(57)【要約】  本発明は、軌道要素、特に鉄道車両向けの低合金鋼に関する。軌道要素のレール・ヘッドの鋼は、５〜１５体積％のフェライト部分と、上部ベイナイト及び下部ベイナイトから成る多相ベイナイト構造とを有する。
2015532946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低合金鋼から作られた軌道部品、とりわけ鉄道車両用のレールにおいて、
前記軌道部品のレール・ヘッドの鋼が、
５〜１５体積％のフェライト部分と、
上部ベイナイト部分及び下部ベイナイト部分から成る多相ベイナイト構造と
を有することを特徴とする、軌道部品。
【請求項２】
前記上部ベイナイト部分が、５〜７５体積％、とりわけ２０〜６０体積％であり、前記下部ベイナイト部分が、１５〜９０体積％、とりわけ４０〜８５体積％であることを特徴とする、請求項１に記載された軌道部品。
【請求項３】
前記フェライト部分が８〜１３体積％であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載された軌道部品。
【請求項４】
前記フェライトが針状フェライトであることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項５】
前記多相ベイナイトが前記針状フェライト組織に挿し込まれていることを特徴とする、請求項４に記載された軌道部品。
【請求項６】
前記軌道部品の前記レール・ヘッドの鋼が、２体積％未満の残留マルテンサイト／オーステナイト部分を含むことを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項７】
前記低合金鋼が、シリコン、マンガン、及びクロム、並びに任意の合金成分としてバナジウム、モリブデン、リン、硫黄、及び／又はニッケルを含有することを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項８】
前記合金成分が１．５重量％を超える部分が存在しないことを特徴とする、請求項７に記載された軌道部品。
【請求項９】
０．４〜０．５５重量％のＣ
０．３〜０．６重量％のＳｉ
０．９〜１．４重量％のＭｎ
０．３〜０．６重量％のＣｒ
０．１〜０．３重量％のＶ
０．０５〜０．２０重量％のＭｏ
０〜０．０２重量％のＰ
０〜０．０２重量％のＳ
０〜０．１５重量％のＮｉ
の標準分析値を有する低合金鋼が使用されることを特徴とする、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項１０】
前記軌道部品が、前記ヘッドの領域において１１５０Ｎ／ｍｍ２よりも大きい引張強さＲｍを有することを特徴とする、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項１１】
前記軌道部品が、前記ヘッド領域において３４０ＨＢを超える硬さを有することを特徴とする、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された軌道部品を熱間圧延した部分から製造する方法において、
前記圧延部分のレール・ヘッドが、圧延温度で圧延スタンドを離れて直ぐに制御冷却を施され、前記制御冷却が、
フェライトの形成が可能な第１の温度に達するまで加速冷却する第１のステップ、
フェライトの形成のために前記第１の温度を維持する第２のステップ、
多相ベイナイトの形成が可能な温度範囲内の第２の温度まで更に冷却する第３のステップ、および
前記第２の温度を維持する第４のステップ
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１３】
前記第１のステップが７４０〜８５０℃の温度で、とりわけ約７９０℃で始まることを特徴とする、請求項１２に記載された方法。
【請求項１４】
前記第１の温度が４５０〜５２５℃であることを特徴とする、請求項１２又は請求項１３に記載された方法。
【請求項１５】
前記第２の温度が２８０〜３５０℃であることを特徴とする、請求項１２から請求項１４までのいずれか1項に記載された方法。
【請求項１６】
前記第１のステップにおける前記加速冷却が２〜５℃／秒の冷却速度で行われることを特徴とする、請求項１２から請求項１５までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項１７】
前記第３のステップが、５０〜１００秒間、とりわけを約７０秒間にわたることを特徴とする、請求項１２から請求項１６までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項１８】
前記軌道部品の長さ全体に分布させた複数の測定点で温度が検出され、温度平均値が求められて、前記温度平均値が前記制御冷却の制御に使用されることを特徴とする、請求項１２から請求項１７までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項１９】
前記制御冷却が、少なくとも前記レール・ヘッドを液体冷却剤に浸漬することによって行われることを特徴とする、請求項１２から請求項１８までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２０】
前記第３のステップでの冷却は、前記冷却液が最初に気体膜を前記レール・ヘッドの表面上に形成し、次に前記表面上で沸騰するように制御されることを特徴とする、請求項１２から請求項１９までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２１】
前記軌道部品の全長に沿って前記気体膜を破壊し、沸騰段階を誘発するために、前記第３のステップ中に、例えば窒素など、膜を破壊するガス状の圧力媒体が、前記軌道部品の全長に沿って前記レール・ヘッドに供給されることを特徴とする、請求項２０に記載された方法。
