JPH08512093A - レール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 車両走行面（４）を有する頭部（３）と脚部（２）とを有し、前記車両走行面が低炭素マルテンサイトからなることを特徴とする鉄道用のレール（１）。

Description

【発明の詳細な説明】 レール 本発明はレールに関し、特に向上した強度、硬度および靭性を示すレールに関 する。 鉄道用レールの製造にあたっての問題はよく知られており、それを手短に言う と、破損に対する抵抗力を有する技術である硬い走行面を有するとともに粘り強 いレールを製造することの困難さであると言えよう。頭部を硬くするための処理 はよく知られているが、概してそれらの処理は靭性の点で有害とも言える効果を 及ぼすことが知られている。鉄道レールは疲労き裂の生長に対して抵抗すること ができなければならない。 近頃の高性能レールは、一般に、適切な組成の鉄の圧延およびその後の冷却に より製造されている。レールは恐らくは再加熱されて圧延機から離れた後ただち に冷却されるか、あるいは実質的な熱処理の後ただちに冷却されるであろう。冷 却は、レール頭部の主成分としてパーライトが生成するように制御される。この パーライトは、硬度の点で特有の性質を有し、冷却速度は、実際、該鋼組成物が 鋼の連続冷却変態曲線（ＣＣＴ）におけるパーライト領域として知られている領 域に移るべく特別な速度未満となるように制御される。多くの場合、冷却は、Ｃ ＣＴ曲線における経路が“パーライトの鼻”として知られている領域を通過し、 純粋な中間層状のパーライトが一定の間隔で並べられ、その結果、高い強度と硬 度が得られるように特別に制御されるであろう。不幸なことに、近頃のレール技 術は、硬度を向上させるための処理によって靭性の低下が引き起こされるので、 パーライトからなる頭部によって到達し得る頭部の硬度の限 界に今や達しつつある。 それゆえ、本発明の目的は、一定の硬度に対して向上した破壊靭性および衝撃 抵抗を有するレールを提供することにある。 本発明によれば、頭部と脚部とを有し、車両走行面である頭部が低炭素マルテ ンサイトからなる鉄道レールを得ることができる。 このレールは低炭素鋼から圧延され、頭部および任意に脚部は水スプレーある いは水／空気スプレーにより速やかに冷却されるであろう。このレールの炭素含 有率は０．１％から０．４％の間であり、焼入性を向上させるために合金元素を 含有していてもよく、またチタンおよびニオブを含有していてもよい。焼入性は 図３に示す範囲となり、このレールはスプレー冷却の終了およびレール頭部にお ける余熱の自然冷却下での均一化による自己鍛練がなされることを許すであろう 。 本発明は以下の図面の参照を伴う実施例により説明される。 図１はマルテンサイトからなる頭部が形成されたレールを示す図であり、図２ はそのようなレールのブリネル硬さを示す図であり、図３はマルテンサイトから なるレールおよびパーライトからなるレールについての摩耗率と硬度との関係を 示す図であり、図４は低炭素鋼についてのジョミニ試験による焼入性データを示 す図であり、図５はマルテンサイトからなるレールおよびパーライトからなるレ ールについての種々の温度におけるＶ−ノッチ付きシャルピー衝撃エネルギーの 変化を示す図であり、図６はレール製造における冷却装置の一例を示す概略図で あり、図７はマルテンサイトからなるレールの製造における焼き入れ帯を示す図 であり、図８は０．８％炭素鋼についての連続冷却変態曲線を示す概略図である 。 図１は通常の平底形状の鉄道レール１を示している。このレールは脚部２と頭 部３とを有している。斜線部４における頭部のミクロ 構造はマルテンサイトであり、領域５は外部からのスプレー冷却による冷却の程 度が明らかに低いために、そのミクロ構造はマルテンサイトとベイナイトとの混 合物である。脚部もまた冷却されてそのミクロ構造は大部分がマルテンサイトで あり、脚部と頭部とを連結する腹部６の組成は、実際上、大抵のレール鋼の特性 および熱処理によって腹部に要求される性能を凌ぐことから通常は大した意味を もたない。表１に示すように、このレールは低炭素鋼組成物により形成されてい る。このようなレールの切断面についてブリネル硬さ試験を行った。その結果を 図２に示す。種々のレールについてのブリネル硬さの比較は図３に示す通りであ り、横軸に沿ってプロットされている。縦軸は空転１メートル当たりのミリグラ ムで表した摩耗量である。レールは次の４種類に分けられる。すなわち、圧延さ れたままの状態にある（ａ）および１％クロム鋼からなり再度圧延されたままの 状態にある（ｂ）と従来の製法によって得られたパーライトからなるレールの頭 部について種々の焼き入れおよび熱処理を行って得られる（Ｃ）および低炭素マ ルテンサイト鋼からなる本発明のレール（ｄ）である。図２および図３からマル テンサイトからなるレールの硬度は高く、かつ摩耗率は今日のパーライトからな るレールに匹敵することが明らかである。 