(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被圧延材をオーステナイト域温度以上１０００℃以下の仕上がり温度で熱間圧延して、頭部、腹部および足部を有する形状のレールとし、
熱間圧延された前記レールの少なくとも頭部を誘導加熱装置にて１００℃／ｓ以上の昇熱速度で加熱し、
加熱した前記レールを加速冷却装置にて加速冷却し、
前記誘導加熱装置にて前記レールを加熱する際に、前記加速冷却装置での加速冷却開始時に少なくとも前記レールの頭部の表面温度が７５０℃以上となるように加熱することを特徴とするレールの製造方法。
【請求項２】
前記加速冷却装置にて前記レールを加速冷却する際に、前記頭部の表面の冷却速度を、第１急冷段階、昇温を含む緩冷段階、および第２急冷段階を含む３段階以上に分けて冷却する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】
前記第１急冷段階では、冷却開始から５００℃以上７００℃以下までの温度域において、５℃／ｓｅｃ以上１２℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で前記レールを加速冷却し、
前記緩冷段階では、前記第１急冷段階の後、前記頭部の表面のパーライト変態が終了するまでの間、−５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で前記レールを冷却または昇温し、
前記第２急冷段階では、前記緩冷段階の後、前記頭部の表面温度が４５０℃以下となるまで、１５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で前記レールを加速冷却することを特徴とする請求項２に記載のレールの製造方法。
【請求項４】
前記レールの少なくとも頭部を前記誘導加熱装置にて加熱する際に、オーステナイト域温度以上１０００℃以下の仕上がり温度で熱間圧延された前記頭部の表面温度が、自然放冷により６００℃以下になる前に前記レールの少なくとも頭部を前記誘導加熱装置にて加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレールの製造方法。
【請求項５】
被圧延材を加熱する加熱炉と、
加熱された前記被圧延材を、頭部、腹部および足部を有する形状のレールとする熱間圧延機と、
前記熱間圧延機で熱間圧延された前記レールの少なくとも頭部を１００℃／ｓ以上の昇熱速度で加熱する誘導加熱装置と、
前記誘導加熱装置で加熱された前記レールを加速冷却する加速冷却装置と、
を有し、
前記加熱炉は、前記熱間圧延機で圧延された前記レールの仕上がり温度が、オーステナト域温度以上１０００℃以下となるように前記被圧延材を加熱し、
前記誘導加熱装置は、前記加速冷却装置での加速冷却開始時に少なくとも前記レールの頭部の表面温度が７５０℃以上となるように加熱することを特徴とするレールの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御圧延（低温圧延）による組織微細化を利用した延性向上と、冷却制御による高硬度化を目的としたレールの製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄道輸送においては、旅客鉄道の高速化や海外貨物輸送の重積載化が一段と進行しており、レールの特性に対する要求がますます厳しくなってきている。耐摩耗性、靱性および延性を向上させた高硬度レールを製造するには、制御圧延を適用して圧延時の温度を低温にすることでオーステナイト内にひずみを導入し、加速冷却をする製造方法が知られている。このような製造方法では、オーステナイト内にひずみが入ることでパーライト組織のコロニーが微細化し、さらに加速冷却によりラメラー間隔の微細なパーライト組織に変態させることができる。
