JPS6364499B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱処理レールの接合方法の改良に関
するものであつて、具体的には熱処理レールの溶
接による場合に、従来避けることのできなかつた
軟化部の発生を防止することを目的とするもので
ある。

近年、鉄道輸送は高軸重化、高速化を志向しつ
つあり、そのためレールの使用条件は苛酷になる
傾向がある。その結果レール頭部の摩耗や疲労が
激しく、レール寿命は短くなり、保守作業にも支
障を来すのでレール頭部の高強度化が要求されて
いる。

一般に、レール頭部の材質を改善するには次の
方法が知られている。

(イ) 合金元素を添加し、熱間圧延状態にて高強度
化を図る。

(ロ) 熱間圧延後再加熱熱処理を施して高強度化を
図る。

然るに、前記(イ)の方法は、合金元素添加による
コスト・アツプのみでなく、合金元素添加によつ
て水素割れ感受性が増大するため脱水素処理等の
製造工程を付加する必要を生じ、これがまたコス
トを高くすることになり、経済的に有利な方法で
はない。前記(ロ)の方法は、レール頭部の硬化法と
して適していて、次の２つの熱処理方法が採られ
ている。

(a) 焼入―焼戻し法 (b) スラツク・クエンチ法による焼入れ法 しかしながら、前記(a)の方法によれば、たしか
にレール頭部より約５mmの深さまで硬化させるこ
とはできるが、焼戻しマルテンサイトを主体とす
る組織を呈し、大きな耐摩耗性向上は左程期待で
きない。又、前記(b)の方法は、近年、前記(a)法に
代つて採用されつつある方法であつて、炭素鋼レ
ール成分の鋼を熱間圧延後、火炎又は高周波によ
りAc₃点以上に再加熱し、圧縮空気又は噴霧又は
水による加速冷却を施すことにより、低温域にて
パーライト変態を生じさせるものであつて、緻密
なパーライト組織を具備した耐摩耗性の大なる高
強度レールが得られることで知られている。

一方、昔から行われているレール継目部を継目
板とそれを緊締する結合方法は、破損防止や乗心
地の改善、騒音防止等の対策が必要であり、その
一環として溶接によるロングレー化も進められて
おり、レールの溶接が不可欠となりつつある。レ
ールの溶接法としては、フラツシユバツト溶接
法、ガス圧接法、テルミツト溶接法およびエンク
ローズドアーク溶接法などが挙げられるが、これ
らのうちフラツシユバツト圧接法、ガス圧接法の
２法が基地溶接に、テルミツト溶接法、エンクロ
ーズドアーク溶接法が現地溶接に採用されてい
る。後者のテルミツト溶接法およびエンクローズ
ドアーク溶接法の場合は、溶剤又は溶接棒を使用
するため溶接継手部の品質は添加合金の調合によ
り如何ようにも可能となるが、前者のフラツシユ
バツト圧接法及びガス圧接法の場合は、レールを
電気又はガスにより高温加熱し機械的に圧接する
ものであるから、溶接継手部組成は母材特性に依
存することになる。

ところで、例えば上記(b)のスラツク・クエンチ
レールは、当該熱処理によつてレール頭部を高強
度化したものであるから、フラツシユバツト圧接
或いはガス圧接によつて接合した場合、当該圧接
部は一たんオーステナイト化され、該圧接部が圧
接後そのまま放冷されると、第１図に示す如く非
接合部より硬度が著しく低下したいわゆる軟化部
を生ずる。この現象は前記(a)の焼入―焼戻しレー
ルでも同様に生ずる。この場合、圧接部は粗いパ
ーライト組織を呈し、軟化部を生ずるものであ
る。これの発生原因は第２図に示すように、溶接
後の冷却速度（800〜500℃間を１〜３℃／sec）
が、スラツク・クエンチ時の冷却速度（800〜500
℃間を５〜10℃／sec）に比し小さいことによる
ものであつて、高温側でパーライト変態を生じ硬
度低下をもたらすためである。

