(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レールを製造するためのスチール鋼であって、少なくとも３３０ＨＶ３０の硬度、少なくとも１０００ＭＰａの引張強度および少なくとも６００ＭＰａの降伏強度を有し、（質量％で）
・０．７０％〜０．８５％の炭素、
・０．６５％〜１．００％のケイ素、
・１．１％〜１．４％のマンガン、
・０．０７％〜０．１５％のバナジウム、
・０．００８％までの窒素、
・０．０２５％までのリン、
・０．００８％〜０．０３０％の硫黄、
・最大２．５ｐｐｍの水素、
・最大０．１０％のクロム、
・最大０．０１０％のアルミニウム、
・最大２０ｐｐｍの酸素、
・鉄および不可避的不純物、
からなり、
式１によって決定されるマルテンサイトスタート変態温度（Ｍｓ）が１７５℃よりも低く、式２によるマルテンサイトフィニッシュ変態温度（Ｍｆ）が２５℃よりも低い、
Ｍｓ（℃）＝０．５×（Ｍｓ，Ａｎｄｒｅｗｓ＋Ｍｓ，Ｓｔｅｖｅｎｓ＆Ｈａｙｎｅｓ）        ＜式１＞
Ｍｓ，Ａｎｄｒｅｗｓ（℃）＝５３９−４２３×％炭素−３０．４×％Ｍｎ      ＜式１ａ＞
Ｍｓ，Ｓｔｅｖｅｎｓ＆Ｈａｙｎｅｓ（℃）＝５６１−４７４×％炭素−３３×％Ｍｎ
＜式１ｂ＞
Ｍｆ（℃）＝Ｍｓ−１５０                                              ＜式２＞ことを特徴とする、スチール鋼。
【請求項２】
少なくとも０．７３５％の炭素含有量を含んでなる、請求項１に記載のスチール鋼。
【請求項３】
少なくとも１．２０％のマンガン含有量を含んでなる、請求項１または２記載のスチール鋼。
【請求項４】
少なくとも０．７５％のケイ素含有量を含んでなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスチール鋼。
【請求項５】
少なくとも０．０８％のバナジウム含有量と、最大０．００５％の窒素含有量との組み合わせを含んでなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスチール鋼。
【請求項６】
少なくとも０．１０％のバナジウム含有量と、最大０．００７％の窒素含有量との組み合わせを含んでなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスチール鋼。
【請求項７】
溶接修復ビードの熱影響部が少なくとも５０容積％の残留オーステナイトを含んでなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載のスチール鋼。
【請求項８】
最大で、０．８０％のケイ素含有量を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のスチール鋼。
【請求項９】
最大で、１．３５％のマンガン含有量を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のスチール鋼。
【請求項１０】
最大で、０．８％の炭素含有量を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のスチール鋼。
【請求項１１】
少なくとも３３０ＨＶ３０の硬度、少なくとも１０００ＭＰａの引張強度および少なくとも６００ＭＰａの降伏強度を有する請求項１〜１０のいずれか１項に記載のスチール鋼から作成されることを特徴とする、レール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レール鋼、特に、たとえば路面軌道のために使用されるものなどのみぞレール（grooved rail）として使用するためのレール鋼であって、優れた特性の組み合わせ、特に摩耗および転がり接触疲労（rolling contact fatigue）の両方に対する耐性を有し、同時に高温予熱の必要がなく溶接修復が可能なレール鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道輸送の費用有効性は近年重要な問題になってきている。路面鉄道網において埋め込み型レールの交換は、鉄道交通だけでなく、共用インフラストラクチャの他の利用者にとってもサービスの途絶を引き起こす。というのは、そのようなネットワークは都心に導入されているからである。