例えば、特許文献１には、８００℃以下において５％以上の減面率の圧延を実施した後、オーステナイトからパーライトへの変態点に達する以前に再び７５０〜９００℃に加熱し、その後１〜１５℃／ｓｅｃの冷却速度で加速冷却する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−２７７７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の方法では、圧延後のレールを再加熱する際、加熱炉にて７５０〜９５０℃の温度で５分程度加熱あるいは保熱を行っていた。このため、頭部表面のオーステナイト組織が再成長し、パーライトコロニーの微細化効果を損なっていた。一方、５分程度の加熱・保熱では頭部内部まで十分に再加熱することが出来ず、加速冷却前に変態を開始してしまうため、微細なパーライト組織を得ることが出来なかった。以上のことから、特許文献１に記載の方法で製造したレールでは、近年の特性要求（高硬度かつ高延性）を満足することが出来なくなっていた。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、高硬度かつ高延性なレールの製造方法および製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るレールの製造方法は、被圧延材をオーステナイト域温度以上１０００℃以下の仕上がり温度で熱間圧延して、頭部、腹部および足部を有するレール形状とし、熱間圧延されたレールの少なくとも頭部を誘導加熱装置にて加熱し、加熱したレールを加速冷却装置にて加速冷却し、誘導加熱装置にてレールを加熱する際に、加速冷却装置での加速冷却開始時に少なくともレールの頭部の表面温度が７５０℃以上となるように加熱することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の一態様に係るレールの製造装置は、被圧延材を加熱する加熱炉と、加熱された被圧延材を、頭部、腹部および足部を有するレール形状とする熱間圧延機と、熱間圧延機で熱間圧延されたレールの少なくとも頭部を加熱する誘導加熱装置と、誘導加熱装置で加熱されたレールを加速冷却する加速冷却装置と、を有し、加熱装置は、熱間圧延機で圧延されたレールの仕上がり温度が、オーステナイト域温度以上１０００℃以下となるように被圧延材を加熱し、誘導加熱装置は、加速冷却装置での加速冷却開始時に少なくともレールの頭部の表面温度が７５０℃以上となるように加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るレールの製造方法および製造装置によれば、高硬度かつ高延性なレールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレールの製造装置を示す模式図である。
【図２】レールの各部位を示す断面図である。
【図３】第１実施形態の加熱装置を示す正面図である。
【図４】第１実施形態の加速冷却装置を示す正面図である。
【図５】第２実施形態の加熱装置を示す正面図である。
【図６】実施例１における圧延仕上温度と伸びとの関係を示すグラフである。
【図７】実施例２における昇温速度と伸びとの関係を示すグラフである。
【図８】実施例３における冷却開始温度とブリネル硬度との関係を示すグラフである。
【図９】実施例４における冷却速度とブリネル硬度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら説明する。
まず、実施形態の説明に先立ち、一般的なレールの製造装置の概略を説明する。一般的なレールの製造装置では、加熱炉で再加熱された素材ビレットは、ＢＤ（ブレークダウン）圧延機で、おおよそレールの形状となるように圧延される。次いで、ＢＤ圧延機で圧延された素材ビレットは、粗圧延機・仕上げ圧延機にて、図２に示す所定のレール形状となるまで熱間圧延される。このとき、圧延後のレール長は通常１００ｍを超える。図２に示すように、レール１は、長手方向に垂直な断面視において、幅方向に延在し、互いに上下方向に対向する頭部１１および足部１３と、上側に配された頭部１１と下側に配された足部１３とをつなぎ、上下方向に延在する腹部１２とからなる。また、レール１は、頭部１１の上端面となる頭頂面１１ａと、頭部１１の幅方向両端面となる頭側面１１ｂ，１１ｃと、足部１３の下端面となる足裏面１３ａとを有する。
