(57)【要約】【課題】本発明は、高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の加熱条件の適正化を図り、圧延時の鋼片の割れや破断を防止し、さらに、鋼片外表面部の脱炭を抑制し、高効率に高品質なレールを製造する方法を提案する。【解決手段】質量で、Ｃ：０．８０〜１．４０％を含有するレール圧延用鋼片に熱間圧延を行う際の再加熱工程において、鋼片の最大加熱温度（Ｔｍａｘ；℃）が、鋼レールの炭素含有量からなる下式でで示される値（ＣＴ）に対して、Ｔｍａｘ  ≦ＣＴとなり、かつ、鋼片が１１００℃以上に加熱される保持時間（Ｍｍａｘ；ｍｉｎ）が、鋼レールの炭素含有量からなる下式で示される値（ＣＭ）に対して、Ｍｍａｘ  ≦ＣＭとなる鋼片の加熱を行うことを特徴とする。  ＣＴ＝１５００−１４０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−８０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２      ＣＭ＝  ６００−１２０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−６０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２  【選択図】    図１
2004223531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．８０〜１．４０％を含有するレール圧延用鋼片に熱間圧延を行う際の再加熱工程において、鋼片の最大加熱温度（Ｔｍａｘ；℃）が、鋼レールの炭素含有量からなる下式で示される値（ＣＴ）に対して、Ｔｍａｘ≦ＣＴとなり、かつ、鋼片が１１００℃以上に加熱される保持時間（Ｍｍａｘ；ｍｉｎ）が、鋼レールの炭素含有量からなる下式で示される値（ＣＭ）に対して、Ｍｍａｘ≦ＣＭとなるように鋼片の加熱を行うことを特徴とした高炭素鋼レールの製造方法。
ＣＴ＝１５００−１４０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−８０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２  
ＣＭ＝６００−１２０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−６０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２  
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の加熱条件の適正化を図り、圧延時の鋼片の割れや破断を防止し、さらに、鋼片外表面部の脱炭を抑制し、高効率に高品質なレールを製造することを目的とした高炭素鋼レールの製造方法に関するものである。
【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。
【０００３】
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。
▲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（特許文献１）。
▲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、頭部を熱処理することにより硬さを制御した、耐摩耗性に優れたレールおよびその製造法（特許文献２）。
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体積比率を増加させ、硬さや組織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】
【特許文献１】
特開平８−１４４０１６号公報）
【特許文献２】
特開平８−２４６１００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の▲１▼に示されたパーライト組織を呈する発明レール鋼では、高炭素化により耐摩耗性の向上が図れる。しかし、上記の発明レール鋼は、現行の共析炭素含有（Ｃ：０．８０％）の高強度レール鋼よりも炭素量が高いため、圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、加熱温度の選択が不適切であると、鋼片の一部が溶融状態となり、１）圧延中に鋼片に割れが発生し、鋼片が破断することや、さらに、２）最終圧延後のレールに割れが残留することにより、製品の歩留まりが著しく低下すると言った問題があった。
【０００６】
また、圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、加熱時の保持時間の選択が不適切であると、鋼片の外表面部の脱炭が促進され、最終圧延後のレール外表面部のパーライト組織の炭素量や硬さが低下し、レール頭部の耐摩耗性が損なわれ、さらには、レールの疲労強度が低下しやすいといった問題があった。
【０００７】
