KR100208676B1 - 내마모성 및 내내부손상성이 우수한 레일 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

중하중철도에 요구되어지는 내마모성 및 내내부손상성 레일을 제공한다. 중량%로, C:0.85초과~1.20%, Si:0.10~1.00%, Mn:0.40~1.50%, B:0.0005~0.0040%, 더욱이 필요에 따라, Cr:0.05~1.00%, Mo:0.01~0.50%, V:0.02~0.30%, Nb:0.002~0.05%, Co:0.10~2.00%의 1종류 또는 2종류 이상을 포함하는 강 레일의 헤드를 오스테나이트영역온도에서부터 650~500℃까지의 사이를 5~15℃/sec로 가속냉각하여, 그 강 레일의 레일 헤드 표면에서 그 헤드 표면을 기점으로하여 적어도 깊이 20mm의 범위가 Hv370 이상의 경도를 갖는 펄라이트 조직을 나타내고, 또 상기 범위에서의 경도차가 Hv30 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

내마모성 및 내내부손상성이 우수한 레일 및 그 제조방법

철도 수송의 고효율화를 위한 수단으로서, 열차 속도의 향상이나 열차 적재 중량의 증가가 꽤해지고 있다. 이러한 철도 수송의 효율화는 레일 사용 환경의 가혹화를 의미하여, 레일 재질의 개선이 한층 더 요구되어지고 있다. 구체적으로, 중하중 철도의 곡선구간에 깔려지는 레일에는 마모의 증가가 심하고, 레일 수명의 저하가 현저화하고 있다. 그렇지만, 최근의 레일 고강도화를 위한 열처리 기술의 향상에 따라, 공석 탄소강을 이용한 미세 펄라이트 조직을 나타내는 고강도 레일, 예를들어 ① 헤드(head, 頭部)가 소르바이트(sorbite) 조직, 또는 미세 펄라이트 조직인 중하중용 열처리 레일(특공소 54-25490호 공보참조), ② Cr, Nb 등의 합금을 첨가하여, 내마모성뿐만이 아니라 용접부의 경도 저하를 개선한 저합금 열처리 레일(특개소 59-19173호 공보참조) 등이 개발되어, 중하중 철도 레일의 수명을 비약적으로 개선하여왔다.

이들 레일의 특징은, 공석 탄소 함유강에 의한 미세 펄라이트 조직을 나타내는 고강도 레일이며, 그 목적으로 하는 점은 내마모성을 향상시키는 데에 있었다. 그렇지만, 근년의 중하중 철도에서는 한층 더 나은 철도 수송의 효율화를 위해, 화물의 축하중(軸荷重) 증가가 강력하게 요구되고 있고, 특히 급격한 곡선 궤도에서는 상기와 같이 개발된 레일을 이용하더라도 내마모성이 만족스럽지 못하고, 더욱이 레일 헤드 내부의 피로 손상 발생도 염려되어지게 되었다. 이러한 배경에서, 현 상태의 공석 탄소강 고강도 레일 이상의 내마모성 및 내내부피로손상성을 갖는 레일이 요구되어지게 되었다.

본 발명은 중하중(重荷重) 철도에 요구되어지는 내마모성(耐磨耗性) 및 내내부피로손상성(耐內部疲勞損傷性)을 크게 향상시킨 철도용 레일 및 그 제조방법에 관한 것이다.

제1도는 본 발명에 있어서 레일의 B첨가에 따른 변태에의 영향을 나타내는 연속냉각곡선이다.

제2도는 본 발명 강 레일의 헤드 열처리 후 표면에서의 경도 변화를 나타낸 그래프이다.

제3a도 및 제3b도는, 종래강 레일의 헤드 열처리 후 표면에서부터의 경도 변화를 나타내며, 제3a도는 공석강 레일, 제3b도는 과공석강 레일이다.