【００１０】
圧延されたレール１は、そのままの長さ、あるいは、鋸断機にて長手方向に分割されて、冷却装置に送られる。図４に示すように、加速冷却装置５は、頭頂面冷却ヘッダ５１、頭側面冷却ヘッダ５２ａ，５２ｂ、足裏面冷却ヘッダ５３、支持装置５４ａ，５４ｂを有する。加速冷却装置５に挿入された高温のレール１は、支持装置５４ａ，５４ｂによって足部１３が拘束され、頭頂面冷却ヘッダ５１、頭側面冷却ヘッダ５２ａ，５２ｂおよび足裏面冷却ヘッダ５３から噴射される冷却媒体により全長にわたり強制冷却される。冷却媒体としては、空気、ミスト、スプレー水などが用いられる。なお、頭頂面冷却ヘッダ５１、頭側面冷却ヘッダ５２ａ，５２ｂおよび足裏面冷却ヘッダ５３に冷却媒体を供給するための、タンク・ポンプ・配管といった付帯設備は図４では省略されている。さらには、支持装置５４ａ，５４ｂをレール１の長手方向にオシレーション（往復運動）させることにより、レール１と、頭頂面冷却ヘッダ５１、頭側面冷却ヘッダ５２ａ，５２ｂおよび足裏面冷却ヘッダ５３との長手方向の相対位置を変化させることで、冷却を均一にすることもある。
【００１１】
加速冷却装置５で冷却する際、冷却媒体の噴射量・噴射圧などを制御・調整し、主に頭部１１において所定の変態組織を得ることで、レール１の靱性および延性を向上させることができる。一般的には、冷却速度が高いほど高硬度となるが、冷却速度を高くし過ぎると靱性が低下するといった問題が起こることもある。
レール１の靱性や延性を向上させるには、上記の圧延をできるだけ低温で行う、いわゆる制御圧延を行うことにより、冷却によるパーライト変態の核を増やしてパーライトコロニーを微細化することが有効である。
【００１２】
しかし、圧延温度を低温化させると、圧延機から後続の加速冷却装置に到着する前に、パーライト変態が開始してしまい、パーライトラメラーの間隔が粗大となって硬度が低下する。このため、従来は、特許文献１のように７５０℃〜９００℃で５分程度の加熱あるいは保熱が行われていた。このような加熱あるいは保熱を行うと、頭部表面のパーライト組織が再成長してしまうため、パーライトコロニーの微細化効果を損なわれる。したがって、上記の製造方法では、要求を満足する靱性や延性を得ることが出来なかった。更に、５分程度の加熱・均熱では頭部内部まで十分に再加熱することが出来ないため、加速冷却前にパーライト変態の始まってしまう部分があった。このような部分ではパーライトラメラー間隔が粗大となって、硬度が低下していた。
【００１３】
以上のことから、発明者らは、延性向上のために制御圧延されたレール１をさらに加速冷却により高硬度とするには、加速冷却前に短時間でかつ頭部内部まで所定の温度に加熱することが必要であると考えた。さらに、このような加熱を行うには、誘導加熱が最も適しているため、加速冷却装置入側に少なくとも頭部１１を加熱可能な誘導加熱装置を導入することを知見した。
【００１４】
＜レールの製造装置の構成＞
図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態に係るレール１の製造装置について説明する。第１実施形態に係るレール１の製造装置は、図１に示すように、加熱炉２と、熱間圧延機３と、誘導加熱装置４と、加速冷却装置５とを有する。レール１の製造装置は、レール１の搬送方向に並んで、加熱炉２、熱間圧延機３、誘導加熱装置４および加速冷却装置５が順に設けられる。
加熱炉２は、レール１の素材となるビレット等の被圧材を後述する所定の温度まで加熱する加熱装置である。
【００１５】
