(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属組織がベイナイトであるレールの表面温度が３００℃以下で、該レール頭頂面および該レール底面を直径１００〜６００ｍｍのローラーにより冷間で圧延荷重６００ｋＮ以上２０００ｋＮ未満の軽圧下圧延を行うことを特徴とする耐脆性き裂進展特性と疲労特性に優れたベイナイトレールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐脆性き裂進展特性と疲労特性に優れたベイナイトレールの製造方法に関するものである。
本明細書で用いるレールは図１に示す端面形状をしており、以下その各部位の呼称は、車輪とレールが接触するレール最上面１を頭頂面、レール上部２を頭部、枕木への設置面３を底面、レール下部４を底部、頭部と底部の間５を腹部と呼ぶ。
【０００２】
【従来の技術】
近年、新幹線に限らず在来線においても鉄道列車の高速化が進められており、レールの使用環境はますます苛酷になっている。
曲線軌道では車輪とレールのすべり摩擦による摩耗が問題となるが、熱処理により硬化させた高強度レールの導入により実用上問題ないレベルまで改善されている。
【０００３】
一方、直線軌道では摩耗はほとんど問題にならないが、近年、ダークスポット損傷、もしくは頭頂面シェリングと呼ばれるころがり疲労損傷が散見されるようになってきた。この損傷は車輪との接触面直下の加工変質層が摩耗で除去されないことや、水の存在の影響により、列車通過により疲労き裂を生じ、徐々に進展して顕在化するものと考えられている。この損傷は最終的にレール折損を引き起こすケースがあり、安全運行を阻害する要因となる。
【０００４】
ダークスポット損傷は、従来から使用されてきたパーライト組織を有するレール鋼や、焼戻しマルテンサイト組織を有するレール鋼に生じている。このダークスポット損傷への対策として、レール材を多く摩耗させることにより、疲労き裂の起点となる加工変質層を自己除去させる方法が探索され、この特性を有する鋼材としてベイナイト鋼レールが開発された。
【０００５】
本明細書では、金属組織がパーライトであるレールをパーライトレール、ベイナイトであるレールをベイナイトレールと呼ぶ。
ベイナイトレールは、例えば特開平８−９２６９６号公報に示されているように、質量％でＣ：０．１５〜０．４５％，Ｓｉ：０．１５〜２．０％，Ｍｎ：０．３〜２％，Ｃｒ：０．５〜３％、必要に応じてＭｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｕを含有している。
【０００６】
一方、海外の鉱山鉄道などの重荷重軌道では、ころがり疲労損傷に加えて耐摩耗性も無視できないため、高強度化、高硬度化が必要となる。ベイナイト鋼の硬度は高温のオーステナイト温度域から冷却される際の変態反応の起こる温度によって左右され、より低温で変態するほど高い硬度が得られる。変態温度を下げて高硬度化するには、加速冷却により過冷状態を促進するか、変態を遅延させる合金が添加される。
【０００７】
ところで、レールは熱間圧延後の冷却の際に熱変形により頭部側に反り上がるため、冷却後に真っ直ぐに矯正する必要がある。通常、レールの矯正はローラー矯正により行われる。ローラー矯正は千鳥形に配列されたローラーの間にレールを通すことによりレールに曲げ加工を加えて、レールを真っ直ぐにする加工である。この加工の際にレール頭部と底部に引張り残留応力が生じる。残留応力は部材に荷重が負荷された際に、局所的に応力が降伏点（耐力）を超え、塑性変形が生じることによって発生する。残留応力の大きさは降伏点（耐力）が高い鋼材ほど大きくなる。
【０００８】
そして、レール頭部と底部に強い引張り残留応力が存在する場合には、特開平６−２７９８４６号公報に説明されているように、何らかの理由でレール腹部に脆性き裂が生じた場合、頭部は上方に反ろうとし、底部は下方に反ろうとするモーメントが作用し、き裂を開口させる応力状態となる。その結果、き裂は停止し難くなり、レール頭部へき裂が進展する危険性が高まってくる。
また列車通過により、レール底部には繰り返し曲げ応力が作用するが、これにレール底部の引張り残留応力が重畳すると実質的な作用応力が高まり、疲労強度が低下することが懸念される。
【０００９】
以上、腹部脆性き裂の進展特性と、繰り返し曲げに対する疲労特性の点から、レール頭部と底部の引張り残留応力は小さいこと、もしくは圧縮応力となっていることが好ましい。
