(57)【要約】  このレールは、所定の化学成分を有し、レール柱部の断面の金属組織の９０面積％以上がパーライト組織であり、レール柱部の断面の硬さの最小値がＨｖ３００以上であり、レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値の差がＨｖ４０以下である。
2020189232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．７５〜１．２０％、
Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、
Ｃｒ：０〜２．００％、
Ｍｏ：０〜０．５０％、
Ｃｏ：０〜１．００％、
Ｂ：０〜０．００５０％、
Ｃｕ：０〜１．００％、
Ｎｉ：０〜１．００％、
Ｖ：０〜０．５０％、
Ｎｂ：０〜０．０５０％、
Ｔｉ：０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０〜０．０２００％、
Ｃａ：０〜０．０２００％、
ＲＥＭ：０〜０．０５００％、
Ｚｒ：０〜０．０２００％、
Ｎ：０〜０．０２００％、
Ａｌ：０〜１．００％、
Ｐ：０．０２５０％以下、
Ｓ：０．０２５０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼成分を有し、
レール柱部の断面の金属組織の９０面積％以上がパーライト組織であり、
前記レール柱部の前記断面の硬さの最小値がＨｖ３００以上であり、
前記レール柱部の前記断面の硬さの最大値と前記最小値との差がＨｖ４０以下である
ことを特徴とするレール。
【請求項２】
前記レール柱部の前記断面の硬さの前記最大値と前記最小値との差がＨｖ２０以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のレール。
【請求項３】
前記鋼成分が、質量％で、
Ｃｒ：０．０１〜２．００％、
Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、
Ｃｏ：０．０１〜１．００％、
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．００％、
Ｎｉ：０．０１〜１．００％、
Ｖ：０．００５〜０．５０％、
Ｎｂ：０．００１０〜０．０５０％、
Ｔｉ：０．００３０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０２００％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５００％、
Ｚｒ：０．０００１〜０．０２００％、
Ｎ：０．００６０〜０．０２００％、
Ａｌ：０．０１００〜１．００％、
からなる群から選択される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又は２に記載のレール。
【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、耐損傷性に優れるレールに関する。
本願は、２０１９年３月１５日に、日本に出願された特願２０１９−０４８８０９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。そのため、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。このような背景から、耐摩耗性を向上させたレールの開発が求められるようになってきた。【０００３】
また、近年、鉄道輸送のさらなる過密化が進み、レール柱部から疲労損傷が発生する可能性が指摘されている。そのため、レール使用寿命の更なる向上のため、レールには、頭部の耐摩耗性に加えて柱部の耐疲労損傷性の向上が求められるようになってきた。このような要求は、特に曲線区間で用いられるレールに対して顕著である。曲線区間では、カーブ外側に向かう応力がレール頭部にかかることにより、レール柱部に曲げ応力が負荷されるので、柱部を起点とした疲労損傷が生じやすい、ということが近年の調査で明らかになったからである。【０００４】
レール鋼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、熱処理によりレール頭部のパーライトラメラ間隔を微細化し、鋼の硬さを増加させること、または、鋼の炭素量を増加し、レール頭部のパーライト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。【０００５】
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の温度から８５０〜５００℃までの間を１〜４℃／秒の冷却速度で加速冷却することによって、耐摩耗性に優れたレールが得られることが開示されている。【０００６】
また、特許文献２には、過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用いて、レール頭部の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によって、耐摩耗性に優れたレールが得られることが開示されている。【０００７】
特許文献１、２の開示技術では、レール頭部の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、パーライト組織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、レール頭部の耐摩耗性の向上が図れ、一定の使用寿命の向上が図られている。しかしながら、特許文献１、２に開示されたレールでは、レール柱部の疲労損傷を防止する耐疲労損傷性について何ら検討されていない。【０００８】
また、例えば、特許文献３には、レール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を制御することによって、レール柱部の靭性を向上させたレールが得られることが開示されている。【０００９】
特許文献３の開示技術では、パーライト組織中のセメンタイト組織の生成量を制御することにより、レール柱部の靭性が向上し、レール折損が抑制され、一定の使用寿命の向上が図られている。しかしながら、特許文献３に開示されたレールでは、レール柱部の疲労損傷を防止する耐疲労損傷性について何ら検討されていない。【００１０】
また、例えば、特許文献４には、溶接直後のレール溶接継手部を冷却することにより、残留応力を低減することによって、レール柱部の疲労特性を向上させたレールが得られることが開示されている。【００１１】
特許文献４の開示技術では、レール溶接継手部の残留応力を制御することによって、レール柱部の疲労特性が向上し、レール折損が抑制され、一定の使用寿命の向上が図られている。しかしながら、特許文献４に開示されたレールでは、レール溶接継ぎ手が対象であり、レール母材の疲労損傷の防止について何ら検討されていない。また、特許文献４の開示技術は、残留応力を制御するものであり、レール柱部の材質及び硬さと疲労特性との関係については特許文献４においてなんら検討されていない。【００１２】
また、特許文献５の開示技術では、レールの熱処理方法において、靭性を確保するためにレール柱部の硬度が規定されている。しかしながら、特許文献５に開示されたレールでは、レール柱部の疲労損傷の防止について何ら検討されていない。また、特許文献５では柱部の硬さの平均値の範囲を示しているのみであり、レール柱部の疲労損傷の抑制に影響のある硬さ分布については、なんら検討されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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】日本国特開２００４−４３８６３号公報
【特許文献４】日本国特許第４８１９１８３号公報
【特許文献５】日本国特開平８−１７０１２０号公報
【特許文献６】日本国特開２００２−２２６９１５号公報
【特許文献７】日本国特開平８−２４６１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は上記の課題に鑑みてなされた。本発明は、貨物鉄道のレールに要求される、柱部からの疲労損傷の発生を抑制できる、耐疲労折損性に優れるレールを提供することを課題とする。特に本発明は、疲労折損が生じやすい曲線軌道に適用されても疲労損傷の発生を抑制可能な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】
