JP4736790B2

JP4736790B2 - 高強度パーライト系レールおよびその製造方法

Info

Publication number: JP4736790B2
Application number: JP2005369826A
Authority: JP
Inventors: 稔本庄; 眞司三田尾; 峰康竹正; 達己木村; 伸一鈴木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: JP2007169727A

Description

本発明は貨車重量が重くかつ急曲線が多い鉱山鉄道のような、過酷な高軸荷重条件下で使用される高強度パーライト系レールおよびその製造方法に関する。

鉱石の運搬等を主体とする鉱山鉄道等では貨車の車軸にかかる荷重は客車に比べて遥かに大きく、レールの使用環境も過酷である。このような環境下で使用されるレールは、従来、耐摩耗性重視の観点から主としてパーライト組織を有する鋼が使用されている。しかし、近年においては鉄道による輸送の効率化のために貨車への積載重量の更なる増加が進められており、レールの使用環境はますます厳しいものになってきている。このため従来のパーライト系レールでは特性が十分とはいえず、このような使用環境でも所望の特性を有するレールが要求されている。

このような要求に応えるため、例えば特許文献１では、Ｃ量が質量％で０．８５％超の過共析鋼とし、レール断面内のパーライトブロック平均粒径がレール頭頂部表面を起点として少なくとも２０ｍｍの範囲、およびレール底面を起点として少なくとも１５ｍｍの範囲で２０〜５０μｍとする延・靭性を付与したパーライト鋼レールが開示されており、また、特許文献２では、Ｃ量を質量％で０．６〜１．４％含有し、頭部コーナー部、頭頂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摩耗性および延性に優れたパーライト系レールが開示されている。

ところで、高軸重鉄道の曲線区間で使用されるレールは、車輪による転がり応力と遠心力による滑り力を受けるため、摩耗が厳しくなるとともに、滑りに起因した疲労損傷が起こりやすい。しかし、上記特許文献１の技術のようにＣ量を０．８５％超かつパーライトブロックサイズを２０〜５０μｍにするだけでは、熱処理条件によっては、初析セメンタイト組織が多量に生成したり、層状組織を呈するパーライト中の脆いセメンタイト相の量が増加したりするため、耐疲労損傷性の向上は見込めないという問題がある。また、特許文献２の技術のように、パーライトブロックサイズを１〜１５μｍに微細化すると、熱処理条件によってはパーライトの変態温度が上昇し、ラメラー間隔が粗大化するため、耐摩耗性の向上は見込めないという問題がある。

そこで、Ａｌを０．０７超〜３．００％および／またはＳｉを１．００超〜３．００％添加することにより、過共析レール鋼における初析セメンタイトの生成を抑制し、耐疲労損傷性を向上する技術が特許文献３に提案されている。

しかし、ＡｌおよびＳｉの多量の添加は、疲労損傷の起点となる酸化物を多量に生成する。そのため、レールの疲労損傷性が低下するという問題がある。したがって、特許文献３の技術では、パーライト組織を有するレール鋼において、耐摩耗性と耐疲労損傷性の両特性を同時に満たすことは難しいのが実情である。
特許第３０８１１１６号公報特開２００３−２９３０８６号公報特開２００２−６９５８５号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れ所望の長寿命化を達成することができる高強度パーライト系レールおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の（１）〜（３）を提供する。
（１）質量％で、Ｃ：０．７５〜０．８５％、Ｓｉ：０．４５〜１．２％、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｎｂ：０．００１〜０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼で構成されたレールであって、レール断面内のパーライトコロニーの平均粒径が、レール頭部コーナー部およびレール頭頂部の表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍの範囲で５０μｍ超８０μｍ以下であることを特徴とする高強度パーライト系レール。
（２）質量％で、さらに、Ｖ：０．００１〜０．０５％、Ｃｒ：０．３１％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃａ：０．０１５％以下から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）に記載の高強度パーライト系レール。
（３）上記（１）または（２）に記載の組成を有する鋼を、圧延仕上温度が８５０〜９１０℃となるように熱間圧延する工程と、前記熱間圧延された鋼材をパーライト変態開始温度以上から、０．５〜１５℃／秒の冷却速度で４００〜６００℃まで加速冷却する工程を具備することを特徴とする高強度パーライト系レールの製造方法。

本発明者らは、上記課題を解決するために、成分組成および製造条件について多くの実験を試みた結果、レール頭部コーナー部およびレール頭頂部の表面部分のパーライトコロニーサイズを適切に調整することによって、パーライト変態速度の低下により硬さを上昇させて耐摩耗性を向上させつつ、応力集中の緩和により耐疲労損傷性を向上させることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明によれば、従来のパーライト鋼レールに比べて遥かに優れた耐摩耗性および耐疲労損傷性を有するパーライト鋼レールを安定して製造することが可能となる。

