JP4987773B2 - ロングレール - Google Patents

Description

本発明は、ロングレール及びその製造方法に関する。特に本発明は、従来と比較して疲労強度が向上したロングレール及びその製造方法に関する。

レールの中で最も損傷の起こりやすく、保守コストがかかる部分はレールの継目部である。また継目部は列車通過時に生じる騒音・振動の主要な発生源となる。旅客鉄道の高速化や貨物鉄道の高積載化が国内外で進められているため、上記問題点を有するレール継目を溶接によって連続化してロングレールする技術が一般化している。

主なレールの溶接方法の一つにテルミット溶接（例えば特許文献１参照）がある。テルミット溶接法は、アルミと酸化鉄の化学反応によって生成した溶鋼を溶接部に流し込んでレールを溶接する溶接法である。詳細には、溶接されるレールを２０〜３０ｍｍの端面間隙間を設けて対向設置し、このレール端面間の隙間を鋳型で取り囲み、テルミット反応によって生じた溶鋼をレール端面間の隙間に流し込んで溶接する。テルミット溶接法は装置が小さく機動性が高いため、軌道現地での溶接方法として多用されている。

一方、列車の通過の際にレールには曲げ荷重が加わり、レール底部には引張応力が生じる。この応力は車輪の通過ごとに発生するため、レールには高い疲労強度が必要となる。レールの溶接部は断面形状や材質の変化が生じる為、他の部分と比較して疲労強度が低下する場合が多い。レールの溶接部の疲労強度を向上させる技術としては、例えば特許文献２のようにショットピーニングを用いる方法や、ハンマーピーニング、グラインダー処理、ＴＩＧドレッシングを用いる方法がある。

前記ショットピーニングは直径数ｍｍの鋼球を材料に打ち付けて材料表層を塑性変形させて加工硬化し、残留応力を圧縮化することで疲労強度を向上することができる。しかし、その処理には鋼球を投射、回集、粉塵防止のための大掛かりな設備が必要となり、大型の溶接部には適用が制限される。加えて投射材の摩滅、損壊を補給する必要があり、そのためのランニングコストが必要となる。
また、前記ハンマーピーニングは工具の先端を材料に打撃して溶接部に塑性変形を与えて、圧縮応力を導入するとともに、塑性変形により応力集中を低減することで疲労強度が向上すると言われている。しかし、打撃時の振動が大きく、作業者への負担が大きいことに加え、細かいコントロールが難しく、処理むらが生じやすい。例えば、非特許文献１によると、処理条件によっては加工によって生じるシワ状の溝部が影響し、疲労強度の向上効果は小さいことが示されている。

また、前記グラインダー処理はビード止端部を滑らかにすることで応力集中を下げることにより、確実な疲労強度の向上効果が期待できるが、削りすぎた場合は溶接部の肉厚が不足して強度低下を招くことから、処理に熟練を要し、作業に長時間を要するという欠点がある。

また、前記ＴＩＧドレッシングは、溶接ビードの止端部をタングステン電極から発生するアークで再溶融させて、滑らかな形状に再凝固させて、応力集中を軽減することにより疲労強度を向上するものである。しかし、レールなどの難溶接材料では高い熟練技能と、厳格な施工管理が必要となる。

特開昭４８−９５３３７号公報 特開平３−２４９１２７号公報 三木、穴見、谷、杉本、「溶接止端部改良による疲労強度向上」、溶接学会論文集、Vol.17,No.1,P111-119(1999)

ロングレールの耐久性を向上させる為には、溶接部の疲労強度をさらに向上させることが必要である。また、上述した溶接部の疲労強度を向上させる従来技術であるショットピーニング、ハンマーピーニング、グラインダー処理、ＴＩＧドレッシングに比べてより効果的に疲労強度の向上を実現することが要求される。

本発明は上記のような従来技術の課題を考慮してなされたものであり、その目的は、従来と比較して疲労強度が向上したロングレール及びその製造方法を提供することにある。

レールの溶接部に対して疲労試験を行うと、溶接部に形成されたビードの止端部に疲労亀裂が発生し、この疲労亀裂を起点として破断が生じる。本発明は、ビードの止端部に疲労亀裂が生じにくくすることにより、レールの溶接部の疲労強度を向上させるものである。

すなわち本発明の要旨は以下の通りである。
（１）２本のレールをテルミット溶接することにより製造されたロングレールであって、溶接部のビードの止端部に形成された鋳バリが、レール足裏部において１ｍｍ以下であり、レール足表部に位置する前記ビードの止端部において鋳バリが除去されており、前記ビードの止端部のうち少なくとも前記レール足表部に位置する領域において、表面から５０μｍ以内の組織がパーライトを有しており、前記表面に対して垂直な断面において該パーライトの６０％以上のラメラーが前記表面に対して±４５°以下の角度を成していることを特徴とするロングレール。