路面鉄道網は多くの場合、必然的に高率で側面摩耗を経験し、したがってレール寿命を決定する因子である可能性がある非常に詰まった軌道半径によって特徴付けられる。したがって、路面軌道応用のための費用効果的なレール鋼グレードの重要な第１要件は、レールが埋め込まれている周囲のポリマーを損傷する高温予熱の必要が無く溶接修復できることである。しかしながら、この特性があっても、レールの寿命を決定する因子は垂直頭部摩耗率（rate of vertical head wear）であり、したがって費用効果的なレール鋼グレードの第２の重要な要件はその耐摩耗性である。さらに、乗客数の増加は、鉄道交通が年を追ってさらに激しくなり、レールのさらなる摩耗の原因となることを意味する。レール材料特性が応力の増加および課される応力周期に起因する損傷に対してより寛容性であり耐性となるようにするために、それらのさらなる改善が必要である。レール冶金学および熱処理技術における進歩により、パーライト微細構造が改善されて耐摩耗性が増大してきたが、ライフサイクルコストを大幅に減少する必要性のためにレールの冶金学葉引き続きさらに改善される。
【０００３】
路面軌道や地下鉄網でしばしば見られる別のレール劣化機構は、レール頭部のコルゲーション（railhead corrugation）である。コルゲーションの発生は様々なシステム特性によって影響を受けるが、レール鋼の硬度および降伏強度の増加が、コルゲーションの発生や進行を減速させることが広く認められている。したがって、路面軌道およびや地下鉄網のための費用効果的なレール鋼の第３の要件は、硬度および降伏強度の増加である。
【０００４】
経験される摩耗率が一般的に低い鉄道の直線状部分や緩やかに湾曲した部分では、レール寿命や関連する維持費も、その起源がレール頭部表面またはレール頭部表面に非常に近くにある転がり接触疲労（ＲＣＦ）亀裂のイニシエーションや成長を制御する必要性によって影響を受ける。ＲＣＦは、様々な形態で起こり得るが、通常、ヘッドチェック（ＨＣ）、ゲージコーナークラッキング（ＧＣＣ）、またはスクワット欠陥と称される。したがって、路面軌道および地下鉄網の費用効果的なレール鋼の第４の要件は、転がり接触疲労（ＲＣＦ）のイニシエーションに対するその耐性である。
【０００５】
損傷応力を最小限に抑えるための車輪およびレールプロフィールの最適化および、同時に残存する損傷を受けた表面層を除去しながら、所望のプロフィールを維持するための通常の研磨の使用は、ＲＣＦおよびコルゲーションの影響を受けた軌道の実績のある管理方法となった。しかしながら、レール研磨の費用は高く、定期サービスを運営するために利用可能な時間を奪う。したがって、より費用効果的な冶金学的解決策の開発が依然として望まれる。
【０００６】
摩耗、ＲＣＦ、およびコルゲーションに対する改善された耐性に加えて、新規レール鋼の設計のためのさらなる要件は、路面鉄道網のきつい湾曲で起こる高い側面摩耗率に対する軽減対策としてその場で繰り返し溶接修復できることである。Tata Steelの英国特許２４４３４９４号で記載されるような低予熱溶接修復技術は、高炭素スチール鋼の反復溶接修復の実績のある方法を提供する。しかしながら、この技術の使用は、２００℃未満のマルテンサイトスタート（Ｍｓ）温度および５０℃以下、好ましくはずっと低いマルテンサイトフィニッシュ（Ｍｆ）温度に対して、上限の２つの重要な冶金学的要件を課す。したがって、新規レール鋼の組成は、摩耗、ＲＣＦ、およびコルゲーションに対する耐性の要件を満たすだけでなく、マルテンサイトへの変態が、低予熱溶接修復技術を用いる場合に変態の完了を防止する範囲にわたって起こることを保証するように設計する必要がある。そのような溶接修復プロセスの重要な成功要因は、溶融金属内、溶融金属・親レール接触面、または熱影響部内に、すべてその後に疲労のために初期亀裂の伝播から析出物の剥離をもたらす、硬くてもろい微細構造または初期亀裂がないことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】英国特許２４４３４９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、繰り返し溶接修復される能力を保持しつつ、摩耗、転がり接触疲労、およびコルゲーションに対して非常に耐性である高強度レールを提供することが本発明の１つの目的である。
