(57)【要約】【課題】  設備コストをかけずに、現状以上の生産効率向上を可能とする高温レールの冷却方法を提供する。【解決手段】  オーステナイト域温度以上に加熱された、鋼組成として、質量％で、Ｃ：０．６５〜０．９０％、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．１％を含有し、残部：実質的にＦｅからなる高温のレールを拘束し、レール足裏部およびレール頭部に対する冷却媒体による強制冷却を同時に開始し、この際、前記レール足裏部に比べて前記レール頭部を強冷却して、前記レール足裏部および前記レール頭部の両方の冷却を前記レール頭部の変態が終了するまで行い、かくして、前記レールの曲がりを最小限としつつ、前記頭部を材質上の目標強度とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト域温度以上に加熱された、鋼組成として、質量％で、
Ｃ  ：０．６５〜０．９０％、
Ｓｉ：０．１〜０．９％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｐ  ：０．０３５％以下、
Ｓ  ：０．０３５％以下、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％
を含有し、
残部：実質的にＦｅ
からなる高温のレールを拘束し、レール足裏部およびレール頭部に対する冷却媒体による強制冷却を同時に開始し、この際、前記レール足裏部に比べて前記レール頭部を強冷却して、前記レール足裏部および前記レール頭部の両方の冷却を前記レール頭部の変態が終了するまで行い、かくして、前記レールの曲がりを最小限としつつ、前記頭部を材質上の目標強度とすることを特徴とする、高温レールの冷却方法。
【請求項２】
請求項１に記載の組成に加え、さらに、質量％で、
Ｃｒ：１％以下
Ｃｕ：１％以下
Ｎｉ：１％以下
Ｍｏ：０．５％以下
Ｖ  ：０．２％以下
の１種または２種以上を含有し、
残部：実質的にＦｅ
からなる高温のレールを拘束し、レール足裏部およびレール頭部に対する冷却媒体による強制冷却を同時に開始し、この際、前記レール足裏部に比べて前記レール頭部を強冷却して、前記レール足裏部および前記レール頭部の両方の冷却を前記レール頭部の変態が終了するまで行い、かくして、前記レールの曲がりを最小限としつつ、前記頭部を材質上の目標強度とすることを特徴とする、高温レールの冷却方法。
【請求項３】
前記冷却媒体として空気を使用し、前記レール足裏部の冷却風量は、前記レール頭部の冷却風量の４０〜８０％の範囲内とすることを特徴とする、請求項１または２記載の、高温レールの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高温レールの冷却方法、特に、熱間圧延された直後の高温のレール、または、熱間圧延後、熱処理のためにオーステナイト域温度以上に加熱された高温のレールに対し、その頭部を材質上の目標強度を満足させるために、空気または水などの冷却媒体によって強制冷却する、高温レールの冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レール頭部を材質上の目標強度とし、その耐摩耗性および靭性を高めるために、熱間圧延された直後の高温レール、または、熱間圧延後、熱処理のためにオーステナイト域温度以上の温度に加熱された高温のレールに対し、クランプにより拘束した状態で、その頭部を空気または水などの冷却媒体により強制冷却する熱処理（ＳＱ）を施すことが行われている。
【０００３】
レール頭部を材質上の目標強度にするという観点からは、レール頭部のみを強制冷却すればよいが、レール頭部のみを強制冷却したのでは、レール上下の温度差が大きく、冷却終了後にレール内部に比較的大きな残留応力が生じる結果、レールのクランプを外したときに、レールに大きな曲がりが発生し、その後の形状矯正のためのプレス工程が必要になるなど、レールの生産能率を著しく害するという問題が生ずる。
【０００４】
このような問題を防止するために、例えば、特許文献１および特許文献２には、図１に示すように、レール１の頭部１ａ側に設けられた上部ヘッダー２およびレール１の足裏部１ｂ側に設けられた下部ヘッダー３から噴射される冷却媒体によって、レール１の頭部１ａの強制冷却後、足裏部１ｂを強制冷却する方法が開示されている。また、特許文献３には、足裏部１ｂのみを冷却媒体によって所定時間強制冷却した後、頭部１ａを強制冷却する方法（以下、先行技術という）も開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平６１−６０８２７号公報