靭性を測定するためにＶ−ノッチ付きシャルピー耐衝撃性試験が行われた。そ の結果を図５に示す。図５において横軸は温度を表わし、縦軸はジュールを単位 とする衝撃エネルギーを表わす。（ａ）は１ヤード当たり１１３ポンドの荷重で 本願発明における低炭素鋼を圧延したものについての結果であり、（ｂ）は０． ０１％のチタンを含有するパーライト鋼を通常の圧延機を使用して圧延した後、 再度、１ヤード当たり１１３ポンドの荷重で圧延したものについての結果である 。マルテンサイトからなるレールの引張り応力は１， ５５０Ｎ／ｍｍ²であり、破断伸びは１０％であり、ブリネル硬さは４４５であ る。これに対し、パーライトからなるレールの引張り応力は１，２１０Ｎ／ｍｍ² であり、破断伸びは１０％であり、ブリネル硬さは３３６である。これより、 破壊開始に対する抵抗性は低温下でさえパーライトからなるレールよりもマルテ ンサイトからなるレールの方が高いことが明らかである。 パーライトからなるレールの破壊靭性が３５〜４０MpA／ｍ^1/2であるのに対し て、マルテンサイトからなるレールの破壊靭性は、１００から１１０MPam^1/2の 間であるとの知見を得るに至っている。 また、マルテンサイトからなるレールの疲労き裂は速やかなあるいは終局的な 破壊が始まるよりもずっと前から伝播することが経験的に観察されてはいるが、 マルテンサイトからなるレールの疲労き裂抵抗（ｄａ／ｄＮ）は、現在行われて いる熱処理がなされたレールと同様に幅広いとの知見をも得るに至っている。こ のような低炭素マルテンサイト化した頭部が形成されたレールの製造は比較的に 簡単であり、鋼の冶金においてよく知られた曲線である連続冷却変態曲線におけ る“パーライトの鼻”を避けて通るように速やかにレールを冷却することが肝要 である。 図８は０．８％炭素鋼についての連続冷却変態曲線である。領域５４はオース テナイト（高温下での鋼の組織）であり、縦軸は温度を表わし、横軸は対数目盛 りで時間を表わす。オーステナイトは領域５０に存在し、マルテンサイトは領域 ５１に存在する。５２はパーライト領域であり、５３はベイナイト領域である。 これらの領域間では複数のミクロ構造が混在する鋼が形成される。点線で表した 経路Ｘは通常の空気冷却の経路であり、これはパーライト相に通じていることが わかる。Ｚで示した点はパーライトの鼻として知られている点であり、前述のよ うに、パーライトの鼻を避けて通過する ことを目指す経路Ｙに沿った制御冷却により純粋のパーライトが生成する。 経路Ｍはマルテンサイトからなるレールを製造するための典型的な経路であり 、オーステナイト領域から直接にマルテンサイト領域に変化することがわかる。 これより高速冷却が要求されることが明らかであり、そのような冷却は水を用い ることにより、すなわち水スプレーあるいは空気と水との混合スプレーの使用に より達成される。 レール製品において重視されるべき点は焼入性として知られている性質である 。これは冷却された部位、特に急速冷却された部位から遠く離れた部位で一定の 硬度に達する鋼の能力である。表１に示した組成の低炭素鋼についての焼入性デ ータを図４に示す。図４において縦軸はブリネル硬さ（ＢＨＮ）を表わし、横軸 はいずれも温度７００℃における１秒当たりのセルシウス単位で表した冷却速度 であり、等価プレートの厚みの単位はｍｍであり、焼き入れ面からの距離の単位 はｍｍである。参照データ（ａ）は厚み４０ｍｍの場合のデータであり、参照デ ータ（ｂ）は厚み６５ｍｍの場合のデータである。この図は、焼き入れされたレ ール外表面からのブリネル硬さの変化を示している。この鋼においては外表面か ら深い部分でマルテンサイトが形成されているので、この鋼のブリネル硬さは満 足できるものである。焼入性を発揮する成分として知られているのは、主にマン ガンであり、次いでモリブデン、バナジウム、クロム、ニッケルおよび銅である 。常に最後に測定される結果から合理的な限界を予測することは可能ではあるが 、合金成分に基づいて焼入性を予測することは極めて困難である。図４において 、点Ｃについてのデータは鋼の溶融に基づいた実験データである。チタンとニオ ブは、ありふれた理由で、すなわちチタンは溶接性を向上させるため に、またニオブは一般的な析出促進元素として添加される。このように、この方 法は、相対的に高い硬度を有している低炭素マルテンサイト組織の生成を許容し つつ高炭素鋼の焼入性を有するレールを作り出すものである。 図７は表３に示した組成物についての許容可能な焼き入れ帯を示している。Ｊ −ポジション（直径１インチの棒の焼き入れ端から１６分の１インチ番目ごとの 点）１，５，１２および２０について好ましい焼き入れ帯が示されている。この ようなレールについて領域７１は許容することができるが、好ましい範囲は領域 ７０である。 図６はこのようなマルテンサイトからなるレールに必要とされる冷却を行うた めに用いられるスプレー装置の典型的な配置を示している。 