【請求項２２】
前記第３のステップ中の前記冷却液の状態が前記軌道部品の全長に沿って監視され、前記軌道部品の長さの一部において前記沸騰段階が最初に出現したことが分かると直ぐに、前記膜を破壊するガス状の圧力媒体が前記レール・ヘッドに供給されることを特徴とする、請求項２１に記載された方法。
【請求項２３】
前記膜を破壊するガス状の圧力媒体が、前記第３のステップ開始からの約２０〜１００秒後、とりわけ約５０秒後に、前記レール・ヘッドに供給されることを特徴とする、請求項２１又は請求項２２に記載された方法。
【請求項２４】
前記第１のステップ中、前記軌道部品が前記冷却液に完全に浸漬されることを特徴とする、請求項１２から請求項２３までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２５】
前記第２のステップ中、前記軌道部品が前記冷却液から取り出された位置で保持されることを特徴とする、請求項１２から請求項２４までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２６】
前記第３のステップ中、前記軌道部品の前記レール・ヘッドのみが前記冷却液に浸漬されることを特徴とする、請求項１２から請求項２５までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２７】
前記第４のステップ中、前記軌道部品が周期的に、前記冷却液に浸漬され前記冷却液から取り出されることを特徴とする、請求項１２から請求項２６までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２８】
請求項１２から請求項２７までのいずれか１項に記載された方法を実施するための装置であって、
軌道部品の長さに相当し、冷却液を充填することができる冷却タンクと、
前記軌道部品を前記冷却タンクに浸漬し、且つ前記冷却タンクから吊り上げる、前記軌道部品の吊上げ及び吊下げ装置と、
前記軌道部品の温度を測定する温度測定装置と、
圧力媒体を前記冷却液に注入する圧力媒体生成手段と、
前記冷却液の温度を制御する手段と、
前記温度測定装置の測定値が供給され、吊上げ及び吊下げ動作を制御するために前記吊上げ及び吊下げ装置と相互作用し、且つ前記温度測定値に応じて前記冷却液の温度を制御する手段と相互作用し、更に前記圧力媒体生成手段とも相互作用する、制御装置と
を備える、装置。
【請求項２９】
レール・ヘッドの表面上での冷却液の沸騰を検出するセンサが設けられ、センサ測定値に応じて前記圧力媒体生成手段を作動させるために、前記センサ測定値が前記制御装置に供給されることを特徴とする、請求項２８に記載された装置。
【請求項３０】
前記レール・ヘッドの前記表面上での冷却液の沸騰を検出する複数のセンサが設けられ、前記センサが前記冷却タンクの長さにわたって分配されることを特徴とする、請求項２９に記載された装置。
【請求項３１】
前記複数のセンサの前記センサ測定値が前記制御装置に供給され、前記制御装置は、少なくとも１つのセンサが前記レール・ヘッドの前記表面上での冷却液の沸騰を検出すると直ぐに前記圧力媒体生成手段を作動させることを特徴とする、請求項２８から請求項３０までのいずれか１項に記載された装置。
【請求項３２】
前記制御装置が、
第１のステップで、フェライトの形成が可能な第１の温度に達するまで加速冷却すること、
第２のステップで、フェライトの形成のために前記第１の温度を維持すること、
第３のステップで、多相ベイナイトの形成が可能な温度範囲の第２の温度まで更に冷却すること、および
第４のステップで、前記第２の温度を維持すること
を含む制御冷却を行うように構成されることを特徴とする、請求項２８から請求項３１までのいずれか１項に記載された装置。
【請求項３３】
前記制御装置が、前記第１のステップで、前記レール・ヘッドの温度を２〜５℃／秒の冷却速度で４５０〜５２５℃の第１の温度まで低下させ、前記第２のステップで、前記レール・ヘッドの温度を前記第１の温度で保持し、前記第３のステップで、前記レール・ヘッドの温度を好ましくは５０〜１００秒、とりわけ約７０秒の間に、２８０〜３５０℃の第２の温度まで低下させるように構成されることを特徴とする、請求項３２に記載された装置。
【請求項３４】
前記制御装置が、前記第３のステップで、前記圧力媒体生成手段を作動させるように構成されることを特徴とする、請求項３２又は請求項３３に記載された装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低合金鋼から作られた軌道部品、とりわけ鉄道車両用のレールに関するものである。
【０００２】
本発明は、更に、熱間圧延した形鋼から軌道部品を製造する方法、及び前記方法を実施するための装置にも関するものである。
【背景技術】
【０００３】
近年、鉄道輸送の効率を向上させるため、鉄道輸送される積荷の重量及び走行速度が継続的に増加してきている。したがって、鉄道軌道の稼働条件が悪化しており、その結果、より重い積荷に耐える高品質のものでなければならない。具体的な問題としては、特に曲線部に取り付けられたレールが、摩耗の大幅な増加、及び、曲線部におけるレールと車輪との間の接触の主要点を構成する走行縁部で主に生じる材料疲労による損傷の発生が挙げられる。転がり接触疲れ（ＲＣＦ）による損傷がもたらされることになる。ＲＣＦによる表面損傷の例としては、きしみ割れ（ｈｅａｄｃｈｅｃｋｓ）（転がり疲れ）、スポーリング（剥落）、スコット（プラスチック表面変形）、すべり波、及び波状摩耗が挙げられる。これらの種類の表面損傷により、レールの耐用年数が短くなり、ノイズの発生が増加し、運用上の障害につながる。それに加えて、このような不具合の発生は、持続的に増大している交通荷重によって加速度的に増大することになる。このような状況の直接的な結果として、レールの整備に対する需要が増加する。しかし、整備の需要の増加は、持続的に減少している整備時間枠と矛盾する。列車密度が高くなるほど、レールに対する作業期間が益々減少することになる。
