(57)【要約】【課題】  過共析含有レール鋼にＶ，Ｎｂ、更にはＮの添加量を制御することにより、レール頭表部と頭部内部の硬度が同時に上昇させ、更に頭表部と頭部内部の硬度差をより一層減少させ、レール頭部の耐表面損傷性と耐内部疲労損傷性を同時に向上する。【解決手段】  質量％で、C:0.85超〜1.20%, Si:0.05〜2.00%, Mn:0.05〜2.00% を含有し、更にV:0.01〜0.20%,Nb:0.002〜0.050%の１種又は２種を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、少なくとも頭部コーナー部及び頭頂部表面を起点として深さ20mmの範囲の金属組織がパーライト組織であり、かつ前記パーライト組織中の任意断面において、パーライト組織中のフェライト相中に析出した直径 0.1〜100nm の大きさの VもしくはNbの炭化物及び炭窒化物の合計個数が１μｍ2 中に10〜1000個存在することを特徴とする耐表面損傷性及び耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。【選択図】    図１
2005171326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．８５超〜１．２０％、
Ｓｉ：０．０５〜２．００％、
Ｍｎ：０．０５〜２．００％
を含有し、さらに、
Ｖ  ：０．０１〜０．２０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％
の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、少なくとも頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として深さ２０ｍｍの範囲の金属組織がパーライト組織であり、かつ、前記パーライト組織中の任意断面において、パーライト組織中のフェライト相中に析出した直径０．１〜１００ｎｍの大きさのＶもしくはＮｂの炭化物および炭窒化物の合計個数が１μｍ2 中に１０〜１０００個存在することを特徴とする耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ  ：０．８５超〜１．２０％、
Ｓｉ：０．０５〜２．００％、
Ｍｎ：０．０５〜２．００％
を含有し、さらに、
Ｖ  ：０．０１〜０．２０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％
の１種または２種を含有し、さらに、
Ｎ  ：０．００６０〜０．０５００％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、少なくとも頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として深さ２０ｍｍの範囲の金属組織がパーライト組織であり、かつ、前記パーライト組織中の任意断面において、パーライト組織中のフェライト相中に析出した直径０．１〜１００ｎｍの大きさのＶもしくはＮｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の合計個数が１μｍ2 中に２０〜２０００個存在することを特徴とする耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【請求項３】
質量％でさらに、
Ｃｒ：０．０５〜２．００％、
Ｍｏ：０．０１〜０．５０％
の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【請求項４】
質量％でさらに、
Ｂ  ：０．０００１〜０．００５０％
を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【請求項５】
質量％でさらに、
Ｃｏ：０．１０〜２．００％、
Ｃｕ：０．０１〜１．００％
の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【請求項６】
質量％でさらに、
Ｎｉ：０．０１〜１．００％
を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【請求項７】
質量％でさらに、
Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【請求項８】
質量％でさらに、
Ａｌ：０．０１００〜１．００％
を含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【請求項９】
質量％でさらに、
Ｚｒ：０．０００１〜０．２０００％
を含有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重荷重鉄道のレールに要求される耐表面損傷性、耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、海外の重荷重鉄道では、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、ゲージコーナー部（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（０．８％Ｃ）鋼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】