熱間圧延機３は、ＢＤミル３１と、粗ミル３２と、仕上ミル３３とからなり、加熱炉２で加熱された被圧延材を所定のレール形状となるように圧延する。熱間圧延機３は、レール１の搬送方向に並んで、ＢＤミル３１、粗ミル３２および仕上ミル３３が順に設けられる。このような熱間圧延機３は、ＢＤミル３１、粗ミル３２および仕上ミル３３の各ミルにより、複数パスで被圧延材を圧延することで、精度良く圧延することができる。
誘導加熱装置４は、図３に示すように、コア材である頭部インダクタ４１と、足部インダクタ４２とを有し、レール１の頭部１１および足部１３を所定の加熱速度で加熱する。頭部インダクタ４１および足部インダクタ４２には、それぞれ不図示の電源等が接続される。頭部インダクタ４１は、頭部１１を挟むように、頭頂面１１ａおよび頭側面１１ｂ，１１ｃを覆って設けられ、頭頂面１１ａおよび頭側面１１ｂ，１１ｃを加熱する。足部インダクタ４２は、足部１３の足裏面１３ａに対向して設けられ、足裏面１３ａを加熱する。
加速冷却装置５は、上記の図４で説明した一般的なものと同様である。
【００１６】
＜レールの製造方法＞
次に、本実施形態に係るレール１の製造方法について説明する。
まず、ビレット等の被圧延材は、加熱炉２にて所定の温度となるまで加熱される。加熱炉２での加熱する際の所定の温度とは、後工程となる圧延時において圧延仕上温度が、後述する温度範囲となる温度であり、目標とする圧延仕上温度、被圧延材の搬送および圧延に伴う温度降下から決定される。
【００１７】
次いで、加熱した被圧延材は、ＢＤミル３１、粗ミル３２および仕上ミル３３にて順に圧延され、所望するレール形状となる。レール１の圧延仕上がり温度の上限は、１０００℃とし、好ましくは９５０℃とする。また、圧延仕上がり温度の下限は、オーステナイト域温度以上の７５０℃とする。圧延仕上温度を上記温度範囲とすることで、後工程の加速冷却時におけるパーライト変態の核を増やすことができ、パーライトコロニーを微細化することができる。また、圧延仕上がり温度が１０００℃超となる場合、粒界が動きやすくなることから、オーステナイト組織が粗大化し、靱性や延性が低下する。また、圧延仕上がり温度が７５０℃未満の場合、圧延前にパーライト変態が開始してしまい、ラメラー間隔が粗大となるため、硬度が低下する。
【００１８】
さらに、圧延されたレール１は、誘導加熱装置４へ搬送され、誘導加熱装置４にて少なくとも頭部１１が所定の温度となるまで加熱される。この際、上記のように、圧延後のレール１の温度が低い場合には、パーライトラメラーの間隔が粗大となり硬度が低下するため、熱間圧延機３から誘導加熱装置４までのレール１の搬送時間は短いほど好ましい。また、誘導加熱装置４で加熱されるレール１は、表面温度が６００℃超であることが好ましい。加熱前のレール１の表面温度が６００℃以下となると、頭部１１の内部までパーライト変態が広がることから、より内部まで加熱することが必要となるため、生産効率やエネルギ効率が低下する。誘導加熱装置４にて加熱する際の所定の温度とは、後工程である加速冷却時において、冷却開始温度が後述する温度範囲となる温度であり、目標とする冷却開始温度および搬送中の温度降下によって決定される。誘導加熱装置４にて加熱をする際、頭部１１の昇熱速度は、１０℃／ｓ以上とするとよく、１００℃／ｓ以上とするとさらによい。昇熱速度を大きくすることで、頭部１１表面のパーライト組織の再成長を抑制することができる。また、この時、頭部１１と同様に、足部１３についても、同様に加熱が行われてもよい。
【００１９】
その後、加熱されたレール１は、加速冷却装置５へと搬送され、頭頂面冷却ヘッダ５１、頭側面冷却ヘッダ５２ａ，５２ｂおよび足裏面冷却ヘッダ５３から噴射される冷却媒体によって頭部１１および足部１３が加速冷却される。この際、レール１の冷却開始温度の下限は、７５０℃、望ましくは８００℃とし、冷却開始温度の上限は、８５０℃とする。また、この加速冷却処理は、少なくとも頭部１１の表面温度が、６００℃以下となるまで、望ましくは４００℃以下になるまで行われる。ここで、レール１の冷却開始温度は、少なくとも頭部１１の表面温度を意味する。冷却開始温度が７５０℃未満となる場合、加速冷却を開始する前にパーライト変態が起きるため、ラメラー間隔が粗大となってしまう。一方、冷却開始温度が８５０℃超となる場合、オーステナイト粒が再成長してしまうため、パーライトコロニーの細粒効果が減じてしまう。また、上記と同様の理由から、誘導加熱装置４にて再加熱してから、レール１を加速冷却装置５に搬送し、加速冷却が開始されるまでの時間は、短いほど好ましい。