종래 레일강으로 이용되어져 왔던 공석 탄소 성분의 펄라이트 조직의 내마모성을 향상시키고, 나아가 레일 헤드 내부의 피로 손상성을 개선하는 방법으로, 일반적으로는, 펄라이트 조직의 경도를 향상시키고 또, 레일의 헤드 내부까지 그것을 유지하는 방법이 사용되어져 왔다.

그렇지만, 공석 탄소 성분의 펄라이트 조직을 나타내는 고강도 레일에서는, 현 상태의 경도가 상한이어서 경도의 향상 및 그 레일의 헤드 내부까지의 유지를 노리고 열처리 냉각 속도나 합금 첨가량을 증가시키면, 펄라이트 조직 중에 마르텐 사이트 조직 등의 이상 경화상이 생성되어 레일의 연성, 내피로손상성을 저하시키는 등의 문제가 있었다.

또, 다른 하나의 해결책으로 펄라이트 조직 이외의 내마모성이 높은 금속조직을 이용하는 방법을 생각할 수 있으나, 미세 펄라이트 조직보다 값이 저렴하고, 내마모성이 우수한 재료는 발견되지 않았다.

따라서, 마르텐사이트 등의 이상 경화상을 포함하지 않고, 펄라이트 조직을 유지하면서 내마모성을 향상하고, 또한 헤드 내부 피로손상성을 유효하게 개선하고, 레일의 헤드 내부까지 높은 경도를 유지할 수 있는 레일강 및 그 제조방법을 제공하는 것이 과제이다.

이러한 상황에서, 본 발명자들은 펄라이트 조직의 마모 기구를 관찰한 결과, 다음과 같은 사실을 알아내었다. 즉, ① 차륜(車輪)과의 구름(rolling, 轉動) 접촉 하에서 가공경화에 따른 경도의 상승과 더불어 펄라이트를 형성하는 층상인 페라이트와 세멘타이트 중 경도가 낮은 페라이트가 짜여져 나와 그 후 구름 접촉면 바로 밑에 경도가 높은 세멘타이트만이 쌓여 내마모성이 확보된다는 것, ② 세멘타이트의 형성에 필요한 탄소량을 높게 하여 펄라이트 중의 세멘타이트 비율을 증가시키면, 내마모성이 비약적으로 향상한다는 것이다.

더욱이, 탄소량이 높은 강의 연속 냉각 변태 기구를 관찰한 결과, 상기 탄소가 높은 강에 세멘타이트 형성을 조장하는 원소를 복합 첨가하면, 종래의 공석 탄소를 함유하는 강과 비교하여, 높은 연속냉각속도까지 안정하게 펄라이트의 변태를 유지할 수 있다는 것, 다시말해, 중간 단계 조직이나 마르텐사이트 등의 이중 조직을 포함치 않는 균일한 펄라이트 조직이 넓은 냉각속도 범위에서 얻어진다는 것을 발견하였다. 이 효과를 이용하면, 레일 헤드의 표면 바로 아래에서부터 레일 내부까지 높은 경도를 유지할 수 있으리라 기대되어진다.

본 발명은, 이러한 발견에 기초하여, 중하중 철도용 레일에 요구되어지는 내마모·내내부손상성 레일을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 그 요지는, 중량%로, C:0.85초과~1.20%, Si:0.10~1.00%, Mn:0.40~1.50%, B:0.0005~0.0040%를 함유하고, 또 필요에 따라, Cr:0.05~1.00%, Mo:0.01~0.50%, V:0.02~0.30%, Nb:0.002~0.05%, Co:0.10~2.00%를 1종류 또는 2종류 이상 함유하고, 나머지 부분이 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 열간압연한 고온도의 열을 보유하는 강레일, 혹은 열처리 목적으로 고온에서 가열되어진 강 레일의 헤드를 오스테나이트 영역 온도부터 냉각정지온도 650~500℃까지의 사이를 5~15℃/sec로 가속냉각하여, 그 강 레일의 레일 헤드의 표면에서 그 헤드 표면을 기점으로하여 적어도 깊이 20mm의 범위가 경도 Hv370 이상의 펄라이트 조직을 나타내고, 또 상기 범위에서의 경도차가 Hv로 30 이하인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내부손상성이 뛰어난 레일 및 그의 제조방법에 있다.