これら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、硬さを制御した耐摩耗性に優れたレール
（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耐摩耗性に優れたセメタイト相の体積比率を増加させ、さらに硬さ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】
さらに本発明者らは、炭素量の高い過共析鋼を用いて、レール頭部の耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を向上させた下記に示すようなレールを開発した。
(3)  過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）にＢを添加することにより、耐摩耗性と    耐内部疲労損傷性を向上させたレール（特許文献３）。
このレールの特徴は、過共析鋼に微量なＢを添加することにより、レール頭表面から内部までのパーライト変態温度を均一化し、レール頭表面から内部までより均一な硬度分布を付与し、レールの耐摩耗性と耐内部疲労損傷性大きく向上させるものであった。
【特許文献１】特開平８−１４４０６１号公報
【特許文献２】特開平８−２４６１００号公報
【特許文献３】国際公開第９６−２８５８１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記(1),(2) に示された発明レール鋼は、主にパーライトラメラ中の耐摩耗性に優れたセメタイト相の体積比率を増加させ、パーライト組織の耐摩耗性を向上させるものであった。しかし上記レール鋼では、パーライト組織自体の硬度に上限があるため、レール頭表部で発生する塑性変形起因の損傷性に対しての抵抗性が弱く、過酷な使用条件ではレール頭表部に表面損傷が発生する場合があった。
【０００６】
また上記(3) に示された発明レール鋼は、耐摩耗性に優れた過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）に微量なＢを添加することにより、レール頭表面から内部までのパーライト変態温度を均一化し、主にレール頭表部と内部の硬度差を低減させ、耐摩耗性、耐内部疲労損傷性を向上することにより、重荷重鉄道用レールの高寿命化に寄与するものであった。しかし上記レール鋼では、鋼の成分系の違いによっては、過共析鋼に単にＢを添加したのみではパーライト変態温度の均一化が十分に図れず、レール頭表面から内部まで均一な硬度分布が得られず、内部疲労損傷が発生する場合があった。
【０００７】
このような背景から、過共析炭素含有のレール鋼において耐摩耗性を確保し、レール頭表部において表面損傷の発生を防止し、同時にレール頭部内部において疲労損傷の発生を防止する、耐表面損傷性と耐内部疲労損傷性に優れたレールの開発が求められていた。
すなわち本発明は、重荷重鉄道のレールに要求される耐表面損傷性を向上させ、同時に耐内部疲労損傷性を向上させることを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は以下の構成からなる。
（１）質量％で、
Ｃ  ：０．８５超〜１．２０％、  Ｓｉ：０．０５〜２．００％、
Ｍｎ：０．０５〜２．００％
を含有し、さらに、
Ｖ  ：０．０１〜０．２０％、    Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％
の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、少なくとも頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として深さ２０ｍｍの範囲の金属組織がパーライト組織であり、かつ、前記パーライト組織中の任意断面において、パーライト組織中のフェライト相中に析出した直径０．１〜１００ｎｍの大きさのＶもしくはＮｂの炭化物および炭窒化物の合計個数が１μｍ2 中に１０〜１０００個存在することを特徴とする耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
（２）質量％で、
Ｃ  ：０．８５超〜１．２０％、  Ｓｉ：０．０５〜２．００％、
Ｍｎ：０．０５〜２．００％、
を含有し、
Ｖ  ：０．０１〜０．２０％、    Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％
の１種または２種を含有し、さらに、
Ｎ  ：０．００６０〜０．０５００％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、少なくとも頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として深さ２０ｍｍの範囲の金属組織がパーライト組織であり、かつ、前記パーライト組織中の任意断面において、パーライト組織中のフェライト相中に析出した直径０．１〜１００ｎｍの大きさのＶもしくはＮｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の合計個数が１μｍ2 中に２０〜２０００個存在することを特徴とする耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
