JPH06158227A

JPH06158227A - 耐摩耗・高靭性レール

Info

Publication number: JPH06158227A
Application number: JP31381192A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Ueda; 正治上田; Koichi Uchino; 耕一内野; Hideaki Kageyama; 英明影山; Kazuo Sugino; 和男杉野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】レール頭表面での耐摩耗性を確保し、かつ、
レールの破壊靭性の向上を図ることを目的とする。【構成】レール軸断面において、レールの頭表面部お
よび頭側表面部にレール外郭表面より５mm〜４０mmの深
さまでの層の金属組織が耐摩耗性に優れたパーライト組
織を呈した材料で被覆し、その他の部位をベイナイト組
織を呈した靭性の高い材料とした二層組織を特徴とする
耐摩耗・高靭性レールである。【効果】本発明レールは、従来レールと同等のレール
頭表面部および頭側表面部での耐摩耗性を確保し、さら
に、レールの破壊靭性を大きく向上させることが可能と
なった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道に敷設される耐摩
耗性を有しかつ高靭性のレールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄道輸送の効率化の手段として、
海外鉱山鉄道などにおいて積載重量の増加、あるいは、
列車ダイヤの高密度化が図られ、さらに、天然資源の枯
渇にともない、自然環境が苛酷な地域までレールが敷設
されるようになってきた。このような鉄道輸送環境の変
化にともない、特に、寒冷地のレールには、より一層の
レール頭表面部分での耐摩耗性とレール腹部や底部の破
壊靭性の向上が求められるようになった。

【０００３】この対策として従来から、Ｃｒ，Ｍｏなど
の合金元素を多く添加した圧延ままの合金レール（特開
昭５０−１４０３１６号公報参照）、合金を添加せずに
レール頭部あるいは全体を加速冷却することによって製
造される熱処理レール（特開昭５５−２３８８５号公報
参照）、比較的低い量の合金を添加して耐摩耗性ばかり
でなく、溶接部の硬度低下を改善した低合金熱処理レー
ル（特公昭５９−１９１７３号公報参照）など各種のレ
ールが開発されている。これらのレールは、レール頭部
の耐摩耗性の向上を狙った高炭素含有鋼によるパーライ
ト組織を呈する単一組織のレールであって、レール頭部
の耐摩耗性とレール腹部や底部の抜本的な破壊靭性の向
上を同時に狙ったレールの開発は行われていなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、鋼の靭性を向
上させる手段として金属組織の微細化が有効であると言
われている。この金属組織の細粒化は、オーステナイト
粒の細粒化や粒内変態などの方法によって可能であり、
このオーステナイト粒の細粒化には、圧延時の低温加熱
や制御圧延あるいは圧延後の低温加熱熱処理が利用され
ている。しかし、レールではその圧延成型性確保の観点
から圧延時の低温加熱が困難であり、また、レールの断
面形状の複雑さから、制御冷却も困難であった。現状で
は、パーライト組織を呈する従来レール鋼の靭性を向上
させる手段としては、レール底部の低温加熱熱処理によ
って靭性を向上させる方法がある。しかし、この低温加
熱処理は、レールの再加熱を必要とするために、レール
製造コストが高くなり、また、再加熱のために、レール
製造における生産性が大きく低下するなど問題点があっ
た。

【０００５】一方、金属組織の選択によって鋼の靭性を
向上させる方法として、パーライト組織を呈する鋼に比
べて靭性が高く、安価なベイナイト組織を呈する低合金
炭素鋼を用いることも考えられるが、ベイナイト鋼で
は、靭性を大きく向上させることができる反面、レール
の基本的な特性の一つであるレール頭表面部分の耐摩耗
性を確保することが非常に難しい。

【０００６】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、レール頭表面部分をパーライト組織を呈した材
料とそれ以外の部位をベイナイト組織を呈する材料との
二層構造とすることにより耐摩耗性に優れた高靭性レー
ルを提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたもので、その要旨とするところは、
レール軸断面において少なくともレールの頭表面部およ
び頭側表面部はレール外郭表面部より５mm〜４０mmの深
さの層の金属組織がパーライト組織を呈し、その他の部
分は重量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．
１５〜１．２０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｃ
ｒ：１．００〜４．００％、Ｍｏ：０．１０〜０．６０
％を含有し、あるいは必要に応じて、Ｎｉ：０．０５〜
４．００％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｖ：０．０
５〜０．３０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％、Ｃｕ：
０．０５〜０．５０％の１種または２種以上を含有し、
残部が鉄および不可避的不純物からなり、かつその金属
組織がベイナイト組織を呈する二層構造からなることを
特徴とする耐摩耗・高靭性レールである。

