JPH044372B2

JPH044372B2 -

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Publication number: JPH044372B2
Application number: JP12988587A
Authority: JP
Priority date: 1987-05-28
Filing date: 1987-05-28
Publication date: 1992-01-28
Also published as: JPS63297521A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕この発明は、レールの熱処理方法、特に、不均
一冷却による硬度のばらつきをなくし且つ熱処理
設備中の空気源設備を小形化できるレールの熱処
理方法に関するものである。〔従来の技術〕鉄道車両の重量増に伴う高軸荷重化や高速輸送
に伴つて、レールの摩耗が切実な問題となつてお
り、耐摩耗性を備えた高強度レールの供給が要望
されてきている。良く知られているように、レー
ルの摩耗部分は、レールの頭部上面および内側面
である。従つて、少なくともレール頭部の表層部
分の組織を微細パーライト組織とする必要があ
る。この微細パーライト組織を得る熱処理方法とし
ては、第１図に示すように、主として冷却停止温
度を制御して変態温度に保持する恒温変態熱処理
と、主として冷却速度を制御して冷却を行う連続
冷却変態熱処理とがある。冷却媒体として、衝風、噴霧水、気水混合物、
沸騰水、蒸気、溶融塩等を使用した熱処理方法
が、特開昭54−148124号公報、特開昭54−147124
号公報、特開昭57−85929号公報、特開昭59−
133322号公報、特開昭61−149436号公報等に開示
されている。〔発明が解決しようとする問題点〕しかし、これらの熱処理方法は、次のような問
題を有している。 (1) 衝風による熱処理：衝風冷却によれば均一冷却が行なえるが、そ
の冷却能力は、例えば、噴霧水による場合に比
べて小さい。従つて、耐摩耗性および強度向上
のためには、合金元素を添加する必要がある
が、レールの製造コストが上昇する。そこで、
衝風冷却用ノズルをレール表面に接近させて設
置し、ここから大量の圧縮空気をレール表面に
噴射し、これによつて、所望の冷却能力を確保
する方法があるが、圧延後のオンライン熱処理
では長い冷却域を必要とするので、空気源設備
が大型化し、設備的に不利となる。 (2) 水または気水混合物の噴霧による熱処理：これらの冷媒の冷却能力は、衝風の場合に比
べて大幅に優れている。水の冷却能力の一例と
して、鋼片を水量密度200〜1000／min・m²
で冷却した場合の、鋼片の表面温度と熱伝達係
数との関係を第２図に示すが、鋼片の表面温度
が低温になるほど熱伝達係数が増し、即ち、冷
却能力が増し、200〜350℃で最大となる。これ
は冷却水が核沸騰することによるものである。
噴霧水によつてレール表面を冷却すると、圧延
時および熱処理時にレール表面に発生したスケ
ールを核として、冷却水が核沸騰に遷移する。
この局所的な核沸騰によりこの部分の温度が急
激に降下し、これによつて、マルテンサイト組
織やベイナイト組織が発生して、レール頭部の
硬度のばらつきをもたらす。冷却能は水の噴霧
量によつて調節されるが、噴霧量の低下ととも
に、冷却の均一性の維持が困難となる。気水混
合物の噴霧の場合には、冷却の不均一性の問題
のみならず、かなりの量の空気が必要で、衝風
冷却に類似した問題点もまた有している。 (3) 沸騰水中にレール頭部を浸漬することによる
熱処理：レール頭部に蒸気膜を形成し、この蒸気膜を
介して所望の冷却能力を得るものであるが、均
一に蒸気膜を形成し且つ維持していくことが不
可能に近く、現実的な方法ではない。 (4) 蒸気の噴射による熱処理：衝風冷却に比べて冷却能力は大きいが、微細
パーライト組織を得るには、やはり大量の蒸気
を必要とし、設備的に不利である。 (5) 溶融塩浴中にレール頭部を浸漬することによ
る熱処理：これは冷却速度の制御、冷却の均一性の点で
問題はないが、熱処理後のレール表面に付着す
る溶融塩の除去装置が必要であり且つレール頭
部への溶融塩量の付着量が多い。従つて、熱処
理設備およびランニングコスト面で不利であ
る。上記刊行物に開示された熱処理方法の中で、例
えば、特開昭54−147124号公報に開示された熱処
理方法は、前述した２つの熱処理方法のうちの恒
温変態熱処理方法であるが、この方法は、変態終
了を完全にする必要性から、長時間高温に保持さ
れるために、自己焼鈍による軟化現象が起こりや
すく、好ましくない。従つて、この発明の目的は、熱処理に必要な空
気源設備を小型化でき且つ硬度のばらつきがな
い、レールの頭部組織を微細パーライト組織にす
るための、レールの熱処理方法を提供することに
ある。〔問題点を解決するための手段〕この発明は、レール頭部に連続冷却変態熱処理
を施して、前記レール頭部の組織を微細パーライ
ト組織にするに際して、前記レール頭部を噴霧水
によつて冷却し、続いて、前記レール頭部を熱水
噴流によつて冷却し、この後、前記レール頭部を
空気によつて冷却し、前記噴霧水による冷却から
前記熱水噴流による冷却への切替え温度を530℃
以上とし、そして、前記熱水噴流による冷却から
前記空気による冷却への切替え温度を、前記噴霧
水による冷却から前記熱水噴流による冷却に切り
替える温度未満420℃以上の温度とすることに特
徴を有するものである。ここで熱水噴流とは100
℃以上の高温高圧水をノズルから噴出させて得ら
れる高速気液２相流である。この発明において、熱処理方法を第１図に示す
連続冷却変態熱処理方法に限定したのは、この熱
処理方法は、変態処理後も速やかにレールを冷却
することができるからである。これに対して、恒
温変態熱処理方法は、前述したように、変態終了
後、自己軟化焼鈍現象が起るので、好ましくな
い。この発明において、水噴霧冷却から熱水噴流冷
却に切り替える温度を530℃以上とし、熱水噴流
冷却から衝風冷却に切り替える温度を、水噴霧冷
却から熱水噴流冷却に切り替える温度未満420℃
以上の間とした理由について説明する。第３図に、Ｃ：0.77％、Si：0.25％、Mn：0.85
％、Ｐ：0.01％、Ｓ：0.007％（以上重量％）を
含有するレールを、連続冷却変態熱処理したとき
の、Ac₃点からの冷却時間と金属組織および硬度
との関係を示す。第３図から明らかなように、パーライト組織と
するには、11℃／sec以下の冷却速度でオーステ
ナイト化温度以上から変態点温度以下まで、冷却
する必要がある。また、熱処理後の自己軟化焼鈍を防止するに
は、第４図に示すように、復熱最高温度が450℃
以下になるように冷却する必要がある。なお、第
４図は、Ｃ：0.77％、Si：0.25％、Mn：0.86％、
Ｐ：0.017％、Ｓ：0.008％（以上重量％）を含有
する公知の鋼からなるレールを、冷却温度4.8
℃／secで冷却したときの、復熱温度と引張強さ
から換算した硬さおよびレール頭部下５mmの強度
との関係を示したグラフである。そこで、長さ500mmの136ポンド／ヤードレール
の試験片（Ｃ：0.75％、Si：0.24％、Mn：0.90
％、Ｐ：0.016％、Ｓ：0.008％以上重量％）の頭
部上表面から５mmの位置に熱電対を取り付け、こ
の試験片を900℃に加熱し、この後、試験片を往
復移動可能な台車に乗せて、レール温度が800℃
になるまで、レールを大気放冷し、この後、第５
図Ａ，Ｂに示すように、冷却ゾーン（図中−
間）を、レール１の頭部上方および両側に設けた
水冷用ノズル２からの噴霧水による冷却速度が
２、５、10℃／secとなるように、レール１を乗
せた台車（図示せず）を往復移動させてレール１
を冷却し、そして、この冷却を種々の時間で停止
して、その後のレール１の復熱温度を調べた。こ
のときの冷却条件を第１表に示す。