【０００９】
（３）上記（１），（２）のレールには、質量％でさらに、下記 [1]〜[7] のうち１種以上の成分を選択的に含有させることができる。
[1]  Ｃｒ：０．０５〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％の１種または２種、
[2]  Ｂ  ：０．０００１〜０．００５０％、
[3]  Ｃｏ：０．１０〜２．００％、Ｃｕ：０．０１〜１．００％の１種または２種、
[4]  Ｎｉ：０．０１〜１．００％、
[5]  Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％の１種または２種以上、
[6]  Ａｌ：０．０１００〜１．００％、
[7]  Ｚｒ：０．０００１〜０．２０００％。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、重荷重鉄道に耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れたレールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明について詳細に説明する。
本発明者らは、過共析鋼において、レール頭表部で発生する塑性変形起因の損傷を防止し、同時にレール頭部内部から発生する疲労損傷の発生を防止するレールの開発に取り組んだ。
まず本発明者らは、これらの問題点を解決するため、過共析鋼においてレール頭表部と頭部内部の硬度の上昇を同時に図る方法を検討した。パーライト組織の強度を上昇させる方法として、パーライト組織中のフェライト相中に析出物を生成させ強化する析出強化の検討を行った。その結果、変態後のパーライト組織中のフェライト相に析出し易く、パーライト組織の耐摩耗性や靭性の悪影響しない元素として、Ｖ，Ｎｂが最も有効であることを実験により確認した。
【００１２】
さらに、Ｖ，Ｎｂを添加した実レール鋼を用いたレール頭部の加速冷却実験を行った結果、レール頭表部や頭部内部ではＶ，Ｎｂを添加することにより、パーライトイ組織中のフェライト相中に、ＶもしくはＮｂの炭化物および炭窒化物が析出しやすく、レール頭表部や頭部内部の硬度がそれぞれ向上し、さらに、頭表部と比較して冷却速度の遅いレール頭部内部ではその向上量が多く、結果的にレール頭表部と頭部内部の硬度差がより一層減少することが確認された。
【００１３】
さらに本発明者らは、Ｖ、Ｎｂの効果をさらに向上させる元素を上記実験により検討した。その結果、Ｖ，Ｎｂの添加に加えてＮの添加量を制御することにより、過共析鋼のパーライトイ組織中のフェライト相に、ＶもしくはＮｂの窒化物やＶもしくはＮｂの炭窒化物の析出がさらに促進され、レール頭表部と頭部内部の硬度が大幅に向上することが確認された。
したがって本発明では、過共析含有レール鋼にＶ，Ｎｂ、さらにはＮの添加量を制御することにより、レール頭表部と頭部内部の硬度が同時に向上し、さらにレール頭表部と頭部内部の硬度差がより一層減少し、耐表面損傷性と耐内部疲労損傷性を同時に向上できることを知見した。
【００１４】
すなわち本発明は、重荷重鉄道のレールに要求される耐表面損傷性を向上させ、同時に耐内部疲労損傷性を安定的に向上させるため、炭素量の高い過共析鋼を用いてＶ，Ｎｂを添加し、さらにはＮの添加量を制御することにより、ＶもしくはＮｂの炭化物、窒化物および炭窒化物を安定的に生成させ、レール頭表部や頭部内部の硬度の向上と同時に、レール頭表部と頭部内部の硬度差の低減を図り、レール頭表面から頭部内部まで均一な高い硬度分布を有した高炭素鋼レールに関するものである。
【００１５】
（１）鋼レールの化学成分の限定理由
請求項１〜９において、レール鋼の化学成分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０．８５％以下では、圧延後の冷却条件によってはパーライト組織中に初析フェライト組織が生成し、レール頭表部の高硬度化が図れず、塑性変形起因のフレーキング損傷が発生する。また、レール頭部内部では軟質な初析フェライト組織を起点とした疲労き裂が生成し、内部疲労損傷が発生する。一方、Ｃ量が１．２０％を超えると、旧オーステナイト粒界に初析セメンタイト組織が多量に生成し、レール頭部内部において初析セメンタイト相を起点とした疲労き裂が生成し、内部疲労損傷が発生する。このためＣ量を０．８５超〜１．２０％に限定した。
【００１６】
Ｓｉは、脱酸剤として必須の成分である。また、パーライト組織中のフェライト相への固溶強化により、レール頭部の硬度（強度）を上昇させる元素である。さらに、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、延性の低下を抑制する元素である。しかし、０．０５％未満ではこれらの効果が十分に期待できない。また２．００％を超えると、熱間圧延時に表面疵が多く生成することや、酸化物の生成により溶接性が低下する。さらに焼入性が著しく増加し、レールの耐表面損傷性や靭性に有害なマルテンサイト組織が生成する。このためＳｉ量を０．０５〜２．００％に限定した。
【００１７】