【０００８】以下本発明について詳細に説明する。図
１，図２は、本発明の一実施例をレール軸断面で示した
ものである。図において１はパーライト組織を呈した材
料である。図１に示すように、パーライト組織を呈した
材料をレール頭表部ａに配置させるか、あるいは、図２
に示すように、レール頭表部ａおよびレール頭側部ｂか
らレール底部ｃの表面全体をパーライト組織を呈した材
料で覆うなど、種々の形態をとりうる。すなわち、パー
ライト組織を呈した材料１は、レール軸断面において、
少なくとも車輪がレールに接触するレール頭表部ａおよ
びレール頭側部ｂに存在し、その被覆厚さをレールの頭
表面部およびその頭側表面部から５mm〜４０mmまでの深
さとする。

【０００９】なお、パーライト組織を呈した材料１とし
ては、特に成分を限定するものではないが、例えば、前
記したような特許文献（公開公報）の他、特開昭５１−
２６６１号公報記載のものなど一般に開発されているレ
ール成分組成Ｃ：０．６０〜０．８０％、Ｓｉ：０．１
５〜０．３０％、Ｍｎ：０．７０〜１．１０％を含有
し、残部が鉄および不可避的不純物からなるパーライト
組織を呈する鋼材料が挙げられる。この他に、緻密なパ
ーライト組織を呈して強度、靭性、耐摩耗性、耐損傷性
などの各特性を具備したレール頭部表面鋼部材には、
Ｃ：０．５５〜０．８５％、Ｓｉ：０．１５〜１．２０
％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％とＣｒ：０．１０〜
１．００％を含有させた鋼部材、あるいはさらに少量の
Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，ＶやＴｉなどを選択的に添加した鋼
部材などを使用してもよい。

【００１０】他の部分２は、Ｃ：０．１０〜０．４５
％、Ｓｉ：０．１５〜１．２０％、Ｍｎ：０．３０〜
２．００％、Ｃｒ：１．００〜４．００％、Ｍｏ：０．
１０〜０．６０％を含有し、あるいはさらに必要に応じ
て、Ｎｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｕの少量を１種、または
２種以上を含有して、残部が鉄および不可避的不純物か
らなり、かつその金属組織がベイナイト組織を呈した材
料で、パーライト組織を呈した材料１で覆われたレール
頭表部ａおよびレール頭側部ｂあるいはさらにレール底
部ｃの表面以外の部位に配置される。

【００１１】本発明において、上記した部分をベイナイ
ト組織を呈した材料に限定した理由は、ベイナイト鋼は
パーライト鋼と比較して靭性が高く、また、パーライト
鋼との接合性も良好であるからである。また、この部位
における各成分を限定した理由は以下の通りである。Ｃ
は一定の強度を確保するための必須元素であり。０．１
０％未満では、レール鋼としての強度を確保することが
難しくなり、０．４５％を超えると破壊靭性の低いパー
ライト組織が多く生成してしまうため、０．１０〜０．
４５％に限定した。

【００１２】Ｓｉはフェライト組織に固溶することによ
って強度を向上させる元素であるが、脱酸元素としても
０．１５％以上の添加が必要であり、また、１．２０％
を超えるとレール製造時の表面きずの問題や、レール溶
接時の接合不良をもたらすため０．１５〜１．２０％に
限定した。

【００１３】Ｍｎは鋼の焼入れ性を高めフェライト粒を
細かくし、強度と靭性を同時に向上させる効果を持つ
が、０．３０％未満ではその効果が少なく、また、２．
００％を超えると、パーライト組織が多く生成してしま
い靭性を低下させるため、０．３０〜２．００％に限定
した。

【００１４】Ｃｒはベイナイト組織中のセメンタイトを
微細に分散させ強度を確保するために重要な元素である
が、１．００％未満ではベイナイト組織中のセメンタイ
トの分散が粗くなり、靭性が大きく低下し、また、４．
００％以上では炭化物の粗大化が生じるばかりか、硬度
の上昇によりレールの加工性が低下するため、１．００
〜４．００％に限定した。

【００１５】Ｍｏはベイナイト組織の安定化に欠くこと
ができない元素であるが、０．１０％未満ではその効果
が十分でなく、０．６０％以上ではベイナイト組織中に
硬くて脆いマルテンサイト組織が生成してしまうため、
０．１０〜０．６０％に限定した。