【０００４】
上記に列挙した種類の損傷は、それらの初期段階に研削によって排除することができるが、重大な損傷が生じたときはレールを交換しなければならない。したがって、レールの使用年数を増加させるために、耐摩耗性及び耐ＲＣＦ損傷性の両方を改善するのに多くの試みがこれまでなされてきた。中でも特に、ベイナイト系レール鋼を導入し使用することによって行われてきた。
【０００５】
ベイナイトは、等温変態又は連続冷却による炭素含有鋼の熱処理により形成することができる組織である。ベイナイトは、パーライト及びマルテンサイトそれぞれの形成に必要な範囲の温度と冷却速度で形成される。マルテンサイトの形成とは異なり、この場合は結晶格子中における反転過程と拡散過程とが組み合わされ、それによって異なる変態メカニズムが可能になっている。冷却速度、炭素含有量、合金元素、及びその結果としての形成温度に依存しているため、ベイナイトは特徴的な構造を有さない。ベイナイトは、パーライトと同じように、フェライト及びセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）相から成るが、形状、サイズ、及び分布の点ではパーライトとは異なる。基本的に、ベイナイトは、２つの主な構造形態、即ち上部ベイナイト及び下部ベイナイトに区別される。
【０００６】
オーストリア国特許第４０７０５７号により、オーステナイトの変態が下部ベイナイトの範囲でのみ明確に形成され、それによって、型出しした圧延素材に対して少なくとも３５０ＨＢ、特に４５０〜６００ＨＢの硬さが付与されるレール材料が知られている。
【０００７】
ベイナイトの基礎構造はまた、文献独国特許出願公開第１０２００６０３０８９１５号及び独国特許出願公開第１０２００６０３０８１６１号に記載されているように、例えば２．２〜３．０重量％のより高いクロム含有量などの合金成分がより高い部分によって得ることもできる。しかし、合金成分が高い部分は、望ましくない高コスト及び複雑な溶接工学技術の課題を伴うことになる。独国実用新案第２０２００５００９２５９号も、特に、Ｍｎ、Ｓｉ、及びＣｒの高合金部分を含む高合金鋼のベイナイト系高強度軌道部品について記載している。この高合金鋼を用いて、静止大気中での冷却によって単純な方法でベイナイト形成を誘発することができる。対照的に、低合金鋼は制御冷却でしかベイナイト形成ができない。
【０００８】
また、独国特許第１５３３９８２号は、例えば、圧延スタンドを離れる際に、圧延温度をまだ有しているレールを吊上げ装置によって持ち上げ、レール・ヘッドを下にして、恒温で保持された流動床に浸漬し、そこで冷却される際にベイナイト結晶構造が得られ、流動床の温度が３８０〜４５０℃の間で選択され、流動床の温度に応じてレールが３００〜９００秒の間で流動床中に留められる、レールを熱処理する方法について記載している。
【０００９】
転がり接触による疲労損傷に対する耐性の向上を達成するため、ベイナイト構造を有する低合金鋼から高強度レールを製造する別の手法が、欧州特許第６１２８５２号によって知られている。レール・ヘッドは、５００〜３００℃の冷却中断温度に達するまで、オーステナイト範囲から１〜１０℃／秒の速度で加速冷却される。その急速冷却後、レール・ヘッドは、熱回収による自然冷却又は１〜４０℃／分の速度での強制冷却を加えることによって、ほぼ室温まで更に冷却される。
【００１０】
上記に列挙した処理によって、レール・ヘッドにおける亀裂の形成及び伝播を遅らせることができるが、それらを防ぐことはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】オーストリア国特許第４０７０５７号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００６０３０８９１５号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００６０３０８１６号明細書
【特許文献４】独国実用新案第２０２００５００９２５９号明細書
【特許文献５】独国特許第１５３３９８２号明細書
【特許文献６】欧州特許第６１２８５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明は、車輪荷重が増加しても、走行縁部又は走行面のどちらにも転がり接触疲労による損傷がなく、特に亀裂が生じないように、コスト上の理由及び溶接工学技術上の理由から低合金鋼で作られた軌道部品を、特にレールを改善することを目的としている。更に、３０年を超える寿命を確保するように、耐摩耗性が改善される。最後に、軌道部品は、完全に溶接可能であると共に、レールの構築において好結果が今までのところ証明されている鋼に類似した他の材料性質、例えば類似の導電性及び類似の熱膨張係数も有するべきである。
【００１３】
