JPH042647B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

「発明の目的」 本発明はレールの熱処理方法に係り、特に重軸
重下、曲線部におけるレール頭部の摩耗や高速運
転時におけるレール頭部のシエリング疵などの疲
労損傷の少いレールを製造するため所要の微細パ
ーライト組織を安定且つ低コストに生産しようと
するものである。 産業上の利用分野 鉄道輸送の重軸重化、高速化に即応したレール
の熱処理方法。 従来の技術 近年における鉄道輸送は重軸重化、高速化が指
向され、レールの使用条件が厳しくなる傾向にな
り、斯様な要請に対してレール頭部の冶金的組織
として微細パーライト組織がレールに求められる
耐摩耗性、耐損傷性について最も優れた特性を示
すことが知られている。 然してこのような冶金的組織を得る方法として
一般的には次の２つの製造方法が知られている。 第１の方法は、炭素鋼レール成分にSi、Cr、
Mo、Ｖなどの合金元素を単体あるいは組み合わ
せて多量に添加することにより圧延後の自然冷却
条件下で前記微細パーライト組織を得る方法（以
下、合金鋼レール法と称す）である。 第２の方法は、安定してパーライトが得られる
炭素鋼レールを、圧延後あるいは再加熱後、オー
ステナイト域の温度より所定冷却速度で加速冷却
し前記微細パーライト組織を得る方法（以下熱処
理レール法と称す）である。 然してこの熱処理レール法は更に次のの方
法に大別される。 法：圧延後一旦冷却し、オフラインにてガス火
炎加熱あるいは高周波誘導加熱などによりオー
ステナイト域に再加熱後、熱処理する方法。 法：熱間圧延後、オンラインにて引続きオース
テナイト域より所定の冷却速度で加速冷却し熱
処理する方法。 又前記熱処理の強制冷却方法としては、次の３
つの方法が知られている。 ○イ 衝風による冷却。 ○ロ 水スプレーおよび水ミストによる冷却。 ○ハ溶融塩浴等への浸漬冷却。 発明が解決しようとする問題点 しかし、上記のような従来法には夫々に問題点
を有している。 即ち第１の合金鋼レール法は、圧延ままで製造
できるとしても高価な合金元素を多量に必要と
し、製造コストは高くなる。またロングレール化
を溶接の際に溶接後の冷却速度が２℃／sec前後
となり、圧延後の冷却速度より速いため溶接継手
部にマルテンサイト組織を生成する。従つて継手
溶接後、後熱処理を必要とするなど継手溶接の能
率低下が避けられない。 第２の熱処理レール法における法は、一旦冷
却したものを再加熱する手数とコストが嵩み、不
利とならざるを得ない。 この熱処理レール法の法においては、法に
おける前記不利はないとしても、その強制冷却の
ために採用された○イ〜○ハの方法に以下のような不
利がある。 ○イ の衝風による冷却は、冷却能が小さく、成分
により決定される必要冷却速度の確保が困難で
ある。オフライン熱処理の場合には、再加熱時
にレール頭部の表面から内部への温度勾配を急
峻にすることによりレール内部への抜熱を利用
して必要冷却能を低減している。また、冷却能
は、被冷却材への衝突速度に依存する為、冷却
能向上として衝風ノズルと被冷却材間隔を小さ
くすること、吐出圧力を高くすることなどが考
えられる。前者の場合、強制冷却過程でのレー
ル曲りに対する衝風ノズルの追従等の制御が必
要であり、熱処理速度が速くなると設備機構が
複雑となる。又後者の場合、衝風の流量が増大
し供給装置の巨大化を招き、設備費、ランニン
グコスト共に不利になる。なお、Cr、Mo等の
合金を添加し焼入性を上げて必要冷却速度を小
さくする方法があるが、合金の添加にり製造コ
ストが高くなる。 ○ロ の水スプレーおよび水ミストによる冷却は、