【表】第６図Ａ，Ｂ，Ｃに、冷却時間と冷却停止後の
レール表面の復熱最高温度との関係を示す。第６図Ａ，Ｂ，Ｃから明らかなように、冷却速
度に応じて、レール表面の復熱最高温度がある温
度から大きくばらつくことがわかる。次に、第２表に示す冷却条件に従い、即ち、第
１表において、ノズル型式を熱水噴射ノズルに代
え、そして、冷却媒体として、熱水（100℃以上
の高温高圧水）を熱水噴射ノズルに供給して、冷
却速度が２、５、10℃／secとなるようにし、他
の条件は上述した試験と同一にして、冷却時間と
冷却停止後のレール表面の復熱最高温度との関係
を調べた。この結果を第７図Ａ，Ｂ，Ｃに示す。

【表】第７図Ａ，Ｂ，Ｃから明らかなように、第６図
の場合と同様、冷却速度に応じて、レール表面の
復熱最高温度がある温度から大きくばらつくこと
がわかる。次に、上述した試験条件に従つて、冷却停止時
のレール表面温度とレール復熱最高温度との関係
を、計算機よつて求めた。この結果を第８図に示
す。第６図、第７図および第８図からわかるよう
に、レール表面の復熱最高温度にばらつきが生じ
るのは、水噴霧冷却の場合、レール表面温度が約
530℃に達したとき、熱水噴流冷却の場合、レー
ル表面温度が約420℃に達したときであることが
わかる。従つて、この発明においては、水噴霧冷
却から熱水噴流冷却に切り替える温度を530℃以
上とし、熱水噴流冷却から衝風冷却に切り替える
温度を、水噴霧冷却から熱水噴流冷却に切り替え
る温度未満420℃以上の間としたのである。次に、この発明の実施例について説明する。長さ500mmの136ポンド／ヤードレールの試験片
（Ｃ：0.76％、Si：0.25％、Mn：0.91％、Ｐ：
0.017％、Ｓ：0.007％以上量％）の頭部上表面か
ら５mmの位置に熱電対を取り付け、この試験片を
800℃に加熱し、この後、試験片を往復移動可能
な台車に乗せて、第９図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに示すよ
うに、水噴霧冷却ゾーン（図中−間）を往復
移動させて、レール１の頭部上方および両側に設
けた水冷用ノズル２からの噴霧水によつて、レー
ル表面温度が550℃になるまで冷却し、引続き、
熱水噴流冷却ゾーン（図中−間）を往復移動
させて、レール１の頭部上方および両側に設けた
熱水噴流冷却用ノズル４からの熱水噴流によつ
て、レール表面温度が420℃になるまで冷却し、
引続き、空気冷却ゾーン（図中−間）を往復
移動させて、レール１の頭部上方および両側に設
けた空冷用ノズル３からの空気によつて、レール
表面温度が200℃になるまで空冷した。このとき
の復熱最高表面温度は、330℃であつた。第３表
に冷却条件を示す。

