〔ｍａｓｓ％Ｓｉ〕＋１０〔ｍａｓｓ％Ｍｎ〕＋５００〔ｍａｓｓ％Ｐ〕＋５０〔ｍａｓｓ％Ｓ〕＋３０〔ｍａｓｓ％Ｃｒ〕−５４・・・１
ＮＣ（柱部の初析セメンタイト組織との交線数）≦ＣＥ（式１）
【００１２】
すなわち、本発明は、重荷重鉄道で使用される高炭素含有のパーライト鋼レールにおいて、レール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減させることにより、レール柱部の靭性低下を防止することを目的としたものである。
【００１３】
次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。
（１）鋼レールの化学成分
以下に、レール鋼の化学成分を限定した理由について詳細に説明する。なお単位は質量％である。
Ｃは、パーライト変態を促進させて、かつ、耐摩耗性を確保する有効な元素である。Ｃ量が０．９０％未満では、パーライト組織中のセメンタイト相の密度が確保できず、重荷重鉄道において耐摩耗性が維持できない。また、Ｃ量が１．２０％を超えると、本成分系では、冷却速度の遅いレール頭部内部に、パーライト組織中に初析セメンタイト組織が生成し、内部疲労損傷が発生しやすくなる。また、柱部の偏析が過剰となり、初析セメンタイト組織が多量に発生し、柱部の初析セメンタイト交線数（ＮＣ）が増加し、レール柱部の靭性が低下する。このため、Ｃ量を０．９０〜１．２０％に限定した。
【００１４】
Ｓｉは、脱酸材として必須の成分である。また、パーライト組織中のフェライト相への固溶体硬化によりレール頭部の硬度（強度）を上昇させる元素であり、同時に、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、柱部の初析セメンタイト交線数（ＮＣ）を低下させ、レール柱部の靭性を向上させる元素である。しかし、０．１０％未満ではその効果が十分に期待できず、レール柱部の靭性向上が認められない。また、２．００％を超えると、熱間圧延時に表面疵が多く生成することや、酸化物の生成により溶接性が低下する。さらに、焼入性が著しく増加し、レールの耐摩耗性や靭性に有害なマルテンサイト組織が生成する。このため、Ｓｉ量を０．１０〜２．００％に限定した。
【００１５】
Ｍｎは、焼き入れ性を高め、パーライトラメラ間隔を微細化することにより、パーライト組織の硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、０．１０％未満の含有量では、その効果が小さく、レールに必要とされる耐摩耗性の確保が困難となる。また、２．００％を超えると、焼入性が著しく増加し、耐摩耗性や延性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。さらに、偏析が助長され、柱部などに初析セメンタイト組織が生成し、柱部の初析セメンタイト交線数（ＮＣ）が増加し、レール柱部の靭性が低下する。このため、Ｍｎ量を０．１０〜２．００％に限定した。
【００１６】
Ｃｒは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にして高硬度（強度）化に寄与すると同時に、セメンタイト相を強化して、パーライト組織の硬度（強度）を向上させることにより耐摩耗性を向上させる元素であるが、０．０５％未満ではその効果が小さく、２．００％を超える過剰な添加を行うと、焼入性が著しく増加し、マルテンサイト組織が多量に生成し、レールの耐摩耗性や靭性を低下させる。さらに、偏析が助長され、柱部の初析セメンタイト組織の生成量が増加し、柱部の初析セメンタイト交線数（ＮＣ）が増加し、レール柱部の靭性が低下する。このため、Ｃｒ量を０．０５〜２．００％に限定した。
【００１７】
Ｐは、フェライトを強化し、パーライト組織の硬さを向上させる元素である。しかし、０．０３０％を超えて含有すると、偏析性が高い元素であるため、他の元素の偏析も助長し、柱部の初析セメンタイト組織の生成が激しく促進される。その結果、柱部の初析セメンタイト交線数（ＮＣ）が増加し、レール柱部の靭性が低下する。このため、Ｐ量を０．０３０％以下に限定した。
【００１８】
Ｓは、ＭｎＳを生成し、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成することにより、パーライト変態の促進に寄与し、結果として、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．０２５％を超えて含有すると、Ｍｎの偏析を助長し、柱部の初析セメンタイト組織の生成が激しく促進される。その結果、柱部の初析セメンタイト交線数（ＮＣ）が増加し、レール柱部の靭性が低下する。このため、Ｓ量を０．０２５％以下に限定した。
【００１９】
