JP3522613B2 - 耐ころがり疲労損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナイト系レールおよびその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、旅客鉄道および貨
物鉄道用レールに要求される、耐ころがり疲労損傷性、
耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性を向上させたベイナ
イト系レールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、旅客鉄道や貨物鉄道では輸送効率
の向上を目的として、列車の高速化や貨車の高積載化が
進められている。これにともない主に直線区間のレール
においては、レール使用環境が苛酷化し、レールと車輪
の繰り返し接触によるダークスポット損傷と呼ばれるレ
ール頭表面のころがり疲労損傷の発生が増加している。
このダークスポット損傷は、従来からのパーライト組織
を呈したレールが使用されている旅客鉄道や貨物鉄道の
直線区間のレールで発生しやすい特徴を有している。

【０００３】本発明者らは、このダークスポット損傷の
発生源であると考えられる、車輪との繰り返し接触によ
って生成するレール頭表面の疲労層（疲労ダメージ層、
集合組織）の形成と金属組織の関係を研究した。その結
果、フェライト相とセメンタイト相の層状構造を成して
いるパーライト組織では、疲労ダメージ層が蓄積し易
く、さらに、集合組織が発達し易いの対して、柔らかな
フェライト組織地に粒状の硬い炭化物が分散したベイナ
イト組織は、疲労ダメージ層が蓄積し難く、さらに、表
面疲労損傷の引き金となる集合組織が発達し難く、結果
としてダークスポット損傷が発生しにくいことが明らか
となった。

【０００４】そこで、ベイナイト組織を呈したレールと
して下記に示すような製品および製造法が開発された。 低炭素成分でＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を多
量に添加して圧延ままでベイナイト組織を呈する高強度
レール（特開平５−２７１８７１号公報）。 低炭素成分でＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を添
加し、熱間圧延後の高温度の熱を保有するレール、ある
いは高温に加熱されたレールの頭部を加速冷却する高強
度ベイナイトレールの製造法（特開平７−３４１３２号
公報）。

【０００５】これらのレールの特徴は、耐ころがり疲労
損傷性に優れたベイナイト組織を安定に生成させるた
め、従来の普通炭素鋼レールと比較して炭素量を低減さ
せると同時に、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を多く
添加し、さらに、強度を確保するため適切な熱処理を施
したものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】［内部疲労損傷の発
生］これらのレールで用いられているベイナイト組織
は、変態開始温度が冷却速度に大きく依存する特性を有
している。従って、レール頭部のように断面積が大き
く、頭表面と頭部内部での冷却速度が大きく異なる場合
は、比較的冷却速度の早いレール頭表面と比較的冷却速
度の遅い内部では、ベイナイト変態開始温度に必然的に
差が発生し、結果的にレール頭表部と内部に大きな硬度
差が発生し易い。

【０００７】図１に、ベイナイトレールの頭部断面硬度
分布の一例を示す。上記のようにベイナイトレールで
は、レール頭表部から内部にかけて硬度が急激に低下す
る特性を有している。このような硬度分布では、レール
頭部断面において材料強度の変化が著しく大きくなり、
これにともない、車輪との接触によりレールに発生する
歪み（塑性変形領域）が、レール頭部内部の低硬度（強
度）部に集中しやすい。この結果、レール使用環境の苛
酷な貨物鉄道などでは、レール頭部内部の低強度部から
疲労き裂が発生しやすくなり、レールの使用寿命が低下
するといった問題が発生した。

【０００８】この対策として、Ｍｎ、Ｃｒ等の合金添加
量を増加させる、熱処理時の冷却速度を増加させるとい
った方法が考えられるが、合金添加量や熱処理時の冷却
速度を過度に増加させると、内部硬度の向上は図れるも
のの、レール頭表部にマルテンサイトなどの異常組織が
生成し、耐摩耗性や靭性が大きく低下するといった問題
があった。

【０００９】また、熱処理冷却方法の改善により、レー
ル頭表部の異常組織の生成を防止し、頭部内部の硬さを
向上させる方法もあるが、レール頭表部と頭部内部の特
性を同時に付与する冷却速度の制御が難しく、レール頭
部断面において適正な硬度分布を得るのが困難であっ
た。

【００１０】［溶接熱影響部硬度低下の問題］これらの
問題に加えて、ベイナイト組織はパーライト組織と比べ
て熱影響を受けた場合に硬度が低下しやすい特性を有し
ている。この結果、ベイナイト組織のレールをフラッシ
ュバット溶接、ガス圧接、テルミット溶接、エンクロー
ズアーク溶接等の既存の溶接方法で接合すると、Ａｃ1
点以下の温度域に再加熱された熱影響部では、現行のパ
ーライト組織のレールと比べて硬度低下領域が拡大し、
さらに、その硬度低下量が増加する傾向を示す。

【００１１】図２は、ベイナイト鋼（０．３％Ｃ、Ｈｖ
３８０）と現行のパーライト鋼（０．７％Ｃ、Ｈｖ３９
０）のレールのフラッシュバット溶接継ぎ手部の頭表面
部長手方向硬度分布の一例を示したものである。図２に
示すように、ベイナイト鋼のレール頭表面では、Ａｃ１
点以下の温度域に再加熱された熱影響部の硬度低下領域
が拡大し、さらに、その硬度低下量が増加している。

【００１２】このため、ベイナイト組織のレールは、パ
ーライト組織のレールと比べて、溶接継ぎ手部の熱影響
部において、硬度低下領域の拡大、硬度低下量の増加に
より、局部的な摩耗が発生しやすく、結果として列車走
行時の騒音、振動が増加するといった問題が発生した。

