(57)【要約】  質量％で、Ｃ：０．７５〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．２０％、Ｖ：０．０１０〜０．２００％、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｐ≦０．０２５０％、Ｓ≦０．０２５０％であるとともに、必要に応じてさらにＭｏ、Ｃｏ、Ｂ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｚｒ及びＡｌの元素からなる群から選択される１種以上を所定の範囲内で含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲の組織が、面積率で９５％以上のパーライト組織を含み、かつ、組織の硬さがＨｖ３６０〜５００の範囲であり、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置の、パーライト組織中のフェライト相において、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度が１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲である、レール。
2020054339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位質量％で、
Ｃ：０．７５〜１．２０％、
Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、
Ｃｒ：０．１０〜１．２０％、
Ｖ：０．０１０〜０．２００％、
Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、
Ｐ≦０．０２５０％、
Ｓ≦０．０２５０％、
Ｍｏ：０〜０．５０％、
Ｃｏ：０〜１．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｃｕ：０〜１．００％、
Ｎｉ：０〜１．００％、
Ｎｂ：０〜０．０５００％、
Ｔｉ：０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０〜０．０２００％、
Ｃａ：０〜０．０２００％、
ＲＥＭ：０〜０．０５００％、
Ｚｒ：０〜０．０２００％、及び
Ａｌ：０〜１．００％
を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなり、
頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲の組織が、面積率で９５％以上のパーライト組織を含み、かつ、前記組織の硬さがＨｖ３６０〜５００の範囲であり、
前記頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置の、前記パーライト組織中のフェライト相において、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度が１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲であることを特徴とするレール。
【請求項２】
さらに、前記頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの位置の、前記パーライト組織中の前記フェライト相における粒径が０．５〜４．０ｎｍの前記Ｃｒを含有するＶ窒化物において、Ｖの原子数をＶＡ、Ｃｒの原子数をＣＡとしたとき、ＣＡ／ＶＡの平均値が下記式１を満足することを特徴とする請求項１に記載のレール。
０．０１≦ＣＡ／ＶＡの平均値≦０．７０…  式１
【請求項３】
単位質量％で、下記ａ群からｈ群の成分の１群または２群以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のレール。
ａ群：Ｍｏ：０．０１〜０．５０％。
ｂ群：Ｃｏ：０．０１〜１．００％。
ｃ群：Ｂ：０．０００１〜０．００５０％。
ｄ群：Ｃｕ：０．０１〜１．００％、及びＮｉ：０．０１〜１．００％の１種または２種。
ｅ群：Ｎｂ：０．００１０〜０．０５００％、及びＴｉ：０．００３０〜０．０５００％の１種または２種以上。
ｆ群：Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２００％、及びＲＥＭ：０．０００５〜０．０５００％の１種または２種以上。
ｇ群：Ｚｒ：０．０００１〜０．０２００％。
ｈ群：Ａｌ：０．０１００〜１．００％。
【請求項４】
単位質量％で、Ｃ：０．７５〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．２０％、Ｖ：０．０１０〜０．２００％、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｐ≦０．０２５０％、Ｓ≦０．０２５０％、Ｍｏ：０〜０．５０％、Ｃｏ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．００５０％、Ｃｕ：０〜１．００％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜０．０５００％、Ｔｉ：０〜０．０５００％、Ｍｇ：０〜０．０２００％、Ｃａ：０〜０．０２００％、ＲＥＭ：０〜０．０５００％、Ｚｒ：０〜０．０２００％、及びＡｌ：０〜１．００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼片を、加熱終了温度を１２００℃以上とし、１０００〜１２００℃の範囲内での加熱速度を１〜８℃／ｍｉｎとして加熱する工程と、
加熱された前記鋼片を、最終圧延温度を８５０〜１０００℃の範囲内とし、且つ最終圧下量を２〜２０％として熱間圧延し、これによりレールを形成する工程と、
前記レールを、加速冷却の開始温度を７５０℃以上とし、前記加速冷却の際の平均冷却速度を２〜３０℃／ｓｅｃとし、前記加速冷却の終了温度を５８０〜６６０℃として加速冷却する工程と、
前記レールを、保持温度を５８０〜６６０℃の範囲内とし、温度保持時間を５〜１５０ｓｅｃとして、レール表面温度の変動幅を６０℃以下とするように制御冷却する工程と、
前記レールを常温まで放冷又は加速冷却する工程と
を備えるレールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貨物鉄道で使用される高強度レールであって、耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れるレール、並びにその製造方法に関する。
本願は、２０１８年９月１０日に、日本に出願された特願２０１８−１６８７９９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
経済発展に伴い石炭などの天然資源の新たな開発が進められている。具体的にはこれまで未開であった自然環境の厳しい地域での天然資源の採掘が進められている。これに伴い、資源を輸送する貨物鉄道では軌道環境が著しく厳しくなっている。その結果、レールに対しては、これまで以上の耐摩耗性が求められるようになってきた。【０００３】
また、貨物鉄道では、近年、鉄道輸送のさらなる過密化が進み、レール頭部内部（頭部外郭表面から深さ２０〜３０ｍｍの位置）から発生する疲労損傷が懸念されるようになってきた。【０００４】
このような背景から、耐摩耗性及び耐内部疲労損傷性を向上させた高強度レールの開発が求められるようになってきた。【０００５】
レールの耐摩耗性を改善するため、例えば、特許文献１〜２に示すような高強度レールが開発されている。これらのレールの主な特徴は、耐摩耗性を向上させるため、熱処理によりパーライト組織中のラメラ間隔を微細化し、鋼の硬さを増加させるか、または、鋼の炭素量を増加し、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト相の体積比率を増加させていることにある。【０００６】
具体的には、特許文献１には、圧延終了後あるいは、再加熱したレール頭部をオーステナイト域温度から８５０〜５００℃間を１〜４℃／秒で加速冷却することで、耐摩耗性に優れたレールを提供できることが開示されている。【０００７】
また、特許文献２には、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体積比率を増加させることで、耐摩耗性に優れたレールを提供できることが開示されている。【０００８】
特許文献１または２に開示された技術によれば、パーライト組織中のラメラ間隔の微細化による高硬度化や、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト相の体積比率を増加させることにより、一定範囲の耐摩耗性の向上が図れる。【０００９】
しかしながら、特許文献１及び２に開示された高強度レールでは、内部疲労損傷の発生を抑えることはできない。【００１０】
上記課題に対し、例えば、特許文献３、４または５に示すような高強度レールが提案されている。これらのレールの主な特徴は、耐摩耗性の向上に加え、耐内部疲労損傷性を向上させるため、微量な合金を添加しパーライト変態を制御するか、または、合金の制御や微量な合金の添加により析出物をパーライト組織中に生成させることにより、頭部内部の硬さを向上させていることにある。【００１１】
具体的には、特許文献３には、過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）にＢを添加することにより、頭部内部のパーライト組織の変態温度を制御することで、頭部内部の硬さを向上させることが開示されている。また、特許文献４には、過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）にＶ及びＮを添加して、パーライト組織中にＶの炭窒化物を析出させることにより、頭部内部の硬さを向上させることが開示されている。さらに、特許文献５には、共析鋼（Ｃ：０．７３〜０．８５％）をベースに、ＭｎとＣｒの含有量を制御することにより、頭部内部の硬さを向上させていることが開示されている。【００１２】
特許文献３、４または５の技術によれば、頭部内部のパーライト変態温度の制御やパーライト組織の析出強化により、頭部内部の硬さを向上させ、ある一定範囲において耐内部疲労損傷性の向上を図ることができる。しかしながら、特許文献３、４及び５に開示された高強度レールにおいても近年要求される厳しい軌道環境での使用においては、十分な特性を得ることができず、耐内部疲労損傷性のさらなる向上が課題となっていた。【００１３】
上述の通り、軌道環境の厳しい貨物鉄道に用いることのできる、耐摩耗性及び耐内部疲労損傷性に優れる高強度レールについては、未だ提供されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】日本国特公昭６３−０２３２４４号公報
【特許文献２】日本国特開平８−１４４０１６号公報
【特許文献３】日本国特許第３４４５６１９号公報
【特許文献４】日本国特許第３５１３４２７号公報
【特許文献５】日本国特開２００９−１０８３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上述した問題点に鑑み案出されたものであり、耐摩耗性と耐内部疲労損傷性に優れたレールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）本発明の一態様に係るレールは、単位質量％で、Ｃ：０．７５〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．２０％、Ｖ：０．０１０〜０．２００％、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｐ≦０．０２５０％、Ｓ≦０．０２５０％、Ｍｏ：０〜０．５０％、Ｃｏ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．００５０％、Ｃｕ：０〜１．００％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜０．０５００％、Ｔｉ：０〜０．０５００％、Ｍｇ：０〜０．０２００％、Ｃａ：０〜０．０２００％、ＲＥＭ：０〜０．０５００％、Ｚｒ：０〜０．０２００％、及びＡｌ：０〜１．００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲の組織が、面積率で９５％以上のパーライト組織を含み、かつ、前記組織の硬さがＨｖ３６０〜５００の範囲であり、前記頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置の、前記パーライト組織中のフェライト相において、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度が１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲である。
（２）上記（１）に記載のレールでは、さらに、前記頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの位置の、前記パーライト組織中の前記フェライト相における粒径が０．５〜４．０ｎｍの前記Ｃｒを含有するＶ窒化物において、Ｖの原子数をＶＡ、Ｃｒの原子数をＣＡとしたとき、ＣＡ／ＶＡの平均値が下記式１を満足してもよい。
０．０１≦ＣＡ／ＶＡ≦０．７０…  式１
（３）上記（１）または（２）に記載のレールでは、単位質量％で、ａ群：Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、ｂ群：Ｃｏ：０．０１〜１．００％、ｃ群：Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、ｄ群：Ｃｕ：０．０１〜１．００％、及びＮｉ：０．０１〜１．００％の１種または２種、ｅ群：Ｎｂ：０．００１０〜０．０５００％、及びＴｉ：０．００３０〜０．０５００％の１種または２種、ｆ群：Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２００％、及びＲＥＭ：０．０００５〜０．０５００％の１種または２種、ｇ群：Ｚｒ：０．０００１〜０．０２００％、ｈ群：Ａｌ：０．０１００〜１．００％の群から選択される１群または２群以上を含有してもよい。
