JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）p. 11–16

高軸重用高耐久パーライトレール SP3 の開発
Development of SP3 Rail with High Wear Resistance andRolling Contact Fatigue Resistance for Heavy Haul Railways

木村達己

KIMURA Tatsumi

JFE スチール

スチール研究所

竹正峰康

TAKEMASA Mineyasu

JFE スチール

西日本製鉄所本庄稔

HONJO Minoru

JFE スチール

スチール研究所

厚板・形鋼研究部

主任研究員（課長）

鋼材商品技術部形鋼室
棒鋼・線材研究部

主任部員（課長）

主任研究員（副課長）・工博

要旨
北米などの高軸重貨物鉄道向けに適用される高軸重用の高硬度・高硬化深度型高耐久レール（SP3）を開発した。
開発レールは，耐摩耗性や耐疲労損傷性を向上させることを目的に，レールの成分設計を行うとともに圧延後の衝風冷却条件を最適化させた TMCP（熱処理）により製造した。開発した SP3 レールのパーライトラメラー間隔は0.07 μm と極めて微細であり，表面硬度 HB420 ポイント以上，1 インチ（25.4 mm）深さも HB370 以上の高い硬度を有する。その結果，耐摩耗性は，HB390 級従来熱処理レールに比べ 10％以上向上することを実験室での試験ならびに実敷設によるレール性能評価試験によって確認した。さらに，レール表面にはきしみ割れ，剥離なども見られず，良好な耐疲労損傷性も得られている。

Abstract:
JFE Steel has developed high performance pearlitic steel rail (SP3) with excellent wear resistance and rolling
contact fatigue (RCF) resistance for heavy haul railways. To obtain excellent wear and RCF resistances, SP3 rail wasmanufactured by the suitable alloy design and optimum production conditions including the thermo-mechanicalcontrolled process (TMCP). The lamellar spacing of SP3 was extremely fine of 0.07 μm near the rail surface, with thesurface hardness of 420 in Brinel scale (HB420) or higher. In addition, SP3 showed high hardness over HB370 evenat 1-inch depth (25.4 mm-depth) from the rail head surface. The excellent wear and RCF resistances of SP3 have been
demonstrated by the actual performance tests at heavy haul railway in North America. At approximate 100 mgt fromthe installation, SP3 showed 10% better wear resistance comparing with the conventional HB390 grade heat treatment
rail at the test, without showing any fatigue damage on the rail head surface, such as flaking and shelling.

1.

はじめにんでいる。このような輸送環境の苛酷化は，豪州やブラジルなどの鉱山輸送鉄道においても同様である。
一方，国内では，旅客鉄道が主体的で，いっそうの高速中国やブラジル，ロシアといった新興国の経済成長にともない，地球規模での物流が拡大している。このようななか化が図られている。

で，鉄道輸送は旅客や貨物を大量に効率よく輸送できる手輸送環境の苛酷化にともない，車輪とレール間の接触環段として早くから確立されており，鉄道輸送の重要性はさら境もより厳しくなっており，レール摩耗の増加やシェリング，に見直されている。

きしみ割れなどの表面損傷の増加がレール交換やメンテナ

鉄道輸送では，貨物輸送と旅客輸送とに大きく分類されンスの負担を増大させている。当社では，これまでも合金る。さらなる輸送効率向上の観点から，貨物輸送では，積設計と TMCP( 熱処理 ) を駆使した高性能の熱処理レール載重量の増大（高軸重化）や貨車の長大化が進んでいる。

（Super Pearlite rail : SP レール）を開発してきた

特に，北米における大陸横断鉄道は代表的な貨物輸送ルー

レールのいっそうの耐摩耗性および耐表面損傷性向上が求トとして挙げられ，その積載重量は日本国内の数倍にも及められているなかで，今回さらにパーライトラメラー組織を

1,2)。しかし，極限まで微細化させることで高硬度化を図った，高硬度・2010 年 4 月 26 日受付

高硬化深度型の高耐久レール (SP3) を開発した。すでに，− 11 −

高軸重用高耐久パーライトレール SP3 の開発

4,5)

北米での重貨物鉄道向けに試験的に敷設され，優れた性能化することにより高強度化することができるを発揮しつつある。ここでは，開発した SP3 レールの組織

ナイトからパーライトが生成する際，体積的な自由エネル制御指針と基本性能について紹介する。

ギーは低下するが，フェライト／セメンタイトの界面を形成。オーステ

するため，ラメラーが微細化するほど界面エネルギーの上

2.