【００１０】
疲労特性を向上させる方法として、特開平６−３１２２１６号公報にはローラー矯正の後、比較的小径のロールにより頭頂と底面から軽圧下の冷間圧延を行い、引張り残留応力を改善する方法が示されている。この方法は、ローラーと接触するレール表面層にレール内部より強い塑性変形を与え、表層直下に圧縮の残留応力を付与するもので、生産性を損なうことなく、簡単な装置で残留応力を改善できる利点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ベイナイト鋼とパーライト鋼を比較すると、図２に示すようにベイナイト鋼は同一強度レベルのパーライト鋼に比較して耐力が高く、伸びが大きいという特徴を持っている。このため材料を塑性変形させるには、より大きい荷重が必要で、矯正の際にも大きい荷重が必要になる。
【００１２】
また鋼材の強度、硬度が高くなるに従って耐力も高くなる。一般的なレールの硬度はビッカース硬度番号で３００未満であるが、硬度がビッカース番号で３２０以上という高強度ベイナイトレールは矯正時に高い荷重が必要であり、矯正後のレール頭部、底部の引張り残留応力が大きくなる。このため、腹部に溶接欠陥など、何らかの理由で脆性き裂が生じた場合、き裂は進展しやすくなる。また、列車通過の際の繰り返し応力に対する疲労特性が低下することが推定される。
【００１３】
従来の残留応力制御を目的とした冷間圧延法はパーライトレールを対象に考えられたものであり、引張り残留応力の大きいベイナイトレールに対する適正な加工条件を提供するものではなかった。
本発明の目的とするところは、レール頭部と底部の引張り残留応力を軽減し、耐脆性き裂進展特性と疲労特性に優れたベイナイトレールを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を解消するために開発したものであり、その要旨は次の通りである。
（１）金属組織がベイナイトであるレールの表面温度が３００℃以下で、該レール頭頂面および該レール底面を直径１００〜６００ｍｍのローラーにより冷間で圧延荷重６００ｋＮ以上２０００ｋＮ未満の軽圧下圧延を行うことを特徴とする耐脆性き裂進展特性と疲労特性に優れたベイナイトレールの製造方法。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について説明する。
レール頭部と底部に２５０ＭＰａ超の引張り残留応力があると、何らかの理由でレール腹部に脆性き裂が生じた時に、き裂進展が止まらず、き裂が頭部に分岐し、レール頭部が脱落する危険性が生じる。また、列車通過に伴うレール底部の繰り返し曲げ応力に対しても、引張り残留応力が大きいため疲労強度が低下する。従って、上記引張り残留応力を２５０ＭＰａ以下とした。
圧縮側残留応力についてはその上限を設けていないが、それは圧縮残留応力による悪影響が考えられないためである。
【００１６】
また、硬度がビッカース番号で３２０以上という高強度ベイナイトレールは矯正時に高い荷重が必要であり、矯正後のレール頭部、底部の引張り残留応力が大きくなる。このため、ビッカース硬度番号３２０以上の場合には本発明の残留応力の制御が必須となり、その効果も顕著となる。なおレール硬度の上限は特に規定しないが、加速冷却や合金添加などにより、ビッカース硬度番号４７０程度までは硬化させることが可能と考えられる。
【００１７】
次に本発明の製造方法について説明する。
加工温度はレール頭頂面温度３００℃超では、熱変形が完全に終了していない可能性があること、鋼材の強度が低く圧延による断面変形が大きいこと、レール部位によっては変態が完了していない可能性があること、などのため好ましくない。一方、極低温では鋼材が脆化し、低い荷重でも鋼材が破損することがあるが、一般的なレール製造での温度環境では特に問題が無いため、低温側の温度限界については特に規定しない。好ましい加工温度は熱変形、変態が終了し、材料強度が安定した室温範囲、すなわち０℃〜１００℃の範囲であることが望ましい。
【００１８】
次に軽圧下冷間圧延の概略を図３に示す。レール７は熱間圧延後、レール頭頂面温度３００℃以下まで冷却された後、ガイドローラー９で冷間圧延ローラー８ａ，８ｂに案内され、ここで図４に示すように、レール頭頂面１と、レール底面３に圧延加工が加えられる。
冷間圧延ローラー８の直径を１００〜６００ｍｍという比較的小さいサイズに限定する理由は、ローラーと接触するレール表面層にレール内部より強い塑性変形を与えるためである。レール表面層にレール内部より強い塑性変形を与える理由は、表面層に圧縮残留応力を付与するためである。