このように、圧接時当該個所に軟化部が発生す
ると、レール頭部の不均一摩耗や塑性変形をもた
らす原因となり、レール寿命を短くするし、保守
作業上からも重大な問題であり、改良が要望され
ていた。

本発明は、前記熱処理レールを圧接により接合
した場合の問題点を解決するためになされたもの
である。本発明の骨子とするところは、熱処理レ
ールを圧接（溶接）するに際し、軟化部の発生防
止のため圧接後直ちに当該圧接部を加速冷却する
ことにより軟化部の発生を防止するもので、その
冷却方法を特徴とする。

即ち、本発明は、焼入―焼戻し又はスラツク・
クエンチを施した熱処理レールをフラツシユバツ
ト圧接又はガス圧接し、当該圧接部がオーステナ
イト域にある間に、接触壁が大なる弾性変形能を
有する薄膜で形成されかつその中を冷却液体が通
過するようにした冷却函を当接し、次いで当該函
内の液体圧力を調整することにより前記接触壁を
レール外形面に沿つて弾性変形させ両者の面接触
状態を維持しつつ当該圧接部の組織を微細パーラ
イトに変態させることを特徴とする熱処理レール
の接合方法である。

本発明の対象とするレールの組成は、特定され
るものではないが、C0.60〜0.85％、Si0.1〜0.8
％、Mn0.7〜1.5％残部鉄および不可避的不純物
からなるものを基本組成とし、必要に応じてこれ
に更にCr0.1〜0.8％、V0.01〜0.1％の１種又は２
種を含有させたものを用いることが好ましい。

上記組成を有し、スラツク・クエンチ又は焼入
―焼戻しを施すことによりその頭部を高強度とし
た熱処理レールを、フラツシユバツト圧接或いは
ガス圧接し（アプセツト部を機械仕上などでバリ
取りしたのち）、後述する接触式冷却方法により
前記圧接後の当該圧接部を微細パーライトに変態
させることにより軟化部発生を防止するものであ
るが、具体的にはレール頭部の表面が750℃以上
の温度で冷却を開始し、２〜10℃／sec（750〜500
℃間を25〜120秒で冷却）で冷却することにより
行われ、結果として圧接部に非溶接部と同様の品
質を付与するものである。

本発明の方法は、焼入―焼戻し或いはスラツ
ク・クエンチのいずれかに限定したのは、これら
はレール頭部を120Kgｆ／mm以上の高強度とした
ものであるが、その接合を圧接により行つた場合
は、圧接時に当該圧接部がオーステナイト域で加
熱され、次いで放冷されるので熱処理前の材質に
戻り軟化部が発生するからである。

又、本発明の方法において、レールの溶接方法
をフラツシユバツト圧接又はガス圧接のいずかに
限定した理由は、先に説明したように他のテルミ
ツト溶接法又はエンクローズドアーク溶接法によ
るときは、溶接の際に使用する溶剤又は溶接棒に
合金元素を含有させることによつて、溶接部の強
度を如何ようにもコントロールすることが可能で
あり、本発明の方法によるまでもないからであ
る。

次に、本発明の方法の特徴とする冷却方法につ
いて説明する。レールに最も要求されるのは、そ
の組織を微細パーライトとし、高強度（引張強さ
120Kgｆ／mm以上）を得ることである。第３図に
示すように、オーステナイト化条件、冷却条件と
強度との間には密接な関係がある。すなわち、本
発明におけるレールの圧接工程の如き高温加熱
（1100℃以上）の場合は、微細パーライト組織
（Hvかたさ370〜400）が得られる冷却速度は２〜
10℃／secである。この場合冷却速度が２℃／sec
未満では前記圧接部に発生した軟化部の強度が非
溶接部の強度に劣り、また冷却速度が10℃／sec
を超えるとマルテンサイト組織や中間段階の組織
ができるので、割れ等を発生し易く、耐摩耗性も
十分でなくなるので好ましくない。