【００１３】本発明は、上記問題点を解決し、耐ころが
り疲労損傷、貨物鉄道等に要求される耐内部疲労損傷性
を向上させ、同時に、溶接継ぎ手特性を向上させること
を目的としたレールおよびその製造法を提供するもので
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するものであって、その要旨とするところは、 （１） 質量％で、Ｃ ：０．１５〜０．４５％、
Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．２０〜３．
００％、 Ｃｒ：０．２０〜３．００％、Ｖ ：
０．０１〜０．３０％、 Ｎｂ：０．０１超〜０．
０５％未満を含有し、Ｖ＋１０×Ｎｂの和が０．１４以
上、０．５０以下であり、さらに必要に応じて、Ｍｏ：
０．０１〜１．００％、 Ｔｉ：０．００５〜０．
０５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、 Ｃｕ：
０．０５〜０．５０％、Ｍｇ：０．００１０〜０．０１
００％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、Ｂ ：
０．０００１〜０．００５０％の１種または２種以上を
含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるレール
であって、前記レールの頭部コーナー部および頭頂部表
面を起点として少なくとも深さ２０mmの範囲がベイナイ
ト組織を呈し、前記範囲のベイナイト組織の硬さがＨｖ
３３０〜５００の範囲であり、かつ、その硬さの差がＨ
ｖ５０以下であるベイナイト組織であることを特徴とす
る耐ころがり疲労損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ
手特性に優れたベイナイト系レールである。また

【００１５】（２） 前記（１）記載の成分を含有し、
残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼片をレールの
形状に熱間圧延し、引き続き鋼レールの頭表部を、Ａｒ
1 点以上の温度から１〜２０℃/secの冷却速度で加速冷
却し、前記鋼レールの頭表部が５００〜３００℃に達し
た時点で加速冷却を停止し、その後、引き続き常温域ま
で自然冷却することを特徴とする耐ころがり疲労損傷
性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナ
イト系レールの製造法。 （３） 前記（２）記載の加速冷却停止後に、変態発熱
およびレール内部から発生する復熱による、レール頭表
部における温度上昇を、加速冷却停止温度より５０℃以
下に抑えることを特徴とする耐ころがり疲労損傷性、耐
内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナイト系
レールの製造法。および （４） 前記（２）記載の加速冷却停止後、引き続きレ
ール頭表部を常温域まで１〜４０℃/minで制御冷却する
ことを特徴とする耐ころがり疲労損傷性、耐内部疲労損
傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナイト系レールの製
造法である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に本発明について詳細に説明
する。本発明者らは、適正な合金の選択及びその添加量
を制御することにより、レール頭表部においてマルテン
サイト等の異常組織の生成を防止し、レール頭部内部の
硬さを向上させ、冷却速度が異なるレール頭表部から頭
部内部において、均一なベイナイト組織を安定的に生成
させ、同時にレール頭表面における溶接熱影響部の硬度
低下領域の拡大を防止し、さらに、硬度低下量の増加を
防止する方法を検討した。

【００１７】ここで、図３に本発明の耐ころがり疲労損
傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたレー
ルの頭部断面表面位置の呼称を示す。レール頭部におい
て１は頭頂部、２は頭部コーナー部であり、頭部コーナ
ー部２の一方は車輪と主に接触するゲージコーナー
（Ｇ．Ｃ．）部である。ここで、レール頭表部とは、図
３に示すように、主に耐表面損傷性に必要なレール頭頂
部１および頭部コーナー部２の該頭部表面から２〜１０
mmの領域を指すものである。また、レール頭部内部とは
主に耐内部疲労損傷性が必要な上記範囲よりさらに深い
１０〜３０mmの領域を示すものである。

【００１８】まず、耐内部疲労損傷性の向上を図るた
め、本発明者らはレール頭部内部の硬度を向上させる合
金元素ついて実験室的に検討した。ベイナイト組織は柔
らかなフェライト地に粒状の硬い炭化物が分散した構造
となっている。そこで、ベイナイト組織のフェライト地
に微細析出し、ベイナイト組織を析出強化する元素を実
験により検討した。実レール（炭素量０．１５〜０．４
５％）を用いた加速冷却実験を行った結果、Ｖ、さらに
はＮｂをある一定量複合添加したレールでは、レール頭
表部と比較して冷却速度の遅いレール頭部内部におい
て、冷却中にベイナイト組織中のフェライト地にＶの炭
化物や窒化物、Ｎｂの炭・窒化物が析出し、両合金の相
乗効果によりレール頭部内部の硬度が安定的に向上する
ことを見出した。

【００１９】次に、本発明者らは、レール頭表面におけ
る溶接熱影響部の硬度低下領域の拡大を防ぎ、さらに、
硬度低下量の増加を防止する方法を検討した。まず、溶
接熱影響部の硬度低下を防止するには析出強化が有効と
考え、Ａｃ１点以下の温度域に再加熱された溶接熱影響
部において、ベイナイト組織のフェライト地に微細析出
し、ベイナイト組織を析出強化する元素を実験により検
討した。その結果、レール頭部内部と比べて比較的冷却
速度の早いレール頭表面では、ＶとＮｂは冷却途中にベ
イナイト組織のフェライト地に炭化物や窒化物として析
出せず、ベイナイト組織中に固溶することが確認され、
溶接熱影響での再加熱過程においてベイナイト組織のフ
ェライト地に析出し、ベイナイト組織を析出強化できる
可能性が高いことが確認された。

【００２０】さらに、本発明者らはＶとＮｂの添加量を
変化させたベイナイト鋼（炭素量０．１５〜０．４５
％）を用いて、オーステナイト化後、加速冷却、さらに
溶接熱影響を再現した焼戻し実験を行い、Ｖ，Ｎｂの析
出強化挙動を確認した。その結果、Ｎｂは低温度域から
高温度域まで安定的に炭化物を析出する効果、Ｖは比較
的高温度域で炭化物を多量に析出する効果があることが
確認された。したがって、ＮｂとＶを組み合わせること
により、レール溶接継ぎ手部の熱影響部において、再加
熱温度が低く、硬度低下が少ない部位から、再加熱温度
が高く、硬度低下が大きい部位まで、それぞれの硬度低
下量に応じて析出物の量を制御することが可能となり、
硬度低下領域の拡大、硬度低下量の増加を防止できるこ
とを見出した。

