JPH01127702A

JPH01127702A - レ−ルの熱処理方法および装置

Info

Publication number: JPH01127702A
Application number: JP21495387A
Authority: JP
Inventors: Richard A Sommer; リチャード・エー・ソマー; R Faber Michael; マイケル・アール・フェイバー; E Jennings Ruuiru; ルーイル・イー・ジェニングス
Original assignee: Ajax Magnethermic Corp
Current assignee: Park Ohio Holdings Corp
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1987-08-28
Publication date: 1989-05-19
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JP2975367B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、鉄道レールの製造方法および装置、特に熱処
理によって高炭素鋼を硬化させる製造方法および装置に
関する。

〔従来の技術〕

本発明は、直線性を有するレール製品の処理中に熱変形
をバランスさせ、それによって歪み補正のための後続の
機械的な工程を相当程度減少させるように、レールを加
熱処理することによってレールを硬化させることに特に
応用される。ただし、本発明は、例えば同様な熱処理技
術が用いられ、そして製品の変形が望ましくないような
他の事物または対象分野にも容易に適用し得ることは当
業者にとって明らかである。

鉄道レールは典型的には高炭素鋼からなる。車両のサイ
ズ、動力および重量が増加するにつれて、レール上にか
かる荷重や、牽引力、側方垂力が大きくなり、これがレ
ール上の摩耗を促進することになる。このようなレール
寿命の減少は保全や交換のコストを増加させ、また頻繁
な検査や実質的な安全への注意が必要になる。

これらの問題を克服するために種々の形態およびタイプ
の強化または硬化レールがレール産業において提案され
、使用されてきたが、すべてが必ずしも満足のいくもの
ではなかった。はとんどの従来の提案において存在する
欠点は経済的および実用的価値に欠けることであった。

従来、摩擦力を受けるレール部分を熱処理することは公
知である。このような熱処理は高炭素または合金鋼のレ
ールに適用される。これらの方法はレール中に金属学的
変態、金属学的容積変化または熱変形により、該レール
の変形を補正するための機械的工程をしばしば必要とす
るという問題がある。このような機械的な補正工程は費
用がかかり、通常は相対的に大きな力を要し、実施が困
難であり、また適用し得るレールの長さも制限される。

さらに、実用可能なレールを生産するには、次工程とし
て直線化工程が必要となる。

従来の他の提案として良好な摩耗特性を有する合金鋼の
レールを用いることがあるが、このようなレールはその
容積全体が同一の材質となるので、比較的高価なレール
となる。合金レールは高価であるので、コストが重要な
場合にはその用途が制限されることになる。

したがって改善された摩耗特性を有し、しかも合金鋼の
値段よりも低価格で鉄道レールを生産する方法ゼよび装
置が当該産業において長らく要望されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、デザイ
ンが簡単で、硬化が必要なレールを経済的に硬化させ、
種々のレールの寸法特性に容易に適合する新しい方法お
よび装置を提供するとともに、歪み補正のための次の機
械的工程の必要性を減少させる耐摩耗性レールを与える
、高炭素鋼鉄道レールの新しい改善された硬化方法およ
び装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、改善された摩耗特性をＹ「するレール
を製造するための鉄道レールの熱処理方法および装置が
提供される。

このレールは、垂直および水平中立軸のまわりに配置さ
れたヘッド部、ウェッブ部およびフランジ部を有する。

この方法は、ヘッド部、ウェッブ部およびフランジ部を
有するレール全体を該レール鋼の金属学的変態温度より
以下の第１の特定温度に予熱する第１工程を含む。第２
工程は、該レールのヘッド部およびフランジ部をそれら
の軸のまわりのレールの熱歪みがバランスするように金
属学的変態温度を超える特定温度に加熱することからな
る。第３の工程は、レール内に改善された摩耗特性を有
する望ましい金属構造を生成させ、一方急冷（クエンチ
）プロセスを通して前記軸のまわりのレールの熱歪みを
バランスさせるために、該レールのヘッド部およびフラ
ンジ部を急冷することからなる。この急冷プロセスは、
該レールのヘッド部およびフランジ部を金属学的変態温
度より以下の温度に低下させることからなる。本発明方
法における第４の工程は、レール全体を室温まで冷却し
、前記中立軸のまわりの熱変形のバランスを維持させる
ことからなる。該レールのヘッド部、ウェッブ部および
フランジ部の全体の熱変形をバランスさせることにより
、該レールの硬化を行なう一方、実質的な直線性を有す
るレールの製造が可能になり、そしてこれによって次の
機械的な歪み補正のプロセスの必要性が低減される。

