(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続冷却変態熱処理によりレールの頭部を熱処理する方法において、連続冷却変態熱処理中のレールの頭部の温度を計測し、その温度履歴の勾配がパーライト変態熱の発生により緩やかになったときから冷却を強め、レール頭部の温度の降下速度を所定の速度にコントロールすることを特徴とするレールの熱処理方法。
【請求項２】
レールを冷却装置の中を通過させながらレール頭部を連続的に冷却する場合は、レール先端部の頭部の温度を計測し、その温度履歴の勾配がパーライト変態熱の発生により緩やかになったときの前記レール先端部の位置に属する前記冷却装置の冷却ゾーン以降の冷却媒体の流量を増加させることを特徴とする請求項１記載のレールの熱処理方法。
【請求項３】
レールを冷却装置の中でオッシレーションさせながらレール頭部を連続的に冷却する場合は、前記温度履歴の勾配が緩やかになったときから前記冷却装置の各冷却ゾーンの冷却媒体の流量を増加させることを特徴とする請求項１記載のレールの熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レールの熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両の高速化や重量増加に伴う高荷重化によってレールの摩耗が問題となっており、耐摩耗性を備えたレールの供給が要望されている。レールの摩耗部分は、レール頭部の上面と内側側面であるので、この部分のレール表層を微細パーライト組織とすることが従来から行われている。この微細パーライト組織を得る熱処理方法として、図６に示すように、主として冷却停止温度制御して変態温度に保持する恒温変態熱処理と、主として冷却速度を制御して冷却を行う連続冷却変態熱処理とがある。
【０００３】
恒温変態熱処理は、例えば特開昭５４−１４７１２４号公報等に開示されているが、この方法では変態終了を完全に終了する必要性から、レールが長時間高温（図６のＡ点の温度）に保持されるため、自己焼鈍による軟化現象が起こりやすく、好ましい熱処理方法ではない。これに対して、連続冷却変態熱処理は、連続的に冷却を行いながら熱処理が施されるため、工業的に実現しやすく、様々な冷却媒体を用いた方法が、特開昭５４−１４８１２４号公報、特開昭５７−８５９２９号公報、特開昭６１−１４９４３６号公報等に開示されている。このときの冷却のポイントは、図６の▲１▼線に示すようにパーライト領域を通過するような冷却速度でレールを冷却することであって、冷却が強すぎると冷却中の温度履歴が図６の▲２▼線に示すように冷却されて、金属組織がベイナイトやマルテンサイトになり、微細パーライトの組織が得られない。そこで一般には、緩く冷却する緩冷却が必要である（例えば特公平４−３３８５３号公報）。具体的には、空気を媒体とした衝風冷却が一般的である。
【０００４】
この連続冷却変態熱処理の生産性を向上させるためには、オンライン通過型の冷却装置では冷却ゾーンを長くしてレールの通過速度を上昇させることや、オフラインにおいて冷却装置内でレールを停止させて冷却する方式、あるいはレールを冷却装置内でオッシレーションさせて冷却する方式では冷却時間を短くすることなどが考えられるが、どちらも前記の所要熱処理条件から、所要の冷却速度には上限があるため、生産性には限界がある。さらに、時間がかかる１つの大きな理由は、冷却中に変態が始まると変態による発熱が生じ、風量一定で冷却を続けると、図６の▲３▼線に示すように温度が下がりにくくなり、冷却速度が小さくなる現象があった。これは、レール表層が変態を開始すると、その部分の温度が変態発熱によって同じ温度に保たれるため、内部の熱が表層へ流れず、結果として熱がこもってしまい、冷却が緩くなる現象である。したがって、本来なら微細パーライト組織を得られる冷却速度で冷却したいにも拘らず、冷却が緩くなりすぎて、結果として冷却時間が長くなり、熱処理能率が上がらなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、微細パーライト組織を得るレールの熱処理を短時間で実現するとともに熱処理量の向上をはかる熱処理方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレールの熱処理方法は、連続冷却変態熱処理によりレールの頭部を熱処理する方法において、連続冷却変態熱処理中のレールの頭部の温度を計測し、その温度履歴の勾配がパーライト変態熱の発生により緩やかになったときから冷却を強め、レール頭部の温度の降下速度を所定の速度にコントロールすることとしたものである。