【０００９】
溶着（weld deposition）処理によって側面摩耗が容易かつ確実にその場で修復され得る高強度レールを提供することも１つの目的である。
【００１０】
少なくとも３３０ＨＶの硬度、少なくとも１０００ＭＰａの引張強度および少なくとも６００ＭＰａの降伏強度を有する高強度レールを提供することも１つの目的である。
【００１１】
１以上の本発明の目的は、摩耗特性、転がり接触疲労耐性および溶接修復可能性の優れた組み合わせを有する高強度パーライトレール鋼であって（重量％で）：
０．７０％〜０．８５％の炭素、
０．６５％〜１．００％のケイ素、
１．１％〜１．４％のマンガン、
０．０７％〜０．１５％のバナジウム、
０．００８％までの窒素、
０．０２５％までのリン、
０．００８〜０．０３０％の硫黄、
最大２．５ｐｐｍの水素、
最大０．１０％のクロム、
最大０．０１０％のアルミニウム、
最大２０ｐｐｍの酸素、
鉄および不可避の不純物からなる残余
を含有するレール鋼により達成された。
【００１２】
本発明によるスチール鋼の化学組成の有効性は、様々な元素の添加の理由の説明およびみぞレール鋼の重要な特性の比較から最もよく示される。
【００１３】
炭素は、レール鋼における最も費用効果的な強化合金化元素である。というのは、炭素は最も費用効果的な添加を提供して、完全パーライトスチール鋼における硬度および強度を達成するからである。１つの実施形態では、炭素の最大値は０．８％である。これは粒子境界でのセメンタイト網状組織形成の危険性を減少させる。さらに好ましくは、炭素含有量の範囲は０．７３５％〜０．７８５％である。この範囲は、硬質セメンタイトの体積分率と粒子境界での砕けやすいセメンタイトの有害な網状組織形成防止との間の最適バランスを提供する。炭素はさらに、より低い変態温度と、したがってより微細な層間間隔とを促進する強力な硬化剤でもある。硬質セメンタイトの高い体積分率および微細な層間間隔は耐摩耗性を提供し、本発明の１つの実施形態に含まれる組成物のＲＣＦ耐性の増加に貢献する。さらに、Tata Steel低予熱溶接修復プロセス１によって示されるように、スチール鋼のマルテンサイトスタート（Ｍｓ）温度を低下させて、強固な溶着物を確実にすることが必須である。炭素の指示された範囲はこの目的を達成するために必須である。Ｍｓ温度を算出するための以下の広く受け入れられた方法は、このパラメータの大きさを減少させる際の炭素の有効性をはっきりと確認する。実際には、炭素はマンガンと比べてＭｓ温度を低下させるのに１３〜１７倍より有効である。Andrews（J. Iron & Steel Inst., 183 (1965), pp. 721-727）によると、Ｍｓ温度（℃）は５３９−４２３×％炭素−３０．４×％Ｍｎ（式１ａ）で与えられ、Steven and Haynes（J. Iron & Steel Inst., 183 (1956), pp. 349-359）によると、５６１−４７４×％炭素−３３×％Ｍｎ（式１ｂ）によって与えられる。両回帰式は、Ｍｓについて若干異なる値を提供する。本発明では、これら２つの式の平均値を実際のＭｓの近似値として使用した。Ｍｆはしたがって、Ｍｓから１５０℃を差し引くことによってＭｓから決定される。
Ｍｓ（℃）＝０．５×（Ｍｓ，Ａｎｄｒｅｗｓ＋Ｍｓ，Ｓｔｅｖｅｎｓ＆Ｈａｙｎｅｓ）  ＜式１＞
Ｍｆ（℃）＝Ｍｓ−１５０  ＜式２＞
【００１４】
スチール鋼のマルテンサイトスタート（Ｍｓ）温度は、強固な溶着物を保証するために約１６０℃より低いことが好ましい。
【００１５】
本発明では、ケイ素の添加は、結果として得られる微細構造や特性を操作するためのスチール鋼の設計の肝要で必須の部分であり、ほとんどの他のレール鋼におけるような故意の合金化添加ではなく製造プロセス経路を反映するものではない。ケイ素は多くの場合、脱酸元素として使用され、よってケイ素の添加は、通常、その目的のためだけに意図される。本発明は広範囲の共析組成物に言及するので、微細構造は初析フェライトをほとんど含まない。その代わり、結果として得られる特性を決定づけるのは主にパーライトの層間間隔である。伝統的に、みぞレール組成物におけるパーライト微細構造の改善は、加速冷却を使用することによって達成された。