JP4153650B2

JP4153650B2 - 高溶接性レールの製造方法

Info

Publication number: JP4153650B2
Application number: JP2000212288A
Authority: JP
Inventors: 耕一内野; 玲小林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: JP2002030341A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にフラッシュバット溶接により長尺レールとして用いられる鉄道用の高溶接性パーライト系レールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄道用レールは軌道の保守・点検の簡略化、騒音・振動の抑制、乗り心地の向上の観点から、溶接によるロングレール化が進められている。用いられる溶接法にはフラッシュバット溶接、ガス圧接、エンクローズアーク溶接およびテルミット溶接などがある。
【０００３】
これらの溶接方法の中で、フラッシュバットやガス圧接は文献（鉄と鋼、Ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．１０，１９８４）にも示されているように、レールのロング化には必須の技術となっている。これらの接合の場合、レール同士が接合され、溶接により新たな熱履歴を受けるため、溶接部の硬さは母材レールのそれと異なる結果となり、溶接部に大きな硬さの不連続が生じ、列車通過トン数が重なるに従い摩耗の不均一が生じ、騒音や振動の原因となる。これに対し近年、研削により不均一形状を削正する方法がとられているが、この場合、研削機の導入や維持等に多大の費用を要するという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ロングレール化は、軌道メンテナンスの軽減や列車高速化における安全性の確保の観点から重要な技術であり、このなかで、汎用的に用いられるフラッシュバット溶接部の硬さの均一性を保つことは特に重要である。一般に汎用レールとしては硬さがＨＢ２２０〜３００のパーライト鋼が用いられ、その製造方法としては、高価な合金添加量を抑制し、また熱処理を行わず圧延ままとすることでコストを低減している。すなわちこのような汎用レールの硬さは、レール断面の大きさによって決まる放冷ままでの冷却速度（０．５℃／ｓ以下）と鋼成分で決まる。
【０００５】
一方、フラッシュバット溶接部は溶接後、１〜２．５℃／ｓの冷却速度となる。したがって、レールの製造工程で得られた硬さと溶接後の溶接部硬さには硬さの差が生ずる。
本発明の課題は、母材レールの硬さとそのフラッシュバット溶接後の硬さを類似のものとし、溶接ロングレールの硬さの不均一を防止できるレールを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は母材レールの硬さとそのフラッシュバット溶接後の溶接部の硬さを類似のものとし、溶接ロングレールの硬さの不均一を防止できるレールであり、その要旨とするところは、質量％で
Ｃ：０．６０〜０．９５％、Ｓｉ：０．１０〜１．２０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％を含有し、さらに
Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、
Ｃｏ：０．１〜２．０％、Ｃｕ：０．０５〜１．００％、
Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．００５〜０．２０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
の１種または２種以上を含有し、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／１０＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｃｏ／５で示す式に当てはめて得られるＣｅｑが０．６〜１．０を満足し、残部が鉄および不可避的不純なり、且つ成品圧延後、８００〜５００℃間で１〜２．５℃／ｓの加速冷却を受け、かつ硬さがＨＢ２２０〜３００であることを特徴とする高溶接性レールの製造方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。まず含有成分の限定理由について説明する。Ｃはレールの具備すべき強度を満足し、且つパーライト組織を安定に得るための必要な元素である。Ｃはパーライトを生成させて耐摩耗性を確保する有効な成分として、０．６０％以上の含有が必要である。しかし、０．９５％を超える高い含有量では、冷却速度２．５℃／ｓ以下ではセメンタイト組織を多く析出して延性が著しく低下する。そのため含有範囲を０．６０〜０．９５％とした。
【０００８】
Ｓｉは脱酸剤として鋼の清浄化のために投入されるほか、パーライト組織中のフェライト相への固溶体硬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が、０．１０％未満ではその効果が十分に期待できず、また１．２０％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ため、Ｓｉ量を０．１０〜１．２０％に限定した。
【０００９】
Ｍｎは、パーライト変態温度を低下させ、焼き入れ性を高めることによって高強度化に寄与し、さらに、初析セメンタイト組織の生成を抑制する元素であるが、０．２０％未満の含有量ではその効果が小さく、レール頭部に必要とされる硬さの確保が困難となる。また１．５０％を超えると、焼入性が著しく増加し、マルテンサイト組織が生成し易くなることや、偏析が助長され、偏析部にレールの靭性に有害な初析セメンタイト組織が生成し易くなるため、Ｍｎ量を０．２０〜１．５０％に限定した。
【００１０】
またさらにパーライトの強化元素として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏのうち１種または２種以上を以下に示す範囲で添加できる。
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強度化に寄与すると同時に、パーライト組織中のセメンタイト相を強化することによって耐摩耗性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、０．５０％を超える過剰な添加を行うと、マルテンサイト組織が多量に生成し、レールの靱性を低下させるため、Ｃｒ量を０．０１〜０．５０％に限定した。
【００１１】
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強度化に寄与し、耐摩耗性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、０．２０％を超える過剰な添加を行うと偏析が助長され、さらにパーライト変態速度が低下し、偏析部にマルテンサイト組織が生成し、レールの靱性が低下するため、Ｍｏ量を０．０１〜０．２０％に限定した。
【００１２】
