(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．６０〜０．７２％、
Ｓｉ：０．１０〜１．２０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、
Ｃｒ：０．１〜１．０％、
Ｃｕ：０．１〜４．０％、
Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、
Ｔｉ：０．００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００４〜０．０２％
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、少なくともレール頭部がパーライト組織であり、レール頭部上面の表面下５mmでの硬度がビッカース硬度番号で３３０以上であることを特徴とするパーライト系レール。
【請求項２】
質量％で、さらに、
Ｎｉ：０．１〜４．０％、
Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、
Ｖ  ：０．００５〜１．００％、
Ｂ  ：０．０００１〜０．００５％、
Ｎ  ：０．０００５〜０．０３％
を含有することを特徴とする請求項１記載のパーライト系レール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の成分からなる鋼片を、熱間圧延でレールに形成した後、熱延まま、あるいは熱延後の加熱によってオーステナイト域温度とし、前記レールの少なくとも頭部を、７００〜５００℃間を１〜５℃/secで加速冷却することを特徴とするパーライト系レールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レール鋼の靭性および延性の向上を図った高強度レールおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道輸送は輸送効率向上のための重積載化、輸送迅速化のための高速化が進められており、レールの特性に対する要求が厳しくなっている。重積載化は急曲線区間におけるレール頭部の磨耗を促進し、レールゲージコーナー内部の応力集中部からの疲労損傷を増加させることから、レール寿命が短くなってきている。この重荷重鉄道でのレール短寿命化を改善するために、耐磨耗性、耐内部疲労損傷性の優れた高強度レール鋼の技術開発が活発に行われてきた。その結果、重荷重鉄道における曲線区間ではこの高強度レールが普及しつつある。
【０００３】
一方、寒冷地の鉄道では冬季にレールクラック発生によるレール取替が集中しており、レール材の靭性改善がレール寿命の延伸に必要な課題になっている。また頭部の内部疲労損傷性の改善には、レール材の靭性および延性を向上させることが重要である。
【０００４】
高強度レールの靭性および延性改善の方策としては以下のような方法がある。
（１）普通圧延後、一旦室温まで冷却したレールを低温度で再加熱した後、加速冷却する方法。
（２）制御圧延によりオーステナイト粒を微細化した後、レール頭部を加速冷却する方法。
（３）制御圧延した後、パーライト変態前で低温度に再加熱し、その後加速冷却する方法。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記方法の（１）では、例えば特開昭５５−１２５２３１号公報に記載されているように、通常の加熱温度よりも低い８５０℃以下の低温度に再加熱し、オーステナイト粒を細粒化することによって大幅に靭性および延性を改善しようとするものである。しかし、低温度で加熱し、かつレール頭部内部まで加熱を深めようとすると、投入熱量を下げて長時間加熱する必要があり、この熱処理のため生産性を阻害し製造コストを高める難点がある。
【０００６】
また（２）の方法は、例えば特開昭５２−１３８４２７号公報および特開昭５２−１３８４２８号公報に記載されているように、制御圧延によるオーステナイト粒の細粒化で靭性・延性の向上を図ろうとするものである。しかし、大きな圧下力等が必要という圧延機の能力あるいはレールの断面形状や長手方向の寸法精度が容易に得られないという形状制御性の観点からも問題を含んでいる。