【特許文献２】特開昭６３−１１４９２３号公報
【特許文献３】特開平１０−１３０７３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先行技術によれば、レール頭部のみを冷却した場合に比べて、冷却後の残留曲がりを小さくすることができる。しかしながら、レール１の頭部１ａの強制冷却中のレールの曲がりを検出し、下部ヘッダー３によるレール足裏部１ｂの冷却をコントロールする装置が高価であったり、生産性を向上させるため、下部ヘッダー３によるレール足裏部１ｂの冷却時間を短縮すべく強冷却を行うと、レール足部の冷却速度が速くなり過ぎ、レール足部にマルテンサイト等の異常組織が発生する問題がある。
【０００７】
そのために、設備コストが高くなる、あるいは、レール足裏部１ｂを、極端な緩冷却で長時間、冷却しなければならず、足裏部１ｂのみを先行して冷却するため、その先行分だけ生産能率が阻害されるという問題が残る。
【０００８】
このように、先行する特許文献に開示されている技術では、設備コストを抑えつつ、現状以上の生産能率向上を図ることは困難である。
【０００９】
この発明の目的は、設備コストをかけずに、現状以上の生産効率向上を可能とする高温レールの冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、上述した目的を達成するためになされたものであり、下記を特徴とするものである。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、オーステナイト域温度以上に加熱された、鋼組成として、質量％で、Ｃ：０．６５〜０．９０％、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．１％を含有し、残部：実質的にＦｅからなる高温のレールを拘束し、レール足裏部およびレール頭部に対する冷却媒体による強制冷却を同時に開始し、この際、前記レール足裏部に比べて前記レール頭部を強冷却して、前記レール足裏部および前記レール頭部の両方の冷却を前記レール頭部の変態が終了するまで行い、かくして、前記レールの曲がりを最小限としつつ、前記頭部を材質上の目標強度とすることに特徴を有するものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の組成に加え、さらに、質量％で、Ｃｒ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．２％以下の１種または２種以上を含有し、残部：実質的にＦｅからなる高温のレールを拘束し、レール足裏部およびレール頭部に対する冷却媒体による強制冷却を同時に開始し、この際、前記レール足裏部に比べて前記レール頭部を強冷却して、前記レール足裏部および前記レール頭部の両方の冷却を前記レール頭部の変態が終了するまで行い、かくして、前記レールの曲がりを最小限としつつ、前記頭部を材質上の目標強度とすることに特徴を有するものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、冷却媒体として空気を使用し、レール足裏部の冷却風量は、レール頭部の冷却風量の４０〜８０％の範囲内とすることに特徴を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の方法によれば、足裏部の先行強制冷却が不要となり、かつ、クランプ拘束解除後のレールに生ずる曲がりが極めて小さく、また、その後の放冷過程における曲がりもほとんど発生しないため、形状矯正のためのプレス工程が不要になり、低コストで生産効率を向上させることができ、工業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明においては、オーステナイト域の温度以上に加熱された高温のレールを、曲がり拘束用のクランプにより固定し、図１に示すように、その足裏部１ｂ側に設けられた下部ヘッダー３から噴射される空気や水などの冷却媒体によって、レール足裏部１ｂと共に、レール頭部１ａ側に設けられた上部ヘッダー２によるレール頭部１ａの強制冷却を同時に開始し、頭部１ａおよび足裏部１ｂの両方の冷却を、図２に示すように、頭部の変態が終了するまでの時間行って、レール頭部１ａを材質上の目標強度にする。そして、その後、レールの曲がり拘束用クランプを外す。
【００１６】
まず、この発明における、鋼組成の限定理由について説明する。なお、成分組成の％は、質量％を示す。
【００１７】
Ｃ：０．６５〜０．９０％