冷却開始温度は750℃以上とするのが好ましい。
上記組成のレール鋼のAc₃点が750℃近傍であり、
その冷却開始を750℃未満とすると、加速冷却前
に一部パーライト変態が生じて粗いパーライト組
織となり、加速冷却による強度向上の効果が小さ
くなるためである。

本発明は、前記圧接部の冷却に、先に出願人が
特願昭56−6278号で提案した接触式冷却方法を利
用したものである。前記接触式冷却方法が特に本
発明の圧接部の冷却に適する理由は、 (i) レール頭部のスラツク・クエンチにおいては
頭部のみを加熱し、冷却するものであるから、
圧縮空気によつても微細パーライト組織を得る
ために必要な冷却速度を得ることは可能である
が、レール接合（圧接）にあたつてはレール頭
部のみでなく接合個所のレール全体が高温加熱
されるため圧縮空気では必要な冷却速度を得る
ことが困難である。

(ii) 噴霧冷却又は水冷による場合は、必要な冷却
速度を得ることは可能であるが、いわゆるハー
ドスポツトを生じ易く、好ましない。

(iii) 一方、本発明で利用する接触式冷却方法は、
レール頭部に当接する内壁薄膜の種類、函内に
流す冷却液体の種類、温度、採用する函内圧に
より、冷却速度も広範囲に変化させることが可
能であり、しかも冷却はレール頭部と膜との間
で行われるから、水等の冷却剤が直接触れるこ
となく、従つてハードポストを生ずることがな
い。又、本発明の対象とする圧接による軟化部
のみを合理的に冷却することが可能である。

圧接による軟化部（フラツシユバツト圧接の場
合は100〜200mm、ガス圧接の場合は250〜400mm）
を均一冷却することを可能とする接触冷却方法を
第４図により説明する。図中の符号２は冷却函で
あり、剛性を有する材料例えば２〜10mm厚の鉄板
で形成された函体２′の下面に当る個所に、大な
る弾性変形能を有する薄膜例えば0.1〜0.3mm厚さ
の金属箔で形成された接触壁１が溶接、ろう付
け、ハンダ付け、又は押え板、パンキンを介して
ねじ止めする等の方法で水密的に固定されてい
る。３は冷却液体の注入口であり、４はその注出
口であり、５，６は夫々弁であつて、冷却液体を
強制的に注入し、注出させ前記弁５，６により冷
却函２の内圧及び流量を調整できる機能となつて
いる。７は冷却函２の内圧を開放する開放バイパ
スであり、８はその遮断弁である。Ｇは圧力計で
ある。前記接触壁１は前述の通り大なる弾性変形
能を有する薄膜で被冷却物体のレール頭部の形状
に対応する〓状にくぼみを持たせた形状に造られ
ており、冷却函２内を通過する冷却液体の函内圧
を高めることによりレール頭部１０へ密着し急冷
が行われるものである。

この接触急冷方法を用いて圧接接合が行われた
直後の当該圧接部のレール頭部１０を冷却するに
は、先づ開放バイパス７の遮断弁８を開として冷
却函２の冷却液体内圧を零とし、次いで、第５図
に示す如く冷却函２を前記レール頭部１０へ当接
させ、鉤９によりレール底部１０′へ離脱しない
ようにセツトする。次に開放バイパス７の遮断弁
８を閉とし、冷却函２内の冷却液体の圧力を上げ
る。この時函内圧の上昇により前記冷却函２の函
体２′は剛性のある鉄板で形成されており、接触
壁１は薄膜で形成されているから、この接触壁１
が外方（レール頭部方向）へ向つて膨脹し、その
結果レール頭部１０へ密着する。このレール頭部
１０への接触壁１の密着は、冷却函２の函内圧を
高めれば高める程より接触が密になる訳であり、
この密着により接触壁１を介して冷却液体とレー
ル頭部１０との間に良好な接触伝熱が行われ、伝
熱による熱量は冷却函２内を通過する冷却液体例
えば水により奮熱されるので、レール頭部（圧接
部）の冷却が成立する。