Ｃｏは、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強度を向上させる元素であるが、０．１％未満ではその効果が期待できず、また２．０％を超える過剰な添加を行ってもその効果が飽和域に達してしまうため、Ｃｏ量を０．１〜２．０％に限定した。
【００１３】
また、延靭性を損なわずに強度を向上させる目的で、Ｃｕ、Ｎｉのいずれかもしくは両方を、以下に示す範囲で添加できる。
Ｃｕは、パーライト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０．０５〜１．００％の範囲で最も大きく、また１．００％を超えると赤熱脆化を生じやすくなることから、Ｃｕ量を０．０５〜１．００％に限定した。
【００１４】
Ｎｉは、パーライト鋼の延性と靭性を向上させ、同時に、固溶強化によりパーライト鋼の高強度化を図る元素であるが、０．０５％未満ではその効果が著しく小さく、また１．００％を超える過剰な添加を行ってもそれ以上の効果が期待できない。したがって、Ｎｉ量を０．０５〜１．００％に限定した。
【００１５】
また、析出効果による強度向上元素として、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉのうち１種または２種以上を、以下に示す範囲で添加できる。
Ｖはレール頭部の熱処理において、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で炭化物や窒化物を形成し、パーライト組織中のフェライト地に析出することにより、頭部内部の硬度を向上させる元素であるが、０．００５％未満では、炭化物や窒化物の形成が困難となり、レール頭部内部のパーライト組織の析出硬化が困難となる。また、０．２０％を超えて添加してもそれ以上の効果が期待できないため、Ｖ量を０．００５〜０．２０％に限定した。
【００１６】
ＮｂはＶと同様にＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化物による析出硬化で強度を高め、さらに、高温度に加熱する熱処理が行われる際に、結晶粒の成長を抑制する作用によりオーステナイト粒を微細化させ、そのオーステナイト粒成長抑制効果はＶよりも高温度域（１２００℃近傍）まで作用し、パーライト組織の延性と靭性を改善する。その効果は、０．００５％未満では期待できず、また０．０５％を超える過剰な添加を行ってもそれ以上の効果が期待できない。従って、Ｎｂ量を０．００５〜０．０５％に限定した。
【００１７】
Ｔｉは、レール圧延時の再加熱において、析出したＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が溶解しないことを利用して、圧延加熱時のオーステナイト結晶粒の微細化を図り、パーライト組織の延性や靭性を向上させるのに有効な成分である。しかし、０．００５％未満ではその効果が少なく、０．０５％を超えて添加すると、粗大なＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が生成して、レール使用中の疲労損傷の起点となり、き裂を発生させるため、Ｔｉ量を０．００５〜０．０５０％に限定した。
【００１８】
なお、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／１０＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｃｏ／５は、硬さと成分の関係から経験的に得られた炭素当量の式である。
最終の熱履歴となるフラッシュバット溶接後の冷却速度８００〜５００℃間で１〜２．５℃／ｓとなるため、母材レールのパーライト変態時の冷却速度は同一冷却速度とすることが肝要で、その際、母材レールおよび溶接部ともにＨＢ２２０〜３００の硬さを確保するためには、Ｃｅｑの値が１．０以下となることが必要である。一方、耐摩耗性確保の観点からＣが０．６０％以上必要であり、Ｃｅｑも下限を０．６とする。
【００１９】
【実施例】
以下に実施例により本発明の効果を具体的に示す。
表１に示す化学成分からなる、金属組織がパーライトを呈する供試鋼を用いて、表２に示す母材加速冷却速度と母材硬さからなるレールを製造し、フラッシュバット溶接を行い、溶接後の溶接部硬さと母材の硬さとの差を比較した。
本発明の条件に合致する符号１〜５のレールは、いずれも溶接後硬さと母材硬さとの差がないレールとすることができた。一方、本発明の冷却条件を外れる符号６、７、９では、溶接後硬さと母材硬さとの差（ΔＨＢ）が大きくなった。また、成分条件の外れる鋼Ｄを用いた符号８では、硬度差は小さかったが、母材硬度が本発明の範囲外となった。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ロングレール化に必要なフラッシュバット溶接部の硬さが母材レールと同等の値を示して不連続性をなくし、使用中の摩耗が均一となり、騒音、振動などの問題を解決できる低強度レールを提供することができるので、産業上の効果は大きい。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．６０〜０．９５％、
Ｓｉ：０．１０〜１．２０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％を含有し、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／１０＋Ｍｎ／６の式で示されるＣｅｑが０．６〜１．０を満足し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、成品圧延後、８００〜５００℃間で１〜２．５℃／ｓの加速冷却を受け、且つ硬さがＨＢ２２０〜３００であることを特徴とする高溶接性レールの製造方法。
質量％で、
Ｃ：０．６０〜０．９５％、
Ｓｉ：０．１０〜１．２０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％
を含有し、さらに、
Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、
Ｃｏ：０．１〜２．０％
の１種または２種以上を含有し、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／１０＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｃｏ／５の式で示されるＣｅｑが０．６〜１．０を満足し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、且つ成品圧延後、８００〜５００℃間で１〜２．５℃／ｓの加速冷却を受け、且つ硬さがＨＢ２２０〜３００であることを特徴とする高溶接性レールの製造方法。
質量％で、さらに
Ｃｕ：０．０５〜１．００％、
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に記載の高溶接性レールの製造方法。
質量％で、さらに
Ｖ：０．００５〜０．２０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高溶接性レールの製造方法。