【００１５】
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の一態様に係るレールは、質量％で、Ｃ：０．７５〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０〜２．００％、Ｍｏ：０〜０．５０％、Ｃｏ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．００５０％、Ｃｕ：０〜１．００％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｖ：０〜０．５０％、Ｎｂ：０〜０．０５０％、Ｔｉ：０〜０．０５００％、Ｍｇ：０〜０．０２００％、Ｃａ：０〜０．０２００％、ＲＥＭ：０〜０．０５００％、Ｚｒ：０〜０．０２００％、Ｎ：０〜０．０２００％、Ａｌ：０〜１．００％、Ｐ：０．０２５０％以下、Ｓ：０．０２５０％以下、を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼成分を有し、レール柱部の断面の金属組織の９０面積％以上がパーライト組織であり、前記レール柱部の前記断面の硬さの最小値がＨｖ３００以上であり、前記レール柱部の前記断面の硬さの最大値と前記最小値の差がＨｖ４０以下である。
（２）上記（１）に記載のレールでは、前記レール柱部の前記断面の硬さの前記最大値と前記最小値の差がＨｖ２０以下であってもよい。
（３）上記（１）〜（２）のいずれかに記載のレールでは、前記鋼成分が、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｃｏ：０．０１〜１．００％、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜１．００％、Ｖ：０．００５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００１０〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００３０〜０．０５００％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２００％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５００％、Ｚｒ：０．０００１〜０．０２００％、Ｎ：０．００６０〜０．０２００％、Ａｌ：０．０１００〜１．００％、からなる群から選択される１種または２種以上を含有してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の上記態様によれば、貨物鉄道の曲線区間に適用されるレールの柱部に要求される耐疲労損傷性に優れるレールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】レール柱部の断面の硬さの測定位置を示す図である。
【図２】レールの疲労試験の概要を示す図である。
【図３】レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値との差と、レールの疲労試験におけるき裂発生時の繰り返し回数との間の関係を示すグラフである。
【図４】本実施形態に係るレールの断面の模式図である。
【図５】柱部のパーライト組織の必要範囲である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明の一実施形態に係る、柱部の耐疲労損傷性に優れたレール（本実施形態に係るレールと言う場合がある）につき、詳細に説明する。以下、組成における％は、質量％である。
【００１９】
まず、本発明者らは、現行の貨物鉄道においてレール柱部から疲労損傷が発生する原因をさらに詳細に調査した。疲労損傷が発生したパーライト組織のレールを詳細に調査した結果、柱部の断面硬さとレールの疲労損傷との間には相関があることが判明した。レール柱部の断面において、硬さがＨｖ３００未満である領域が存在するレールでは、レール柱部から疲労損傷が発生していることが確認された。
【００２０】
さらに、本発明者らは、疲労損傷が発生したレールをさらに詳細に調査した。その結果、使用環境が過酷な曲線区間では、レール柱部の断面において硬さがＨｖ３００未満である領域が存在しないレールでも、柱部から疲労損傷が発生する事例があることを確認した。
【００２１】
そこで、本発明者らは、レール柱部の断面において硬さがＨｖ３００未満になる領域が存在しないレールであっても柱部から疲労損傷が発生する原因を、実レールの試作評価により詳細に調査した。
【００２２】
ここで本発明者らは、試作評価において、曲線区間を模擬するような疲労損傷試験を行うこととした。なぜなら、曲線区間では、柱部に曲げ応力がかかりやすいという特有の事情があるためである。図４に示されるように、レールはレール柱部１、レール頭部２、及びレール足部３を有する。レール柱部１は、車輪と接触しないので、従来技術において必ずしも重要視されていなかった。しかし曲線区間では、列車通過の際に、曲線区間の外側に向かう応力がレール頭部２に負荷されることにより、レール柱部１に曲げ応力が負荷される。この曲げ応力が繰り返し生じることにより、曲線区間でレール柱部１が疲労損傷しやすいのではないかと本発明者らは推定し、疲労損傷試験も上述の曲げ応力を再現するように実施すべきであると考えた。試作評価の手段の詳細を以下に示す。
【００２３】
下記の鋼成分を有する鋼材（過共析鋼）に、様々な条件のレール圧延及び熱処理を行い、様々なレール柱部断面硬さを有するレールを試作し、これらの耐疲労損傷性を評価した。そして、レール柱部の断面硬さと、耐疲労損傷性との間の関係を調査した。レール圧延条件、熱処理条件、及び疲労試験条件は下記に示すとおりである。なお、レール柱部の断面硬さを変化させるため、柱部には制御冷却を実施した。
【００２４】
［実レール圧延、熱処理条件］
●鋼成分
０．９０％Ｃ−０．５０％Ｓｉ−０．７０％Ｍｎ−０．０１５０％Ｐ−０．０１２０％Ｓ（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（柱部外郭表面）：９００℃。
熱処理条件：圧延→加速冷却
制御冷却条件（柱部外郭表面）：８００℃から５００℃までの温度範囲を、平均冷却速度０．５〜５℃／ｓｅｃで加速冷却、または、８００℃から５８０〜６８０℃まで加速冷却した。その後、復熱発生による昇熱および温度保持を経た後に、再度、加速冷却を実施した。
なお、加速冷却は空気、冷却水などの冷媒をレール頭部表面、柱部表面のいずれか、または両方に噴射することにより実施した。また、復熱発生による昇熱および温度保持は、昇温量に応じて微小な加速冷却を繰り返すことにより制御した。
【００２５】
［レール柱部の断面硬さの測定方法、測定条件および硬さの整理方法］
●測定装置および方法
装置：ビッカース硬度計（荷重９８Ｎ）
測定用試験片採取：レール柱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  ２２４４：２００９に準じて測定。
●測定位置
レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図１参照）。
柱部外郭表面から深さ１．０ｍｍの位置を起点として、１．０ｍｍピッチで、柱部の厚さ方向に連続して圧痕づけを行うことにより、硬さの分布を測定した。硬さ測定は少なくとも５ラインで行った。
なお、圧痕の相互影響を排除するために、各測定ラインの間には１．０ｍｍ以上の間隔を設けた。
●硬さの整理方法
測定された硬さの最小値及び最大値を、それぞれ、当該レール柱部の断面硬さの最小値及び最大値とした。
［試験レールの硬度特性］
●レール柱部の断面硬さの最小値の範囲：Ｈｖ３００〜５００
●レール柱部の断面硬さの最小値と最大値との差：Ｈｖ１０〜８０
【００２６】
［レール柱部の疲労試験方法および試験条件］
●レールの疲労試験
試験方法：実物レールの３点曲げ（スパン長：６５０ｍｍ、図２参照）。
荷重条件：２〜２０トンの範囲で変動させた。
荷重負荷の変動の周波数：５Ｈｚ。
