JPH11100801A

JPH11100801A - 防食性に優れるレール及びレール表面層の残留応力の測定方法

Info

Publication number: JPH11100801A
Application number: JP10137479A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Mizoguchi; 茂溝口; Kouji Babazono; 浩二馬場園; Fumio Yamanaka; 文雄山中; Hiroyuki Koike; 寛行小池
Original assignee: Nippon Steel Corp; Kyushu Railway Co
Current assignee: Nippon Steel Corp; Kyushu Railway Co
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-05-01
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】交流軌道又は直流軌道でも電食が問題となら
ない海底トンネルあるいは陸上トンネルでの、特にレー
ル底部（底面）からの腐食と疲労破壊を防止して耐用寿
命が長く、防食性に優れ、しかも安価であり、その測定
方法においては、連続的に使用でき、簡便かつ精度のよ
い防食性に優れるレール及びレール表面層の残留応力の
精密測定方法を提供すること。【解決手段】車輪当接面ａを除くレール本体１１の表
面のうち、タイプレート１９及び締結部材２１、２２に
接するレール底部１２とレール足上部１３には、レール
本体１１に用いたレール鋼よりも卑なる金属からなる溶
射被覆層１４が形成され、その他のレール本体１１の表
面には、レール鋼に対して犠牲防食作用を有する合成樹
脂の塗装被覆層１８が形成されている。また、酸溶解に
よる歪みの測定に歪みゲージを使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道の軌道に使用
される防食性に優れるレールに係り、更に好ましくは、
例えば、漏水のある海底トンネル又は陸上トンネルに用
いられるレールに係り、また、レール表面層の残留応力
を測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、レールの防食方法としては、レー
ル自身の耐食性を向上させることが考えられる。添加元
素としては、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどが対象とさ
れ、鋼を合金化することによってレールの耐食性を高め
ることが検討されている。更にレール本体の表面に塗
装、溶射、ゴムライニングなどの表面処理を施して保護
層を形成し、耐食性を向上させることが検討されてい
る。例えば、「溶射技術、Ｖｏ１６．Ｎｏ．３，１９９
７，Ｐ３４．」には、亜鉛粒子を分散させたプライマー
（ＺｉｎｃｒｉｃｈＰｒｉｍｅｒ）の上にエポキシ樹
脂（ＴａｒＥｐｏｘｙ）層を積層する技術が記載され
ている。また、Ｚｎ−Ａｌ合金等をレール本体表面に溶
射することにより、保護層を形成する技術も検討されて
いる。

【０００３】次に、レール表面の残留応力の精密測定法
として、次の方法が知られている。抵抗線歪みゲージ法：１軸又は２軸の歪みゲージを
被測定レールの表面に貼り付けたのち、レールを適当な
厚さに鋸断（スライス）して、その都度の歪み（残留応
力）を電気的に測定する方法である。Ｘ線法：被測定レールの表面からＸ線を照射して、
結晶内の格子面間距離の変化を測定して歪み（応力）を
測定する方法である。酸溶解法：ビーカーに入る程度の大きさの材料もし
くは小さく切り出した材料の歪み測定に用いられるもの
で、材料の片面を酸で溶解しながら、一定厚さ毎に、そ
の時の試験片のたわみ量（曲率）を測定して、歪み量に
換算する方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の防食性に優れるレールと、レール表面の残留応力の
精密測定法には、未だ、以下の解決すべき課題を有して
いた。レール材質を変える方法においてＣｕ、Ｃｒ、Ｎ
ｉ、Ｍｏなどの合金元素を添加しても、これらの添加元
素の合計が１０％未満では、トンネルの湿潤環境ではレ
ールの腐食の進行を阻止することができず、また１０％
以上の添加になると耐食性は向上するが、原料原価が高
くなり、使用量の多いレールにおいては経済性が著しく
劣るという問題を有する。

【０００５】亜鉛粒子を分散させたプライマー（Ｚｉｎ
ｃｒｉｃｈＰｒｉｍｅｒ）の上にエポキシ樹脂（Ｔａ
ｒＥｐｏｘｙ）層を形成するレールの被覆処理では、
タイプレートや枕木締結金具との接触部に大きな荷重が
作用して、その損傷が比較的早いという欠点がある。ま
た、レール表面にＺｎ−Ａｌ合金溶射被覆層を形成する
表面処理では、タイプレートや枕木締結金具との接触部
の損傷は塗装より遅いものの、レールの主要表面に溶射
被膜を形成すると著しく製造コストがアップするという
問題がある。また、ゴムライニングでレールの表面処理
を行うと、大きな荷重がかかる部分は損傷が発生すると
共に、極めてコスト高になるという問題があった。