이하에 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에서 레일 강의 화학 성분을 상기와 같이 한정하는 이유에 대해 설명한다.

C는 펄라이트 조직을 생성시켜서 내마모성을 확보하는 유효한 원소이고, 통상 레일강으로서는 0.06~0.85%가 사용되어지나, C량이 0.85% 이하에서는 내마모성을 확보하고 있는, 펄라이트 조직중의 세멘타이트 밀도를 확보할 수 없어, 비약적인 내마모성의 향상이 곤란하다. 1.20%를 넘어서면, 오스테나이트 입계에 생성하는 초석 세멘타이트의 양이 증가하여, 연성 및 인성이 크게 저하한다. 따라서, C량을 0.85초과~1.20%로 한정하였다.

Si는 펄라이트 조직중의 페라이트 고용경화에 의해 경도를 향상시키나, 0.10% 미만에서는 그 효과를 충분히 기대할 수 없고, 또, 1.00%를 넘으면, 레일의 연성 및 인성이 저하하고, 용접성의 저하를 가져온다. 따라서, Si량은 0.10~1.00%로 한정하였다.

Mn은 펄라이트의 경화능을 높임으로서 고강도화에 유효하고, 또 초석 세멘타이트의 생성을 억제하는 원소이지만, 0.40% 미만의 함유량으로는 그 효과가 작고, 또, 1.50%를 넘으면 마르텐사이트의 생성을 초래하여, 특히 레일 내부의 성분 편석부에서의 마르텐사이트의 생성을 조장한다. 따라서, Mn량을 0.40~1.50%로 한정하였다.

B는 철의 탄붕화물을 형성하고, 펄라이트의 변태를 조장하며, 연속 냉각 변태시에 공석강 혹은 과공석강에 비교해 높은 냉각속도 범위까지 펄라이트 변태를 유지하는 효과가 있다. 제1도는 B가 연속 냉각 변태에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 종래강 공석강(C:0.79%, B:없음), 비교강은 과공석강(C:0.88%, B:없음), 본 발명 강은 과공석강 +첨가(C:0.87%, B:0.0029%)이다. 상기 제1도에서, 냉각속도가 1~10℃/sec 부근인 펄라이트 변태가, 종래강, 비교강, 본 발명 강의 순으로 고온측으로 이동하고, 동 냉각속도 범위에서 변태개시온도의 차가 작아지게 된다. 그러므로, 냉각속도에 차이를 가지는 레일의 표면에서 내부에 걸쳐, 보다 균일한 경도 분포가 얻어진다. 제2도는 본 발명 강의 경도 분포를 측정한 것이고, 제3a도, 제3b도는 종래강 및 비교강 경도 분포를 각각 나타낸 것이다. 이들 도면에 따라, 예를들어 깊이 16mm 위치에서의, 표면 경도와의 차는 각각 본 발명에서 20, 종래강에서 60, 비교강에서는 40으로서, 본 발명 강에서는 경도차가 개선되어져 있다. B가 0.0005% 미만에서는 상기의 효과가 약하고, 0.0040%를 넘으면 철의 탄붕화물이 엉성해져서, 연성 및 인성의 저하를 초래한다. 따라서, B량을 0.0005~0.0040%로 한정하였다.

또, 상기의 성분조성으로 제조되어지는 레일은 강도, 연성 및 인성을 향상시킬 목적으로 이하의 원소를 필요에 따라 1종류 또는 2종류 이상을 첨가한다.

Cr:0.05~1.00%, Mo:0.01~0.50%, V:0.02~0.30%, Nb:0.002~0.050%, Co:0.10~2.00%,

다음으로, 이들 화학성분을 상기와 같이 한정하는 이유에 대해서 설명한다.