【００２１】これらの知見に基づき、さらに本発明者ら
は、Ｖ，Ｎｂの添加量とレール頭表部の溶接熱影響部で
の硬度上昇の関係について調査し、ＶとＮｂの添加量バ
ランスおよび最適成分範囲について詳細に検討した。そ
の結果、同一添加量（wt％）で比較すると、Ｎｂの溶接
熱影響部での硬度上昇量（析出強化）はＶと比較して約
１０倍の効果があることが明らかとなり、ＮｂとＶを組
み合わた硬度上昇効果は、Ｖ（wt％）＋１０×Ｎｂ（wt
％）の和で表わすことが可能であることを知見した。さ
らに、溶接熱影響部の硬度低下を安定的に改善するに
は、Ｎｂ、Ｖのそれぞれの添加成分範囲に加えて、Ｖ
（wt％）＋１０×Ｎｂ（wt％）の和に一定の範囲が存在
することを見出した。

【００２２】以下に本発明の限定理由について詳細に説
明する。 （１）レール鋼の化学成分 まず、本発明において、レールの化学成分を上記のよう
に限定した理由について説明する。Ｃは、ベイナイト組
織の強度と耐摩耗性を確保するための必須元素である
が、０．１５％未満では、ベイナイト組織中にフェライ
ト組織が生成し、ベイナイトレールに必要とされる強度
や耐摩耗性を確保することが難しくなる。また０．４５
％を超えると、ベイナイト組織中にころがり疲労損傷の
発生に有害なパーライト組織が多く生成しやすくなるこ
とや、ベイナイト変態速度が著しく低下し、レールの靭
性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなるた
め、Ｃ量を０．１５〜０．４５％に限定した。

【００２３】Ｓｉは、ベイナイト組織中のフェライト素
地への固溶体硬化により強度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％を超えると、レール熱間圧延時に表面疵が発
生し易くなることや、ベイナイト組織中にマルテンサイ
ト組織が生成し、レールの耐摩耗性および靱性を低下さ
せるため、Ｓｉ量を０．１０〜２．００％に限定した。

【００２４】Ｍｎは、Ｃ同様に鋼の焼入性を高め、ベイ
ナイト組織を安定的に生成させるためには欠かせない元
素である。本成分系においては、Ｍｎ量が０．２０％未
満ではその効果が微弱であり、添加元素の組み合わせに
よっては、ベイナイト組織中に耐摩耗性に有害なフェラ
イト組織や耐表面損傷性に有害なパーライト組織が生成
しやすくなる。また３．００％を超えると、ベイナイト
組織の変態速度が低下し、レールの耐摩耗性および靱性
に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなるため、Ｍ
ｎ量を０．２０〜３．００％に限定した。

【００２５】Ｃｒは、ベイナイト組織中の炭化物を微細
に分散させ、強度を確保するために重要な元素である
が、０．２０％未満ではその効果が微弱であり、添加元
素の組み合わせによっては、ベイナイト組織を安定的に
得ることが困難となる。また３．００％を超えると、ベ
イナイト組織中にマルテサイト組織が生成しやすく、レ
ールの靱性や耐摩耗性を低下させることから、Ｃｒ量を
０．２０〜３．００％に限定した。

【００２６】Ｖは、ＣまたはＮと結合して、圧延後の冷
却中にＶ炭化物、Ｖ窒化物を形成し、ベイナイト組織中
のフェライト地に析出することにより、冷却速度の比較
的遅いレール頭部内部の硬度を向上させる元素であると
同時に、Ａｃ1 点以下の温度域に再加熱された熱影響部
において、Ｖ炭化物を比較的高温度域で生成させ、溶接
継ぎ手部熱影響部のベイナイト組織の硬度低下を防止す
るのに有効な成分であるが、０．０１％未満ではその効
果が十分に期待できず、０．３０％を超えて添加しても
それ以上の効果が期待できないことから、Ｖ量を０．０
１〜０．３０％に限定した。

【００２７】ＮｂはＶと同様に、熱間圧延後の冷却過程
で生成したＮｂ炭・窒化物による析出硬化でベイナイト
組織の強度を高めると同時に、Ａｃ１点以下の温度域に
再加熱された熱影響部において、Ｎｂ炭化物を低温度域
から高温度域まで安定的に生成させ、溶接継ぎ手部熱影
響部のベイナイト組織の硬度低下を防止するのに有効な
成分である。その効果は、０．０１％以下では十分に期
待できず、また０．０５％以上の過剰な添加を行うと、
Ｎｂの金属間化合物や粗大析出物が生成してレールの靭
性を低下させることから、Ｎｂ量を０．０１超〜０．０
５％未満に限定した。

【００２８】なお、ＶとＮｂを複合添加する目的として
は、レール頭表部と比較して冷却速度の遅いレール頭部
内部において、圧延後の冷却中にベイナイト組織中のフ
ェライト地にＶの炭化物や窒化物、Ｎｂの炭・窒化物が
析出し、両合金の相乗効果により、レール頭部内部の硬
度が安定的に向上することや、溶接熱影響を受けたベイ
ナイト組織においては、Ｎｂは低温度域から高温度域ま
で安定的に炭化物を析出する効果、Ｖは比較的高温度域
で炭化物を多量に析出する効果を有し、ＮｂとＶを組み
合わせることにより、レール溶接継ぎ手部の熱影響部に
おいて、硬度低下量に応じて析出物の量を制御すること
が可能になるからである。