このような背景から、高炭素含有のレール鋼において、圧延時の鋼片の割れを防止し、さらに、レール外表面部の脱炭を抑制することにより、耐摩耗性や疲労強度の低下を抑制し、高効率に高品質なレールを製造する高炭素鋼レールの製造方法の開発が求められていた。
【０００８】
すなわち、本発明は、高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の最大加熱温度やある一定温度以上に加熱される時間の適正化を図り、圧延時の鋼片の割れや破断を防止し、さらに、レール外表面部の脱炭を抑制することにより、耐摩耗性や疲労強度の低下を抑制し、高効率に高品質なレールを製造することを目的としたものである。
【０００９】
【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。
質量％で、Ｃ：０．８０〜１．４０％を含有するレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の最大加熱温度（Ｔｍａｘ；℃）が鋼レールの炭素含有量からなる下式で示される値（ＣＴ）に対して、Ｔｍａｘ≦ＣＴとなり、かつ、鋼片が１１００℃以上に加熱される保持時間（Ｍｍａｘ；ｍｉｎ）が鋼レールの炭素含有量からなる下式で示される値（ＣＭ）に対して、Ｍｍａｘ≦ＣＭとなる鋼片の加熱を行うことを特徴とした高炭素鋼レールの製造方法。
ＣＴ＝１５００−１４０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−８０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２  
ＣＭ＝６００−１２０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−６０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２  
【００１０】
【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、高炭素含有のレール圧延用鋼片を再加熱し、熱間圧延を行う工程において、鋼片に割れが発生する原因について調査を行った。その結果、鋼片の割れは、鋼片の加熱温度が最も高い外表面近傍の凝固組織の偏析部において、鋼片の一部が溶融し、これが圧延により開口することで発生していること。さらに、この割れの発生は、鋼片の最高加熱温度が高いほど、また、鋼片の炭素量が高いほど発生しやすことが明らかとなった。
【００１１】
そこで、本発明者らは、割れの原因である部分的な溶融が発生する鋼片の最高加熱温度と鋼片の炭素量の関係を実験により検討した。その結果、鋼片の部分的な溶融が発生する最高加熱温度は、下記（１式）に示す鋼片の炭素量（ｍａｓｓ％）を用いた２次式で表すことができ、鋼片の最高加熱温度（Ｔｍａｘ；℃）をこの２次式から求められるＣＴ値以下に制御することにより、再加熱状態での鋼片の部分的な溶融やこれにともなう熱間圧延時の割れや破断が防止できることを見出した。
ＣＴ＝１５００−１４０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−８０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２  ・・・・・１
【００１２】
次に、本発明者らは、高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の外表面部の脱炭が促進される要因を解析した。その結果、鋼片の外表面部の脱炭は、鋼片を再加熱する際の温度やその保持時間、さらには、鋼片の炭素量に大きく影響されていることがわかった。
そこで、本発明者らは、鋼片を再加熱する際の温度やその保持時間、さらには、鋼片の炭素量と鋼片外表面部の脱炭量の関係を明らかにした。その結果、鋼片の外表面部の脱炭量は、ある一定温度以上に保持される時間が長いほど、さらに、鋼片の炭素量が高いほど促進されることがわかった。
【００１３】
さらに本発明者らは、鋼片の炭素量と最終圧延後のレールの諸特性が低下しない鋼片の再加熱時における保持時間の関係を実験により検討した。その結果、鋼片の保持時間は、再加熱温度１１００℃以上を基準とした場合、下記（２式）に示す鋼片の炭素量（ｍａｓｓ％）を用いた２次式で表すことができ、鋼片の再加熱時間（Ｍｍａｘ；ｍｉｎ）をこの２次式から求められるＣＭ値以下に制御することにより、鋼片外表面部のパーライト組織の炭素量や硬さの低下が抑制され、最終圧延後のレールの耐摩耗性や疲労強度の低下が抑制できることを見出した。
ＣＭ＝６００−１２０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−６０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２  
・・・・・・２
【００１４】
したがって、本発明では、高炭素含有のレール鋼において、高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の最大加熱温度や、ある一定温度以上に加熱される保持時間の適正化を図り、鋼片の部分的な溶融を防止しすることにより、熱間圧延時の割れや破断を防止し、さらに、レール外表面部の脱炭を抑制することにより、耐摩耗性や疲労強度の低下を抑制し、高効率に高品質なレールが製造できること知見した。