Ｃは、全面パーライト組織として耐摩耗性を確保するための基本的元素である。０．６５％未満であると、全面パーライト組織とすることができないか、あるいは、耐摩耗性を確保できるだけの量のセメンタイト分率を確保できない。一方、０．９０％を超えると、レールの一部に初析セメンタイトが生成して、靭性を著しく害する場合がある。従って、Ｃ量は、０．６５〜０．９０％の範囲とする。
【００１８】
Ｓｉ：０．１〜１％
Ｓｉは脱酸材として０．１％以上は含有されるが、１％を超えると溶接性を著しく害する。従って、Ｓｉ量は、０．１〜１％とする。
【００１９】
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは脱酸効果のみならず、オーステナイトからパーライトに変態する温度を低下させ、パーライトの層間隔を微細化して高強度化し、耐摩耗性や耐疲労損傷性を向上させる効果がある。０．５％未満であると、所望の効果が十分に得られない。一方、２．０％を超えると、ＳＱの際、偏析部にマルテンサイトが生じたり、また、溶接後の冷却時にマルテンサイトを生じるなど、品質を害する。したがって、Ｍｎ量は、０．５〜２．０％の範囲とする。
【００２０】
Ｐ：０．０３５％以下
Ｐが０．０３５％を超えると靭性が劣化する。Ｐ量は０．０３５％以下に限定する。
【００２１】
Ｓ：０．０３５％以下
Ｓが０．０３５％を超えると、非金属介在物量が増大し、靭性や耐疲労損傷性など、品質を著しく害する。Ｓ量は０．０３５％以下に限定する。
【００２２】
Ｎｂ：０．００５〜０．１％
ＮｂはＣと結合して、熱間圧延中、あるいは熱間圧延後に炭化物として微細に析出するとともに、オーステナイト組織を微細化して、その後、変態して得られるパーライト組織を微細化する。オーステナイト組織を微細化するので、変態温度を上昇させる効果を有し、足裏の冷却に対し、極端な緩冷却を長時間行わなくとも、マルテンサイトの生成を抑え、かつ、所望の材質特性を得ることができる。
【００２３】
また、所望の機械的特性を得るために、Ｃｒ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．２％以下の１種または２種以上を添加することができる。
【００２４】
Ｃｒ：１％以下
Ｃｒは基本的に固溶強化により、強度、硬さを向上させる。しかし、１％を超えて添加すると、溶接性を阻害したり、また溶接後の冷却時にマルテンサイトを生じて、材質を損なう。従って、Ｃｒ量は１％以下に限定する。
【００２５】
Ｃｕ：１％以下
ＣｕもＣｒと同様、基本的に固溶強化により、強度、硬さを向上させる。しかし、１％を超えて添加すると、特に、鋳片の割れが顕著となり、製品とするのが困難となる。従って、Ｃｕ量は１％以下に限定する。
【００２６】
Ｎｉ：１％以下
Ｎｉも基本的に固溶強化により、強度、硬さ、靭性を向上させる。しかし、1％を超えて添加しても、強度、硬さ、靭性向上の効果は飽和する一方で、経済性を著しく損ねる。したがって、Ｎｉ量は1％以下に限定する。
【００２７】
Ｍｏ：０．５％以下
Ｍｏも基本的に固溶強化により、強度、硬さを向上させる効果がある。しかし、０．５％を超えて添加すると、溶接後の冷却時にマルテンサイトを生じるばかりでなく、経済性を損ねる。従って、Ｍｏ量は０．５％以下に限定する。
【００２８】
Ｖ：０．２％以下
Ｖは固溶強化、並びにＣと結びついて炭化物を形成し、析出強化により、強度、硬さを向上させる効果がある。しかし、０．２％を超えて添加すると、溶接性を害する。従って、Ｖ量は０．２％以下に限定する。
【００２９】
以上に述べた元素の他にも、この発明の効果が損なわれない限度で他の元素を適宜添加することは特段差し支えない。
【００３０】
次に、冷却条件について、その限定理由を説明する。
【００３１】
冷却媒体としては、空気をはじめ、レール頭部にマルテンサイトやベイナイトを生じない範囲での冷却速度で、適宜、ミストなどを用いることができる。
【００３２】
レール足裏部およびレール頭部に対する冷却媒体による強制冷却は同時に開始する。先行して、足裏部を緩冷却する必要がなく、生産効率を向上させることができる。
【００３３】
冷却は、頭部のパーライト変態が終了するまで行う。これによって、レールとして所望の強度、靭性、耐摩耗性などの材質特性を得ることができる。なお、この際、レール足裏部の冷却は、頭部の冷却より、弱くする必要がある。特に、足先部は外観上、肉厚が薄く、熱容量が小さいので、マルテンサイトの生成を抑えるよう、頭部より冷却は弱くする必要がある。
【００３４】