（２）前記ビードの止端部のうち前記レール足表部に位置する領域の前記断面において、表面から５０μｍ以内に位置するパーライトの４０％以上のラメラーが前記表面に対して±１５°以下の角度を成していることを特徴とする上記（１）に記載のロングレール。
（３）前記ビードの止端部のうち少なくとも前記レール足表部に位置する領域において、表面から５０μｍ以内のパーライトの１０％以上は、ラメラー間隔が７０ｎｍ以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のロングレール。
（４）前記ビードの止端部のうち前記レール足表部に位置する領域の前記断面において、表面から５０μｍ以内のパーライトの５％以上は、ラメラー間隔が５０ｎｍ以下であることを特徴とする上記（３）に記載のロングレール。
（５）前記ビードの止端部のうち前記レール足表部に位置する領域は、前記ロングレールの長手方向の断面における断面の曲率半径が１．５ｍｍ以上であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のロングレール。
（６）前記ビードの止端部の表面のうち前記レール足表部に位置する領域は、前記ロングレールの長手方向の残留応力が中立又は圧縮であることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のロングレール。
（７）前記ビードの止端部のうち前記レール足表部に位置する領域は、超音波ピーニング処理されていることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載のロングレール。
（８）荷重繰り返し回数２００万回での疲労限界が２８０ＭＰａ以上であることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載のロングレール。

本発明によれば、ビードの止端部に疲労亀裂が生じにくくすることにより、レールの溶接部の疲労強度を向上させることができる。

まず図１を用いてロングレールの形状について説明する。図１はロングレールの長手方向の側面図である。ロングレールは、少なくとも２本のレールを溶接することにより製造される。このためロングレールには溶接部１１が含まれる。溶接部１１にはビード１０が形成されている。

図２は溶接前のレールの断面をテルミット溶接法で用いられる鋳型とともに示した図であり、図１のＡ−Ａ´断面に相当する。レールは、車輪との接触が生じるレール上部である頭部１、枕木に接地するレール下部である足部３、頭部１と足部３の中間の垂直部分である柱部２を有する。以下、足部３の裏側をレール足裏３ａとし、表側をレール足表３ｂとする。レール足裏３ａの範囲はレール底面の直線部、レール足表３ｂは足部３の表面側の直線部及び足部３と柱部２の間の曲線部を含むこととする。

列車が通過する際、レールには車輪の通過ごとに曲げ荷重が作用し、レールには引張応力が生じる。レールの残留応力が圧縮応力になっている場合、曲げ荷重によって生じる応力は残留応力によって相殺され、実効応力は小さくなる。逆にレールの残留応力が引張応力になっている場合、実効応力は、曲げ荷重によって生じる応力と残留応力の相乗効果によって大きくなる。

本図に示すテルミット溶接用の鋳型は左右２分割の鋳型４ａ、４ｂから構成される２分割形式である。２分割形式の鋳型４ａ、４ｂはレール及び鋳型の製造寸法変動に対応するために、鋳型のレールにはめ込む空間をレールの標準断面より幾分（１〜２ｍｍ）大きめに製作される。このため鋳型をレールにセットした際に、レールと鋳型の間に隙間が生じる。溶接の際にこの隙間に溶鋼が差し込むと鋳バリが生成する。この鋳バリは応力集中を生じさせ、レールの疲労特性を低下させる。

図３（Ａ）は図１のＡ−Ａ´断面図すなわちレールの溶接部１１の断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ´断面図である。上記したように、ロングレールの溶接部１１にはビード１０が形成されており、車輪の通過によって生じる応力はビード１０の止端部１０ａ、すなわちビード１０とレール本体の境界部分に集中する。このため、ロングレールの疲労破壊は、足部３のビード１０の止端部１０ａを起点にする場合がほとんどである。また、溶接部１１のうちレール足表３ｂは、部位ごとの熱履歴の差に起因して、残留応力が引張応力になっているため、レール足表３ｂに位置するビード１０の止端部１０ａの表面は、破壊起点になりやすい。特にテルミット溶接法を用いてレールを溶接した場合、上記したように、レールと鋳型の間に隙間が生じるため、溶接の際にこの隙間に溶鋼が差し込んで鋳バリが生成する。この鋳バリはさらに応力集中を生じさせ、レールの疲労特性を低下させる。鋳バリによる応力集中を少なくする為には、図４に示すように、鋳バリの厚さを１ｍｍ以下にする

以上のことから、テルミット溶接法を用いて製造されたロングレールの溶接部１１の疲労強度を向上させる為には、足部３のビード１０の止端部１０ａの表面の疲労強度を増加させて亀裂を入りにくくすること、足部３の止端部１０ａへの応力集中を緩和すること、足部３の止端部１０ａの表面の残留応力を中立又は圧縮方向にすること、及び足部３の鋳バリをなくすことの４点が効果的である。

パーライト組織のラメラー構造はセメンタイトラメラーとフェライトラメラーの層状構造となっている。ラメラー間隔は試料を鏡面研磨した後、１〜１０％硝酸アルコール溶液（ナイタール）などでラメラー構造を現出させることで観察することができる。本発明においてラメラー間隔は、図１２に示すように、継手の長手方向を含みビード方向に直角な断面内において測定する。ラメラー間隔Ｌは図１３のＡ部断面の拡大図に示すように、セメンタイトラメラー５０もしくはフェライトラメラー５２の中心間隔である。ラメラーの向きと表面４０の角度θは、図１３に示すように、測定部位におけるラメラー方位と、測定部位に最も近い表面に平行な線との角度として測定する。