【０００６】次にレール表面層残留応力の精密測定法に
は、以下のような欠点があった。まず、抵抗線歪みゲー
ジ法では、スライスした厚さが４ｍｍ以下になると鋸断
歪みの影響を受けて、真の歪み量が測定できないため、
表面層の歪み測定が困難であった。また、Ｘ線法では、
微小領域を測定するために、場所によって歪みが相当異
なる場合があり、測定回数又は測定箇所を増やさないと
真の歪みが求めにくく、さらに、被測定物の表面を清浄
にしておかなければならなかった。そして、酸溶解法で
は、曲率の測定に時間がかかり、また、連続して測定す
ることができなかった。本発明はかかる事情に鑑みてな
されたもので、タイプレートや枕木締結金具と接触する
個所の被覆の損傷を抑制し、また仮に被覆の損傷が発生
しても、レール底面からの疲労破壊に対する抵抗性を高
めて、耐用寿命の長い防食性に優れ、しかも安価なレー
ルであり、その測定方法においては、連続的に使用で
き、簡便かつ精度のよい防食性に優れたレール及びレー
ル表面層残留応力の測定方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１
記載の防食性に優れるレールは、車輪当接面を除くレー
ル本体の表面のうち、タイプレート及び締結部材に接す
るレール底部とレール足上部には、前記レール本体に用
いたレール鋼よりも卑な金属からなる溶射被覆層が形成
され、その他の前記レール本体の表面には、前記レール
鋼に対して犠牲防食作用を有する合成樹脂の塗装被覆層
が形成されている。請求項２記載の防食性に優れるレー
ルは、請求項１記載の防食性に優れるレールにおいて、
前記レール本体の底部には、少なくともその表面から２
０μｍ以上２０００μｍ以下（更に好ましくは２００μ
ｍ以上２０００μｍ以下）の深さ位置の一部に、前記レ
ール鋼の降伏点（降伏応力）の２０％以上の圧縮残留応
力を付与している。請求項３記載の防食性に優れるレー
ルは、請求項１又は２記載の防食性に優れるレールにお
いて、前記溶射被覆層と前記塗装被覆層との境界部分
は、前記溶射被覆層が下地となって、前記塗装被覆層が
上地となるラップ層が形成されている。

【０００８】請求項４記載の防食性に優れるレールは、
レール底部には少なくとも表面から厚さ方向２０μｍ以
上２０００μｍ以下（更に好ましくは２００μｍ以上２
０００μｍ以下）の深さの一部に、レール本体に用いる
レール鋼の降伏点の２０％以上の圧縮残留応力が付与さ
れ、車輪当接面を除く前記レール本体の全表面に、該レ
ール本体に用いたレール鋼に対して犠牲防食作用を有す
る合成樹脂被覆からなる保護層を形成している。請求項
５記載の防食性に優れるレールは、レール底部には少な
くとも表面から厚さ方向２０μｍ以上２０００μｍ以下
（更に好ましくは２００μｍ以上２０００μｍ以下）の
深さの一部に、レール本体に用いるレール鋼の降伏点の
２０％以上の圧縮残留応力が付与され、車輪当接面を除
く前記レール本体の全表面に、該レール本体に用いたレ
ール鋼よりも卑な金属からなる溶射被覆層を形成してい
る。請求項６記載の防食性に優れるレールは、請求項１
〜３又は５のいずれか１項に記載の防食性に優れるレー
ルにおいて、前記溶射被覆層は、封孔処理がなされてい
る。

