JP2002363701A

JP2002363701A - パーライト系レール

Info

Publication number: JP2002363701A
Application number: JP2001176961A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Yokoyama; 泰康横山; Shinji Mitao; 眞司三田尾
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2002-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】延性に優れるとともに、耐摩耗性、耐転動疲
労損傷性に優れた、パーライト系レールを提供するこ
と。【解決手段】少なくともレール頭部の一部がフェライ
トとセメンタイトとからなるラメラーを主体としたパー
ライト組織を有するパーライト系レールであって、パー
ライト組織中のラメラー間隔が150nm以下、且つパーラ
イトコロニーの粒径が50μm以下であることを特徴とす
るパーライト系レールを用いる。また、レールの化学成
分が、質量％でＣ：0.75〜0.84％、Ｓｉ：1％以下、M
n：0.4〜2.5％、Ｐ：0.035％以下、Ｓ：0.035％以下を
含有し、残部が実質的にFeからなることを特徴とするパ
ーライト系レールを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【従来の技術】鉱石等の重量物の運搬を主とする鉄道に
おいては、車両の車輪軸に架かる荷重は一般の鉄道の客
車に比較して遥かに大きな値であり、このような高軸重
鉄道に使用されるレール鋼には従来、耐摩耗性重視の観
点から、主にパーライト鋼が用いられている。特に、近
年は貨車の積載量が増加してレール頭部の摩耗量が増加
しているため、より一層の耐摩耗性向上が求められてお
り、パーライト鋼のC量を0.85%以上に増加して、鋼中の
セメンタイト分率を増加させて耐摩耗性を向上させる試
みが行われている。特開平８−１０９４３９号公報、特
開平８−１４４０１６号公報にはC量が０．８５％〜
１．２０％の高耐摩耗パーライト系レール、特開平８−
２４６１００号公報、特開平８−２４６１０１号公報に
はC量が０．８５％〜１．２０％であるとともにレール
頭部に熱処理を施した耐摩耗性に優れたパーライト系レ
ールの技術が開示されている。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】一般にレールには夏期
（80℃以上になる場合もある）と冬期（−30℃以下にな
る場合もある）の温度差にともなう熱膨張、熱収縮に起
因する熱応力がかかり、破断が生じる場合があることが
知られている。特にレールが延性に乏しい場合は破断に
至り易く、事故の原因となる恐れがある。さらに近年で
は複数本のレールを溶接して200〜1500mとしたロングレ
ールが多用されるようになり、レール端部の継ぎ目にお
ける伸縮量が一層大きくなっている。このためレール
は、従来にも増して延性が要求されるようになってい
る。

【０００３】一方で高軸重鉄道のような過酷な使用環境
下ではレールの摩耗が激しいので、耐摩耗性の一層の向
上が望まれている。しかし前述したように耐摩耗性を向
上させるために、パーライト鋼のC量を増加させると、
それにともない延性が大きく低下するため、耐摩耗性の
向上を図ると同時に延性を向上させることは困難であ
る。また、レールそのものに耐摩耗性を求めずに、油等
の潤滑剤を適用することによりレールの摩耗の低減を図
る方法もあるが、この場合は、レールの摩耗が抑制され
る代償として過大な接触圧、滑りに伴うレール表層の塑
性フローにより、フレーキングと呼ばれる転動疲労損傷
の発生が問題となっている。

【０００４】したがって本発明の目的は、このような従
来技術の課題を解決し、延性に優れるとともに、耐摩耗
性、耐転動疲労損傷性に優れた、パーライト系レールを
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るための本発明の特徴は以下の通りである。

【０００６】（１）少なくともレール頭部の一部がフェ
ライトとセメンタイトとからなるラメラーを主体とした
パーライト組織を有するパーライト系レールであって、
パーライト組織中のラメラー間隔が150nm以下、且つパ
ーライトコロニーの粒径が50μm以下であることを特徴
とするパーライト系レール。