【００２９】また、上記の成分組成で製造されるレール
は強度、延性、靭性、さらには溶接時の材料劣化を防止
する目的で、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ
の元素を必要に応じて１種類または２種以上を以下の成
分範囲で添加する。 Ｍｏ：０．０１〜１．００％、 Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、 Ｎｉ：０．０５〜１．００％、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、 Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、 Ｂ ：０．０００１〜０．００５０％ ここで、Ｍｏはベイナイト組織の安定化と強度向上、Ｔ
ｉ、Ｎｉは延性や靭性の向上、Ｃｕは強度向上、Ｍｇ、
Ｃａは延性及び靭性の向上、Ｂはベイナイト組織の安定
化を図ることを目的として添加する。

【００３０】Ｍｏは、ＭｎあるいはＣｒと同様に、ベイ
ナイト変態温度を下げ、ベイナイト変態の安定化及びベ
イナイト組織の強化に寄与する元素であるが、０．０１
％未満では効果が十分でなく、１．００％を超えるとベ
イナイト組織の変態速度が著しく低下し、Ｍｎ、Ｃｒと
同様に、レールの耐摩耗性及び靱性に有害なマルテンサ
イト組織が生成し易くなるため、Ｍｏ量を０．０１〜
１．００％に限定した。

【００３１】Ｔｉは、溶解・凝固時に析出したＴｉ炭化
物、Ｔｉ窒化物がレール圧延時加熱の高温でも溶解しな
いことを利用して、レール圧延加熱時のオーステナイト
結晶粒の微細化を図り、ベイナイト組織の延性や靱性の
改善に寄与する元素であるが、０．００５％未満ではこ
れらの効果が十分に発揮されず、また０．０５０％を超
えて添加すると、粗大な窒化物（ＴｉＮ）や炭化物（Ｔ
ｉＣ）が生成し、レールの延性や靱性が低下すると同時
に、レール使用中の疲労損傷の起点となりやすいため、
Ｔｉ量を０．００５〜０．０５０％に限定した。

【００３２】Ｎｉは、オーステナイトを安定化させる元
素であり、ベイナイト変態温度を下げ、ベイナイト組織
を微細化し、延性や靭性を向上させる効果を有するが、
０．０５％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ベイナイト変態速度が大きく
低下し、レールの耐摩耗性、靭性に有害なマルテンサイ
ト組織を生成しやすくするため、Ｎｉ量を０．０５〜
１．００％に限定した。

【００３３】Ｃｕは、鋼の靭性を損なわず強度を向上さ
せる元素であり、その効果は０．０５〜０．５０％の範
囲で最も大きく、また０．５０％を超えると赤熱脆化を
生じやすくなることから、Ｃｕ量を０．０５〜０．５０
％に限定した。

【００３４】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、ベイナイト組織の延性や靭性を向上させるの
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、ベイナイト変態を促進させ、その結果ベイナイト組
織を微細化することにより、延性や靭性を向上させるの
に有効な元素である。しかし０．００１０％未満ではそ
の効果は弱く、０．０１００％を超えて添加すると、Ｍ
ｇの粗大酸化物が生成してレール延性や靭性を劣化させ
るため、Ｍｇ量を０．００１０〜０．０１００％に限定
した。

【００３５】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、ベイナイ
ト変態を促進させ、その結果ベイナイト組織を微細化す
ることにより、延性や靭性を向上させるのに有効な元素
である。しかし、０．００１０％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
物が生成してレール延性や靭性を劣化させるため、Ｃａ
量を０．００１０〜０．０１５０％に限定した。

【００３６】Ｂは、旧オーステナイト粒界から生成する
初析フェライト組織や、これに伴い変態するパーライト
組織の生成を抑制し、ベイナイト組織を安定的に生成さ
せる元素である。しかし０．０００１％未満ではその効
果は弱く、０．００５０％を超えて添加すると、オース
テナイト粒界にＢの窒化物や炭化物が生成し、逆に焼入
れ性を低下させる初析フェライト組織やパーライト組織
を生成しやすくするため、Ｂ量を０．０００１〜０．０
０５０％に限定した。

【００３７】（２）Ｖ，Ｎｂの和の式及びその範囲 次に、本発明においてレールの溶接熱影響部の硬さを示
す指標として、Ｖ（ｗｔ％）＋１０×Ｎｂ（ｗｔ％）式
及びその範囲を限定した理由を説明する。ベイナイト組
織のレールにおいて、Ｖ、Ｎｂの添加量とレール頭表部
の溶接熱影響部での硬度上昇量の関係について調査した
結果、同一添加量（ｗｔ％）で比較すると、Ｎｂの溶接
熱影響部での硬度上昇量（析出強化）はＶと比較して約
１０倍の効果があることが明らかとなった。したがっ
て、レール頭表部の溶接熱影響部での硬度上昇量を示す
指標として、上記の式を限定した。

【００３８】さらに、上記式の値の範囲を限定した理由
について説明する。上記式の値が０．１４未満になる
と、溶接熱影響部での硬度上昇量が極端に低下し、溶接
熱影響部の硬度低下領域やその低下量の増加を防止する
ことが困難となり、局部的な摩耗が発生し、結果として
列車走行時の騒音、振動が増加する。また上記式の値が
０．５０以上になると、Ｖ、Ｎｂの偏析により、溶接熱
影響部での硬度上昇量にばらつきが発生し、結果的に溶
接熱影響部の硬度分布が安定せず、局部的な摩耗の発生
により列車走行時の騒音、振動が増加するため、Ｖ（ｗ
ｔ％）＋１０×Ｎｂ（ｗｔ％）の総和を０．１４〜０．
５０の範囲に限定した。