ビード１０の止端部１０ａの表面の疲労強度を増加させる為には、これらの部分の表面から５０μｍ以内の組織が含んでいるパーライトの６０％以上のラメラ−を、止端部１０ａの表面に対して垂直な断面（例えばレールの長手方向の断面）において表面に対して±４５°以下の角度にすることが有効である。これは、一般的なパーライトのラメラーの配向方向がランダムであるのに対して、パーライトの半分以上のラメラーの配向方向が、応力が加わる方向に対して直角に近くなり、組織の強度に異方性を持たせることができるためである。なお、ビード１０の止端部１０ａの表面から５０μｍ以内の組織は、ほとんどがパーライトであるが、初析フェライトや残留している場合や、溶接金属が止端部１０ａにかぶっている場合はフェライトまたはベイナイトが含まれる場合もある。

この場合、上記した断面において止端部１０ａの表面から５０μｍ以内に位置するパーライトの４０％以上のラメラーを表面に対して±１５°以下の角度にすると、特に疲労強度が向上する。
また、上記した断面において止端部１０ａの表面から５０μｍ以内のパーライトの１０％以上のラメラー間隔（隣り合う２つのフェライト相の中心間隔）が７０ｎｍ以下である場合も硬度が上昇する（例えばＨｖ５０以上）為、特に疲労強度が向上する。この場合、止端部１０ａの表面から５０μｍ以内に位置するパーライトの５％以上のラメラー間隔が５０ｎｍ以下である場合、さらに疲労強度が向上する。

止端部１０ａへの応力集中を緩和するためには、止端部１０ａの断面の曲率半径を１．５ｍｍ以上にして止端部１０ａの表面形状を滑らかにすることが有効である。

止端部１０ａの表面を上記した組織にし、止端部１０ａの断面の曲率半径を上記した値にし、かつ、止端部１０ａの残留応力を中立又は圧縮方向にする方法としては、止端部１０ａに超音波ピーニング処理（ＵＩＴ：Ultrasonic Impact Treatment）を行う方法がある。これにより、荷重繰り返し回数２００万回での溶接部の疲労限界を、非処理材と比較して３０ＭＰａ以上増加させ、２８０ＭＰａ以上にすることができる。なお、鋳バリ１０ｂがある場合、止端部１０ａに超音波ピーニング処理を行う前に、鋳バリ１０ｂを除去するのが好ましい。

また、止端部１０ａの鋳バリ１０ｂをなくす方法としては、例えばテルミット溶接に用いられる２分割式の鋳型の内面をレール足裏３ａに密着させてレール足裏３ａに形成される鋳バリ１０ｂを１ｍｍ以下にして、かつレール足表３ｂの止端部１０ａに形成される鋳バリ１０ｂを除去することが有効である。レール足表３ｂの鋳バリ１０ｂを除去する方法としては、図５に示すように、止端部１０ａに超音波ピーニング処理を行う方法がある。超音波ピーニング処理を行うことにより鋳バリ１０ｂがレールから浮き上がり、その後ビード１０から切り離される。またこの場合、鋳バリ１０ｂの除去と同一工程で止端部１０ａに超音波ピーニング処理を行うことができる。

鋳型をレール足裏３ａに密着させる理由は、湯漏れに対する配慮によるものである。すなわち溶鋼が鋳型の外面で留まらずに、さらに鋳型外まで漏れると溶接失敗につながる。鋳型とレールの隙間をレール足表３ｂに多くなるように鋳型をセットしておけば、仮に溶鋼が漏れだしても発見しやすく、またレール足表３ｂがレール足裏３ａより位置が高いため静水圧が幾分低くなり、湯漏れ時の勢いが小さく、漏れ止めの対処を行いやすいという利点がある。

超音波ピーニング処理を行う領域は、柱部２及び足部３に位置する止端部１０ａの全域であってもよいが、一部であっても良い。後者の場合、少なくとも足部３に位置する止端部１０ａの全域を含む必要がある。

超音波ピーニング処理は、打撃用部材（例えばピン形状）を振幅１０μｍ〜１００μｍ、周波数１５ｋＨｚ以上（好ましくは２０ｋＨｚ）で振動させ、この打撃用部材の先端で被処理部の表面を打撃する処理である。超音波ピーニング処理は、一回一回の打撃エネルギーはハンマーピーニングより小さくショットピーニングより大きい。また、超音波ピーニング処理は非常に多くの回数の打撃を表面に与える。このため、超音波ピーニング処理を行うことにより、ハンマーピーニング及びショットピーニングにはない効果を得ることができる。

なお、超音波ピーニング処理の周波数が２０ｋＨｚ未満の場合（特に１５ｋＨｚ未満の場合）、振動周波数が可聴音域になる為、作業者や環境への影響が生じる。超音波ピーニング処理の周波数は高くなるほど加工エネルギーが大きくなるため好ましいが、超音波ピーニング処理の工具の製造費用を考えると、６０ｋＨｚが上限になる。

超音波ピーニングを行う温度について以下に説明する。鋼材温度が５００℃以上では鋼材の降伏点が極端に低く、超音波ピーニング処理によって著しく深い凹みが生じ、溶接部の応力集中が大きくなる。また、高温では回復現象が起こるため、加工による残留応力の圧縮化効果は得られない。温度の低下とともに鋼材の降伏点は回復し、３００℃以下では室温の状態の８０％〜９０％、１００℃では室温の状態の９０％以上となり、回復現象も起きにくくなる。したがって必要以上に深い凹みの発生を避け、残留応力の圧縮化効果を得るためには材料温度は３００℃以下、さらに望ましくは１００℃以下で処理を行うことが望ましい。