すなわち、本発明は、高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の部分的な溶融を防止し、さらに、鋼片外表面部の脱炭を抑制し、高効率に高品質なレールを製造することを目的とした高炭素鋼レールの製造方法に関するものである。
【００１５】
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の限定理由
請求項１において、レール鋼の炭素量を上記請求範囲に限定した理由について詳細に説明する。
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０．８０％未満では、パーライト組織中のセメンタイト相の体積比率が確保できず、耐摩耗性が維持できない。また、Ｃ量が０．８０％未満では、鋼片を熱間圧延を行う再加熱工程において、上記限定の温度制御を行わなくても、鋼片の部分的な溶融やこれにともなう熱間圧延時の割れや破断が発生し難く、鋼片の外表面部において脱炭が発生した場合においても、最終圧延後のレールの耐摩耗性や疲労強度が低下し難い。したがって、本発明の製造方法を適用しても十分な効果が得られない。また、Ｃ量が１．４０％を超えると、本発明の製造方法を適用しても、鋼片の部分的な溶融や圧延時の微小な割れの発生を抑制することが困難である。さらに、鋼片の外表面部の脱炭が促進され、最終圧延後のレールの耐摩耗性や疲労強度が著しく低下する。このため、Ｃ量を０．８０〜１．４０％に限定した。
【００１６】
なお、熱間圧延を施したレールは、▲１▼高硬度化による耐摩耗性の向上、▲２▼疲労き裂や脆性き裂の発生に有害な初析セメンタイト組織の生成を防止し、耐摩耗性の高いパーライト組織を安定的に生成させるため、高温度の熱を保有するレール頭部に加速冷却を施すこと場合もある。
また、本発明製造方法において、鋼片の成分系については、上記の炭素量以外については、特に限定するものではないが、圧延したレールの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、初析セメンタイト組織の生成抑制を図る目的で、必要に応じて、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｂ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｎ等の元素を１種または２種以上を含有する成分系が望ましい。
【００１７】
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により鋼片を製造する。さらに、この鋼片を再加熱し、熱間圧延を施すことによりレールとして製造される。
【００１８】
（２）熱間圧延を行う再加熱工程における鋼片の最大加熱温度（Ｔｍａｘ；℃）の限定理由について
請求項１において、レール圧延用鋼片に熱間圧延を行う際の再加熱工程において、鋼片の最大加熱温度（Ｔｍａｘ；℃）を、鋼レールの炭素含有量から求められるＣＴ値以下に限定した理由について詳細に説明する。
高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片に部分的な溶融が発生し、熱間圧延を行う際に、鋼片に割れが発生する要因を実験により調査した。その結果、鋼片の最高加熱温度が高いほど、また、鋼片の炭素量が高いほど、再加熱時に鋼片に部分的な溶融が発生し、圧延時に割れが発生し易いことを確認した。
そこで、鋼片の炭素量と鋼片も部分的な溶融が発生する最高加熱温度との関係を重相関により求めた。以下にその相関式（１式）を示す。
ＣＴ＝１５００−１４０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−８０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２  ・・・・・・１
【００１９】
したがって、１式は実験回帰式であり、鋼片の最高加熱温度（Ｔｍａｘ；℃）を鋼片の炭素量を用いた２次式から求められるＣＴ値以下に制御することにより、再加熱時の鋼片の部分的な溶融やこれにともなう圧延時の鋼片の割れや破断を防止することができる。
【００２０】
（３）熱間圧延を行う再加熱工程における鋼片の加熱保持時間（Ｍｍａｘ；ｍｉｎ）の限定理由について
請求項１において、レール圧延用鋼片に熱間圧延を行う際の再加熱工程において、鋼片が１１００℃以上に加熱される保持時間（Ｍｍａｘ；ｍｉｎ）を、鋼レールの炭素含有量から求められるＣＭ値以下に限定した理由について詳細に説明する。
高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の外表面部の脱炭量が増加する要因を実験により調査した。その結果、ある一定温度以上に保持される時間が長いほど、さらに、鋼片の炭素量が高いほど、再加熱時に脱炭が促進されることがわかった。
そこで、鋼片の脱炭が著しい再加熱温度１１００℃以上の温度域において、鋼片の炭素量と最終圧延後のレールの諸特性が低下しない鋼片の加熱保持時間の関係を重相関により求めた。以下にその相関式（２式）を示す。