【００３９】なお、上記式中のＶ、Ｎｂの値は全て質量
％である。また、Ｖ、Ｎｂのいずれかの添加量が上記成
分の限定範囲を満たさないない場合は、上記式の値が範
囲を満たしても、溶接熱影響部の硬度特性が十分に改善
させないため、本発明では限定範囲外とする。

【００４０】（３）ベイナイト組織の硬さ及びその範囲 次に、ベイナイト組織の硬さをＨｖ３３０〜５００の範
囲に限定した理由について説明する。硬さがＨｖ３３０
未満になると、直線区間に準じた曲率半径の緩い曲線区
間では、Ｇ．Ｃ．部にレールと車輪の強い接触によるメ
タルフローが生成しやすく、これに伴いきしみ割れやフ
レーキング損傷などの表面損傷が発生する。さらに、使
用環境の苛酷な貨物鉄道などでは、レール頭部内部の低
強度部から疲労き裂が発生しやすくなり、レールの使用
寿命が低下する。また、硬さがＨｖ５００を超えると、
摩耗が極度に抑制され、耐表面損傷が発生しやすくなる
ことや、延性や靭性が極度に低下し、レールに必要とさ
れる延靭性を確保することができないことから、ベイナ
イト組織の硬さをＨｖ３３０〜５００の範囲に限定し
た。

【００４１】次に、ベイナイト組織を有する範囲を、頭
部コーナー部および頭頂部の該頭部表面を起点として少
なくとも深さ２０mmの範囲に限定した理由を説明する。
２０mm未満では、レール頭部に必要とされている耐ころ
がり疲労損傷性領域としては小さく、十分な寿命改善効
果が得られないためである。また、前記ベイナイト組織
を呈する範囲が、頭部コーナー部および頭頂部の該頭部
表面を起点として深さ３０mm以上であれば、寿命改善効
果がさらに増し、より望ましい。

【００４２】なお、硬さの差の最大値がＨｖ５０を超え
ると、上記のような内部疲労損傷が発生する懸念があ
る。しかし、硬さの差の最大値がＨｖ５０以内であれ
ば、発生するき裂も軽微であり、実用上大きな問題とは
ならない。したがって、硬さの差の最大値がＨｖ５０以
内であれば、実用レールとして十分な特性を有する。さ
らに、硬さの差の最大値をＨｖ４０以内とすれば、上記
のような軽微なき裂損傷もほとんど発生せず、十分な耐
内部疲労損傷性を有するのでより好ましい。

【００４３】本発明レールの金属組織はベイナイト組織
であることが望ましが、その製造方法によっては、ベイ
ナイト組織中に微量なマルテンサイト組織やフェライト
組織、パーライト組織が混入することがある。しかし、
ベイナイト組織中に微量なマルテンサイト組織やフェラ
イト組織、パーライト組織が混入してもレールの耐ころ
がり疲労損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に
は大きな影響をおよぼさないため、本ベイナイト系レー
ルの組織としては若干の上記記述の組織の混在も含んで
いる。

【００４４】（４）レールの熱処理製造法 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・分塊法あるいは連続鋳造法により鋼片と
し、さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。次
に、この熱間圧延されたレールの頭表部を、Ａｒ１点以
上の温度から１〜２０℃/secの冷却速度で加速冷却し、
前記鋼レールの頭表部が５００〜３００℃に達した時点
で加速冷却を停止し、その後引き続き常温域まで自然冷
却するか、または、加速冷却停止後に変態発熱およびレ
ール内部から発生する復熱による温度上昇を抑える冷却
を行う。またはさらに、加速冷却停止後に制御冷却を行
う。

【００４５】このようにして製造されるレールは、まず
加速冷却することにより、高温度域でのベイナイト変態
を抑制し、その後引き続き、常温域まで冷却することに
より、低温度域でベイナイト変態を安定的に完遂させ、
ある一定範囲の硬さを持ったベイナイト組織を得ること
が可能となる。そして、レール頭部の硬さをより一層安
定化させ、さらに硬さを上昇させる目的のため、加速冷
却後のレール頭表部において、変態発熱およびレール内
部から発生する復熱による温度上昇を抑える冷却、さら
には制御冷却速度を実施する。

【００４６】次に、レール製造時の加速冷却前の温度条
件、加速冷却条件、その後の冷却条件を上記のように限
定した理由について詳細に説明する。まず、レール頭表
部を加速冷却する前の温度条件について説明する。ベイ
ナイト組織を安定的に得るためには、少なくともレール
頭部全体をオーステナイト化する必要があることから、
加速冷却開始温度をＡｒ1 点以上と規定した。ここで、
上記の「レール頭部」とは、図３に示す頭頂部（符号：
１）、頭部コーナー部（符号：２）を含む頭部全体の領
域を指すものである。

【００４７】通常、熱間圧延はＡｒ1 点より高い温度で
終了するため、これに引き続き加速冷却を行えばよい
が、設備構成などの理由がある場合は再加熱を行っても
良い。この場合は、レール頭部をＡｃ１点＋３０℃以上
まで加熱するのが、オーステナイト化を確実に行う上で
好ましい。なお温度の上限は特に規定しないが、あまり
高温度にすると液相が現れ、オーステナイト相が不安定
になるため、実質１４５０℃が上限となる。

【００４８】次に、加速冷却停止温度までの加速冷却速
度を１〜２０℃／sec の範囲に限定した理由について説
明する。上記成分系において１℃／sec 未満で加速冷却
すると、成分系によってはフェライト組織やパーライト
組織が生成し、ダークスポット損傷などの表面損傷が発
生する。さらに、高温度域で硬さの低いベイナイト組織
が多く生成し、強度低下により塑性変形起因のフレーキ
ング損傷等が発生する。また２０℃／sec を超えて加速
冷却すると、加速冷却後の自然冷却においてレール内部
から制御不可能な大きな復熱が発生する。このため、レ
ール頭部内部では復熱中の高温度域でベイナイト変態が
始まり、ベイナイト組織の硬さが低下し、レール頭表部
と内部の硬度差が大きくなり、内部疲労損傷が発生す
る。また、加速冷却後に引き続き制御冷却を行う場合に
は、この制御冷却中にベイナイト変態が完遂せず、マル
テンサイト組織が多く生成し、レールの耐摩耗性や靭性
が大きく低下することから、加速冷却速度範囲を１〜２
０℃／sec の範囲に限定した。