Ｍｎは、焼き入れ性を高め、パーライトラメラ間隔を微細化することにより、パーライト組織の硬度（強度）を確保し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、０．０５％未満の含有量ではその効果が小さく、レールに必要とされる耐摩耗性の確保が困難となる。また２．００％を超えると焼入性が著しく増加し、耐表面損傷性や靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このためＭｎ量を０．０５〜２．００％に限定した。
【００１８】
Ｖは、レール頭表部、さらには特に、頭表部と比較して冷却速度の遅いレール頭部内部で炭化物、窒化物および炭窒化物を形成し、パーライト組織中のフェライト相に析出することにより、レール頭表部や頭部内部の硬度を向上させる元素である。しかし０．０１％未満では、炭化物、窒化物および炭窒化物の析出が困難となり、レール頭表部や頭部内部の高硬度が図れず、表面損傷や内部疲労損傷が発生する。また０．２０％を超えて添加すると、炭化物、窒化物および炭窒化物が多量に析出し、フェライト相自体が脆化し、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が発生する。さらに粗大な炭化物、窒化物および炭窒化物が析出し、レール頭部内部においてこれらの析出物からき裂が発生し、内部疲労損傷が発生することから、Ｖ量を０．０１〜０．２０％に限定した。
【００１９】
Ｎｂは、Ｖと同様に、レール頭表部、さらには特に、頭表部と比較して冷却速度の遅いレール頭部内部で炭化物、窒化物および炭窒化物を形成し、パーライト組織中のフェライト相に析出することにより、レール頭表部や頭部内部の硬度を向上させる元素である。しかし０．００２％未満では、炭化物、窒化物および炭窒化物の析出が困難となり、レール頭表部や頭部内部の高硬度が図れず、表面損傷や内部疲労損傷が発生する。また０．０５０％を超えて添加すると、炭化物、窒化物および炭窒化物が多量に析出し、フェライト相自体が脆化し、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が発生する。さらに粗大な炭化物、窒化物および炭窒化物が析出し、レール頭部内部においてこれらの析出物からき裂が発生し、内部疲労損傷が発生することから、Ｎｂ量を０．００２〜０．０５０％に限定した。
【００２０】
Ｎは、Ｖ，Ｎｂと結合して窒化物および炭窒化物を形成し、パーライト組織中のフェライト相に析出することにより、レール頭表部、さらには頭表部と比較して冷却速度の遅いレール頭部内部の硬度をより一層向上させる元素である。本発明鋼の成分系においては通常、不可避的不純物として０．００２０〜０．００５０％程度を含有するが、０．００６０％以上とすることで、窒化物や炭窒化物の析出を促進させることができる。
一方、０．０５００％を超えると、溶鋼溶製時に、内部疲労損傷の起点となる気泡等の内部欠陥が発生し、レール頭部内部において内部疲労損傷が発生する。また窒化物および炭窒化物が多量に析出してフェライト相自体が脆化し、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が発生することから、Ｎ量を０．００６０〜０．０５００％に限定した。
なお、レール頭表部、さらには頭部内部の硬さの上昇を図るため、Ｖ，Ｎｂの窒化物および炭窒化物の析出を促進させ、同時に気泡等の内部欠陥の発生を抑制するには、Ｎ添加量を０．００８０〜０．０２００％の範囲とすることが望ましい。
【００２１】
また、上記の成分組成で製造されるレールは、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を図る目的で、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｂ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ａｌ，Ｚｒの元素を必要に応じて添加する。
【００２２】
ここで、Ｃｒ，Ｍｏは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、主にパーライトラメラ間隔を微細化することによりパーライト組織の硬度を確保する。Ｂは、初析セメンタイト組織の生成を微細化し、同時にパーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レールの靭性を向上させ、さらにレール頭部の硬度分布を均一にする。Ｃｏ，Ｃｕは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、パーライト組織の硬度を高める。Ｎｉは、Ｃｕ添加による熱間圧延時の脆化を防止し、同時にパーライト鋼の硬度を向上させ、さらに溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。
【００２３】
Ｔｉは、熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止する。Ｍｇ，Ｃａは、レール圧延時においてオーステナイト粒の微細化を図り、同時にパーライト変態を促進し、パーライト組織の靭性を向上させる。Ａｌは、共析変態温度を高温側へ、同時に共析炭素濃度を高炭素側へ移動させ、パーライト組織の強化と初析セメンタイトの生成を抑制し、レールの耐摩耗性の向上と靱性低下の防止する。Ｚｒは、ＺｒＯ2 介在物が高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、初析セメンタイト組織の生成を抑制する。