レール耐久性向上の基礎検討
2.1

昇は大きくなり，微細化には限界がある。工業的に得られる
6)

微細ラメラーの限界は 0.05 μm といわれている 。

耐摩耗性に及ぼす硬さおよびミクロ組織の影響

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

図 1 にパーライト組織鋼の硬さと摩耗量の関係を示す。

なるため，化学的な駆動力の大きさはパーライト平衡変態

縦軸は 2 円筒式回転接触試験（西原式摩耗試験）による摩温度（TE）からの過冷度（ΔT）に比例する。したがって，耗減量であり，数値が小さいほど耐摩耗性に優れる。硬度

ΔT を大きくすることよってラメラーの微細化を図ることが上昇にともない耐摩耗性は向上する。また，耐摩耗性は鋼できる 。ΔT を最大化するための考え方を図 2 に示す。成材のミクロ組織にも依存し，ベイナイト，焼もどしマルテン

分設計においては，パーライト変態温度および Thermo-Calc3)

7)®

サイト，パーライトの順に耐摩耗性が向上する 。パーライによる TE の導出，さらに，圧延後，冷却速度や停止温度なト組織鋼の摩耗試験後の表層部断面ミクロ組織を写真 1 にどの TMCP 条件を最適化することによって，パーライト変示す。硬度増加に対応して表層の塑性流動は浅くなり，表態温度の低温化を図り，ΔT の最大化を追求した。このよう面損傷に対しても高硬度化は有効であると判断できる。

なレールの成分設計と TMCP 条件の最適化を通して，写真2.2

2 に示すような開発レールのラメラー間隔をレール表層から

パーライトラメラーの微細化

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状組織（ラメラー組織）である。このラメラー組織を微細Temperature

5
Weight loss by wear (g)17×104 cycles(Recrystallized γ )∆TTEPearlite

Cooling rate :rapidMartensite

1TimeMartensite
0.1
250

300
350Hardness (HB)

図1400

図2∆T : Large
Fine pearlite∆T :SmallRough pearlite

過冷度（ΔT）を最大化するための模式図

Fig. 2 Schematic illustration showing maximum super cooling(ΔT) for formation of fine pearlite microstructure

硬さと摩耗量の関係

Fig. 1 Relationships between hardness and wear resistance

1 μm
50 μm
(a) HB275

写真１(a) Conventional heattreatment rail(b) HB337

写真 2

摩耗試験後の表層部のミクロ組織変化

Photo 1 Cross sectional microstructures near wear surface
after the wear tests (Hardness (HB) of sample:(a) HB275 and (b) HB337)

JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）(b) Developed rail

 発レールと従来熱処理レールのラメラー組織の比開較Photo 2 Pearlite lamellar structures of (a) Conventional heattreatment rail and (b) Developed rail

− 12 −

高軸重用高耐久パーライトレール SP3 の開発

より内部まで安定的に微細化する技術を開発した。

高硬度・高硬化深度 SP3 レールの製造
3.1Surface
25.4 mm

SP3 レールの化学組成と製造プロセス(b) 0.09 μm1.0” (25.4 mm)from surface

開発した SP3 レールの代表化学組成を表 1 に示す。C 量は 0.81％であり，レール頭部から内部まで高硬度化するために，ΔT を最大化させる成分設計となっている。転炉 - RH 脱ガス後，連続鋳造で鋼片にした後，熱間圧延した。熱間圧