また、上記の成分組成で製造されるレールは、パーライト組織の硬度（強化）の向上、パーライト組織の延性や靭性の向上、溶接部の熱影響部の軟化の防止、レール頭部内部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｂ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ａｌ，Ｚｒの元素を必要に応じて添加する。
【００２０】
ここで、Ｍｏは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、主に、パーライトラメラ間隔を微細化することによりパーライト組織の硬度を確保する。Ｖ，Ｎｂは、熱間圧延やその後の冷却課程で生成した炭化物や窒化物により、オーステナイト粒の成長を抑制し、さらに、析出硬化により、パーライト組織の靭性と硬度を向上させる。また、再加熱時に炭化物や窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。Ｂは、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レール頭部の硬度分布を均一にする。Ｃｏ，Ｃｕは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、パーライト組織の硬度を高める。Ｎｉは、Ｃｕ添加による熱間圧延時の脆化を防止し、同時に、パーライト鋼の硬度を向上させ、さらに、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。Ｔｉは、熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止する。Ｍｇ，Ｃａは、レール圧延時においてオーステナイト粒の微細化を図り、同時に、パーライト変態を促進し、パーライト組織の靭性を向上させる。Ａｌは、共析変態温度を高温側へ、同時に、共析炭素濃度を高炭素側へ移動させ、パーライト組織の強化と初析セメンタイトの生成を抑制し、レールの耐摩耗性の向上と靭性低下の防止する。Ｚｒは、ＺｒＯ２　介在物が高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レールの靭性に有害な初析セメンタイト組織の生成を抑制することが主な添加目的である。
【００２１】
これらの成分の個々の限定理由について、以下に詳細に説明する。
Ｍｏは、Ｃｒ同様パーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にすることにより高硬度（強度）化に寄与し、パーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果が小さく、レール鋼の硬度を向上させる効果が全く見られなくなる。また、０．５０％を超える過剰な添加を行うと、パーライト組織の変態速度が著しく低下し、靭性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。このため、Ｍｏ添加量を０．０１〜０．５０％に限定した。
【００２２】
Ｖは、高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Ｖ炭化物やＶ窒化物のピニング効果により、オーステナイト粒を微細化し、さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したＶ炭化物、Ｖ窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度（強度）を高めると同時に、延性を向上させるのに有効な元素である。また、Ａｃ１　点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、比較的高温度域でＶ炭化物やＶ窒化物を生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、０．００５％未満ではその効果が十分に期待できず、パーライト組織の硬度の向上や靭性の改善は認められない。また、０．５０％を超えて添加すると、粗大なＶの炭化物やＶの窒化物が生成し、レールの靭性や耐内部疲労損傷性が低下する。このため、Ｖ量を０．００５〜０．５０％に限定した。
【００２３】
Ｎｂは、Ｖと同様に、高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Ｎｂ炭化物やＮｂ窒化物のピニング効果により、オーステナイト粒を微細化し、さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度（強度）を高めると同時に、延性を向上させるのに有効な元素である。また、Ａｃ１　点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、低温度域から高温度域までＮｂの炭化物やＮｂ窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、その効果は、０．００２％未満では期待できず、パーライト組織の硬度の向上や靭性の改善は認められない。また、０．０５０％を超える添加すると、粗大なＮｂの炭化物やＮｂの窒化物が生成し、レールの靭性や耐内部疲労損傷性が低下する。このため、Ｎｂ量を０．００２〜０．０５０％に限定した。