【００２４】
これらの成分の個々の限定理由について、以下に詳細に説明する。
Ｃｒは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にして高硬度（強度）化に寄与すると同時に、セメンタイト相を強化して、パーライト組織の硬度（強度）を向上させることにより耐摩耗性を向上させる元素であるが、０．０５％未満ではその効果が小さく、２．００％を超える過剰な添加を行うと焼入性が著しく増加し、マルテンサイト組織が多量に生成し、レールの耐摩耗性や延性が低下する。このためＣｒ量を０．０５〜２．００％に限定した。
【００２５】
Ｍｏは、Ｃｒ同様パーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にすることにより高硬度（強度）化に寄与し、パーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果が小さく、レール鋼の硬度を向上させる効果が全く見られなくなる。また０．５０％を超える過剰な添加を行うと、パーライト組織の変態速度が著しく低下し、延性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。このためＭｏ添加量を０．０１〜０．５０％に限定した。
【００２６】
Ｂは、旧オーステナイト粒界に鉄炭ほう化物を形成し、初析セメンタイト組織の生成を微細化し、同時にパーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、頭部の硬度分布を均一化することによりレールの延性低下を防止し、高寿命化を図る元素であるが、０．０００１％未満ではその効果は十分でなく、初析セメンタイト組織の生成やレール頭部の硬度分布には改善が認められない。また０．００５０％を超えて添加すると、旧オーステナイト粒界に粗大な鉄の炭ほう化物が生成し、靭性、耐摩耗性、さらには耐疲労損傷性が大きく低下することから、Ｂ量を０．０００１〜０．００５０％に限定した。
【００２７】
Ｃｏは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、固溶強化によりパーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であり、さらにパーライトの変態エネルギーを増加させて、パーライト組織を微細にすることにより延性を向上させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果が期待できない。また２．００％を超えて添加すると、パーライト組織中のフェライト相の延性が著しく低下し、ころがり面にスポーリング損傷が発生し、レールの耐表面損傷性が低下する。このためＣｏ量を０．１０〜２．００％に限定した。
【００２８】
Ｃｕは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、固溶強化によりパーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果が期待できない。また１．００％を超えて添加すると、著しい焼入れ性向上により耐摩耗性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。さらに、パーライト組織中のフェライト相の延性が著しく低下してレールの延性が低下する。このためＣｕ量を０．０１〜１．００％に限定した。
【００２９】
Ｎｉは、Ｃｕ添加による熱間圧延時の脆化を防止し、同時にフェライトへの固溶強化によりパーライト鋼の高硬度（強度）化を図る元素である。さらに溶接熱影響部においては、Ｔｉと複合でＮｉ3 Ｔｉの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を抑制する元素であるが、０．０１％未満ではその効果が著しく小さく、また１．００％を超えて添加すると、フェライト相の延性が著しく低下し、ころがり面にスポーリング損傷が発生してレールの耐表面損傷性が低下する。このためＮｉ量を０．０１〜１．００％に限定した。
【００３０】
Ｔｉは、溶接時の再加熱において析出したＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が溶解しないことを利用して、オーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。しかし０．００５０％未満ではその効果が少なく、０．０５００％を超えて添加すると、粗大なＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が生成して、レールの延性、これに加えて耐疲労損傷性が大きく低下することから、Ｔｉ量を０．００５０〜０．０５０％に限定した。
【００３１】
Ｍｇは、Ｏ、またはＳやＡｌ等と結合して微細な酸化物を形成し、レール圧延時の再加熱において、結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒の微細化を図り、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。さらに、ＭｇＯ，ＭｇＳがＭｎＳを微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。しかし０．０００５％未満ではその効果は弱く、０．０２００％を超えて添加すると、Ｍｇの粗大酸化物が生成し、レールの延性、さらには耐疲労損傷性を低下させるため、Ｍｇ量を０．０００５〜０．０２００％に限定した。