【０００７】（２）レールの化学成分が、質量％でＣ：
0.75〜0.84％、Ｓｉ：1％以下、Mn：0.4〜2.5％、Ｐ：
0.035％以下、Ｓ：0.035％以下を含有し、残部が実質的
にFeからなることを特徴とする（１）に記載のパーライ
ト系レール。

【０００８】（３）さらに質量％でＮｂ：0.03〜0.5％
および／またはＶ：0.03〜0.5％を含有することを特徴
とする（２）に記載のパーライト系レール。

【０００９】（４）さらに質量％でＣｒ：1.5％以下、
Ｃｕ：1％以下、Ｎｉ：1％以下、Ｍｏ：1％以下の中か
ら選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴と
する（２）または（３）に記載のパーライト系レール。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明について具体的に説
明する。本発明のレールはパーライト組織の微細化によ
り、従来の亜共析、共析および過共析型パーライトレー
ル以上に耐摩耗性、耐転動疲労損傷性、延性を向上させ
るものである。図１に本発明のレールのパーライト組織
の構造の模式図を示す。図１に示すように、パーライト
組織はフェライト１とセメンタイト２が層状（ラメラ
ー）組織を形成し、ラメラー組織を一つの単位（パーラ
イトコロニー３）としたラメラー組織の集合体である。
本発明はこのようなパーライト組織において、ラメラー
間隔ａを微細化し、耐摩耗性と耐転動疲労損傷性の向上
を図るとともに、パーライトコロニー３を著しく微細化
して耐摩耗性と耐転動疲労損傷性の向上ならびに延性の
向上を図るものである。ここで、パーライトコロニー３
の粒径はパーライトコロニーの面積相当円直径で定義
し、全パーライトコロニーの平均粒径を用いるものとす
る。以下、パーライトコロニー３の粒径をパーライトコ
ロニーサイズまたはコロニーサイズと記載する。

【００１１】本発明のレールは、少なくともレール頭部
の一部が上記のようなフェライトとセメンタイトからな
るラメラー組織を主体とするパーライト組織であり、ラ
メラー間隔またはコロニーサイズを微細化すれば耐摩耗
性と耐転動疲労損傷性は共に向上するが、著しく耐摩耗
性と耐転動疲労損傷性を向上させるためにはラメラー間
隔とコロニーサイズの両方を微細化する必要がある。従
来標準的に使用されてきたパーライトレール（0.68％C
の熱処理型パーライト鋼）に比べて耐摩耗性を20％以
上、耐転動疲労損傷性を25％以上向上するためには、パ
ーライトコロニーのラメラー間隔を150nm以下とし、且
つコロニーサイズを50μm以下とする。ラメラー間隔及
びコロニーサイズの微細化で耐摩耗性と耐転動疲労損傷
性が向上する理由は明らかではないが、パーライトコロ
ニー境界における応力集中の緩和、ラメラー間隔微細化
による局所滑りの生成等により、き裂や剥離の発生が抑
制される機構が考えられる。また延性は、組織の微細化
により10%以上の伸び（El）が確実に確保できるまでに
向上する。

【００１２】本発明のパーライト系レールは、ラメラー
間隔が150nm以下、且つパーライトコロニーサイズが50
μm以下であるラメラーを主体としたパーライト組織を
有するものであるが、少なくともレール頭部の一部がラ
メラー間隔が150nm以下、且つパーライトコロニーサイ
ズが50μm以下であるラメラーを主体としたパーライト
組織を有するものであれば効果があり、レール頭部のう
ち少なくとも車輪が接触するレール頭頂部の部分がラメ
ラー間隔が150nm以下、且つパーライトコロニーサイズ
が50μm以下であるラメラーを主体としたパーライト組
織を有するものであることが好ましい。レール頭部全体
が上記の組織であればより効果的であるが、レール頭部
の表面のみが上記の組織である場合でも効果がある。ま
たレール全体がラメラー間隔が150nm以下、且つパーラ
イトコロニーサイズが50μm以下であるラメラーを主体
としたパーライト組織であれば非常に効果的であるが、
製造コストが上昇する。しかしレール全体が均一な組織
となるので、安全性は向上する。またレール全体の表層
部のみが上記の組織の場合は、安全性が適度に向上し
て、製造コストの上昇は抑制される。