【００２４】
Ｂは、鉄炭ほう化物を形成し、初析セメンタイトの生成を抑制し、同時に、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、頭部の硬度分布を均一にし、レールの靭性低下を防止し、高寿命化を図る元素であるが、０．０００１％未満ではその効果は十分でなく、レール頭部の硬度分布には改善が認められない。また、０．００５０％を超えて添加すると、粗大な鉄の炭ほう化物が生成し、延性や靭性、さらには、耐内部疲労損傷性が大きく低下することから、Ｂ量を０．０００１〜０．００５０％に限定した。
【００２５】
Ｃｏは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、固溶強化によりパーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であり、さらに、パーライトの変態エネルギーを増加させて、パーライト組織を微細にすることにより靭性を向上させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果が期待できない。また、２．００％を超えて添加すると、フェライト相の延性が著しく低下し、ころがり面にスポーリング損傷が発生し、レールの耐表面損傷性が低下する。このため、Ｃｏ量を０．１０〜２．００％に限定した。
【００２６】
Ｃｕは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、固溶強化によりパーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果が期待できない。また、１．００％を超えて添加すると、著しい焼入れ性向上により靭性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。さらに、フェライト相の延性が著しく低下し、レールの延性が向上しない。このため、Ｃｕ量を０．０１〜１．００％に限定した。
【００２７】
Ｎｉは、Ｃｕ添加による熱間圧延時の脆化を防止し、同時に、フェライトへの固溶強化によりパーライト鋼の高硬度（強度）化を図る元素である。さらに、溶接熱影響部においては、Ｔｉと複合でＮｉ３　Ｔｉの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を抑制する元素であるが、０．０１％未満では、その効果が著しく小さく、また、１．００％を超えて添加すると、フェライト相の延性が著しく低下し、ころがり面にスポーリング損傷が発生し、レールの耐表面損傷性が低下する。このため、Ｎｉ量を０．０１〜１．００％に限定した。
【００２８】
Ｔｉは、溶接時の再加熱において析出したＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が溶解しないことを利用して、オーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。しかし、０．００５０％未満ではその効果が少なく、０．０５００％を超えて添加すると、粗大なＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が生成して、レールの延性や靭性、これに加えて耐内部疲労損傷性が大きく低下することから、Ｔｉ量を０．００５０〜０．０５００％に限定した。
【００２９】
Ｍｇは、Ｏ、または、ＳやＡｌ等と結合して微細な酸化物を形成し、レール圧延時の再加熱において、結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒の微細化を図り、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。さらに、ＭｇＯ、ＭｇＳがＭｎＳを微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．０００５％未満ではその効果は弱く、０．０２００％を超えて添加すると、Ｍｇの粗大酸化物が生成し、レールの延性や靭性、さらには、耐内部疲労損傷性を低下させるため、Ｍｇ量を０．０００５〜０．０２００％に限定した。
【００３０】
Ｃａは、Ｓとの結合力が強く、ＣａＳとして硫化物を形成し、さらに、ＣａＳがＭｎＳを微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．０００５％未満ではその効果は弱く、０．０１５０％を超えて添加すると、Ｃａの粗大酸化物が生成し、レールの延性や靭性、さらには、耐内部疲労損傷性を低下させるため、Ｃａ量を０．０００５〜０．０１５０％に限定した。