Cr은 펄라이트의 평형 변태점을 상승시켜, 결과적으로 펄라이트 조직을 미세화하고, 고강도화하며, 나아가 펄라이트 조직 중의 세멘타이트를 강화하여, 내마모성을 향상시키는 원소이지만, 0.05% 미만에서는 그 효과가 작고, 1.00%를 넘는 과잉 첨가는 마르텐사이트 조직을 생성시켜, 연성 및 인성의 저하를 불러온다. 따라서, Cr 첨가량은 0.05~1.00%로 한정하였다.

Mo는 강의 경화능을 향상시켜서, 펄라이트 조직의 고강도화에 효과가 있으나, 0.01% 미만에서는 그 효과가 작고, 0.50%를 넘는 과잉첨가는 마르텐사이트 조직을 생성시켜, 연성 및 인성을 저하시킨다. 따라서, Mo의 첨가량은 0.01~0.50%로 한정하였다.

V, Nb는 둘 다 탄소·질소화물을 형성하고, 석출경화에 의한 강도의 향상, 혹은 개가열 열처리 과정에서 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하며, 펄라이트 조직의 미세화에 따른 연성 및 인성의 향상에 유효한 원소이지만, 그 첨가량이 V는 0.02~0.30%, Nb는 0.002~0.05%인 범위에서 그 효과가 현저해진다. 따라서, 각각의 양을 상기 범위로 한정하였다.

Co는 펄라이트의 강화에 유효한 원소이지만, 0.01% 미만에서는 그 효과가 적고, 또 2.00%를 넘게 첨가하면 그 효과가 포화에 이른다. 따라서 Co량은 0.10~2.00%로 한정하였다.

상기와 같은 성분 조성으로 구성되는 레일 강을, 전로(轉爐), 저기로 등의 통상 사용되는 용해로에서 용제하여, 상기 용강을 조괴(造塊)·분해법 혹은 연속주조법에 의해 강괴(鋼塊, ingot)로하고, 열간압연을 거쳐 레일로 성형한다. 다음으로, 이 열간압연한 고온도의 열을 보유하는 레일 혹은, 열처리의 목적으로 고온으로 가열되어진 레일 헤드에서, 헤드를 가속냉각하여, 레일 헤드의 펄라이트 조직의 경도 및 분포를 향상시킨다.

여기서 펄라이트 조직의 경도를 레일의 헤드 표면에서부터 그 헤드 표면을 기점으로하여 적어도 깊이 20mm의 범위에서 Hv370 이상이고, 동시에 그 범위에서의 경도 차가 Hv30 이하로 한정한 이유에 대해 설명한다.

본 발명은 중하중 철도에서의 내마모성 향상을 목적으로 하고 있어, 그 특성 확보의 관점에서는 경도가 Hv320 이상이면 그 목적을 달성할 수 있다. 또, 레일 헤드에 요구되는 내마모성을 갖는 범위를 확보하는 관점에서, 그 깊이는 20mm가 필요하다. 한편, 레일 내부에 존재하는 미소한 페라이트 조직은 피로 손상의 기점이 되기 쉽고, 그 조직의 존재는 펄라이트의 경도가 낮을수록 커진다.

종래의 펄라이트 조직을 나타내는 레일 강에서는, 마르텐사이트 등의 이상경화조직을 생성치 않는 범위에서의 냉각속도에서는 냉각표면에서부터 내부방향으로의 경도의 저하가 크고, 레일 내부에 미소한 페라이트 조직이 혼재하기 쉽다. 또, 내부경도를 확보하려고 하면 표면부에 마르텐사이트 등의 이상경화조직이 형성된다. 이들 문제를 회피하고, 내내부피로손상성을 향상시키기 위해서는 레일의 냉각 표면에서 내부방향으로의 경도 저하를 그 헤드표면을 기점으로하여 적어도 깊이 20mm의 위치에서 Hv370 이상으로 한다. 즉, 내부까지 표면경도를 유지할 필요가 있다. 따라서, 펄라이트 조직의 경도를 레일의 헤드표면에서 그 헤드표면을 기점으로 하여 적어도 깊이 20mm의 범위에서 Hv370 이상이고, 동시에 상기 범위의 경도차가 Hv30 이하가 되도록 한정하였다.