Conventional heatt
reatment rail

SP3 railに て 加 速 冷 却（Slack quenching） を 行 う TMCP を 施 し，

写真 4141 ポンド（約 70 kg）サイズのレールを製造した。

パーライトラメラー組織の比較

Photo 4 Pearlite lamellar str uctures of sur face and 1.0”
(25.4 mm) from sur face ((a), (b): SP3 rail, and(c), (d): Conventional heat treatment rail)

母材性能

3.2.1(d) 0.10 μm

2 µm

延後，エアー圧力や冷却時間を最適化させた衝風空冷条件

3.2(c) 0.09 μm

Surface3.

(a) 0.07 μm

ミクロ組織および清浄度開発した SP3 レールの代表的なミクロ組織を写真 3 に示す。ミクロ組織はフルパーライト組織であり，マルテンサイ
トの生成は見られなかった。SP3 レールのパーライトラメ

表1ラーを HB390 級の従来熱処理レール（以下，従来熱処理開発した SP3レールの代表化学組成レール）と比較して写真 4 に示す。SP3 レールのラメラー

Table 1  Typical chemical composition of developed SP3 rail

間 隔 は 極 め て 微 細 で あ り， 表 面 で 0.07 μm， １ イ ン チ(mass%)
SP3CSiMnPSOthers

0.81

0.55

0.55

0.0140.005

Cr, V(25.4 mm) 深さでも 0.09 μm であった。従来熱処理レールのそれは，表面部が 0.09 μm であることから，開発したレールがより内部まで緻密なパーライトラメラー構造を維持していることが分かる。

Surface＊SP3 レールの清浄度を AREMA 規格に準拠して調べた結25.4 mm

果を表 2 に示す。非金属介在物は十分に少なく，AREMA規格を満足している。
3.2.2

100 μm(a) Surface

写真 3に示す。SP3 レールの硬さは，従来熱処理レールと比べて(b) 1.0” (25.4 mm)from surface

表面で HB40 ポイント，1 インチ（25.4 mm）深さにおいてもおよそ HB20 ポイント上昇しており，1 インチ（25.4 mm）

SP3レールのミクロ組織

Photo 3 Microstructures of SP3 rail; (a) surface and (b) 1.0”
(25.4 mm) from surface
表2Table 2

硬度特性と機械的性質

SP3 レールの硬度特性を従来熱処理レールと比較して図 4

深さの硬さは HB390 以上となっている。SP3 レールの代表的な引張特性を表 3 に示す。0.2％耐力で 967 MPa，引張強SP３レールの清浄度

Metallurgical cleanless test results of SP3 rail
(According to ASTM E45-Method A)

Type A

Type B

Type CType DThin

HeavyThin

HeavyThin

HeavyThin

Heavy

Developed SP3 rail

0.5

0.5

000.5

00.50

Conventional heat
treatment rail

1.0

0.5

1.0

1.0

0.5

0

0.5

0

AREMA Spec.

Average ≤ 2
Individual ≤ 3

Average ≤ 2
Individual ≤ 3

Average ≤ 2
Individual ≤ 3

Average ≤ 2
Individual ≤ 3

A: MnS   B: Chain of Al2O3 and/or TiN   C: SiO2   D: Grain of Al2O3 and/or TiN＊− 13 −

AREMA： 米 国 の 鉄 道 関 連 の 協 会，American Railway Engineering and
Maintenance-of-Way Association の略

JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）

高軸重用高耐久パーライトレール SP3 の開発

360

0.090.09

3800.09

Conventional heattreatment rail
05100.1
152025

4.0

SP３レールの引張特性

El(%)
14: Conventional heat treatment

3.0
2.5
2.0

Table 3 Typical tensile properties of SP3 rail
0.2% YS
TS(MPa)(MPa)
Developed SP3 rail
967
1 409
YS: Yield strength   TS: Tensile strength
El: Elongation   RA: Reduction of area: SP33.5