【００１３】本発明のレールのパーライト組織は、上記
のようなフェライトとセメンタイトからなるラメラー組
織を主体とするものであるが、ラメラー組織以外の組織
の体積分率が低い場合はその影響が無視できるため、ト
ータルの体積分率で3%以下の他の金属組織、例えばフェ
ライト等を含有してもよい。

【００１４】本発明のパーライト組織を得るためには、
レールは質量％でＣ：0.75〜0.84％、Ｓｉ：1％以下、M
n：0.4〜2.5％、Ｐ：0.035％以下、Ｓ：0.035％以下を
含有し、残部が実質的にFeからなる化学成分を有するこ
とが好ましい。以下に各成分の限定理由を述べる。

【００１５】C：0.75〜0.84％とすることが好ましい。C
はパーライト組織においてセメンタイトを形成し、耐摩
耗性を確保するための必須元素であり、添加量の増加に
伴い耐摩耗性が向上する。0.75％未満では従来の熱処理
型パーライト鋼レールと比較して優れた耐摩耗性を得る
ことが難しい。また、0.85％を超えると熱間圧延後の変
態時に初析セメンタイトがγ粒界に生成し、延性が著し
く低下する。従って、C量は0.75〜0.84％とすることが
好ましい。

【００１６】Si：1％以下とすることが好ましい。Si
は、脱酸剤として有効であるが、1％を超えるとSiの有
する高い酸素との結合力のため、溶接性が劣化する。従
って、Si量は1％以下とすることが好ましい。

【００１７】Mn：0.4〜2.5％とすることが好ましい。Mn
は変態温度を低下させてパーライト組織のラメラー間隔
を細かくすることにより、レールの高強度化、高延性化
に寄与する元素である。しかし、0.4％以下では十分な
効果が得られず、2.5％を超えると鋼のミクロ偏析によ
るマルテンサイト組織を生じ易く、熱処理時及び溶接時
に硬化や脆化を生じ材質が劣化するので好ましくない。
従って、Mn量は0.4〜2.5％とすることが好ましい。

【００１８】P：0.035％以下とすることが好ましい。0.
035％を超えるPの添加は延性を劣化する。したがって、
P量は0.035％以下とすることが好ましい。

【００１９】S：0.035％以下とすることが好ましい。S
は主に介在物の形態で鋼中に存在するが、0.035％を超
えるとこの介在物量が著しく増加し、材質の脆化を引き
起こすので0.035％以下とすることが好ましい。

【００２０】上記以外の成分は実質的にＦeである。実
質的にＦeであるとは、本発明の作用効果を無くさない
限り、不可避不純物をはじめ、他の微量元素を含有する
ものが本発明の範囲に含まれ得ることを意味する。

【００２１】本発明のパーライト組織を得るために、上
記の化学成分に加えて以下の元素を添加するとさらに効
果的である。

【００２２】Nb：0.03〜0.5％および／またはV：0.03〜
0.5%を添加する。Nb、Vは、いずれも鋼中のCと結び付い
て圧延中および圧延後に炭化物として析出し、パーライ
トコロニーサイズの微細化に有効に作用するとともに、
ラメラーをなすフェライト中にも析出し、見かけ上のラ
メラー間隔の微細化に寄与する。その結果、耐摩耗性、
耐転動疲労損傷性、延性を大きく向上させ、レールの長
寿命化に大きく寄与する。ただし、これらの元素の添加
量が0.03％未満では十分な効果は得られない。また0.5
％を超えて添加しても、耐摩耗性、耐転動疲労損傷性、
延性の向上効果が飽和し、添加量に見合う効果が得られ
ない。従って、Nb、Vの添加量は0.03〜0.5％とすること
が好ましく、Nbおよび／またはVを必要に応じて添加す
るものとする。