【００３２】
Ｃａは、Ｓとの結合力が強く、ＣａＳとして硫化物を形成し、さらにＣａＳがＭｎＳを微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成してパーライト変態の生成に寄与し、その結果パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし０．０００５％未満ではその効果は弱く、０．０１５０％を超えて添加すると、Ｃａの粗大酸化物が生成し、レールの靭性、さらには耐内部疲労損傷性を低下させるため、Ｃａ量を０．０００５〜０．０１５０％に限定した。      
【００３３】
Ａｌは、脱酸剤として必須の成分である。また共析変態温度を高温側へ、同時に共析炭素濃度を高炭素側へそれぞれ移動させる元素であり、パーライト組織の高強度化と初析セメンタイト組織の生成の抑制により靭性低下を防止する元素であるが、０．０１００％未満ではその効果が弱く、１．００％を超えて添加すると、鋼中に固溶させることが困難となり、疲労損傷の起点となる粗大なアルミナ系介在物が生成し、レールの延性や靭性、さらには耐内部疲労損傷性が低下する。また溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下するため、Ａｌ量を０．０１００〜１．００％に限定した。
【００３４】
Ｚｒは、ＺｒＯ2 介在物がγ−Ｆｅとの格子整合性が良いため、γ−Ｆｅが凝固初晶である高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レール偏析部に生成する初析セメンタイト組織の生成を抑制する元素である。しかしＺｒ量が０．０００１％未満では、ＺｒＯ2 系介在物の数が少なく、凝固核として十分な作用を示さない。その結果、偏析部に初析セメンタイト組織が生成してレールの靭性を低下させる。またＺｒ量が０．２０００％を超えると、粗大Ｚｒ系介在物が多量に生成してレールの靭性が低下することや、粗大Ｚｒ系介在物を起点とした疲労損傷が発生しやすくなり、レールの使用寿命が低下する。このためＺｒ量を０．０００１〜０．２０００％に限定した。
【００３５】
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・分塊法あるいは連続鋳造法、さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。次に、この熱間圧延した高温度の熱を保有するレール頭部に、前記特許文献２、特開２０００−３４５２９６号公報等に開示されている熱処理を施すことにより、レール頭表部や頭部内部に硬さの高いパーライト組織を安定的に生成させることが可能となる。
【００３６】
（２）パーライト組織の範囲
請求項１，２において、パーライト組織の呈する範囲を、頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として深さ２０ｍｍの範囲に限定した理由について説明する。
深さが２０ｍｍ未満では、レール頭部に必要とされている耐表面損傷性、耐内部疲労損傷性の領域としては小さく、表面損傷および内部疲労損傷の発生により十分な寿命改善効果が得られないためである。また、前記パーライト組織を呈する範囲が頭部コーナー部および頭頂部の該頭部表面を起点として深さ３０ｍｍ以上あれば、寿命改善効果がさらに増し、より望ましい。
【００３７】
ここで、図１に本発明の耐表面損傷性、耐内部疲労損傷性に優れたレールの頭部断面表面位置での呼称を示す。レール頭部において１は頭頂部、２は頭部コーナー部であり、頭部コーナー部２の一方は車輪と主に接触するゲージコーナー（Ｇ．Ｃ．）部である。
パーライト組織は少なくとも図中の斜線部分に配置されていれば、レール頭部の耐表面損傷性や耐内部疲労損傷性が確保される。
【００３８】
なお、本発明レール鋼の金属組織はパーライト組織であることが望ましいが、成分系、さらには加速冷却条件の選択によっては、パーライト組織中に微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織およびベイナイト組織が生成することがある。しかし、パーライト組織中にこれらの組織が微量に生成してもレールの疲労強度や靭性に大きな影響を及ぼさないため、本製造方法によって製造された鋼レールの頭部の組織としては、若干の初析フェライト組織、初析セメンタイト組織およびベイナイト組織の混在も含んでいる。
【００３９】
（３）Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の限定理由
請求項１〜２において、パーライト組織中の析出物として、Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物に着目した理由について詳細に説明する。
本発明者らは、変態後のパーライト組織中のフェライト相に析出し易く、パーライト組織の耐摩耗性や靭性の悪影響しない析出物の検討を行った。その結果、析出物のサイズ自体が非常に微細であり、さらにパーライト変態中に粗大化し難く、微細に分散する析出物として、Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物が最も最適であることを実験により確認した。