一方、鋼材温度がさらに低下するに従って、鋼材の靭性、延性は低下していく。このため、周囲温度が−２０℃を下回ると、超音波ピーニング処理部に加工による亀裂発生の懸念があるため、−２０℃以上の温度で処理を行うことが望ましい。

また、超音波ピーニング処理の振幅が１０μｍ未満の場合、加工エネルギーが小さくなり処理時間が長くなる為、好ましくない。また振幅が１００μｍ超の場合、超音波ピーニング処理の工具が大型化し、また処理効率の向上も多くない為、好ましくない。

超音波ピーニング処理により上記した効果を得るためには、打撃用部材を、５ｍｍ／秒以上２０ｍｍ／秒以下の速度で止端部１０ａに沿って少なくとも３パス以上移動させるのが好ましい。２パス以下の場合、処理が不十分な部分（例えばビード１０とレール本体の境界線が残存する領域）が残ってしまい、この不十分な部分を起点として疲労亀裂が生じる可能性がある。なお、超音波ピーニング処理のパス回数が６回までは、回数を増やすごとに疲労強度が増加するが、７回以上にしても疲労強度はほとんど増加しない。このため、超音波ピーニング処理のパス回数は６回以下であるのが好ましい。

また打撃用部材の直径は２ｍｍ以上５ｍｍ以下であるのが好ましい。打撃用部材の直径が２ｍｍ未満である場合は１パスにおける加工面積が小さくなり、止端部１０ａの断面の曲率半径を１．５ｍｍ以上にすることが難しくなる。一方、打撃用部材の直径が５ｍｍ超の場合は、加工エネルギーが分散されて処理効率が低下してしまう為、好ましくない。

また打撃用部材の先端の曲率半径は１ｍｍ以上４ｍｍ以下であるのが好ましい。曲率半径が１ｍｍ未満の場合は、止端部１０ａの断面の曲率半径を１．５ｍｍ以上にすることが難しくなる。また、打撃用部材の先端の曲率半径が４ｍｍ超の場合、止端部１０ａの表面を滑らかにするために必要な処理面積が広がってしまい、処理効率が低下してしまう為、好ましくない。

疲労強度の評価試験は３点曲げ方式で行った。１ｍの距離でセットした台座の中心に１．５ｍに切断したレール溶接部を正立させた姿勢で置き、その中心部にレール頭部から押し治具で荷重を与えた。台座および押し治具のレールに接する部位の曲率半径は１００ｍｍＲとした。付与する荷重はレール足裏に歪ゲージを接着し、その指示値が設定応力となるように調整した。試験応力は最低応力を３ｋｇｆ／ｍｍ^２とし、試験する応力範囲に応じて最大応力を設定した。
荷重繰返し速度は５Ｈｚとし、溶接部が破断した時点で試験を終了した。また、荷重繰返し回数が２００万回まで非破断であった場合は、そこで試験を終了した。

（実施例１）
２分割式鋳型によるテルミット溶接法を用いて複数のロングレールを製造した。そして、このとき、鋳型の内面をレール足裏部に密着させ、レール足裏部に形成された鋳バリを１ｍｍ以下にした。そして、レール足表部に位置するビードの止端部の鋳バリを超音波ピーニング法により除去し、さらにビードの止端部に超音波ピーニング処理を行うことにより、複数の試料を作製した。複数の試料相互間は、超音波ピーニング処理の処理回数が異なっているが、他の作製条件は同じである。また、比較例として溶接まますなわち超音波ピーニング処理を行わないロングレールを作製した。

図６（Ａ）は、超音波ピーニング処理のパス回数が３回の試料における、ビード止端部の組織を示す断面ＳＥＭ写真であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のビード止端部の表面部分を拡大した断面ＳＥＭ写真である。この断面は、ビード止端部の表面に対して垂直な断面であり、レールの長手方向の断面である。本図から明らかなように、超音波ピーニング処理を所定量以上行うことにより、ビード止端部の表面部分の組織がパーライトとなり、該パーライトの多くのラメラーが表面に対して±４５°以下の角度になった。

また、超音波ピーニング処理のパス回数が５回である試料１、及びパス回数が３回である試料２それぞれで、ビード止端部の表面から深さ５０μｍの範囲内において、ラメラー配向角度が±４５°以下及び±１５°以下の角度となっている領域それぞれの厚みを用いて測定し（表１）、かつラメラー間隔が１００ｎｍ以下、７０ｎｍ以下、及び５０ｎｍ以下となっている領域それぞれの厚みを測定した（表２）。これらの測定には断面ＳＥＭ写真を用いた。なお、各表は、それぞれの領域の厚みが深さ５０μｍの範囲内でどの程度の割合を占めるかを示す数値も含んでいる。

試料１において、ラメラー配向角度が±４５°以下及び±１５°以下の角度となっている領域の厚みは、それぞれ４０μｍ及び３０μｍであり、試料２において、ラメラー配向角度が±４５°以下及び±１５°以下の角度となっている領域の厚みは、それぞれ３３μｍであった。