【００２３】Cr：1.5％以下、Cu：1％以下、Ni：1％以
下、Mo：1％以下の中から選ばれる１種または２種以上
を必要に応じて添加する。

【００２４】Cr：1.5％以下とすることが好ましい。Cr
は固溶強化によりさらなる高強度化を図るための元素で
ある。ただし、1.5％を超えると焼入れ性が高くなり、
マルテンサイトが生成し、耐摩耗性、延性が低下する。
従って、添加する場合にはCr量を1.5％以下とすること
が好ましい。

【００２５】Cu：1％以下とすることが好ましい。CuはC
rと同様に固溶強化によりさらなる高強度化を図るため
の元素である。ただし、1％を超えるとCu割れが生じ
る。従って、添加する場合にはCu量を1％以下とするこ
とが好ましい。

【００２６】Ni：1％以下とすることが好ましい。Niは
延性を劣化することなく高強度化を図るための元素であ
る。また、Cuと複合添加することによりCu割れを抑制す
るため、Cuを添加した場合にはNiも添加することが望ま
しい。ただし1％を超える添加により、焼入れ性が上昇
し、マルテンサイトが生成するようになり、耐摩耗性と
耐転動疲労損傷性が低下する。従って、添加する場合に
はNi量を1％以下とすることが好ましい。

【００２７】Mo：1％以下とすることが好ましい。Moは
固溶強化によりさらなる高強度化を図るための元素であ
る。ただし、1％を超えるとベイナイト組織が生じやす
くなり、耐摩耗性が低下する。従って、添加する場合に
はMo量を1％以下とすることが好ましい。

【００２８】本発明のパーライト組織を有するレールを
得るためには、任意の製造方法を用いることができる
が、上記の成分の鋼を1200℃以下に加熱し、1000℃以下
での圧下率を40%以上、圧延仕上げ温度を850℃以下とし
てレール形状に圧延し、圧延後にレール頭部を冷却速度
を2℃/s以上で650℃以下まで加速冷却し、以後は放冷し
て製造することが好ましい。冷却速度が速いほどラメラ
ー間隔が小さくなるので好ましい。またパーライトコロ
ニーサイズを微細にするには圧延仕上温度の低下が効果
的である。

【００２９】

【実施例】以下の実施例１、２においては、パーライト
系レールの耐摩耗性、耐転動疲労損傷性、延性を評価し
た。耐摩耗性、耐転動疲労損傷性の評価は、実敷設にお
ける摩耗量、損傷発生挙動で評価する代わりに、西原式
摩耗試験機を用いて実際の接触条件をシミュレートした
比較試験を行った。

【００３０】摩耗に関しては、直径30mmの西原式摩耗試
験片をレール頭部から採取し、接触圧力：1.4GPa、すべ
り率：−10％、乾燥条件で、10万回転後の摩耗量を測定
した。現在レールとして使用されているCの含有量が0.6
8％（0.68％C）の熱処理型パーライト鋼レールを摩耗量
の基準とし、この熱処理型パーライト鋼レールに比べて
20％以上摩耗量が少ない値が得られれば、十分に耐摩耗
性が向上していると判定した。

【００３１】転動疲労損傷性に関しては、接触面を曲率
半径15mmの曲面とした直径30mmの西原式摩耗試験片をレ
ール頭部から採取し、接触圧力：2.2GPa、すべり率：−
20％、油潤滑条件で、2万5千回転毎に試験片表面を観察
し、0.5mm以上のき裂が発生した時点を転動疲労寿命と
し、0.68％Cの熱処理型パーライト鋼レールに比べて25
％以上転動疲労寿命が伸びていれば、十分に耐転動疲労
損傷性が向上していると判定した。

【００３２】延性については、AREMA(American Railway
Engineering & Maintenance of Way Association：北
米の鉄道会社が加盟している協会)規格に準拠して評価
した。ロングレールにおける端部継ぎ目の伸縮にともな
う破断を抑制するための延性の基準として、ASTM丸棒試
験片(平行部：9φ、ゲージ長：36mm)を用いた引張試験
において、10％以上の伸びを有する（AREMA規格のChapt
er 4 Rail）ものを延性が十分であると判定した。