本発明は更に、短い処理時間（アニーリング段階の回避）、高い再現性、及び高効率によって特徴付けられる、単純な製造方法を提供することを目的としている。この方法は、例えば１００ｍ超の長さを有する長いレールの製造に適しているべきであり、レール長さ全体にわたって一貫した材料特性が確保されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的を達成するために、第１の観点による発明は、冒頭で言及した種類の軌道部品であり、この軌道部品のレール・ヘッドの鋼が５〜１５体積％のフェライト部分と、上部ベイナイト部分及び下部ベイナイト部分から成る多相ベイナイト構造とを備えるように更に改良された軌道部品が提供される。フェライト構造とベイナイト構造の組み合わせにより、優れた靭性特性および十分に大きい硬さが達成されることになる。フェライト構造部分は、可塑性基材として役立ち、起こりうる可能性のある亀裂がきしみ割れとして材料内へ延びることを防止する。フェライト部分は連続的なネットワークを付与し、構造全体にベイナイトが挿し込まれる。この文脈では、近接範囲（クラスタ）の形成を達成するために達しなければならないパーコレーション閾値を指す。フェライトは好ましくは針状フェライトである。非針状構造とは対照的に、またパーライト構造とは対照的に、針状構造は、引張強さ及び耐摩耗性がより大きいことによって特徴付けられる。針状フェライトは、針形状の結晶子又は結晶粒によって特徴付けられるミクロ組織を有し、この結晶子は均一に配向されず、完全に無配向状態で存在し、そのことが鋼の靭性に好影響を及ぼす。結晶粒の無配向配置により、個々の結晶粒が相互に重なり合い、それと多相ベイナイトとの組み合わせによって、亀裂の形成及び伝播を効果的に防いでいる。特に、表面に形成される可能性がある亀裂（きしみ割れ）が、例えばパーライト構造の場合のように、材料深さ方向へと成長しないことが確保される。したがって、軌道部品に摩耗だけしか生じないので、その使用期間を正確に判断することができ、亀裂の形成に関するそれ以上の観察を不要にできる。
【００１５】
更に決定的な点は、上部ベイナイト部分及び下部ベイナイト部分を備える多相ベイナイトが存在することである。上部ベイナイトは、ベイナイト形成の高温温度範囲で形成され、マルテンサイトの構造に類似した針形状の構造を有する。ベイナイト形成の温度範囲では、好ましい拡散条件が存在して、炭素がフェライト針の粒界に拡散することが可能である。その結果として、不規則且つ中断されたセメンタイト結晶が形成される。不規則分布により、組織は粒状の外観を有する場合が多いので、上部ベイナイトは粒状ベイナイトとも呼ばれる場合がある。下部ベイナイトは、ベイナイト形成の低温温度範囲における等温の連続冷却において形成される。フェライトの形成によって、オーステナイトは炭素が濃縮され、更に冷却することで、オーステナイト範囲は、フェライト、セメンタイト、針状ベイナイト、及びマルテンサイトに変態する。ベイナイト化によって内部応力が低減すると共に靱性が増大する。
【００１６】
下部ベイナイトと上部ベイナイトとの混合比は、基本的に、それぞれの要件に応じて広い限度内で変動してもよい。特に、混合比の選択によって鋼の硬さが決まることになる。本発明の文脈では、好ましくは、上部ベイナイト部分は、５〜７５体積％、特に２０〜６０体積％であり、下部ベイナイト部分は、１５〜９０体積％、特に４０〜８５体積％である。
【００１７】
フェライト部分は８〜１３体積％が好ましい。
【００１８】
オーステナイトからの炭化物の形成は、完全なベイナイト変態の前提条件である。炭化物は大量の炭素を要するので、炭素吸収源を構成して炭素をオーステナイトから取り除く。例えば合金元素としてのシリコンによって、炭化物の形成を防ぐか又は遅らせた場合、多量のオーステナイトが変態しないことになる。それらは結果的に、室温まで急冷した後、部分的又は完全に残留オーステナイトとして存在する。残留オーステナイトの量は、マルテンサイト開始温度が残りのオーステナイト中でどこまで降下しているかに応じて決まる。本発明の文脈では、オーステナイト及び／又はマルテンサイトの部分ができるだけ少ないことが有利であろう。したがって、この点について、本発明では、軌道部品のレール・ヘッドの鋼が２体積％未満の残留マルテンサイト／オーステナイト部分を含むことが好ましい。
【００１９】
既に上記で指摘したように、コストを最小限に抑え、溶接性を改善するために、本発明による低合金鋼が使用される。一般に、本発明の文脈における低合金鋼は、好ましくは、シリコン、マンガン、及びクロム、並びに任意選択で合金成分としてバナジウム、モリブデン、リン、硫黄、及び／又はニッケルを含有する。
【００２０】
本発明の文脈における鋼は、部分中に１．５重量％を超える合金成分が存在しない場合に、低合金鋼と呼ばれるものとする。
【００２１】
次の標準分析値を有する低合金鋼によって、特に良好な結果を達成することができる。
０．４〜０．５５重量％のＣ
０．３〜０．６重量％のＳｉ
０．９〜１．４重量％のＭｎ
０．３〜０．６重量％のＣｒ
０．１〜０．３重量％のＶ
０．０５〜０．２０重量％のＭｏ
０〜０．０２重量％のＰ
０〜０．０２重量％のＳ
０〜０．１５重量％のＮｉ
【００２２】
軌道部品がヘッド領域において１１５０Ｎ／ｍｍ２よりも大きい引張強さＲｍを有する場合、高荷重の軌道部分に対して特に良好な適性が好ましくは提供される。更に、軌道部品は、ヘッド領域において３４０ＨＢを超える硬さを有する。
【００２３】
第２の観点によれば、本発明は上述の軌道部品を製造する方法を提供する。この方法によって軌道部品が熱間圧延した部分から製造され、圧延部分のレール・ヘッドは、圧延温度で圧延スタンドを離れて直ぐに制御冷却を施され、前記制御冷却は、フェライトの形成が可能な第１の温度に達するまで加速冷却する第１のステップ、前記第１の温度を維持してフェライトの形成をおこさせる第２のステップ、多相ベイナイトの形成が可能な温度範囲内の第２の温度まで更に冷却する第３のステップ、第２の温度を維持する第４のステップを含む。この制御冷却は、それ自体が知られているような液体冷却剤に、少なくともレール・ヘッドを浸漬することによって行われることが好ましい。
【００２４】
第１のステップは、好ましくは７４０〜８５０℃、特に約７９０℃の温度で始まり、好ましくは４５０〜５２５℃の温度で終わる。第１のステップによる冷却は、時間−温度−変態（ＴＴＴ）図におけるフェライト範囲、またそれに続くベイナイトの形成範囲に達するような形で制御しなければならない。そこでは特にパーライト段階では変態が行われない。この目的のため、第１のステップにおける加速冷却は、好ましくは２〜５℃／秒の冷却速度で行われる。この冷却速度を達成するために、第１のステップ中、軌道部品が冷却液に完全に浸漬されるような形で進められることが好ましい。