本発明におけるアプローチの新規性は、車輪・レール接触面での挙動が、硬度および引張強度のバルク特性というよりむしろ、パーライト、フェライトおよびセメンタイトラスのうちの２成分の特性によって支配される３次元物体として、パーライト微細構造を処理することである。その結果として、本発明における新規性は、固溶体強化によってパーライトフェライトを強化するためのケイ素の使用にあり、これが次にはラチェット、摩耗、および転がり接触疲労に対する増大した耐性を付与する。本発明によるスチール鋼が必要とされる機械的特性値、耐摩耗性およびＲＣＦ耐性を達成するためには、０．６５％の最低ケイ素含有量が必須である。ケイ素添加はスチール鋼の硬化性に対してごく限られた影響しか及ぼさず、このことはＭｓ温度の算出のための式で反映されるが、１．０％までのケイ素の添加はＭｓ温度の低下にわずかに貢献することが認められている。０．６５％〜０．８０％のケイ素含有量は溶接修復性に対して悪影響を及ぼすことなく必要とされる機械的特性の良好なバランスを提供することが判明した。
【００１６】
マンガンは、そのようなスチール鋼の自然冷却または加速冷却後に比較的微細な層間間隔を確実にするために必要な硬化性を提供するために全てのみぞレール鋼において重要な合金化元素である。この目的は本発明についても依然として有効である。その特性のために加速冷却に依存しない本発明では、微細な層間間隔を有するパーライト微細構造を達成するために十分な硬化性を付与するために、より高いマンガン含有量が望ましいとみなされる。１．１％Ｍｎ未満のマンガン含有量は、選択された炭素含有量で所望の硬化性を達成するために充分であることが判明し、一方、１．４％を超えるレベルでは、特にマンガンの分離領域でマルテンサイト形成のリスクの増加が許容できないとみなされた。より高レベルのマンガンも、硬くて砕けやすいマルテンサイト形成の危険性が増加するために溶接の観点から望ましくないと考えられる。好ましい実施形態において、マンガン含有量は最大１．３５％である。マンガンについて好適な最小値は１．２０％またはさらには１．２５％である。
【００１７】
パーライトフェライトを強化し、それによってラチェット、摩耗、および転がり接触疲労に対する耐性を増加させるために、析出強化合金化元素としてのバナジウムの有効性を本発明で利用した。バナジウムは、スチール鋼中に存在する窒素の量および温度に応じて炭化バナジウムまたは窒化バナジウムを形成する。したがって、バナジウム添加レベルをスチール鋼中の窒素の量とともに調べることが必要である。というのは、共析晶パーライトスチール鋼における析出強化の有効性は、窒素レベルの増加とともに減少し、このために、温度が高いほど窒化バナジウムの析出物が粗くなるからである。さらに、そのような高温析出物は、パーライトフェライトを強化しないし、硬化性を増加させてより微細な層間間隔を達成するために充分なバナジウムを溶液中に残しもしない。共析晶スチール鋼に対するバナジウムの添加は、Ｍｓ温度にあまり影響を及ぼさない。発明者らは、炭化物として析出するバナジウムの割合は、窒素含有量が０．００３％に限定される場合にほぼ最大であり、これは窒素含有量の増加に比例して減少することを見出した。これらの冶金学的原理についての知識を革新的方法で適用して、０．０８％Ｖと０．００３％窒素の理想的含有量に至った。したがって、費用効果的な製造可能性の理由で、０．００３％の最低窒素含有量は実際上の下限とみなされ、一方、０．００７％の上限は高価なバナジウムの添加から最大の利益を保証するために望ましいとみなされる。しかしながら、費用有効性の観点からは望ましくないが、さらに高い窒素含有量は、バナジウム含有量が比例して高くなるならば許容することができる。
【００１８】
本発明の１つの実施形態において、窒素の最小量は、０．０７％の最小のバナジウム含有量と関連して０．００３％である。好ましくは、窒素は最大０．００７％であり、一方、バナジウムの対応する数値は最低０．０７％であり最大０．１２％である。これらの最大含有量は超えることも可能であるが、非理想的であり、経済的に興味をひかない。
【００１９】
ケイ素、マンガンおよびバナジウムの状況にあった添加のために、表面付近だけでなく、頭部（head bulk）でも目標とする特性が高整合性で達成される。この整合性は熱処理されたレールでは達成するのが困難であり、一方、本発明によるスチール鋼では、この整合性は熱間圧延された状態のレール（as-hot rolled rail）で達成される。さらに高い強度および／または降伏強度および／または硬度は、このスチール鋼から、強制空気、水、エアミスト（air mist）、またはポリマー冷却剤（polymer quenchant）を利用するインラインまたはオフライン熱処理設備でそれを加速冷却に付すことによって達成することができる。