【００４０】
（４）Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の大きさの限定理由
請求項１〜２において、パーライト組織中のフェライト相のＶ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の大きさを上記のように限定した理由について詳細に説明する。
パーライト組織中のフェライト相中に生成するＶ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の直径が０．１ｎｍ未満になると、フェライト相中に析出しても析出強化の効果が十分にあらわれず、レール頭表部や頭部内部の硬度が向上せず、レール頭表部や頭部内部において表面損傷や内部疲労損傷が発生する。またＶ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の直径が１００ｎｍを超えると、レール頭部内部において内部疲労損傷の破壊の起点となるため、Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の直径を０．１〜１００ｎｍの範囲に限定した。
【００４１】
（５）Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の数の限定理由
請求項１〜２において、パーライト組織中のフェライト相のＶ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の合計個数を上記のように限定した理由について詳細に説明する。
まず、パーライト組織中のフェライト相中に生成するＶ，Ｎｂの炭化物および炭窒化物の合計個数を１μｍ2 中に１０〜１０００個に限定した理由について説明する。
Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の合計個数が１０個未満になると、フェライト相の析出強化の効果が十分にあらわれず、レール頭表部や頭部内部の硬度が向上せず、レール頭表部や頭部内部において表面損傷や内部疲労損傷が発生する。またＶ，Ｎｂの炭化物および炭窒化物の合計個数が１０００個を超えると、フェライト相中に析出したＶ，Ｎｂの炭化物の密度が増加し、フェライト相自体が脆化し、レール頭表部においてスポーリング損傷などの表面損傷が発生するため、Ｖ，Ｎｂの炭化物および炭窒化物の合計個数を１μｍ2 中に１０〜１０００個に限定した。
【００４２】
次に、Ｎ：０．００６０〜０．０５００％を含有させた場合に、Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の合計個数を１μｍ2 中に２０〜２０００個に限定した理由について説明する。
Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の合計個数が２０個未満になると、Ｎ添加によるフェライト相の析出強化の促進効果が十分にあらわれず、レール頭表部や頭部内部のより一層の硬度向上が図れず、Ｎの添加効果が認められなくなる。またＶ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の合計個数が２０００個を超えると、Ｎ添加によりフェライト相中に析出したＶ，Ｎｂの窒化物や炭窒化物の密度が増加し、Ｎの添加による析出硬化の促進は図れるが、フェライト相自体が脆化し、レール頭表部においてスポーリング損傷などの表面損傷が発生するため、Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の合計個数を１μｍ2 中に２０〜２０００個に限定した。
【００４３】
（６）Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の数を測定する組織の限定理由
炭化物、窒化物および炭窒化物の数を測定する組織をパーライト組織中にフェライト相に限定した理由について説明する。
パーライト組織中に生成したＶ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物は、転位の動きを妨げることにより、硬度上昇が発生する。しかし転位は軟質なフェライト相中に生成し、硬質なセメンタイト相中には殆ど生成しない。このため、実質的な析出強化はフェライト相中のみでしか発生しない。そこで実行的な析出強化量を把握するため、Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の数を測定する組織をパーライト組織のフェライト相に限定した。
【００４４】
なお、析出物は任意断面より薄膜を採取し、透過型電子顕微鏡を用いて観察し、倍率５００００〜５０００００の倍率で観察した。析出物の粒径は、観察により個々の析出物の面積を求め、その面積に相当する円の直径を用いた。析出物は２０視野の観察を行い、所定の直径に該当する析出物の数をカウントし、これを所定の視野面積に相当する数に換算した。各レール鋼の代表値はこれら２０視野の平均値とした。
【実施例】