試験姿勢：レール頭部に偏芯荷重を負荷した。荷重を負荷する位置は、レール頭部の幅の１／３だけ、レール頭部の中心からレールの幅方向にずれた位置とした（図２参照）。
応力測定：レール柱部に貼り付けた歪ゲージにより測定。
荷重変動の繰り返し数：最大３００万回（き裂発生なし）、またはき裂発生まで。
き裂判定：定期的に試験を停止し、レール柱部の表面を磁粉探傷することにより、レール柱部表面のき裂有無を確認。
合格判定：き裂発生までの荷重変動の繰り返し数が２００万回以上、または、試験終了（荷重変動３００万回）までき裂発生なしのレールを、耐疲労折損性に優れるレールと判断。
【００２７】
図２に示されるように、一定周期で変動する偏芯荷重をレールに加えた場合、レール柱部に曲げ応力が一定周期で負荷される。これにより、曲線区間を通過する列車の遠心力によってレール柱部に負荷される曲げ応力（レール柱部の、カーブの外側に当たる側に負荷される上下方向の引張応力）を、模擬することができる。
荷重変動の繰り返し数が２００万回に達する前にき裂発生したレールの柱部を詳細に調査した結果、き裂は、断面硬さの不均一が著しい（即ち、断面の硬さの最大値と最小値との差が大きい）レールで発生していることを確認した。この結果から、き裂の発生は、断面硬さの著しい不均一により、柱部の断面内において局所的に歪が集中することに起因する旨を本発明者らは知見した。
【００２８】
図３に、レールの疲労試験結果を示す。図３は、レール柱部の断面硬さの最大値及び最小値の差と、疲労試験におけるき裂発生までの荷重変動の繰り返し回数との間の関係を示す。図３の結果から分かるように、断面硬さの最大値と最小値の差と、疲労試験におけるき裂発生まで荷重変動の繰り返し回数との間には相関があり、断面硬さの最大値と最小値の差が小さくなると、き裂発生までの荷重変動の繰り返し回数が増加する傾向を示す。特に、断面硬さの最大値と最小値との差がＨｖ４０以下になると、荷重変動の繰り返し数が２００万回までき裂が発生せず、柱部の耐損傷性が大きく向上することを本発明者らは確認した。
【００２９】
さらに、柱部の断面硬さの最大値と最小値との差がＨｖ２０以下になると、き裂発生までの荷重変動の繰り返し数がさらに伸び、３００万回までき裂発生せず、柱部の耐損傷性がさらに向上することを本発明者らは確認した。
【００３０】
材料の疲労破壊を防止するためには、材料の高硬度化（硬質化）が有効であると言われている。しかしながら、本発明者らは、レール柱部の高硬度化に加えて、レール柱部に生成する疲労損傷を抑制するためには、レール柱部の断面内の硬さの最大値と最小値との差を抑制し、レール柱部の断面内における歪の集中を抑制する必要があることを、新たに知見した。
【００３１】
図４は、本実施形態に係るレール断面の模式図である。図４を参照し、本実施形態に係るレールの柱部（レール柱部１）について再度説明する。
【００３２】
レールの長さ方向の垂直断面で見た場合、レールの高さ方向中央にレールの幅が括れた部分がある。この括れた部分をレール柱部１という。この括れ部の幅よりも大きな幅を有する部分であって、括れ部より下側に位置する部分をレール足部３といい、括れ部より上側に位置する部分をレール頭部２という。レール柱部１は、レール頭部２とレール足部３との間に挟まれた領域である。
【００３３】
（１）レール鋼の化学成分（鋼成分）の限定理由
本実施形態に係るレールにおいて、鋼の化学成分（鋼成分）を限定する理由について詳細に説明する。
【００３４】
Ｃ：０．７５〜１．２０％
Ｃは、パーライト変態を促進させて、かつ、耐疲労性の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｃ量が０．７５％未満であると、レールに要求される最低限の強度や耐疲労損傷性を確保できない。さらに、Ｃ量が０．７５％未満であると、レール柱部に軟質な初析フェライト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。一方、Ｃ量が１．２０％を超えると、レール柱部に硬い初析セメンタイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。したがって、パーライト組織の生成を促し、耐疲労損傷性を確保するため、Ｃ量を０．７５〜１．２０％とする。パーライト組織の生成を更に安定化し、耐疲労損傷性をより向上させるには、Ｃ量を０．８０％以上、０．８５％以上、又は０．９０％以上とすることが望ましい。また、同じ理由で、Ｃ量を１．１５％以下、１．１０％以下、又は１．０５％以下とすることが望ましい。
【００３５】
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、レール柱部の断面硬さ（強度）を上昇させ、耐疲労損傷性を向上させる元素である。さらに、Ｓｉは初析セメンタイト組織の生成を抑制し、レール柱部の断面内の硬度差を抑制し、耐疲労損傷性を向上させる元素でもある。しかしながら、Ｓｉ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量が２．００％を超えると、熱間圧延時に表面疵が多く生成する。さらに、Ｓｉ量が２．００％を超えると、焼入性が著しく増加し、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。したがって、パーライト組織の生成を促し、耐疲労損傷性や靭性を確保するため、Ｓｉ量を０．１０〜２．００％とする。パーライト組織の生成を更に安定化し、耐疲労損傷性や靭性をより向上させるには、Ｓｉ量を０．１５％以上、０．２０％以上、又は０．４０％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｓｉ量を１．８０％以下、１．５０％以下、又は１．３０％以下とすることが望ましい。
【００３６】
Ｍｎ：０．１０〜２．００％
Ｍｎは、焼き入れ性を高め、軟質な初析フェライト組織の生成を抑制し、パーライト変態を安定化させると同時に、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することによって、耐疲労損傷性を向上させる元素である。しかしながら、Ｍｎ量が０．１０％未満では、その効果が小さく、レール柱部に軟質な初析フェライト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。一方、Ｍｎ量が２．００％を超えると、焼入性が著しく増加し、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。したがって、パーライト組織の生成を促し、耐疲労損傷性や靭性を確保するため、Ｍｎ量を０．１０〜２．００％とする。パーライト組織の生成を安定化し、耐疲労損傷性や靭性をより向上させるには、Ｍｎ量を０．２０％以上、０．３０％以上、又は０．４０％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｍｎ量を１．８０％以下、１．５０％以下、又は１．２０％以下とすることが望ましい。
【００３７】
Ｐ：０．０２５０％以下
Ｐは、鋼中に含有される不純物元素である。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量は少ない方が好ましいが、特にＰ量が０．０２５０％を超えると、レール柱部の偏析帯のＰの濃化が助長され、偏析部の硬さが増加し、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。このため、Ｐ量を０．０２５０％以下に限定する。なお、レール柱部の耐疲労損傷性を安定的に確保するには、Ｐ量は０．０２００％以下、０．０１８０％以下、又は０．０１５０％以下とすることが望ましい。Ｐは発明の課題の解決に貢献しないので、Ｐ量の下限を限定する必要はなく、例えば０％としてもよい。ただし、精錬工程での脱燐能力を考慮すると、Ｐ量の下限を０．００５０％程度とすることは経済上有利である。
【００３８】
Ｓ：０．０２５０％以下