【００３３】（実施例1）表１に示す化学成分を有す
る示すパーライト鋼（鋼種Ａ、B）について、表２に示
す条件で圧延・冷却を行ってレールを製造した。冷却は
レール頭部のみに行い、冷却停止後は放冷した。これに
よりレール頭部のパーライト組織のラメラー間隔、パー
ライトコロニーサイズを変化させたレールを製造するこ
とができた（No.1-1〜1-12）。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】各レール頭部について走査型電子顕微鏡を
用いて400ないしは2000倍の倍率で各10視野程度の写真
撮影を行った。得られた写真を用いて、各視野でパーラ
イトコロニーの境界が視野内で閉じているコロニーを50
個選択し、画像処理装置で各パーライトコロニーの面積
を測定後、パーライトコロニーの平均面積から面積相当
円の直径に換算して、パーライトコロニーの粒径（コロ
ニーサイズ）を求めた。ラメラー間隔も同時に測定し視
野毎の値から平均値を求めたが、実際にはラメラー間隔
は各視野でほぼ等しかった。これらのレールについて、
上記の摩耗試験、転動疲労試験、引張試験を行った。各
レール頭部のラメラー間隔、コロニーサイズ、摩耗量、
転動疲労寿命、延性の測定結果を表３に示す。

【００３７】

【表３】

【００３８】No.1-1は比較のための基準である従来から
使用されている熱処理型パーライト鋼レールであり、ラ
メラー間隔が広く、コロニーサイズも粗いものである。
No.1-1の摩耗量は0.75ｇ、転動疲労寿命は1.5ｈである
ので、上述したように摩耗量が0.6ｇ以下、転動疲労寿
命が1.88ｈ以上であれば十分に耐摩耗性、耐転動疲労損
傷性が向上したと判定した。

【００３９】ラメラー間隔もコロニーサイズも粗いNo.1
-2、3、4は耐摩耗性、耐転動疲労損傷性がほとんど向上
しなかった。一方ラメラー間隔もしくはコロニーサイズ
のいずれかのみが細かいNo.1-5、6、7、8は、基準であ
るNo.1-1と比べると若干の耐摩耗性、耐転動疲労損傷性
の向上は認められるものの、耐摩耗性で20％以上、耐転
動疲労損傷性で25％以上の向上は認められない。ラメラ
ー間隔、パーライトコロニーサイズのどちらも本発明の
範囲内であるNo.1-9、10、11、12は耐摩耗性、耐転動疲
労損傷性がそれぞれ向上した。延性についてはいずれの
レールについても十分であった。

【００４０】図２、図３はこれらの結果をまとめたもの
であり、図２に摩耗・転動疲労特性に及ぼすラメラー間
隔の影響を、図３に摩耗・転動疲労特性に及ぼすコロニ
ーサイズの影響を示す。図２、図３における点線は、基
準の0.68％Cの熱処理型パーライト鋼レールより20％減
少した摩耗量、25％向上した転動疲労寿命を示すもの
で、耐摩耗性、耐転動疲労損傷性向上の基準である。図
２によれば、ラメラー間隔を細かくすることにより、耐
摩耗性と耐転動疲労損傷性は共に向上することが分かる
が、十分に耐摩耗性と耐転動疲労損傷性が向上するには
ラメラー間隔150nm以下の領域で、さらに黒丸（●）で
示されるコロニーサイズ50μm以下のレールを用いる必
要があることが分かった。また図３によれば、コロニー
サイズの微細化に伴い耐摩耗性と耐転動疲労損傷性が向
上することが分かるが、十分に耐摩耗性と耐転動疲労損
傷性が向上するにはコロニーサイズ50μm以下の領域
で、さらに黒丸（●）で示されるラメラー間隔150nm以
下のレールを用いる必要があることが分かった。ラメラ
ー間隔を150nm以下、且つコロニーサイズを50μm以下に
することにより、従来標準的に使用されてきたパーライ
トレールに比べて耐摩耗性が20％以上、耐転動疲労損傷
性が25％以上向上した。よって、ラメラー間隔のみもし
くはコロニーサイズのみの微細化では、著しい耐摩耗性
と耐転動疲労損傷性の向上効果は得られず、ラメラー間
隔とコロニーサイズの両方を微細化することにより、耐
摩耗性と耐転動疲労損傷性が著しく向上することが分か
った。