【００２５】
第２のステップで、好ましくは４５０〜５２５℃の温度が維持される一方、使用特性にとって重要であるフェライトの部分、特に針状フェライトの部分が、５〜１５％、特に８〜１３％、特に約１０％の体積部分で形成される。温度の維持は、第２のステップ中に、軌道部品が冷却液から取り出された位置で保持されることで達成されることが好ましい。
【００２６】
第３のステップで、更なる制御冷却が、フェライト部分の求められる限界に対して行われ、それにより、上部ベイナイト及び下部ベイナイト構造の混合物（多相ベイナイト）の形成が引き起こされる。ベイナイト形成が起こる温度範囲は、好ましくは、４５０〜５２５℃と２８０〜３５０℃との間の範囲である。即ち、軌道部品のレール・ヘッドはベイナイト形成段階において４５０〜５２５℃から２８０〜３５０℃まで冷却される。第３のステップは、好ましくは５０〜１００秒間、特に約７０秒間行われる。ベイナイト形成段階では軌道部品のレール・ヘッドのみが冷却液に浸漬されることが好ましい。
【００２７】
続いて、第４のステップにおいて、軌道部品の温度を好ましくは２８０〜３５０℃の範囲に保持すると、温度に応じて軌道部品の硬さが最終的に固定される。その際、マルテンサイト開始温度（通常、約２８０℃）未満に下がることは回避されるべきである。その温度範囲であまりに多くのマルテンサイト系の脆い構造成分が形成されることがあるためである。第４のステップでの温度の維持は、好ましくは周期的なヘッドの浸漬によって確保される。即ち、軌道部品は周期的に冷却液に浸漬され、冷却液から取り出される。
【００２８】
ベイナイト相形成の温度範囲及びマルテンサイト開始温度は、それぞれの鋼の合金成分元素及びそれらそれぞれのパーセンテージに応じて決まるので、第１の温度の値及び第２の温度の値は、それぞれの鋼に対して前もって正確に決定しなければならない。制御冷却中、レールの温度は継続的に測定され、その際、冷却ステップ及び維持ステップは、それぞれの温度閾値に達すると、それぞれ開始およびは終了される。冷却は軌道部品全体に対して均一に行われるが、レールの表面温度は軌道部品の全長にわたって変動する可能性があるので、好ましくは、軌道部品の長さ全体に分布させた複数の測定点で温度が検出され、温度平均値が求められ、それが制御冷却の制御に使用されるような形で進められる。
【００２９】
ベイナイト形成段階では、オーステナイトは可能な限り完全にベイナイトに変態される。これは、等温で、且つ継続的な冷却中に、パーライト形成温度未満の温度からマルテンサイト開始温度までで生じる。オーステナイトがゆっくりと変態することによって、粒界又は結晶欠陥から、炭素が強過飽和した体心立方結晶格子を有するフェライト結晶が形成される。体心立方格子における拡散速度が大きいことにより、炭素は、フェライト粒内において球状又は楕円状のセメンタイト結晶の形態で析出する。炭素は、オーステナイト範囲へも拡散し、炭化物を形成することができる。
【００３０】
本発明の文脈では、第３のステップ及び第４のステップにおける冷却及び温度保持は、多相ベイナイトを形成するように行われる。第１のサブステップは、第２のサブステップよりも低い冷却速度で、連続冷却が行われ、第２のサブステップでは第２の温度に達するまで温度を急激に低下させる。第１のサブステップ中、主に上部ベイナイトが形成される。急激な冷却後、第４のステップで第２の温度が維持され、その間に下部ベイナイトが形成される。第４のステップにおける第２の温度の維持時間によって、下部ベイナイトがどの程度形成されるかが決まる。
【００３１】
上部ベイナイトは、群れをなして配置された針状フェライトで構成される。個々のフェライト針間には、針の軸線と平行に延在するある程度連続的な炭化物の膜が存在する。下部ベイナイトは、対照的に、針の軸線に対して６０°の角度で炭化物が内部に形成された、フェライト板で構成される。
【００３２】
液体冷却剤による制御冷却中、冷却液は急冷工程の３つの段階を経る。第１の段階、即ち気体膜段階では、レール・ヘッドの表面の温度は非常に高いので冷却液が急速に蒸発し、薄い絶縁性の気体膜が形成される（ライデンフロスト効果）。この気体膜段階は、中でも特に、冷却液の蒸気形成温度、軌道部品の表面の性質、例えばスケール、又は冷却タンクの化学組成及び構成に大きく依存する。第２の段階、即ち沸騰段階では、冷却液は、レール・ヘッドの高温面と直接接触するようになり、直ぐに沸騰し始め、それによって大きい冷却速度がもたらされる。第３の段階、即ち対流段階は、軌道部品の表面温度が冷却液の沸点まで低下すると直ぐに始まる。この範囲では、冷却速度は冷却液の流量によって大幅に影響を受ける。
【００３３】
本発明によって提供される制御冷却中、冷却液は、第１のステップ中は気体膜段階にあることが好ましい。第３のステップ中の冷却が、冷却液が最初に気体膜をレール・ヘッドの表面上に形成し、次に表面上で沸騰するように制御されるようにして更に進められることが好ましい。このように、気体膜段階から沸騰段階への移行が行われる。気体膜段階は、主に上部ベイナイトが形成される上記第１のサブステップの長さにわたっている。沸騰段階に達した後、温度は第２の温度まで、即ち好ましくは２８０〜３５０℃まで急激に低下する。
【００３４】