【００２０】
７５０℃以上の冷却開始温度で加速冷却を行う場合においては、一定の冷却速度で冷却してもよいが、頭部１１の表面の組織に応じて、冷却中の冷却速度を変化させるとなおよい。この場合、第１急冷段階、緩冷段階、第２急冷段階の３段階で冷却速度を変化させることが好ましい。なお、冷却速度は、頭部表面における冷却速度の平均値を示す。まず、レール１は、第１急冷段階として、冷却開始から表面温度が５００℃以上７００℃以下となるまで５℃／ｓｅｃ以上１２℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で冷却される。第１急冷段階では、頭部１１の表面におけるパーライト変態開始温度が調整される。第１急冷段階における冷却終了温度が７００℃超となる場合、ラメラー間隔が大きくなるために、硬度が著しく低下する。一方、第１急冷段階における冷却終了温度が５００℃未満となる場合、ベイナイト組織となるため、硬度が低下する。第１急冷段階の後、レール１は、緩冷段階として、−５℃／ｓ以上５℃／ｓ以下の冷却速度で冷却または昇温される（均熱状態）。ここで、冷却速度のマイナスは、変態発熱に伴う昇温を意味する。緩冷段階において昇温が含まれるのは、頭部１１の表面領域でパーライト変態が進行することにより変態発熱が起きることと、内部からの伝熱があるためである。なお、緩冷段階における温度変化は小さいほど好ましい。緩冷段階は、頭部１１の表面領域のパーライト変態が終了するまで続けられる。パーライト変態終了のタイミングは、変態発熱が治まり表面温度が下がり始めることで、自ずと判別することができる。また、パーライト変態終了のタイミングは、予め数回の試作を行って、最適なタイミングを設定しておいてもよい。緩冷段階の後、レール１は、第２急冷段階として、表面温度が４５０℃以下となるまで１５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で冷却される。第２急冷段階の冷却停止温度（冷却終了時のレール１の表面温度）が４５０℃超となる場合、頭部１１の内部の変態が終了していないために、頭部１１の内部の硬度が低下する。また、第２冷却段階の冷却速度を１５℃／ｓｅｃ超とする場合、頭部１１の表層域直下の領域でマルテンサイト変態が起こるため、伸びが著しく低下する。硬度や伸びの観点からは、冷却停止温度に特に下限はなく、常温まで冷却することができる。ただし、冷却停止温度が３００℃未満となると、水素割れが起こりやすくなるため、冷却停止温度の下限は３００℃とすることが好ましい。なお、上記の冷却パターンは、頭部１１の表面温度の変化により規定することができるが、予め数回の試作を行うことにより、各段階の冷却時間を決めることもできる。また、足部１３についても、頭部１１と同様な温度履歴となるように、冷却速度が調整されることで冷却が行われる。
【００２１】
本実施形態では、上記のように、加速冷却をする際に、冷却速度を段階的に変化させ、第１急冷段階、昇温を含む緩冷段階および第２急冷段階の順に冷却を行う。これにより、頭部１１の表面だけでなく、内部の硬度も向上させることが可能となる。なお、ここでいう急冷と緩冷との境界は明確ではなく、対象とするレール１の成分によっても異なるが、急冷では冷却速度を５℃／ｓ以上１０／ｓ以下とすることが好ましい。
以上のように、本実施形態では、制御圧延された高温のレール１を誘導加熱装置４にて休息加熱し、その後加速冷却を行うことで、高硬度かつ高延性なレール１が製造される。
【００２２】
＜変形例＞
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００２３】