【００１９】
ローラーの直径が１００ｍｍより小さい場合、表面層に強い塑性変形を与えることは可能であるが、ローラー軸が細くなり、圧延荷重に耐えられなくなるためである。この対策として冷間圧延ローラーの背面にバックアップローラーを配備することにより、圧下荷重の問題を解決できたとしても、設備的に高価になるわりには、効果はさほど変わらない。
一方、ローラー径が６００ｍｍを超えると、レール表面層よりもレール内部に強い塑性変形が発生し、レール表面には逆に引張り残留応力が発生してしまうため好ましくない。
【００２０】
レールと接触するローラー面の形状は特に規定しないが、レールの形状とかけ離れたものは好ましくない。圧延によりレール表面に傷を付ける危険性があるためである。
なおロール径、ローラー面の形状は、頭部側と底部側で同じ値を採用する必要性はなく、むしろ加工によるレールの反りなどの作業状況に応じて変更することが望ましい。
【００２１】
圧延荷重を増加させると、表面層の塑性加工量は増大し、残留応力の改善効果は大きくなる。ビッカース硬度番号３２０以上の高強度ベイナイトレールはパーライトレールに比較して耐力が高いことが影響し、６００ｋＮ未満ではレール表面層に有効な塑性変形を付与することができず、残留応力を改善する効果は得られない。荷重の上限は２０００ｋＮ未満とするのが好ましい。２０００ｋＮ以上の圧延荷重ではレールの形状変化が大きいため、レール規格に規定された寸法公差を外れる可能性が高くなり、実用的ではない。
【００２２】
冷間圧延を行う工程はローラー矯正の前、後、もしくは途中である。ローラー矯正後に圧延する場合、ローラー矯正によって生じた引張り残留応力を低減する。矯正前に冷間圧延する場合、あらかじめ冷間圧延により圧縮の残留応力を付与しておき、矯正により生じる残留応力を軽減する。ローラー矯正の途中で圧延するのは、千鳥形に配置された矯正ローラーに圧延用小型ローラーを組み込む方法であるが、その作用、効果はローラー矯正前の圧延と同じである。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明による実施例について説明する。
使用したレール鋼材の化学組成は質量％で、Ｃ：０．３５％、Ｓｉ：０．１７％、Ｍｎ：１．２３％、Ｃｒ：１．０５％、Ｍｏ：０．１１％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、金属組織がベイナイトを呈する。圧延後の高温域からの冷却速度を変えることにより、レール頭頂面下５ｍｍにおける硬度がビッカース番号で、Ａ材は２９０、Ｂ材は３５０に作り別けた２鋼種を使った。レールのサイズはＪＩＳ６０レールとした。
【００２４】
冷間圧延加工は図５に示すように、ローラー矯正の後面で行った。
冷間圧延ロールの直径Ｄは上下とも３００ｍｍφとした。頭部側圧延ロールの曲率半径ＲH はフラットとした。一方、レール底面形状は規格により凸状が許されておらず、圧延によりフラットないし凹状に作られる。この底面を確実に圧下するために、底部側圧延ロールには６００ｍｍの曲率半径ＲB を設けた。
【００２５】
圧延加工による残留応力改善効果の評価は、ソーカット試験法と呼ばれるロシアＧＯＳＴ規格で提案された残留応力試験法を用いた。この試験法は、矯正済みのレール腹部に３ｍｍ厚の鋸歯により、レール端からレール長手方向に４５０ｍｍの水平スリットを加工し、レール端部における開口量を測定する方法である。ソーカット試験において、頭部と底部の残留応力が引張りであると、頭部は上方に、底部は下方に反ろうとするため、スリット端の開口量は増加する。このような残留応力分布を持つレールの腹部に、何らかの理由で脆性き裂が発生すると、き裂を開こうとするモーメントが作用するため、き裂は長く進展する。
【００２６】
逆に頭部と底部に圧縮残留応力があるレールにソーカット試験を行うと、頭部は下方に、底部は上方に反ろうとするためレール端での開口量は減少する。
このような残留応力分布を持つレールの場合、腹部に何らかの理由で脆性き裂が発生しても、き裂を閉じようとするモーメントが作用するため、き裂は進展し難い。ソーカット試験における開口量は小さいほど腹部に脆性き裂が生じた場合の進展は少なく、レールとしての安全性が高い。ソーカット試験における開口量は３ｍｍ以下が好ましいとされている。
【００２７】
表１にソーカット試験の結果を示す。
