海外の重貨物鉄道で使われる高耐摩耗レール
木 村 達 己1) 本 庄稔1) 長 谷 和 邦2)ール頭頂部が 20 mm 以上摩耗し，レールの交換寿命に達し.

は じめにている．こうした摩耗損傷の著しい環境下で用いられるレー
ルには，特に優れた耐摩耗性が求められる．そのためミクロ19 世紀初めにイギリスで開通して以来，鉄道は人や物資を運搬する重要な輸送手段としての役割を担ってきた．輸送組織最適化による耐摩耗性向上の検討が進められてきた(1)(3)．

手段が多様化した現在でも，地球温暖化抑制や環境汚染抑制

レールには共析組成(炭素量0.8 mass)のパーライト組の観点から鉄道輸送の重要性は見直されている．鉄道は旅客織を有する鋼が一般的に使われている．さらなる耐摩耗性向

鉄道と貨物鉄道に分類され，それぞれの目的に応じて異なっ上の観点から以下のパーライト組織の高硬度化が行われていた特性が要求される．旅客鉄道では，より早く快適に移動する．一つ目は炭素量の増加による硬質セメンタイト量の増加

るための高速化，騒音や振動抑制などの乗り心地向上などがであり(4)，炭素量を 1程度まで増加させた過共析レールが求められる．一方，貨物鉄道の場合には，大量に物資を輸送開発されている(5)(7)．二つ目の手法は，ラメラー間隔の微することが重要であり，積載重量の増大(高軸重化)や長編成細化である．この手法はセメンタイト量の増加(炭素量の増化(マイルトレイン)が図られている．特に，北米の大陸横断加)によらず高強度化が図れ，耐摩耗性向上に有効である(8)貨物鉄道，鉄鉱石や石炭を運搬するオーストラリアやブラジが，合金設計と製造過程での加工熱処理の最適化が重要とな

ルの鉱物鉄道ではレールの耐久性向上が求められている．

る．

海外重貨物鉄道におけるレールの使用環境を国内の旅客鉄

ここでは，重貨物鉄道レールのミクロ組織の制御指針につ道と比較し表に示す．軸重とは，車軸一本に負荷される最いて述べるとともに，パーライトラメラー組織の微細化を追大荷重を示し，左右両輪にかかる荷重(輪重)の和である．ま

求した高耐摩耗レール(SP3: Super Pearlite Type 3)を開た， 1 年間当たりの通トン数とは，1 年間に通過する累積車発(9)(10) したので，その基本性能並びに使用性能について紹両重量のことである．重貨物鉄道では軸重が最大 40 トン，介する．

通トン数も最大 200 MGT(百万通トン)であり，国内の旅客鉄道と比較して数倍高い．こうした高軸重化はレールと車輪の接触環境を過酷化させレール摩耗損傷の原因となっている．特に遠心力が付加される曲線区間は直線区間に比べて摩耗が著しく，レール交換頻度やメンテナンスコストを増加させている．図は北米重貨物鉄道の曲線区間に敷設・供用されたブリネル硬さ( HB )が 370 級の熱処理レールの摩耗状況である．供用期間がわずか 2 年と短期間にもかかわらずレ

表1

国内旅客鉄道
海外重貨物鉄道

レールの使用環境の比較．
軸重(ton)

通トン数(MGT/年)

摩耗量(mm/年)～16～40～30～200～2～12

図1

重貨物鉄道におけるレール摩耗状況．

JFE スチール株式会社 スチール研究所鋼材研究部1)主任研究員 2)部長(〒7128511 倉敷市水島川崎通 1 丁目)
High Wear Resistance Rail for Heavy Haul Railways; Tatsumi Kimura, Minoru Honjo and Kazukuni Hase(Steel Products ResearchDepartment, Steel Research Laboratory, JFE Steel Co., Kurashiki)
Keywords: rail, heavy haul railways, wear, pearlite, eutectoid steel, lamellar spacing, hardness
2016年 6 月 7 日受理[doi:10.2320/materia.55.448]

ミ ニ 特 集図2

摩耗試験に供したレール鋼のミクロ組織．

図4
図3

ミクロ組織の異なるレール鋼のブリネル硬さと摩耗量の関係(8.1×104 回転後)．

共析鋼の硬さに及ぼすラメラー間隔の影響．

ンタイトが層状をなすラメラー構造であり，ラメラーが同一方向であるコロニー，ラメラーの方向は異なるがフェライトの結晶方位が同一となるブロックで構成される(11)．パーラ.

