JP2006057127A - 耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール - Google Patents

Abstract

【課題】 高炭素含有のパーライト組織の鋼レールにおいて、レール底部におけるある一定の粒径を有する微細なパーライトブロック粒の数を制御し、これに加えて、レール底部のパーライト組織の硬さを制御し、レール底部からの折損に対する抵抗性を改善し、耐落重破壊特性を向上させる。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．６５〜１．４０％を含有するパーライト組織を呈する鋼レールにおいて、底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲の少なくとも一部に、粒径１〜１５μｍのパーライトブロックが被検面積０．２ｍｍ^２あたり２００個以上存在 することを特徴とする耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レール底部の微細なパーライトブロック粒の数を制御することにより、重荷重鉄道のレール底部に要求される耐落重破壊特性を向上させ、レール折損の発生を抑制することを目的としたパーライト系レールに関するものである。

海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送の高効率化の手段として、列車速度の向上や列車積載重量の増加が図られている。このような鉄道輸送の効率化はレール使用環境の過酷化を意味し、レール材質の一層の改善が要求されるに至っている。

具体的には、曲線区間に敷設されたレールでは、Ｇ.Ｃ.（ゲージ・コーナー）部や頭側部の摩耗が急激に増加し、レールの使用寿命の点で問題視されるようになった。このような背景から、以下に示すような、主に耐摩耗性の向上を目指したレールの開発が進められた。
（１）圧延終了後あるいは、再加熱したレール頭部をオーステナイト域温度から８５０〜５００℃間を１〜４℃/secで加速冷却する１３０kgf/mm^２以上の高強度レールの製造法（ 特許文献１）。
（２）過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を増加させた耐摩耗性に優れたレール（特許文献２）。
これらのレールの特徴は、共析炭素含有鋼（炭素量：０．７〜０．８％）または、過共析炭素含有鋼（炭素量：０．８５超〜１．２０％）による微細パーライト組織を呈する高強度レールであり、その目的とするところは、パーライト組織中のラメラ間隔を微細化し、さらには、パーライトラメラ中のセメタイト相の密度を増加させ、耐摩耗性を向上させるところにあった。

しかし、これらの高強度レールは、靭性が低いため、レール底部から、折損が発生しやすいという問題点があった。そこで、このような問題を解決するため、本発明者らは以下に示すようなレールを開発した。
（３）共析鋼（Ｃ：０．６０〜０．８５％）を用いて、圧延によりパーライト組織の平均ブロック粒径を微細化し、延性や靭性を向上させたレール（特許文献３）。
（４）過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用いて、圧延によりパーライト組織の平均ブロック粒径を微細化し、延性や靭性を向上させたレール（特許文献４）。
これらのレールの特徴は、パーライト組織の平均ブロック粒径を微細化することにより、耐摩耗性を確保しつつ、パーライト組織の延性や靭性を向上させるものであった。
特開昭５７−１９８２１６号公報 特開平８−１４４０１６号公報 特開平８−１０９４４０号公報 特開平８−１０９４３９号公報

上記の（３），（４）に示されたパーライト組織を呈する発明レールは、パーライト組織の平均ブロック粒径を微細化することにより、パーライト組織の延性や靭性を向上させ、レール折損等の破壊の発生を軽減することが主な目的であった。

しかし、近年、貨物輸送の高効率化として、列車積載重量のさらなる増加が図られるようになったため、レール底部に作用する応力が増加し、上記の発明レールにおいても底部からの折損が発生するようになってきた。また、鉱山鉄道等では、近年天然資源の枯渇により寒冷地まで軌道が敷設される場合が多くなり、レールが低温度域で使用されるようになったため、上記の発明レールにおいても底部からの折損が発生するようになってきた。

また、この問題を解決するため、パーライト組織の平均的なブロック粒径をより一層微細化し、レール底部からの折損等の破壊の発生を抑制させる方法もあるが、上述したような近年の重荷重鉄道の使用環境下においては、レール折損等の破壊の発生を十分に抑制することが困難であった。

このような背景から、高炭素含有のパーライト組織のレールにおいて、底部からの折損等の破壊の発生を防止するレールの開発が求められるようになってきた。
すなわち、本発明は、重荷重鉄道用のレールに要求される、底部からの折損等の破壊の発生を防止することを目的としたものである。