（４）本発明の別の態様に係るレールの製造方法は、単位質量％で、Ｃ：０．７５〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．２０％、Ｖ：０．０１０〜０．２００％、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｐ≦０．０２５０％、Ｓ≦０．０２５０％、Ｍｏ：０〜０．５０％、Ｃｏ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．００５０％、Ｃｕ：０〜１．００％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｎｂ：０〜０．０５００％、Ｔｉ：０〜０．０５００％、Ｍｇ：０〜０．０２００％、Ｃａ：０〜０．０２００％、ＲＥＭ：０〜０．０５００％、Ｚｒ：０〜０．０２００％、及びＡｌ：０〜１．００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼片を、加熱終了温度を１２００℃以上とし、１０００〜１２００℃の範囲内での加熱速度を１〜８℃／ｍｉｎとして加熱する工程と、加熱された前記鋼片を、最終圧延温度を８５０〜１０００℃の範囲内とし、且つ最終圧下量を２〜２０％として熱間圧延し、これによりレールを形成する工程と、前記レールを、加速冷却の開始温度を７５０℃以上とし、前記加速冷却の際の平均冷却速度を２〜３０℃／ｓｅｃとし、前記加速冷却の終了温度を５８０〜６６０℃として加速冷却する工程と、前記レールを、保持温度を５８０〜６６０℃の範囲内とし、温度保持時間を５〜１５０ｓｅｃとして、レール表面温度の変動幅を６０℃以下とするように制御冷却する工程と、前記レールを常温まで放冷又は加速冷却する工程とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の上記態様によれば、レールの耐摩耗性と耐内部疲労損傷性とを向上させることができる。また、このようなレールは、貨物鉄道で使用される場合のレールの使用寿命を大きく向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係るレールの、頭部断面表面位置での呼称およびパーライト組織が必要な領域を示した図である。
【図２】転動疲労試験機の概要を示した図である。
【図３】粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物中のＶの原子数（ＶＡ）に対するＣｒの原子数（ＣＡ）の比の平均値（ＣＡ／ＶＡ）と、転動疲労試験におけるＶの炭・窒化物の周囲の微小き裂の有無との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態に係る耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたレール（本実施形態に係るレールという場合がある）につき、詳細に説明する。以下、組成における質量％は、単に％と記載する。
【００２０】
本実施形態に係るレールは、以下のような特徴を有している。
（ｉ）所定の化学組成を有している。
（ｉｉ）頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲の組織が、面積率で、９５％以上のパーライト組織を含み、かつ、前記組織の硬さがＨｖ３６０〜５００の範囲である。
（ｉｉｉ）前記頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置の、パーライト組織中のフェライト相において、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度が１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲である。
（ｉｖ）好ましくは、さらに、頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの位置の、パーライト組織中のフェライト相における粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物において、Ｖの原子数をＶＡ、Ｃｒの原子数をＣＡとしたとき、ＣＡ／ＶＡの平均値が下記式１を満足する（なお、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物のＣＡ／ＶＡの平均値を単に「ＣＡ／ＶＡ」と記載する場合がある）。
０．０１≦ＣＡ／ＶＡの平均値≦０．７０…  式１
【００２１】
＜金属組織およびパーライト組織の必要範囲の限定理由＞
本実施形態に係るレールでは、頭部外郭表面を起点として少なくとも２５ｍｍ深さの範囲において、９５％（面積率）以上をパーライト組織とする必要がある。
【００２２】
まず、パーライト組織を面積率で９５％以上とする理由について説明する。
車輪と接触するレール頭部では耐摩耗性の確保が最も重要である。本発明者らが金属組織と耐摩耗性との関係を調査した結果、パーライト組織が最も耐摩耗性に優れることが確認された。また、パーライト組織は合金元素の含有量が少なくても硬さ（強度）が得られ易く、耐内部疲労損傷性にも優れる。そこで、耐摩耗性および耐内部疲労損傷性を向上させる目的からパーライト組織の面積率を９５％以上に限定した。パーライト組織の面積率が９５％未満では、耐摩耗性および耐内部疲労損傷性が十分に向上しない。なお、耐摩耗性を十分に確保するには、レール頭部の金属組織の９６％以上、９７％以上、９８％以上、又は９９％以上をパーライト組織とすることが望ましい。レール頭部におけるパーライト組織の面積率を１００％としてもよい。
【００２３】
次に、パーライト組織が面積率で９５％以上の割合で含まれる金属組織（パーライトを含む組織）の必要範囲を、頭部外郭表面（頭部コーナー部及び頭頂部の表面）から、頭部外郭表面を起点として少なくとも２５ｍｍ深さまでの範囲に限定した理由について説明する。
【００２４】
前記パーライト組織を含む組織の範囲が頭部外郭表面を起点として２５ｍｍ未満では、使用時の摩耗を考慮すると、レール頭部の耐摩耗性や耐内部疲労損傷性に要求される領域として十分でなく、耐摩耗性及び耐内部疲労損傷性を十分に向上させることができず、その結果、十分なレール使用寿命の向上が困難となる。耐摩耗性、耐内部疲労損傷性をさらに向上させるには、頭部外郭表面を起点として深さ３０ｍｍ程度までをパーライト組織を含む組織とすることが望ましい。
【００２５】
ここで、図１に本実施形態に係るレールの頭部断面表面位置での呼称、および、パーライト組織を含む組織が必要な領域を示す。まず、レール頭部とは、図１の符号３で示すように、レールを断面視したときに、レールの高さ方向中央に括れた部分よりも上側の部分をいう。また、レール頭部３は、頭頂部１と、前記頭頂部１の両端に位置する頭部コーナー部２を有する。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。そして、頭部外郭表面とは、レール頭部３のうち、レールを正立させたときに上側を向く頭頂部１の表面と、頭部コーナー部２の表面とを合わせた面をいう。頭頂部１と頭部コーナー部２の位置関係は、頭頂部１がレール頭部の幅方向ほぼ中央に位置し、頭部コーナー部２が頭頂部１の両側に位置する関係にある。
【００２６】
頭部コーナー部２および頭頂部１の表面（頭部外郭表面）を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲を頭表部（３ａ、斜線部）と呼ぶ。図１に示すように、頭部コーナー部２及び頭頂部１の表面（頭部外郭表面）を起点として深さ２５ｍｍまでの頭表部３ａに所定の硬さのパーライト組織を含む組織（パーライト組織が面積率で９５％以上の割合で含まれる金属組織）が配置されることが、レールの耐摩耗性及び耐内部疲労損傷性の向上のために必要とされる。
【００２７】
したがって、パーライト組織を含む組織は、車輪とレールが主に接し、耐摩耗性と耐内部疲労損傷性とが要求される頭表部３ａに配置されることが望ましく、これらの特性が必要とされない頭表部以外の部分はパーライト組織の面積率が９５％以上でもよいが、９５％以上でなくてもよい。
【００２８】
また、本実施形態に係るレールの頭表部３ａの金属組織は、パーライト組織の面積率が９５％以上であれば、パーライト組織以外に、面積率で５％未満の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織等が混入してもよい。これらの組織が混入しても、５％未満であれば、頭部表面の耐摩耗性、頭部内部の耐内部疲労損傷性には大きな悪影響を及ぼさない。言い換えれば、本実施形態に係るレールのレール頭部の金属組織は、面積率で、頭表部の９５％以上がパーライト組織であればよく、耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を十分に向上させるには、レール頭部の頭表部の金属組織の９８％以上をパーライト組織とすることが望ましい。パーライト組織の面積率は１００％でもよい。
【００２９】
頭部外郭表面を起点として２５ｍｍまでの深さの範囲におけるパーライト組織の面積率は、以下の方法で求めることができる。すなわち、２００倍の光学顕微鏡の視野で金属組織を観察し、各金属組織の面積を決定してパーライト組織の面積率を決定できる。また、光学顕微鏡の視野として１０視野（１０箇所）以上を用い、面積率の平均値を観察部位の面積率として用いることができる。
【００３０】
金属組織の評価方法を下記に示す。
［金属組織の評価手順および方法］
●評価手順
測定用試験片採取：レール頭部の横断面からサンプルを切り出し
事前処理：サンプルをダイヤモンド研磨後に３％ナイタールエッチング処理
組織観察：光学顕微鏡（２００倍）
視野：頭部外郭表面から深さ２ｍｍの任意の１０視野以上、及び頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの任意の１０視野以上
●評価方法
組織判断：金属組織学の教科書（例えば、「入門・金属材料の組織と性質  材料を生かす熱処理と組織制御」：日本熱処理技術協会）等で判断、不明な場合はＳＥＭ観察
比率判断：各組織の面積測定、視野内の面積率を算定、全視野の平均値をその部位の代表値とする
【００３１】
本実施形態に係るレールでは、頭部外郭表面を起点として２ｍｍ深さの位置と、頭部外郭表面を起点として２５ｍｍ深さ位置の、双方のパーライト組織の平均面積率が９５％以上であれば、頭部外郭表面を起点として少なくとも２５ｍｍ深さの範囲の金属組織の面積率で９５％以上がパーライト組織であると言える。
【００３２】
＜パーライト組織を含む組織の硬さの限定理由＞
本実施形態に係るレールでは、パーライト組織を含む組織の硬さをＨｖ３６０〜５００の範囲に限定とする必要がある。次に、本実施形態に係るレールにおいて、パーライト組織を含む組織の硬さをＨｖ３６０〜５００の範囲に限定した理由について説明する。
【００３３】
本発明者らは、レールの耐摩耗性および耐内部疲労損傷性を確保するために必要なパーライト組織を含む金属組織の硬さを検討した。
【００３４】
０．９０％Ｃ−０．５０％Ｓｉ−０．７０％Ｍｎ−０．５０％Ｃｒ−０．０１０〜０．２００％Ｖ−０．０１５０％Ｐ−０．０１２０％Ｓ−０．００３０〜０．０２００％Ｎの成分を有する鋼材（過共析鋼）に、レール圧延を行い、レール頭部の硬さと耐摩耗性、耐内部疲労損傷性の関係を調査した。レール圧延、熱処理条件、転動疲労試験条件は下記に示すとおりである。
【００３５】
［実レール圧延、熱処理条件］
●鋼成分
０．９０％Ｃ−０．５０％Ｓｉ−０．７０％Ｍｎ−０．５０％Ｃｒ−０．０１０〜０．２００％Ｖ−０．０１５０％Ｐ−０．０１２０％Ｓ−０．００３０〜０．０２００％Ｎ（残部Ｆｅ及び不純物）
●レール形状
１４１ポンド（重さ：７０ｋｇ／ｍ）。
●圧延・熱処理条件
最終圧延温度（頭部外郭表面）：９５０℃。
熱処理条件：圧延→加速冷却
加速冷却条件（頭部外郭表面）：冷却速度で２〜１５℃／ｓｅｃで８００℃から５８０〜６８０℃まで冷却
なお、加速冷却は空気、冷却水などの冷媒をレール表面に噴射することにより実施した。本実施形態において、加速冷却の開始時点及び終了時点とは、冷却水の噴射の開始時点及び終了時点である。
【００３６】
［転動疲労試験条件］
●試験条件
試験機：転動疲労試験機（図２参照）
試験片形状  レール：１４１ポンドレール×２ｍ
車輪：ＡＡＲタイプ（直径９２０ｍｍ）
荷重  ラジアル：２７５〜３２５ＫＮ
スラスト：５０〜８０ＫＮ
潤滑：無潤滑（耐摩耗性）、油潤滑（耐内部疲労損傷性）
累積通過トン数
無潤滑（耐摩耗性）：レール頭表層部の摩耗量が２５ｍｍ超まで
油潤滑（耐摩耗性）：き裂発生まで（最大２００ＭＧＴ）（Ｍｉｌｌｉｏｎ  Ｇｌｏｓｓ  Ｔｏｎｎａｇｅ）※レールの上を走行した貨車の総重量、本試験の場合は車輪から作用した通貨重量の２倍で評価。
●評価
耐摩耗性：摩耗量が２５ｍｍに達した際の累積通過トン数とした。
耐内部疲労損傷性：超音波探傷装置を用いて、レール全長での頭部内部のき裂の有無を調査し、き裂長さ２ｍｍ以上のき裂を損傷と判断し、き裂発生までの累積通過トン数とした。なお、試験は評価数３とし、き裂発生までの累積通過トン数はその最小値を代表値とした。
【００３７】
その結果、パーライト組織を含む組織の硬さがＨｖ３６０未満では、少ない累積通過トンでレール頭表層部の摩耗量が２５ｍｍに達し、摩耗の進行によりレール頭部に要求される耐摩耗性の確保が困難となることがわかった。また、パーライト組織を含む組織の硬さがＨｖ３６０未満では、頭部内部において、少ない累積通過トンでレール頭部内部に長さ２ｍｍ以上の粗大な疲労き裂が発生・伝播し、耐内部疲労損傷性が低下することがわかった。
【００３８】
また、パーライト組織の硬さがＨｖ５００を超えると、パーライト組織を含む組織の脆化により、頭部内部において、少ない累積通過トンでレール頭部内部に長さ２ｍｍ以上の粗大な疲労き裂が発生・伝播し、耐内部疲労損傷性が低下することがわかった。
【００３９】
レール頭部において、耐摩耗性、耐表面損傷性、さらには、ある一定レベルの耐内部疲労損傷性を確保するには、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲にあるパーライト組織を含む金属組織の硬さをＨｖ３６０〜５００の範囲に制御する必要があることを、上述の試験により確認した。このため、パーライト組織を含む組織の硬さをＨｖ３６０〜５００の範囲に限定した。なお、耐摩耗性、耐表面損傷性を安定的に確保し、耐内部疲労損傷性を安定的に向上させるには、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲にあるパーライト組織を含む金属組織の硬さをＨｖ３８０以上、Ｈｖ３９０以上、又はＨｖ４００以上に制御することが望ましい。同じ理由で、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲にあるパーライト組織を含む金属組織の硬さをＨｖ４８０以下、Ｈｖ４７０以下、又はＨｖ４６０以下としてもよい。
【００４０】
なお、パーライト組織を含む組織の硬さの測定は、測定場所（例えば、頭部外郭表面を起点として深さ２ｍｍの位置）において、２０点以上測定して平均値をその位置における硬さ値として採用する。本実施形態に係るレールではパーライト組織が面積率で９５％以上を占めるが、５％以下の範囲でその他組織（初析セメンタイト、初析フェライト、マルテンサイト、ベイナイト等）が存在するため、１点の測定ではパーライト組織を含む組織の硬さが代表できない場合がありえるためである。
【００４１】
硬さの測定方法および測定条件を下記に示す。
［レール頭部の硬さの測定方法および測定条件］
●測定方法
装置：ビッカース硬度計（荷重９８Ｎ）
測定用試験片採取：レール頭部の横断面からサンプルを切り出し。
事前処理：横断面を平均粒径１μｍのダイヤモンド砥粒で研磨。