耐摩耗性に及ぼすミクロ組織の影響

イトの硬さを上昇させるための組織因子としては，ラメラー間隔の微細化が有効であることが知られている(12)．図にレールの最適ミクロ組織を導出するため，図に示すよう共析鋼の硬さに及ぼすラメラー間隔の影響を示す．硬さとラにミクロ組織をパーライト，焼もどしマルテンサイト，ベイメラー間隔には相関があり(13)，ラメラー間隔を微細化する

ナイトと変化させた試験片を作製し，2 円筒式のすべり摩耗ことにより硬さを上昇させることができる．しかしながら，試験を行った．試験片のブリネル硬さと摩耗量の関係を図

オーステナイトからパーライトが生成する際，変態に伴う体に示す．いずれの組織においても硬さの増加とともに摩耗量積的な自由エネルギー(式( 1 ))は減少するが，フェライト/は減少した．一方，同一ブリネル硬さで比較した場合，ベイセメンタイト界面を形成するために，界面エネルギー(式ナイト，焼もどしマルテンサイト，パーライトの順で摩耗量( 2 ))は増加する(14)．

は減少し，パーライト組織を有する鋼の耐摩耗性が最も優れていた．レールの耐摩耗性は摩耗試験後の表面硬さと一義的な相関があることが知られており(2)，初期硬さが同じであっても，摩耗試験中の加工硬化能の高いパーライト組織を有す(T T－T)･l･d･dx ( 1 )体積的な自由エネルギーDH･VM･EE

界面エネルギー2sddx(2)

ここで， DH はパーライト変態のエンタルピー変化， VM はる鋼は，ベイナイトや焼もどしマルテンサイトを有する鋼よパーライトのモル体積，l はラメラー間隔，d はラメラーのりも高い耐摩耗性能を示す．そのため，一層の耐摩耗性向上

厚さ，dx はパーライトラメラーが成長した距離，l ・d・ dxには，優れた加工硬化特性をもつパーライト組織をさらに硬はパーライト変態を完了した部分の体積(図)，s は単位面くすることが重要である．

積当たりの界面エネルギー，TE はパーライト平衡変態温度，T はパーライト変態温度である．体積的な自由エネルギー.

パーライトラメラー微細化による耐摩耗性向上

よりも界面エネルギーが大きくなると，ラメラーは成長しなくなるため，ラメラー間隔の微細化には限界がある(15)．

パーライト組織は，板状の軟質なフェライトと硬質なセメ

ま て り あ 第55巻 第10号(2016)
Materia Japan

フェライト/セメンタイトの界面エネルギーに費やすこと



図5

図6

パーライトラメラー成長の模式図．

図7

600 °
C および 650 °C で恒温変態させた共析鋼のパーライトラメラー組織．

過冷度とパーライトラメラー間隔の関係．のできるエネルギーは，パーライト変態の駆動力の大きさになる．化学的な駆動力の大きさは，パーライト平衡変態温度(TE)からの過冷度(DT )に比例する．そのため，ラメラー間隔は下記式( 3 )で記述できる(14)(16)．

l＝()

2sTE2s1
1＝･＝a ･DH･VM TE－T
DH ･ V M D TDT

図8

共析鋼の連続冷却変態曲線(CCT)の模式図．

図9

ラメラー組織に及ぼす圧延後の冷却方法の影響．

(3)

式( 3 )より，ラメラー間隔を微細化するためには，DT の増加が有効である．過冷度とパーライトラメラー間隔の関係を図に示す．1/DT が減少，すなわち DT が増加すると，ラメラー間隔は微細化している．このように，ラメラー間隔微細化のためには DT の増加が有効である．
次に DT を最大化するための考え方を示す．式( 4 )に示
すように，DT はパーライト平衡変態温度(TE)とパーライト変態温度(T )の関数であるため，TE の上昇，もしくは T の低下により DT が増加する．

DT＝(T T－T)＝{1－(TT )}EE(4)ETE は合金元素に依存するため，TE を上昇させる Cr などの合金成分の添加が有効(10)(17) である．図に 600 °C およびうことにより微細化できる．

650°
Cで恒温変態させた共析鋼のパーライトラメラー組織を以上述べたように，レールの DT を最大化する Cr などの示す．ラメラー組織は変態温度 T を低下することにより微成分設計と熱間圧延後，加速冷却を行うことで，微細パーラ細化した．

イトラメラー組織を有する高耐摩耗レールを開発した．

図に共析鋼の連続冷却変態曲線( CCT )の模式図を示す．冷却速度が速くなると，パーライト変態温度 T は低下.