【００４９】次に、オーステナイト域温度からの加速冷
却停止温度を５００〜３００℃の範囲に限定した理由に
ついて説明する。本成分系において５００℃を超えて冷
却を停止すると、加速冷却直後の高温度域でベイナイト
変態が始まり、硬さの低いベイナイト組織が多く生成
し、強度低下により塑性変形起因のフレーキング損傷等
が発生する。また３００℃未満まで冷却すると、加速冷
却後の自然冷却において、レール内部からの復熱量が十
分でなく、復熱中にベイナイト変態が完全に終了せず、
マルテンサイト組織が多く生成し、レールの靭性が著し
く低下する。また加速冷却後に引き続き制御冷却を行う
場合には、この制御冷却中にベイナイト変態が完遂せ
ず、マルテンサイト組織が多く生成し、レールの耐摩耗
性や靭性が大きく低下することから、加速冷却停止温度
を５００〜３００℃の範囲に限定した。

【００５０】次に、加速冷却後のレール頭表部におい
て、変態発熱やレール内部から発生する復熱による温度
上昇を５０℃以下に限定した理由について説明する。本
成分系レールの頭表部をオーステナイト域温度から加速
冷却し、５００〜３００℃の温度範囲で加速冷却を停止
した場合、加速冷却速度の選び方によってはレール頭表
部において最高１５０℃の温度上昇が実験により確認さ
れている。この程度の温度上昇では、請求項１に規定し
た範囲での一定範囲の硬さを持ったベイナイト組織は安
定的に生成し、大きな問題はない。しかしながらこの温
度上昇は加速冷却速度、加速冷却停止温度に大きく影響
されるため、部位により温度上昇量にばらつきが生じ、
それに伴いベイナイト変態温度が変化して、硬さに若干
のばらつきや低下が発生しやすい。

【００５１】このため、レール頭部の硬さをより一層安
定化させ、さらに、硬さを上昇させる目的のため、加速
冷却停止後のレール頭表面の変態発熱やレール内部から
発生する復熱による温度上昇を５０℃以下と規定した。
なおこの冷却においては、温度上昇０〜５０℃の範囲で
の恒温変態的な温度変化や不規則な温度変化も含んでい
る。

【００５２】次に、加速冷却後のレール頭表部の制御冷
却速度を１〜４０℃／min の範囲に限定した理由につい
て説明する。１℃／min 未満で冷却すると、加速冷却停
止温度によっては加速冷却直後の高温度域でベイナイト
変態が始まり、硬さの低いベイナイト組織が多く生成
し、強度低下により塑性変形起因のフレーキング損傷等
が発生する。また、４０℃／min を超えて冷却すると、
加速冷却後の制御冷却中にベイナイト変態を完全に終了
せず、マルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性
や靭性が著しく低下する。このため冷却速度を１〜４０
℃／min の範囲に限定した。

【００５３】加速冷却時の冷却媒体としては、所定の冷
却速度を得るため、空気、ミスト、水・空気混合冷媒、
あるいはこれらの組合わせ、および、油、熱湯、ポリマ
ー＋水、ソルトバスへのレール頭部あるいは全体を浸漬
等を用いることが望ましい。また、加速冷却後の変態発
熱およびレール内部から発生する復熱による温度上昇を
抑える冷却、制御冷却時の冷却媒体としては空気あるい
は空気を主としたミストなどを用いことが望ましい。

【００５４】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。 レールに関する実施例 表１に、本発明レール鋼の化学成分、頭頂部硬さ及び頭
部ミクロ組織を示す。また表１には、図４に示すころが
り疲労損傷試験機による水潤滑ころがり疲労試験結果、
図５に示す転動疲労試験結果も併記した。表２に、比較
レール鋼の化学成分、頭頂部硬さおよび頭部ミクロ組織
を示す。また表２には、図４に示すころがり疲労損傷試
験機による水潤滑ころがり疲労試験結果、図５に示す転
動疲労試験結果も併記した。なお図４において、３は車
輪試験片、４はレール円盤試験片、５は車輪側モータ
ー、６はレール側モーターである。また図５において、
７は水潤滑装置、８はレール移動用スライダー、９はレ
ール、１０は車輪、１１はモーター、１２は荷重負荷装
置を示す。

【００５５】図６，図７は本発明レール鋼（符号：Ｆ、
Ｉ）の頭部断面硬度分布の一例である。また図８，図９
は比較レール鋼（符号：Ｒ、Ｓ）の頭部断面硬度分布の
一例である。図１０は、本発明レール鋼（符号：Ｆ）と
比較レール鋼（符号：Ｕ）のフラッシュバット溶接継ぎ
手部のレール頭表部長手方向硬度分布の一例である。ま
た図１１は、本発明レール鋼（符号：Ｉ）と比較レール
鋼（符号：Ｖ）のフラッシュバット溶接継ぎ手部のレー
ル頭表部長手方向硬度分布の一例である。

【００５６】レールの製造法に関する実施例 表３に、本発明レール鋼の頭部熱処理条件、頭頂部硬さ
および頭部ミクロ組織を示す。また表３には、図４に示
すころがり疲労損傷試験機による水潤滑ころがり疲労試
験結果、図５に示す転動疲労試験結果も併記した。表４
に、比較レール鋼の頭部熱処理条件、頭頂部硬さおよび
頭部ミクロ組織を示す。また表４には、図４に示すころ
がり疲労損傷試験機による水潤滑ころがり疲労試験結
果、図５に示す転動疲労試験結果も併記した。