【０００９】請求項７記載のレール表面層の残留応力の
測定方法は、レール表面層に付与した残留応力の測定方
法であって、表面側に絶縁及び防食処理がなされた歪み
ゲージが貼着されたレール試験片の裏面側を腐食処理し
て、前記歪みゲージの出力から、前記レール表面層の残
留応力を演算処理して求める。請求項８記載のレール表
面層の残留応力の測定方法は、請求項７記載のレール表
面層の残留応力の測定方法において、前記歪みゲージ
は、前記レール試験片が切り出される前段階から貼着さ
れている。請求項９記載のレール表面層の残留応力の測
定方法は、請求項７又は８記載のレール表面層の残留応
力の測定方法において、前記歪みゲージの絶縁及び防食
処理は、貼着された前記歪みゲージの表面に樹脂を塗布
することによって行われ、前記レール試験片の腐食液に
は、硝酸、塩酸、硫酸等の強酸液が恒温槽に入れて使用
されている。請求項１０記載のレール表面層の残留応力
の測定方法は、請求項７〜９のいずれか１項に記載のレ
ール表面層の残留応力の測定方法において、前記歪みゲ
ージの測定は、一定厚み毎に出力されている。請求項１
１記載のレール表面層の残留応力の測定方法は、請求項
７〜１０のいずれか１項に記載のレール表面層の残留応
力の測定方法において、前記レール試験片の厚みは自動
的に測定され、前記歪みゲージの出力と共に電気信号と
して出力される。

【００１０】請求項１〜３の防食性に優れるレールにお
いては、車輪当接面を除くレール本体の全表面のうち、
タイプレートや締結部材（枕木締結金具）が接触するレ
ール底部とレール足上部は、レール鋼よりも卑な金属で
形成された溶射被覆層が、その他の表面はレール鋼に対
して犠牲防食作用を有する合成樹脂の塗装被覆層からな
る保護層で形成されている。溶射被覆層は十分な強度を
有しているので、これによってレール底部やレール足上
部の保護層の損傷が長期にわたって抑制されると同時
に、レール腹部や頭側部などの非接触部は塗装であるた
めにコストが安くなる。特に、請求項２記載の防食性に
優れるレールにおいては、金属溶射を施す前のレールの
下地処理として、レール底面部（レール本体の底部）の
少なくとも表面から２０μｍ以上２０００μｍ以下の深
さ位置の一部にレール鋼の降伏点の２０％以上の圧縮残
留応力を付与しているので、これによって底部が繰り返
し荷重に対して抵抗性を有すると共に、溶射被覆層が損
傷した場合の選択腐食性に対しても抵抗性を有する。

【００１１】請求項３記載の防食性に優れるレールにお
いては、溶射被覆層と塗装被覆層との境界部分は、溶射
被覆層が下地となって、塗装被覆層が上地となるラップ
層が形成されているので、境界部分でも十分な防食性を
有する。請求項４及び請求項５記載の防食性に優れるレ
ールにおいては、金属溶射又は合成樹脂塗装を施す前の
レールの下地処理として、レール底部の少なくとも表面
から２０μｍ以上２０００μｍ以下の深さ位置の一部に
レール鋼の降伏点の２０％以上の圧縮残留応力を付与し
たあと、それぞれ車輪当接面を除くレール本体全表面に
レール鋼に対して犠牲防食作用を有する合成樹脂被覆か
らなる保護層又はレール鋼よりも卑な金属溶射被覆から
なる保護層が形成されているので、レール底部の保護層
が損傷してレール底面素地の腐食がある程度進行して
も、電池作用によって腐食を防止する他、レール底部か
らの疲労破壊を抑制できる。請求項６記載の防食性に優
れるレールにおいては、溶射被覆層は封孔処理が行われ
ているので、海水等に対して長期に渡って安定した状態
を継続できる。