Ｓは、鋼中に含有される不純物元素である。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量は少ない方が好ましいが、特にＳ量が０．０２５０％を超えると、ＭｎＳ系硫化物の生成を助長し、鋼中のＭｎ濃度を低下させる。その結果、負偏析部が生成し、負偏析部の硬さが低下し、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。このため、Ｓ量を０．０２５０％以下に限定した。なお、レール柱部の耐疲労損傷性を一層安定的に確保するには、Ｓ量は０．０２００％以下、０．０１８０％以下、又は０．０１５０％以下とすることが望ましい。Ｓは発明の課題の解決に貢献しないので、Ｓ量の下限を限定する必要はなく、例えば０％としてもよい。ただし、精錬工程での脱硫能力を考慮すると、Ｓ量の下限を０．００３０％程度とすることは経済上有利である。
【００３９】
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。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）の増加による耐疲労損傷性の向上、特に、レール柱部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｂ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｚｒ、Ｎ、Ａｌ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、Ｃｒ、Ｍｏは、ラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬さを向上させる。Ｃｏは、ラメラ組織を微細化し、パーライト組織の硬度を高める。Ｂは、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レール柱部の断面内の硬度分布を均一にする。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さを高める。Ｎｉ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さを向上させる。Ｖ、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、パーライト組織の硬さを高める。Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭは、ＭｎＳ系硫化物を微細分散し、パーライト変態を促進する。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、初析フェライト組織や初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト変態を促進する。Ｎは、オーステナイト粒界に偏析することによりパーライト変態を促進させる。Ａｌは、共析変態温度を高温側へ移動させ、パーライト組織の硬さを向上させる。そのため、上記の効果を得るため、これらの元素を後述する範囲で含有させてもよい。なお、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。また、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。
【００４０】
Ｃｒ：０〜２．００％
Ｃｒは、平衡変態温度を上昇させ、過冷度を増加させることにより、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度（強度）を向上させる。また、Ｃｒは、焼き入れ性を高め、軟質な初析フェライト組織の生成を抑制し、パーライト変態を安定化させることによって、耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｃｒ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒ量が２．００％を超えると、焼入れ性が著しく増加し、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｃｒ量を２．００％以下、１．８０％以下、又は１．５０％以下とすることが好ましい。
【００４１】
Ｍｏ：０〜０．５０％
Ｍｏは、Ｃｒと同様に平衡変態温度を上昇させ、過冷度を増加させることにより、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度（強度）を向上させる。特に、Ｍｏは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｍｏ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ量が０．５０％を超えると、変態速度が著しく低下し、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｍｏ量を０．５０％以下、０．４０％以下、又は０．３０％以下とすることが好ましい。
【００４２】
Ｃｏ：０〜１．００％
Ｃｏは、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度（強度）を向上させる。特に、Ｃｏは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｃｏ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｏ量が１．００％を超えると、上記の効果が飽和する上、合金添加コストの増大により経済性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｃｏ量を１．００％以下、０．８０％以下、又は０．５０％以下とすることが好ましい。
【００４３】
Ｂ：０〜０．００５０％
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、パーライト変態を促進することにより、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。パーライト変態温度の冷却速度依存性が低減されると、レール柱部の断面内の硬度分布が均一となり、耐疲労損傷性が向上する。この効果を得るためには、Ｂ量を０．０００１％以上、０．０００５%以上、又は０．００１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｂ量が０．００５０％を超えると、粗大な鉄炭ほう化物が生成し、応力集中によりレール柱部に疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｂ量を０．００５０％以下、０．００４０％以下、又は０．００３０％以下とすることが好ましい。
【００４４】
Ｃｕ：０〜１．００％
Ｃｕは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、固溶強化により硬度（強度）を向上させる。特に、Ｃｕは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｃｕ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｕ量が１．００％を超えると、著しい焼入れ性向上により、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｃｕ量を１．００％以下、０．８０％以下、又は０．５０％以下とすることが好ましい。
【００４５】
Ｎｉ：０〜１．００％
Ｎｉは、パーライト組織の靭性を向上させると同時に、固溶強化により硬度（強度）を向上させる。特に、Ｎｉは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｎｉ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉ量が１．００％を超えると、著しい焼入れ性向上により、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｎｉ量を１．００％以下、０．８０％以下、又は０．５０％以下とすることが好ましい。
【００４６】
Ｖ：０〜０．５０％