気体膜段階から沸騰段階への移行は、通常、比較的制御されない自発的な形で行われる。レール温度は、軌道部品の全長にわたる、特定の製造に関連する温度偏差に制約されるので、気体膜段階から沸騰段階への移行が、軌道部分の異なる長さ領域で異なる時間に行われるという問題がある。これは、軌道部品の長さにわたる不均一な結晶質構造に、したがって不均一な材料特性に結び付く。レールの全長にわたって気体膜段階から沸騰段階への移行時間を調和させるために、好ましい動作モードでは、軌道部品の全長に沿って気体膜を破壊し、沸騰段階を誘発するために、第３のステップ中、例えば窒素など、膜を破壊するガス状の圧力媒体が、軌道部品の全長に沿ってレール・ヘッドに供給される。
【００３５】
特に、第３のステップ中の冷却液の状態が軌道部品の全長に沿って監視され、軌道部品の長さの一部において沸騰段階が最初に出現したことが分かると直ぐに、膜を破壊するガス状の圧力媒体がレール・ヘッドに供給されるようにして、進めることができる。
【００３６】
膜を破壊するガス状の圧力媒体は、好ましくは、第３のステップ開始後の約２０〜１００秒、特に約５０秒に、レール・ヘッドに供給される。
【００３７】
本発明の更に別の観点によれば、上述の方法を実施するための装置が提案され、この装置は、軌道部品の長さに相当し、冷却液を充填することができる冷却タンクと、軌道部品を冷却タンクに浸漬し、且つそこから吊り上げる、軌道部品の吊上げ及び吊下げ装置と、軌道部品の温度を測定する温度測定装置と、圧力媒体を冷却液に注入する圧力媒体生成手段と、冷却液の温度を制御する手段と、温度測定装置の測定値が供給され、吊上げ及び吊下げ動作を制御するために吊上げ及び吊下げ装置と相互作用し且つ温度測定値に応じて冷却液の温度を制御する手段と相互作用し、更に圧力媒体生成手段とも相互作用する制御装置とを備える。
【００３８】
好ましくは、レール・ヘッドの表面での冷却液の沸騰を検出するセンサが設けられ、そのセンサ測定値は、センサ測定値に応じて圧力媒体生成手段を作動させるために、制御装置に供給される。特に、レール・ヘッドの表面での冷却液の沸騰を検出する複数のセンサが設けられてもよく、それらのセンサは冷却タンクの長さにわたって分配される。
【００３９】
好ましくは、複数のセンサのセンサ測定値が制御装置に設けられ、制御装置は、少なくとも１つのセンサがレール・ヘッドの表面での冷却液の沸騰を検出すると直ぐに圧力媒体生成手段を作動させる。
【００４０】
制御装置は、第１のステップで、フェライトの形成が可能な第１の温度に達するまで加速冷却することと、第２のステップで、前記第１の温度を維持してフェライトの形成をもたらすことと、第３のステップで、多相ベイナイトの形成が可能な温度範囲内で第２の温度まで更に冷却することと、第４のステップで、第２の温度を維持することとを含む制御冷却を行うように構成されることが有利である。
【００４１】
制御装置は、特に、第１のステップで、レール・ヘッドの温度を２〜５℃／秒の冷却速度で４５０〜５２５℃の第１の温度まで低下させ、第２のステップで、レール・ヘッドの温度を第１の温度で保持し、第３のステップ中、レール・ヘッドの温度を好ましくは５０〜１００秒間、特に約７０秒間で、２８０〜３５０℃の第２の温度まで低下させるように構成されてもよい。
【００４２】
制御装置は、好ましくは、第３のステップ中、圧力媒体生成手段を作動させるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】時間−温度−変態図
【図２】実施例１のミクロ組織
【図３】実施例２のミクロ組織
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、例示的な例を用いて本発明についてより詳細に説明する。  
次の標準分析値を有する低合金鋼を、標準的なレール・プロファイルを有する走行レールに対する熱間圧延によって形成した。
０．４９重量％のＣ
０．３６重量％のＳｉ
１．１１重量％のＭｎ
０．５３重量％のＣｒ
０．１３６重量％のＶ
０．００８５重量％のＭｏ
０．０２重量％のＰ
０．０２重量％のＳ
０．１重量％のＮｉ
【００４５】
圧延スタンドを離れて直ぐに、レールに対して圧延温度で制御冷却を施した。前記制御冷却については、図１に示される時間−温度−変態図を参照して後述する。１によって示される線は冷却の進行を示す。冷却処理は７９０℃の温度で始まる。第１のステップで、レールを、その全長にわたって、またその全断面によって水の冷却浴に浸漬し、４℃／秒の冷却速度に調節する。約７５秒後、４９０℃のレール・ヘッドの表面温度が測定され、地点２に達し、レールは、針状フェライトの形成を達成するよう、約３０秒間にわたって温度を維持するために、冷却浴から取り出された。地点３に達すると、レールを再び冷却浴に浸漬し、地点４まで冷却した。地点４では、冷却水の初期沸騰がレール・ヘッドの表面上で検出され、レール・ヘッドを取り囲む気体膜を破壊し、レールの全長にわたって沸騰段階を開始するために、圧縮空気をレール・ヘッドに供給した。沸騰段階の開始によってレール・ヘッドの温度が急激に減少し、この冷却は、３１５℃の温度（地点５）に達すると停止された。ヘッドを周期的に浸漬することによって、後者の温度を所定の時間維持した。以下の例から明白となるように、維持時間の長さは、多相ベイナイト構造の組成によって決まる。
【００４６】
「実施例１」
第１の例示的な実施例では、次の標準分析値を有する低合金鋼を、標準的なレール形状を有する走行レールに熱間圧延によって形成した。
０．４９重量％のＣ
０．３６重量％のＳｉ
１．１１重量％のＭｎ
０．５３重量％のＣｒ
０．１３６重量％のＶ
０．００８５重量％のＭｏ
０．０２重量％のＰ
０．０２重量％のＳ
０．１重量％のＮｉ
【００４７】
上述の制御冷却によって以下のレール・ヘッドのミクロ組織を得た。
約１０体積％の針状フェライト
約７４体積％の上部ベイナイト
約１６体積％の下部ベイナイト
１体積％未満のマルテンサイト−残留オーステナイト
【００４８】
ミクロ組織を図２に示す。
【００４９】
上部ベイナイトが高いことにより、後術の第２の例示的な実施例よりもレール・ヘッドの硬さが低くなった。材料特性が以下の通り測定された。
