(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．６０〜０．８５％を含有し、少くともレール頭部全面にパーライトの金属組織を呈する炭素鋼または低合金鋼レールであって、レール形状に熱間圧延後、または熱処理の目的のためにＡｃ1 点以上の温度に加熱後、Ａｒ1 点以上の温度からレール頭部の頭頂部および頭側部の表面を起点として表面下５mm以内の領域がパーライト変態を開始するまで頭表面の冷却速度が１〜１０℃／ｓで冷却した後、表面を起点として表面下２０mm以上の領域がパーライト変態終了まで頭表面の冷却速度が２〜２０℃／ｓで冷却することを特徴とする高深度高強度レールの製造方法。
【請求項２】
Ｃ：０．６０〜０．８５％を含有し、少くともレール頭部全面にパーライト組織を呈する炭素鋼または低合金鋼レールであって、レール形状に熱間圧延後、または熱処理の目的のためにＡｃ1 点以上の温度に加熱後、Ａｒ1 点以上の温度からレール頭部の表面を起点として表面下５mmがパーライト変態を開始するまで頭表面の冷却速度が１〜１０℃／ｓで冷却した後、頭表面の冷却速度が２〜３０℃で４００〜６００℃の間の温度まで冷却し、この４００〜６００℃の温度域で表面を起点として表面下２０mm以上の領域がパーライト変態終了するまで保定することを特徴とする高深度高強度レールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道その他の産業機械用として使用されるレールにおいて高深度までレール頭部を高硬度化させる製造方法である。
【０００２】
【従来の技術】
高炭素でパーライトの金属組織を呈した鋼は強度が強く、耐摩耗性が良好なことから鉄道車両の重量増加に伴う高軸重化や高速輸送化に対応してレールに多く使用されている。一般にパーライト鋼では、レール頭部を高硬度化させることによって耐摩耗性が向上するといわれており、このレール頭部を高硬度化させる方法としてレール頭部の熱処理がある。
【０００３】
このような鋼材の製造方法としては、例えば、特開昭５８−２２１２２９号公報には「Ｃ：０．６５〜０．８５％、Ｍｎ：０．５〜２．５％を含有したＭｎ鋼レールをオーステナイト領域から急冷し、レールまたはレールヘッドの組織をパーライトとして耐摩耗性を改善したレールの熱処理方法」、特開昭５９−１３３３３２２号公報には「安定してパーライト組織が得られる特定成分の圧延レールをＡｒ3 点以上の温度から特定温度の溶融塩浴中に浸漬して、レール頭部表面下約１０mmまでＨｖ３５０以上の硬さを持つ微細なパーライト組織を呈するレールの熱処理方法」が開示されているがごとく、レール頭部の高硬度化技術が知られている。
【０００４】
しかし、レール頭部は厚みが大きいため、高硬度化のための冷却速度を早くするとレール頭部の表層部と内部とで冷却速度に大きく異なり、頭表部と内部との硬さに大きな差が生じる。このため、レールが摩耗すると、内部が柔らかいために摩耗速度が速くなり、寿命が短くなるという問題があり、この問題の早期解決が望まれている。
【０００５】
また、特開昭６２−２４３７１３号公報に「連鋳法あるいは造塊・分塊法で得られる鋼片を熱間圧延直後あるいは熱間圧延後一旦冷却した後、オーステナイト領域に再加熱した鋼レールを冷却するにあたり、８００〜６２０℃の温度区間をレール頭部に指向して噴出する気体もしくは気液体により、３〜１０℃／ｓの冷却速度で冷却し、頭表面から２〜８mm深さの部分をパーライト変態させた後、引き続きレールの頭表部を４〜１５℃／ｓの冷却速度で強制冷却することによってレール内部を微細パーライト高強度化する、耐表面疲労損傷性にすぐれた高強度レールの製造方法」が述べられている。
【０００６】
