重貨物鉄道用高耐摩耗パーライトレール「SP3」の開発
木 村 達 己本庄稔
三田尾眞司
1)
1)
2)
竹 正 峰 康
石 川 啓 史3)
4)

イトラメラー組織を極限まで微細化させた高耐摩耗レール

. 緒言

SP3(Super Pearlite Type 3)を開発した．開発レールは既に北米の重貨物鉄道路線に敷設され，優れた性能を発揮してい鉄道輸送は旅客や貨物を大量に効率よく輸送できる重要な輸送手段であり，近年，地球温暖化抑制の観点からもその重る．ここでは，開発した SP3 レールの組織制御指針と基本性能について述べる．

要性が見直されている．輸送効率向上等の観点から，旅客鉄道では更なる高速化が，また，貨物鉄道では積載重量の増大化が進められている．
特に北米等では，穀物や鉱物等を運搬する貨物輸送におい.

開発技術



耐摩耗性に及ぼす硬さの影響て，鉄道は重要な役割を担っており，貨車一両あたりの積載図にパーライト組織鋼の引張強さと摩耗量の関係を示

重量は，日本国内の鉄道の数倍にのぼっている．車輪とレーす．縦軸は西原式摩耗試験による摩耗減量であり，数値が小ル間の摩擦条件も過酷を極め，レールの摩耗や表面疲労損傷さいほど耐摩耗性に優れる．引張強度上昇に伴い耐摩耗性はが増加し，レール交換をはじめとするメンテナンスコスト増向上する．また，耐摩耗性は鋼材のミクロ組織にも依存し，大を招いている．重貨物鉄道用のレールには，一層の耐摩耗同一硬さでは，パーライトが最も耐摩耗性に優れ，焼戻しマ性，耐表面疲労損傷性の向上による長寿命化が求められてい

ルテンサイト，ベイナイトの順に耐摩耗性が劣化する(3)．

る．
レールは製造プロセスにより普通レールと熱処理レールに

パーライト組織の強化分けられる．普通レールは，0.65程度の炭素を含有する鋼

パーライトは板状のフェライトとセメンタイトからなる層を用い，熱間圧延のままで製造されるが，北米等の重貨物鉄状組織(ラメラー組織)であり，ラメラー間隔の微細化により道の曲線部で用いられる高耐摩耗熱処理レールは，通常，高強度化される(4)．オーステナイトからパーライトが生成す

0.8 程度の炭素を含有する鋼を熱間圧延後，レール頭部にブロアで風を吹付けて加速冷却し，パーライト組織を微細化して高硬度化を図っている．更なる長寿命化に対するニーズに応えるために，過共析化によって耐摩耗性向上させたレール(1) や合金設計と TMCP (加工熱処理)を駆使した微細パーライト組織を有する熱処理レールが提案されている(2)．
今回，新たな成分設計と製造条件の最適化により，パーラ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
西日本製鉄所 3)鋼材商品技術部主任部員
4)福山条鋼部副工場長
Development of SP3 Rail with High Wear Resistance andRolling Contact Fatigue Resistance for Heavy Haul Railways:
Tatsumi Kimura, Minoru Honjo, Shinji Mitao, Mineyasu
Takemasa, and Hiroshi Ishikawa ( JFE Steel Corporation)
2010年10月29日受理

ま て り あ 第50巻 第 3 号(2011)Materia Japan

図1

パーライト組織鋼の引張強さと摩耗量の関係．



る際，体積的な自由エネルギーは低下するが，ラメラー間隔TE が上昇し，同一変態温度におけるラメラー間隔の微細化が微細化するほど，フェライト/セメンタイト界面エネルギに有効であると考えられる．

ーの総和が増大するため，微細化には限界がある．レール鋼

ラメラー間隔の極限の微細化に向けて，成分設計と製造条におけるラメラー間隔微細化は，工業的には 0.05 mm が限件最適化の両面から開発に取り組み，パーライトレール鋼と界であると言われている(5)．

して従来にない高い表面硬度を達成するとともに，レールのフェライト/セメンタイトの界面エネルギーに費やすこと内部まで安定的にラメラー間隔を微細化する技術を確立した．のできるエネルギーはパーライトの変態駆動力の大きさに依存する．変態駆動力の大きさはパーライト平衡変態温度

.

開発商品(SP3 レール)の製造(TE)からの過冷度(DT )に比例するので，DT を大きくすることによりラメラーの微細化を図ることができる(6)．

DT を大きくするための考え方を模式的に図に示す．

SP3 レールの代表化学組成を表に示す．レール頭部から内部まで高硬度化するために，DT を最大化させる成分設

DT を大きくするためには，圧延後の加速冷却が不可欠であ計を行うとともに，熱間圧延後，最適化した衝風冷却(Slackる．但し，マルテンサイトの生成を抑えるために，冷却速度Quenching)を施し，レールを製造した．

や冷却停止温度等の製造条件最適化が重要である．また，成分設計に関しては，溶接時も含めてマルテンサイトの生成を

ミクロ組織および硬度特性抑える一方で， TE を上昇させることによって，同一変態温SP3 レールのミクロ組織を国内の普通レールと比較して度におけるラメラー間隔を微細化できると考えられる．図