例えば、本発明は上記実施形態のように、制御圧延された高温のレール１を、誘導加熱を用いて急速加熱し、その後、加速冷却するレール１の製造方法である。このため、レール１の製造装置は、図１に示すように、熱間圧延機３と誘導加熱装置４と加速冷却装置５とが順に設けられることが望ましい。もちろん、熱間圧延機３や図示しない付属設備は図３に限られるものではない。
【００２４】
また、上記実施形態では、誘導加熱装置４の頭部インダクタ４１は、図３に示す構成としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、頭部インダクタは、図５に示すように、頭頂面１１ａに対向して設けられる頭頂面インダクタ４３と、頭側面１１ｂ，１１ｃに対向してそれぞれ設けられる頭側面インダクタ４４ａ，４４ｂとからなる構成でもよい。この際、頭頂面１１ａが頭頂面インダクタ４３に加熱され、頭側面１１ｂ，１１ｃが頭側面インダクタ４４ａ，４４ｂに加熱されることで、頭部１１が急速加熱される。
【００２５】
さらに、上記実施形態では、加速冷却をする際、冷却速度を３段階に変化させるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、加速冷却をする際、一定の冷却速度での冷却や冷却速度を４段階以上に変化させる冷却を行ってもよい。また、上記実施形態における冷却速度および冷却時間の値は一例であり、レール１の成分や求められる組織および特性に応じて、適宜最適な条件が選択される。
【００２６】
＜実施形態の効果＞
（１）本発明の上記実施形態に係るレール１の製造方法は、被圧延材をオーステナイト域温度以上１０００℃以下の仕上がり温度で熱間圧延して、頭部、腹部および足部を有する形状のレールとし、熱間圧延されたレール１の少なくとも頭部１１を誘導加熱装置４にて加熱し、加熱したレール１を加速冷却装置５にて加速冷却し、誘導加熱装置４にてレール１を加熱する際に、加速冷却装置５での加速冷却開始時に少なくともレール１の頭部１１の表面温度が７５０℃以上となるように加熱する。
【００２７】
上記構成によれば、オーステナイト域温度以上１０００℃以下の温度で圧延することで加速冷却時におけるパーライト変態の核を増やすことができる。さらに、加速冷却開始時の表面温度を７５０℃とすることで、レール１の頭部１１を微細なパーライトコロニーを有するパーライト組織とすることができる。このため、高硬度かつ高延性なレール１を製造することができる。また、誘導加熱装置４を用いることにより、例えば特許文献１に記載の方法に比べ、再加熱に掛かる時間を短かくできるため、生産性に優れる。さらに、特許文献１に記載の加熱炉にて再加熱を短時間で行う場合に比べ、頭部１１の内部まで十分に再加熱することができるため、硬度および靱性に優れたレール１を製造することができる。
【００２８】
（２）加速冷却装置５にてレール１を加速冷却する際に、頭部１１の表面の冷却速度を、第１急冷段階、昇温を含む緩冷段階、および第２急冷段階を含む３段階以上に分けて冷却する。
上記構成によれば、レール１の頭部１１の表面および内部の硬度を向上させることができる。
【００２９】
（３）第１急冷段階では、冷却開始から５００℃以上７００℃以下までの温度域において、５℃／ｓｅｃ以上１２℃／ｓｅｃ以下の冷却速度でレール１を加速冷却し、緩冷段階では、第１急冷段階の後、頭部１１の表面のパーライト変態が終了するまでの間、−５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度でレール１を冷却または昇温し、第２急冷段階では、緩冷段階の後、頭部１１の表面温度が４５０℃以下となるまで、１５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度でレール１を加速冷却する。
上記構成によれば、硬度および延性により優れたレール１を製造することができる。
【００３０】