この方法では、レールの頭表下２〜８mmの範囲の硬さを下げることによって、潤滑による摩耗の極端に少ない場所での表面疲労損傷に対し、優れた性能を示している。しかし、重荷重鉄道での潤滑を行っていない曲線区間等の摩耗の激しいところでは、頭表面から内部まで高硬度化したレールが要求されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した要求を充足しようとするものであり、レールの単調な冷却によるレール頭部における表層部と内部の硬さの大きな差による耐摩耗性の問題を克服し、高炭素鋼のレールの耐摩耗性を向上させる方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、レール頭部において高深度まで高硬度化させたレールを製造するために、鋼成分とその製造方法から多くの実験を試みた結果、高炭素鋼ではＡｒ1 以上の領域より徐冷し、図１の曲線１で示した表面を起点として頭表下５mm以内の領域（図３の１１）がパーライト変態を開始した後（図１の点６）、急冷することにより図１の曲線２に示した内部（図３の１３）が図１の点７に示したところから大きく抜熱されることで内部のパーライト変態点が低下し、表層部変態点（図１の３）と内部変態点（図１の４）とが近くなり、硬さの差が小さくなる知見を得た。
【０００９】
本発明はこのような知見に基ずいて構成したものであり、その要旨とするところは、Ｃ：０．６０〜０．８５％を含有し、少くともレール頭部全面にパーライトの金属組織を呈する炭素鋼または低合金鋼レールにおいて、レール形状に熱間圧延後、または熱処理の目的のためにＡｃ1 点以上の温度に加熱後、Ａｒ1 点以上の温度からレール頭部の頭頂部および頭側部の表面を起点として表面下５mm以内の領域（図３の１１）がパーライト変態を開始するまで冷却速度１〜１０℃／ｓで冷却した後、表面を起点として表面下２０mm以上の領域（図３の１２）がパーライト変態終了まで冷却速度が２〜２０℃／ｓで冷却する。
【００１０】
あるいは、Ｃ：０．６０〜０．８５％を含有し、レール全面にパーライト組織を呈する炭素鋼または低合金鋼レールにおいて、レール形状に熱間圧延後、または熱処理の目的のためにＡｃ1 点以上の温度に再加熱後、Ａｒ1 点以上の温度からレール頭部の表面を起点として表面下５mm以内の領域（図３の１１）がパーライト変態を開始するまで冷却速度１〜１０℃／ｓで冷却した後、冷却速度２〜３０℃で４００〜６００℃まで冷却し、この温度域で表面を起点として表面下２０mm以上の領域（図３の１２）がパーライト変態終了するまで保定することを特徴とする高深度高強度レールの製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の態様】
まず、本発明において鋼成分を上記のように限定した理由を説明する。
通常の溶解炉で溶製された溶鋼を連続鋳造法あるいは造塊分塊法の工程を経て製造された炭素鋼片、あるいはさらにＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉなどの強度向上元素を少量含有した底合金鋼片において、Ｃはパーライト金属組織を生成させ、特にレール用鋼として耐摩耗性を向上させるために有効な成分であり、この組織を得るために０．６０％以上含有させる必要がある。しかし、０．８５％を超える量を含有させることはセメンタイト金属組織が多く析出して延性や靭性を低下させる問題がある。そこで、本発明におけるＣ量は０．６０〜０．８５％に限定した。
【００１２】
こうして製造された鋼は加熱し圧延され、その圧延後あるいは一旦パーライト変態終了後にＡｃ3 点以上に再加熱後に冷却することにより高硬度を得ている。しかし、単調な冷却では表層部と内部とで冷却速度に差が生じ、連続冷却におけるパーライト変態点に差が生じるため、硬さに大きな差が生じる。そこで、表層部と内部の硬さの差を小さくする方法の条件について説明する。
【００１３】
オーステナイト域温度であるＡｃ1 点以上から表面を起点として頭頂下５mm以内の領域がパーライト変態点を切るまで表層部と内部とに冷却速度に差を生じさせないように徐冷させる。このとき、徐冷は頭表面の冷却速度が１℃／ｓ未満の冷却速度では変態までの時間が非常にかかり、一方１０℃／ｓを超えた冷却速度では表層と内部とで大きな冷却速度の差が生じる。そこで、徐冷の頭表面の冷却速度は１〜１０℃／ｓに限定した。また、頭表下５mmを超えた領域がパーライト変態を開始すると、変態発熱量が大きくなり内部の抜熱が困難になるため、急冷を開始するのは表面下５mm以内の領域が変態を開始する時点と決定した。