図に示す．普通レールのラメラー間隔が約 0.25 mm であは，TE に及ぼす Cr の影響を熱力学平衡計算ツール「Ther-るのに対し， SP3 レールのラメラー間隔は約 0.07 mm であmocalc ｣(7) で計算した結果である． Cr 量の増加にともないり，工業的な限界といわれる 0.05 mm 近くまでの微細化が達成されている．

表1

図2

DT を大きくするための成分設計，製造条件の考え方．

図3

Cr 量と TE に関する計算結果(Fe0.8 C 系)．

開発レール(SP3)の代表化学組成．
(mass)CSi

MnPSOthers

SP30.81

0.55

0.55

0.0140.005

Cr, V

図4

普通レールと SP3 レールのミクロ組織(SEM 像)．

図5

SP3 レールの頭部硬さ分布と，従来レールとの表面硬さの比較．

新技術・新製品

表2

SP3 レールの引張特性と従来レールの比較．

SP 3 レール
高耐摩耗従来レール
熱処理 HH340 レール
普通レール0.2YS(MPa)TS(MPa)El()9678768576561409
13121213
90914161314

表3

実敷設試験による耐摩耗性の比較．
レール

比摩耗量

従来高耐摩耗レール
SP3 レール

10089

図7

実敷設レールの表面状態の比較．

を行った．その結果，表層および 19.1 mm 深さともに，3～13 の耐転動疲労特性の向上が確認された．これには，高図6

西原式摩耗試験結果．

強度化や非金属介在物の軽減が寄与していると考えられる．

.

実 用 化 状 況

SP3 レール頭部の硬度分布を図に示す． SP3 レールの表面ブリネル硬さ(HB)は HB430であり，従来の高耐摩耗レ

SP3 レールは， 2008 年より北米重貨物鉄道路線の曲線区ールに対して，ブリネル硬さで 30 ポイント以上の高硬度が間に実際に敷設され，摩耗挙動や表面疲労損傷の生成状況に得られている．また， 25.4 mm 深さにおいても HB390 以上ついて継続的に観察した．その結果，従来の高耐摩耗レールの高硬度を維持している．


引張特性

SP3 レールの代表的な引張特性を表に示す． 0.2 耐力と比較して10以上の耐摩耗性向上が確認された(表)．また，レール表面の転動疲労損傷も軽微であり，良好な耐疲労損傷性が得られている(図)．溶接性も従来レールと同等であり，2010年より実用化を進めている．

で 967 MPa ，引張強さで 1409 MPa の高強度を示す．このような高強度にもかかわらず，良好な延性が得られている．


耐摩耗性

SP3 レ ー ル と 従 来 の 高 耐 摩 耗 レ ー ル の 頭 部 表 面 お よ び
19.1 mm 深さより，直径 30 mm (内径 16 mm )，厚さ 8 mm

.

特許本技術に関しては特許4390004号公報，特開 2009108396
号公報，特開2009235515号公報など 5 件の特許提案をしており，海外にも出願している．の円筒形の摩耗試験片を採取し，西原式摩耗試験により耐摩耗性を評価した．車輪模擬材にはビッカース硬さ HV370 の

文献調質鋼を用いた．試験条件は，接触応力 1.5 GPa ，回転数800 rpm，すべり率－10，無潤滑環境下である．結果を図に示す．縦軸は，試験片の摩耗重量減を 1 億通トン( MGT )当たりのレールの摩耗深さ( mm )に換算して表しており，数値の小さい方が良好な耐摩耗性を示す． SP3 レールは，従来の高耐摩耗レールよりも，表面，内部ともに耐摩耗性が10以上向上していることが確認された．


耐転動疲労特性

西原式摩耗試験機を用い，接触圧力 2.2 GPa，回転速度

( 1 ) 上田正治，内野耕一，松下公一郎，小林 玲新日鉄技報，375(2001), 150155.
( 2 ) 横山泰康，三田尾眞司まてりあ，41(2002), 129131.
( 3 ) Y. Kataoka, J. Furukawa, M. Ueda, T. Horita and H. Yamanaka: 1992 Rail Steels Symposium Proceedings, (1992), 1116.
( 4 ) 古川直宏ら変形特性の予測と制御，日本鉄鋼協会(1994).
( 5 ) 山本定弘第 161, 162 回西山記念講座，組織制御による鋼の耐摩耗性向上技術，(1996), 217239.
( 6 ) C. Zener: Trans. Metall. Soc. AIME, 167(1946), 550595.
( 7 ) B. Jansson, M. Schalin, M. Selleby and B. Sundman: Computer
Software in Chemical and Extractive Metallurgy, ed. by C. W.
Bale et al., (The Metall. Soc. CIM, Quebec, 1993), 5771.

800 rpm，すべり率－20，油潤滑環境下で転動疲労試験

ま て り あ 第50巻 第 3 号(2011)Materia Japan