本発明の他の態様によれば、予熱工程は該レールを約１
０００°Ｆ（５３８℃）の温度に全体的に加熱すること
からなる。これに引き続き該ヘッド部およびフランジ部
は金属学的変態温度、すなわち合金鋼においてはＡｓを
超える温度に加熱される。該レールの中立軸のまわりの
熱歪みをバランスさせるには、誘導加熱技術を用いるこ
とが好ましい。該ヘッド部およびフランジ部を急冷する
第３工程は、該ヘッド部およびフランジ部を約１０００
’Ｆ　（５３８℃）に部分的に空冷することからなる。

全体的なスプレー急冷手段を用いることができ、これに
より硬化レールの温度を環境温度である室温に低下させ
ることができる。

本発明によれば、上述の方法に用いる装置が提供され、
この装置は、ひとつのレールセクションをレールの金属
学的変態温度より以下の第１の特定温度に加熱する、レ
ール全体に関連して配置された予熱誘導コイルからなる
。レール全体の予熱に引き続き、ヘッド部およびフラン
ジ部をそれぞれ該レールの金属学的変態温度より以上の
特定温度にそれぞれ加熱するために、レールヘッドの誘
導加熱コイルおよびレールフランジの誘導加熱コイルが
配設されている。次に該加熱されたレールを急冷および
冷却する手段が配置され、加熱、急冷および冷却を通じ
て一般的にバランスされた熱歪みを与えるように、該レ
ールのまわりに調整運転できるようになっており、これ
によって硬化された、耐摩耗性の直線レールが得られる
。

本発明の他の利点は、機械的歪み補正のプロセス工程の
必要性を減じた、熱処理された実質的に直線性の硬化高
炭素鋼レールを得る方法および装置が得られることであ
る。

本発明の他の利点は、熱処理におけるレール内の残存応
力の生成を制限する高炭素鋼レールの熱処理方法および
装置が提供されることである。

本発明のさらに他の利点は、物理的な拘束によってレー
ルの長さが相対的に短い長さに制限される従来方法に対
して、無制限の長さのレールを製造することが可能にな
ることである。

本発明方法および装置のさらに他の利点および利益はこ
の明細書の記載から当業者にとって明らかになるであろ
う。

〔実施例〕

以下、本発明の好ましい態様を図面によって説明するが
、これらは本発明を制限するものではない。第１図にお
いて、垂直の中立軸１２および水平軸１４を有するレー
ル１０は、熱処理による硬化のために熱処理装置（また
は組立体）１６内に配置され、改善された摩耗特性を有
するレールが製造される。さらに詳細には、レール１０
は、通常のレール構造に従ってヘッド部２０、ウェッブ
部２２およびフランジ部２４を有する。このレールは、
高炭素鋼で一体的に形成することが好ましい。

典型的なレール１０は長さが長いため、装置１６は移動
するレール１０に関して相対的に固定されたフレーム（
図示せず）に固着され、その際、図に示す矢印２６のよ
うに該レールが装置１６内を通過するようになっている
。上記の代わりに装置１６は回転フレーム（図示せず）
に固着され、この回転フレームが固定レール１０に沿っ
て通過するようにしてもよい、上述のいずれの方法にお
いても、レール１０と熱処理装置１６の間の相対運動の
方向は矢印２６で示される。