【０００７】
本発明は、冷却中のレール頭部表層の変態による発熱をレール頭部の温度履歴の勾配の変化によって正確に知ることができるので、変態開始以降冷却を強化させることによって冷却速度を低下させることがなく、短時間の冷却時間でレール頭部を微細パーライト組織に熱処理することが可能となり、かつ設備の熱処理能力を上げることが可能となる。
【０００８】
また、本発明は、レールを冷却装置の中を通過させながらレール頭部を連続的に冷却する場合は、レール先端部の頭部の温度を計測し、その温度履歴の勾配が緩やかになったときのレール先端部の位置に属する冷却装置の冷却ゾーン以降の冷却媒体の流量を増加させることを特徴とするものであり、レールを冷却装置の中でオッシレーションさせながらレール頭部を連続的に冷却する場合は、温度履歴の勾配が緩やかになったときから冷却装置の各冷却ゾーンの冷却媒体の流量を増加させることを特徴とするものである。
本発明は、いうまでもなくオンライン、オフラインのいずれにも適用可能であり、オンラインでの熱処理の場合は請求項２に記載のようにレール通過型の冷却装置を使用し、レール頭部を冷却する。オフラインでの熱処理の場合は請求項３に記載のようにレールを冷却装置の中でオッシレーションさせながらレール頭部を冷却する。いずれの方式でも本発明によれば冷却時間は短い。
【０００９】
本発明の最も好ましい実施態様によれば、冷却装置へのレールの装入温度を約８５０℃とし、目標の冷却停止温度５００℃までを平均冷却速度１〜５℃／秒で冷却時間１００秒以内で冷却することを特徴とする。これによって、理想的な微細パーライト組織が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の熱処理方法を模式的に示した図である。図において、１はレール、２はレール１の頭部を連続的に冷却する冷却装置である。この冷却装置２は、複数の冷却ゾーンからなっており、各冷却ゾーンはさらに複数の冷却ブロック群２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、…に分離して構成されている。そしてさらに、各冷却ブロック群は、レール頭頂部１Ａを冷却するための冷却ブロック２１と、レール頭側部１Ｂを冷却するための冷却ブロック２２の３つの冷却ブロックに分かれており、各冷却ブロックは冷却部位に向けた多孔板方式のノズル（図示せず）を有し、かつ、それぞれ独立に流量を調整可能となっている。本冷却装置２の冷却媒体は空気であり、空気ブロア（図示せず）によって空気供給管２３から各冷却ゾーンの各冷却ブロック群２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、…を構成する各々の冷却ブロック２１、２２に供給されている。空気流量は図示しない流量調整弁によって調整される。３は各冷却ブロック群の入側に設置された放射温度計で、この例ではレール１の頭頂部１Ａの温度を計測している。
【００１１】
【実施例】
実施例１．
以下、上記冷却装置２を用いた本発明の第１の実施例を説明する。
冷却装置２の長さは７５ｍとし、長さ２５ｍの３つの冷却ゾーンに分け、各冷却ゾーンをそれぞれ６つの冷却ブロック群２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、…に分けた。この冷却装置２の中を、圧延後、搬送されてきた長さ２５ｍの１３６ポンド／ヤードのレール１を通過させてレール頭部を連続的に冷却して熱処理を施した。レール１の温度は冷却装置２の入側で約８５０℃であり、このレール１を冷却装置２によって８５０℃から目標の冷却停止温度５００℃まで平均３℃／ｓで冷却すると理想的な微細パーライトの組織が得られる。
【００１２】
まず、レール１が冷却装置２に入る前に、各冷却ゾーンの各冷却ブロック２１、２２のノズルから６Ｎｍ3 ／min ｍ2 の空気を噴射する。レール１の搬送速度は０．７５ｍ／ｓである。そして、冷却装置２を通過中のレール１の頭頂部の温度を放射温度計３により計測した。図２に測定温度の推移を示す。この温度はレール先端が通過後２秒後の各冷却ブロックの放射温度計３の測定値であるが、これはレール先端から１．５ｍの位置の頭頂部温度に相当する。また、図２には併せて各冷却ブロック群間での温度の降下速度（ｄＴ／ｄｔ）が示してある。