【表】そして、この試験片からレール頭部を切り出
し、そのマクロ組織およびビツカース硬度を調べ
た。この結果、マクロ組織は微細パーライト組織
になつており、異常組織は認められなかつた。ま
た、ビツカース硬度分布の結果を第１０図に示
す。第１０図から明らかなように、レール頭部の
ビツカース硬度は、ばらつきが小さく且つその値
も十分な耐摩耗性を有するものであることがわか
る。次に、Ｃ：0.78％、Si：0.56％、Mn：0.86％、
Ｐ：0.002％、Ｓ：0.007％、Cr：0.447％、Ｖ：
0.054％（以上重量％）を含有する圧延終了直後
の136ポンド／ヤードレールを、第９図Ｄに示す
ノズルを設けた水冷ゾーン、同Ｃ図に示すノズル
を設けた熱水噴流冷却ゾーンおよび同Ｂ図に示す
ノズルを設けた空冷ゾーンを、7.2ｍ／minの速
度で移動させ、水噴霧冷却ゾーンにおいて、レー
ル表面温度を550℃まで冷却し、続く熱水噴流冷
却ゾーンにおいて、レール表面温度を450℃まで
冷却し、そして、空冷ゾーンにおいて、レール表
面温度を300℃に冷却した。このときの冷却条件
を第４表に示す。

【表】

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、レー
ル頭部を、例えば噴霧水のみによつて熱処理する
場合に比べて、均一冷却されるので硬度のばらつ
きが小さく、しかも、レール頭部を衝風冷却のみ
によつて熱処理する場合に比べて使用空気量が大
幅に少ないので、空気源設備が小型化できる等
種々の有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、恒温変態熱処理および連続冷却変態
熱処理における時間と温度との関係を示すグラ
フ、第２図は、水量密度をパラメーターとしたと
きの熱伝達係数と表面温度との関係を示すグラ
フ、第３図は、連続冷却変態温度の冷却速度と金
属組織および硬度との関係を示すグラフ、第４図
は、引張強さから換算した硬さおよび頭部下５mm
の強度との関係を示すグラフ、第５図Ａは、レー
ル試験片の冷却方法を示す正面図、同Ｂ図は、第
５図ＡのＡ−Ａ視図、第６図Ａ〜Ｃは、水冷時の
復熱最高温度と冷却時間との関係を示すグラフ、
第７図Ａ〜Ｃは、熱水噴流冷却時の復熱最高温度
と冷却時間との関係を示すグラフ、第８図は、冷
却速度をパラメーターとしたときの復熱最高温度
と冷却停止時のレール表面温度との関係を示すグ
ラフ、第９図Ａは、この発明の冷却方法を示す正
面図、同Ｂ図は、第９図ＡのＡ−Ａ視図、同Ｃ図
は、第９図ＡのＢ−Ｂ視図、同Ｄ図は、第９図Ａ
のＣ−Ｃ視図、第１０図は、ビツカース硬度と表
面からの距離との関係を示すグラフ、第１１図
は、レール表面下20mmのビツカース硬度とレール
長手方向位置との関係を示すグラフである。図面
において、１……レール、２……水冷用ノズル、３……空
冷用ノズル、４……熱水噴流冷却用ノズル。

Claims

【特許請求の範囲】

１レール頭部に連続冷却変態熱処理を施して、
前記レール頭部の組織を微細パーライト組織にす
るに際して、前記レール頭部を噴霧水によつて冷
却し、続いて、前記レール頭部を熱水噴流によつ
て冷却し、この後、前記レール頭部を空気によつ
て冷却し、前記噴霧水による冷却から前記熱水噴
流による冷却への切替え温度を530℃以上とし、
そして、前記熱水噴流による冷却から前記空気に
よる冷却への切替え温度を、前記噴霧水による冷
却から前記熱水噴流による冷却に切り替える温度
未満420℃以上の温度とすることを特徴とする、
レールの熱処理方法。