本発明は上記目的を達成するものであって、その要旨とするところは次の通りである。（１）質量％で、Ｃ：０．６５〜１．４０％を含有するパーライト組織を呈する鋼レールにおいて、底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲の少なくとも一部に、粒径１〜１５μｍのパーライトブロックが被検面積０．２ｍｍ^２あたり２００個以上存在すること を特徴とする耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
（２）質量％で、Ｃ：０．６５〜１．４０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％を含有し、残部がＦｅ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レールにおいて、底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲の少なくとも一部に、粒径１〜１５μｍのパーライトブロックが被検面積０．２ｍｍ^２あたり２００個以 上存在することを特徴とする耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
（３）請求項１〜２記載の鋼レールにおいて、底部表面を起点として、少なくとも深さ１０ｍｍの範囲の硬さがＨｖ３００〜４８０の範囲であることを特徴とする耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
（４）上記（１）〜（３）のレールには、質量％でさらに、下記1)〜9)の成分を選択的に含有させることができる。
1) Ｃｒ：０．０５〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％の１種または２種、
2) Ｖ ：０．００５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％の１種または２種、
3) Ｂ ：０．０００１〜０．００５０％、
4) Ｃｏ：０．１０〜２．００％、Ｃｕ：０．０５〜１．００％の１種または２種、
5) Ｎｉ：０．０１〜１．００％、
6) Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％の１種または２種以上、
7) Ａｌ：０．０１００〜１．００％、
8) Ｚｒ：０．０００１〜０．２０００％、
9) Ｎ ：０．００４０〜０．０２００％
の１つ以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

本発明によれば、重荷重鉄道で使用される高炭素含有のパーライト組織の鋼レールにおいて、レール底部における粒径１〜１５μｍのパーライトブロックの数を制御し、同時に、レール底部の硬さを制御することにより、レール底部の耐落重破壊特性が向上し、レールの折損の発生を抑制できる。

以下に本発明について詳細に説明する。
本発明者らは、まず、レール底部からの折損の発生とパーライト組織の機械的特性の関係を実験室的に整理した。その結果、車輪との接触により発生するレール底部の荷重速度は比較的遅く、底部から発生する折損現象は、比較的荷重速度の早い衝撃試験による評価よりも引張試験での延性とよい相関があることが確認された。

次に、本発明者らは、高炭素含有のパーライト組織の鋼レールにおいて、延性とパーライト組織のブロックサイズの関係を再検証した。その結果、パーライト組織の平均的なブロック粒径が微細化するとパーライト組織の延性は確かに向上する傾向を示すが、平均的なパーライトブロック粒径が非常に微細な領域では、単純に平均的なブロック粒径をさらに微細化しても延性が十分に向上しないことが確認された。

そこで、本発明者らは、パーライト組織の平均的なブロック粒径が微細な領域において、パーライト組織の延性支配因子を検討した。その結果、パーライト組織の延性は、比較的多数存在する粗大なパーライトブロックで支配されていることが確認された。

さらに、本発明者らは、パーライト組織の平均的なブロック粒径が微細な領域において、パーライト組織の延性を向上させる方法を検討した。その結果、比較的粗大なパーライトブロックによる延性の低下を考慮するため、ある一定面積の視野において、ある一定の粒径を有する微細なパーライトブロックの粒数をある一定値以上に制御することにより、パーライト組織の延性が大きく向上し、結果的に、底部からの折損の発生を抑制できることを知見した。

これらの検討に加えて、本発明者らは、レール底部のパーライト組織の硬さと折損の関係を検討した。その結果、レール底部からの折損の発生は、微細なパーライトブロックの粒数に加えて、硬さとの相関があり、レール底部のパーライト組織の硬さをある一定範囲内に制御することにより、破壊に対する抵抗性が高まり、レール底部からの折損の発生をさらに抑制できることを見出した。

すなわち、本発明では、高炭素含有のパーライト組織の鋼レールにおいて、レール底部でのある一定の粒径を有する微細なパーライトブロック粒の数を制御し、これに加えて、レール底部のパーライト組織の硬さを制御し、レールの折損に対する抵抗性を改善することを目的とした耐落重破壊特性を向上させたパーライト系レールに関するものである。