Ｖは、熱間圧延後の冷却過程で生成するＶ炭化物及びＶ窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度（強度）を高める。特に、Ｖは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｖ量を０．００５％以上、０．０１０％以上、又は０．０５０％以上とすることが好ましい。一方、Ｖ量が０．５０％を超えると、Ｖの炭化物や窒化物による析出硬化が過剰となり、パーライト組織が脆化し、レール柱部の耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｖ量を０．５０％以下、０．４０％以下、又は０．３０％以下とすることが好ましい。
【００４７】
Ｎｂ：０〜０．０５０％
Ｎｂは、Ｖと同様に、熱間圧延後の冷却過程で生成したＮｂ炭化物及びＮｂ窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度（強度）を高める。特に、Ｎｂは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｎｂ量を０．００１０％以上、０．００５０％以上、又は０．０１０％以上とすることが好ましい。また、Ｎｂ量が０．０５０％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、パーライト組織が脆化し、レール柱部の耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｎｂ量を０．０５０％以下、０．０４０％以下、又は０．０３０％以下とすることが好ましい。
【００４８】
Ｔｉ：０〜０．０５００％
Ｔｉは、熱間圧延後の冷却過程で生成したＴｉ炭化物及びＴｉ窒化物として析出し、析出硬化によってパーライト組織の硬度（強度）を高める。特に、Ｔｉは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｔｉ量を０．００３０％以上、０．０１００％以上、又は０．０１５０％以上とすることが好ましい。一方、Ｔｉ量が０．０５００％を超えると、粗大なＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が生成し、応力集中により、レール柱部に疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｔｉ量を０．０５００％以下、０．０４００％以下、又は０．０３００％以下とすることが好ましい。
【００４９】
Ｍｇ：０〜０．０２００％
Ｍｇは、Ｓと結合して微細な硫化物（ＭｇＳ）を形成する元素である。ＭｇＳはＭｎＳを微細に分散させる。また、この微細に分散したＭｎＳはパーライト変態の核となり、パーライト変態を促進させ、レール柱部に生成する初析フェライトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、Ｍｇ量を０．０００５％以上、０．００１０％以上、又は０．００５０％以上とすることが好ましい。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、レール柱部に疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｍｇ量を０．０２００％以下、０．０１５０％以下、又は０．０１００％以下とすることが好ましい。
【００５０】
Ｃａ：０〜０．０２００％
Ｃａは、Ｓとの結合力が強く、硫化物（ＣａＳ）を形成する元素である。このＣａＳはＭｎＳを微細に分散させる。微細なＭｎＳはパーライト変態の核となり、パーライト変態を促進させ、レール柱部に生成する初析フェライトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、Ｃａ量を０．０００５％以上、０．００１０％以上、又は０．００５０％以上とすることが好ましい。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損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｃａ量を０．０２００％以下、０．０１５０％以下、又は０．０１００％以下とすることが好ましい。
【００５１】
ＲＥＭ：０〜０．０５００％
ＲＥＭは、脱酸・脱硫元素であり、含有させることによりＲＥＭのオキシサルファイド（ＲＥＭ２Ｏ２Ｓ）を生成し、Ｍｎ硫化物系介在物の生成核となる。また、この核であるオキシサルファイド（ＲＥＭ２Ｏ２Ｓ）の融点は高いので、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、ＭｎＳがパーライト変態の核となり、パーライト変態が促進する。その結果、レール柱部に生成する初析フェライトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、ＲＥＭ量を０．０００５％以上、０．００１０％以上、又は０．００５０％以上とすることが好ましい。一方、ＲＥＭ含有量が０．０５００％を超えると、粗大なＲＥＭのオキシサルファイド（ＲＥＭ２Ｏ２Ｓ）が生成し、応力集中により、レール柱部の疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、ＲＥＭ量を０．０５００％以下、０．０４００％以下、又は０．０３００％以下とすることが好ましい。
【００５２】
ここで、ＲＥＭとはＣｅ、Ｌａ、ＰｒまたはＮｄ等の希土類金属である。上記含有量はこれらの全ＲＥＭの含有量の合計量を限定したものである。全ＲＥＭ元素の含有量の総和が上記範囲内であれば、含有されるＲＥＭが単一元素の形態であっても、複数元素の形態であっても、同様な効果が得られる。
【００５３】
Ｚｒ：０〜０．０２００％
Ｚｒは、Ｏと結合してＺｒＯ２介在物を生成する。このＺｒＯ２介在物は、γ−Ｆｅとの格子整合性が良いので、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、レール柱部に生成するマルテンサイトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、Ｚｒ量を０．０００１％以上、０．００１０％以上、又は０．００５０％以上とすることが好ましい。一方、Ｚｒ量が０．０２００％を超えると、粗大なＺｒ系介在物が多量に生成し、応力集中によりレール柱部に疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｚｒ量を０．０２００％、０．０１５０％、又は０．０１００％とすることが好ましい。
【００５４】
Ｎ：０〜０．０２００％
Ｎは、オーステナイト粒界に偏析することにより、オーステナイト粒界からのパーライト変態を促進させ、レール柱部に生成する初析フェライトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。また、ＮをＶと同時に含有させると、熱間圧延後の冷却過程でＶの炭窒化物の析出を促進させ、パーライト組織の硬度（強度）を高め、レール柱部の疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、Ｎ量を０．００６０％以上、０．００８０％以上、又は０．０１００％以上とすることが好ましい。一方、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るおそれがある。この場合、疲労損傷の起点となる気泡が生成し、レール柱部の疲労損傷が発生し易くなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｎ量を０．０２００％以下、０．０１８０％以下、又は０．０１５０％以下とすることが好ましい。
【００５５】
Ａｌ：０〜１．００％
Ａｌは、脱酸材として機能する成分である。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、さらに、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ａｌ量を０．０１００％以上、０．０５００％以上、又は０．１０００％以上とすることが好ましい。一方、Ａｌ量が１．００％を超えると、鋼中にＡｌを固溶させることが困難となるおそれがある。この場合、粗大なアルミナ系介在物が生成し、この粗大な析出物から疲労き裂が発生し、レール柱部に疲労損傷が発生し易くなるおそれがある。さらにこの場合、レールの溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ａｌ量を１．００％以下、０．８０％以下、又は０．６０％以下とすることが好ましい。