【００５０】
硬さ：３４７ＨＢ
引張強さ：１１６２ＭＰａ
０．２％降伏強さ：９７７ＭＰａ
破断伸び：１４．４％
ノッチ付き衝撃強さ：
＋２０℃での試験：１１０Ｊ／ｃｍ２
−２０℃での試験：９５Ｊ／ｃｍ２
亀裂成長ｄａ／ｄＮ
ΔＫ＝１０［ＭＰａ√ｍ］での試験：８．９［ｍ／Ｇｃ］
ΔＫ＝１３．５［ＭＰａ√ｍ］での試験：１５．８［ｍ／Ｇｃ］
ここで、ｍ／Ｇｃ＝メートル／ギガサイクル
耐摩耗性：
（アムスラー試験：スリップ１０％、法線力１２００Ｎ）
材料摩耗：１．７２ｍｇ／ｍ２
対照のＲ２６０材料摩耗：１．７９ｍｇ／ｍ２
破壊靭性：３９ＭＰａ√ｍ
【００５１】
「実施例２」
第２の例示的な実施例では、実施例１と同じ低合金鋼を選び、標準的なレール形状を有する走行レールを熱間圧延によって形成した。制御冷却は実例１と同様に行ったが、第４のステップにおける温度を実例１よりも長期間にわたって維持した。次のレール・ヘッドのミクロ組織を得た。
約１０体積％の針状フェライト
約１５体積％の上部ベイナイト
約７５体積％の下部ベイナイト
１体積％未満のマルテンサイト−残留オーステナイト
【００５２】
ミクロ組織は図３に示される。
【００５３】
次の材料特性が測定された。
【００５４】
硬さ：４０５ＨＢ
引張強さ：１３８７ＭＰａ
０．２％降伏強さ：１１４４ＭＰａ
破断伸び：１２．６％
ノッチ付き衝撃強さ：
＋２０℃での試験：１００Ｊ／ｃｍ２
−２０℃での試験：７５Ｊ／ｃｍ２
亀裂成長ｄａ／ｄＮ
ΔＫ＝１０［ＭＰａ√ｍ］での試験：９．５［ｍ／Ｇｃ］
ΔＫ＝１３．５［ＭＰａ√ｍ］での試験：１６．５［ｍ／Ｇｃ］
ここで、ｍ／Ｇｃ＝メートル／ギガサイクル
耐摩耗性：
（アムスラー試験：スリップ１０％、法線力１２００Ｎ）
材料摩耗：１．５５ｍｇ／ｍ２
対照のＲ２６０材料摩耗：１．７９ｍｇ／ｍ２
破壊靭性：３６ＭＰａ√ｍ
【図１】
2015532946.tif 000003
【図２】
2015532946.tif 000004
【図３】
2015532946.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月1日(2014.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低合金鋼から作られた軌道部品、とりわけ鉄道車両用のレールにおいて、
前記軌道部品のレール・ヘッドの鋼が、
５〜１５体積％のフェライト部分と、
上部ベイナイト部分及び下部ベイナイト部分から成る多相ベイナイト構造と
を有することを特徴とする、軌道部品。
【請求項２】
前記上部ベイナイト部分が、５〜７５体積％、とりわけ２０〜６０体積％であり、前記下部ベイナイト部分が、１５〜９０体積％、とりわけ４０〜８５体積％であることを特徴とする、請求項１に記載された軌道部品。
【請求項３】
前記フェライト部分が８〜１３体積％であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載された軌道部品。
【請求項４】
前記フェライトが針状フェライトであることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項５】
前記多相ベイナイトが前記針状フェライト組織に挿し込まれていることを特徴とする、請求項４に記載された軌道部品。
【請求項６】
前記軌道部品の前記レール・ヘッドの鋼が、２体積％未満の残留マルテンサイト／オーステナイト部分を含むことを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項７】
前記低合金鋼が、シリコン、マンガン、及びクロム、並びに任意の合金成分としてバナジウム、モリブデン、リン、硫黄、及び／又はニッケルを含有することを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項８】
前記合金成分が１．５重量％を超える部分が存在しないことを特徴とする、請求項７に記載された軌道部品。
【請求項９】
０．４〜０．５５重量％のＣ
０．３〜０．６重量％のＳｉ
０．９〜１．４重量％のＭｎ
０．３〜０．６重量％のＣｒ
０．１〜０．３重量％のＶ
０．０５〜０．２０重量％のＭｏ
０〜０．０２重量％のＰ
０〜０．０２重量％のＳ
０〜０．１５重量％のＮｉ
の標準分析値を有する低合金鋼が使用されることを特徴とする、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項１０】
前記軌道部品が、前記ヘッドの領域において１１５０Ｎ／ｍｍ２よりも大きい引張強さＲｍを有することを特徴とする、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項１１】
前記軌道部品が、前記ヘッド領域において３４０ＨＢを超える硬さを有することを特徴とする、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された軌道部品。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された軌道部品を熱間圧延した部分から製造する方法において、
前記圧延部分のレール・ヘッドが、圧延温度で圧延スタンドを離れて直ぐに制御冷却を施され、前記制御冷却が、
７４０〜８５０℃の温度、とりわけ約７９０℃から、フェライトの形成が可能な４５０〜５２５℃の第１の温度に達するまで２〜５℃／秒の冷却速度で加速冷却する第１のステップ、
フェライトの形成のために前記第１の温度を維持する第２のステップ、
５０〜１００秒間、とりわけ約７０秒間にわたり、多相ベイナイトの形成が可能な２８０〜３５０℃の第２の温度まで更に冷却する第３のステップ、および
前記第２の温度を維持する第４のステップ