【０００７】
さらに（３）の方法は、例えば特公平４−４３７１号公報に記載されているように、８００℃以下で５％以上の圧延を実施した後、再度７５０〜９００℃に加熱することによりオーステナイト粒を微細にし、靭性および延性を改善しようとするものである。しかし、この方法は圧延後に低温再加熱のための加熱炉を必要とするため作業性、生産性、製造コスト等の問題がある。
【０００８】
またレール鋼の靭性を改善する方法としては、例えば特開平８−１０４９４６号公報、特開平８−１０４９４７号公報および特開平８−１０９４３８号公報に記載されているように、脱酸元素としてＭｇを添加し、０．１〜１０μｍのＭｎＳの個数が１mm2 あたり６００〜１２０００個存在する靭性・延性が優れた高強度パーライト系レールがあり、この方法により靭性および延性に優れたレールの製造が可能となった。しかし、重荷重鉄道ではなお一層の重積載化および高速化が検討されており、さらに靭性および延性の特性を改善することが要求されてきている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を要旨とする。
（１）質量％で、
Ｃ  ：０．６０〜０．７２％、      Ｓｉ：０．１０〜１．２０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、 Ｃｒ：０．１〜１．０％、
Ｃｕ：０．１〜４．０％、 Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、
Ｔｉ：０．００１〜０．０５％、 Ｍｇ：０．０００４〜０．０２％
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、少なくともレール頭部がパーライト組織であり、レール頭部上面の表面下５mmでの硬度がビッカース硬度番号で３３０以上であることを特徴とするパーライト系レール。
【００１１】
（２）質量％で、さらに、
Ｎｉ：０．１〜４．０％、          Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、
Ｖ  ：０．００５〜１．００％、 Ｂ  ：０．０００１〜０．００５％、
Ｎ  ：０．０００５〜０．０３％
を含有することを特徴とする前記（１）記載のパーライト系レール。
【００１５】
（３）前記（１）または（２）に記載の成分からなる鋼片を、熱間圧延でレールに形成した後、熱延まま、あるいは熱延後の加熱によってオーステナイト域温度とし、前記レールの少なくとも頭部を、７００〜５００℃間を１〜５℃/secで加速冷却することを特徴とするパーライト系レールの製造方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明について詳細に説明する。
レール鋼は一般にパーライト組織を有しており、このパーライト組織はフェライト相とセメンタイト相が層状に積層したラメラ構造になっている。フェライトとセメンタイトの配向方向と結晶方位がいずれもそろったパーライトコロニーが集合し、フェライトとセメンタイトの結晶方位がそろっているパーライトブロックと呼ばれる結晶粒を形成している。
【００１７】
パーライト鋼の硬度は、▲１▼Ｃ量が高いほど硬度の高いセメンタイトの分率が増加し硬くなる。既存の高強度レールは質量％で０．７２％を超えるＣ量を含んでいる。
また、▲２▼フェライトとセメンタイトの層間隔、すなわちラメラ間隔が狭いほど硬くなる。高強度レールはラメラ間隔を狭めた微細パーライト組織を有している。ラメラ間隔を細かくするには、オーステナイト温度域から加速冷却を行い、変態開始を遅らせ、低温で変態させることが必要になる。
また、▲３▼フェライト中に固溶している合金元素量が増えると、固溶強化により硬度が増す。ただし、固溶強化による硬度増加はＣ量、ラメラ間隔の影響に比較して小さい。
【００１８】
本発明者らは、まずＣ量と硬度が衝撃値に与える影響を詳細に検討した。
その結果、Ｃ量は衝撃値と硬度に密接に関連しており、図１に示す通り、Ｃ量の低下および硬度の上昇に伴い衝撃値が向上すること、さらにＣ量の小さい範囲で硬度上昇による衝撃値向上効果が顕著であるを見出した。