また、試料１において、ラメラー間隔が１００ｎｍ以下、７０ｎｍ以下、及び５０ｎｍ以下となっている領域の厚みは、それぞれ９μｍ、８μｍ、及び５μｍであり、試料２において、ラメラー間隔が１００ｎｍ以下、７０ｎｍ以下、及び５０ｎｍ以下となっている領域の厚みは、それぞれ２５μｍ、２０μｍ、及び１８μｍであった。

また、試料１の硬度、残留応力、加工深さ、及び疲労強度は、Ｈｖ４１０、１８０〜２００ＭＰａ、１００〜２００μｍ、及び３００ＭＰａであり、試料２の硬度、残留応力、加工深さ、及び疲労強度は、Ｈｖ５２０、１８０〜２００ＭＰａ、１００〜２００μｍ、及び３００ＭＰａであった。

図７は、ビード止端部の表面から深さ５０μｍの範囲に位置するパーライトにおいて、ラメラー配向角度が±４５°以下の角度となっている組織の比率及び±１５°以下の角度となっている組織の比率と、超音波ピーニング処理のパス回数との関係を示すグラフである。上記した組織の比率は、断面ＳＥＭ写真を目視で観察することにより算出した。

超音波ピーニング処理のパス回数が２回以下の場合は、ラメラー配向角度が±４５°以下の角度となっている組織の比率は６０％未満であり、またラメラー配向角度が±１５°以下の角度となっている組織の比率は４０％未満であった。これに対し、パス回数が３回以上になった場合、ラメラー配向角度が±４５°以下の角度となっている組織の比率は７０％以下になった。特にラメラー配向角度が±１５°以下の角度となっている組織の比率は６５％前後と、急激に上昇した。

これらのことから、超音波ピーニング処理を一定以上行うことにより、ビード止端部の表面から深さ５０μｍの範囲に位置するパーライトにおいて、パーライトの６０％以上のラメラーを表面に対して±４５°以下の角度にし、かつ４０％以上のラメラーを表面に対して±１５°以下の角度にできることが示された。

図８は、ビード止端部の表面から深さ５０μｍの範囲に位置するパーライトにおいて、ラメラー間隔が１００ｎｍ以下、７０ｎｍ以下、及び５０ｎｍ以下となっている領域の比率と、超音波ピーニング処理のパス回数との関係を示すグラフである。上記した組織の比率は、断面ＳＥＭ写真を目視で観察することにより算出した。

超音波ピーニング処理のパス回数が２回以下の場合、ラメラー間隔が１００ｎｍ以下、７０ｎｍ以下、及び５０ｎｍ以下となっている領域の比率は、それぞれ２０％未満、８％未満、及び５％未満であった。これに対し、パス回数が３回以上になった場合、ラメラー間隔が１００ｎｍ以下、７０ｎｍ以下、及び５０ｎｍ以下となっている領域の比率は、それぞれ４５％超、３５％超、及び２５％超であった。

これらのことから、超音波ピーニング処理を一定以上行うことにより、ビード止端部の表面から深さ５０μｍの範囲に位置するパーライトの１０％以上を、ラメラー間隔が７０ｎｍ以下にし、かつ５％以上をラメラー間隔が５０ｎｍ以下にできることが示された。

図９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、ビード止端部の表面下５０μｍのビッカース硬度Ｈｖ（図９（Ａ））、ビード止端部の表面のレール長手方向の残留応力（図９（Ｂ））、及びビード止端部の加工深さ（図９（Ｃ））それぞれが超音波ピーニング処理のパス回数によってどのように変化するかを示すグラフである。ビッカース硬度Ｈｖ測定時の押下力は１００Ｎであり、残留応力は歪ゲージを用いた切り出し法により測定した。また加工深さは、超音波ピーニング処理によって形成された凹みの深さであり、加工深さが深いとビード止端部の曲率半径が大きくなり、かつ滑らかになる。

超音波ピーニング処理のパス回数が６回以下の場合は、パス回数が増加するにつれてビッカース硬度Ｈｖが増加し、残留応力が引張方向から圧縮方向に変化し、かつ加工深さが大きくなっていた。そしてビード止端部の曲率半径は１．５ｍｍ以上になった。しかしパス回数が７回以上になっても６回の場合と比較してビッカース硬度、残留応力、及び加工深さのいずれも変化がほとんど無かった。

図１０は、ロングレールの溶接部の疲労試験結果を示すグラフであり、縦軸に応力振幅を、横軸に破断回数を示している。超音波ピーニング処理のパス回数が６回以下の場合は、いずれの応力振幅においても破断回数は増加しているが、パス回数が７回を超えても破断回数の増加はほとんどなかった。具体的には、比較例すなわち超音波ピーニング処理を行わない試料における溶接部の２００万回疲労強度は２３０ＭＰａであったのに対して、超音波ピーニング処理のパス回数が１回、３回、６回、及び１２回それぞれの試料における溶接部の２００万回疲労強度は、それぞれ２４０ＭＰａ、２７０ＭＰａ、３００ＭＰａ、及び３０５ＭＰａであった。