微細ラメラー組織を有する高耐摩耗レール(SP3)する．そのため DT は増加するので，ラメラーは微細化する．図にラメラー組織に及ぼす圧延後の冷却方法の影響を開発レールのミクロ組織を図に示す．開発レールは微細示す．ラメラー組織は熱間圧延後，エアー圧力や冷却時間をなパーライト組織であり，そのパーライトラメラー間隔は表最適化させた衝風冷却( Slack quenching )にて加速冷却を行面でおよそ 0.07 mm である．これは重貨物鉄道で主に使わミ ニ 特 集図10

パーライトラメラー組織の比較．

図13

実使用環境におけるレール摩耗量の比較．

.
図11

開発鋼の硬さ分布．

まとめ

海外の重貨物鉄道に用いられるレールは，高軸重の過酷な使用環境で用いられるため，優れた耐摩耗性が求められる．
そこで，レールの耐摩耗性に焦点を当て，パーライトラメラーの微細化を追求した高耐摩耗レールを開発し，その基本性能並びに使用性能について研究開発の一端を紹介した．
レールには耐摩耗性以外に転動疲労特性(Rolling ContactFatigue: RCF)や腐食耐食性など使用される環境に応じて要求される性能は様々である．
今後，積載重量の増大(高軸重化)や長編成化により，レールの使用環境はますます厳しくなることが想定され，より安全で耐久性に優れたレールの開発が必要である．

図12

開発鋼の強度と延性．

れている HB370級熱処理レール(汎用レール)のラメラー間隔よりも細かい．その結果，図にレールの頭部表面から深さ方向のブリネル硬さ分布を示すように，開発レールは汎用レールと比較して HB50ポイント硬さが上昇した．強度と延性の関係を図に示す．開発レールは汎用レールと比べて引張強さが 100 MPa 上昇したが伸びの低下は見られなかった．
北米の重貨物鉄道に開発レールを敷設し，実環境でレールの摩耗量をモニターした結果を図に示す．開発レールの摩耗量は汎用レールよりも少なく，レール寿命は25(6 か月)向上した(10)．北米の運輸技術センター(TTCI: Transportation Technology Center, Inc.)が保有するプエブロ実験線にて行われた敷設試験においても，開発レールは優れた耐摩耗性を示した(18) ．開発レールは，既に重貨物鉄道用高耐摩耗レールとして実用に供されており，適用拡大を進めている．

ま て り あ 第55巻 第10号(2016)
Materia Japan文

献( 1 ) Y. Kataoka, J. Furukawa, M. Ueda, T. Horita and H.
Yamanaka: 1992 Rail Steels Symposium Proceedings, (1992),
1116.
( 2 ) 杉野和男，桝本引毅，西田新一，浦島親行，影山英明，服部正善製鉄研究，303(1980), 2338.
( 3 ) 横山泰康，三田尾眞司，酒井潤一，山本定弘鉄と鋼， 86(2000), 417424.
( 4 ) 上田正治，内野耕一，瀬沼武秀鉄と鋼， 90 ( 2004 ) 1023 1030.
( 5 ) 上田正治，佐藤琢也，山本剛士，狩峰健一ふぇらむ， 17(2012), 4045.
( 6 ) 上田正治，松下公一郎，岩野克也，小林 玲，山本剛士，宮崎 照 久 ， 高 橋 淳 ， 小 林 由 起 子  新 日 鉄 住 金 技 報 ， 395(2013), 6472.
( 7 ) A. Joerg, B. Eisenkolb, J. Goriupp, A. Zlatnik, R. Hochfellner,
S. Scheriau and H. P. Brantner: 11th International Heavy Haul
Association Conference, (2015), 710717.
( 8 ) P. Clayton and D. Danks: Wear, 135(1990), 369389.
( 9 ) 木村達己，竹正峰康，本庄 稔 JFE 技報， No. 26, ( 2010 年8 月)，1116.

(10) T. Kimura, M. Honjo, S. Mitao, M. Takemasa and R.
Matsuoka: 10th International Heavy Haul Association Conference, (2013), 5156.
(11) T. Takahashi, M. Nagumo and Y. Asano: J. Jpn. Inst. Met., 42(1978), 708.
( 12 ) 例えば，田代 均，佐藤 洋日本金属学会誌， 55 ( 1991 ) ,10781085.
(13) A. R. Marder and B. L. Bramfitt: Met. Trans. A, 7A (1976),365372.
(14) C. Zener: Trans. AIME, 167(1946), 550595.
( 15) 山本定弘第 161・ 162 回西山記念技術講座，日本鉄鋼協会，東京，(1996), 215
239.
(16) H. K. D. H. Bhadeshia and S. R. Honeycombe: Steels (ThirdEdition), Elsevier, ButterworthHeinemann, UK, (2006), 53.
(17) M. Honjo, T. Kimura, K. Hase, K. Okushiro, H. Kijima, R.
Matsuoka and M. Takemasa: 11th International Heavy Haul
Association Conference, (2015), 718722.
(18) D. Szablewski, D. Glltscher, J. LoPresti and S. Kalay: 10thInternational Heavy Haul Association Conference, (2013), 43
50.



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木村達己
1985年 久留米工業高等専門学校金属工学科卒
1985年 川崎製鉄株式会社(現 JFE スチール株式会社)入社
専門分野鉄鋼材料◎建築・土木分野へ用いられる形鋼，厚鋼板および鉄道レールなどの鉄鋼材料の研究・商品開発に従事．

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木村達己

本庄稔

長谷和邦

ミ ニ 特 集