【００１４】
この表層部がパーライト変態開始後、内部を抜熱するための急冷において、頭表面の冷却速度が２℃／ｓ未満の冷却速度では内部の抜熱量を大きくすることはできず、２０℃／ｓを超えた冷却速度では内部にパーライト以外の金属組織を呈するようになる。このため、表層部のパーライト変態開始後、頭表面の冷却速度は２〜２０℃／ｓに限定した。また急冷停止は頭表下パーライト変態完了の領域が２０mm未満のとき、頭表下２０mmまで高硬度を得ることはできない。そこで、急冷停止は頭表下２０mm以上の領域がパーライト変態を終了するまでとした。
【００１５】
一方、表層部がパーライト変態をした後の急冷を４００〜６００℃の間の温度で停止し（図２の８，９）保定する場合において、内部の抜熱のための急冷は２℃／ｓ未満の冷却速度では内部の抜熱量を大きくすることはできず内部硬さを上げることは困難であり、また３０℃／ｓを超えた冷却速度は制御が困難であり冷却速度が不均一になるため硬さにばらつきが生じる。また、保定温度は４００未満ではベイナイト組織を呈するようになり、６００℃を超えると内部の硬さが低くなる。そこで、冷却速度を２〜３０℃／ｓに限定し、急冷停止温度の範囲および保定温度を４００〜６００℃に限定した。
【００１６】
保定時間は、望ましくは０．５〜１０分であり、０．５分未満であるとレール長手方向の頭頂部温度が十分に均一にならないため、冷却後のレール頭頂部硬さにばらつきを生じやすくなり、１０分以上になると温度低下のための加熱装置が必要になり、プロセスが複雑になる。
【００１７】
【実施例】
表１に金属組織がパーライトを呈する供試鋼の化学成分を示す。表２、表３に熱処理条件を及びその結果得られた各部位の硬度を示した。表１、表２はそれぞれ請求項１、請求項２におけるは本発明および比較法の実施例を示している。  本発明法では比較法に比べて、レール頭表部と内部の硬さの差が大きくなり、高深度まで高硬度を得ることができることがわかる。
【００１８】
【表１】
0003731934.tif 000002
【００１９】
【表２】
0003731934.tif 000003
【００２０】
【表３】
0003731934.tif 000004
【００２１】
【発明の効果】
本発明によって図４に示すように熱処理後のレール頭部を高深度まで高硬度化することができる。この方法より、頭頂の硬さと頭表下２０mmの硬さの差はＨｖ２０以下でかつ長手方向の硬さのばらつきが少ないレールを得ることができる。また、内部まで高硬度なため、レールの耐摩耗性が一段と向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のレール頭部の連続冷却曲線を示す図。
【図２】実施例２のレール頭部の連続冷却曲線を示す図。
【図３】レール頭部の冷却範囲を示す図。
【図４】レール頭部横断面硬さ分布を示す図。
【符号の説明】
１      表面を起点として頭表下５mm以内の領域の冷却曲線
２      表面を起点として頭表下２０mm以上の領域の冷却曲線
３      表面を起点として頭表下５mm以内の領域のパーライト変態点
４      表面を起点として頭表下２０mm以上の領域のパーライト変態点
５      パーライト変態開始曲線
６，７  急冷開始点
８，９  保定開始点
Ｐ      パーライト変態領域
１１      表面を起点として頭表下５mm以内の頭表部の領域
１２      表面を起点として頭表下５〜２０mmの領域
１３      表面を起点として頭表下２０mmの内部の領域
１４      表面を起点として頭表下５mmの線
１５      表面を起点として頭表下２０mmの線
【図１】
0003731934.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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