【００５６】
（２）金属組織
本実施形態に係るレールにおいて、柱部断面の金属組織の９０面積％以上をパーライト組織に限定する理由について詳細に説明する。なお、「レール柱部の断面の金属組織」とは、柱部の断面であって、レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の金属組織を意味する。
【００５７】
まず、９０面積％以上をパーライト組織に限定した理由について説明する。
パーライト組織は、合金元素の量が低くとも強度（硬さ）が得られ易く、耐疲労損傷性を向上させるのに有利な組織である。さらに、パーライト組織は、強度（硬さ）の制御が容易である。そこで、レール柱部断面の耐疲労損傷性を向上させる目的から、パーライト組織の量を所定量以上とするように限定した。
【００５８】
また、レール柱部断面の金属組織を制御する領域は、レール柱部において耐疲労損傷性が要求される部位である。図５に柱部のパーライト組織の必要範囲を示す。少なくとも、レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の金属組織の９０面積％以上がパーライト組織であればよい。
【００５９】
本実施形態に係るレールの柱部断面の金属組織は、上述のようにパーライト組織であることが望ましいが、レールの成分系や熱処理製造方法によっては、パーライト組織中に面積率で１０％以下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が混入することがある。しかし、これらの組織が混入しても、少量であれば、レール柱部の硬さに大きな影響を与えず、レール柱部の耐疲労損傷性には大きな悪影響を及ぼさない。そのため、耐疲労損傷性に優れたレールの柱部の組織としては、１０面積％以下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、マルテンサイト組織の混在を許容する。言い換えれば、本実施形態に係るレールの柱部断面の金属組織は、９０面積％以上がパーライト組織であればよい。耐疲労損傷性を十分に向上させるには、柱部断面の金属組織の９２面積％以上、９５面積％以上、又は９８面積％以上をパーライト組織とすることが望ましい。
【００６０】
レール柱部の断面の組織観察および定量化方法は下記のとおりである。
［レール柱部の断面の組織の観察および定量化方法］
●観察方法
装置：光学顕微鏡
観察用試験片採取：レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図５参照）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、ナイタールエッチ。
観察倍率：２００倍
●観察位置
位置：レール柱部の外郭表面から１．０ｍｍの位置、及び柱部の厚さ中心の位置。
●組織の定量化
観察数：前記外郭表面から１．０ｍｍの位置、及び柱部の厚さ中心の位置で各５視野以上。
定量化：外郭表面から１．０ｍｍの位置（５視野以上）、及び柱部の厚さ中心の位置（５視野以上）におけるパーライトの面積率（合計１０視野以上）を平均した値を、レール柱部の断面の金属組織に含まれるパーライトの面積率とする。
【００６１】
（３）柱部の断面硬さの最小値の限定理由
本実施形態に係るレールにおいて、レール柱部の断面の硬さの最小値をＨｖ３００以上の範囲に限定した理由について説明する。なお、「レール柱部の断面の硬さの最小値」とは、柱部の断面であって、レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲における硬さの最小値を意味する。
【００６２】
柱部の断面硬さの最小値がＨｖ３００未満では、重荷重鉄道の使用環境では、柱部から疲労き裂が発生し、疲労強度を確保できず、レール柱部の耐疲労損傷性が低下する。このため、柱部の断面硬さの最小値をＨｖ３００以上の範囲に限定する。なお、レール柱部の耐疲労損傷性を安定的に確保するには、柱部の断面硬さの最小値をＨｖ３２０以上、Ｈｖ３４０以上、又はＨｖ３６０以上とすることが望ましい。柱部の断面硬さの最大値は、後述する硬さ差の要件を満たす限り特に限定されないが、レール柱部の靭性の悪化を防止するには、柱部の断面硬さの最小値はＨｖ４５０以下、Ｈｖ４２０以下、又はＨｖ４００以下とすることが望ましい。
【００６３】
（４）レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値との差の限定理由
本実施形態に係るレールにおいて、レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値のと差をＨｖ４０以下の範囲に限定した理由について説明する。なお、「レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値との差」とは、柱部の断面であって、レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲における硬さの最大値と最小値との差を意味する。
【００６４】
柱部の断面硬さの最大値と最小値との差がＨｖ４０を超えると、重荷重鉄道において、レール柱部に作用する柱部の歪が、硬さの不均一が著しい部位に集中し、き裂が発生することにより、レール柱部の耐疲労損傷性が低下する。このため、レール柱部の断面硬さの最大値と最小値との差をＨｖ４０以下の範囲に限定する。
【００６５】
さらに、レール柱部の耐疲労損傷性をより一層向上させるには、レール柱部の断面硬さの最大値と最小値との差をＨｖ３０以下、Ｈｖ２０以下、又はＨｖ１５以下の範囲に限定することが望ましい。なお、レール柱部の断面硬さの最大値と最小値との差の下限値については限定する必要がなく、Ｈｖ０であってもよいが、レール柱部の断面硬さの最大値と最小値との差はＨｖ１０以上となることが通常である。
【００６６】
上記のレール柱部の断面硬さは下記の条件で測定する。
［レール柱部の断面硬さの測定方法、測定条件および硬さの整理方法］
●測定装置および方法
装置：ビッカース硬度計（荷重９８Ｎ）
測定用試験片採取：レール柱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  ２２４４：２００９に準じて測定。
●測定位置
レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図１参照）。
柱部外郭表面から深さ１．０ｍｍの位置を起点として、１．０ｍｍピッチで柱部の厚さ方向に連続して圧痕づけを行い、硬さを測定する。硬さ測定は少なくとも５ライン行う。
なお、圧痕の相互影響を排除するために、各測定ラインの間には１．０ｍｍ以上の間隔を設ける。
●硬さの整理方法
測定された硬さの最小値及び最大値を、当該レール柱部の断面硬さの最小値及び最大値とする。
【００６７】
（５）レール柱部の断面硬さの制御方法
レール柱部の断面硬さは、例えば、圧延条件、圧延後の頭部、柱部の制御冷却条件を調整することで、制御が可能である。
【００６８】
本実施形態に係るレールは、上記の成分、金属組織、及び硬さを備えることで、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、例えば、上記のような成分組成で構成されるレール鋼を、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、次に、熱間圧延を行い、レール柱部の断面硬さを制御するため、レール柱部表面に制御冷却を行うことで得ることができる。
【００６９】
例えば、本実施形態に係るレールの製造方法においては、成分調整後の溶鋼を鋳造してブルームとし、ブルームを１２５０〜１３００℃に加熱し、熱間圧延してレール形状に成形する。そして、圧延後にレール柱部表面に制御冷却するか、熱間圧延して放冷した後に再加熱してからレール柱部表面に制御冷却することで、本実施形態に係るレールが得られる。
【００７０】