【００１２】請求項７〜１１記載のレール表面層の残留
応力の測定方法においては、表面側に絶縁及び防食処理
がなされた歪みゲージが貼着されたレール試験片の裏面
側を腐食処理して、歪みゲージの出力から、レール表面
層の残留応力を演算処理して求めるので、連続して歪み
を測定することができる他、測定時間の短縮を図ること
ができる。請求項８記載のレール表面層の残留応力の測
定方法においては、歪みゲージが、レール試験片が切り
出される前段階から貼着されているので、鋸断終了時の
歪みの測定後に、酸溶解法による測定の段階に迅速に移
行することができる。請求項９記載のレール表面層の残
留応力の測定方法においては、歪みゲージの絶縁及び防
食処理は、貼着された歪みゲージの表面に樹脂を塗布す
ることによって行われ、レール試験片の腐食液には、硝
酸、塩酸、硫酸等の強酸液が恒温槽に入れて使用されて
いるので、予め溶解速度を求めておくことによって時間
に対する板厚を計算でき、連続して歪みを測定すること
ができる。請求項１０記載のレール表面層の残留応力の
測定方法においては、歪みゲージの測定は、例えば、板
厚を自動的に計測する装置により、一定厚み毎に出力さ
れているので、連続して歪みを測定することができる。
請求項１１記載のレール表面層の残留応力の測定方法に
おいては、レール試験片の厚みは自動的に測定され、歪
みゲージの出力と共に電気信号として出力されるので、
これを記録する装置に接続しておけば、板厚方向の歪み
の自動測定ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面に基づいて
本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の
理解に供する。ここに、図１は本発明の実施の形態に係
る防食性に優れるレールの説明図、図２はレール底部表
面からの深さとレール鋼の降伏点に対する圧縮残留応力
の割合との関係を示すグラフである。図１に示すように
本発明の実施に係る防食性に優れるレール１０は、レー
ル鋼を原材料として製造され、通常の鋼製のレールと同
様な断面形状からなるレール本体１１と、レール底部１
２及びレール足上部１３に被覆された溶射被覆層１４
と、車輪当接面ａを除くレール頭部１６とレール腹部１
７の表面に形成された合成樹脂の塗装被覆層１８とを有
している。以下、これらについて詳しく説明する。

【００１４】溶射被覆層１４で被覆されたレール底部１
２はタイプレート１９の凹部２０に載置され、締結部材
の一例である締結ボルト２１とクリップ２２で固定され
て、タイプレート１９を介して枕木に締結される。レー
ル底部１２及びレール足上部１３の表面に被覆されてい
る溶射被覆層１４の材質は繰り返し荷重に対して抵抗性
を有すると同時に、被覆が損傷してもレール底部１２及
びレール足上部１３の選択腐食に対しても抵抗性を有す
る。すなわち繰り返し荷重に対し抵抗できる強度を保持
すると同時に、亀裂の発生や剥離を生ぜず、レール鋼よ
りも電気化学的に卑な金属であることが求められる。具
体的にはＺｎ、ＡｌあるいはＺｎ−Ａｌ合金が好適に用
いられる。レール底部１２及びレール足上部１３を覆う
溶射被覆層１４の厚みは１００μｍ〜１０００μｍの範
囲が好適に用いられる。溶射被覆層１４の厚みが１００
μｍ未満ではタイプレート１９やクリップ２２との接触
部の損傷が相対的に早く発生して防食寿命を短くする。
また１０００μｍを超えるとコストが高くなるので好ま
しくない。なお、溶射被覆層１４は厚さ５０μｍ〜１０
０μｍのエポキシ樹脂あるいはＺｎ粒子分散プライマー
で封孔処理を施すことによってより耐久性を増す。

【００１５】レール腹部１７及びレール頭部１６の頭側
面２３を覆う塗装被覆層１８は、クリップ２２やタイプ
レート１９と接触しないため、その材質はレール鋼に対
して犠牲防食作用を有する耐海水性に優れた合成樹脂、
具体的にはＺｎ、Ａｌ又はＭｇ粒子分散プライマーの上
にエポキシ又はポリエチレン樹脂を重ね塗装したもの、
あるいはＺｎ、Ａｌ又はＭｇ粒子を分散含有したポリエ
チレン被覆などが好適に用いられる。塗装被覆層１８の
厚さは１００μｍ〜１０００μｍの範囲が好適に用いら
れる。塗装被覆層１８の厚さが１００μｍ未満では防食
寿命が短く、１０００μｍを超えるとコスト高になるた
めに好ましくない。

【００１６】溶射被覆層１４を形成する前のレール底面
ｂに、冷間軽圧下あるいはグリッドブラストで少なくと
も表面から２０μｍ以上２０００μｍ以下の深さ位置の
一部にレール鋼の降伏点の２０％以上の圧縮残留応力を
付与することによって、防食レールのより一層の耐用寿
命の延長ができる。この圧縮残留応力は表面から所定の
深さであり、望ましくは所定深さの底面層に全体に付与
するのが好ましい。この様子の例を、図２に示すが、Ａ
のように表面から比較的大きな残留応力を付与する場合
と、Ｂ、Ｃのように、表面部分は小さくて徐々に大きく
なって、表面から２００〜８００μｍの位置から小さく
なる場合の何れであってもよい。ここで、所定の圧縮残
留応力の存在深さが表面から２０μｍ未満部分のみで
は、溶射被覆層１４の消耗した後のレール底面ｂの腐食
によって圧縮残留応力付与部が容易に消滅するために好
ましくない。またレール鋼の降伏点２０％未満の圧縮残
留応力の付与では、レール底面ｂの疲労破壊に対する抵
抗の増加が小さいため、これも好ましくない。この理由
から、表面から２０００μｍ以下の範囲で連続して２０
％以上の残留応力を付与すると、より好ましい。レール
底面ｂの表面から深さ２０μｍ以上２０００μｍ以下の
位置にレール鋼の降伏点の２０％以上の圧縮残留応力を
付与したレール１０に、車輪当接面ａを除くレール本体
１１全表面にレール鋼よりも卑な金属溶射からなる保護
層を形成し、あるいはレール鋼に対して犠牲防食作用を
有する合成樹脂被覆からなる保護層を形成しても同様の
効果が得られる。