【００１６】Ｎｉはオーステナイト粒安定化元素であ
り、ベイナイト変態温度を下げ、ベイナイト組織を微細
化させ、靭性を向上させる元素であるが、０．０５％未
満ではその効果が著しく小さく、また、４．００％を超
える添加を行ってもその効果の向上が十分に期待できな
いために０．０５〜４．００％の範囲に限定した。

【００１７】Ｎｂはオーステナイト結晶粒微細化元素で
あり、レール鋼の靭性および延性を向上させることがで
きるが、０．０１％以下ではその効果が十分でなく、
０．０５％以上ではＮｂの金属間化合物が生成し脆化を
引き起こすため、０．０１〜０．０５％に限定した。

【００１８】ＶはＮｉとほぼ同等の効果を示し、Ｖ
（Ｃ，Ｎ）の析出によりベイナイト組織を強化すること
ができるが、０．０５％以下ではその効果が十分でな
く、０．３０％以上ではＶの添加はＶ（Ｃ，Ｎ）の粗大
化によってかえって脆化を生じさせるため、０．０５〜
０．３０％に限定した。

【００１９】Ｔｉは析出したＴｉ（Ｃ，Ｎ）が高温でも
溶解しないことを利用して、レールの圧延加熱時のオー
ステナイト結晶粒の細粒化に寄与する。しかし、０．０
１％以下ではその効果が小さく、０．０５％以上ではＴ
ｉＮの粗大化が生じ、レール内部の疲労損傷の核となり
有害であり、０．０１〜０．０５％に限定した。

【００２０】Ｃｕは鋼の靭性を損なわず強度を向上させ
る元素である。その効果は０．０５〜０．５０％の範囲
で最も大きく、また、０．５０％を超える添加は強度の
向上が過大となり靭性の低下を招くことから０．０５〜
０．５０％の範囲に限定した。

【００２１】パーライト組織を呈した材料１の被覆厚さ
をレール頭表面部およびレール頭側表面部から５mm以上
に限定した理由は、被覆厚さ５mm未満では、摩耗の進行
によりレール使用中に内部のベイナイト組織がレール頭
表面部分に露出し、摩耗によるレールの使用寿命を著し
く低下させるために５mm以上に限定した。また被覆厚さ
を４０mm以下に限定した理由は、レールの摩耗による最
大使用限界が頭表面部および頭側表面部のレール外郭表
面部より４０mm程度であり、被覆厚さが４０mm以上存在
しても、これ以上摩耗したレールは、列車の安定走行な
どの点からレールとしての機能を果たさないために４０
mm以下に限定した。

【００２２】また、レール頭表面部および頭側表面部に
パーライト組織を呈した材料１を配置し、その他の部分
に、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．１５〜１．
２０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｃｒ：１．００
〜４．００％、Ｍｏ：０．１０〜０．６０％を含有し、
必要に応じて、Ｎｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｕの少量を１
種、または２種以上を含有して、その金属組織がベイナ
イト組織を呈した材料２を配置した理由は、レール頭表
面部分をパーライト組織を呈した材料を配置することで
レール頭表面部分での耐摩耗性を確保し、さらにその内
部にベイナイト組織を呈する材料を配置することによっ
て、レール腹部や底部の靭性を向上させ、レールの破壊
靭性を大きく向上させることができるからである。

【００２３】上記のように、レール軸断面において異種
金属の二層構造からなる本発明は、爆着圧延、クラッド
法、鋳ぐるみ鋳造法、積層分散鋳造法、複層連続鋳造法
など任意の方法でブルームあるいはスラブを製造したの
ち、通常の熱間成型圧延法によってレールに製造され
る。さらに、必要によっては、本レールの頭部やその他
の部分の材質を改善するために熱処理が施される。この
ようにして製造された本レールは、鉄道用のレールとし
て要求される耐摩耗性や耐破壊靭性を具備する。