（４）レール１の少なくとも頭部１１を誘導加熱装置４にて加熱する際に、オーステナイト域温度以上１０００℃以下の仕上がり温度で熱間圧延された頭部１１の表面温度が、自然放冷により６００℃以下になる前にレール１の少なくとも頭部１１を誘導加熱装置４にて加熱する。
上記構成によれば、パーライト変態の広がりを頭部１１の表層に留めておくことができるため、生産効率やエネルギ効率を向上させることができる。
【００３１】
（５）本発明に係るレール１の製造装置は、被圧延材を加熱する加熱炉２と、加熱された被圧延材を、頭部１１、腹部１２および足部１３を有する形状のレールとする熱間圧延機３と、熱間圧延機３で熱間圧延されたレール１の少なくとも頭部１１を加熱する誘導加熱装置４と、誘導加熱装置４で加熱されたレール１を加速冷却する加速冷却装置５と、を有し、加熱炉２は、熱間圧延機３で圧延されたレール１の仕上がり温度が、オーステナイト域温度以上１０００℃以下となるように被圧延材を加熱し、誘導加熱装置４は、加速冷却装置５での加速冷却開始時に少なくともレール１の頭部１１の表面温度が７５０℃以上となるように加熱する。
上記構成によれば、（１）と同様な効果を得ることができる。
【実施例１】
【００３２】
次に、本発明者らが行った実施例１について説明する。
実施例１では、図１に示す製造装置を用いて高硬度レールの製造をおこなった。製造したレール１の形状はＡＲＥＭＡ（American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association）規格のＲ１３６−８である。レール１の成分は、Ｃ（炭素）：０．８３質量％、Ｓｉ（シリコン）：０．５２質量％、Ｍｎ（マンガン）：１．１１質量％、Ｐ（リン）：０．０１５質量％、Ｓ（硫黄）：０．００８質量％、Ａｌ（アルミニウム）：０．０００５質量％、Ｔｉ（チタン）：０．００１質量％を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる。レールの全長は１００ｍである。
【００３３】
実施例１では、まず、被圧延材を加熱した後、圧延前に被圧延材を待機させ、大気放冷することで後述する圧延仕上り温度を調整した。
次いで、被圧延材を熱間圧延機３にて圧延し、上記形状のレール１とした。圧延仕上温度は、７５０℃、８００℃、９００℃、９５０℃、１０００℃、１０５０℃および１１００℃の７条件とした。
【００３４】
さらに、圧延したレール１を誘導加熱装置４にて再加熱した。この際、昇温速度は１００℃／ｓとし、レール１の頭部１１表面が８３０℃となるまで再加熱した。また、再加熱前の頭部１１の表面温度は、６５０℃以上とした。
その後、再加熱したレール１を加速冷却装置にて加速冷却した。加速冷却開始時の頭部１１の表面温度は、８００℃とした。加速冷却開始後３５秒間は、７℃／ｓの平均冷却速度で急冷却し、次に±１℃／ｓの平均冷却速度で３５秒間緩冷却し、さらに７℃／ｓの平均冷却速度で頭部１１の表面温度が４００℃となるまで急冷却した。
【００３５】
上記の工程により製造したレール１の頭部角の位置からφ１２．７ｍｍの丸棒試験片を長手方向に切り出し、切り出した丸棒試験片を用いて引っ張り試験を行った。なお、頭部角は、頭頂面１１ａから１２．７ｍｍ、頭側面から１２．７ｍｍの深さ位置を示す。
圧延仕上温度と、引っ張り試験で測定された伸びとの関係を図６に示す。図６に示すように、圧延仕上温度が低くなるほど伸びが大きくなり、特に圧延仕上温度が１０００℃以下になると伸びが大きくなりはじめ、９５０℃までは伸びの圧延仕上温度に対する変化量が大きくなることを確認した。さらに、本発明者らは、圧延仕上温度が７５０℃未満のオーステナイト域温度未満の場合についても同様の条件で試験を行ったが、一部の組織が二相域となり、圧延荷重が著しく高くなることから、圧延を行うことができなかった。実施例１では、圧延仕上温度を７５０℃以上１０００℃以下とすることで、レール１の伸びが改善されることを確認した。
【実施例２】
【００３６】