測定方法：ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準じて測定。
●算定方法
頭部表面：頭部外郭表面から深さ２ｍｍの任意位置において２０点の測定を行い、平均値を頭部表面の硬さとした。
頭部内部：頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの任意位置において２０点の測定を行い、平均値を頭部内部の硬さとした。
【００４２】
本実施形態に係るレールでは、頭部外郭表面を起点として深さ２ｍｍの位置と、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置の、双方の硬さがＨｖ３６０〜５００であれば、頭部外郭表面を起点として少なくとも２５ｍｍ深さの範囲の硬さがＨｖ３６０〜５００と言える。
【００４３】
＜頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置におけるＣｒを含有するＶ窒化物の粒径、個数密度の限定理由＞
次に、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置における横断面において、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲に限定した理由を説明する。なお、本実施形態における「Ｃｒを含有するＶ窒化物」とは、Ｖ窒化物から構成される介在物であって１個以上のＣｒ原子を含有するものを意味する。後述する３次元アトムプローブ（３ＤＡＰ）法によれば、Ｃｒ原子の有無を確認することが出来る。
【００４４】
まず、本発明者らは、上記転動疲労試験後の頭部内部の疲労損傷の生成状況を詳細に調査した。その結果、転動疲労試験後の超音波探傷装置を用いたき裂の有無の調査においては検出され難い長さ２ｍｍ未満のき裂が、評価試験に合格したレールの頭部内部に残存していることを確認した。き裂の残存はレールの基本性能に大きな影響を及ぼし、安全性を確保するにはその防止が必要である。本発明者らは、このき裂を無くす方法を検討した。
【００４５】
レール頭部内部のき裂の残存と、微視的な硬さとの関係を詳細に調査した結果、き裂発生部位には、パーライト組織のマクロ的な硬さには変化はないものの、パーライト組織中のフェライト相に微視的な軟化部が存在することを確認した。この結果、車輪との接触により頭部内部のフェライト相の微視的な軟化部に歪が集中し、き裂が発生しやすくなることを本発明者らは突き止めた。
【００４６】
そこで、頭部内部のパーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化を抑制し、頭部内部の断面内において材料強度をできるだけ均一化することを考えた。
【００４７】
頭部内部の微視的な硬さを向上させるためには、析出強化が有効であると本発明者らは考えた。そして本発明者らは、パーライト組織中のフェライト相中に微細に生成して析出強化を生じさせる元素の探索を行った。
【００４８】
炭化物、窒化物、及び炭窒化物等の適用検討を行った結果、硬さ上昇の安定度、さらには、疲労き裂に対する抵抗性から、窒化物が析出強化のための成分として有効であることを知見した。一方、炭化物、炭窒化物については、拡散や分解しやすい炭素を含むため、熱や応力に対する安定性が小さく、安定的な析出強化には有効ではなかった。
【００４９】
さらに本発明者らは、窒化物について詳細な調査を行った。その結果、窒化物として、Ｖ窒化物をベースとして、さらに安定度を増加させることがよいとわかった。さらに、Ｖ窒化物中にＣｒを複合的に生成させたものである、Ｃｒを含有するＶ窒化物は、熱や応力に対する安定性が極めて高く、頭部内部のパーライト組織のフェライト相の微視的な軟化を抑制し、パーライト組織中のフェライト相の硬さを安定的に向上させることを確認した。
【００５０】
そこで、本発明者らは、Ｃｒを含有するＶ窒化物の効果を検証するため、Ｖ、Ｃｒ、窒素を含有させた鋼材（過共析鋼）を用いて、レール圧延を行い、Ｃｒを含有するＶ窒化物の生成を促進させる熱処理を行い、頭部内部の析出物および頭部の硬さの調査を行った。さらに、レールの耐内部疲労損傷性を評価した。
【００５１】
０．９０％Ｃ−０．５０％Ｓｉ−０．７０％Ｍｎ−０．５０％Ｃｒ−０．０１５０％Ｐ−０．０１２０％Ｓの成分をベースとし、Ｖ含有量を０．０１０〜０．２００％、Ｎ含有量を０．００３０〜０．０２００％の範囲で変化させた化学成分を有する鋼材（過共析鋼）に、レール圧延、およびＣｒを含有するＶ窒化物の生成を促進させる熱処理を行い、頭部内部の析出物および頭部の硬さの調査を行った。
【００５２】
さらに、Ｃｒを含有するＶ窒化物の効果を検証するため、転動疲労試験を行った。レール圧延、熱処理条件、Ｃｒを含有するＶ窒化物の調査方法、頭部の硬さ測定、および転動疲労試験条件は下記に示すとおりである。
【００５３】
［実レール圧延、熱処理条件］
●鋼成分
０．９０％Ｃ−０．５０％Ｓｉ−０．７０％Ｍｎ−０．５０％Ｃｒ−０．０１５０％Ｐ−０．０１２０％Ｓ−０．０１０〜０．２００％Ｖ−０．００３０〜０．０２００％Ｎ（残部Ｆｅ及び不純物）
●レール形状
１４１ポンド（重さ：７０ｋｇ／ｍ）。
●圧延・熱処理条件
最終圧延温度（頭部外郭表面）：９５０℃。
熱処理条件：圧延→加速冷却＋制御冷却
加速冷却条件（頭部外郭表面）：冷却速度５℃／ｓｅｃで８００℃から６６０〜５８０℃まで冷却
制御冷却条件（頭部外郭表面）：加速冷却停止後に５８０〜６６０℃の温度域で５〜１２０ｓｅｃ保持し、その後に加速冷却
制御冷却時の温度保持：加速冷却速度の制御、さらには、加速冷却の実行、停止を繰返し行い、レール内部からの復熱に応じて加速冷却を行うことによって温度を制御した。
【００５４】
Ｃｒを含有するＶ窒化物の調査方法は下記に示すとおりである。
［Ｃｒを含有するＶ窒化物の調査方法］
●試料採取位置：頭部内部（頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置）
●事前処理：ＦＩＢ（集束イオンビーム）法によって曲率半径３０〜８０ｎｍの針試料を３個作成
●測定機：３次元アトムプローブ（３ＤＡＰ）法
●測定方法
針試料にＤＣ電圧印加し、さらにパルス電圧を印可するか、または針試料にパルスレーザーを照射することによって、針先端から構成原子のイオンを電界蒸発させる。このイオンを座標検出機により検出する。イオン飛行時間によって元素の種類を特定する。検出した座標及び測定順番によって３次元での元素位置や原子数を特定する。
電圧：ＤＣ、電圧パルス（パルス比１５％以上）またはレーザーパルス（４０ｐＪ）  試料温度：４０Ｋから７０Ｋ
●Ｃｒを含有するＶ窒化物の判定方法およびカウント方法
ＩＶＡＳソフトウエア（ＣＡＭＥＣＡ製）を用いて、測定データの解析を行った。質量電荷比スペクトルにおいて、２５．５ＤａのピークをＶ２＋と同定し、２５、２６、２６．５のピークをＣｒ２＋と同定した。Ｎは、ＮＮ＋のピークがＦｅ２＋の主ピークと重なるので、本実施形態に係るレールの化学組成においては直接的に認識できない。そこで、３２．５Ｄａに現れるＮＶ２＋のピークを、Ｎと同定した。このピークに対応するイオンはＮと等量のＶを含んでいることになる。
イオンを検出した座標及び測定順番に基づいて３Ｄ元素マップを得た後に、Ｖ、ＣｒＮの原子位置データを用いて、窒化析出物を判定する。これには、例えば、ＩＶＡＳに含まれているＭａｘｉｍｕｍ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄを用いる。これは、互いの距離が特定の値以下であるＶ、Ｃｒ、Ｎ原子の群をマトリックスと切り離し、析出物と認識する方法である。本実験では、「特定の値」として１ｎｍを用いた。
上記の方法で析出物の認識を行った後、ＩＶＡＳソフトウエアを用いて、測定領域内の、パーライト組織中のフェライト相における、Ｃｒを含有するＶ析出物と判定された析出物の数をカウントする。
なお、パーライト組織中にはフェライト相とセメンタイト相とが存在する。本実施形態に係るレールにおいては、Ｃｒを含有するＶ窒化物はパーライト組織中のフェライト相の強化に用いられるので、本実験では、パーライト組織中のフェライト相の中央部に存在するもののみを評価対象とした。測定領域におけるセメンタイト相とフェライト相との分離は、Ｃ分布から判断可能である（セメンタイト相ではＣ濃度が原子数比率で２５％になる）。
●Ｃｒを含有するＶ窒化物の個数密度の測定方法
上記の方法で判定された、Ｃｒを含有する窒化物の個数密度の測定は以下のように行う。
分析領域の体積については、３ＤＡＰによって測定される分析領域に含まれる原子の個数から推定する。一般の鋼の場合、鉄以外の合金元素は非常に少ない、そこで、分析領域を構成する原子を全て鉄原子と仮定して分析領域の体積を分析領域中の元素の個数から算出したとしても、真値と大きな差異はないと考えられる。そこで、鉄の原子数をイオン検出器の検出率で補正し、その値をＦｅの原子密度（８５個数／ｎｍ３）で割った値を測定部位の体積（ｎｍ３）とみなせる。検出率は装置によって様々であるが、本実験で用いた装置では検出率が３５％であったので、検出された原子数を０．３５で割った値を、分析領域に含まれる原子の個数と推定した。
析出物が分布したフェライト相の中央部の領域に含まれている析出物個数を、その切り出した領域の体積で割ることで、パーライト組織中のフェライト相における粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を求めることができる。例えば、フェライト相中の鉄３０００万原子の相当する体積の測定で、１個の析出物が観察された場合は、分析領域の体積は３×１０７／０．３５（イオン検出器の検出率）／８５個数（Ｆｅの原子密度）＝１．０×１０６ｎｍ３となり、個数密度は１．０×１０−６ｎｍ−３となる。単位をｃｍ−３に変換する場合には、この値に１０２１を掛ければよく、上述の場合１．０×１０１７（ｃｍ−３）が個数密度となる。３個の針試料における個数密度の平均値を、そのレールの個数密度とした。
●Ｃｒを含有するＶ窒化物の粒径の測定方法
本実験においては、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度のみを測定対象とした。粒径が０．５ｎｍ未満、又は４．０ｎｍ超のＣｒを含有するＶ窒化物は、レールの特性の向上に寄与しないと考えられたためである。従って、Ｃｒを含有するＶ窒化物の評価にあたっては、Ｃｒを含有するＶ窒化物のうち、その粒径が０．５〜４．０ｎｍのものだけを抽出し、その個数を数えた。
Ｃｒを含有するＶ窒化物それぞれの粒径の測定方法は以下の通りである。まず、Ｃｒを含有するＶ窒化物を構成するＶ及びＣｒの合計原子数を求め、この合計原子数と同数のＮが析出物中にあるものと仮定し、結晶構造はＮａＣｌ型として、各析出物の体積を推定する。ＶＮ及びＣｒＮそれぞれの格子定数は０．４１３ｎｍ及び０．４１５ｎｍとの文献値を用い、Ｃｒを含有するＶ窒化物の格子定数を０．４１４ｎｍとすれば、１ｎｍ３中に入る原子数は約１１３個である。析出物に含まれる原子の個数と、をベースに、析出物の体積を見積もることができる。ここでは、Ｃｒを含有するＶ窒化物を球と仮定し、この球の直径を、Ｃｒを含有するＶ窒化物の粒径とした。即ち、Ｃｒを含有するＶ窒化物の球相当径を求めた。
【００５５】
圧延および熱処理を行ったレールの頭部内部に生成しているＣｒを含有するＶ窒化物を詳細に調査した結果、ＶとＣｒ及びＮをレールの化学成分に含有させること、さらには圧延後の熱処理条件の制御により、パーライト組織のフェライト相中に、ある一定量の、Ｃｒを含有するＶ窒化物を生成させることが可能となることが分かった。
【００５６】
また、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物をパーライト組織のフェライト相中に生成させることにより、レール頭部内部のパーライト組織において、パーライト組織のフェライト相の微視的な軟化部が減少し、パーライト組織のフェライト相の硬さが安定していることを確認した。
【００５７】
さらに、頭部内部（頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置）において、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲に制御することにより、微視的な軟化部が減少し、安定的に硬さが均一化されていることを確認した。
【００５８】
なお、個数密度を制御するＣｒを含有するＶ窒化物の粒径を０．５〜４．０ｎｍの範囲に限定した理由は、Ｃｒを含有するＶ窒化物がパーライト組織中のフェライト相中に析出した場合、パーライト組織の生じる微視的な軟化部を減少させ、硬さの均一化を図る上で最も効果的なサイズであるからである。粒径が０．５ｎｍ未満、又は４．０ｎｍ超のＣｒを含有するＶ窒化物は、レールの特性の向上に寄与しないので、その含有量は少ない方がよいと考えられる。しかし、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度が規定範囲内に保たれる限り、これらの個数密度の大小はレールの特性に影響しないと考えられる。Ｃｒを含有するＶ窒化物の評価にあたっては、粒径が０．５ｎｍ未満、又は４．０ｎｍ超のものは無視される。
【００５９】
本発明者らは、図２に示す転動疲労試験機を用い、頭部外郭表面を起点としてから深さ２５ｍｍの位置において、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度が、１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲であるレールの、耐内部疲労損傷性を評価した。試験に使用したレールの成分、金属組織、硬さ、転動疲労試験条件は下記に示すとおりである。
［レール］
●鋼成分
０．９０％Ｃ−０．５０％Ｓｉ−０．７０％Ｍｎ−０．５０％Ｃｒ−０．０１５０％Ｐ−０．０１２０％Ｓ−０．０１０〜０．２００％Ｖ−０．００３０〜０．０２００％Ｎ（残部Ｆｅ及び不純物）
●レール形状
１４１ポンド（重さ：７０ｋｇ／ｍ）。
●金属組織
パーライト
●硬さ
Ｈｖ３６０〜５００（頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲）
［転動疲労試験条件］
●試験条件
試験機：転動疲労試験機（図２参照）
試験片形状  レール：１４１ポンドレール×２ｍ
車輪：ＡＡＲタイプ（直径９２０ｍｍ）
荷重  ラジアル：２７５〜３２５ＫＮ  スラスト：５０〜８０ＫＮ
潤滑：油潤滑
累積通過トン数：き裂発生まで（最大２００ＭＧＴ）
（Ｍｉｌｌｉｏｎ  Ｇｌｏｓｓ  Ｔｏｎｎａｇｅ）
※レールの上を走行した貨車の総重量、本試験の場合は車輪から作用した通貨重量の２倍で評価。
●評価
超音波探傷装置を用いて、レール全長での頭部内部のき裂の有無を調査し、き裂長さ０．５ｍｍ以上のき裂を損傷と判断し、き裂発生までの累積通過トン数を耐内部疲労損傷性の評価指標とした。なお、試験は評価数３とし、き裂発生までの累積通過トン数はその最小値を代表値とした。
【００６０】
その結果、Ｃｒを含有するＶ窒化物の生成により、レールの頭部内部には上述したき裂の残存がなく、レールの耐内部疲労損傷性が大きく向上することを確認した。
【００６１】