【００１９】
Ｃの低下による衝撃値の向上には二つの要因があるものと本発明者らは考えている。
第１は、Ｃの低下は硬いセメンタイト相の厚みを薄くし、脆性破壊の起点になるセメンタイト層の割れ長さを短くする。その結果、き裂先端の応力拡大係数が小さくなり、脆性破壊の開始が遅れる。この脆性破壊の遅れにより、その間の塑性変形量が増加し、吸収エネルギーを増加する。
第２は、硬いセメンタイトの分率が低下して、材料の変形抵抗が下がり、塑性変形量が増えて、衝撃吸収エネルギーを増大させる。Ｃの低下による衝撃値の向上は、質量％で０．７２％以下で顕著となる。ただし、Ｃが０．６０％未満では内部疲労破壊の起点になる初析フェライトや、耐磨耗性に有害なベイナイト組織が生じやすくなるため好ましくない。このため、Ｃ量は０．６０〜０．７２％に限定した。
【００２０】
また硬度の増加による衝撃値の向上にも、二つの要因があるものと本発明者らは考えている。
ある材料を硬くするためには、より低温でパーライト変態を起こさせ、セメンタイトとフェライトの層間隔すなわちラメラ間隔を狭める必要がある。変態温度の低下は平衡変態温度からの過冷度を高め、変態核の生成速度Ｎを増大させる。
一方、Ｃの拡散速度は低下して変態界面の移動速度、すなわち変態速度Ｇは低下する。変態核生成速度Ｎと成長速度Ｇの比率Ｎ／Ｇが増加すると結晶粒は微細になる。鋼材の衝撃値は結晶粒が細かくなるに従って増加するため、変態温度の低下、すなわち硬度の上昇は靭性の向上をもたらす。また、セメンタイト層が薄くなるため、初期き裂となるセメンタイト層の割れが短くなり、脆性破壊の開始が遅れて吸収エネルギーを増加する。
【００２１】
さらに本発明者らは、Ｃ量と硬さの関係と、変態温度と細粒化の関係は、衝撃値を改善する上で相乗効果を持つことに着目した。Ｃが低い材料で硬度を高めるには、よりラメラ間隔を狭める必要がある。そのため硬度が同じ場合、Ｃが低い材料はＣが高い材料に比べ、より低温で変態させる必要があり、結晶粒が細かくなることを見出した。ただし高強度レールにおいては、レール頭部上面から５mm下における硬度がビッカース硬度番号で３３０未満では急曲線部での摩耗量が大きくなるため好ましくない。また衝撃値も、ビッカース硬度番号で３３０未満では向上代が小さい。
【００２２】
次に、Ｃ以外の元素について上記範囲に成分を限定した理由について述べる。成分の含有量はいずれも質量％である。
本発明においては、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒの１種または２種以上を強化元素として使用する。
これらの化学成分を限定した理由を以下に説明する。
【００２３】
Ｓｉ：Ｓｉはパーライト組織中のフェライト相への固溶強化による高強度化への寄与する。また若干の靭性および延性改善効果がある。０．１０％未満ではその効果は少なく、１．２０％を超えると脆化をもたらし溶接接合性も低下するので、０．１０〜１．２０％に限定した。
【００２４】
Ｍｎ：Ｍｎはパーライト変態温度を低下させ、焼入れ性を高めることによって高強度化に寄与する元素である。しかし、０．１０％未満ではその効果が小さく、１．５０％を超えると偏析部にマルテンサイト組織を生成させ易くするため、０．１０〜１．５０％に限定した。
【００２５】
Ｃｒ：Ｃｒはパーライト変態温度を低下させることによって高強度化に寄与する。加えて、パーライト組織中のセメンタイト相を強化する作用を有することから、溶接継ぎ手部軟化防止の観点で０．１％以上の含有が有効である。一方、１．０％を超えて含有すると、強制冷却時に元素偏析部のみでなく、過冷却傾向の強いレールの肩部にベイナイトやマルテンサイトが生成し靭性の低下をもたらす。従って強度確保に一定の寄与が期待され、かつ靭性および延性を損なわない範囲として、０．１〜１．０％に限定した。
【００２６】