다음으로, 냉각정지온도범위 및 냉각속도를 상기와 같인 정한 이유를 설명한다.

우선, 오스테나이트 영역 온도로부터의 냉각정지온도를 650~500℃ 범위로 한정한 이유에 대해 설명한다. 후술하는 본 발명강의 냉각속도 범위에서는 650℃를 넘는 온도에서 가속냉각을 정지하면, 가속냉각 직후에 변태가 생겨나므로 목적으로 하는 경도를 갖는 펄라이트 조직이 얻어지지 않는다. 한편, 500℃ 미만까지 냉각하면 그 후 레일 내부로부터의 충분한 복열(復熱)을 얻을 수 없어, 편석부에 마르텐사이트 등의 이상조직이 생겨난다. 따라서, 냉각정지온도는 650~500℃ 범위로 한정하였다.

다음으로, 냉각속도(헤드가속냉각속도)를 5~15℃/sec로 한정한 이유에 대해서 설명한다.

본 발명의 특징은, 펄라이트 조직을 나타내는 강에 있어, B를 첨가하면 그 변태가 고냉각속도의 영역까지 유지된다고 하는 의견에 따른 것이다. 그 효과를 이용하여, 펄라이트 조직을 유지해가며 레일 내부까지 높은 경도를 얻기 위해서는 높은 냉각속도에서 냉각하는 것이 전제가 된다. 따라서, 냉각속도는 적어도 5℃/sec가 필요하다. 이 값을 밑돌면 레일 표면의 경도는 확보할 수 있겠지만, 내부에 경도가 낮은 펄라이트가 생성되어, 내부피로손상의 기점이 되기 쉬운 미소 페라이트의 생성을 초래하기 쉽다. 한편, 15℃/sec를 넘는 냉각속도로 냉각하면, 마르텐사이트가 생기기 시작해, 레일의 연성이 현저히 손상된다. 이상의 이유에 의해 냉각속도는 5~15℃/sec로 한정하였다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 서술하겠다.

표 1에는, 본 발명강 및 비교강 레일의 화학성분 및 가속냉각조건(오스테나이트 영역에서부터 650~500℃까지의 냉각), 표 2의 레일 헤드의 단면에 있어 표면부 및 깊이 20mm지점의 비커스(Vickers) 경도를 나타내었다.

*압연 후, 레일 헤드의 Ar₃이상에서 500℃까지의 냉각속도

표 1 및 표 2에서 본 발명 강 레일은 헤드 경도 및 그 분포가 내마모성 및 내내부손상성을 확보하는데 충분한 값을 갖는다는 것을 알 수 있다.

더욱이, 헤드가속냉각속도를 같은 조건으로하여, 종래강 레일의 공석강, 과공석강에 B를 첨가하지 않은 것과, 본 발명의 과공석강에 B를 첨가한 것에 있어서의 경도차분포를 측정하였다.

표 3에 각각의 화학성분과 헤드가속냉각속도를 나타낸다.

그 결과에 대해, 제2도에 본 발명 강 레일의 헤드 중앙부, 우측 헤드 및 좌측 헤드의 표면에서 내부로의 경도 분포를 나타내고, 제3a도, 제3b도에, 종래의 공석강과, 과공석강 레일에 대한 경도 분포를 각각 나타낸다.