本実施例では、第２冷却ゾーンの第４冷却ブロック群で温度の降下速度が小さくなっている。すなわち、これはこの部分のレール頭頂部が変態を開始したことを示している。そこで、レール先端から１．５ｍの位置の頭頂部が第２冷却ゾーンの第５冷却ブロック群に入る瞬間から同冷却ブロック群以降の各冷却ブロック２１、２２からの空気量を６Ｎｍ3 ／min ｍ2 から６．７Ｎｍ3 ／min ｍ2 に増量して冷却を行った。その結果、冷却装置２を出た瞬間、レール頭頂部の温度は目標の５００℃となっており、頭頂下３０ｍｍまで微細パーライトの組織が得られた。硬度も十分な値であった。またこのときの本冷却装置の熱処理能力は１８２ｔ／ｈｒであった。
【００１３】
なお、比較例として、レール頭頂部の変態開始後、上記のように空気の増量を行わなかった場合には、図２に示すように冷却装置出口での頭頂部温度は６００℃であり、冷却不足から内部で自己軟化によって硬度不足となっていた。
また、同じレールを同じ冷却装置で全冷却ゾーン全冷却ブロック群について空気量を６Ｎｍ3 ／min ｍ2 で均一に冷却を行い、かつ冷却装置出口での頭頂部温度を５００℃とするためには、（冷却時間を１００秒から１２５秒まで増やし）レールの搬送速度を０．６ｍ／min まで遅くして通過させなければならず、この場合冷却装置の熱処理能力は１４６ｔ／ｈｒとなった。
一方、同じレールを同じ冷却装置で全冷却ゾーン全冷却ブロック群について空気量を初めから６．７Ｎｍ3 ／min ｍ2 で均一に冷却を行った場合には、レール頭頂部の表層に冷却速度が速すぎたことによる異常組織（ベイナイト）が観察された。
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、目標の材質を得つつ、かつ冷却装置の熱処理能力を大幅に増加させることが可能である。
一般に、圧延直後の結晶粒径、添加元素、圧延中の温度履歴等によって変態開始温度が異なる。したがって、何らかの方法、例えば変態予測モデルあるいは実験室での実験によって、あらかじめ変態開始温度を予測し、その温度になった位置から以降を冷却強化するように熱処理を施すと、実際には結晶粒径、添加元素、圧延中の温度履歴等微妙な違いから、熱処理後のレール表層は、ある部分は微細パーライトに、ある部分はベイナイトにと部位によって材質が大きくばらつく。しかしながら、本発明によれば、温度変化の特異性から容易にレール頭頂部の表層の変態開始を知ることが可能となるので、確実かつ安定に微細パーライト組織を得ることができる。
【００１５】
実施例２．
図３に本発明の第２の実施例による熱処理方法を示す。
本実施例は、上記実施例１と同じ冷却装置２を用いて同じ寸法、重量のレール１をその冷却装置２の中でオッシレーション幅１ｍで前後に動かしながら、レール頭部を連続的に冷却して熱処理を施したものである。レール１の温度は冷却装置２に装入する際、約８５０℃であった。このレール１を実施例１と同じく冷却装置２によって８５０℃から目標の冷却停止温度５００℃まで平均３℃／ｓで冷却した。
【００１６】
まず、レール１の頭部に向けて各冷却ゾーンの各冷却ブロック２１、２２のノズルから６Ｎｍ3 ／min ｍ2 の空気を噴射する。この状態の冷却装置２の中でレール１をオッシレーションしながら冷却し、レール１の頭頂部の温度を放射温度計３により計測した。図４に測定温度の推移を示す。この温度はレール先端から３ｍの位置の頭頂部温度である。また、図４には併せて冷却速度（ｄＴ／ｄｔ）が示されている。
本実施例では、冷却開始後６０秒で頭頂部温度が６２０℃前後となり、かつ冷却速度が小さくなっている。すなわちこれはこの部分のレール頭頂部が変態を開始したことを示している。そこで、この時から空気量を６Ｎｍ3 ／min ｍ2 から６．７Ｎｍ3 ／min ｍ2 に増量して冷却を行った。その結果、冷却開始後１００秒後の温度は５００℃となり、ここで冷却を停止した。冷却後このレール１の組織を調べた結果、頭頂下３０ｍｍまで微細パーライトの組織が得られ、十分な硬度を有していた。
【００１７】
なお、比較例として、上記のように変態開始後に空気の増量を行わなかった場合、頭頂部温度を５００℃まで冷却するためには、１２５秒間冷却する必要があった。すなわち、本発明によれば、熱処理能力を１２５／１００＝１．２５、２５％能力を上げることが可能となった。