【００２０】
圧延されたままの状態、加速冷却条件または熱処理条件で本発明によるスチール鋼で得られる耐摩耗性は、急カーブに置かれるレールのために予防対策の高コスト表面硬化を適用する必要性を減少させるようなものである。
【００２１】
好ましくは、スチール鋼のリン含有量は最大０．０１５％である。イオウ値は０．００８〜０．０３０％でなければならない。なぜなら、それはＭｎＳ含有物を形成するからである。これらの含有物は、スチール鋼中に存在し得る任意の残留水素のシンクとして作用する。この水素は微細亀裂（shatter crack）の原因となる可能性があり、この微細亀裂は、車輪からの高応力下で、頭部での疲労亀裂（タシェオバール（tache ovals）としても知られる）のイニシエーターであり得る。少なくとも０．００８％の硫黄を添加することで水素の悪影響を防止し、一方、０．０３％の最大値を選択して構造の脆化を回避する。好ましくは、最大値は０．０２５％である。ホウ素は、必須の合金化元素ではないが、本発明によるスチール鋼の特性を改善するために使用することができ、約６０ｐｐｍまでの量を使用することができる。ホウ素は、特にスチール鋼中の窒素がチタンと結合する場合、ベイナイトまたはマルテンサイトなどの微細構造成分の形成の強力なプロモーターである。そうでない場合、ＢＮ析出物が形成され得る。本発明によるスチール鋼では、微細構造が実質的にパーライトであり、好ましくは完全にパーライトであり、そしてベイナイトまたはマルテンサイト微細構造成分の量ができるだけ低く抑えられ、好ましくは存在しないことが重要である。好ましくは、本発明によるスチール鋼中に合金化元素としてホウ素は存在しないが、不可避の不純物としては存在することができる。０．０００５％未満（すなわち５ｐｐｍ未満）のホウ素含有量は概して合金化元素として無効とみなされ、したがって本出願では不純物とみなされる。
【００２２】
不可避の不純物の最大推奨レベルはＥＮ１３６７４−１：２００３に基づき、それによると、最大限度はＭｏ０．０２％、Ｎｉ０．１０％、Ｓｎ−０．０３％、Ｓｂ−０．０２０％、Ｔｉ−０．０２５％、Ｎｂ−０．０１％である。
【００２３】
本発明から得られるスチール鋼の耐摩耗性は、実績のある比較「ツインディスク」試験手順を利用して立証された。‘Wear’, 162-164 (1993), Microstructure and wear resistance of pearlitic rail steels, Albert J. Perez-Unzueta & John H. Beynon５で記載される設備と類似した実験室ツインディスク設備を使用して試験を行う。この設備は、車輪がレール上を転がり、すべる場合に生じる力をシミュレーションする。これらの評価は、正式なレール認定手続きの一部ではないが、異なるレール鋼組成物の相対的稼働中性能に関する良好な指標を提供することが判明している。摩耗試験の試験条件は５６０ＭＰａの接触応力および２５％のすべりを含み、一方、ＲＣＦに関するものは９００ＭＰａのさらに高い接触応力、５％のすべりおよび水潤滑を利用する。結果を図１に示し、図中、摩耗率（ｍｇ／ｍすべり）が硬度（ＨＶ）に対してプロットされている。
【００２４】
摩耗率は硬度の関数として減少し、３３０Ｈｖ３０（約３１３ＨＢ）の硬度レベルを超えると、摩耗率の測定可能なさらなる減少はほとんどないことは明らかである。したがって、本発明の目的の１つは、少なくとも３３０ＨＶ３０の硬度レベルに等しい耐摩耗性を達成することであった。実験室および商業的鋳造物の両方における本発明の最適化された組成は、所望の耐摩耗性を達成した。発明者らは、バランスの取れた化学組成が、ケイ素添加による固溶体強化およびパーライトフェライトラス内で非常に微細分散された炭化バナジウムによるパーライトフェライト強化の結果として非常に耐摩耗性のパーライトをもたらすことを見出した。さらに、窒素を０．００７％未満に限定することによって、本発明者らは、パーライトの層間間隔を改善することにより本発明の最適化された組成の強度、硬度、および耐摩耗性を増強する溶液中のバナジウム周知の強力な硬化性効果を活用した。