衝風冷却に比較して冷却媒体コストが安価であ
り、冷却能が大きく、流量密度の変更により冷
却能の調整ができる点で有利であるが、水の冷
却特性として被冷却材の表面温度低下にしたが
つて冷却能が増大し、膜沸とうから核沸とうに
移行する点で極大になる水濡れ現象が発生す
る。水ミストの場合にも、気水比により若干異
なるが同じ現象を示し、この現象は、被冷却材
の表面温度および表面性状に大きく依存する。
このような水の冷却特性は、冷却制御を困難と
し、冷却条件のバラツキによる品質の不均一、
水濡れによる局部的な過冷却によるレール特性
上有害なベイナイトやマルテンサイト組織の発
生の原因となる。 ○ハ の溶融塩浴等への浸漬冷却は、レール姿勢が
浸漬姿勢に制約され、また冷却能の部位別ある
いは時間の経過に伴なう調整が困難である。し
たがつて設備設計および熱処理条件の制御上不
利である。 「発明の構成」 問題点を解決するための手段 オーステナイト域から750〜500℃に到る冷却速
度を１〜30℃／secとして強制冷却し、レール頭
部を微細パーライト組織とするに当り、直列配置
したノズルから100〜170℃の加圧熱水を噴射して
得られる高温の気液混合スプレー帯を通過させレ
ール頭部を強制冷却することを特徴とするレール
の熱処理方法。 作 用 ノズルから噴出された熱水の液滴により冷却能
変化の少い安定した冷却が得られる。 レール成分による焼入性の変化に対応した冷却
能調整が図られ、又被冷却材に衝突した液滴が瞬
時に蒸気化し水切れが適切に得られる。 実施例 上記したような本発明について更に説明する
と、本発明においては上記した従来のものの問題
点を解消するように検討を重ね、レール頭部を耐
摩耗性、耐損傷性に優れた微細パーライト組織を
得るため、レール頭部をオーステナイト域温度よ
り加速冷却し、レール特性上有害なベイナイトや
マルテンサイト組織を生成せず、また熱処理後の
自己焼鈍による硬度軟化を生ぜしめないで、安
定、安価かつ高能率に熱処理する冷却ないし冷却
制御方法を得ることに成功した。 即ち本発明は、一般的にwt％（以下単に％と
いう）で、Ｃ：0.50〜0.85％、Si：0.10〜1.00％、
Mn：0.50〜1.50％、Ｐ：0.035％以下、Ｓ：0.035
％以下、Al：0.05％以下を含有し、残部がFeと
不可避的不純物を基本組成とし、必要により
Cr：0.05〜1.50％、Mo：0.05〜0.20％、Ｖ：0.03
〜0.10％、Ni：0.10〜1.00％、Nb：0.005〜0.050
％の何れか１種または２種以上を添加した化学組
成を有するレールを、その頭部温度がオーステナ
イト域から700〜500℃の間の冷却速度を１〜30
℃／secで加速冷却し、レール頭部を微細パーラ
イト組織に熱処理するに当り、上記強制冷却の全
温度範囲を100〜170℃の加圧熱水をノズルで噴射
し高温の気液混合スプレー（以下熱水スプレーと
いう）をなし、即ちこのような熱水スプレーヘツ
ダーを配置した列に上記レールを通過させ、レー
ル頭部の強制冷却をなすものである。またこの強
制冷却として強制冷却開始から500℃までを上記
熱水スプレー冷却ヘツダーで行い、500℃から強
制冷却停止温度までを衝風冷却ヘツダーを配置し
た列に上記レールを通過させて頭部の強制冷却を
なすものである。 このような本発明において、レール頭部の温度
がオーステナイト域から加速冷却し、該レール頭
部を微細パーライト組織に熱処理する際の冷却媒
体として熱水スプレーあるいは熱水スプレーと衝
風を組み合わせるのは以下のような理由による。
即ちレール頭部に関し微細パーライト組織とする
にはオーステナイト域温度よりレール表面ないし