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１３】
前記軌道部品の長さ全体に分布させた複数の測定点で温度が検出され、温度平均値が求められて、前記温度平均値が前記制御冷却の制御に使用されることを特徴とする、請求項１２に記載された方法。
【請求項１４】
前記制御冷却が、少なくとも前記レール・ヘッドを液体冷却剤に浸漬することによって行われることを特徴とする、請求項１２または請求項１３に記載された方法。
【請求項１５】
前記第３のステップでの冷却は、前記冷却液が最初に気体膜を前記レール・ヘッドの表面上に形成し、次に前記表面上で沸騰するように制御されることを特徴とする、請求項１２から請求項１４までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項１６】
前記軌道部品の全長に沿って前記気体膜を破壊し、沸騰段階を誘発するために、前記第３のステップ中に、例えば窒素など、膜を破壊するガス状の圧力媒体が、前記軌道部品の全長に沿って前記レール・ヘッドに供給されることを特徴とする、請求項１５に記載された方法。
【請求項１７】
前記第３のステップ中の前記冷却液の状態が前記軌道部品の全長に沿って監視され、前記軌道部品の長さの一部において前記沸騰段階が最初に出現したことが分かると直ぐに、前記膜を破壊するガス状の圧力媒体が前記レール・ヘッドに供給されることを特徴とする、請求項１６に記載された方法。
【請求項１８】
前記膜を破壊するガス状の圧力媒体が、前記第３のステップ開始からの約２０〜１００秒後、とりわけ約５０秒後に、前記レール・ヘッドに供給されることを特徴とする、請求項１６又は請求項１７に記載された方法。
【請求項１９】
前記第１のステップ中、前記軌道部品が前記冷却液に完全に浸漬されることを特徴とする、請求項１２から請求項１８までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２０】
前記第２のステップ中、前記軌道部品が前記冷却液から取り出された位置で保持されることを特徴とする、請求項１２から請求項１９までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２１】
前記第３のステップ中、前記軌道部品の前記レール・ヘッドのみが前記冷却液に浸漬されることを特徴とする、請求項１２から請求項２０までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２２】
前記第４のステップ中、前記軌道部品が周期的に、前記冷却液に浸漬され前記冷却液から取り出されることを特徴とする、請求項１２から請求項２１までのいずれか１項に記載された方法。
【請求項２３】
請求項１２から請求項２２までのいずれか１項に記載された方法を実施するための装置であって、
軌道部品の長さに相当し、冷却液を充填することができる冷却タンクと、
前記軌道部品を前記冷却タンクに浸漬し、且つ前記冷却タンクから吊り上げる、前記軌道部品の吊上げ及び吊下げ装置と、
前記軌道部品の温度を測定する温度測定装置と、
圧力媒体を前記冷却液に注入する圧力媒体生成手段と、
前記冷却液の温度を制御する手段と、
前記温度測定装置の測定値が供給され、吊上げ及び吊下げ動作を制御するために前記吊上げ及び吊下げ装置と相互作用し、且つ前記温度測定値に応じて前記冷却液の温度を制御する手段と相互作用し、更に前記圧力媒体生成手段とも相互作用する、制御装置と
を備える、装置。
【請求項２４】
レール・ヘッドの表面上での冷却液の沸騰を検出するセンサが設けられ、センサ測定値に応じて前記圧力媒体生成手段を作動させるために、前記センサ測定値が前記制御装置に供給されることを特徴とする、請求項２３に記載された装置。
【請求項２５】
前記レール・ヘッドの前記表面上での冷却液の沸騰を検出する複数のセンサが設けられ、前記センサが前記冷却タンクの長さにわたって分配されることを特徴とする、請求項２４に記載された装置。
【請求項２６】
前記複数のセンサの前記センサ測定値が前記制御装置に供給され、前記制御装置は、少なくとも１つのセンサが前記レール・ヘッドの前記表面上での冷却液の沸騰を検出すると直ぐに前記圧力媒体生成手段を作動させることを特徴とする、請求項２３から請求項２５までのいずれか１項に記載された装置。
【請求項２７】
前記制御装置が、
第１のステップで、フェライトの形成が可能な第１の温度に達するまで加速冷却すること、
第２のステップで、フェライトの形成のために前記第１の温度を維持すること、
第３のステップで、多相ベイナイトの形成が可能な温度範囲の第２の温度まで更に冷却すること、および
第４のステップで、前記第２の温度を維持すること
を含む制御冷却を行うように構成されることを特徴とする、請求項２３から請求項２６までのいずれか１項に記載された装置。
【請求項２８】
前記制御装置が、前記第１のステップで、前記レール・ヘッドの温度を２〜５℃／秒の冷却速度で４５０〜５２５℃の第１の温度まで低下させ、前記第２のステップで、前記レール・ヘッドの温度を前記第１の温度で保持し、前記第３のステップで、前記レール・ヘッドの温度を好ましくは５０〜１００秒、とりわけ約７０秒の間に、２８０〜３５０℃の第２の温度まで低下させるように構成されることを特徴とする、請求項２７に記載された装置。
【請求項２９】
前記制御装置が、前記第３のステップで、前記圧力媒体生成手段を作動させるように構成されることを特徴とする、請求項２７又は請求項２８に記載された装置。
【国際調査報告】
2015532946.tif 000006
2015532946.tif 000007
2015532946.tif 000008
2015532946.tif 000009
2015532946.tif 000010
2015532946.tif 000011