レール１０を熱処理装置１６で処理するために、まずレ
ール部分が、好ましくはピンチローラ３２．３４．３６
．３８により、装置１６に関してレールを一般的に整列
させるように、配置される。電源（図示せず）によって
予熱誘導コイル４０に電気エネルギーが供給され、レー
ル１０が該レールの金属学的変態温度（詳細は後述する
）より低い温度に予熱される。レールヘッドの誘導子（
インダクター）４６およびこれと対向して配置されたベ
ースまたはフランジの誘導子４８にそれぞれ係合するロ
ール４２．４４のようなガイド手段が誘導子４６．４８
に並んで設けられており、この誘導子によってヘッド部
２０およびフランジ部２４が金属学的変態温度を超える
特定の温度に実質的に同時に加熱され、該レール内に金
属学的変態を生じさせ、そして最終的にレールヘッドの
硬化が行なわれる。レールヘッド部とフランジ部を実質
的に同時に加熱することによって中立軸１２．１４のま
わりのレールの熱的変形がバランスされ、該レールの熱
的または金属学的変形によって該レールが許容し得る直
線性からはずれてカーブまたは屈曲を生じるのが防止さ
れる。ロール５０１５２のようなガイド手段によってヘ
ッド急冷部（クエンチ）５４およびフランジ急冷部５６
が並設され、これらの急冷部５４．５６は、空冷により
酸ヘッド部およびフランジ部の温度を低下させ、レール
が金属学的変態温度より以下の温度になるように運転さ
れる。該レールヘッドの加熱および急冷をコントロール
することにより、レールヘッドの硬化を行なうことによ
って、鉄道レールに望ましい改善された摩耗特性を与え
ることができる。

ガイドロール６２．６４には水スプレー冷却器６６が併
設され、これによってレール１ｏの温度がほぼ室温まで
低下される。ガイドロール６８．７０．７２．７４は最
終的にレールが該熱処理装置１６を通り抜けるための整
列の補助として役立つ。

第２図を参照すれば、本発明の加熱、急冷および冷却工
程を示す詳細分解図が示される。この図では、レール１
０は説明のために中立軸１２．１４に沿ってシルエット
として示されている。レール１０の硬化は該レールのヘ
ット部の温度を金属学的変態温度を超える温度に昇温し
、そして該ヘッド部を公知の方法で急冷することによっ
て行なわれ、これにより改善された摩耗特性を有する硬
化ヘッド部２０が形成される。本発明の特徴のひとつは
、レール１０の直線性を維持し、そしてレールの屈曲ま
たは伸長のような次の機械的な歪み補正工程を減するた
めに、中立軸１２．１４のまわりにバランスさせた熱処
理が行なわれることである。レールヘッド部およびフラ
ンジ部２０．２４を金属学的変態温度を超える温度に加
熱することは、これらの部分を誘導加熱によって加熱す
る通常の水冷式誘導子（誘導加熱コイル）４６．４８に
よって行なわれる。誘導加熱は、温度および金属学的変
態の深さを正確にコントロールするための調整可能な加
熱工程を可能にする利益がある。

水平軸のまわりの熱変形のバランスは、該熱変形応力が
バランスするように該ヘット部およびフランジ部を実質
的に同時に加熱することによって達成される。これは、
該ヘッド部で特定温度に加熱される金属の容積とフラン
ジ部で他の温度に加熱される金属の容積を、曲げ応力が
一般に等しく、かつ対向するようにコントロールするこ
とによって行なわれる。垂直軸１２のまわりの熱変形の
バランスは、レールおよび加熱要素の対称性によって達
成される。

レールの温度を金属学的変態温度を超える所定レベルの
温度に上昇後、ヘッド部２０の温度を部分的な空冷手段
５４．５６により該ヘッド部２０の硬化に望ましい所定
レベルの温度に低下させる。

誘導子が一般に対向して配置されているように、空冷手
段５４．５６も同じく対向して配置され、そしてフラン
ジ部急冷手段５６は中立軸のまわりの熱変形を再びバラ
ンスするようにフランジ部を急冷する。レールのヘッド
部２０の急冷により咳ヘッド部内に所望の金属組織を形
成し、その結果、所望の硬化を正確に行なうことが注目
される。フランジ部２４の急冷は、該フランジ部内に望
ましい金属組織を得ることにおいて、該フランジ部の熱
変形をヘッド部２０の熱変形とバランスさせることほど
重要ではない。フランジ部の熱変形とヘッド部の熱変形
を等しくすることによってレール１０の歪みを防止する
ことができる。本発明の最後の工程は、該レール全体を
水スプレー６６によって実質的に室温まで冷却すること
を含むが、この工程は、中立軸のまわりの熱変形のバラ
ンスを維持するように行なわれる。