【００４１】（実施例２）表４に示す化学成分の異な
る供試鋼（No.2-1〜15）を1100℃に加熱し、800℃で圧
延を終了してレールを製造した後、レール頭部を3℃/s
で350℃までエアー冷却した後、放冷した。No.2-1は、
実施例1のNo.1-1と同様に比較用の基準である従来鋼の
レールであり、これのみ1250℃加熱とし、1000℃で圧延
を終了した後、2℃/sで500℃までエアー冷却を行い、放
冷して製造した。これらのレールのミクロ組織を観察
し、摩耗特性、転動疲労特性、延性を測定した。これら
の結果を表５に示す。

【００４２】

【表４】

【００４３】

【表５】

【００４４】C含有量が0.85％を超えるNo.2-2は、初析
セメンタイトが生成し、延性が著しく低下している。Mn
含有量が2.5％を超えるNo.2-4は、マルテンサイトが生
成し、摩耗特性、転動疲労特性、延性のいずれも劣化し
ている。NbもしくはV含有量が0.5％を超えているNo.2-
6、No.2-7は、Nb、V含有量が本発明範囲内のNo.2-8、N
o.2-9と比較して向上していない。Cr含有量が1.5％を超
えているNo.2-10は、マルテンサイトが生成しており、
摩耗特性、転動疲労特性、延性のいずれも劣化してい
る。Ni含有量が1％を超えるNo.2-12は、マルテンサイト
が生成し、摩耗特性が劣化している。Mo含有量が1％を
超えるNo.2-14は、ベイナイトが生成し、摩耗特性が著
しく低下している。一方、各添加元素が本発明の範囲内
であるNo.2-3、2-5、2-8、2-9、2-11、2-13、2-15はミ
クロ組織がパーライトであり、ラメラー間隔が150nm以
下、パーライトコロニーサイズが50μm以下のフェライ
トとセメンタイトからなるラメラーを主体としたもので
あり、基準であるNo.2-1と比較して耐摩耗性が20％以
上、耐転動疲労損傷性が25％以上向上しており、延性も
10％以上の値を示すものであった。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のパーライト
系レールは、主に高軸重鉄道として好適な優れた耐摩耗
性、耐転動疲労損傷性、延性を示し、高軸重鉄道用レー
ルの寿命と安全性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】パーライト組織の構造を示す模式図。

【図２】摩耗・転動疲労特性に及ぼすラメラー間隔の影
響を示すグラフ。

【図３】摩耗・転動疲労特性に及ぼすコロニーサイズの
影響を示すグラフ。

【符号の説明】

１、フェライト２、セメンタイト３、パーライトコロニーａ、ラメラー間隔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともレール頭部の一部がフェライ
トとセメンタイトとからなるラメラーを主体としたパー
ライト組織を有するパーライト系レールであって、パー
ライト組織中のラメラー間隔が150nm以下、且つパーラ
イトコロニーの粒径が50μm以下であることを特徴とす
るパーライト系レール。
【請求項２】レールの化学成分が、質量％でＣ：0.75
〜0.84％、Ｓｉ：1％以下、Mn：0.4〜2.5％、Ｐ：0.035
％以下、Ｓ：0.035％以下を含有し、残部が実質的にFe
からなることを特徴とする請求項１に記載のパーライト
系レール。
【請求項３】さらに質量％でＮｂ：0.03〜0.5％およ
び／またはＶ：0.03〜0.5％を含有することを特徴とす
る請求項２に記載のパーライト系レール。
【請求項４】さらに質量％でＣｒ：1.5％以下、Ｃ
ｕ：1％以下、Ｎｉ：1％以下、Ｍｏ：1％以下の中から
選ばれる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２または請求項３に記載のパーライト系レー
ル。