次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。
（１）パーライトブロック粒径、粒数およびその範囲の限定理由
まず、粒数を規定するパーライトブロック粒径を１〜１５μｍの範囲に規定した理由について説明する。
粒径が１５μｍを超えるパーライトブロックは、パーライト組織の延性を向上させないばかりでなく、場合によっては延性を低下させ、レール底部の耐落重破壊特性を低下させる。また、粒径が１μｍ未満のパーライトブロックは、微細なパーライト組織の延性向上には寄与するが、その寄与度が小さく、延性を大きく向上させない。このため、粒数を規定するパーライトブロック粒径を１〜１５μｍの範囲に限定した。

次に、粒径１〜１５μｍを有するパーライトブロックの粒数を被検面積０．２ｍｍ^２あ たり２００個以上に規定した理由を説明する。
被検面積０．２ｍｍ^２あたりの粒径１〜１５μｍを有するパーライトブロックの粒数が ２００個未満になると、パーライト組織の延性向上が図れず、レール底部の耐落重破壊特性が改善しない。なお、粒径１〜１５μｍを有するパーライトブロックの粒数には上限を設けないが、レールの製造時の圧延温度や熱処理時の冷却条件の制約から、実質的には被検面積０．２ｍｍ^２あたり１０００個が上限となる。

次に、被検面積０．２ｍｍ^２あたりの粒径１〜１５μｍを有するパーライトブロックの 粒数を２００個以上とした部位を、レール底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲の少なくとも一部に限定した理由を説明する。
レール底部から発生する折損は、基本的にはレール底部表面を起点としている。このため、レール折損を防止するにはレール底部の延性、すなわち、粒径１〜１５μｍを有するパーライトブロックの粒数を増やす必要がある。実験によりレール底部の延性とレール底部のパーライトブロックとの相関を調査した所、レール底部の延性は、底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲のパーライトブロックサイズと相関があることが分かった。

さらに、レール底部の延性とパーライトブロックとの相関を調査した結果、この領域において、少なくとも一部に粒径１〜１５μｍを有するパーライトブロックの粒数が２００個以上となる領域があれば、レール底部の延性が向上し、結果的にレール底部からの折損が抑制できることを確認した。本限定は、上記のような調査結果に基づくものである。

ここで、パーライトブロックサイズの測定方法について述べる。
パーライトブロックの測定方法には、(a)修正カーリングエッチ法、(b)エッチピット法、(c)ＳＥＭによる後方散乱電子回折（ＥＢＳＰ：Electron Back-Scatter diffraction Pattern）法がある。
今回の測定では、パーライトブロックサイズが微細であるため、修正カーリングエッチ法、エッチピット法ではその確認が困難であった。そこで、(c)後方散乱電子回折（ＥＢ ＳＰ）法を用いた。
以下に測定条件を記す。測定は下記の1)〜7)の手順に従い、パーライトブロックの粒径測定を行い、被検面積０．２ｍｍ^２あたりの粒径１〜１５μｍを有するパーライトブロッ クの粒数をカウントした。測定はそれぞれの観察位置で最低２視野以上行い、下記の手順に従い粒数をカウントし、その平均値を観察位置での代表粒数とした。

●パーライトブロックの測定条件
1) ＳＥＭ：高分解能走査型顕微鏡
2) 測定前処理：機械加工面１μｍダイヤ研磨→電解研摩
3) 測定視野：４００×５００μｍ^２（被検面積０．２ｍｍ^２）
4) ＳＥＭビーム径：３０ｎｍ
5) 測定ステップ（間隔）：０．１〜０．９μｍ
6) 粒界認定：隣り合う測定ポイントにおいて、結晶方位差１５°以上（大角粒界）をパーライトブロック粒界として認識させる。
7) 粒径測定：各パーライトブロック粒の面積を測定後、パーライトブロックを円形と仮定し、各結晶粒の半径を計算後、直径を算定し、その値をパーライトブロック粒径とする。

（２）レール底部の硬さとその範囲の限定理由
次に、レール底部表面を起点として深さ１０ｍｍの範囲の硬さをＨｖ３００〜４８０の範囲に限定した理由について説明する。
本成分系では、パーライト組織の硬さがＨｖ３００未満になると、レール底部に作用する応力が大きい場合は、レール底部が部分的に降伏し、レール底部からの折損が発生し易くなる。また、パーライト組織の硬さがＨｖ４８０を超えると、延性が著しく低下し、レール底部からの折損が発生し易くなる。このためパーライト組織の硬さをＨｖ３００〜４８０の範囲に限定した。