第３Ａ図および第３Ｂ図を参照すれば、レール１０が装
置１６内で処理される際の該レールｌＯ内で達成される
温度レベルがグラフに示されている。ヘッド部２０の温
度はグラフ中でＸで示され、またウェッブ部２２の温度
は三角印で示され、またフランジ部２４の温度は黒丸印
で示されている。

破線８０は一般に金属学的変形温度を示す。レールが第
３Ａ図に示すように予熱コイル４０を通って移動すると
、該レール１０のすべての３つノ部分の温度は金属学的
変態温度、この実施例では１０００°Ｆ（５３８℃）よ
り低い温度に昇温される。この金属学的変態温度は合金
鋼においてＡｓより高い温度である。レール１０を予熱
コイル４０によって予熱することによりレール全体が予
め熱膨張し、最終製品における過剰の残留応力の形成の
問題が除去される。ローリングプロセスから得られた、
残留熱を有するレールを処理すること　−も本発明の範
囲内である。残留熱は予熱工程の必要性を減するか、ま
たは全く不要にする。予熱後、ヘッド部２０およびフラ
ンジ部２４を誘導子（誘導加熱コイル）４６．４８によ
って金属学的変態温度より以上の温度に加熱し、該ヘッ
ド部の温度を約１９００°Ｆ（１０３８℃）およびフラ
ンジ部の温度を約１５００°Ｆ（８１６℃）に昇温する
。これらの温度は例示的な温度としてのみ示されたもの
である。特定の加熱温度は使用される合金鋼およびレー
ル製品の熱処理の要求度によって変化する。急冷室５４
．５６は冷媒をヘッド部およびフランジ部に送り、それ
らを約１０００°Ｆ（５３８°Ｃ）に冷却し、そして冷
却スプレー６６はレール全体をほぼ室温に冷却する。該
冷媒としては空気またはミスト、もしくは通常知られて
いる急冷手段のどのようなタイプのものも使用可能であ
る。この方法の全体の操作を通して、レールの中立軸１
２．１４のまわりにバランスのとれた熱的および金属学
的な変形が起こるが、レールは冷却スプレー６６を出る
時にはそれが熱処理装置１６に入る際のレールの直線性
と一般的に等しい直線性を有している。レール１０全体
のバランスされた熱変形により、高炭素鋼レールの熱処
理が可能になり、これにより改善された耐摩耗性のレー
ルが供給され、そしてまた通常の熱処理方法により生じ
た歪みを機械的に補正するための曲げまたは伸長工程を
含む、後続の熱処理技術を減するか、不要にすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すレール熱処理装置で
、鉄道レールが該装置を通過する状態を示す斜視図、第
２図は、説明の便宜のために第１図の特定部分について
断面で表した部分分解図、第３Ａ図は、本発明装置の要
素が部分ごとに示された本発明の熱処理装置内のレール
の立面図、第３Ｂ図は、該熱処理装置の要素によって第
３Ａ図のレール内に生じる温度を示す図である。１０・・・レール、１２・・・垂直中立軸、１４・・・
水平中立軸、１６・・・熱処理装置、２０・・・ヘッド
部、２２・・・ウェッブ部、２４・・・フランジ部、３
２．３４．３６．３８・・・ピンチロール、４０・・・
誘導コイル、４２．４４・・・ガイド手段、４６・・・
レールヘッド誘導子（誘導加熱コイル）、４８・・・ベ
ースまたはフランジ誘導子（誘導加熱コイル）、５０．
５２・・・ロール、５４．５６・・・急冷手段（急冷ま
たは空冷室）、６２．６４・・・ロール、６６・・・水
スプレー（冷却手段）、６８．７０．７２．７４・・・
ピンチロール。代理人　弁理士　　川　北　武　長手続補正書く方式）特許庁長官　小　川　邦　夫　殿１、事件の表示昭和６２年　特　許　願　第２１４９５３号２）発明の
名称　レールの熱処理方法および装置３、補正をする者事件との関係　　特許出願人住　所　アメリカ合衆国、４４４８４　　オハイオ州、
ウォーレン、オーバーランド・アベニュー、エヌ・イー
、１７４５番住　所　東京都中央区日本橋茅場町−丁目１１番８号（
紅菌ビルディング）電話０３　（６３９）　５５９２番
（発送日　昭和６２年１１月２４日）６、補正の対象　願書、代理権を証明する書面および図
面７、補正の内容別紙のとおり。以上