Wear loss(mm, ×102MGI㧕

レールの硬さ分布の比較

Fig. 4 Hardness distributions of SP3 rail in rail head comparing
with conventional heat treatment rail

表3Inside8 mm
30Distance from surface (mm)図4Surface

2 mm

Developed SP3 rail

19.1 mm

40030 mm0.08

Surface

30 mmHardness (HB)

420

Number : Lamellar spacing (µm)

Railsample0.07

Tiresample440

1.5RA(%)
37

Surface

図5Inside

摩耗試験結果Fig. 5 Wear resistance of SP3 rail comparing with conventional
heat treatment rail

さで 1 409 MPa であり，従 来 熱 処 理レールよりもおよそRailsampleらず，延性の低下はほとんど見られない。
3.2.330 mm

100 MPa 高強度化している。こうした高強度化にもかかわ耐摩耗性，耐転動疲労特性片を採取し，耐摩耗性と耐転動疲労特性について次に調べた。まず，直径 30 mm（内径 16 mm），厚さ 8 mm の円筒形

30 mm

Tiresample

開発した SP3 レールと従来熱処理レールの頭部より試験の摩耗試験片をレール表面および 0.75 インチ（19.1 mm）深8 mm

さから採取し，摩耗試験を行った。車輪模擬材にはビッカー
ス硬さ HV370 の調質鋼を用い，西原式摩耗試験機により接22
Initiation time for flaking(×105 cycles)

触応力：1.5 GPa，回転数：800 rpm，すべり率：− 10％，無潤滑環境下で摩耗試験を行った。その結果を図 5 に示す。
縦軸は試験片の重量変化を１億通トン（MGT）当たりのレールの摩耗深さ (mm) に換算して現しており，数値の小さいほうが耐摩耗性は良好であることを示す。開発レール
においては，従来熱処理レールと比較して表面，内部ともに 10％以上の耐摩耗性向上効果が確認された。
は，同様の部位から接触面に曲率を持つ円筒形試験片を採取し，接触圧力 2.2 GPa，回転速度：800 rpm，すべり率：− 20％，油潤滑環境下で転動疲労試験を行った。その結果

2018161412

また，耐転動疲労特性についても評価を行った。試験片: Conventional heat treatment: SP3Surface

図6Inside

転動疲労試験結果

Fig. 6 Rolling contact fatigue test results of SP3 rail comparing
with conventional heat treatment railを図 6 に示す。表層および 0.75 インチ（19.1 mm）深さともに 3 〜 13％の耐転動疲労特性の向上効果が確認された。
これには，高強度化や非金属介在物の軽減8)

3.3が寄与したも溶接継手性能

SP3 レールの代表的なフラッシュバット溶接部のミクロ組のと考えられる。

織を写真 5 に示す。溶接部には割れや未接合などの欠陥は見られず，ミクロ組織はパーライト組織を呈していた。頭部JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）

− 14 −

高軸重用高耐久パーライトレール SP3 の開発

HAZ 5 mm
HAZ 10 mm

SP3 rail
100 μmWeld position

HAZ 5 mm

写真 5100
Wear ratio (%)

Hardness (HV98N)

Microstructures of flush butt welds in SP3 rail

400350300
250−50 −40 −30 −20 −1001020304080

Conventional
heat treatment rail

図8

フラッシュバット溶接部の硬度分布

Fig. 7 Hardness distributions of flush butt weld joints in SP3
rail and conventional heat treatment rail

表4907050

Distance from fusion line (mm)

図7(HAZ: Heat affected zone)

HAZ 10 mm: Developed SP3 rail
: Conventional heat treatment rail450

SP3 rail

SP3レールのフラッシュバット溶接部のミクロ組織

Photo 5500

Weld position(Fusion line:FL)

DevelopedSP3 rail

実敷設によるレール耐摩耗性評価

Fig. 8 Comparison of wear resistance in actual track in service,
between the conventional heat treatment rail and SP3rail, taking 100 for wear loss in the conventional rail

SP３レール溶接部の静的４点曲げ試験結果

Table 4 Slow bend test results of weld portion for developed
SP3 rail
Flush butt weld joint
Developed SP3AREMA spec.