次に、本発明者らが行った実施例２について説明する。
実施例２では、圧延仕上温度を８７５℃、再加熱前の頭部１１の表面温度を７００℃、頭部１１表面における再加熱温度を８３０℃として、昇温速度をかえた複数の条件でレール１を製造した。昇温速度は、１℃／ｓ、１０℃／ｓおよび１００℃／ｓとした。昇温速度が１℃／ｓの条件は、特許文献１のような従来技術を模擬するための条件であり、レール１の通過速度および誘導加熱出力を調整することで、通常の加熱炉並みの昇温速度での再加熱したものである。その他の条件は、実施例１と同様である。また、実施例１と同様に丸棒試験片を採取し、引っ張り試験を行った。
昇温速度と、伸びとの関係を図７に示す。図７に示すように、昇温速度を上げる程伸びが改善することが確認できた。さらに、誘導加熱装置４を用いて昇温速度を１０℃／ｓ以上とすることで、加熱炉を用いた条件よりも伸びが大幅に改善されることが確認できた。
【実施例３】
【００３７】
次に、本発明者らが行った実施例３について説明する。
実施例３では、圧延終了温度を８７５℃、再加熱前の頭部１１の表面温度を６５０℃、頭部１１の表面における再加熱昇温速度を１００℃／ｓとして、再加熱温度を調整することで、加速冷却開始時の頭部１１の表面温度をかえた複数の条件でレール１を製造した。表面温度の条件は、７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃、９００℃、９５０℃および１０００℃の７条件とした。その他の条件は、実施例１と同様である。また、頭部１１の中央上端から５ｍｍ、２５ｍｍの深さから試験片を採取し、断面硬度を測定した。
冷却開始温度とブリネル硬度との関係を図８に示す。図８に示すように、加速冷却開始時の頭部１１の表面温度を７５０℃以上とすることで、ブリネル硬度が上昇することを確認した。また、誘導加熱装置４を用いて再加熱することにより、表層だけでなく、内部（深さ２５ｍｍ位置）においても硬度が向上することを確認した。
【実施例４】
【００３８】
次に、本発明者らが行った実施例４について説明する。
実施例４では、圧延終了温度を８７５℃、再加熱前の頭部１１の表面温度を７００℃、頭部表面における再加熱昇温速度を１００℃／ｓ、再加熱温度を８３０℃、冷却開始温度を８００℃とし、加速冷却条件をかえた複数の条件でレール１を製造した。なお、従来の条件（比較例）として、冷却速度を１℃／ｓ、５℃／ｓ、１０℃／ｓおよび１５℃／ｓと一定にした冷却を行った。一方、本発明の冷却条件として実施例３と同様の冷却を行った。その他の条件については、実施例３と同様である。また、実施例１および実施例３と同様に試験片を採取し、引っ張り試験および断面硬度を測定した。
【００３９】
いずれの条件においても、伸びは１０％〜１２％の範囲であり良好であった。冷却速度と５ｍｍ深さ位置におけるブリネル硬度との関係を図９に示す。図９に示すように、本発明の冷却条件を適用した実施例では、比較例のいずれの冷却速度よりも硬度が高くなることを確認した。
以上のように、実施例１〜実施例４の結果から、本発明に係るレールの製造方法および製造装置によれば、高硬度かつ高延性なレールを得ることが出来た。
【符号の説明】
【００４０】
１  ：レール
１１  ：頭部
１１ａ  ：頭頂面
１１ｂ、１１ｃ  ：頭側面
１２  ：腹部
１３  ：足部
１３ａ  ：足裏面
２  ：加熱炉
３  ：熱間圧延機
３１  ：ＢＤミル
３２  ：粗ミル
３３  ：仕上げミル
４  ：誘導加熱装置
４１  ：頭部用コア
４２  ：足裏用コア
４２  ：頭頂用コア
４４ａ、４４ｂ  ：頭側用コア
５  ：加速冷却装置
５１  ：頭頂冷却ヘッダ
５２ａ、５２ｂ  ：頭側冷却ヘッダ
５３  ：足裏冷却ヘッダ
５４ａ、５４ｂ  ：クランプ装置
【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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