本発明においては、さらにＮｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｖ，Ｂ，Ｔｉを添加できる。このうちＮｉ，Ｃｕはフェライト地の靭性改善に効果があり、またＭｏ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｖ，Ｂ，Ｔｉは単体もしくは化合物として、レール圧延のための加熱時におけるオーステナイト粒の微細化、あるいは制御圧延時におけるオーステナイト粒の細粒化によって高靭性を得ることができる。
これらの化学成分を限定した理由を以下に説明する。
【００２７】
Ｎｉ：Ｎｉはフェライト中に固溶し、フェライトの靭性を向上させるのに有効な元素であり、０．１％未満の場合にはその効果が極めて少なく、また４．０％を超えて含有してもその効果は飽和する。従って靭性向上の観点から、０．１〜４．０％の範囲に限定した。
【００２８】
Ｃｕ：ＣｕはＮｉと同様にフェライト中に固溶し、フェライトの靭性を向上させるのに有効な元素であり、０．１％未満の場合にはその効果が極めて少なく、また４．０％を超えて含有してもその効果は飽和する。従って靭性向上の観点から、０．１〜４．０％の範囲に限定した。
【００２９】
Ｍｏ：Ｍｏはパーライトの変態速度を抑制し、パーライト組織を微細化することから靭性向上に有効な元素である。さらにＭｏは加速冷却時にレール内部において、表面層のパーライト変態にともなう発熱に連動した高温での変態誘起を防止し、レール内部の高強度化に寄与して強度を高める。しかし、０．０１％未満では上記の効果は少なく、また、０．５０％を超える含有量ではパーライト変態速度が低下し、パーライト組織中にベイナイトやマルテンサイトを生成させ靭性低下をもたらす。従って、０．０１〜０．５０％の範囲に限定した。
【００３０】
Ｎｂ：Ｎｂは熱間圧延時に低温加熱することによって、Ｎｂの炭窒化物がオーステナイト粒成長を抑制し細粒化に寄与する。また、高温加熱・低温仕上げ圧延によって熱間圧延後のオーステナイト粒を細粒化し、加速冷却後に得られるパーライト組織を微細にする。この効果を得るためには、０．００１％以上必要であり、０．０５％を超えると粗大なＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化物、Ｎｂ炭窒化物の生成によって靭性が低下する。従って、０．００１〜０．０５％の範囲に限定した。
【００３１】
Ｍｇ：ＭｇはＭｇ系介在物およびこれを核にして析出したＭｎＳがピン止め効果によりオーステナイト粒の粒成長を抑制する効果があり、変態後のパーライト組織を微細化する。またこの効果に加えて、これらの微細介在物を核としてパーライトが生成し、さらにパーライト組織を微細にする機能を有する。しかし、０．０００４％未満ではこれらの効果がほとんど無く、０．０２％を超えると粗大な介在物が生成し、靭性が著しく低下するため、０．０００４〜０．０２％の範囲に限定した。
【００３２】
Ｂ：Ｂは微量添加においてもオーステナイト粒界に偏析し、変態を遅らせることにより焼入れ性を著しく改善する元素である。この効果を得るためには、０．０００１％以上必要であり、０．００５０％を超えるとＢの炭窒化物が生成し、靭性が著しく低下する。従って、０．０００１〜０．００５０％の範囲に限定した。
【００３３】
Ｖ：ＶはＶ窒化物として冷却中にＭｎＳ上に析出し、オーステナイト粒内からのパーライト変態核となり、変態後の結晶粒を微細化する。０．００５％未満ではこの効果は弱く、１％を超えると粗大なＶ窒化物を生成し靭性が低下する。従って、０．００５〜１．０％の範囲に限定した。
【００３４】
Ｔｉ：ＴｉはＴｉ窒化物としてオーステナイト中に析出し、オーステナイト粒の粒成長を抑制し、またパーライト変態時の変態核となる。０．００１％未満ではこの効果は弱く、０．０５％を超えると粗大なＴｉ窒化化物を生成し靭性が低下する。従って、０．００１〜０．０５％の範囲に限定した。
【００３５】
Ｎ：Ｎは、パーライトの変態核として作用するＶ窒化物、Ｔｉ窒化物をＭｎＳ上に析出するために必要な元素であり、そのためには０．０００５％以上が必要である。一方Ｎが０．０３％を越えると粗大な窒化物が生成し、靭性が低下する。従って、Ｎは０．０００５〜０．０３％の範囲に限定した。
【００３６】
この他、不可避的元素であるＰは、レール鋼の靭性を下げるためできるだけ低減させるため、０．０３％以下にすることが望ましい。