【００５７】レールの構成は以下のとおりである。（１） レールに関する実施例 ・本発明レール鋼（１０本） 表１符号：Ａ〜Ｊ 化学成分が上記限定範囲内であり、レールの頭部コーナ
ー部および頭頂部表面を起点として少なくとも深さ２０
mmの範囲がベイナイト組織を呈し、前記範囲のベイナイ
ト組織の硬さがＨｖ３３０〜５００の範囲であり、か
つ、その硬さの差がＨｖ４０またはＨｖ５０以下である
ベイナイト組織である耐ころがり疲労損傷性、耐内部疲
労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナイト系レール
である。

【００５８】・比較レール鋼（１１本） 表２符号：Ｌ
〜Ｖ 符号Ｌ〜Ｍ：現在旅客鉄道で使用されているパーライト
組織の比較レール鋼。 符号Ｎ〜Ｓ：化学成分が上記限定範囲外である比較レー
ル鋼。 符号Ｔ ：化学成分は上記限定範囲内であるが、硬さ
が上記限定範囲外である比較レール鋼。 符号Ｕ、Ｖ：Ｖ（ｗｔ％）＋１０×Ｎｂ（ｗｔ％）の値
が上記限定範囲外である比較レール鋼である。

【００５９】（２） レールの製造法に関する実施例 ・本発明レール鋼（７本） 符号：１〜７ 化学成分、頭表部熱処理条件が上記限定範囲内であり、
レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として
少なくとも深さ２０mmの範囲がベイナイト組織を呈し、
前記範囲のベイナイト組織の硬さがＨｖ３３０〜５００
の範囲であり、かつ、その硬さの差がＨｖ４０またはＨ
ｖ５０以下であるベイナイト組織である耐ころがり疲労
損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベ
イナイト系レールである。

【００６０】・比較レール鋼（７本） 符号：８〜１４ 化学成分は上記限定範囲内であるが、頭表部熱処理条件
が上記限定範囲外である比較レール鋼である。

【００６１】ころがり疲労試験は下記条件で実施した。 ・試験機 ：ころがり疲労試験機（図４参照） ・試験片形状：円盤状試験片 （レール 外径：２００ｍｍ、レール材断面形状：６０
Ｋレールの１／４モデル） （車輪 外径：２００ｍｍ、車輪材断面形状：円弧踏
面車輪の１／４モデル） ・試験荷重 ：１．０トン（ラジアル荷重） ・雰囲気 ：乾燥＋水潤滑（６０cc/min） ・回転数 ：乾燥：１００ｒｐｍ、水潤滑：３００ｒ
ｐｍ ・繰返し回数：０〜５０００回まで乾燥状態、その後、
水潤滑により損傷発生および摩耗限界まで（損傷が発生
しない場合は２００万回で試験を中止）。

【００６２】転動疲労試験の条件は次のとおりとした。 ・試験機：転動疲労試験機（図５参照） ・試験片形状 レール：１３６ポンドレール×２ｍ 車 輪：ＡＡＲタイプ（直径９２０ｍｍ） ・ラジアル荷重：１４７０００Ｎ ・スラスト荷重： ９８００Ｎ ・潤滑 ：ドライ＋油（間欠給油） ・繰返し回数 ：損傷発生まで（損傷が発生しない場合
は１０００万回で試験を中止）。

【００６３】フラッシュバット溶接条件は次のとおりと
した。 ・溶接機 ：Ｋ−３５５（ソ連製） ・容量 ：１５０KVA ・二次電流 ：最大２００００Amp. ・クランプ力 ：最大１２５ton ・余熱時間 ：９０sec ・フラッシング時間：１５０sec ・アップセット量 ：１５mm

【００６４】

【表１】

【００６５】

【表２】

【００６６】

【表３】

【００６７】

【表４】

【００６８】

【発明の効果】表１、２に示したように、本発明レール
鋼は比較レール鋼と比べて、Ｍｎ、Ｃｒ等の合金元素の
適切な選択によりベイナイト組織とし、さらに、図６〜
図９に示したように、本発明レール鋼はＶ、Ｎｂ複合添
加およびその添加量の調整を行い、比較レール鋼と比べ
てレール頭部内部の硬さを上昇させることより、現行の
パーライト組織レール鋼で問題となっていたダークスポ
ット損傷などのころがり疲労損傷を防止し、同時に、レ
ール頭部の内部疲労損傷の発生を抑制することができ
る。

【００６９】また、Ｖ（wt％）＋１０×Ｎｂ（wt％）の
和を上記請求範囲内に制御することにより、図１０，図
１１に示したように、溶接継ぎ手熱影響部の硬度低下量
およびその領域が軽減され、レール頭表部の局部的な摩
耗を抑制することが可能となる。本発明によって、鉄道
用レールに要求される、耐ころがり疲労損傷性、耐内部
疲労損傷性、溶接継ぎ手特性を兼ね備えたレールの提供
が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】ベイナイトレール頭部断面硬度分布の一例を示
す図。