これら一連の工程において、柱部の断面硬さを調整するには、熱間圧延条件、熱間圧延後の制御冷却条件、熱間圧延後の再加熱条件、再加熱後の制御冷却条件の製造条件を制御すればよい。なお、以下に説明する製造温度条件は、全てレール柱部の表面（レール柱部外郭表面）に適用されるべきものである。これら製造温度条件をレール頭部の表面に適用したとしても、レール柱部の表面の熱履歴等が好ましく制御されることはないと考えられる。レール頭部及びレール柱部は、厚さが異なるので、例えば冷却時の復熱の度合いなどが異なる。そのため、レール頭部とレール柱部とでは、その表面の熱履歴が必然的に異なる。
【００７１】
●好ましい熱間圧延条件、再加熱条件
レール柱部の断面硬さを確保するために、柱部における最終圧延温度を７５０〜１０００℃（レール柱部外郭表面の温度）とすることで、柱部の断面硬さの最小値の確保が可能である。
【００７２】
熱間圧延方法は、例えば特許文献６等に記載されている方法を参考にして、鋼片を粗圧延する。その後、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パス以上行う方法が望ましい。
【００７３】
また、熱間圧延後にレールを一旦冷却した後再加熱する場合は、再加熱条件としては、例えば、レール柱部の再加熱温度８００〜１１００℃（レール柱部外郭表面）の範囲となるように再加熱することで、レール柱部の断面硬さの最小値の確保が可能になる。
【００７４】
●好ましい熱間圧延後の制御冷却条件、再加熱後の制御冷却条件
レール柱部の制御冷却手段については特に限定しない。耐疲労損傷性を付与し、断面硬さを制御するために、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、熱処理時のレール柱部の制御冷却を実施すればよい。なお、制御冷却における冷却速度及び冷却温度範囲は、上述のようにレール柱部外郭表面の温度を基準にして制御する。
【００７５】
制御冷却は、レール柱部の断面硬さを均一化する目的で行う。柱部には偏析帯が存在し、硬さの不均一が発生し易い。そこで、制御冷却においては、偏析帯の硬さ上昇を抑えるために、第１段の加速冷却後に、加速冷却を一旦停止し、内部の複熱による昇温と微量の加速冷却とを利用して温度保持し、偏析部の硬さ上昇を抑制する。具体的には、復熱による柱部外郭表面の温度上昇と、冷媒の吹付による柱部外郭表面の温度下降とが釣り合って、柱部外郭表面の温度が略一定となるように、冷媒吹付による微量の加速冷却（制御冷却）を行う。温度保持終了後は、硬さを確保するため第２段の加速冷却を実施する。好ましい冷却条件範囲は下記に示すとおりである。なお、加速冷却の平均冷却速度とは、冷媒吹付中の平均冷却速度、即ち、冷媒吹付開始温度と冷媒吹付終了温度との差を冷媒吹付時間で割った値である。
【００７６】
（１）圧延後に制御冷却を行う場合
制御部位：レール柱部外郭表面
第１段の加速冷却  平均冷却速度：０．５〜５．０℃／ｓｅｃ
冷却停止温度範囲：５８０〜６８０℃
温度保持：５８０〜６８０℃の範囲内で２０〜２００ｓｅｃ（微量の加速冷却実施）
第２段の加速冷却  平均冷却速度：２．０〜５．０℃／ｓｅｃ
冷却停止温度範囲：５００℃以下
【００７７】
（２）再加熱後に制御冷却を行う場合
制御部位：レール柱部外郭表面
第１段の加速冷却  平均冷却速度：１．０〜６．０℃／ｓｅｃ
冷却停止温度範囲：５８０〜６８０℃
温度保持：５８０〜６８０℃の範囲内で２０〜２００ｓｅｃ（微量の加速冷却実施）
第２段の加速冷却  平均冷却速度：２．０〜５．０℃／ｓｅｃ
冷却停止温度範囲：５００℃以下
【００７８】
柱部の制御冷却は、空気、冷却水などの冷媒をレール柱部表面、頭部表面のいずれか、または両方に噴射することにより実施した。また、温度保持は、上述のように、復熱発生による昇温量に応じて微小な加速冷却を繰り返すことにより制御することが可能である。
なお、制御冷却する部位はレール柱部であるが、レールを立てて（頭が上）冷却する場合は、レール頭部表面に冷媒を噴射することによりレール柱部表面にも冷媒が流れ、冷却される場合もあるため、上記のように必ずしもレール柱部表面を直接冷却する必要はない。ただし、レール頭部表面に冷媒を噴射する場合であっても、制御対象が柱部外郭表面の温度であることは言うまでもない。
【００７９】
●好ましいレール頭部、足部の材質および製造条件
レール頭部、及びレール足部の材質については特に限定しない。低い合金元素量であっても強度（硬さ）が得られ易く、耐摩耗性や耐疲労損傷性が確保される組織が望ましい。
レール頭部については、耐摩耗性を確保するために、硬さＨｖ３４０以上のパーライト組織が望ましい。
レール足部についても、耐疲労損傷性を確保するために、硬さＨｖ３００以上の金属組織が望ましい。足部は耐摩耗性確保が必要ないため、パーライト組織に限らず、強度延性バランスの優れたベイナイト等の金属組織であってもよい。
また、レール頭部は硬さ確保のため、圧延後または再加熱後、熱処理を行うことが望ましい。特許文献１、特許文献７等に記載の方法で加速冷却を行うことでレール頭部は硬さ確保が可能となる。レール足部は硬さ確保、熱処理時の頭部とのバランスを図り、曲りを抑制するため、レール頭部と同様な加速冷却を行うことが望ましい。
【００８０】
上記のレール頭部の硬さの制御方法と、本発明者らが得た新たな知見と組み合わせて活用することにより、本実施形態に係るレールの製造が可能となる。
【実施例】
【００８１】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１には、本発明例であるレールの化学成分（鋼成分）を示す。表１において、化学成分の残部は鉄及び不純物であり、意図的に添加されていない元素の含有量は「−」と記載した。
表３には、柱部断面のパーライト分率（面積％）、柱部の断面硬さの最小値（Ｈｖ）、柱部の断面硬さの最大値と最小値との差（Ｈｖ）を示す。さらに表３には、図２に示す方法で行った疲労試験結果も併記した。柱部断面のパーライト分率９０％と記載した場合、レール柱部断面のパーライト組織の面積率が９０％であり、面積率で１０％の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織またはマルテンサイト組織の１種または２種以上が混入しているものも含んでいる。【００８２】
一方、表２には、比較例であるレールの化学成分を示す。表２において、化学成分の残部は鉄及び不純物であり、意図的に添加されていない元素の含有量は「−」と記載した。
表４には、柱部断面のパーライト分率（面積％）、柱部の断面硬さの最小値（Ｈｖ）、柱部の断面硬さの最大値と最小値との差を示す（Ｈｖ）。さらに表４には、図２に示す方法で行った疲労試験結果も併記した。柱部断面のパーライト分率８６％と記載した場合、レール柱部断面のパーライト組織の面積率が８６％であり、面積率で１４％の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織またはマルテンサイト組織の１種または２種以上が混入しているものも含んでいる。【００８３】
なお、表１〜表４に示した本発明レールおよび比較レールの製造工程および製造条件の概略は下記の２通りである。【００８４】
［本発明レールの製造工程］
●基本条件（圧延後に、冷却及び再加熱をすることなく、直接制御冷却を実施）
溶鋼→成分調整→鋳造（ブルーム）→再加熱（１２５０〜１３００℃）→熱間圧延→制御冷却。
●再加熱条件
溶鋼→成分調整→鋳造→再加熱→熱間圧延→放冷→再加熱（レール）→制御冷却。【００８５】
また、表１及び表３に示した本発明レールの製造条件の概略は下記に示すとおりである。表２及び表４の比較レールの製造条件については、比較例Ｄ〜Ｋは下記の本発明レールの基本条件（圧延後に制御冷却）で製造し、比較例Ａ〜Ｃについては、本発明レールの製造条件からいずれかの条件が外れた条件で製造した。【００８６】
［本発明レールの製造条件］
●基本条件（圧延後に制御冷却）
圧延条件
制御部位：レール柱部外郭表面
最終圧延温度：７５０〜１０００℃
制御冷却条件
制御部位：レール柱部外郭表面
第１段の加速冷却  平均冷却速度：０．５〜５．０℃／ｓｅｃ
冷却停止温度範囲：５８０〜６８０℃
温度保持：５８０〜６８０℃の範囲内で２０〜２００ｓｅｃ（微量の加速冷却実施）
第２段の加速冷却  平均冷却速度：２．０〜５．０℃／ｓｅｃ
冷却停止温度範囲：５００℃以下
●再加熱条件（再加熱後に制御冷却）
加熱条件
制御部位：レール柱部外郭表面
加熱温度８００〜１１００℃
制御冷却条件
制御部位：レール柱部外郭表面
第１段の加速冷却  平均冷却速度：１．０〜６．０℃／ｓｅｃ
冷却停止温度範囲：５８０〜６８０℃