Modulus of rupture(×105 lbs/in2 )1.97(1.39×104kg/cm2)
2.07(1.46×104kg/cm2)
Min.1.25(8.8×103kg/cm2)

レールの摩耗量を 100 とした場合，SP3 レールの比摩耗量は 10％以上減少した。この効果は，二円筒式摩耗試験の結果とおおむね同等であり，実使用環境においても十分な効Deflection(inch)
1.2(3.0 cm)
1.7(4.3 cm)
Min. 0.75(1.9 cm)

果が確認された。さらに，レール表面にはきしみ割れ，剥離なども見られず，良好な耐疲労損傷性も得られている。

４ おわりに北米などの高軸重の貨物鉄道向けに適用される高硬度・5 mm 深さの硬さ分布を図７に示す。従来熱処理レールと同高硬化深度型高耐久レール (SP3) を開発した。開発レール様に良好な継手硬さ分布を示している。AREMA 規格に準は，パーライトラメラー間隔を極限まで微細化させることを拠した静的４点曲げ試験を行った結果，表 4 に示すように目 的 に，レ ー ル の 成 分 設 計 を 行 うととも に， 圧 延 後 の破壊強度，たわみ量もともに規格を十分に満足する健全なTMCP 条件を最適化させた。開発した SP3 レールのパーラ継手曲げ性能を有している。

イトラメラー間隔は 0.07 μm と極めて微細であり，表面硬度3.4HB420 ポイント以上，1 インチ（25.4 mm）深さも HB370

実路線における評価試験以上の高い硬度を有する。その結果，耐摩耗性は，従来熱SP3 レールはすでに北米の高軸重環境の貨物鉄道レール処理レールに比べ 10％以上向上することを実験室での試験

曲線部に実際に敷設され，使用にともなう摩耗挙動ならびならびに実敷設による性能確認試験によって確認した。開に表面疲労損傷発生の有無などを観察している。図 8 はレー発レールの溶接継手性能は従来レールと同等であり，良好

ル摩耗プロファイルから求めた SP3 レールの耐摩耗性を従な硬さ分布および静的曲げ試験性能を有している。

来熱処理レールと比較して示したものである。従来熱処理− 15 −今後，SP3 レールを高軸重の重貨物鉄道向けに提供する
JFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）

高軸重用高耐久パーライトレール SP3 の開発

ことで，レール長寿命化が期待できることから，お客様におけるレールメンテナンスコストの低減に大きく寄与するものと考えられる。

Steels Symposium Proceedings. p. 11.
4) 古川直宏ら．変形特性の予測と制御．日本鉄鋼協会．1994．
5) 田代均，佐藤洋．日本金属学会誌．1991，vol. 55，p. 1078.
6) 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，p. 232.

開発した SP3 レールの性能確認試験は，北米有数の鉄道会社である BNSF 鉄道殿のご協力により行われました。そ7) C. Zener. Trans. Metall. Soc. AIME. 1946, vol. 167, p. 550.
8） 横 山 康 弘， 山 本 定 弘， 山 中 秀 行． 材 料 と プ ロ セ ス．1995，vol. 8，p. 686.の結果，開発レールの実使用環境における貴重なデータを数多く採取することができました。ここに，多大なご協力をいただきました関係者に対しまして，心から感謝いたします。
参考文献
1) 横山泰康，三田尾眞司．まてりあ．2002，vol. 41，no. 2，p. 129.
2) 横 山 泰 康， 三 田 尾 眞 司， 竹 正 峰 康．NKK 技 報．2002-03，no. 176，p. 59.
3) Kataoka, Y.; Furukawa, J.; Ueda, M.; Horita, T.; Yamanaka, H. 1992 RailJFE 技報 No. 26（2010 年 8 月）

− 16 −木村達己

竹正峰康

本庄稔