【００３１】
Ａｌは、脱酸材として必須の成分である。また、共析変態温度を高温側へ、同時に、共析炭素濃度を高炭素側へそれぞれ移動させる元素であり、パーライト組織の高強度化と初析セメンタイト組織の生成の抑制により靭性低下を防止する元素であるが、０．００４０％未満では、その効果が弱く、１．００％を超えて添加すると、鋼中に固溶させることが困難となり、疲労損傷の起点となる粗大なアルミナ系介在物が生成し、レールの延性や靭性、さらには、耐内部疲労損傷性が低下する。また、溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下するため、Ａｌ量を０．００４０〜１．００％に限定した。
【００３２】
Ｚｒは、ＺｒＯ２　介在物がγ−Ｆｅとの格子整合性が良いため、γ−Ｆｅが凝固初晶である高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レールの靭性に有害な初析セメンタイト組織の生成を抑制する元素である。しかし、Ｚｒ量が０．０００１％未満では、ＺｒＯ２　系介在物の数が少なく、凝固核として十分な作用を示さない。その結果、初析セメンタイト組織の生成抑制の効果が低下する。また、Ｚｒ量が０．２０００％を超えると、粗大Ｚｒ系介在物が多量に生成し、レールの延性が低下することや、粗大Ｚｒ系介在物を起点とした内部疲労損傷が発生しやすくなり、レールの使用寿命が低下する。このため、Ｚｒ量を０．０００１〜０．２０００％に限定した。
【００３３】
上記のような成分組成で構成されるレール鋼は、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、この溶鋼を造塊・分塊あるいは連続鋳造し、さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。
【００３４】
次に、この熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あるいは熱処理する目的で高温に再加熱されたレール頭部に熱処理を施すことにより、レール頭部に硬さの高いパーライト組織を安定的に生成させることが可能となる。
【００３５】
なお、上記プロセスにおいて、レール柱部の中立軸中央部の初析セメンタイト交線数（ＮＣ）を低減するには、連続鋳造に関しては、▲１▼鋳造速度の調整等による軽圧下の最適化、▲２▼鋳造温度の低減による凝固組織微細化が有効である。また、レール熱処理に関しては、▲３▼レール頭部に加えて、柱部に加速冷却を行う方法が有効である。さらに、初析セメンタイト交線数（ＮＣ）をより一層低減するには、上記の連続鋳造と熱処理の組み合わせや初析セメンタイト組織の生成を抑制する効果のあるＡｌ、凝固組織を微細にするＺｒの添加が有効である。
【００３６】
（２）レール柱部初析セメンタイト組織の現出方法
請求項１において記載されている初析セメンタイト組織の現出方法について説明する。まず、レール柱部の横断面をダイヤ研摩する。続いて、被研面をピクリン酸カセイソーダ液で浸漬し、初析セメンタイト組織を現出する。現出条件は、研摩面の状態により若干調整が必要であるが、基本的には、液温８０℃、約１２０分の浸漬が望ましい。
【００３７】
（３）初析セメンタイト組織の現出方法・初析セメンタイト交線数（ＮＣ）の測定方法
次に、請求項１において記載されている初析セメンタイト交線数（ＮＣ）の測定方法について説明する。初析セメンタイトは旧オーステナイト結晶粒界（図２中の線γ）に生成するので、初析セメンタイト組織を現出したレール柱部の中立軸中央部を、光学顕微鏡により観察する。すなわち視野倍率２００倍で直交する３００μｍの線分（Ｘ，Ｙ）と交差する初析セメンタイト組織（γ）の交点数をカウントする。図２にこの測定方法の模式図を示す。交差する初析セメンタイト組織の本数は、直交する３００μｍの各線分Ｘ，Ｙと交差した本数の合計（〔Ｘｎ＝４〕＋〔Ｙｎ＝７〕）とした。なお、観察視野としては、偏析の強弱による初析セメンタイト組織のばらつきを考慮すると、最低でも５視野以上の観察を行い、その平均値を代表値とすることが望ましい。
【００３８】
（４）ＣＥ値を求める式
請求項１において、ＣＥ値を求める式を上記のように規定した理由を説明する。ＣＥ値を求める式は、高炭素含有のパーライト組織の鋼レールを用いて、柱部の靭性と初析セメンタイト組織の生成状況の関係を調査し、次に、レール柱部における靭性低下が発生する閾値となる初析セメンタイト交線数（ＮＣ）と鋼レールの化学成分（ｍａｓｓ％）との関係を重相関により求めたものである。以下にその相関式（式１）を示す。