ＣＭ＝６００−１２０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）−６０（〔ｍａｓｓ％Ｃ〕）２  
・・・・・・２
【００２１】
したがって、２式は実験回帰式であり、鋼片の再加熱温度１１００℃以上の温度域において、加熱保持時間（Ｍｍａｘ；ｍｉｎ）をこの２次式から求められるＣＭ値以下に制御することにより、鋼片外表面部のパーライト組織の炭素量や硬さの低下が抑制され、最終圧延後のレールの耐摩耗性や疲労強度の低下が抑制できる。
なお、加熱保持時間（Ｍｍａｘ；ｍｉｎ）の下限値については、特に限定しないが、鋼片を均一に熟熱させ、レール圧延時の成形性を確保する観点から、２５０ｍｉｎ以上とすることが望ましい。
【００２２】
上記限定のレール圧延用鋼片の再加熱工程における加熱温度やその時間の制御については、直接、鋼片の外表面部を測温し、その温度や時間を制御することが望ましい。しかし、工業的にその測定が困難な場合は、加熱炉の平均的な雰囲気温度や所定の雰囲気温度における在炉時間を制御しても同様の効果が得られ、高効率に高品質なレールを製造することが可能となる。
【００２３】
また、上記限定の再加熱を行い、熱間圧延を行った鋼レールの頭部金属組織は、耐摩耗性の高いパーライト組織であることが望ましい。さらに、このパーライト組織を安定的に生成させ、高硬度化を図るため、圧延後のレール頭部に加速冷却を行うことが望ましい。また、圧延後のレール頭部の硬さは、耐摩耗性を確保する目的から、Ｈｖ３００〜５００の範囲にあることが望ましい。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１に供試レール鋼の化学成分を示す。なお残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
表２は、表１に示す供試レール鋼を用いて、本発明の製造方法でレールを製造する際の鋼片の再加熱条件（ＣＴ値、ＣＭ値、鋼片の最高加熱温度：Ｔｍａｘ、１１００℃以上に加熱される保持時間：Ｍｍａｘ）、レール熱間圧延および圧延後の諸特性（熱間圧延時および圧延後の表面性状、頭表面の組織、頭表面の硬さ）を示す。さらに、本発明の製造方法で製造したレールの摩耗試験結果を示す。
【００２５】
表３は、表１に示す供試レール鋼を用いて、比較製造方法でレールを製造する際の鋼片の再加熱条件（ＣＴ値、ＣＭ値、鋼片の最高加熱温度：Ｔｍａｘ、１１００℃以上に加熱される保持時間：Ｍｍａｘ）、レール熱間圧延および圧延後の諸特性（熱間圧延時および圧延後の表面性状、頭表面の組織、頭表面の硬さ）を示す。さらに、本発明の製造方法で製造したレールの摩耗試験結果を示す。
【００２６】
ここで、本明細書中の図について説明する。図１はレールと車輪の転動摩耗試験機の概要を示したものである。
図１において、１はレール移動用スライダーであり、この上にレール２が設置される。５はモーター４で回転する車輪３の左右の動きおよび荷重を制御する荷重負荷装置である。試験は左右に移動するレール２上を車輪３が転動する。
【００２７】
レールの構成は以下のとおりである。
・本発明熱処理レール（９本）  符号Ａ〜Ｉ
上記成分範囲内のレール鋼を、上記限定範囲内の製造方法で製造した鋼片およびレール。
・比較熱処理レール  （８本）  符号Ｊ〜Ｑ
上記成分範囲内のレール鋼を、上記限定範囲外の製造方法で製造した鋼片およびレール。
【００２８】
試験条件は下記のとおり。
・転動疲労試験
試験機：転動疲労試験機（図１参照）
試験片形状
レール：１３６ポンドレール×２ｍ
車  輪：ＡＡＲタイプ（直径９２０ｍｍ）
荷重条件（重荷重鉄道再現）
ラジアル荷重：１４７０００Ｎ（１５トン）
スラスト荷重：    ９８００Ｎ（  １トン）
繰返し回数：１００００回
潤滑条件：ドライ（乾燥状態）
【００２９】
表２、表３に示すように、表１に示した高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の最大加熱温度やある一定温度以上に加熱される時間の適正化を図ることにより、上記限定範囲内の再加熱条件で製造したレール（符号：Ａ〜Ｉ）は、比較再加熱条件で製造したレール（符号：Ｊ〜Ｑ）と比べて、圧延時の鋼片の割れや破断を防止し、さらに、レール外表面部の脱炭を抑制し、初析フェライト組織の生成を防止することにより、耐摩耗性の低下を抑制し、高効率に高品質なレールを製造することができた。
【００３０】
【表１】
2004223531.tif 000003
【００３１】
【表２】
2004223531.tif 000004
【００３２】
【表３】
2004223531.tif 000005
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高炭素含有のレール圧延用鋼片を用いて熱間圧延を行う再加熱工程において、鋼片の加熱条件の適正化を図り、圧延時の鋼片の割れや破断を防止し、さらに、鋼片外表面部の脱炭を抑制し、高効率に高品質なレールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レールと車輪の転動摩耗試験機の概要を示した図。
【符号の説明】
１：レール移動用スライダー
２：レール
３：車輪
４：モーター
５：荷重負荷装置
【図１】
2004223531.tif 000006