【００２５】
埋め込み型軌道での路面軌道の低運転速度によって路面軌道は転がり接触疲労（ＲＣＦ）の影響を受けにくくなるが、本発明の組成に起因するパーライトフェライトの強化も、ＲＣＦに対するスチール鋼の耐性を改善した。ＲＣＦイニシエーションに対する耐性の少なくとも２０％の改善は、本発明の組成および標準的Ｒ２６０グレードの比較実験室ツインディスク試験によって立証された。
【００２６】
多くの因子は一緒になって、これらの改善をもたらす。まず、鉄・炭素相図の低共析晶領域内にとどまりながら、みぞレール用の典型的な低炭素レール鋼グレードに関して炭素含有量を増加させることによって、微細構造中の硬質セメンタイトの体積分率が増加する。炭素含有量は組成の過共析晶範囲に侵入しないので、製造中にレールが経験する比較的低速の冷却下で粒子境界の砕けやすいセメンタイトの有害な網状組織形成の危険性が回避される。さらなる予防策として、より高いケイ素およびバナジウムの組成物への意図的な添加は、レールセクションの分離部分内の粒子境界セメンタイトを防止することを目的とする。これらの添加はさらに、第２の等しく重要な機能も有する。ケイ素は固溶体補強剤（strengthener）であり、パーライトフェライトの強度を増加させ、それによって摩耗およびＲＣＦイニシエーションの両方に対するパーライトの耐性を増加させる。同様に、パーライトフェライト内での微細炭化バナジウムの析出は、その強度、特に耐力を増大させ、それによって摩耗およびＲＣＦの両方に対する耐性を増大させる。組成設計のさらなる特徴は、窒化バナジウムの比較的粗い析出物の早熟形成を防止するために窒素含有量を限定することである。というのは、それらはパーライトフェライトの強度を増加させるのにあまり有効でないからである。このことは、バナジウム添加物がオーステナイト内の溶液中に残留して温度を低下させ、その結果、より微細な析出物をもたらすことを保証する。バナジウムの一部も溶液中に残存し、それによってパーライト間隔を改善するための硬化剤（hardenability agent）として作用する。したがって、この実施形態で請求される組成物の具体的な設計は、個々の元素の様々な特性を利用して、摩耗およびＲＣＦ耐性の非常に望ましい組み合わせを有する微細構造を製造する。本発明によるスチール鋼の機械的特性ならびに摩耗およびＲＣＦイニシエーションに対する耐性は、ほとんどの通常の熱処理されたパーライトレールグレードよりも良好であり、みぞレールの欧州規格（EN 14811 :2006 + A1 : 2009）に含まれる最も硬い熱処理グレード（Grade R340GHT）と類似している。埋め込み型街路運転軌道用みぞレールの現行の意図される応用について必須ではないが、引張特性ならびに摩耗、可塑変形、およびＲＣＦに対する耐性に対するさらなる改善は、熱間圧延または再加熱段階を利用するフォローアップ熱処理後に本発明の組成物を加速冷却に付すことによって得ることができた。
【００２７】
本発明によるスチール鋼のもう１つの等しく重要なさらなる特性は、それらが高温予熱の必要がなく溶接修復できることである。特許権を有するTata Steel溶接修復プロセスは約６０℃〜８０℃の低い予熱温度を指定する。このプロセスが基礎とする基本的原理は、析出した溶接ビードによって形成される熱影響部内でのマルテンサイトへの変態の完了を回避することである。したがって、本発明では、スチール鋼組成の設計には２つの困難な目標があり、すなわち第１に先の段落で記載された特性要件を満たすこと、そして第２にマルテンサイトスタート（Ｍｓ）変態温度およびマルテンサイトフィニッシュ（Ｍｆ）変態温度は、溶接修復プロセスの間に、マルテンサイトへの変態が完了させない温度であるということであった。その結果として、Ｍｆ温度は約６０℃より低いものである必要があり、好ましくはこの温度よりはるかに低くて未変換の保留オーステナイトの容積を最大にするものであり、これは溶接・親金属接触面または溶接ビードの析出によって形成された熱影響部内の初期亀裂の形成を防止するために重要である。概して、Ｍｆ温度は上述の式（１）、（１ａ）、（１ｂ）および（２）を使用して算出することができるＭｓ温度より約１５０℃低いと考えられる。グレードの必要な最小硬度に対して、利用可能な様々なレール鋼のＭｓおよびＭｆ温度を図２で示す。温度は、段落