上述の通り、頭部内部（頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置）において、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲に制御することにより、レール頭部内部のパーライト組織のフェライト相において、微視的な軟化部が抑制され、レールの頭部内部には上述したき裂の残存がなく、レールの耐内部疲労損傷性が大きく向上する。
【００６２】
したがって、頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの位置の、パーライト組織中のフェライト相において、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲とする。
【００６３】
粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の生成量が１．０×１０１７ｃｍ−３未満になると、頭部内部（頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置）のパーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化部の改善には十分でなく、耐内部疲労損傷性の向上が認められない。一方、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の生成量が５．０×１０１７ｃｍ−３を超えると、析出物の個数密度が過剰となり、頭部内部（頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置）のパーライト組織が脆化し、き裂発生の促進により耐内部疲労損傷性が低下する。このため、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置に存在する、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を１．０〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲に限定した。なお、パーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化部を改善し、耐内部疲労損傷性を安定的に向上させるには、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を１．５×１０１７ｃｍ−３以上、１．８×１０１７ｃｍ−３以上、又は２．０×１０１７ｃｍ−３以上に制御することが望ましい。同じ理由で、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を４．０×１０１７ｃｍ−３以下、３．５×１０１７ｃｍ−３以下、又は３．０×１０１７ｃｍ−３以下に制御してもよい。
【００６４】
頭部表面として頭部外郭表面を起点として深さ２ｍｍの位置、頭部内部として頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置を選択した理由は、製品レールとして耐摩耗性と耐内部疲労損傷性とを最も顕著に示す位置であるからである。上記の位置の硬さを制御することにより、本実施形態のレールの耐摩耗性と耐内部疲労損傷性とを向上させることが可能となる。硬さの測定方法は上記に示すとおりである。硬さの測定位置は、条件を満たす限りにおいて、レールの頭頂部から頭部コーナー部に渡る範囲全体を代表する数値が得られるように任意に選択すればよい。
【００６５】
なお、Ｃｒを含有するＶ窒化物の粒径、及び個数密度の制御は、主に加速冷却時の冷却速度、加速冷却停止後の制御冷却時の温度保持条件で制御可能である。
【００６６】
Ｃｒを含有するＶ窒化物の粒径は主に制御冷却時の温度および保持時間によって制御する。温度を高く、保持時間を長くすると、Ｃｒを含有するＶ窒化物が成長し、Ｃｒを含有するＶ窒化物の粒径は増加する。一方、温度を低く、保持時間を短くするとＣｒを含有するＶ窒化物の成長が抑制され、これの粒径は減少する。
【００６７】
また、個数密度は主に制御冷却時の温度によって制御する。制御冷却時の温度が高いとＣｒを含有するＶ窒化物の生成が促進され、これの個数密度は増加する。一方、制御冷却時の温度が低いと、Ｃｒを含有するＶ窒化物の生成が抑制され、これの個数密度は減少する。
【００６８】
上記のように、Ｃｒを含有するＶ窒化物の粒径、及び個数密度の制御は、主に加速冷却停止後の制御冷却時の温度保持条件によって制御可能であり、制御冷却時の温度および保持時間の相互の制御により、Ｃｒを含有するＶ窒化物の粒径及び個数密度の両方を所定の範囲に収めることが可能となる。
【００６９】
＜Ｖの原子数（ＶＡ）、Ｃｒの原子数（ＣＡ）を、下記式１を満足するように制御する理由＞
次に、本発明者らは、レールの耐内部疲労損傷性をより一層向上させるため、Ｃｒを含有するＶ窒化物のＶとＣｒの原子数の比を限定した理由を説明する。
【００７０】
所定の粒径を有するＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を所定の箇所で所定範囲内とすることにより、パーライト組織量及び硬さの制御だけでは十分に抑制できない、長さ２ｍｍ未満のき裂の生成を抑制可能であることは上述した。これにより、本実施形態に係るレールの耐摩耗性及び耐内部疲労損傷性を十分高めることが出来る。しかし本発明者らはさらに安全性を高める観点から、長期の使用に際しての特性の向上策を検討した。上記の疲労試験を行ったレールについて詳細な観察を行った結果、Ｃｒを含有するＶ窒化物の周囲には微小なき裂（長さ０．５ｍｍ未満）が生成している場合があることを確認した。本発明者らは、この微小なき裂を無くす方法を検討した。
【００７１】
そこで、本発明者らは、Ｃｒを含有するＶ窒化物の組成とその周囲に生成した微小なき裂との関係を詳細に調査した。調査方法は下記に示すとおりである。
【００７２】
［微小き裂の調査方法］
●サンプル作製
レールを切断し、頭部内部の頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置からサンプル作製。
●事前処理：断面をダイヤモンド研磨。
●観察方法
装置：走査型電子顕微鏡
倍率：１万〜１０万
観察位置：観察面において粒径が１〜３ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の周囲を詳細観察、粒径は走査型電子顕微鏡で観察される窒化物を円と仮定し、その直径を粒径とした。
【００７３】
［Ｃｒを含有するＶ窒化物の組成の調査方法］
試料採取位置、事前処理、測定機、測定方法、Ｃｒを含有するＶ窒化物の判定方法については、前述の「Ｃｒを含有するＶ窒化物の調査方法」同様。
●ＶとＣｒの原子数と組成の比率の算定
上記の方法でＣｒを含有するＶ窒化物と判定されたものについて詳細な分析を行う。個々の窒化物について、ＶとＣｒとの原子数をカウントし、Ｖの原子数（ＶＡ）に対するＣｒの原子数（ＣＡ）の比を算定する。測定析出物は粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の中からランダムに選んだ５個以上とし、それらの平均値を代表値とする。以下、頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの位置の、パーライト組織中のフェライト相における、粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の、Ｖの原子数（ＶＡ）に対するＣｒの原子数（ＣＡ）の比の平均値を「ＣＡ／ＶＡ」と記載する。なお、３つの針試料におけるＣＡ／ＶＡの平均値を、レールのＣＡ／ＶＡとした。
【００７４】
詳細な調査の結果、長さ０．５ｍｍ未満の微小なき裂の生成と、ＣＡ／ＶＡとの間には相関があり、Ｃｒの原子数（ＣＡ）の増加に伴い、Ｃｒを含有するＶ窒化物の硬さが著しく増加し、周囲の母相の微小き裂（０．５ｍｍ未満）の生成量が多くなる傾向を見出した。更に詳細に調査を行った結果、図３に示したように、ＣＡ／ＶＡを０．７０以下に制御することにより微小き裂の生成が無くなることを確認した。ＣＡ／ＶＡを、０．６５以下、０．６０以下、又は０．５５以下としてもよい。
なお、微小き裂防止の観点からは、ＣＡ／ＶＡの下限値を定める必要はないが、Ｃｒを含有するＶ窒化物が必ずＣｒを含有するので、ＣＡ／ＶＡを０にすることはできない。本発明者らの実験によれば、ＣＡ／ＶＡが０．０１未満になるレールは確認されなかったので、ＣＡ／ＶＡの下限値を０．０１、０．０２、又は０．０５としてもよい。また、粒径が０．５ｎｍ未満又は４．０ｎｍ超のＣｒを含有するＶ窒化物は、レールの特性に実質的影響を及ぼさないと考えられるので、ＣＡ／ＶＡの測定にあたっては除外される。
０．０１≦ＣＡ／ＶＡ≦０．７０…  式１
【００７５】
これらの結果から、頭部内部のき裂および微小なき裂の生成を抑制・防止して、レールの安全性をさらに高めるには、Ｃｒを含有するＶ窒化物の粒径、個数密度を制御することに加え、き裂の起点部となるＣｒを含有するＶ窒化物の組成を制御することが好ましいことを見出した。
【００７６】
なお、ＣＡ／ＶＡの制御は、主に加速冷却停止後の制御冷却時の温度保持条件で制御可能である。
【００７７】
ＣＡ／ＶＡの制御は、主に制御冷却時の温度で制御する。制御冷却時の温度が高いと、Ｃｒを含有するＶ窒化物のＶの原子数が増加し、ＣＡ／ＶＡが低下する。一方、制御冷却時の温度が低いと、Ｃｒを含有するＶ窒化物のＣｒの原子数が増加し、ＣＡ／ＶＡが増加する。
【００７８】
上記のように、ＣＡ／ＶＡの制御は、主に加速冷却停止後の制御冷却時の温度保持条件で制御可能であり、温度保持時の温度の制御により、ＣＡ／ＶＡを所定の範囲に収めることが可能となる。
【００７９】
＜レールの化学成分の限定理由＞
本実施形態に係るレールにおいて、レール鋼（レールの素材となる鋼材）の化学成分の限定理由について詳細に説明する。以下、各元素の含有量を示す単位「％」は、「質量％」を意味する。
【００８０】
Ｃ：０．７５〜１．２０％
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ために有効な元素である。Ｃ含有量が０．７５％未満になると、本成分系では、レールに要求される最低限の強度や耐摩耗性が維持できない。また、Ｃ含有量が０．７５％未満になると、初析フェライト組織が生成して、レールの耐摩耗性が大幅に低下する。さらに、Ｃ含有量が０．７５％未満になると、頭部内部に疲労き裂を生成し易い軟質な初析フェライト組織が生成し、内部疲労損傷を発生し易くする。一方、Ｃ含有量が１．２０％を超えると、頭部内部に初析セメンタイト組織が生成し易くなり、パーライト組織と初析セメンタイト組織との界面から疲労き裂が発生し、内部疲労損傷が発生し易くなる。このため、Ｃ含有量を０．７５〜１．２０％とする。パーライト組織の生成を安定化し、耐内部疲労損傷性を向上させるには、Ｃ含有量を０．８０％以上、０．８３％以上、又は０．８５％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｃ含有量を１．１０％以下、１．０５％以下、又は１．００％以下とすることが好ましい。
【００８１】
Ｓｉ：０．１０〜２．００％
Ｓｉは、パーライト組織中のフェライト相に固溶し、レール頭部の硬度（強度）を上昇させ、耐摩耗性を向上させる元素である。しかしながら、Ｓｉ含有量が０．１０％未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が２．００％を超えると、レールの熱間圧延時に表面疵が多く生成する。さらに、Ｓｉ含有量が２．００％を超えると、焼入れ性が著しく増加し、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、耐摩耗性が低下する。このため、Ｓｉ含有量を０．１０〜２．００％とする。パーライト組織の生成を安定化し、耐摩耗性と耐内部疲労損傷性とを向上させるには、Ｓｉ含有量を０．２０％以上、０．４％以上、又は０．５０％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｓｉ含有量を１．８０％以下、１．５０％以下、又は１．３０％以下とすることが好ましい。
【００８２】
Ｍｎ：０．１０〜２．００％
Ｍｎは、焼入れ性を高め、パーライト変態を安定化すると同時に、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬度を確保し、耐摩耗性や耐内部疲労損傷性をより一層向上させる元素である。しかしながら、Ｍｎ含有量が０．１０％未満では、耐摩耗性の改善が認めらない。また、Ｍｎ含有量が０．１０％未満では、頭部内部に疲労き裂を生成し易い軟質な初析フェライト組織が生成し、耐内部疲労損傷性の確保が困難となる。一方、Ｍｎ含有量が２．００％を超えると、焼入れ性が著しく増加し、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性や耐表面損傷性が低下する。このため、Ｍｎ含有量を０．１０〜２．００％とする。パーライト組織の生成を安定化し、レールの耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を向上させるには、Ｍｎ含有量を０．４０％以上、０．５０％以上、又は０．６０％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｍｎ含有量を１．８０％以下、１．５０％以下、又は１．３０％以下とすることが好ましい。
【００８３】
Ｃｒ：０．１０〜１．２０％
Ｃｒは、鋼の平衡変態温度を上昇させ、過冷度の増加により、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬さを上昇させ、レールの耐摩耗性を改善する元素である。さらにＣｒは、パーライト組織のフェライト相中の微細なＣｒを含有するＶ窒化物の生成による析出強化によって、レール頭部内部のパーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化を抑制し、頭部内部の耐内部疲労損傷性を向上させる元素である。しかしながら、Ｃｒ含有量が０．１０％未満ではその効果は小さく、パーライト組織のフェライト相中に析出する微細なＣｒを含有するＶ窒化物の個数が少なくなり、パーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化部の改善が不十分となり、耐内部疲労損傷性の向上が認められない。一方、Ｃｒ含有量が１．２０％を超えると、焼入れ性が著しく増加し、レール頭部にベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性や耐表面損傷性が低下する。さらに、Ｃｒ含有量が１．２０％を超えると、微細なＣｒを含有するＶ窒化物の数が過剰となり、レール頭部内部（頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置）のパーライト組織が脆化し、き裂発生の促進によりレールの耐内部疲労損傷性が低下する。このため、Ｃｒ含有量を０．１０〜１．２０％とする。パーライト組織の生成を安定化し、Ｃｒを含有するＶ窒化物を安定的に生成させ、レールの耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を向上させるには、Ｃｒ含有量を０．３０％以上、０．３５％以上、又は０．４０％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｃｒ含有量を１．１０％以下、１．００％以下、又は０．９０％以下とすることが好ましい。