表層５mmについて700℃〜500℃の間を、レール成
分により特定された冷却速度（たとえばAREA
系成分のものでは３〜９℃／sec）で加速冷却し、
また強制冷却の停止温度は変態した頭部の微細パ
ーライト組織の軟化を防止するためレール腹部等
よりの復熱を考慮しレール表面で450〜270℃にす
る必要がある。 本発明の熱水スプレーは、高温高圧（100〜170
℃、０〜7.0Kgｆ／cm²Ｇ）の熱水をノズルから大
気中に噴射し、この時に生じる液滴により冷却す
るものである。ノズルより噴射された熱水は、そ
の一部が蒸気化し数百倍の体積に急激に膨張し、
この蒸気により熱水が剪断・加速されて微細液滴
化され、気液混合スプレーとなる。熱水スプレー
の冷却能特性は、第６図に示すように被冷却材の
表面温度が高温領域から低温領域まで冷却能の変
化が小さく、これは冷却制御が容易であり、安定
していることを示す。水スプレーの場合には、被
冷却材の表面温度による冷却能の変化、水濡れ現
象による冷却能の急激な増大が生じる。この現象
は、表面温度および表面性状に依存する為、熱間
圧延材の場合には、表面温度が500℃〜550℃で水
濡れ現象が発生する可能性があることを考慮する
必要がある。また熱水スプレーの冷却能は、水ミ
ストと同等以上得られることを示しており、爆発
的に膨張する蒸気により熱水が微粒化され、同一
ノズルで広範囲の流量について安定した粒滴が得
られるため、レール成分による焼入性の変化に対
応した冷却能の調整に対して極めて有利である。 熱水スプレーは、被冷却材に衝突した液滴が瞬
時に蒸気化するため熱水スプレー単独でも極めて
水切れ性が良いが、熱水スプレーノズルの噴射範
囲の前後にパージ装置、例えば衝風によるパージ
を備えることにより更に水切れが完全となり、冷
却条件の安定が図られ得る。 次に、冷却媒体として冷却開始から500℃まで
を熱水スプレー冷却、500℃から強制冷却停止ま
でを衝風冷却とするのは以下の理由による。即
ち、微細パーライトを得るためにはオーステナイ
ト〜パーライト変態は、700℃〜500℃の間の冷却
速度を１〜30℃／secで強制冷却する必要がある
ため、冷却媒体として上記熱水スプレー冷却と
し、変態終了後の強制冷却は微細パーライトの軟
化防止のための復熱抑制冷却であり、冷却能は変
態時の1/2以下でよい。また、水スプレー等にて
顕著に見られる水濡れを現象を避ける為にも、後
半の冷却媒体として衝風冷却とすることは、工業
的実用性があり、品質安定上有効である。 即ち、オーステナイト〜パーライト変態の間の
冷却媒体として本発明の熱水スプレー冷却を使用
することにより、必要冷却速度が十分確保でき、
かつ冷却能が安定しているため、レール頭部にお
いて、レールに有害なベイナイトやマルテンサイ
トを生成することなく安定して微細パーライト組
織を得ることができる。なお上記したような本発
明による強制冷却方法は、熱間圧延終了後、該熱
間圧延に引き続きオンラインにて熱処理する場
合、およびオフラインにおいて再加熱後熱処理す
る場合のどちらにも適用できる。 本発明によるものの具体的実施例を添附図面に
示すものについて説明すると、第１図には本発明
による熱水スプレーノズルの配置例が示され、高
温高圧の熱水がノズル２より噴射され気液混合ス
プレーとなつて被冷却材であるレール１の頭部を
強制冷却する。該レール１の頭部・底部は熱水ス
プレーによる冷却を防止するため、スプレー遮蔽
手段３等が設けられている。また第２図には上記
したような第１図の熱水スプレーノズルに併用さ
れる、衝風冷却ヘツダーの配置例が示され、ヘツ
ダー４は多孔あるいは多スリツトのヘツダーであ
り、高圧空気を噴射してレール１の頭部を強制冷