ＣＥ＝６０〔ｍａｓｓ％Ｃ〕−１０〔ｍａｓｓ％Ｓｉ〕＋１０〔ｍａｓｓ％Ｍｎ〕＋５００〔ｍａｓｓ％Ｐ〕＋５０〔ｍａｓｓ％Ｓ〕＋３０〔ｍａｓｓ％Ｃｒ〕−５４・・・１
各化学成分の係数は、レール柱部のセメンタイト組織生成に対する寄与度を表しており、＋は正の相関、−は負の相関を示し、係数の絶対値はその寄与度の大きさを示す。
【００３９】
また、上式で算定したＣＥ値は、少数点以下の下一桁を四捨五入した自然数をとるものとする。なお、上記限定の化学成分の組み合わせによっては、ＣＥ値が０または負になる場合が存在する。ＣＥ値が０または負になる場合の成分系については、例え、上記限定範囲の化学成分組成であっても、本特許の請求範囲の対象外とする。
【００４０】
なお、本発明レールの柱部や頭部の金属組織はパーライト組織を基本としたものである。しかし、レールの成分系や熱処理製造方法によっては、レール柱部、頭表部、頭部内部の一部に、微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が混入することがある。しかし、これらの組織が混入しても、レールとしての基本性能やレールの靭性や延性には大きな悪影響を及ぼさないため、本発明レールの柱部や頭部の金属組織は、若干の初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織の混在も含んでいる。
【００４１】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１に本発明レール鋼の化学成分、化学成分から式１より求まるＣＥ値、圧延前鋳片の製造状況およびレール熱処理時の冷却方法、柱部のミクロ組織、および、柱部初析セメンタイト組織の生成状況を示す。
【００４２】
表２に比較レール鋼の化学成分、化学成分から式１より求まるＣＥ値、圧延前鋳片の製造状況およびレール熱処理時の冷却方法、柱部のミクロ組織、および、柱部初析セメンタイト組織の生成状況を示す。
【００４３】
なお、レールの構成は以下のとおりである。
・本発明レール鋼（１０本）　符号Ａ〜Ｊ
上記成分範囲内で、柱部初析セメンタイト組織の本数（ＮＣ）が上記化学成分値から算定されるＣＥ値を超えないことを特徴とするレール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低減したレール。
・比較レール鋼（１０本）　符号Ｋ〜Ｔ
符号Ｋ〜Ｐ：Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，ＳおよびＣｒの添加量が上記請求範囲外の比較レール鋼（６本）。
符号Ｑ〜Ｔ：上記成分範囲内で、柱部初析セメンタイト組織の本数（ＮＣ）が上記化学成分値から算定されるＣＥ値を超える比較レール鋼。
【００４４】
ここで、本明細書中の図について説明する。図１は偏析帯に沿って初析セメンタイト組織が生成する領域（斜線部分）を示したものである。図２は初析セメンタイト組織の生成状況の評価方法を模式的に示したものである。
【００４５】
表２に示すように、本発明レール鋼（符号：Ａ〜Ｊ）は、比較レール鋼（符号：Ｋ〜Ｐ）と比べて、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｃｒの添加量をある一定範囲内に納めることにより、柱部に生成する初析セメンタイト組織（セメンタイト交線数：ＮＣ）をＣＥ値以下とすることができた。
【００４６】
また、鋳造時の軽圧下の最適化およびレール柱部の冷却を施すことにより、柱部に生成する初析セメンタイト組織（セメンタイト交線数：ＮＣ）をＣＥ値以下とすることができた。
【００４７】
上記のように、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｃｒの添加量をある一定範囲内に納め、さらに、鋳造時の軽圧下の最適化およびレール柱部の冷却を施すことにより、柱部に生成する初析セメンタイト組織（セメンタイト交線数：ＮＣ）をＣＥ値以下とすることができ、レール柱部の靭性低下を防止できた。
【００４８】
【表１】
2004043863.tif 000003
【００４９】
【表２】
2004043863.tif 000004
【００５０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、重荷重鉄道で使用される高炭素含有のパーライト組織のレールにおいて、レール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を低下させ、レール柱部の靭性低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】偏析帯に沿って初析セメンタイト組織が生成する領域を示した図。
【図２】初析セメンタイト組織の生成状況の評価方法を模式的に示した図。
【図１】
2004043863.tif 000005
【図２】
2004043863.tif 000006