【００８４】
Ｖ：０．０１０〜０．２００％
Ｖは、レールの熱間圧延後の冷却過程において、パーライト組織のフェライト相中に微細なＣｒを含有するＶ窒化物を生成させ、析出強化によってレール頭部内部のパーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化を抑制し、レールの耐内部疲労損傷性を向上させる元素である。しかしながら、Ｖ含有量が０．０１０％未満では、パーライト組織のフェライト相中に析出する微細なＣｒを含有するＶ窒化物の個数が少なく、レール頭部内部のパーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化部の改善が不十分で、レールの耐内部疲労損傷性の向上が認められない。一方、Ｖ含有量が０．２００％を超えると、微細なＣｒを含有するＶ窒化物の数が過剰となり、レール頭部内部（頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置）のパーライト組織が脆化し、き裂発生の促進によりレールの耐内部疲労損傷性が低下する。このため、Ｖ含有量を０．０１０〜０．２００％とする。Ｃｒを含有するＶ窒化物を安定的に生成させ、レールの耐内部疲労損傷性を向上させるには、Ｖ含有量を０．０３０％以上、０．０３５％以上、又は０．０４０％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｖ含有量を０．１８０％以下、０．１５０％以下、又は０．１００％以下とすることが好ましい。
【００８５】
Ｎ：０．００３０〜０．０２００％
Ｎは、Ｃｒ、Ｖと同時に含有させることで、レールの熱間圧延後の冷却過程において、パーライト組織中のフェライト相中にＣｒを含有するＶ窒化物の生成を促進させる元素である。微細なＣｒを含有するＶ窒化物が生成すると、レール頭部内部のパーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化が抑制され、レールの耐内部疲労損傷性が向上する。しかしながら、Ｎ含有量が０．００３０％未満では、パーライト組織のフェライト相中に生成する微細なＣｒを含有するＶ窒化物の個数が少なく、レール頭部内部のパーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化部の改善が不十分となり、レールの耐内部疲労損傷性の向上が認められない。一方、Ｎ含有量が０．０２００％を超えると、微細なＣｒを含有するＶ窒化物の数が過剰となり、レール頭部内部（頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置）のパーライト組織が脆化し、き裂発生の促進によりレールの耐内部疲労損傷性が低下する。さらに、Ｎ含有量が０．０２００％を超えると、Ｎを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気泡が生成し、内部疲労損傷が発生し易くなる。このため、Ｎ含有量を０．００３０〜０．０２００％とする。Ｃｒを含有するＶ窒化物を安定的に生成させ、耐内部疲労損傷性を向上させるには、Ｎ含有量を０．００８０％以上、０．００９０％以上、又は０．０１００％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｎ含有量を０．０１８０％以下、０．０１５０％以下、又は０．０１２０％以下とすることが好ましい。
【００８６】
Ｐ：０．０２５０％以下
Ｐは、鋼中に含有される不純物元素であり、転炉での精錬を行うことによりその含有量を制御することが可能である。Ｐ含有量は低いほど好ましいが、Ｐ含有量が０．０２５０％を超えると、パーライト組織が脆化し、頭部内部において、脆性的なき裂が発生し、レールの耐内部疲労損傷性が低下する。このため、Ｐ含有量を０．０２５０％以下に制限する。Ｐ含有量を０．２２０％以下、０．２００％以下、又は０．１８０％以下としてもよい。Ｐ含有量の下限は限定されておらず、０％としてもよい。しかし、精錬工程での脱燐能力、及び経済性を考慮すると、Ｐ含有量の下限値を０．００２０％、０．００３０％、又は０．００５０％としてもよい。
【００８７】
Ｓ：０．０２５０％以下
Ｓは、鋼中に含有される不純物元素であり、溶銑鍋での脱硫を行うことによりその含有量を制御することが可能である。Ｓ含有量は少ないほど好ましいが、Ｓ含有量が０．０２５０％を超えると、粗大なＭｎＳ系硫化物の介在物が生成し易くなり、頭部内部において、介在物の周囲の応力集中により、疲労き裂が生成し、レールの耐内部疲労損傷性が低下する。このため、Ｓ含有量を０．０２５０％以下に制限する。Ｓ含有量を０．２２０％以下、０．２００％以下、又は０．１８０％以下としてもよい。Ｓ含有量の下限は限定されておらず、０％としてもよい。しかし、精錬工程での脱硫能力、及び経済性を考慮すると、Ｓ含有量の下限値を０．００２０％、０．００３０％、又は０．００５０％としてもよい。
【００８８】
本実施形態に係るレールは、上記の化学成分を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなることを基本とする。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石若しくはスクラップ等のような原料、又は製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本実施形態に係るレールに悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。しかしながら、残部のＦｅの一部に代えて、必要に応じてさらに、パーライト組織の硬さ（強度）の増加による耐摩耗性および耐内部疲労損傷性の向上、靭性の向上、溶接熱影響部の軟化の防止、頭部内部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｂ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｚｒ、Ａｌの元素からなる群から選択される１種または２種以上を後述する範囲で含有させてもよい。具体的には、各任意元素の働きは以下の通りである。
（ａ群）Ｍｏは、平衡変態点を上昇させ、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、レールの硬度を向上させる。
（ｂ群）Ｃｏは、摩耗面のラメラ組織を微細化し、摩耗面の硬度を高める。
（ｃ群）Ｂは、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レール頭部の硬度分布を均一にする。
（ｄ群）Ｃｕは、パーライト組織中のフェライト相に固溶し、レールの硬度を高める。Ｎｉは、パーライト組織の靭性と硬度を向上させ、同時に、溶接継手熱影響部の軟化を防止する。
（ｅ群）Ｎｂ、Ｔｉは、熱間圧延やその後の冷却過程で生成した炭化物や窒化物の析出硬化により、パーライト組織の疲労強度を向上させる。また、Ｎｂ、Ｔｉは、再加熱時に炭化物や窒化物を安定的に生成させ、溶接継手熱影響部の軟化を防止する。
（ｆ群）Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭは、ＭｎＳ系硫化物を微細分散し、介在物から生成する内部疲労損傷を低減する。
（ｇ群）Ｚｒは、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やマルテンサイト組織の生成を抑制する。
（ｈ群）Ａｌは、脱酸材として作用する。また、Ａｌは、共析変態温度を高温側へ移動させ、パーライト組織の高硬度（強度）化に寄与する。
そのため、上記の効果を得るため、これらの元素を含有させてもよい。これらの元素は後述する範囲以下で含有されていても、本実施形態に係るレールの特性を損なうものではない。これらの元素は必ずしも含有させる必要がないので、その下限は０％である。
【００８９】
Ｍｏ：好ましくは０．０１〜０．５０％
Ｍｏは、平衡変態温度を上昇させ、過冷度の増加により、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬さ（強度）を向上させ、その結果として、レールの耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を向上させる元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が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得られない。一方、Ｍｏ含有量が０．５０％を超えると、変態速度が著しく低下し、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、耐摩耗性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｍｏ含有量を０．０１〜０．５０％とすることが好ましい。
【００９０】
Ｃｏ：好ましくは０．０１〜１．００％
Ｃｏは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、パーライト組織のラメラ組織を微細化し、パーライト組織の硬さ（強度）を向上させ、その結果として、レールの耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を向上させる元素である。しかしながら、Ｃｏ含有量が０．０１％未満では、ラメラ組織の微細化が促進せず、耐摩耗性や耐内部疲労損傷性の向上効果が得られない。一方、Ｃｏ含有量が１．００％を超えると、上記の効果が飽和し、含有量に応じたラメラ組織の微細化が図れない場合がある。また、Ｃｏ含有量が１．００％を超えると、合金添加コストの増大により経済性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｃｏ含有量を０．０１〜１．００％とすることが好ましい。
【００９１】
Ｂ：好ましくは０．０００１〜０．００５０％
Ｂは、オーステナイト粒界に鉄炭ほう化物（Ｆｅ２３（ＣＢ）６）を形成し、パーライト変態の促進効果により、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させる元素である。またＢは、上記の効果により、頭部外郭表面から内部までより均一な硬度分布をレールに付与し、レールを高寿命化する元素である。しかしながら、Ｂ含有量が０．０００１％未満では、その効果が十分でなく、レール頭部の硬度分布には改善が認められない。一方、Ｂ含有量が０．００５０％を超えると、粗大な鉄炭ほう化物が生成し、脆性破壊を助長し、レールの靭性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｂ含有量を０．０００１〜０．００５０％とすることが好ましい。
【００９２】
Ｃｕ：好ましくは０．０１〜１．００％
Ｃｕは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、固溶強化により硬さ（強度）を向上させ、レールの耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を向上させる元素である。しかし、Ｃｕ含有量が０．０１％未満ではその効果が得られない。一方、Ｃｕ含有量が１．００％を超えると、著しい焼入れ性向上により、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、耐摩耗性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｃｕ含有量を０．０１〜１．００％とすることが好ましい。
【００９３】
Ｎｉ：好ましくは０．０１〜１．００％
Ｎｉは、パーライト組織の靭性を向上させ、同時に、固溶強化により硬さ（強度）を向上させ、レールの耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を向上させる元素である。さらにＮｉは、溶接熱影響部においては、Ｔｉと複合でＮｉ３Ｔｉの金属間化合物を微細に析出し、析出強化により軟化を抑制する元素である。また、Ｎｉは、Ｃｕ含有鋼において粒界の脆化を抑制する元素である。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．０１％未満では、これらの効果が著しく小さい。一方、Ｎｉ含有量が１．００％を超えると、著しい焼入れ性向上により、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｎｉ含有量を０．０１〜１．００％とすることが好ましい。
【００９４】
Ｎｂ：好ましくは０．００１０〜０．０５００％
Ｎｂは、熱間圧延後の冷却過程でＮｂ炭化物および／またはＮｂ窒化物として析出し、析出硬化により、パーライト組織の硬さ（強度）を高め、レールの耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を向上させる元素である。またＮｂは、Ａｃ１点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、低温度域から高温度域までＮｂの炭化物やＮｂ窒化物を安定的に生成させ、溶接継手の熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．００１０％未満では、これらの効果が得られず、パーライト組織の硬度（強度）の向上は認められない。一方、Ｎｂ含有量が０．０５００％を超えると、Ｎｂの炭化物や窒化物の析出硬化が過剰となり、パーライト組織自体が脆化し、レールの耐内部疲労損傷性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｎｂ含有量を０．００１０〜０．０５００％とすることが好ましい。
【００９５】
Ｔｉ：好ましくは０．００３０〜０．０５００％
Ｔｉは、熱間圧延後の冷却過程でＴｉ炭化物および／またはＴｉ窒化物として析出し、析出硬化により、パーライト組織の硬さ（強度）を高め、レールの耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を向上させる元素である。またＴｉは、溶接時の再加熱において、析出したＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が溶解しないことを利用して、オーステナイト域温度まで加熱される熱影響部の組織を微細化し、溶接継手部の脆化を防止するのに有効な成分である。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．００３０％未満ではこれらの効果が少ない。一方、Ｔｉ含有量が０．０５００％を超えると、粗大なＴｉ炭化物やＴｉ窒化物が生成し、応力集中により、疲労き裂が生成し、耐内部疲労損傷性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｔｉ含有量を０．００３０〜０．０５００％とすることが好ましい。