以上をまとめると、テルミット溶接法を用いて製造されたロングレールにおいて、鋳型の内面をレール足裏部に密着させ、レール足裏部に形成された鋳バリを１ｍｍ以下にし、レール足表部に位置するビードの止端部の鋳バリを超音波ピーニング法により除去した。さらにレール足表部に位置するビードの止端部に所定量以上の超音波ピーニング処理を行うことにより、表面から５０μｍ以内の組織がパーライトを含み、該パーライトの６０％以上のラメラーを表面に対して±４５°以下の角度を成すようにし、ラメラー間隔が７０ｎｍ以下の組織の割合は１０％以上にして、レール足表部に位置するビード止端部の断面の曲率半径が１．５ｍｍ以上にして、かつレール足表部に位置するビード止端部のレール長手方向の圧縮応力を中立又は圧縮方向にした。

その結果、ロングレールの溶接部の疲労強度が向上した。また、超音波ピーニング処理のパス回数が３回を超えると比較例すなわち非処理材と比較して２００万回疲労強度が３０ＭＰａ以上増加し、６回を超えると非処理材と比較して２００万回疲労強度が６０ＭＰａ以上増加した。

表３は、テルミット溶接法を用いて製造されたロングレールに本発明を適用した場合（発明例Ａ１〜Ａ２４）と適用しなかった場合（比較例Ａ１〜Ａ９）の２００万回疲労限界（ＭＰａ）を示している。発明例Ａ１〜Ａ２４は、いずれも２００万回疲労限界が２４０ＭＰａ以上であった。以下、詳細に説明するが、この説明において、組織、ラメラ−比率、及びパーライト比率は、ビード止端部の表面から５０μｍ以内の組織を見た結果である。また発明例Ａ１〜Ａ２４、及び比較例Ａ２〜Ａ９は、いずれもビード止端部の足表部の鋳バリを除去している。

詳細には、発明例Ａ１〜Ａ３は、表面とパーライトラメラーの角度が±４５°以下の組織が６０％以上であるため、２００万回疲労限界が２４０ＭＰａとなった。
また発明例Ａ４〜Ａ６は、表面とパーライトラメラーの角度が±４５°以下の組織が６０％以上であり、かつ表面とパーライトラメラーの角度が±１５°以下の組織が４０％以上であるため、２００万回疲労限界が２４０ＭＰａとなった。

また、発明例Ａ７〜Ａ９は、表面とパーライトラメラーの角度が±４５°以下の組織が６０％以上であり、かつラメラー間隔が７０ｎｍ以下のパーライトが１０％以上であるため、２００万回疲労限界が２５０ＭＰａとなった。
また、発明例Ａ１０〜Ａ１２は、表面とパーライトラメラーの角度が±４５°以下の組織が６０％以上であり、かつラメラー間隔が５０ｎｍ以下のパーライトが５％以上であるため、２００万回疲労限界が２６０ＭＰａとなった。

また、発明例Ａ１３〜Ａ１５は、表面とパーライトラメラーの角度が±４５°以下の組織が６０％以上であり、かつビード止端部の曲率半径が１．５ｍｍ以上であるため、２００万回疲労限界が２６０ＭＰａ以上となった。

また、発明例Ａ１６〜Ａ１８は、表面とパーライトラメラーの角度が±４５°以下の組織が６０％以上であり、かつビード止端部の残留応力が中立又は圧縮方向であるため、２００万回疲労限界が２７０ＭＰａ以上となった。

また、発明例Ａ１９〜Ａ２１は、表面とパーライトラメラーの角度が±４５°以下の組織が６０％以上であり、かつビード止端部に超音波ピーニング処理を行ったため、２００万回疲労限界が２６０ＭＰａ以上となった。

また、本発明例Ａ２２〜Ａ２４に示すように、２００万回疲労限界が２８０ＭＰａ以上となる例もあった。

これに対し、比較例Ａ１はビート止端部の足表部の鋳バリを除去せず、かつ足裏部の鋳バリが１．５ｍｍである為、超音波ピーニング処理を行ったにもかかわらず、２００万回疲労限界が１９０ＭＰａであった。また、比較例Ａ２〜Ａ７は、表面とパーライトラメラーの角度が±４５°以下の組織が５０％以下であるため、超音波ピーニング処理を行ったにもかかわらず、２００万回疲労限界が２２５ＭＰａ以下であった。また比較例８，９はピーニング処理の周波数（振動数）が超音波領域未満であり、かつ打撃用部材の先端径が小さかった為、２００万回疲労限界が２２０ＭＰａとなった。

このことから、テルミット溶接法を用いて製造されたロングレールにおいて、レール足裏部に形成された鋳バリを１ｍｍ以下にし、レール足表部に位置するビードの止端部の鋳バリを除去し、かつビード止端部の表面から５０μｍ以内の組織がパーライトを含み、該パーライトの６０％以上のラメラーが表面に対して±４５°以下の角度を成すようになると、溶接部の疲労強度が向上することが示された。さらに、ラメラー間隔が７０ｎｍ以下の組織の割合が１０％以上になると、溶接部の疲労強度がさらに向上することが示された。さらに、ラメラー間隔が５０ｎｍ以下の組織の割合が５％以上になると、溶接部の疲労強度がさらに向上することが示された。さらに、レール長手方向の応力が中立又は圧縮方向になると、溶接部の疲労強度がさらに向上することが示された。またビード止端部の曲率半径が１．５ｍｍ以上になると、溶接部の疲労強度がさらに向上することが示された。