却するように成つている。 更に第３図には、熱水スプレーノズルおよびパ
ージ用ノズルの配置例が示され、前記した第１図
に示す如く配設された熱水スプレーノズル２のレ
ール１長さ方向における噴射範囲の前後にパージ
用ノズル５を配置することにより、噴射された熱
水の水切れが更に完全となり、水濡れ等による局
所的な不均一に対し有効となる。 又第４図は、熱水スプレー冷却および衝風冷却
を組み合わせた場合の配置例であり熱水スプレー
冷却域６および衝風冷却域７をレールの通過方向
において直接的に配置、し、レール１を通過させ
ることにより強制冷却される。 次に、本発明による熱間圧延終了後、引き続き
熱処理して製造したレールの結果を示すと次の第
１表の如くであり、比較材としては従来方法のオ
フラインにて再加熱後衝風冷却によりフラツクク
ウエンチ処理したレールを併記する。 なお、この第１表には供試材の化学組成および
熱処理の冷却条件を示し、Ａ，Ｂ、が本発明材、
Ｃ，Ｄ、が比較材として従来方法による熱処理レ
ールである。Ｂ，Ｄ、は成分が基本組成のものに
対し、低合金を添加したレール鋼である。

【表】 また次の第２表にはこれらのものの熱処理後の
レール頭部中央部部分における機械的性質を示
す。本発明材はＡ，Ｂとも従来方法の熱処理レー
ルと同等の130Kgｆ／mm²以上の引張り強さを有し
ている。

【表】 第５図には上記のようにして得られた各レール
頭部の中央部における表面からの深さ（距離）に
よる断面硬度分布関係が示され、比較材の再加熱
後衝風によりスラツククウエンチした比較材Ｃ，
Ｄに比べ、本発明Ａ，Ｂは熱処理による有効硬化
層深度が深く、内部まで高硬度が確保されてい
る。 また、ミクロ組織もイベイイトやマルテンサイ
ト等の組織がなく良好な結果を示しており、本発
明の冷却方法により安定した品質のレールを安価
に製造し得ることが確認された。 「発明の効果」 以上説明したような本発明によるときは、特に
重軸重下、曲線部におけるレール頭部の摩耗ない
し高速運転時におけるレール頭部のシエリング疵
などの疲労損傷の少いレールを安定且つ低コスト
に生産することができるものであつて、工業的に
その結果の大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術的内容を示すものであつ
て、第１図は本発明による熱水スプレーのレール
断面方向における配置関係説明図、第２図は衝風
ヘツダーについての第１図と同様なレール断面方
向における配置関係説明図、第３図は熱水スプレ
ーおよびパージ用ノズルのレール長さ方向におけ
る配置関係説明図、第４図は熱水スプレーおよび
衝風の組み合わせによるレール長さ方向の配置関
係説明図、第５図は本発明における製造例とその
比較例についての断面硬度分布測定結果を示した
図表、第６図は熱水スプレー・水ミストおよび水
スプレーの冷却能を要約して示した図表である。 然してこれらの図面において、１はレール、２
は熱水スプレー手段、３はスプレー遮蔽手段、４
は衝風ヘツダー、５はパージ用ノズル、６は熱水
スプレー冷却域、７は衝風冷却域を示し、又第５
図においてＡ，Ｂは本発明によるもの、Ｃ，Ｄは
比較例によるものを夫々示している。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ オーステナイト域から750〜500℃に到る冷却
   速度を１〜30℃／secとして強制冷却し、レール
   頭部を微細パーライト組織とするに当り、直列配
   置したノズルから100〜170℃の加圧熱水を噴射し
   て得られる高温の気液混合スプレー帯を通過させ
   レール頭部を強制冷却することを特徴とするレー
   ルの熱処理方法。