【００９６】
Ｍｇ：好ましくは０．０００５〜０．０２００％
Ｍｇは、Ｓと結合して微細な硫化物を形成する元素である。このＭｇ硫化物は、ＭｎＳを微細に分散させ、応力集中を緩和し、レールの耐内部疲労損傷性を向上させる。しかし、Ｍｇ含有量が０．０００５％未満ではその効果は弱い。一方、Ｍｇ含有量が０．０２００％を超えると、Ｍｇの粗大酸化物が生成し、応力集中により、疲労き裂が生成し、レールの耐内部疲労損傷性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｍｇ量を０．０００５〜０．０２００％とすることが好ましい。
【００９７】
Ｃａ：好ましくは０．０００５〜０．０２００％
Ｃａは、Ｓとの結合力が強く、ＣａＳ（硫化物）を形成する元素である。このＣａＳはＭｎＳを微細に分散させ、応力集中を緩和し、レールの耐内部疲労損傷性を向上させる。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０００５％未満ではその効果は弱い。一方、Ｃａ含有量が０．０２００％を超えると、Ｃａの粗大酸化物が生成し、応力集中により、疲労き裂が生成し、耐内部疲労損傷性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｃａ含有量を０．０００５〜０．０２００％とすることが好ましい。
【００９８】
ＲＥＭ：好ましくは０．０００５〜０．０５００％
ＲＥＭは、脱酸・脱硫元素であり、含有されるとＭｎ硫化物系介在物の生成核となるＲＥＭのオキシサルファイド（ＲＥＭ２Ｏ２Ｓ）を生成する。このオキシサルファイド（ＲＥＭ２Ｏ２Ｓ）は融点が高いため、圧延後のＭｎ硫化物系介在物の延伸を抑制する。この結果、ＲＥＭの含有により、ＭｎＳが微細に分散し、応力集中が緩和され、レールの耐内部疲労損傷性が向上する。しかしながら、ＲＥＭ含有量が０．０００５％未満では、ＭｎＳ系硫化物の生成核としては不十分であり、その効果は小さい。一方、ＲＥＭ含有量が０．０５００％を超えると、硬質なＲＥＭのオキシサルファイド（ＲＥＭ２Ｏ２Ｓ）が過剰に生成し、応力集中により、疲労き裂が生成し、耐内部疲労損傷性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、ＲＥＭ含有量を０．０００５〜０．０５００％とすることが好ましい。
【００９９】
なお、ＲＥＭとはＣｅ、Ｌａ、ＰｒまたはＮｄ等の希土類金属である。ＲＥＭの含有量とは、これらの全ＲＥＭの含有量の合計である。全含有量の総和が上記範囲内であれば、単独、複合（２種類以上）のいずれの形態であっても同様な効果が得られる。
【０１００】
Ｚｒ：好ましくは０．０００１〜０．０２００％
Ｚｒは、Ｏと結合してＺｒＯ２介在物を形成する。このＺｒＯ２介在物とγ−Ｆｅとは格子整合性が良いので、ＺｒＯ２介在物が、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する。またＺｒは、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制することにより、レール偏析部に生成するマルテンサイト組織の生成を抑制する元素である。しかしながら、Ｚｒ含有量が０．０００１％未満では、生成する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。一方、Ｚｒ含有量が０．０２００％を超えると、粗大なＺｒ系介在物が多量に生成し、応力集中により、疲労き裂が生成し、レールの耐内部疲労損傷性が低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ｚｒ含有量を０．０００１〜０．０２００％とすることが好ましい。
【０１０１】
Ａｌ：好ましくは０．０１００〜１．００％
Ａｌは、脱酸材として作用する元素である。また、Ａｌは、共析変態温度を高温側へ移動させる元素であり、パーライト組織の高硬度（強度）化に寄与し、その結果として、パーライト組織の耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を向上させる元素である。しかしながら、Ａｌ含有量が０．０１００％未満では、その効果が弱い。一方、Ａｌ含有量が１．００％を超えると、Ａｌを鋼中に固溶させることが困難となり、粗大なアルミナ系介在物が生成する。この粗大なＡｌ系介在物は疲労き裂の起点となるので、レールの耐内部疲労損傷性が低下する場合がある。さらに、Ａｌ含有量が１．００％を超えると、溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下する場合がある。このため、含有させる場合には、Ａｌ含有量を０．０１００〜１．００％とすることが好ましい。
【０１０２】
本実施形態に係るレールは、レール鋼の合金成分、組織、頭部表面や頭部内部の硬さ、微細なＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度を制御し、さらに、Ｃｒを含有するＶ窒化物の組成を制御することにより、貨物鉄道で使用される場合のレールの耐摩耗性と耐内部疲労損傷性とを向上させ、使用寿命を大きく向上させることが可能となる。
【０１０３】
次に、本実施形態に係るレールの好ましい製造方法について説明する。
本実施形態に係るレールは、上記の成分、組織等を備えることで、製造方法に関わらず、その効果を得ることができる。しかしながら、以下に示す工程を含む製造方法によれば、本実施形態に係るレールを安定的に得られるので好ましい。
【０１０４】
本実施形態に係るレールの製造方法は、本実施形態に係るレールの化学成分を有する鋼片を加熱し、加熱された鋼片を熱間圧延してレールを形成し、このレールを加速冷却及び制御冷却することにより得られる。好ましい製造条件は下表の通りであるが、その具体的な理由を以下に説明する。なお、最終圧下量はレール頭部断面の断面減少率である。また、熱処理条件として示される温度（鋼片温度除く）は、レールの頭部外郭表面の温度を意味する。本実施形態に係るレールにおいては、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲の組織、硬さ、及び頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置のＣｒを含有するＶ窒化物が制御される必要があるが、その他の箇所の構成は特に限定されないので、熱処理条件も頭部外郭表面に関して定める。
【０１０５】
【表１】
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【０１０６】
本実施形態のレールは、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行って成分調整した溶鋼を、造塊・分塊法あるいは連続鋳造法等によって鋳造して鋼片（ブルーム又はスラブ）とし、鋼片を再加熱、熱間圧延してレール形状に成形し、熱間圧延後に熱処理することによって製造する。鋼片の化学成分は、上述された本実施形態に係るレールの化学成分と同じ範囲内とすればよい。
【０１０７】
これら一連の工程において、Ｃｒを含有するＶ窒化物の個数密度、及び粒径を制御するには、圧延前の鋼片加熱における加熱条件の制御、及び圧延後の熱処理条件の制御が必要である。また、レール頭部の硬さや組織を制御するには、レールの圧延条件、及び圧延後の熱処理条件の制御が必要である。
【０１０８】
まず、圧延前の鋼片加熱における加熱条件の制御について説明する。鋼片の加熱は、レール熱処理でＣｒを含有する微細なＶ窒化物を安定的に生成させる上で最も大切な工程である。鋼片製造の際には制御冷却を行わないため、Ｃｒを含有するＶ窒化物は鋼片の段階では粗大化する。従って、レール熱処理後にＣｒを含有する微細なＶ窒化物を安定的に生成させるには、鋼片において粗大化したＣｒを含有するＶ窒化物を、圧延前に再溶解させる必要がある。このため、Ｃｒを含有するＶ窒化物が再溶解する温度域（１０００〜１２００℃）では、鋼片の加熱条件を制御する必要がある。
【０１０９】
鋼片加熱条件は下記が望ましい。
加熱速度：１〜８℃／ｍｉｎ
速度制御温度範囲：１０００〜１２００℃
なお、上記温度は鋼片の温度条件であり、加熱炉の温度制御は上記の加熱条件に合うように制御することが望ましい。また、熱間圧延前の鋼片の加熱速度は、平均加熱速度ではないことに留意する必要がある。即ち、この加熱速度は加熱中の逐次の加熱速度を示すものである。本実施形態に係るレールの製造方法では、鋼片の温度を１０００℃から１２００℃まで上昇させる間、昇温速度を常に１〜８℃／ｍｉｎとする必要がある。換言すると、鋼片の温度Ｔ〔℃〕と時間ｔ〔ｍｉｎ〕との関係をＴ（ｔ）と定義した場合、本実施形態に係るレールの製造方法では、鋼片の温度を１０００℃から１２００℃まで上昇させる間は常にｄＴ（ｔ）／ｄｔ〔℃／ｍｉｎ〕が１以上８以下とされる必要がある。
【０１１０】
まず、鋼片の加熱速度を１〜８℃／ｍｉｎの範囲とすることが好ましい理由を説明する。
加熱速度が１℃／ｍｉｎ未満では、鋳造中に粗大化したＣｒを含有するＶ窒化物が再溶解するが、加熱中に再度析出し、Ｃｒを含有するＶ窒化物が粗大化し、溶解させることが困難となり、レール熱処理においてＣｒを含有する微細なＶ窒化物を安定的に生成させることが困難となる場合がある。さらに、加熱速度が１℃／ｍｉｎ未満では、鋼片の加熱が過剰となり、鋼片表面の脱炭が進むと同時に、鋼片の割れ等が発生し、熱間圧延、熱処理後のレール製品としての品質が確保できない場合がある。また、加熱速度が１℃／ｍｉｎ未満では、加熱燃料を多量に使用するため、経済性が低下する場合がある。
【０１１１】
一方、加熱速度が８℃／ｍｉｎを超えると、鋳造中に粗大化したＣｒを含有するＶ窒化物を再溶解させることが困難となり、粗大化したＣｒを含有するＶ窒化物が残存し、さらに、レール熱処理においてＣｒを含有する微細なＶ窒化物を安定的に生成することが困難となる場合がある。このため、加熱速度を１〜８℃／ｍｉｎの範囲とすることが好ましい。加熱速度を２℃／ｍｉｎ以上、又は３℃／ｍｉｎ以上としてもよい。加熱速度を７℃／ｍｉｎ以下、６℃／ｍｉｎ以下、又は５℃／ｍｉｎ以下としてもよい。
【０１１２】
なお、上述のようにこの加熱速度は、鋼片加熱中の逐次の加熱速度を示すものである。鋼片の逐次の加熱速度を上記範囲に制御することにより、鋼片を熱間圧延して得られるレールの熱処理で、Ｃｒを含有する微細なＶ窒化物を安定的に生成することが可能となる。なお、鋼片温度が１２００℃を超えた後の加熱速度は特に限定されない。また、鋼片の加熱を停止する温度（加熱終了温度）は１２００℃以上の任意の値とすることができる。鋼片の加熱終了温度を１２２０℃以上、１２５０℃以上、又は１３００℃以上としてもよい。
【０１１３】
次に、レールの圧延条件、及び圧延後の熱処理条件の制御について説明する。レール頭部の硬さや組織を制御するには、圧延条件、及び圧延後の熱処理条件を制御する必要がある。また、Ｃｒを含有するＶ窒化物の個数密度、及び粒径を制御するには、圧延後の熱処理条件を制御する必要がある。圧延条件、及び圧延後の熱処理条件については、下記の条件範囲で行うことが望ましい。なお、加速冷却は水などの冷媒をレール表面に噴射することにより実施される冷却のことである。加速冷却の開始時点及び終了時点とは、冷媒の噴射の開始時点及び終了時点である。また、加速冷却の際の冷却速度は平均冷却速度を意味し、具体的には、加速冷却の開始時点と終了時点との間のレール表面温度の差を、加速冷却の開始時点と終了時点との間の経過時間で割って得られる値である。
【０１１４】
●熱間圧延条件
頭部外郭表面の最終圧延温度：８５０〜１０００℃
頭部断面の最終圧下量（レール頭部の断面減面率）：２〜２０％
●熱間圧延後の熱処理条件（頭部外郭表面）：圧延後、加速冷却及び制御冷却を行う
加速冷却（頭部外郭表面）
平均冷却速度：２〜３０℃／ｓｅｃ
加速冷却開始温度：７５０℃以上
加速冷却停止温度：５８０〜６６０℃
制御冷却（頭部外郭表面）
加速冷却停止後に頭部外郭表面の温度を５８０〜６６０℃の範囲に５〜１５０ｓｅｃ間保持し、その後放冷および加速冷却を実施
温度保持：加速冷却速度の制御、さらには、加速冷却の実行、停止を繰返し行い、レール内部からの復熱に応じて加速冷却を行うことによって温度を制御
【０１１５】
Ｃｒを含有するＶ窒化物のＶの原子数（ＶＡ）に対するＣｒの原子数（ＣＡ）の比を制御し、窒化物の周囲に生成する微小なき裂を防止する場合には、上記の加速冷却条件および制御冷却条件を、下記の条件に変更することが望ましい。
【０１１６】
加速冷却（頭部外郭表面）
平均冷却速度：２〜３０℃／ｓｅｃ
加速冷却開始温度：７５０℃以上
加速冷却停止温度：６００〜６５０℃
制御冷却（頭部外郭表面）
加速冷却停止後に頭部表面の温度を６００〜６５０℃の範囲に２０〜１５０ｓｅｃ秒間保持し、その後放冷および加速冷却する。
制御冷却時の温度保持：加速冷却速度の制御、レール内部からの復熱に応じて加速冷却の実行、停止を繰返し行い、所定の温度範囲となるように制御する。
【０１１７】
まず、熱間圧延の最終圧延温度（頭部外郭表面）を８５０〜１０００℃の範囲とすることが好ましい理由を説明する。
最終圧延温度（頭部外郭表面）が８５０℃未満では、圧延後のオーステナイト粒の微細化が顕著となる。この場合、焼入れ性が大幅に低下し、レール頭部の硬さの確保が困難になる場合がある。また、最終圧延温度（頭部外郭表面）が１０００℃を超えると、圧延後のオーステナイト粒が粗大化し、焼入れ性が過剰に増加し、レール頭部に耐摩耗性に有害なベイナイト組織が生成し易くなる。そのため、最終圧延温度（頭部外郭表面）を８５０〜１０００℃の範囲とすることが好ましい。最終圧延温度を８６０℃以上、８８０℃以上、又は９００℃以上としてもよい。最終圧延温度を９８０℃以下、９６０℃以下、又は９４０℃以下としてもよい。
【０１１８】
次に、熱間圧延の最終圧下量（減面率）を２〜２０％の範囲とすることが好ましい理由を説明する。
最終圧下量（レール頭部の断面減面率）が２％未満では、圧延後のオーステナイト粒が粗大化し、焼入れ性が過剰に増加し、レール頭部に耐摩耗性に有害なベイナイト組織が生成し易くなり、パーライト組織自体の粒径が粗大化し、レールとして必要な延性や靭性を確保できない場合がある。一方、最終圧下量（レール頭部の断面減面率）が２０％を超えると、圧延後のオーステナイト粒の微細化が顕著となり、焼入れ性が大幅に低下し、レール頭部の硬さの確保が困難になる。そのため、最終圧下量（レール頭部の断面減面率）を２〜２０％の範囲とすることが好ましい。最終圧下量（断面減面率）を４％以上、６％以上、又は８％以上としてもよい。最終圧下量（断面減面率）を１８％以下、１６％以下、又は１４％以下としてもよい。
【０１１９】