実施例１は鋼材Ｂに対し圧延荷重１２００ｋＮ、加工温度２０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は−２．２ｍｍと良好であった。
実施例２は鋼材Ｂに対し圧延荷重１０００ｋＮ、加工温度２０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は−１．６ｍｍと良好であった。
実施例３は鋼材Ｂに対し圧延荷重６００ｋＮ、加工温度２０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は２．６ｍｍと良好であった。
実施例４は鋼材Ｂに対し圧延荷重８００ｋＮ、加工温度２８０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は２．９ｍｍと良好であった。ただしレール断面の変形が増加し、レール高さの寸法公差範囲内ではあるが下限値に達しており、これ以上の高温域での加工は寸法不合格の生じる危険性が推察された。
【００２８】
実施例５は鋼材Ａに対し圧延荷重１０００ｋＮ、加工温度２０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は−２．９ｍｍと良好であった。
実施例６は鋼材Ａに対し圧延荷重８００ｋＮ、加工温度２０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は−１．４ｍｍと良好であった。
実施例７は鋼材Ａに対し圧延荷重６００ｋＮ、加工温度２０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は−０．１ｍｍと良好であった。
【００２９】
比較例１は鋼材Ｂを矯正ままで評価した結果であり、ソーカット試験における開口量は７．７ｍｍと大きい。
比較例２は強度の高い鋼材Ｂに対し圧延荷重１００ｋＮ、加工温度２０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は５．９ｍｍと大きい。圧延荷重が低く十分に表面層に塑性加工が入らず、引張り残量応力が改善されていない。
比較例３は強度の高い鋼材Ｂに対し圧延荷重３００ｋＮ、加工温度２０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は４．２ｍｍと大きい。圧延荷重が低く十分に表面層に塑性加工が入らず、引張り残量応力が改善されていない。
比較例４は強度の高い鋼材Ｂに対し圧延荷重８００ｋＮ、加工温度３５０℃で行った結果であり、ソーカット試験における開口量は１．１ｍｍと良好であったが、レール高さ寸法が公差下限以下となり、形状不合格となった。これは加工温度が高すぎるため、圧延による加工量が大きかったためである。
比較例５は鋼材Ａを矯正ままで評価した結果であり、ソーカット試験における開口量は６．２ｍｍと大きい。
【００３０】
【表１】
0004234892.tif 000002
【００３１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明はレール頭部と底部の引張り残留応力の軽減により、耐脆性き裂進展特性と疲労特性に優れたベイナイトレールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レール各部の名称を示す図である。
【図２】レールの伸びに対する荷重を示す図である。
【図３】本発明の軽圧下冷間圧延工程の概略を示す側面図である。
【図４】図３の冷間圧延ロール８ａ，８ｂ部位における正面図である。
【図５】本発明の軽圧下冷間圧延工程の実施例を示す側面図である。
【符号の説明】
１：レール頭頂面          ２：レール頭部
３：レール底面            ４：レール底部
５：レール腹部            ６：レール首部
７：レール                ８：冷間圧延ロール
８ａ：頭部冷間圧延ロール
８ｂ：底部冷間圧延ロール
９：ガイドローラー      １０：矯正ローラー
ＲH ：頭部側ロールの曲率半径
ＲB ：底部側ロールの曲率半径
Ｄ  ：ロール径
【図１】
0004234892.tif 000003
【図２】
0004234892.tif 000004
【図３】
0004234892.tif 000005
【図４】
0004234892.tif 000006
【図５】
0004234892.tif 000007