【００４５】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１（表１−１、表１−２）に、本発明レール鋼の化学成分、頭部のミクロ組織、パーライト組織中のフェライト相に析出した直径０．１〜１００ｎｍの範囲のＶ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の数を示す。また表１には、図２に示す表面損傷再現実験の結果、図３に示す転動疲労試験結果も併記した。
また表２（表２−１、表２−２）に、比較レール鋼の化学成分、頭部のミクロ組織、パーライト組織中のフェライト相に析出した直径０．１〜１００ｎｍの範囲のＶ，Ｎｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の数を示す。また表２には、図２に示す表面損傷再現実験の結果、図３に示す転動疲労試験結果も併記した。
【００４６】
図１において、１は頭頂部、２は頭部コーナー部である。図２において、３は車輪試験片、４はレール円盤試験片、５は車輪側モーター、６はレール側モーター、７は水潤滑装置である。また図３において、８はレール移動用スライダーであり、この上にレール９が設置される。１２はモーター１１で回転する車輪１０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。試験は長手方向に移動するレール９上に車輪１０が転動する。
【００４７】
なお、レールの構成は以下のとおりである。
・本発明レール鋼（１２本）  符号１〜１２
上記成分範囲で、該鋼レールの少なくともレール頭部表面から該頭部表面を起点として深さ２０ｍｍの範囲がパーライト組織を呈し、前記パーライト組織中の任意断面において、パーライト組織中のフェライト相中に析出した直径０．１〜１００ｎｍの大きさのＶもしくはＮｂの炭化物および炭窒化物の合計個数が１μｍ2 中に１０〜１０００個存在するか、または直径０．１〜１００ｎｍの大きさのＶもしくはＮｂの炭化物、窒化物および炭窒化物の合計個数が１μｍ2 中に２０〜２０００個存在することを特徴とする耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れた高炭素鋼レール。
・比較レール鋼（１３本）  符号１３〜２５
符号１３〜１６：Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎが上記請求範囲外の比較レール鋼（４本）。
符号１７〜２３：Ｖ，Ｎｂ，Ｎが上記請求範囲外の比較レール鋼（７本）。
符号２４〜２５：炭化物、窒化物および炭窒化物の析出数が上記請求範囲外の比較レ                ール鋼（２本）。
【００４８】
各種試験条件は下記のとおりである。
表面損傷再現試験は次のとおりとした。
試験機：ころがり疲労試験機（図２参照）
試験片形状：円盤状試験片
（レール  外径：２００ｍｍ、レール材断面形状：６０Ｋレールの１／４モデル）
（車輪    外径：２００ｍｍ、車輪材断面形状  ：円弧踏面車輪の１／４モデル）
試験荷重：１９６０００Ｎ（ラジアル荷重）
雰囲気：乾燥＋水潤滑（６０cc／min ）
回転数：乾燥：１００ｒｐｍ、水潤滑：３００ｒｐｍ
繰返し回数：０〜５０００回まで乾燥状態、その後、水潤滑により表面損傷発生まで      （損傷が発生しない場合は２００万回で試験を中止）。
【００４９】
転動疲労試験の条件は次のとおりとした。
試験機：転動疲労試験機
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）
ラジアル荷重：１９６０００Ｎ
スラスト荷重：９８００Ｎ
潤滑：ドライ＋油（間欠給油）
繰返し回数：内部疲労損傷発生まで
（損傷が発生しない場合は１０００万回で試験を中止）。
【００５０】
表１（表１−１、表１−２）、表２（表２−１、表２−２）に示すように、本発明レール鋼（符号１〜１２）は、比較レール鋼（符号１３〜２５）と比べて、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｎｂを規定の範囲に納め、微細な炭化物、窒化物および炭窒化物の析出量を制御することにより、耐表面損傷性と耐内部疲労損傷性が向上する。さらに、Ｎの添加量を調整することにより、耐表面損傷性と耐内部疲労損傷性がさらに向上する。
【００５１】
【表１−１】
2005171326.tif 000003
【００５２】
【表１−２】
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【００５３】
【表２−１】
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【００５４】
【表２−２】
2005171326.tif 000006
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】レール頭部断面表面位置の呼称及びパーライト組織の必要範囲を示す図。
【図２】表面損傷再現試験機の概略図。
【図３】転動疲労試験機の概要図。
【符号の説明】
【００５６】
１：頭頂部
２：頭部コーナー部
３：車輪試験片
４：レール円盤試験片
５：モーター（車輪側）
６：モーター（レール側）
７：水潤滑装置
８：レール移動用スライダー
９：レール
１０：車輪
１１：モーター
１２：荷重負荷装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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