上記の条件が満たされる限り、レール頭部の他の圧延条件については特に限定しない。レール頭部の硬さを確保するためには、通常のレールの孔型圧延で最終圧延温度を制御することで十分である。圧延方法は例えば、特開２００２−２２６９１５号公報等に記載されている方法を参考にして、主としてパーライト組織が得られるようにすればよい。すなわち、鋼片を粗圧延した後、リバース圧延機による中間圧延を複数パスに渡って行い、続いて連続圧延機による仕上げ圧延を２パス以上行う。仕上げ圧延の最終圧延時に、上記の温度範囲に制御すればよい。
【０１２０】
次に、加速冷却（頭部外郭表面）の平均冷却速度を２〜３０℃／ｓｅｃとすることが好ましい理由を説明する。
平均冷却速度が２℃／ｓｅｃ未満になると、加速冷却の途中の高温度域でパーライト変態が開始する。その結果、本実施形態に係るレールの成分系では、レール頭部表面において、硬さがＨｖ３６０未満となる部位が発生し、レールとして必要な耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を確保することが困難となる場合がある。一方、平均冷却速度が３０℃／ｓｅｃを超えると、本実施形態に係るレールの成分系では、パーライト組織の硬さが大幅に増加する、さらに、レール頭部表面において、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が頭表部に生成し、レールの耐摩耗性や靭性が低下することが懸念される。このため、加速冷却における平均冷却速度を２〜３０℃／ｓｅｃとすることが好ましい。加速冷却における平均冷却速度を３℃／ｓｅｃ以上、４℃／ｓｅｃ以上、又は５℃／ｓｅｃ以上としてもよい。加速冷却における平均冷却速度を２５℃／ｓｅｃ以下、２０℃／ｓｅｃ以下、又は１５℃／ｓｅｃ以下としてもよい。
【０１２１】
次に、加速冷却の開始温度（即ち、冷媒の吹き付けを開始する際のレール温度）を７５０℃以上とし、停止温度（即ち、冷媒の吹き付けを終了する際のレール温度）を５８０〜６６０℃の範囲とすることが好ましい理由を説明する。
頭部外郭表面の加速冷却の開始温度が７５０℃未満になると、加速冷却前の高温度域でパーライト組織が生成する場合がある。この場合、所定の硬度が得られず、レールとして必要な耐摩耗性や耐表面損傷性を確保することが困難となる。また、上述の場合、炭素量が比較的多い鋼では、初析セメンタイト組織が生成し、パーライト組織が脆化し、レールの靭性が低下することが懸念される。このため、加速冷却を開始する際のレールの頭部外郭表面の温度を７５０℃以上とすることが好ましい。なお、上述の最終圧延温度を考慮すると、加速冷却の開始温度を７５０℃以上とするためには、熱間圧延完了後１８０秒以内に加速冷却を開始する必要があると考えられる。
【０１２２】
また、加速冷却の停止温度が６６０℃を超えると、冷却直後の高温度域でパーライト変態が開始し、硬さの低いパーライト組織が多く生成する。その結果、レール頭部表面において硬さが確保できず、レールとして必要な耐摩耗性や耐表面損傷性を確保することが困難となる場合がある。一方、加速冷却の停止温度を５８０℃未満とすると、冷却直後に、レール頭部表面において耐摩耗性に有害なベイナイト組織が多く生成し、レールとして必要な耐摩耗性を確保することが困難となる場合がある。このため、加速冷却の停止温度を５８０〜６６０℃の範囲とすることが好ましい。
【０１２３】
加速冷却時のレール頭部の熱処理冷媒については特に限定しない。レールに耐摩耗性および耐内部疲労損傷性を付与するために硬さを所定範囲内に制御するには、空気噴射冷却、ミスト冷却、水及び空気の混合噴射冷却、あるいはこれらの組み合わせにより、熱処理時のレール頭部の冷却速度を制御することが望ましい。
【０１２４】
次に、加速冷却後に実施される制御冷却の好ましい条件についてその限定理由を説明する。この工程は、Ｃｒを含有するＶ窒化物の個数密度、粒径に大きな影響を及ぼす。本実施形態に係るレールの製造方法において、制御冷却では、復熱の度合いに応じて冷媒を噴射することによりレールの温度を一定範囲内に一定時間保持してから、レールの温度を低下させる。即ち、制御冷却工程は、温度保持工程と続く冷却工程との組み合わせであるということもできる。
【０１２５】
制御冷却の形態の例について以下に説明する。本実施形態に係るレールの製造方法では、まず上述の加速冷却を終了する。この加速冷却の終了の時点を、制御冷却における温度保持の開始の時点とする。加速冷却の終了により、レールには復熱が生じ、通常はレールの表面の温度が上昇する。復熱によってレールの表面の温度がある程度上昇したら、レールに冷媒を噴射することにより、レールの表面の温度を再び低下させる。冷媒の噴射によってレールの表面の温度がある程度下降したら、レールへの冷媒の噴射を中止することにより、レールの表面の温度を再び上昇させる。即ち、レールの制御冷却における温度保持は、復熱による温度上昇と冷却による温度加工との繰り返しによって達成されることが通常である。このように、温度保持をする温度域の低温側で加速冷却を停止し、レール頭部内部から発生する復熱を見据えて冷却を開始し、所定の温度範囲の下限に到達する前に冷却を停止することが望ましい。また、保持時間を制御するには、この温度制御を繰り返し実行することが望ましい。復熱量が少ない場合は、ＩＨコイル等で加熱することも有効である。ただし、復熱の程度が小さく、冷媒を噴射しなくともレール表面の温度変動が一定範囲内に保たれる場合がある。この場合は、単にレールを放置することによっても温度保持をすることができる。
【０１２６】
上述の制御冷却における温度保持では、レール表面の温度を５８０〜６６０℃の範囲とすることが好ましく、レール表面の温度の変動幅を６０℃以内にすることが好ましく、且つ温度保持時間を５〜１５０ｓｅｃの範囲とすることが好ましい。
【０１２７】
まず、加速冷却後の保持温度を５８０〜６６０℃の範囲とし、レール表面の温度の変動幅を６０℃以内にすることが好ましい理由を説明する。
保持温度が６６０℃を超えると、本実施形態に係るレールの成分系では、冷却直後の高温度域でパーライト変態が開始し、レール頭部表面において硬さの低いパーライト組織が多く生成する。その結果、硬さが確保できず、レールとして必要な耐摩耗性や耐表面損傷性を確保することが困難となる。さらにこの場合、レール頭部内部においてＣｒを含有するＶ窒化物の生成が促進され、個数密度が過剰に増加する。その結果、レール頭部内部のパーライト組織が脆化し、き裂の発生が促進され、耐内部疲労損傷性が低下することが懸念される。
【０１２８】
一方、保持温度を５８０℃未満とすると、レール頭部表面において耐摩耗性に有害なベイナイト組織が多く生成し、その結果、レールとして必要な耐摩耗性を確保することが困難となることが懸念される。さらにこの場合、レール頭部内部においてＣｒを含有するＶ窒化物の生成が抑制され、頭部内部においてＣｒを含有するＶ窒化物の生成が抑制され、個数密度が減少する。その結果、パーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化の改善が十分でなく、レールの耐内部疲労損傷性の向上が認められない場合がある。このため、加速冷却後の保持温度を５８０〜６６０℃の範囲とすることが好ましい。
【０１２９】
レール表面の温度の変動幅が６０℃を超えると、レール頭部表面においてパーライト組織のマクロ的な硬さの不均一が生じ、その結果、レールとして必要な耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を確保することが困難となることが懸念される。このため、レール表面の温度の変動幅を６０℃以下とすることが好ましい。
【０１３０】
次に、保持時間を５〜１５０ｓｅｃの範囲とすることが好ましい理由を説明する。なお、保持時間とは、復熱と冷媒吹き付けとの組み合わせによって温度保持をする場合は、上述の加速冷却の終了時から、最後の復熱の終了時（レール温度が自然に下がり始める時点、又は冷媒吹き付け開始の時点）までを意味し、復熱や変態発熱のみによって温度保持をする場合は、上述の加速冷却の終了時から、復熱や変態発熱の終了時（レール温度が自然に下がり始める時点、又は冷媒吹き付け開始の時点）を意味する。
保持時間が１５０ｓｅｃを超えると、保持中にパーライト組織の焼戻しが進み、パーライト組織が軟化する。その結果、レール頭部表面、頭部内部の硬さが確保できず、レールとして必要な耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を確保することが困難となる。さらにこの場合、レール頭部内部においてＣｒを含有するＶ窒化物が成長し、その粒径が増加する。その結果、微細なＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度が低下し、パーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化の改善が期待できない。
一方、保持時間が５ｓｅｃ未満では、保持中にパーライト変態が完了せず、マルテンサイト組織が生成する。その結果、レール頭部表面、頭部内部の耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を確保することが困難となる。またこの場合、Ｃｒを含有するＶ窒化物の成長が抑制され、粒径は減少する。その結果、微細なＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度が低下し、パーライト組織中のフェライト相の微視的な軟化が改善せず、耐内部疲労損傷性を向上が期待できない。このため、加速冷却後の温度保持を行う時間を５〜１５０ｓｅｃとすることが好ましい。
【０１３１】
制御冷却時の温度保持方法については特に限定しない。空気噴射冷却、ミスト冷却、水及び空気の混合噴射冷却、あるいはこれらの組み合わせの冷媒を用いて、レール頭部外郭表面の冷却および停止を繰り返し実行し、レール頭部内部から発生する復熱を制御する冷却を行うことが望ましい。
【０１３２】
粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数、及びＣＡ／ＶＡを制御する場合は、上記の制御冷却において、保持温度を６００〜６５０℃の範囲とし、また、保持時間を２０〜１２０ｓｅｃの範囲とすることが好ましい理由を説明する。
【０１３３】
保持温度が６００℃未満になると、Ｃｒを含有するＶ窒化物中のＣｒの原子数が増加し、ＣＡ／ＶＡが増加し、所定のＣＡ／ＶＡ値を満足することが困難となる。その結果、Ｃｒを含有するＶ窒化物の周囲に生成する微小なき裂を防止し難くなる。一方、保持温度が６５０℃を超えると、Ｃｒを含有するＶ窒化物中のＶの原子数が増加し、ＣＡ／ＶＡ値を安定的に維持することが困難となる。このため、保持温度を６００〜６５０℃の範囲とすることが好ましい。
【０１３４】
保持時間が２０ｓｅｃ未満では、Ｃｒを含有するＶ窒化物中のＣｒの原子数が増加し、ＣＡ／ＶＡが増加し、所定のＣＡ／ＶＡ値を満足することが困難となる。その結果、Ｃｒを含有するＶ窒化物の周囲に生成する微小なき裂を防止し難くなる。一方、保持時間が１２０ｓｅｃを超えると、Ｃｒを含有するＶ窒化物中のＶの原子数が増加し、ＣＡ／ＶＡが低下し、所定のＣＡ／ＶＡ値を満足することが困難となる。その結果、Ｃｒを含むＶ窒化物の周囲に生成する微小なき裂を防止し難くなる。このため、保持温度を２０〜１２０ｓｅｃの範囲とすることが好ましい。
【０１３５】
上述の等温保持後、レールは放冷及び加速冷却される。等温保持後のレールの冷却速度が小さすぎる場合、等温保持を長く続けた場合と同様に、保持中にパーライト組織の焼戻しが進み、レール頭部表面、頭部内部の硬さが確保できないおそれ、及び微細なＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度が低下するおそれがある。従って、その防止には０．５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度を少なくとも２００℃程度まで保つ必要があると考えられる。このような冷却条件は、上述の温度保持の後でレールを常温の大気中に放置または加速冷却することで達成可能である。
【実施例】
【０１３６】
本発明の効果を確認するために、以下の手順による実験を行った。
表２−１〜表２−４に記載の化学成分を有する鋼片を加熱し、加熱された鋼片を熱間圧延してレールを形成し、このレールを加速冷却及び制御冷却することにより、表３−１〜表３−４に記載の金属組織、硬度、及びＣｒ含有Ｖ窒化物を有するレールを得た。これら表において、発明範囲外の値には下線を付した。製造条件は、表の備考欄に特別の記載がない限り、以下の通りとした。
●鋼片の加熱速度：１０００〜１２００℃の範囲内で４℃／ｍｉｎ
●鋼片の加熱の終了温度：１２５０℃
●最終圧延温度：９５０℃
●最終圧下量（減面率）：５〜１０％
●加速冷却の開始温度：８００℃
●加速冷却時の平均冷却速度：６〜８℃／ｓｅｃ
●加速冷却の終了温度：６００℃
●制御冷却時の保持温度：６００〜６６０℃
●制御冷却時の温度保持時間：２０〜４０秒
●温度保持終了後の冷却：常温の大気中に放置することにより室温まで冷却【０１３７】
一方、下記のレールは、表の備考欄で説明されるように、以下のような製造条件とされた。
Ｎｏ．４９は、加速冷却の終了温度が５６０℃とされたが、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．５０は、加速冷却時の平均冷却速度が３５．０℃／ｓｅｃとされたが、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．５３は、加速冷却時の平均冷却速度が１．０℃／ｓｅｃとされたが、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．５４は、加速冷却の終了温度が６８０℃とされたが、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．５７は、１０００〜１１００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が１０℃／ｍｉｎとされたが、１１００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度は５℃／ｍｉｎとされ、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．５８は、１１００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が１２℃／ｍｉｎとされたが、１０００〜１１００℃の範囲内での鋼片の加熱速度は６℃／ｍｉｎとされ、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．５９は、１０００〜１１００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が０．５℃／ｍｉｎとされたが、１１００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度は４℃／ｍｉｎとされ、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．６０は、１１００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が０．８℃／ｍｉｎとされたが、１０００〜１１００℃の範囲内での鋼片の加熱速度は３℃／ｍｉｎとされ、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．６１は、１０００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が１０．０℃／ｍｉｎとされたが、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．７９は、１０００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が８．０℃／ｍｉｎとされたが、その他条件は上述の通りであった。  Ｎｏ．８０は、１０００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が６．０℃／ｍｉｎとされたが、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．８１は、１０００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が５．０℃／ｍｉｎとされたが、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．８２は、１０００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が３．０℃／ｍｉｎとされたが、その他条件は上述の通りであった。