【００３７】
不可避的元素であるＳは、ＳはＭｎと結合してＭｎＳを析出し、オーステナイト粒の粒成長を抑制する効果があり、またパーライト変態時の変態核となる機能を持つ。しかしながら多量に含有すると、粗大なＭｎＳを生成してレール鋼の靭性を下げるので、０．０３％以下にすることが望ましい。
【００３８】
また、Ａｌは製鋼時の脱酸剤や炉材から混入して残存するものであるが、０．０５％を超えるとＡｌ酸化物が粗大化し、靭性の低下をもたらすことから、０．０５％以下であることが望ましい。
【００３９】
前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、この溶鋼を造塊あるいは連続鋳造法により凝固させ、さらに熱間圧延法を経て製造する。さらに圧延終了に引き続き、あるいは熱処理する目的でオーステナイト域温度まで再加熱してから、７００〜５００℃間を１〜５℃/secで加速冷却を行う。加速冷却すると低温でパーライト変態を生じるため、レール鋼はパーライトの変態核の生成速度が向上し、パーライト粒が微細になり、強度増加に加えて、レール鋼の靭性向上を達成することができる。この加速冷却時の冷却速度が１℃/sec未満のときは必要強度を得ることができず、５℃/secを超える場合はマルテンサイトが生成し、延性、靭性が低下する。従って冷却速度は１〜５℃/secに限定した。この際冷却媒体は空気、あるいはミストなどの気液混合物を用いることが望ましい。
【００４０】
【実施例】
次に、本発明により製造した高靭性を有する高強度レールの製造実施例について述べる。
表１に示す成分からなる溶鋼からレールを製造した。本発明例は硬度を上げるために、圧延後のオーステナイト域からの加速冷却処理により、７００℃〜５００℃間の冷却速度を１〜５℃/secの範囲で冷却した。なお比較例ｄは本発明例Ｃと同一鋼材であるが、圧延後に放冷したものである。レール頭頂面下５mmにおけるビッカース硬度の測定結果を表中に示す。
【００４１】
表２は、これらのレール鋼の引張試験強度、伸び、および２mmＵノッチシャルピー試験における＋２０℃での衝撃値、ミクロ組織の観察結果を示す。引張試験はレール頭部ゲージコーナー内部１０mm深さから採取した平行部径６mm、平行部長さ３０mmの試験片で行った。ミクロ組織の観察はレール上面の表面下５mmで行った。
【００４２】
この結果、本発明例は比較例に比べて十分に延性の改善が認められた。衝撃試験片はレール頭部１mm下より採取した。この試験条件はロシアのΓoct 規格に基づくものであり、同規格では高強度熱処理レールの＋２０℃での衝撃値は２５Ｊ／cm2 以上が必要とされており、本発明例はいずれもΓoct 規格に定められたシャルピー衝撃値を十分に満たしている。
【００４３】
比較例ａは衝撃値はΓoct 規格を満足しているが、Ｃが低すぎるために初析フェライトが粒界に生じており好ましくない。比較例ｂ，ｃはＣが高いため衝撃値が低い。比較例ｄは圧延後に放冷しているため硬度が低く、結晶粒が粗大であり衝撃値が低い。比較例ｅはＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒなどの強化元素が入っていないため硬度が上がらず、衝撃値も低い。比較例ｆは強化元素Ｍｎ，Ｃｒが過剰な例であり、マルテンサイトが生じて衝撃値が低くなった。
【００４４】
【表１】
0004331874.tif 000002
【００４５】
【表２】
0004331874.tif 000003
【００４６】
【発明の効果】
以上のようにＣ含有量を適正な範囲とすることによって、▲１▼セメンタイト層の厚みの低下、▲２▼塑性変形能の向上、が得られること、および、Ｃ含有量低下に伴う強度低下を、加速冷却による低温変態を用いて補うことで、結晶粒が微細化し、安定して２５Ｊ／cm2 の衝撃値を得ることができる。
すなわち、本発明により靭性および延性に優れた高強度パーライト系レールまたはその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼の硬度に対するＣ含有量と衝撃値との関係を示す図である。
【図１】
0004331874.tif 000004