温度保持：５８０〜６８０℃の範囲内で２０〜２００ｓｅｃ
（微小の加速冷却実施）
第２段の加速冷却  平均冷却速度：２．０〜５．０℃／ｓｅｃ
冷却停止温度範囲：５００℃以下【００８７】
なお、表１〜表４に示した本発明レールおよび比較レールの詳細は下記に示すとおりである。【００８８】
（１）本発明レール（３７本）
発明例１〜３７：化学成分値、柱部断面のパーライト分率、柱部の断面硬さの最小値、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差が本願発明範囲内のレール。
なお、発明例１〜１８、２３〜３７は基本条件（圧延後に直接制御冷却を実施）で製造したレール、発明例１９〜２２は再加熱条件で製造したレールである。【００８９】
（２）比較レール（１１本）
比較例Ａ〜Ｃ（３本）：柱部断面のパーライト分率、柱部の断面硬さの最小値、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差のいずれかが本願発明範囲外のレール。
ここで、比較例レールＡは、第１段の加速冷却における平均冷却速度が０．２℃／秒であったが、それ以外は本発明レールと同じ製造条件とした。比較例レールＢは、最終圧延温度が７００℃であったが、それ以外は本発明レールと同じ製造条件とした。比較例レールＣは、温度保持時間が１０秒であったが、それ以外は本発明レールと同じ製造条件とした。また、比較例レールＡ〜Ｃのいずれも、圧延後に直接制御冷却に供した。
比較例Ｄ〜Ｋ（８本）：Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓのいずれかの含有量が本願発明範囲外のレール。比較例レールＤ〜Ｋのいずれも、圧延後に直接制御冷却に供した。【００９０】
レール柱部の断面の組織観察方法は下記のとおりである。
［レール柱部断面の組織観察方法］
●観察方法
装置：光学顕微鏡
観察用試験片採取：レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図５参照）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、ナイタールエッチ。
観察倍率：２００倍
●観察位置
位置：レール柱部の外郭表面から１．０ｍｍの位置、及び柱部の厚さ中心の位置。
●組織の定量化
観察数：レール柱部の外郭表面から１．０ｍｍの位置、柱部の厚さ中心の位置で各５視野以上。
定量化：レール柱部の外郭表面から１．０ｍｍの位置（４視野以上）、及び柱部の厚さ中心の位置（５視野以上）におけるパーライトの面積率（合計１０視野以上）を平均した値を、レール柱部の断面の金属組織に含まれるパーライトの面積率とする。【００９１】
レール柱部の断面の硬さの測定方法および測定条件は下記のとおりである。
［レール柱部の断面硬さの測定方法、測定条件および硬さの整理方法］
●測定装置および方法
装置：ビッカース硬度計（荷重９８Ｎ）
測定用試験片採取：レール柱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  ２２４４：２００９に準じて測定。
●測定位置
レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図１参照）。
柱部外郭表面から深さ１．０ｍｍの位置を起点として、１．０ｍｍピッチで柱部の厚さ方向に連続して圧痕づけを行い、硬さを測定する。硬さ測定は少なくとも５ライン行う。
なお、圧痕の相互影響を排除するために、各測定ラインの間には１．０ｍｍ以上の間隔を設ける。
●硬さの整理方法
測定された硬さの最小値及び最大値を、当該レール柱部の断面硬さの最小値及び最大値とする。【００９２】
また、レールの疲労試験条件は下記のとおりである。
［レールの疲労試験（図２参照）］
試験方法：実物レールの３点曲げ（スパン長：６５０ｍｍ）。
荷重条件：２〜２０トンの範囲で変動させた。
荷重負荷の変動の周波数：５Ｈｚ。
試験姿勢：レール頭部に偏芯荷重を負荷した。荷重を負荷する位置は、レール頭部の幅の１／３だけ、レール頭部の中心からレールの幅方向にずれた位置とした（図２参照）。（曲線軌道を再現するためレール柱部に引張応力を作用させる）。
応力測定：レール柱部に貼り付けた歪ゲージにより測定。
荷重変動の繰り返し数：最大３００万回（き裂発生なし）、またはき裂発生まで。
き裂判定：定期的に試験を停止し、レール柱部の表面を磁粉探傷することにより、レール柱部表面のき裂有無を確認。
合格判定：き裂発生までの荷重変動の繰り返し数が２００万回以上、または、試験終了（荷重変動３００万回）までき裂発生なしのレールを、耐疲労折損性に優れるレールと判断。【００９３】
試験結果の整理は下記とした。
●合格材
評価Ｓ：試験終了の３００万回までき裂発生なし。
評価Ａ：き裂発生回数２５０万回以上〜３００万回未満。
評価Ｂ：き裂発生回数２３０万回以上〜２５０万回未満。
評価Ｃ：き裂発生回数２００万回以上〜２３０万回未満。
●不合格材
評価Ｘ：き裂発生回数２００万回未満。
発明例の評価結果を表３に示し、比較例の評価結果を表４に示す。【００９４】
【表１】
2020189232.tif 000003
【００９５】
【表２】
2020189232.tif 000004
【００９６】
【表３】
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【００９７】
【表４】
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【００９８】
表１〜表４に示すように、本発明レール（発明例１〜３７）は、柱部からの疲労損傷の発生を抑制できる、耐疲労折損性に優れるレールであると評価された。
具体的には、本発明レール（発明例１〜１２）は、比較レール（比較例Ｄ〜Ｋ）と比べて、鋼のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓの含有量を限定範囲内に収め、さらに柱部断面のパーライト分率、柱部の断面硬さの最小値、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差を制御することにより、レール柱部の疲労強度が向上し、レールの耐疲労損傷性が向上している。
さらに、本発明レール（発明例１３〜２２）は、比較レール（比較例Ａ〜Ｃ）と比べて、レール柱部の圧延条件、熱処理条件を適正に制御することにより、柱部断面のパーライト分率、柱部の断面硬さの最小値、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差を制御することにより、レール柱部の疲労強度が向上し、レールの耐疲労損傷性が向上している。
また、本発明レール（発明例１６〜１８、２０〜２２）は、レール柱部の制御冷却条件をさらに適切に制御することにより、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差をさらに低減する。その結果、レール柱部の疲労強度が向上し、レールの耐疲労損傷性がより一層向上している。【００９９】
一方、比較例レールＡ〜Ｋは、化学成分、レール柱部の断面の金属組織、レール柱部の断面の硬さの最小値、及びレール柱部の断面の硬さの最大値と最小値との差のいずれか一つ以上が不適切となり、疲労損傷性が損なわれた。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明によれば、レールの素材となるレール鋼の成分を制御するとともに、レール柱部の金属組織、さらに、レール柱部の硬さの最小値、当該の断面内の硬さの最大値と最小値の差を抑制することにより、レール柱部の断面内の歪の集中を抑制し、貨物鉄道の曲線区間で用いられるレール柱部に要求される耐疲労損傷性に優れるレールを提供できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１：レール柱部
２：レール頭部
３：レール足部
【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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【国際調査報告】
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