이를 도면에서, 표면 경도 및 표면에서 16mm에서의 최대 경도를 읽어내보면, 본 발명 강 레일에서는, 표면 Hv는 390이고 내부(16mm 위치)에서는 370이며, 종래의 공석강 레일에서는, 표면 Hv가 400에 내부(16mm위치)에서 340이며, 과공석강레일에서는, 표면 Hv가 405에 내부(16mm 위치)에서 365이다. 이 결과에서, 표면과의 경도차는, 각각 본 발명 레일이 20, 종래의 공석강 레일에 60 및 과공석강 레일이 40이 된다. 즉, 본 발명 강 레일에서는, B의 첨가에 따라, 표면과 내부 20mm 이하의 범위에서의 경도 분포가 개선되었다는 것을 알 수 있다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명 강 레일은, B를 첨가하므로써, 종래강 레일보다도, 변태를 고냉각속도측으로, 동시에 냉각속도의 변화에 따른 영향을 완화하는 효과를 나타낸 것으로, 그 때문에 표면 경도와 표면 20mm 이내의 범위에 있어, 열처리 경도분포를 작게할 수 있어 균질한 경도 특성을 갖고, 내마모성 및 내내부피로손상성을 향상시킨다.

Claims (4)

1. 중량%로, C:0.85초과~1.20%, Si:0.10~1.00%, Mn:0.40~1.50%, B:0.0005~0.0040%를 함유하고, 나머지 부분이 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 강 레일로, 상기 강 레일의 레일 헤드 표면에서부터 상기 헤드 표면을 기점으로하여 적어도 깊이 20mm의 범위가 경도 Hv370 이상의 펄라이트 조직을 나타냄과 더불어 상기 범위에서의 경도차가 Hv로 30 이하인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내내부손상성에 우수한 레일.
2. 중량%로, C:0.85초과~1.20%, Si:0.10~1.00%, Mn:0.40~1.50%, B:0.0005~0.0040%를 함유하고, 또 필요에 따라 Cr:0.05~1.00%, No:0.01~0.50%, V:0.02~0.30%, Nb:0.002~0.05%, Co:0.10~2.00%의 1종류 또는 2종류 이상을 함유하고 나머지가 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 강 레일로, 상기 강 레일의 레일 헤드 표면에서부터 상기 헤드 표면을 기점으로하여 적어도 깊이 20mm의 범위가 경도를 Hv 370 이상의 펄라이트 조직을 나타냄과 더불어 상기 범위의 경도차가 Hv로 30 이하인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내내부손상성이 우수한 레일.
3. 중량%로, C:0.85초과~1.20%, Si:0.10~1.00%, Mn:0.40~1.50%, B:0.0005~0.0040%를 함유하고, 나머지가 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 열간압연한 고온도의 열을 보유하는 강 레일, 또는 열처리의 목적으로 고온으로 가열시킨 강 레일의 헤드를 오스테나이트 영역온도로부터 냉각정지온도인 650~500℃까지의 사이를 5~15℃/sec로 가속냉각하여, 상기 강 레일의 레일 헤드 표면에서부터 상기 헤드 표면을 기점으로하여 적어도 깊이 20mm의 범위가 Hv370 이상의 경도를 갖는 펄라이트 조직을 나타냄과 더불어 상기 범위에서의 경도차가 Hv로 30 이하인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내내부손상성이 우수한 레일의 제조방법.
4. 중량%로, C:0.85초과~1.20%, Si:0.10~1.00%, Mn:0.40~1.50%, B:0.0005~0.0040%를 함유하고, 또 필요에 따라 Cr:0.05~1.00%, Mo:0.01~0.50%, V:0.02~0.30%, Nb:0.002~0.05%, Co:0.10~2.00%의 1종류 또는 2종류 이상을 함유하고, 나머지가 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 열간압연한 고온도의 열을 보유하는 강 레일, 또는 열처리의 목적으로 고온으로 가열된 강 레일의 헤드를 오스테나이트 영역온도에서 냉각정지온도인 650~500℃까지의 사이를 5~15℃/sec로 가속냉각하여, 상기 강 레일의 레일 헤드 표면에서 상기 헤드 표면을 기점으로하여 적어도 깊이 20mm의 범위가 경도를 Hv370 이상의 펄라이트 조직을 나타냄과 더불어 상기 범위의 경도차가 Hv로 30 이하인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내내부손상성이 우수한 레일의 제조방법.