【００２４】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。表
１に示す本発明の８種類の二層構造レールと単一成分か
らなる２種類のレールを用いて、実レールと実車輪によ
るレール頭表面での摩耗試験と実レールによる落重試験
を行った。結果を表２および表３に示す。表１には、そ
れぞれのレール試料についての衝撃試験における吸収エ
ネルギーを併記した。尚レールの構造、構成材料の組織
は以下の通りである。符号Ａ；断面形状図１の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；１６．２mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；ベイナイト組織を呈する材料符号Ｂ；断面形状図２の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；１６．３mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；ベイナイト組織を呈する材料符号Ｃ；断面形状図１の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；２８．６mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；ベイナイト組織を呈する材料符号Ｄ；断面形状図２の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；２９．１mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；ベイナイト組織を呈する材料符号Ｅ；断面形状図１の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；３５．１mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；ベイナイト組織を呈する材料符号Ｆ；断面形状図２の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；３５．２mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；ベイナイト組織を呈する材料符号Ｇ；断面形状図１の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；３８．６mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；ベイナイト組織を呈する材料符号Ｈ；断面形状図２の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；３７．１mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；ベイナイト組織を呈する材料符号Ｉ；パーライト鋼を呈する普通高炭素鋼単層レール符号Ｊ；パーライト鋼を呈する頭部熱処理高炭素鋼単層
レール。

【００２５】また試験の条件は次の通りとした。摩耗試験条件（全試験片とも共通）・試験機；摩耗試験機・試験荷重；ラジアル荷重８．
０ｔ、スラスト荷重０ｔ・試験速度；車輪走行速度１０
０km／ｈ・繰り返し回数（通過トン数）；１億通過トン数・雰囲気；大気中落重試験条件（全試験片とも共通）・試験機；落重試験機・試験片長さ；１．３ｍ・支点間の距離；１．０ｍ・支持方法；頭部を上にして試
験する（頭部に落錘を落とす）・落錘の重さ；１０００kg ・落錘の高さ；１０ｍ・試験温度；＋２０〜−９０℃

【００２６】表２に摩耗試験結果を示す。表２から明ら
かのように、本発明二層レールＡ，Ｂ，Ｃ、およびＤ，
Ｅ，Ｆは、従来の普通高炭素単層レールＩと比較して、
同等の耐摩耗性を有する。また、頭部の熱処理を施した
本開発二層レールＧ，Ｈについても、従来の頭部熱処理
高炭素単層レールＪと比較して、同等の耐摩耗性を有す
る。

【００２７】表３に落重試験結果を示す。各試験条件ご
とに、４本のレールの落重試験後の破断の有無について
表中に示した。その結果、比較レールが−３０〜−４０
℃で４本全てのレールが破断してしまうのに対して、本
発明レールは、−８０℃まで４本全てのレールが破断し
ないことが明らかになった。すなわち、本発明二層レー
ルは、従来レールと比較して、同等の耐摩耗性を有し、
かつ、破壊靭性も大きく向上している。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明はレールの少くと
も頭表面、頭側表面部をパーライト組織を呈する材料と
し、他の部分をベイナイト組織を呈する材料とする二層
構造部分を有するレール構成とすることにより、従来レ
ールと同等の耐摩耗性を確保すると共にレールの破壊靭
性を大きく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明レールの断面形状の一例を示す図。

【図２】本発明レールの断面形状の他の例を示す図。

【符号の説明】

１パーナイト組織を呈する部位２ベイナイト組織を呈する部位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉野和男福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号新日本製鐵株式会社八幡製鐵所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レール軸断面において、少なくともレー
ルの頭表面部および頭側表面部は、レール外郭表面部よ
り５mm〜４０mmの深さまでの層の金属組織がパーライト
組織を呈し、その他の部分は重量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％Ｓｉ：０．１５〜１．２０％Ｍｎ：０．３０〜２．００％Ｃｒ：１．００〜４．００％Ｍｏ：０．１０〜０．６０％を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、か
つその金属組織がベイナイト組織を呈する二層構造から
なることを特徴とする耐摩耗・高靭性レール。
【請求項２】レール軸断面において、少なくともレー
ルの頭表面部および頭側表面部は、レール外郭表面部よ
り５mm〜４０mmの深さまでの層の金属組織がパーライト
組織を呈し、その他の部分は重量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％Ｓｉ：０．１５〜１．２０％Ｍｎ：０．３０〜２．００％Ｃｒ：１．００〜４．００％Ｍｏ：０．１０〜０．６０％を含有し、さらにＮｉ：０．０５〜４．００％Ｎｂ：０．０１〜０．０５％Ｖ：０．０５〜０．３０％Ｔｉ：０．０１〜０．０５％Ｃｕ：０．０５〜０．５０％の１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避
的不純物からなり、かつその金属組織がベイナイト組織
を呈する二層構造からなることを特徴とする耐摩耗・高
靭性レール。