次に、硬さＨｖ３００〜４８０の範囲を、レール底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲に限定した理由について説明する。
レール底部から発生する折損は、基本的にはレール底部表面を起点としている。このため、レール折損を防止するにはレール底部の硬さをある一定範囲内に制御する必要がある。実験によりレール底部の耐落重破壊特性とレール底部の硬さとの相関を調査したところ、レール底部の耐落重破壊特性は、底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲の硬さとよい相関があることがわかった。本限定は、上記のような調査結果に基づくものである。

ここで、図１に本発明の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レールの底部断面表面位置での呼称、および、微細なパーライト組織が必要な領域を示す。１は足裏部、２は足先部、３は底部、Ｗはレールの底部の幅である。レール底部３はレール足裏部１と足先部２を包括的に含む領域である。
ブロック粒径１〜１５μｍを有するパーライト組織が、図中の斜線部で示すように、足裏部１＋足先部２の全幅Ｗ、深さ１０ｍｍの範囲において存在し、少なくともその一部において、被検面積０．２ｍｍ^２あたり２００個以上存在していれば、レール底部の延性が 向上し、結果的にレール底部からの折損が抑制され、耐落重破壊特性が向上する。
さらに、上記領域において、微細なパーライト組織の硬さがＨｖ３２０〜４８０の範囲であれば、レール底部での降伏現象が抑制され、レール底部からの折損がさらに抑制され、耐落重破壊特性が一層向上する。

（３）鋼レールの化学成分の限定理由
次に、レール鋼の化学成分を上記範囲に限定した理由について詳細に説明する。
Ｃは、パーライト変態を促進させて、かつ、耐摩耗性を確保する有効な元素である。Ｃ量が０．６５％以下では、レール頭部のパーライト組織の硬度が確保できず、さらに、初析フェライト組織が生成し、耐摩耗性が低下し、レールの使用寿命が低下する。また、Ｃ量が１．４０％を超えると、レール頭部内部、底部のパーライト組織中に初析セメンタイト組織が生成するとともに、パーライト組織中のセメンタイト相の密度が増加し、パーライト組織の延性が低下して、耐落重破壊特性が大きく低下する。このため、Ｃ量を０．６５〜１．４０％に限定した。なお、レール頭部の耐摩耗性をより一層向上させるには、パーライト組織中のセメンタイト相の体積比率がさらに増加し、耐摩耗性の一層の向上が図れるＣ量０．８５％超とすることが望ましい。

また、上記の成分組成で製造されるレールは、パーライト組織の硬度（強化）の向上、パーライト組織の延性の向上、溶接熱影響部の軟化の防止、レール頭部内部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｂ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｎの元素を必要に応じて添加する。

ここで、Ｓｉは、フェライト相への固溶強化によりレール頭部の硬度（強度）を上昇させ、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、硬度と延性を確保する。
Ｍｎは、焼き入れ性を高め、パーライトラメラ間隔を微細化することにより、パーライト組織の硬度を確保する元素である。

Ｃｒ，Ｍｏは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、主に、パーライトラメラ間隔を微細化することによりパーライト組織の硬度を確保する。
Ｖ，Ｎｂは、熱間圧延やその後の冷却課程で生成した炭化物や窒化物により、オーステナイト粒の成長を抑制し、さらに、析出硬化により、パーライト組織の延性と硬度を向上させ、また再加熱時に炭化物や窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。

Ｂは、初析セメンタイト組織の生成を微細化し、同時に、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レールの延性を向上させ、さらに、レール頭部の硬度分布を均一にする。
Ｃｏ，Ｃｕは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、パーライト組織の硬度を高める。

Ｎｉは、Ｃｕ添加による熱間圧延時の脆化を防止し、同時に、パーライト鋼の硬度を向上させ、さらに、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。
Ｔｉは、熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止する。

Ｍｇ，Ｃａは、レール圧延時においてオーステナイト粒の微細化を図り、同時に、パーライト変態を促進し、パーライト組織の延性を向上させる。
Ａｌは、共析変態温度を高温側へ移動させ、パーライト組織を強化し、レールの耐摩耗性の向上させ、さらに共析炭素量を高炭素側へ移動させ、初析セメンタイト組織の生成を抑制する。