一方、同じレールを同じ冷却装置で空気量を初めから６．７Ｎｍ3 ／min ｍ2 で均一に冷却を行った場合には、レール頭頂部の表層に冷却速度が速すぎたことによる異常組織（ベイナイト）が観察された。
【００１８】
実施例３．
図５に本発明の第３の実施例による熱処理方法を示す。
本実施例は、上記実施例２と同じく、同じ寸法、重量のレール１を冷却装置２の中でオッシレーション幅１ｍで前後に動かしながら、レール頭部を連続的に冷却して熱処理を施したものである。ただし、冷却能力を上げる目的で各冷却ブロック２１、２２の空気供給管２３に、水を混ぜて噴射するように水供給管４がそれぞれ独立に水流量調整可能に接続している。レール１の温度は冷却装置２に装入する際、約８５０℃であった。このレール１を実施例１、２と同じく冷却装置２によって８５０℃から目標の冷却停止温度５００℃まで平均３℃／ｓで冷却した。
【００１９】
まず、レール１の頭部に向けて各冷却ゾーンの各冷却ブロック２１、２２のノズルから６Ｎｍ3 ／min ｍ2 の空気のみを噴射する。この状態の冷却装置２の中でレール１をオッシレーションしながら冷却を行い、レール１の頭頂部の温度履歴から冷却速度（ｄＴ／ｄｔ）を求めた。
本実施例では、冷却開始後６０秒で頭頂部温度が６５０℃前後となり、かつ冷却速度が小さくなった。すなわちこれはレール頭頂部の変態が開始したことを示している。そこで、この時から空気量を６Ｎｍ3 ／min ｍ2 は変えずに、水供給管４から水を空気中に５０Ｌ／min ｍ2 の割合で混合させて冷却強化を行った。その結果、冷却開始後１００秒後の温度は５００℃となり、ここで冷却を停止した。冷却後このレール１の組織を調べた結果、頭頂下３０ｍｍまで微細パーライトの組織が得られ、十分な硬度を有していた。
【００２０】
以上の各実施例ではレール頭頂部１Ａの温度のみを制御変数としてレール頭頂部の温度を制御する方法について説明したが、本主旨は、レール頭側部１Ｂの温度制御についてもレール頭側部の温度を計測することにより、同様に制御することができることはいうまでもない。
また、冷却を強化する手段として、実施例１、２では空気流量の増量、実施例３では水の添加によって行ったが、他にも例えば、別途設けたノズルから水を噴射する、使用ノズルを変更または追加する、冷却媒体を変更する等の冷却強化策が考えられる。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のような効果を得ることができる。
（１）オンライン通過型の冷却装置を用いてレール頭部の熱処理を行う場合には、処理時間が短くなるので通過速度を上げることが可能となり、設備の熱処理能力を増強することができる。
（２）オフラインで連続的に冷却する冷却装置を用いた場合には冷却時間を短くすることが可能である。
（３）変態開始温度を予測して冷却強化をするのに比べて、材質のバラツキが少なく、安定した熱処理が可能となる。
（４）以上のように、設備的に大きな改造を必要としないで、熱処理能力を大幅にアップできるので経済的に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による熱処理方法を示す概要図である。
【図２】本発明の第１の実施例におけるレール頭頂部の温度履歴および冷却速度を比較例とともに示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施例による熱処理方法を示す概要図である。
【図４】本発明の第２の実施例におけるレール頭頂部の温度履歴および冷却速度を比較例とともにを示すグラフである。
【図５】本発明の第３の実施例による熱処理方法を示す概要図である。
【図６】レール頭部を熱処理する際の恒温変態熱処理および連続冷却変態熱処理における時間と温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  レール
１Ａ  レール頭頂部
１Ｂ  レール頭側部
２  冷却装置
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ  冷却ブロック群
２１、２２  冷却ブロック
２３  空気供給管
３  放射温度計
４  水供給管
【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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