表４は、テルミット溶接法を用いて製造されたロングレールのビード止端部に超音波ピーニング処理を行った場合において、超音波ピーニング処理を行う打撃用部材の移動速度と２００万回疲労限界の値の関係を示す表である。なお、２００万回疲労限界の値は、鋳バリを除去せず、かつ超音波ピーニング処理を行わなかった比較例１の２００万回疲労限界の値（２３０ＭＰａ）との差で示している。

発明例Ｂ１，Ｂ３は打撃用部材の移動速度がそれぞれ３ｍｍ／秒、２５ｍｍ／秒であるが、鋳型をレール足裏部に密着させ、ビード止端部に超音波ピーニング処理を行い、レール足表部の鋳バリを除去したため、比較例１に対して２００万回疲労限界が２５ＭＰａ、３０ＭＰａ向上した。また、発明例Ｂ２，Ｂ４は、さらに打撃用部材の移動速度が５ｍｍ／秒以上２０ｍｍ／秒以下であるため、非処理材と比較して２００万回疲労限界が４０ＭＰａ以上向上した。

これに対し、比較例Ｂ２〜Ｂ４は、ビード止端部に超音波ピーニング処理を行わず、レール足表部の鋳バリを除去せず、かつ打撃用部材の移動速度が５ｍｍ／秒未満又は２０ｍｍ／秒超であるため、非処理材と比較して２００万回疲労限界が最大で１０ＭＰａしか向上しなかった。

（実施例２）
２分割式鋳型によるテルミット溶接法を用いて複数のロングレールを製造した。このとき、鋳型の内面をレール足裏部に密着させ、レール足裏部に形成された鋳バリを１ｍｍ以下にした。そして、レール足表部に位置するビードの止端部の鋳バリを超音波ピーニング法により除去した試料７（図１１（Ａ）では「足表ＵＩＴ（非付け根）」と記載）と、レール足表部に位置するビードの止端部の鋳バリを超音波ピーニング法により除去し、さらにビード止端部に追加の超音波ピーニング処理を３パス行った試料８（図１１（Ａ）では「足表ＵＩＴ処理」と記載）とを作製した。なお、試料７のビード止端部は、鋳バリを除去する際にある程度の超音波ピーニング処理が行われている。

また、比較例として溶接まますなわち超音波ピーニング処理を行わない試料９（図１１（Ａ）では「溶接まま」と記載）を作製した。また比較例として、ビードの止端部の鋳バリを超音波ピーニング法により除去せずに、レール足表部及び足裏部のビードの止端部に超音波ピーニング処理を行った試料１０（図１１（Ａ）では「両面ＵＩＴ処理」と記載）を作製した。

試料７〜１０の溶接部の疲労試験結果を、図１１（Ａ）のグラフに示す。このグラフにおいて、縦軸は応力振幅を、横軸は破断回数を示している。

さらに比較例として、２分割式鋳型によるテルミット溶接法において鋳型の内面をレール足表部に密着させ、レール足表部に形成された鋳バリを１ｍｍ以下にした試料１１（図１１（Ｂ）では「溶接まま」と記載）を作製した。さらに比較例として、鋳型の内面をレール足表部に密着させ、レール足表部に形成された鋳バリを１ｍｍ以下にし、さらにレール足表部のビード止端部に超音波ピーニング処理を３パス行った試料１２（図１１（Ｂ）では「足表ＵＩＴ処理」と記載）とを作製した。

試料１１，１２の溶接部の疲労試験結果を、図１１（Ｂ）のグラフに示す。このグラフにおいて、縦軸は応力振幅を、横軸は破断回数を示している。

図１１（Ａ）及び（Ｂ）のグラフに示すように、試料７，８の疲労強度は、試料９，１１，１２と比較して高かった。具体的には、試料７，８，９，１０，１１，１２の溶接部の２００万回疲労強度は、それぞれの３００ＭＰａ、３１０ＭＰａ、２３０ＭＰａ、及び２９０ＭＰａ、２６０ＭＰａ、及び２７０ＭＰａであった。なお、試料１０の疲労強度は試料７，８と比較してわずかに小さい程度であった。ただし、レールの敷設を行っている現場でレール足裏に超音波ピーニング処理を行うことは難しいため、あまり実用的ではない。

（実施例５）
表５は様々な疲労強度改善方策をレールのテルミット溶接部に適用した場合の疲労試験の結果と処理時間を示したものである。

比較例Ｃ１はショットピーニングの適用例である。ショット材には直径１ｍｍφ、硬度Ｈｖ５００の鋼球を用いた。処理範囲は、長手方向には溶接部の両側を各１００ｍｍ、全幅で２００ｍｍとし、ショット材をレール足表部３ｂ、柱部２に投射した。処理時間は、レール片側ずつを各１０分間ずつとした。ショット材の噴射量は約０．５ｋｇ／秒、ショット材の鋼材への衝突速度は５ｍ／秒とした。この結果、疲労強度は非処理材に比べて約４０ＭＰａ向上した。しかしレール現地溶接には大掛かりなショットピーニング装置を搬入することは難しく、その工業化は難しいと思われる。