最後に、好ましいレールの組成を挙げた理由を
説明すると、Ｃは強度確保上0.60％以上添加する
ことが好ましく、0.85％を超えると粒界に初析セ
メンタイトを生成させ、材質の脆化を引き起すの
で、その添加量を0.60〜0.85％とすることが好ま
しい。Siは脱酸元素として0.10％以上添加するこ
とが好ましく、かつSi量の増加はフエライト地を
強化させ強度向上をもたらし有効である。しかし
0.8％を超えると強度上昇の割合が小さく溶接継
手特性も低下させるので、その添加量を0.1〜0.8
％とすることが好ましい。MnはSiと同様脱酸元
素として添加するものであり、焼入性を上げるた
めに0.6％以上とすることが好ましく、1.5％を超
えると鋼のミクロ偏析によるマルテンサイト組織
を生じ易く、熱処理および溶接時に硬化や脆化を
生じ材質劣化を来すの恐れがあるので0.6〜1.5％
の範囲を添加することが好ましい。Crは0.1％以
上添加するとパーライトラメラー間隔を狭くし高
強度が得られる点で有効な元素であり、0.8％を
超えると焼入性が向上し、本発明の冷却時にマル
テンサイト組織を混入させるきらいがある。その
ようなことから0.1〜0.8％を添加することが好ま
しい。ＶもCrと同様添加により焼入性を上げ、
強度向上をもたらすが、0.1％以上含有させても
その効果は増した量に見合う程大きくなく且つ高
価な元素であるため0.1％以下添加することが好
ましい。

次に、本発明の熱処理レールの接合方法を、ス
ラツク・クエンチを施した50Nレールをフラツシ
ユバツト溶接法により接合する場合に適用した実
施例を示す。

冷却条件： 水 温 25℃ 水 量 300l／min／m²（接触伝熱面形成面
積当り） 冷却函内圧 １Kg／cm²Ｇ 内壁金属箔 0.2mm厚銅箔 上記の条件による冷却の速度は、第６図に示す
如く4.2〜5.4℃／sec（750〜500℃間、表面下５mm
深さ）であつた。又、水温：80℃で他の条件が上
記と同一の実施例では3.5〜4.5℃／sec（750〜500
℃間、表面下５mm深さ）であつた。この場合の表
面下５mmにおける硬度分布を第７図に示す。第７
図から明らかなように水温25℃の場合は冷却速度
が大きく、圧接部の硬度上昇が大で母材部と同程
度の硬度が得られる。

尚、焼入―焼戻し熱処理レールにおいてもレー
ル頭部の硬度そのものは、スラツク・クエンチを
施したものと殆んど差がないので、本発明の方法
によつて接合しても何ら支障はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方法によるフラツシユバツト圧接
による圧接部の硬度分布を示すグラフ図、第２図
は圧接後の冷却速度と組織硬度の関係を示したグ
ラフ図、第３図加熱温度、冷却速度と組織の関係
を示したグラフ図、第４図は本発明の方法に使用
する接触冷却方法とレール頭部を示す斜傾図、第
５図は接触冷却方法をレールにセツトした状態を
示す断面説明図、第６図は本発明方法よるレール
頭部の冷却速度を示すグラフ図、第７図は本発明
方法と従来方法（放冷）との圧接部硬度分布を示
すグラフ図、である。 １……接触壁、２……冷却函、３……注入口、
４……注出口、５，６……弁、７……開放バイパ
ス、８……遮断弁、９……鉤。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 焼入―焼戻し又はスラツク・クエンチを施し
   た熱処理レールをフラツシユバツト圧接又はガス
   圧接し、当該圧接部がオーステナイト域にある間
   に、接触壁が大なる弾性変形能を有する薄膜で形
   成されかつその中を冷却液体が通過するようにし
   た冷却函を当接し、次いで当該函内の液体圧力を
   調整することにより前記接触壁をレール外形面に
   沿つて弾性変形させ両者の面接触状態を維持しつ
   つ当該圧接部の組織を微細パーライトに変態させ
   ることを特徴とする熱処理レールの接合方法。