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ヘッド部、ウェッブ部およびフランジ部並びに垂
直および水平中立軸を有するレールを熱処理し、高度の
耐摩耗性を有する金属学的構造を有するレールを製造す
る方法であって、該レールを金運学的変態温度より以下
の第１の特定温度に予熱する第１工程と、該レールのヘ
ッド部とフランジ部を金属学的変態温度を超える第２の
特定温度に加熱し、前記軸のまわりのレールの熱変形を
バランスさせる第２工程と、該レールヘッド部とフラン
ジ部を急冷し、該急冷プロセスを通じて該軸付近のレー
ルの熱変形をバランスさせ、該レール内に望ましい金属
学的構造を生成させる第３工程と、レール全体を該変態
温度以下から室温に後冷却し、該軸のまわりの熱変形の
バランスを維持する第４工程とを有することを特徴とす
るレールの熱処理方法。
（２）特許請求の範囲第１項において、第１工程は、該
レール全体を約１０００°Ｆ（５３８℃）の温度に加熱
することを含むレールの熱処理方法。
（３）特許請求の範囲第１項において、第２工程は、ヘ
ッド部を約１９００°Ｆ（１０３８℃）、およびフラン
ジ部を約１５００°Ｆ（８１６℃）に加熱することを含
むレールの熱処理方法。
（４）特許請求の範囲第３項において、第２工程は、ヘ
ッド部とフランジ部を誘導加熱することを含むレールの
熱処理方法。
（５）特許請求の範囲第１項において、第３工程はヘッ
ド部とフランジ部を約１０００°Ｆ（５３８℃）に急冷
することを含むレールの熱処理方法。
（６）特許請求の範囲第５項において、第３工程はヘッ
ド部およびフランジ部を部分的に空冷することを含むレ
ールの熱処理方法。
（７）特許請求の範囲第１項において、第４工程は全体
をスプレーにより急冷することを含むレールの熱処理方
法。
（８）熱処理を通してレールの実質的な直線性を維持し
つつ高い耐摩耗性を与えるためにレールを硬化する装置
であって、該装置は、レールの一区分をレールの金属学
的変態温度より以下の第１の特定温度に全体的に加熱す
るための、該レールに関連して配置された予熱誘導コイ
ルと、該レールのヘッド部を金属学的変態温度を超える
第２の特定温度に加熱するためのレールヘッド誘導加熱
コイルと、該レールのフランジ部を金属学的変態温度を
超える第３の特定温度に加熱するためのレールフランジ
誘導加熱コイルとを有し、該第１、第２および第３の温
度は、加熱中に該レールの熱的変形を一般的にバランス
させるために選択され、急冷および冷却中に熱変形が一
般的にバランスされる該レールの急冷および冷却手段と
を有するレールの熱処理装置。
（９）特許請求の範囲第８項において、該ヘッドおよび
フランジの加熱コイルは該レールヘッドおよびフランジ
部を実質的に同時に加熱するために一般的に互いに対向
して配置されるレールの熱処理装置。
（１０）特許請求の範囲第８項において、急冷および冷
却手段は、ヘッド空冷手段、対向して配置されたフラン
ジ空冷手段および全体的な水スプレー冷却手段からなり
、該急冷手段は急冷中にレールの熱変形が一般的にバラ
ンスするように配置されているレールの熱処理装置。