【００１７】レール表面層に付与した残留応力の測定方
法とは、具体的には、次の手順で行なう。まず、被測定
レールの表面に歪みゲージを貼り付ける。（例えば、レ
ール底面ｂの幅方向に５か所程度である）。次に、何回
かの鋸断を繰り返して、中央に歪みゲージを貼り付けた
小試験片（レール試験片）を切り出す。（例えば（厚
さ）×（幅）×（長さ）が、４×２０×４０ｍｍ程度で
ある）。このとき、各鋸断段階の歪みを計測しておく。
次に、酸に浸漬したときの腐食防止と絶縁のために、表
面に歪みゲージを張り付けた面にエポキシ樹脂を塗布す
る。次に、歪みのゼロ補正を行なった後、レール試験片
の裏面側を腐食処理するため、酸（腐食液）に浸漬す
る。酸の種類は硝酸（濃度１５％以上３５％以下）、塩
酸（濃度２０％以上４０％以下）、硫酸（濃度２０％以
上６０％以下）などの強酸がよいが、あまり急激に溶解
すると微小厚さの歪み測定ができにくいこともあるの
で、予め濃度、温度（恒温水槽を用いるのが良い）の調
節を行なう。次に、一定時間毎、又は、一定厚み毎（例
えば１００μｍ）に歪みゲージを用いて、歪みの測定を
行なう。予め溶解速度を求めておく方法、あるいは自動
的に板厚を計測する装置を用いれば、ほぼ連続的に板厚
方向の歪みが計測できる。そして、浸漬前の歪みと浸漬
後の各段階（各厚さ）における歪みとの差から、演算処
理して、表面層の真の歪み（残留応力）の分布が求めら
れる。

【００１８】なお、表面の歪みを計測することによっ
て、裏面（切削面）の残留応力が求められるのは以下の
理由による。表（上）面及び裏（下）面に引張残留応
力、中心に圧縮の残留応力が分布する帯板（厚さｈｍ
ｍ）の裏面を厚さｚｍｍ切削すると、裏面を凸にして曲
がると共に長さも長くなる。この時の曲率の変化や長さ
の変化（歪み）を測定することで、切削した深さ位置
（ｈ−ｚ）における残留応力を求めることができる。予
め歪みゲージを表面に張り付けておけば、より正確に、
裏面から一定厚さ切削した時の（ｈ−ｚ）の深さ位置の
残留応力が次の式（１）によって求められる。

【００１９】

【数１】

【００２０】

【実施例】続いて、表１、表２を参照しながら、防食性
に優れるレールの確認試験の結果について説明する。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】まず実施例の１〜３は、普通レールの６０
ｋｇレールにグリッドブラスト等の前処理を施した後、
レール底部１２及びレール足上部１３に溶射被覆層１４
をガスフレーム溶射で形成し、しかる後レール腹部１７
とレール頭部１６の頭側面２３に塗装被覆層１８を形成
したものである。なお溶射被覆層１４と塗装被覆層１８
の境界部分は、溶射被覆層１４を下地にし、に塗装被覆
層１８を上地として１０ｍｍ以上ラップさせるラップ層
を形成するのが望ましい。実施例４〜６は、普通６０ｋ
ｇレールのレール底面ｂにショットブラストで、表面か
ら２０μｍ以上２０００μｍ以下の深さ位置に、該レー
ル鋼降伏点（５５ｋｇｆ／ｍｍ² ）の２０％（１１．０
ｋｇｆ／ｍｍ² ）以上の圧縮残留応力を付与したのち、
レール底部１２及びレール足上部１３には溶射、レール
腹部１７と車輪当接面ａを除く頭側面２３には塗装被覆
を行ったものである。なお圧縮残留応力の測定は、前記
の様にレール表面に歪みゲージを貼り付けたものに対し
て、測定と鋸断を繰り返した後、腐食防止処理を行い、
酸に浸漬させながら連続的に歪みを測定するという方法
にて行った。