Ｚｒは、ＺｒＯ_２介在物が高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高 めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、初析セメンタイト組織の厚さを微細化し、レールの延性低下を防止する。
Ｎは、オーステナイト粒界からのパーライト変態を促進させ、パーライト組織を微細にすることより、延性を向上させることが主な添加目的である。

これらの成分の限定理由について、以下に詳細に説明する。
Ｓｉは、脱酸剤として必須の成分である。また、パーライト組織中のフェライト相への固溶強化によりレール頭部の硬度（強度）を上昇させる元素である。さらに、過共析鋼において、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、延性の低下を抑制する元素である。しかし、０．１０％未満ではこれらの効果が十分に期待できない。また、２．００％を超えると、熱間圧延時に表面疵が多く生成することや、酸化物の生成により溶接性が低下する。さらに、焼入性が著しく増加し、レール頭部の耐摩耗性やレール底部の耐落重破壊特性に有害なマルテンサイト組織が生成する。このため、Ｓｉ量を０．１０〜２．００％に限定した。

Ｍｎは、焼き入れ性を高め、パーライトラメラ間隔を微細化することにより、パーライト組織の硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、０．１０％未満の含有量では、その効果が小さく、レールに必要とされる耐摩耗性の確保が困難となる。また、２．００％を超えると、焼入性が著しく増加し、レール頭部の耐摩耗性やレール底部の耐落重破壊特性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このため、Ｍｎ量を０．１０〜２．００％に限定した。

Ｃｒは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にして高硬度（強度）化に寄与すると同時に、セメンタイト相を強化して、パーライト組織の硬度（強度）を向上させることにより耐摩耗性を向上させる元素であるが、０．０５％未満ではその効果が小さく、２．００％を超える過剰な添加を行うと、焼入性が著しく増加し、マルテンサイト組織が多量に生成し、レール頭部の耐摩耗性やレール底部の耐落重破壊特性が低下する。このため、Ｃｒ量を０．０５〜２．００％に限定した。

Ｍｏは、Ｃｒ同様パーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にすることにより高硬度（強度）化に寄与し、パーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果が小さく、レール鋼の硬度を向上させる効果が全く見られなくなる。また、０．５０％を超える過剰な添加を行うと、パーライト組織の変態速度が著しく低下し、レール底部の耐落重破壊特性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。このため、Ｍｏ添加量を０．０１〜０．５０％に限定した。

Ｖは、熱間圧延後の冷却課程で生成したＶ炭化物、Ｖ窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度（強度）を高めると同時に、延性を向上させるのに有効な元素である。また、Ａc1点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、比較的高温度域でＶ炭化物やＶ窒化物を生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、０．００５％未満ではその効果が十分に期待できず、パーライト組織の硬度の向上や延性の改善は認められない。また、０．５０％を超えて添加すると、粗大なＶの炭化物やＶの窒化物が生成し、レール底部の耐落重破壊特性が低下する。このため、Ｖ量を０．００５〜０．５０％に限定した。

Ｎｂは、熱間圧延後の冷却課程で生成したＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度（強度）を高めると同時に、延性を向上させるのに有効な元素である。また、Ａc1点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、低温度域から高温度域までＮｂ炭化物やＮｂ窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、その効果は、０．００２％未満では期待できず、パーライト組織の硬度の向上や延性の改善は認められない。また、０．０５０％を超える添加すると、粗大なＮｂ炭化物やＮｂ窒化物が生成し、レール底部の耐落重破壊特性が低下する。このため、Ｎｂ量を０．００２〜０．０５０％に限定した。

Ｂは、旧オーステナイト粒界に鉄炭ほう化物を形成し、初析セメンタイト組織の生成を微細化し、同時に、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、頭部の硬度分布を均一化することにより、レールの延性低下を防止し、高寿命化を図る元素であるが、０．０００１％未満ではその効果は十分でなく、初析セメンタイト組織の生成やレール頭部の硬度分布には改善が認められない。また、０．００５０％を超えて添加すると、旧オーステナイト粒界に粗大な鉄の炭ほう化物が生成し、レール底部の耐落重破壊特性が大きく低下することから、Ｂ量を０．０００１〜０．００５０％に限定した。