それぞれのグレードに含まれる組成の範囲を示す表２で示されたマルテンサイ トレール鋼の種々のグレードの組成が好ましい焼き入れ帯に入ることが明らかに された。 マルテンサイトからなるレールのさらなる利点は、マルテンサイト固有の硬度 の高さにより硬さの要求水準に容易に達することにある。したがって、この製造 方法では、頭部の硬さの最適化にはらう注意を少なくすることが可能であり、そ の結果、他の性質を改善するための要素を種々変化させることが可能になる。特 に、レール頭部の内部中心の温度が約５００℃まで下がった時にスプレー冷却を 中止することによってより高い靭性と耐衝撃性を生み出すレール頭部の自己鍛練 がなされる。このレールは、その後、自然冷却され、レール全体が最終的に雰囲 気温度になるまで冷却される前においてはレール頭部の内側からの熱はレール全 体の温度を上げつつゆっくりと拡散する。 要するに、本発明は、レール頭部のマルテンサイト冶金技術者達 に広く、そして恐らく一般的に避けるべきことと信じられていた考えに反して、 レール頭部を低炭素鋼で形成することができるという発見に基づくものであるこ とがわかる。低炭素マルテンサイト鋼を用いるという発明の着想に基づき、本出 願人は、レールに関して需要な要素であってやや漠然と“硬度”と呼ばれる要素 、すなわち転がり摩耗および転がり疲れが満足され、また、そのレールは頭部に おいて十分に許容範囲にある適度な硬度を有していることを見出した。 このように、本発明によれば、耐摩耗性に優れ、また、例えば今日入手するこ とのできる他のレールに比較して脱線による破損に対して優れた抵抗力を有する レールを提供することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年６月１４日 【補正内容】請求の範囲 １． 切断面において頭部と脚部とを有し、前記頭部が低炭素マルテンサイトか らなる車両走行面を有することを特徴とする鉄道用のレール。 ２． クロム含有率が１％未満である請求項１記載のレール。 ３． 低炭素鋼により形成され、前記頭部が水を用いて急速に冷却されたもので ある請求項１または請求項２に記載のレール。 ４． 低炭素鋼により形成され、前記頭部および前記脚部が水を用いて急速に冷 却されたものである請求項１または請求項２に記載のレール。 ５． 炭素含有率が０．１％〜０．４％の範囲にある請求項１乃至請求項４のい ずれかに記載のレール。 ６． 焼入性を向上させる合金元素を含有する請求項１乃至請求項５のいずれか に記載のレール。 ７． チタンおよびニオブを含有する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の レール。 ８． スプレー冷却の終了と自然冷却下でのレール頭部における余熱の均一化と による自己鍛練がなされている請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のレール 。 ９． 焼入性が下記の範囲内； にある請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のレール。 １０． 焼入性が下記の範囲内； にある請求項９記載のレール。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ (72)発明者 マーチィン，イアン，ウィリアム イギリス国，エス65 ３エイビー サウス ヨークシャー，ロザーハム，ヴァレイ ロード，ヘリンソープ 328

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 切断面において頭部と脚部とを有し、前記頭部が低炭素マルテンサイトか らなる車両走行面を有することを特徴とする鉄道用のレール。 ２． 低炭素鋼により形成され、前記頭部が水を用いて急速に冷却されたもので ある請求項１記載のレール。 ３． 低炭素鋼により形成され、前記頭部および前記脚部が水を用いて急速に冷 却されたものである請求項１記載のレール。 ４． 炭素含有率が０．１％〜０．４％の範囲にある請求項１乃至請求項３のい ずれかに記載のレール。 ５． 焼入性を向上させる合金元素を含有する請求項１乃至請求項４のいずれか に記載のレール。 ６． チタンおよびニオブを含有する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の レール。 ７． スプレー冷却の終了と自然冷却下でのレール頭部における余熱の均一化と による自己鍛練がなされている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のレール 。 ８． 焼入性が表３に示す許容可能な焼き入れ帯の範囲内にある請求項１乃至請 求項７のいずれかに記載のレール。 ９． 焼入が表３に示す好ましい焼き入れ帯の範囲内にある請求項８記載のレー ル。