比較例Ｃ２、Ｃ３はハンマーピーニングを適用した例である。ハンマーピーニングの動力として圧縮空気を用い、打撃頻度は毎秒４０回とした。工具の移動速度は２０ｍｍ/秒とした。
比較例Ｃ２は、鋼材表面に打撃される工具の先端曲率が１５ｍｍφの工具を用い、ビード１０の止端部を集中的にハンマーピーニングした例である。加工は同じ位置を１０パス繰り返した。加工部の凹みは深い部分ではレール母材表面から１．５ｍｍ程度あり、疲労強度は非処理材に比較してむしろ低下した。

比較例Ｃ３はビード１０の止端部から長さ方向に１０ｍｍの範囲で足表、足裏にハンマーピーニングした例である。工具先端の曲率半径を４ｍｍφの工具を使い、凹みが大きくならないように、エア圧力を下げて（５ｂａｒ）丹念に処理した。疲労強度は約２０ＭＰａ向上したが、処理時間は約４０分間を要した。

比較例Ｃ４はビード１０の止端部をグラインディングによって滑らかにした例である。工具は小型のペンシル型のグラインダーを用いた。疲労強度は向上したが、処理時間は２０分を要した。
比較例Ｃ５は、ビード１０の止端部をＴＩＧ溶接機により幅約５ｍｍの範囲で再溶融させて、滑らかな形状に再凝固させた例である。疲労強度は非処理材にくらべて向上したが、処理部の割れ防止のために４００℃に予熱するために２０分を要した。

発明例Ｃ１はビード止端部に超音波ピーニングを適用した例で、処理条件は発明例Ａ２３と同様の条件を適用したものであるが、上記比較例に比べて良好な性能が短時間の処理で得られた。
このことから、超音波ピーニングは、他の疲労強度改善方法より効率的で効果的に疲労強度の向上が得られることが示された。

ロングレールの長手方向の側面図。 溶接前のレールの断面をテルミット溶接法で用いられる鋳型とともに示した図。 （Ａ）は図１のＡ−Ａ´断面図すなわちレールの溶接部１１の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ´断面図。 レール足表の鋳バリの厚さと疲労強度の関係を示す図。 超音波ピーニング処理により鋳バリを除去する方法を説明する図。 （Ａ）は超音波ピーニング処理のパス回数が３回の試料における、ビード止端部の組織を示す断面ＳＥＭ写真、（Ｂ）は（Ａ）のビード止端部の表面部分を拡大した断面ＳＥＭ写真。 ラメラー配向角度が±４５°以下の角度となっている組織の比率及び±１５°以下の角度となっている組織の比率と、超音波ピーニング処理のパス回数との関係を示すグラフ。 ビード止端部の表面から深さ５０μｍの範囲に位置するパーライトにおいて、ラメラー間隔が１００ｎｍ以下、７０ｎｍ以下、及び５０ｎｍ以下となっている領域の比率と、超音波ピーニング処理のパス回数との関係を示すグラフ。 ビード止端部の表面下５０μｍのビッカース硬度Ｈｖ（（Ａ））、ビード止端部の表面のレール長手方向の残留応力（（Ｂ））、及びビード止端部の加工深さ（（Ｃ））それぞれが超音波ピーニング処理のパス回数によってどのように変化するかを示すグラフ。 実施例１におけるロングレールの溶接部の疲労試験結果を示すグラフ。 （Ａ）、（Ｂ）は実施例２における試料の疲労試験結果を示すグラフ。 ラメラー間隔及びラメラーの角度の測定方法を説明するための図。 図１２のＡ部の拡大図。

符号の説明

１…レールの頭部、２…レールの柱部、３…レールの足部、３ａ…レール足裏、３ｂ…レール足表、１０…ビード、１０ａ…止端部、１０ｂ…鋳バリ、１１…溶接部

Claims (8)

1. ２本のレールをテルミット溶接することにより製造されたロングレールであって、溶接部のビードの止端部に形成された鋳バリが、レール足裏部において１ｍｍ以下であり、レール足表部に位置する前記ビードの止端部において鋳バリが除去されており、前記ビードの止端部のうち少なくとも前記レール足表部に位置する領域において、表面から５０μｍ以内の組織がパーライトを有しており、前記表面に対して垂直な断面において該パーライトの６０％以上のラメラーが前記表面に対して±４５°以下の角度を成していることを特徴とするロングレール。
2. 前記ビードの止端部のうち前記レール足表部に位置する領域の前記断面において、表面から５０μｍ以内に位置するパーライトの４０％以上のラメラーが前記表面に対して±１５°以下の角度を成していることを特徴とする請求項１に記載のロングレール。
3. 前記ビードの止端部のうち前記レール足表部に位置する領域の前記断面において、表面から５０μｍ以内のパーライトの１０％以上は、ラメラー間隔が７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のロングレール。
4. 前記ビードの止端部のうち前記レール足表部に位置する領域の前記断面において、表面から５０μｍ以内のパーライトの５％以上は、ラメラー間隔が５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のロングレール。
5. 前記ビードの止端部のうち前記レール足表部に位置する領域は、前記ロングレールの長手方向の断面における断面の曲率半径が１．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のロングレール。
6. 前記ビードの止端部の表面のうち前記レール足表部に位置する領域は、前記ロングレールの長手方向の残留応力が中立又は圧縮であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のロングレール。
7. 前記ビードの止端部のうち前記レール足表部に位置する領域は、超音波ピーニング処理されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のロングレール。
8. 荷重繰り返し回数２００万回での疲労限界が２８０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のロングレール。