Ｃｏは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、固溶強化によりパーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であり、さらに、パーライトの変態エネルギーを増加させて、パーライト組織を微細にすることにより延性を向上させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果が期待できない。また、２．００％を超えて添加すると、パーライト組織中のフェライト相の延性が著しく低下し、レール頭部のころがり面にスポーリング損傷が発生し、レールの耐表面損傷性が低下する。このため、Ｃｏ量を０．１０〜２．００％に限定した。

Ｃｕは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、固溶強化によりパーライト組織の硬度（強度）を向上させる元素であるが、０．０５％未満ではその効果が期待できない。また、１．００％を超えて添加すると、著しい焼入れ性向上により、レール頭部の耐摩耗性やレール底部の耐落重破壊特性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。さらに、パーライト組織中のフェライト相の延性が著しく低下し、レール底部の耐落重破壊特性が低下する。このため、Ｃｕ量を０．０５〜１．００％に限定した。

Ｎｉは、Ｃｕ添加による熱間圧延時の脆化を防止し、同時に、フェライトへの固溶強化によりパーライト鋼の高硬度（強度）化を図る元素である。さらに、溶接熱影響部においては、Ｔｉと複合でＮｉ_３Ｔｉの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を抑 制する元素であるが、０．０１％未満では、その効果が著しく小さく、また、１．００％を超えて添加すると、パーライト組織中のフェライト相の延性が著しく低下し、レール底部の耐落重破壊特性が低下する。このため、Ｎｉ量を０．０１〜１．００％に限定した。

Ｔｉは、溶接時の再加熱において析出したＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が溶解しないことを利用して、オーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。しかし、０．００５０％未満ではその効果が少なく、０．０５００％を超えて添加すると、粗大なＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が生成して、レール底部の耐落重破壊特性が大きく低下することから、Ｔｉ量を０．００５０〜０．０５００％に限定した。

Ｍｇは、Ｏ、または、ＳやＡｌ等と結合して微細な酸化物を形成し、レール圧延時の再加熱において、結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒の微細化を図り、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。さらに、ＭｇＯ，ＭｇＳがＭｎＳを微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．０００５％未満ではその効果は弱く、０．０２００％を超えて添加すると、Ｍｇの粗大酸化物が生成し、レール底部の耐落重破壊特性を低下させるため、Ｍｇ量を０．０００５〜０．０２００％に限定した。

Ｃａは、Ｓとの結合力が強く、ＣａＳとして硫化物を形成し、さらに、ＣａＳがＭｎＳを微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．０００５％未満ではその効果は弱く、０．０１５０％を超えて添加すると、Ｃａの粗大酸化物が生成し、レール底部の耐落重破壊特性を低下させるため、Ｃａ量を０．０００５〜０．０１５０％に限定した。

Ａｌは、脱酸剤として必須の成分である。また、共析変態温度を高温側へ、共析炭素量を高炭素側へ移動させる元素であり、パーライト組織の高強度化と初析セメンタイト組織の生成抑制に有効な元素であるが、０．０１００％以下では、その効果が弱く、１．００％を超えて添加すると、鋼中に固溶させることが困難となり、疲労損傷の起点となる粗大なアルミナ系介在物が生成し、レール底部の耐落重破壊特性が低下するとともに、溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下するため、Ａｌ量を０．０１００〜１．００％に限定した。

Ｚｒは、ＺｒＯ_２介在物がγ−Ｆｅとの格子整合性が良いため、γ−Ｆｅが凝固初晶で ある高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レール偏析部に生成する初析セメンタイト組織の生成を抑制する元素である。しかし、Ｚｒ量が０．０００１％以下では、ＺｒＯ_２系介在物の数が 少なく、凝固核として十分な作用を示さない。その結果、偏析部に初析セメンタイト組織が生成し、レールの延性を低下させる。また、Ｚｒ量が０．２０００％を超えると、粗大Ｚｒ系介在物が多量に生成して、レール底部の耐落重破壊特性が低下し、粗大Ｚｒ系介在物を起点とした疲労損傷が発生しやすくなり、レールの使用寿命が低下する。このため、Ｚｒ量を０．０００１〜０．２０００％に限定した。