Ｎｏ．８３は、１０００〜１２００℃の範囲内での鋼片の加熱速度が２．０℃／ｍｉｎとされたが、その他条件は上述の通りであった。【０１３８】
上述の手順で得られたレールの（１）パーライト組織の面積率（表層パーライト面積率及び２５ｍｍ位置パーライト面積率）、（２）硬さ（表層硬度及び２５ｍｍ位置硬度）、（３）析出物の状態（粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の個数密度、及びＣＡ／ＶＡ）、並びに（４）特性（耐内部疲労損傷性及び耐摩耗性）を、以下の手順で評価した。【０１３９】
（１）パーライト組織の面積率は、各レール頭部の横断面からサンプルを切り出し、各サンプルをダイヤモンド研磨後に３％ナイタールエッチング処理した後に、光学顕微鏡（２００倍）を用いて組織観察することにより測定した。測定視野は、頭部外郭表面から深さ２ｍｍの任意の１０視野、及び頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの任意の１０視野とした。頭部外郭表面から深さ２ｍｍの任意の１０視野におけるパーライト組織の面積率の平均値を「表層パーライト率」とし、頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの任意の１０視野におけるパーライト組織の面積率の平均値を「２５ｍｍ位置パーライト率」とした。両者が９５面積％以上であるレールは、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲の組織が、面積率で、９５％以上のパーライト組織を含むレールであると判断された。【０１４０】
（２）硬さは、各レール頭部の横断面からサンプルを切り出し、各サンプルのレール横断面にあたる箇所を平均粒径１μｍのダイヤモンド砥粒で研磨した後に、ここでビッカース硬度計（荷重９８Ｎ）を用いてＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準じて硬度測定を行うことにより求めた。頭部外郭表面から深さ２ｍｍの任意位置において２０点の測定を行い、平均値を表層硬度とした。頭部外郭表面から深さ２５ｍｍの任意位置において２０点の測定を行い、平均値を２５ｍｍ位置硬度とした。両者がＨｖ３６０〜５００の範囲であるレールは、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍまでの範囲の組織の硬さがＨｖ３６０〜５００の範囲であるレールであると判断された。【０１４１】
（３）介在物の状態は、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置のパーライト組織中のフェライト相から、ＦＩＢ（集束イオンビーム）法によって曲率半径３０〜８０ｎｍの針試料を数ヵ所採取し、これらを３次元アトムプローブ（３ＤＡＰ）法によって評価することにより求めた。評価条件の詳細は上述の通りである。これにより得られた、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置のパーライト組織中のフェライト相における粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の、各針試料における個数密度の平均値を「Ｃｒ含有Ｖ窒化物個数密度」とし、頭部外郭表面を起点として深さ２５ｍｍの位置のパーライト組織中のフェライト相における粒径が０．５〜４．０ｎｍのＣｒを含有するＶ窒化物の、ＶＡに対するＣＡの比の平均値（各針試料におけるこれらの値の平均値）を「ＣＡ／ＶＡ」とした。【０１４２】
（４）レールの特性は、図２に示される転動疲労試験機を用いた転動疲労試験機によって評価した。試験片形状を、２ｍの１４１ポンドレールとし、これに接触させる車輪をＡＡＲタイプ（直径９２０ｍｍ）のものとし、車輪にかける荷重をラジアル：２７５〜３２５ＫＮとし、スラスト：５０〜８０ＫＮとした。耐摩耗性評価の際は潤滑剤を用いず、耐内部疲労損傷性評価の際は油潤滑を実施した。【０１４３】
耐摩耗性評価の際は、レール頭表層部の摩耗量が２５ｍｍ超となるまで上記試験を５回実施し、摩耗量が２５ｍｍに達した際の累積通過トン数の平均値をレールの耐摩耗性指標とした。評価基準は以下の通りとした。下記評価基準においてＡ〜Ｃランクと判定されたレールは、耐摩耗性に優れたレールと判断された。
Ａ：摩耗量が２５ｍｍに達した際の累積通過トン数が１７５超〜２００ＭＧＴ
Ｂ：摩耗量が２５ｍｍに達した際の累積通過トン数が１５０超〜１７５ＭＧＴ
Ｃ：摩耗量が２５ｍｍに達した際の累積通過トン数が１００超〜１５０ＭＧＴ
Ｘ：摩耗量が２５ｍｍに達した際の累積通過トン数が１００ＭＧＴ未満【０１４４】
耐内部疲労損傷性評価の際は、超音波探傷装置を用いて頭部内部のき裂の有無を調査し、長さ２ｍｍ以上のき裂を損傷と判断し、損傷が発生するまで上記試験を５回実施した。なお、損傷発生しなかった場合は２００ＭＧＴ（Ｍｉｌｌｉｏｎ  Ｇｌｏｓｓ  Ｔｏｎｎａｇｅ）で試験を中止し、損傷発生までの累積通過トン数を２００ＭＧＴとみなした。損傷発生までの累積通過トン数の平均値をレールの耐内部疲労損傷性評価の指標とした。評価基準は以下の通りとした。下記評価基準においてＡ〜Ｃランクと判定されたレールは、耐内部疲労損傷性に優れたレールと判断された。
Ａ：損傷発生した際の累積通過トン数が１７５超〜２００ＭＧＴ
Ｂ：損傷発生した際の累積通過トン数が１５０超〜１７５ＭＧＴ
Ｃ：損傷発生した際の累積通過トン数が１００超〜１５０ＭＧＴ
Ｘ：損傷発生した際の累積通過トン数が１００ＭＧＴ未満【０１４５】
【表２−１】
2020054339.tif 000004
【０１４６】
【表２−２】
2020054339.tif 000005
【０１４７】
【表２−３】
2020054339.tif 000006
【０１４８】
【表２−４】
2020054339.tif 000007
【０１４９】
【表３−１】
2020054339.tif 000008
【０１５０】
【表３−２】
2020054339.tif 000009
【０１５１】
【表３−３】
2020054339.tif 000010
【０１５２】
【表３−４】
2020054339.tif 000011
【０１５３】
表に示されるように、化学成分、パーライト組織の面積率、硬さ、及びＣｒを含むＶ窒化物の個数密度が本発明の範囲内となったレールは、耐摩耗性及び耐内部疲労損傷性に優れた。また、ＣＡ／ＶＡが本発明の範囲内となったレールは、耐摩耗性及び耐内部疲労損傷性に一層優れた。【０１５４】
一方、化学成分、パーライト組織の面積率、硬さ、及びＣｒを含むＶ窒化物の個数密度のうち１つ以上が本発明の範囲外である比較例レールは、耐摩耗性及び耐内部疲労損傷性の一方又は両方が不合格となった。
Ｎｏ．２は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、Ｃが過剰であったので、初析セメンタイトが多く生成することによりパーライト組織の量が不足したからと考えられる。
Ｎｏ．７は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、Ｃが不足したので、初析フェライトが多く生成することによりパーライト組織の量及び硬さが不足したからと考えられる。
Ｎｏ．８は、耐摩耗性が損なわれた。これは、Ｓｉが過剰であったので、マルテンサイトが多く生成することによりパーライト組織の量が不足し、且つ硬さが過剰となったからと考えられる。マルテンサイトは高い硬度を有するが、耐摩耗性は低いので、Ｎｏ．８の耐摩耗性には寄与しなかった。
Ｎｏ．１３は、耐摩耗性が損なわれた。これは、Ｓｉが不足したので硬さが不足したからと考えられる。
Ｎｏ．１４は、耐内部疲労損傷性及び耐摩耗性が損なわれた。これは、Ｍｎが過剰であったので、マルテンサイトが多く生成することによりパーライト組織の量が不足し、且つ硬さが過剰となったからと考えられる。
Ｎｏ．１９は、耐内部疲労損傷性及び耐摩耗性が損なわれた。これは、Ｍｎが不足したので、初析フェライトが多く生成することによりパーライト組織の量及び硬さが不足したからと考えられる。
Ｎｏ．２０は、耐内部疲労損傷性及び耐摩耗性が損なわれた。これは、Ｃｒが過剰であったので、マルテンサイトが多く生成することによりパーライト組織の量が不足し、硬さが過剰となり、さらにＣｒを含むＶ窒化物の個数密度が過剰となったからと考えられる。
Ｎｏ．２５は、耐内部疲労損傷性及び耐摩耗性が損なわれた。これは、Ｃｒが不足したので、パーライト組織が軟化し、Ｃｒを含むＶ窒化物の個数密度が不足したのでパーライト組織中のフェライト相の局部軟化が抑制されなかったからと考えられる。
Ｎｏ．２６は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、Ｖが過剰であったので、Ｃｒを含むＶ窒化物の個数密度が過剰となり、パーライト組織が脆化したからであると考えられる。
Ｎｏ．３３は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、Ｖが不足したので、Ｃｒを含むＶ窒化物の個数密度が不足し、パーライト組織中のフェライト相の局部軟化が抑制されなかったからと考えられる。
Ｎｏ．３４は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、Ｎが過剰であったので、Ｃｒを含むＶ窒化物の個数密度が過剰となり、パーライト組織が脆化したからであると考えられる。
Ｎｏ．４１は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、Ｎが不足したので、Ｃｒを含むＶ窒化物の個数密度が不足し、パーライト組織中のフェライト相の局部軟化が抑制されなかったからと考えられる。
Ｎｏ．４２は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、Ｐが過剰であったので、パーライト組織が脆化したからであると考えられる。
Ｎｏ．４５は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、Ｓが過剰であったので、粗大ＭｎＳが多数生成したからであると考えられる。
Ｎｏ．４９は、耐内部疲労損傷性及び耐摩耗性が損なわれた。これは、加速冷却停止温度が低すぎたので、ベイナイトが生成してパーライト組織が不足したからであると考えられる。
Ｎｏ．５０は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、加速冷却速度が高すぎたので、パーライト組織の硬さが過剰となったからであると考えられる。
Ｎｏ．５３は、耐内部疲労損傷性及び耐摩耗性が損なわれた。これは、加速冷却速度が低すぎたので、パーライト組織の硬さが不足したからであると考えられる。
Ｎｏ．５４は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、加速冷却停止温度が高すぎたので、Ｃｒを含むＶ窒化物が過剰に生成し、パーライト組織が脆化したからであると考えられる。
Ｎｏ．５７は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、鋼片の加熱の際に加熱速度が高すぎる時期があったので、鋳造中に粗大化したＣｒを含むＶ窒化物が残存し、Ｃｒを含有するＶ窒化物の個数密度が不足し、パーライト組織中のフェライト相の局部軟化が抑制されなかったからと考えられる。
Ｎｏ．５８は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、鋼片の加熱の際に加熱速度が高すぎる時期があったので、鋳造中に粗大化したＣｒを含むＶ窒化物が残存し、Ｃｒを含有するＶ窒化物の個数密度が不足し、パーライト組織中のフェライト相の局部軟化が抑制されなかったからと考えられる。
Ｎｏ．５９は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、鋼片の加熱の際に加熱速度が低すぎる時期があったので、加熱中にＣｒを含むＶ窒化物が一旦溶解した後再析出し、粗大化したので、Ｃｒを含有するＶ窒化物の個数密度が不足し、パーライト組織中のフェライト相の局部軟化が抑制されなかったからと考えられる。
Ｎｏ．６０は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、鋼片の加熱の際に加熱速度が低すぎる時期があったので、加熱中にＣｒを含むＶ窒化物が一旦溶解した後再析出し、粗大化したので、Ｃｒを含有するＶ窒化物の個数密度が不足し、パーライト組織中のフェライト相の局部軟化が抑制されなかったからと考えられる。
Ｎｏ．６１は、耐内部疲労損傷性が損なわれた。これは、鋼片の加熱の際に加熱速度が高すぎる時期があったので、鋳造中に粗大化したＣｒを含むＶ窒化物が残存し、Ｃｒを含有するＶ窒化物の個数密度が不足し、パーライト組織中のフェライト相の局部軟化が抑制されなかったからと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
本発明によれば、レールの耐摩耗性と耐内部疲労損傷性とを向上させることができる。従って、本発明によれば、例えば貨物鉄道で使用されるレールの使用寿命を大きく向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【０１５６】
１    頭頂部
２    頭部コーナー部
３    レール頭部
３ａ  頭表部
４    レール移動用スライダー
５    レール
６    車輪
７    モーター
８    荷重負荷装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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