【００２４】実施例７〜８は、普通６０ｋｇレールのレ
ール底面ｂに、表面から２０μｍ以上２０００μｍ以下
の深さ位置に該レール鋼降伏点の２０％以上の圧縮残留
応力を付与したのち、レール１０の車輪当接面ａを除く
全表面にタールエポキシ塗装又はポリエチレン粉体塗装
を施したものである。また実施例９〜１２は、普通６０
ｋｇレールのレール底面ｂに、表面から２０μｍ以上２
０００μｍ以下の深さ位置にショットブラストで該レー
ル鋼降伏点の２０％以上の圧縮残留応力を付与した後、
レール１０の車輪当接面ａを除く全表面に溶射被覆を施
したものである。そして、実施例１２は更に溶射被覆を
封孔処理したものである。

【００２５】比較例２３として、レール底面ｂの表面か
ら２０μｍ以上２０００μｍ以下の深さ位置にショット
ブラストで該レール鋼降伏点の１０％（５．５ｋｇｆ／
ｍｍ² ）の圧縮残留応力を付与した後レール底部１２及
びレール足上部１３の溶射被覆層１４の厚みを８０μｍ
とし、レール腹部１７と頭部１６の頭側面２３の塗装被
覆層１８の厚みを２００μｍとしたレール、比較例２４
として、レール底面ｂに表面から２０μｍ以上２０００
μｍ以下の深さ位置にショットブラストで該レール鋼降
伏点の１５％（８．２ｋｇｆ／ｍｍ² ）の圧縮残留応力
を付与した後レール底部１２及びレール足上部１３の溶
射被覆層１４厚みを５００μｍと、レール腹部１７とレ
ール頭部１６の頭側面２３の塗装被覆層１８の厚みを７
０μｍとしたレールを製作した。また比較例２５は普通
６０ｋｇ裸レールで、圧縮残留応力は零（０）のレール
である。

【００２６】実施例１〜１２及び比較例２３〜２５に係
るレールについては実物疲労試験及び天然海水浸漬試験
を行った。疲労試験として繰り返し数２×１０⁶ の疲労
強度と、繰り返し荷重（荷重を９ｔｏｎ、繰り返しサイ
クル３５０回／分）を１０⁷回施した時のタイプレート
１９及びクリップ２２との接触部の溶射被覆層１４の損
傷有無を観察した。また天然海水浸漬試験では、レール
を２年間浸漬した後のレールの外観（発錆）を観察し
た。なお比較例２５のレールは実物疲労試験及び海水浸
漬試験のみを行った。表１、表２から明らかなように、
本発明の実施例１〜６においては、疲労試験及び天然海
水浸漬試験の両方において外観の変化、被覆の損傷と被
覆下の発錆は観察されず、耐疲労性及び耐食性に対する
良好な耐久性を備えていることが判明した。また疲労強
度も、付与した圧縮残留応力がレール鋼降伏点の２０％
以上のもの（実施例４〜６）は、圧縮残留応力を付与し
ない比較例２５の裸レールの値（４０ｋｇｆ／ｍｍ² ）
に比べて、１０％以上の高い値を示した。一方、比較例
２３においては疲労試験後に溶射被覆層１４の損傷が認
められ、比較例２４ではレール腹部１７の塗装被覆層１
８に発錆が観察され、耐疲労性や耐食性に劣ることが判
明した。