【００２８】
で示される２つの式によって算出されるものの平均であり、計算で使用される炭素およびマンガンの濃度はEN 14811 :2006 +A1: 2009で指定される範囲の中点値である。Ｍｓ温度は表された範囲の上限値であり、Ｍｆ温度は下限値である。
【００２９】
図２で「発明」と称される本発明のスチール鋼は最低Ｍｆ温度を有し、したがって最大率のオーステナイトを保持することができ、したがって初期亀裂の形成に対して最も耐性であることは明らかである。対照的に、他のみぞレール鋼グレードは望ましくない高いＭｆ温度を有し、このことは溶接修復の間のマルテンサイト変態の完了および亀裂の形成の危険性が非常に高いことを意味する。
【００３０】
レールの優れた耐摩耗性は、レールが垂直方向で摩耗するまでに時間かかることを保証する。溶接修復性および本発明によるスチール鋼がその特性を達成するために熱処理を必要としないという事実は、レールをその場（in situ）で修復することができ、したがってレールを街路から取り外す必要がなく、一晩で修理することができることを保証する。これは道路工事や都市内交通の不便が少ない。微細構造の操作によって達成することができる特性およびレールの化学的性質のこのような組み合わせは、レールが費用効果的であるだけでなく、より環境保護的な解決法を提供することを意味する。なぜなら、レールを容易に修復することができ、新しいレールと頻繁に交換する必要がないからである。さらに、慎重な組成設計も、それによってレール製造の間の熱処理ステップの必要性を無くし、それらの特性をレールの圧延後の熱処理から誘導するスチール鋼と比較して、さらに環境に優しいレール製品を保証する。
【００３１】
本発明によるスチール鋼はクレーンレールまたは平底レールなどの目的に好適であるが、このレール鋼は、耐摩耗性および溶接修復性の組み合わされた重要な特性の利益を享受するみぞレールの製造のために非常に好適であることが判明した。
【００３２】
スチール鋼Ｃ１〜Ｃ４および本発明のスチール鋼Ａの実験室鋳造物を６０ｋｇのインゴットとして製造した。鋳造物Ｃ１〜Ｃ４は予備鋳造物であり、これらは、一方で必要とされる硬度、引張特性、および結果として得られる耐摩耗性を達成する要件と、低い予熱プロセスを使用する溶接修復性を確実にするために充分低いＭｓ温度の要件との場合によって矛盾する要件のバランスを確立するように作成された。これらの調査から得られる結果は主に鋳造物Ａの組成の実験室鋳造物で最高であった。インゴットを厚さ３０ｍｍのプレートに圧延し、自然空冷に付して、圧延されたレールの頭部における冷却条件を正確にシミュレーションした。３００ｔの商業的ＢＯＳ鋳造物（スチール鋼Ｂ）は、実験室鋳造物Ａの化学的性質に基づく本発明のスチール鋼から製造され、その後続いて３５５×３０５ｍｍのブルームセクションに鋳造した。ブルームを圧延してさまざまなレールセクションにし、レール冷却バンクで通常の圧延された商業的レールグレードに関する標準的冷却条件下で冷却させた。レール全長は内部または表面破壊欠陥がなく製造された。レールを熱間圧延されたままの状態で試験した。
【００３３】
スチール鋼ＡおよびＢの化学組成を表１に示す。比較例Ｃ１〜Ｃ４も表１に示す。
【００３４】
【表１】
0006270730.tif 000002
【００３５】
スチール鋼ＡおよびＢの硬度は３３０〜３３５ＨＶ３０であることが判明した。本発明者らは、本発明にしたがい狭い化学組成範囲（chemistry window）でスチール鋼を選択することによって、耐摩耗性およびＲＣＦ耐性の両方が優れ、熱処理されたGrade 350HTの性能と適合し、同時に類似した機械的特性を示すことを見出した。あるグレードと比べると、本発明のスチール鋼は所望の特性を得るために熱処理を必要としない。
【００３６】
【表２】
0006270730.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明から得られるスチール鋼の摩耗試験結果を表す。
【図２】グレードの必要な最小硬度に対して、利用可能な様々なレール鋼のＭｓおよびＭｆ温度を表す。
【図１】
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【図２】
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