【図２】ベイナイト組織とパーライト組織のレールのフ
ラッシュバット溶接継ぎ手部の頭表部長手方向硬度分布
を示す図。

【図３】レール頭部断面表面位置の呼称およびベイナイ
ト組織の必要範囲を示す図。

【図４】ころがり疲労損傷試験機の概略図。

【図５】転動疲労試験機の概要図。

【図６】本発明レール鋼（符号：Ｆ）の頭部断面硬度分
布を示す図。

【図７】本発明レール鋼（符号：Ｉ）の頭部断面硬度分
布を示す図。

【図８】比較レール鋼（符号：Ｒ）の頭部断面硬度分布
を示す図。

【図９】比較レール鋼（符号：Ｓ）の頭部断面硬度分布
を示す図。

【図１０】本発明レール鋼（符号：Ｆ）、および比較レ
ール鋼（符号：Ｕ）のフラッシュバット溶接継ぎ手部の
レール頭表部長手方向硬度分布を示す図。

【図１１】本発明レール鋼（符号：Ｉ）、および比較レ
ール鋼（符号：Ｖ）のフラッシュバット溶接継ぎ手部の
レール頭表部長手方向硬度分布を示す図。

【符号の説明】

１：頭頂部 ２：頭部コーナー部 ３：車輪試験片 ４：レール円盤試験片 ５：モーター（車輪側） ６：モーター（レール側） ７：水潤滑装置 ８：レール移動用スライダー、 ９：レール、 １０：車輪、 １１：モーター、 １２：荷重負荷装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 301 C21D 9/04 C22C 38/38 C22C 38/58

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、 Ｃ ：０．１５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１０〜２．００％、 Ｍｎ：０．２０〜３．００％、 Ｃｒ：０．２０〜３．００％、 Ｖ ：０．０１〜０．３０％、 Ｎｂ：０．０１超〜０．０５％未満を含有し、Ｖ＋１０
   ×Ｎｂの和が０．１４以上、０．５０以下であり、残部
   がＦｅおよび不可避不純物からなるレールであって、前
   記レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点とし
   て少なくとも深さ２０mmの範囲がベイナイト組織を呈
   し、前記範囲のベイナイト組織の硬さがＨｖ３３０〜５
   ００の範囲であり、かつ、その硬さの差がＨｖ５０以下
   であるベイナイト組織であることを特徴とする耐ころが
   り疲労損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優
   れたベイナイト系レール。
2. 【請求項２】 質量％で、さらに、 Ｍｏ：０．０１〜１．００％、を含有することを特徴と
   する請求項１記載の耐ころがり疲労損傷性、耐内部疲労
   損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナイト系レール。
3. 【請求項３】 質量％で、さらに、 Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、 Ｎｉ：０．０５〜１．００％の１種または２種を含有す
   ることを特徴とする請求項１もしくは２記載の耐ころが
   り疲労損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優
   れたベイナイト系レール。
4. 【請求項４】 質量％で、さらに、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％を含有することを特徴とす
   る請求項１ないし３のいずれかに記載の耐ころがり疲労
   損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベ
   イナイト系レール。
5. 【請求項５】 質量％で、さらに、 Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、 Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％の１種または２種
   を含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれ
   かに記載の耐ころがり疲労損傷性、耐内部疲労損傷性、
   溶接継ぎ手特性に優れたベイナイト系レール。
6. 【請求項６】 質量％で、さらに、 Ｂ ：０．０００１〜０．００５０％を含有することを
   特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の耐ころ
   がり疲労損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に
   優れたベイナイト系レール。
7. 【請求項７】 質量％で、 Ｃ ：０．１５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１０〜２．００％、 Ｍｎ：０．２０〜３．００％、 Ｃｒ：０．２０〜３．００％、 Ｖ ：０．０１〜０．３０％、 Ｎｂ：０．０１超〜０．０５％未満を含有し、Ｖ＋１０
   ×Ｎｂの和が０．１４以上、０．５０以下であり、残部
   がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼片をレールの形状
   に熱間圧延し、引き続き鋼レールの頭表部を、Ａｒ１点
   以上の温度から１〜２０℃/secの冷却速度で加速冷却
   し、前記鋼レールの頭表部が５００〜３００℃に達した
   時点で加速冷却を停止し、その後、引き続き常温域まで
   自然冷却することを特徴とする耐ころがり疲労損傷性、
   耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナイト
   系レールの製造法。
8. 【請求項８】 加速冷却停止後に、変態発熱およびレー
   ル内部から発生する復熱による、レール頭表部における
   温度上昇を、加速冷却停止温度より５０℃以下に抑える
   ことを特徴とする請求項７に記載の耐ころがり疲労損傷
   性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナ
   イト系レールの製造法。
9. 【請求項９】 加速冷却停止後、引き続きレール頭表部
   を常温域まで１〜４０℃/minで制御冷却することを特徴
   とする請求項７もしくは８に記載の耐ころがり疲労損傷
   性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナ
   イト系レールの製造法。
10. 【請求項１０】 質量％で、さらに、 Ｍｏ：０．０１〜１．００％を含有することを特徴とす
    る請求項７ないし９のいずれかに記載の耐ころがり疲労
    損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れたベ
    イナイト系レールの製造法。
11. 【請求項１１】 質量％で、さらに、 Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、 Ｎｉ：０．０５〜１．００％の１種または２種を含有す
    ることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記
    載の耐ころがり疲労損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継
    ぎ手特性に優れたベイナイト系レールの製造法。
12. 【請求項１２】 質量％で、さらに、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％を含有することを特徴とす
    る請求項１ないし１１のいずれかに記載の耐ころがり疲
    労損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性に優れた
    ベイナイト系レールの製造法。
13. 【請求項１３】 質量％で、さらに、 Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、 Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％の１種または２種
    を含有することを特徴とする請求項７ないし１２のいず
    れかに記載の耐ころがり疲労損傷性、耐内部疲労損傷
    性、溶接継ぎ手特性に優れたベイナイト系レールの製造
    法。
14. 【請求項１４】 質量％で、さらに、 Ｂ ：０．０００１〜０．００５０％を含有することを
    特徴とする請求項７ないし１３のいずれかに記載の耐こ
    ろがり疲労損傷性、耐内部疲労損傷性、溶接継ぎ手特性
    に優れたベイナイト系レールの製造法。