【００２７】更に、本発明の実施例７では疲労試験にお
いてタールエポキシ被覆の損傷が発生したが、疲労強度
は圧縮残留応力を付与しない比較例２５の裸レールの２
０％以上の高い値を示した。また実施例８〜１２におい
ては被覆の損傷もなく、疲労強度も高い。このことは、
本発明の実施例のレールは、仮にレール底面ｂの溶射被
覆層１４あるいは塗装被覆層１８が消失してレール素地
の腐食が始まっても、高い疲労強度が維持されることを
示す。一方、比較例２３と比較例２４のレールの疲労強
度は、圧縮残留応力を付与しない比較例２５の裸レール
の疲労強度よりやや高い程度であることから、仮に被覆
の損傷から孔食発生に至れば、本発明の実施例のレール
に比較して疲労強度の低下が大であることは明らかであ
る。表１、表２の実施例１４から実施例１６は、レール
降伏点の２０％を超える圧縮残留応力の付与深さがレー
ル底部１２表面から２０００μｍまでのものである。こ
の場合も当然のことながら、その疲労強度は比較の裸レ
ール実施例２５に比べて優れているが、圧縮残留応力の
付与深さがレール底部表面から３００μｍのものとは大
差ない。また、実施例１３は圧縮残留応力の最大値がレ
ール降伏点の２０％を超えていないが、保護層が有効に
作用しているために、被覆の損傷や海水腐食に耐えるこ
とができる。

【００２８】一方、表１、表２の実施例１７から実施例
２２は、レールの敷設・使用環境を想定した実施例であ
る。すなわち、経年劣化によってレール素地に局部的に
食孔が発生したと仮定して、レール底部１２の保護層に
ドリルで先端の曲率が同じ、深さ１００μｍ以上１５０
０μｍの孔をあけた後、酸で孔内部の加工歪み残留層を
溶解し、食孔が疲労試験の際の中央に位置するようにし
て実物疲労試験を実施したものである。また、比較例２
６は、前記比較例２５と同様の裸レールに、前記食孔を
付与したものである。レール底部表面から３００μｍの
深さにレール降伏点の２０％を超える約４０ｋｇｆ／ｍ
ｍ²程度の圧縮残留応力を付与した実施例１７、実施例
１８の食孔深さが１００、２００μｍでは、疲労強度が
比較の裸レール（同様の食孔を付与した比較例２６のレ
ール）よりも著しく向上するが、食孔深さが４００μｍ
の実施例１９は、圧縮残留応力の効果が消失して、疲労
強度は比較例２６と同じ程度になる。他方、レール底部
表面から２０００μｍの深さにレール降伏点の２０％を
超える約４０ｋｇｆ／ｍｍ²程度の圧縮残留応力を付与
した実施例２０から実施例２２のレールは、食孔深さが
４００〜１６００μｍでも比較例２６の２倍の疲労強度
が維持されている。このことは、表面からより深く圧縮
残留応力を付与したレールほど耐久寿命の長いことを意
味している。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１〜３、５、６に記載の防食性に優れるレールにおいて
は、レール底部とレール足上部に繰り返し荷重に対して
抵抗性を有する溶射被覆層を被覆したのでタイプレート
／レール、クリップ／レールとの接触個所での被覆の損
傷が抑制される。また、請求項２、これを引用する請求
項３、６及び請求項４、５記載の防食性に優れるレール
においては、仮に塗装被覆層や溶射被覆層が損傷しても
レール底面に付与した圧縮残留応力の存在によって疲労
破壊に優れる。特に、請求項２、請求項５及びこれらを
引用した請求項６記載の防食性に優れるレールにおいて
は、レール底部の溶射被覆層がタイプレート／レール、
クリップ／レールとの接触個所で損傷しても、レール底
面に付与した圧縮残留応力の存在によって疲労破壊に優
れる。そして、請求項６記載の防食性に優れるレールに
おいては、溶射被覆層に封孔処理が成されているので、
海水等の腐食性液の浸入が防止できて、効果的に腐食の
発生を防止できる。

【００３０】請求項７〜１１記載のレール表面層の残留
応力の測定方法においては、歪みゲージの出力から、レ
ール表面層の残留応力を演算処理して求めるので、簡便
かつ、精度よく歪みを測定することができる。特に、請
求項８記載のレール表面層の残留応力の測定方法におい
ては、歪みゲージが、レール試験片が切り出される前段
階から貼着されているので、測定の各段階に迅速に移行
することができ、測定時間を短縮することができる。請
求項９記載のレール表面層の残留応力の測定方法におい
ては、レール試験片の腐食液には、硝酸、塩酸、硫酸等
の強酸液が恒温槽に入れて使用されているので、予め溶
解速度を求めておくことによって、又は、例えば自動的
に板厚を求める装置によって、簡便に板厚方向の歪みを
測定できる。請求項１０記載のレール表面層の残留応力
の測定方法においては、歪みゲージの測定は、一定厚み
毎に出力されているので、連続して精度よく測定を行う
ことができる。請求項１１記載のレール表面層の残留応
力の測定方法においては、レール試験片の厚みも自動的
に測定され、歪みゲージの出力と共に電気信号として出
力されるので、歪みの自動測定ができ、測定時間を短縮
することができ、また、精度よく測定を行なうことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る防食性に優れるレ
ールの説明図である。