Ｎは、オーステナイト粒界に偏析することにより、オーステナイト粒界からのパーライト変態を促進させ、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．００４０％未満ではその効果は弱く、０．０２００％を超えて添加すると、鋼中に固溶させることが困難となり、疲労損傷の起点となる気泡が生成することから、Ｎ量を０．００４０〜０．０２００％に限定した。

上記のような成分組成で構成されるレール鋼は、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、この溶鋼を造塊・分塊あるいは連続鋳造し、さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。次に、この熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あるいは熱処理する目的で高温に再加熱されたレール底部に加速冷却を施すことにより、レール底部において、微細なパーライトブロックサイズで、かつ、高硬度なパーライト組織を安定的に生成させることが可能となる。

なお、粒径１〜１５μｍのパーライトブロックを被検面積０．２ｍｍ^２あたり２００個 以上にする方法としては、上記のレール底部における熱間圧延時の温度をできるだけ低くし、さらに、圧延直後のオーステナイト粒の成長を抑制するため、圧延直後に冷却を行い、オーステナイト粒を微細にした状態で、加速冷却を行うことが望ましい。実際のレール底部の圧延熱処理条件としては、レール足裏部の最終圧延温度が９５０℃以下、レール底部の最終圧延減面率６％以上、加速冷却速度１℃/sec（８００〜５５０℃）以上が必要である。

また、熱処理する目的でレールを再加熱する場合は、再加熱温度をできるだけ低くすることが望ましい。実際の再加熱熱処理条件としては、再加熱温度１０００℃以下、加速冷却速度３℃/sec（８００〜５５０℃）以上が必要である。

本発明レールの金属組織は、上記限定のようなパーライト組織であることが望ましい。 しかし、レールの成分系や熱処理製造方法によっては、レール柱部、頭表部、頭部内部、底部のパーライト組織中に、微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が混入することがある。だが、これらの組織が混入しても、レール底部の破壊特性には大きな悪影響を及ぼさないため、耐落重破壊特性に優れたパーライト系レールの組織としては、若干の初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織の混在も含んでいる。

次に、本発明の実施例について説明する。
表１に本発明レール鋼の化学成分、レール底部の熱間圧延および熱処理条件、底部ミクロ組織（足裏表面下２ｍｍ）、粒径１〜１５μｍを有するパーライトブロックの粒数および測定位置、レール底部（足裏表面下２ｍｍ）の硬さを示し、さらにレール底部の引張試験結果、レールの落重試験結果も併記した。

表２に比較レール鋼の化学成分、レール底部の熱間圧延および熱処理条件、底部ミクロ組織（足裏表面下２ｍｍ）、粒径１〜１５μｍを有するパーライトブロックの粒数および測定位置、レール底部（足裏表面下２ｍｍ）の硬さを示し、さらにレール底部の引張試験結果、レールの落重試験結果も併記した。
なお、レールの構成は以下の通りである。

●本発明レール鋼（１４本） 符号Ａ〜Ｎ
上記成分範囲内で、レール底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲の少なくとも一部に、粒径１〜１５μｍのパーライトブロックが被検面積０．２ｍｍ^２あたり２００個 以上存在し、レール底部の硬さがＨｖ３００〜４８０の範囲であることを特徴とする耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。

●比較レール鋼（１１本） 符号Ｏ〜Ｙ
符号Ｏ〜Ｑ：Ｃ，ＳｉおよびＭｎの添加量が上記成分範囲外の比較レール鋼（３本）。 符号Ｒ〜Ｙ：上記成分範囲内で、レール底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲の少なくとも一部に、粒径１〜１５μｍのパーライトブロックが被検面積０．２ｍｍ^２あ たり２００個未満、もしくは、レール底部の硬さがＨｖ３００〜４８０の範囲外である比較レール鋼（１１本）。

ここで、本明細書中の図について説明する。
図１は、本発明の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レールの底部断面表面位置での呼称、および、微細で、かつ、ある一定範囲の硬さを有するパーライト組織が必要とされる領域を示したものである。
図２は、表１と表２に示す引張試験における試験片採取位置を図示したものである。
また、図３は、表１に示す本発明レール鋼（符号：Ａ〜Ｎ）と表２に示す比較レール鋼（符号：Ｒ〜Ｙ）の落重試験結果における炭素量と全試験片が未破断（４本中４本未破断）であった試験温度の関係を示したものである。
なお、各種試験は次の通りとした。