冷却媒体として、特に、空気を用いる場合は、足裏部の冷却風量は、頭部の冷却風量の４０％以上８０％以下とする必要がある。足裏部の冷却風量が、頭部の冷却風量の４０％より小さいと、所望の冷却効果を得ることができず、その結果、長時間冷却する必要が生じ、生産効率を害する。また、８０％より大きいと、特に足先部にマルテンサイトが生成する可能性がある。したがって、冷却媒体として、特に、空気を用いる場合は、足裏部の冷却風量は、頭部の冷却風量の４０％以上、８０％以下に限定する。
【００３５】
以上、述べたレール鋼組成、ならびに、冷却条件を限定することにより、生産効率が良好で、かつ、曲がりを最小限とし、マルテンサイトなどの異常組織のない、パーライト鋼レールを製造することができる。
【実施例】
【００３６】
次に、この発明を実施例によりさらに説明する。
【００３７】
９１０℃で熱間圧延を終了した長尺のレールを２５ｍの長さに分割し、このように分割されたレールを熱処理（ＳＱ）装置に装入し、曲がりを拘束するためのクランプによってレールを固定した。表１に、このとき使用したレールの鋼組成の化学成分を示す。
【００３８】
【表１】
2005290486.tif 000003
【００３９】
次いで、レール頭部１ａの温度が７８０℃の状態から、図１に示す下部ヘッダー３より噴射される冷却媒体としての空気により、レール頭部１ａの冷却風量に対するレール足裏部１ｂの冷却風量の割合、および、図２に示す冷却時間ｔ1、ｔ2を、表２に示すように設定して、冷却を開始した。何れの場合も、ｔ2はレール頭部を材質上の目標強度とするために必要な時間である。ｔ2時間冷却後、上部ヘッダー２及び下部ヘッダー３からの空気噴射を停止し、その後、レールをクランプから外して熱処理(ＳＱ)装置からレールを搬出した後、冷却床においてレールを自然放冷した。表２に自然放冷後のレール足裏部１ｂ中央の足裏表層から１ｍｍ深さの硬さ(Ｈｖ)、レール足裏部１ｂの組織の形態、および２５ｍレールのレールを横倒しした状態でのレール上下方向の曲がりも示す。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
この発明による実施例１、実施例２は、レール頭部１ａおよびレール足裏部１ｂの両方を、図２に示す冷却時間ｔ1＝０秒、ｔ2＝１５０秒に設定して強制冷却した。何れもレール足裏部１ｂに異常組織を発生することなく、熱処理（ＳＱ）装置からレールを搬出し、冷却床においてレールを自然放冷した後の２５ｍレールの曲がりは上方５０ｍｍ以内であり、良好であった。これは、下方曲がりを規制している仕様にも適応できる。比較例３は、比較鋼Ｃから圧延されたレールを、実施例１、実施例２と同様に冷却時間を設定して強制冷却した結果であるが、２５ｍレールの曲がりは上方６０ｍｍと良好であったが、レール足裏部１ｂにマルテンサイト組織が発生した。比較例４は、比較例３に発生したレール足裏部１ｂのマルテンサイト組織を防止し、且つ２５ｍレールの曲がりも１００ｍｍ以内となるように、レール足裏部１ｂに対する冷却用空気の流量を比較例４に対し減少させたものである。レール足裏部１ｂに対する冷却用空気の流量を減少させたままでは２５ｍレールの曲がりは大きくなるため、ｔ1＝３０秒に設定する必要が生じた。比較例１、比較例２は、本発明鋼に、比較例４で実施した冷却条件を適用したものである。何れもレール足裏部１ｂにマルテンサイト組織を発生させること無く、２５ｍレールの曲がりも１００ｍｍ以内に出来たが、ｔ1＝３０秒に設定する必要があった。また、何れも下方曲がりとなったため、下方曲がりを規制している仕様には適応出来ない。
【００４２】
比較例１、比較例２、比較例４は、何れもレール足裏部１ｂにマルテンサイト組織を発生させることなく２５ｍレールの曲がりも１００ｍｍ以内とすることが出来るが、実施例１、実施例２に比べて冷却時間が３０秒多く必要になったため、生産性が低下した。また、下方曲がりを規制している仕様には適応出来ない。
【００４３】
この熱処理条件は、重荷重用レールにおける、レール頭部１ａを材質上の目標強度にするためのものであり、この発明のレールに使用した鋼種は、何れもレール足裏部１ｂに異常組織を発生することなく、かつ短時間熱処理で曲がりの少ないレールが製造できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の方法で使用されるレール冷却用ヘッダーの配置図である。
【図２】レール冷却用空気流量の時間的変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：レール
１ａ：レール頭部
１ｂ：レール足裏部
２：上部ヘッダー
３：下部ヘッダー
【図１】
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【図２】
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