【図２】レール底部表面からの深さとレール鋼の降伏点
に対する圧縮残留応力の割合との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

ａ車輪当接面ｂレール底面１０レール１１レール本
体１２レール底部１３レール足
上部１４溶射被覆層１５車輪１６レール頭部１７レール腹
部１８塗装被覆層１９タイプレ
ート２０凹部２１締結ボル
ト（締結部材）２２クリップ（締結部材）２３頭側面

フロントページの続き (72)発明者山中文雄福岡県北九州市門司区西海岸１丁目６番２号九州旅客鉄道株式会社内 (72)発明者小池寛行福岡県北九州市門司区西海岸１丁目６番２号九州旅客鉄道株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車輪当接面を除くレール本体の表面のう
ち、タイプレート及び締結部材に接するレール底部とレ
ール足上部には、前記レール本体に用いたレール鋼より
も卑な金属からなる溶射被覆層が形成され、その他の前
記レール本体の表面には、前記レール鋼に対して犠牲防
食作用を有する合成樹脂の塗装被覆層が形成されている
ことを特徴とする防食性に優れるレール。
【請求項２】前記レール本体の底部には、少なくとも
その表面から２０μｍ以上２０００μｍ以下の深さ位置
の一部に、前記レール鋼の降伏点の２０％以上の圧縮残
留応力を付与した請求項１記載の防食性に優れるレー
ル。
【請求項３】前記溶射被覆層と前記塗装被覆層との境
界部分は、前記溶射被覆層が下地となって、前記塗装被
覆層が上地となるラップ層が形成されている請求項１又
は２記載の防食性に優れるレール。
【請求項４】レール底部には少なくとも表面から厚さ
方向２０μｍ以上２０００μｍ以下の深さの一部に、レ
ール本体に用いるレール鋼の降伏点の２０％以上の圧縮
残留応力が付与され、車輪当接面を除く前記レール本体
の全表面に、該レール本体に用いたレール鋼に対して犠
牲防食作用を有する合成樹脂被覆からなる保護層を形成
したことを特徴とする防食性に優れるレール。
【請求項５】レール底部には少なくとも表面から厚さ
方向２０μｍ以上２０００μｍ以下の深さの一部に、レ
ール本体に用いるレール鋼の降伏点の２０％以上の圧縮
残留応力が付与され、車輪当接面を除く前記レール本体
の全表面に、該レール本体に用いたレール鋼よりも卑な
金属からなる溶射被覆層を形成したことを特徴とする防
食性に優れるレール。
【請求項６】前記溶射被覆層は、封孔処理がなされて
いる請求項１〜３又は５のいずれか１項に記載の防食性
に優れるレール。
【請求項７】レール表面層に付与した残留応力の測定
方法であって、表面側に絶縁及び防食処理がなされた歪
みゲージが貼着されたレール試験片の裏面側を腐食処理
して、前記歪みゲージの出力から、前記レール表面層の
残留応力を演算処理して求めることを特徴とするレール
表面層の残留応力の測定方法。
【請求項８】前記歪みゲージは、前記レール試験片が
切り出される前段階から貼着されている請求項７記載の
レール表面層の残留応力の測定方法。
【請求項９】前記歪みゲージの絶縁及び防食処理は、
貼着された前記歪みゲージの表面に樹脂を塗布すること
によって行われ、前記レール試験片の腐食液には、硝
酸、塩酸、硫酸等の強酸液が恒温槽に入れて使用されて
いる請求項７又は８記載のレール表面層の残留応力の測
定方法。
【請求項１０】前記歪みゲージの測定は、一定厚み毎
に出力されている請求項７〜９のいずれか１項に記載の
レール表面層の残留応力の測定方法。
【請求項１１】前記レール試験片の厚みは、自動的に
測定され、前記歪みゲージの出力と共に電気信号として
出力される請求項７〜１０のいずれか１項に記載のレー
ル表面層の残留応力の測定方法。