●レール底部引張試験
試験機：万能小型引張試験機
試験片形状：ＪＩＳ４号相似
平行部長さ：２５ｍｍ、平行部直径：６ｍｍ、
伸び測定評点間距離：２１ｍｍ
試験片採取位置：レール足裏表面下５ｍｍ（図２参照）
引張速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ
試験温度：常温（２０℃）

●レール落重試験
試験機：落重試験機
試験片形状：１４１ポンドレール×１５００ｍｍ
試験条件：スパン長：９１４０ｍｍ、落錘高さ：６０００ｍｍ、落錘重さ：９０７ｋｇ 試験形態：２点支持式（レール頭部に落錘を落とす）
試験温度：−９０〜＋４０℃
試験本数：各温度において４本

表１、表２に示すように、本発明レール鋼（符号：Ａ〜Ｎ）は、比較レール鋼（符号：Ｏ〜Ｑ）と比較して、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎの添加量をある一定範囲内に納めることにより、レール底部の耐落重破壊特性に悪影響を与える初析セメンタイト組織やマルテンサイト組織などを生成させず、ある一定の硬さを有した微細なパーライト組織とすることができる。

また、図３に示すように、本発明レール鋼（表１の符号：Ａ〜Ｎを●印で示す）は、比較レール鋼（表２の符号：Ｒ〜Ｙを□印で示す）と比較して、粒径１〜１５μｍのパーライトブロックの数を制御し、レール底部の硬さをＨｖ３００〜４８０の範囲に制御することにより、同一炭素量で比較すると、落重試験におけるレール未破断温度が低温側へ遷移し、レールの耐落重破壊特性が向上していることが分かる。

本発明の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レールの底部断面表面位置 での呼称、および、微細で、かつ、ある一定範囲の硬さを有するパーライト組織が必 要とされる領域を示した図。 表１と表２に示す引張試験における試験片採取位置を示した図。 表１に示す本発明レール鋼（符号：Ａ〜Ｎ）と表２に示す比較レール鋼（ 符号：Ｒ〜Ｙ）の落重試験結果における炭素量と全試験片が未破断（４本中４本未破 断）であった試験温度の関係を示した図。

符号の説明

１：足裏部
２：足先部
３：底部
Ｗ：レール底部の幅

Claims (12)

1. 質量％で、Ｃ：０．６５〜１．４０％を含有するパーライト組織を呈する鋼レールにおいて、底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲の少なくとも一部に、粒径１〜１５μｍのパーライトブロックが被検面積０．２ｍｍ^２あたり２００個以上存在することを特 徴とする耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
2. 質量％で、
   Ｃ ：０．６５〜１．４０％、
   Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
   Ｍｎ：０．１０〜２．００％
   を含有するパーライト組織を呈する鋼レールにおいて、底部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲の少なくとも一部に、粒径１〜１５μｍのパーライトブロックが被検面積０．２ｍｍ^２あたり２００個以上存在することを特徴とする耐落重破壊特性に優れたパーラ イト系レール。
3. 請求項１〜２記載の鋼レールにおいて、底部表面を起点として、少なくとも深さ１０ｍｍの範囲の硬さがＨｖ３００〜４８０の範囲であることを特徴とする耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
4. 質量％で、さらに、
   Ｃｒ：０．０５〜２．００％、
   Ｍｏ：０．０１〜０．５０％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
5. 質量％で、さらに、
   Ｖ ：０．００５〜０．５０％、
   Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
6. 質量％で、さらに、
   Ｂ ：０．０００１〜０．００５０％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
7. 質量％で、さらに、
   Ｃｏ：０．１０〜２．００％、
   Ｃｕ：０．０５〜１．００％
   の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
8. 質量％で、さらに、
   Ｎｉ：０．０１〜１．００％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
9. 質量％で、さらに、
   Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、
   Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、
   Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％
   の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
10. 質量％で、さらに、
    Ａｌ：０．０１００〜１．００％
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
11. 質量％で、さらに、
    Ｚｒ：０．０００１〜０．２０００％
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
12. 質量％で、さらに、
    Ｎ ：０．００４０〜０．０２００％
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の耐落重破壊特性に優れたパーライト系レール。
    
    

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