以下、本発明について具体的に説明する。
本発明のレールは成分組成ならびに製造条件を最適化し、コロニーサイズを適切に調整することにより、従来の亜共析、共析および過共析型パーライトレール以上に耐摩耗性、耐疲労損傷性を向上させるものである。図１に本発明レールのパーライト組織構造の模式図を示す。図１に示すようにパーライト組織は、フェライト１とセメンタイト２が層状（ラメラー）組織を形成し、このラメラー組織を１つの単位とするパーライトコロニー３の集合体である。本発明はこのようなパーライト組織において、パーライトコロニー３を著しく微細化して耐摩耗性と耐疲労損傷性の向上を図るものである。ここでパーライトコロニー３の粒径はパーライトコロニーの面積相当直径で定義し、全パーライトコロニーの平均粒径を用いるものとする。以下、パーライトコロニー３の粒径をパーライトコロニーサイズまたは単にコロニーサイズという。

本発明においては、レール断面のパーライトコロニーの平均粒径をレール頭部コーナー部およびレール頭頂部の表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍの範囲では５０μｍ超８０μｍ以下とする。コロニーサイズが８０μｍ超の場合、耐摩耗性は向上するが、コロニー境界に加わる応力集中の増大により耐疲労損傷性が低下する。一方、コロニーサイズを５０μｍ以下にすると、耐疲労損傷性が向上するが、パーライト変態開始温度の上昇により硬さが低下し、摩耗量が増大する。このため、レール頭部コーナー部およびレール頭頂部の表面部分のパーライトコロニーの平均粒径を５０μｍ超８０μｍ以下として、パーライト変態速度の低下により硬さを上昇させて耐摩耗性を向上させつつ応力集中の緩和により耐疲労損傷性を向上させることにより、耐摩耗性および耐疲労損傷性に優れたレールが得られる。

パーライトコロニーの平均粒径が５０μｍ超８０μｍ以下となる範囲を、レール頭部コーナー部およびレール頭頂部の表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍの範囲としたのは、車輪とレールの接触による摩耗分を考慮すると、損傷を起こす範囲がレール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の範囲であるからである。

次に、化学成分の限定理由を述べる。

Ｃ：０．７５〜０．８５％
Ｃはパーライト組織においてセメンタイトを形成し、耐摩耗性を確保するための必須元素であり、含有量の増加に伴い耐摩耗性が向上する。Ｃ含有量が０．７５％未満では従来の熱処理型パーライト鋼レールと比較して優れた耐摩耗性を得ることが難しい。一方、０．８５％を超えると熱間圧延後の変態時に初析セメンタイトがオーステナイト粒界に生成して耐疲労損傷性が低下するようになる。したがって、Ｃ含有量を０．７５〜０．８５％とする。

Ｓｉ：０．２〜１．２％
Ｓｉは脱酸剤として添加する元素であり、そのために０．２％以上含有する必要がある。また、Ｓｉはパーライト中のフェライトへの固溶強化により、強度を向上させる効果を有するため、積極的に添加する。しかし、Ｓｉの量が１．２％を超えるとＳｉの有する酸素との高い結合力のため、溶接性が劣化する。したがって、Ｓｉ含有量を０．２〜１．２％とする。

Ｍｎ：０．４〜１．５％
Ｍｎはパーライト変態温度を低下させてパーライト組織のラメラー間隔を細かくすることにより、レールの高強度化、高延性化に寄与する元素である。しかし、その含有量が０．４％未満では十分な効果が得られず、１．５％を超えると鋼のミクロ偏析によるマルテンサイト組織が生じ易くなり、熱処理時および溶接時に硬化や脆化を生じ材質が劣化する。したがって、Ｍｎ含有量を０．４〜１．５％とする。

Ｐ：０．０３５％以下
０．０３５％を超えるＰの含有は延性を劣化する。したがって、Ｐ含有量を０．０３５％以下とする。

Ｓ：０．０３５％以下
Ｓは主に介在物の形態で鋼中に存在するが、その含有量が０．０３５％を超えるとこの介在物量が著しく増加し、材質の脆化を引き起こす。したがって、Ｓ含有量を０．０３５％以下とする。

Ｎｂ：０．００１〜０．０５％
Ｎｂは鋼中のＣと結び付いて圧延中および圧延後に炭化物として析出し、パーライトコロニーの微細化に有効に作用する。その結果、耐摩耗性、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿命化に大きく寄与する。さらに水素のトラップサイトとしての機能を果たすため、遅れ破壊特性も向上する。ただし、Ｎｂ含有量が０．００１％未満では十分な効果が得られない。また、０．０５％を超えて含有すると、オーステナイトの過度の再結晶抑制効果により、パーライトの変態開始温度が上昇するため、耐摩耗性が低下する。したがって、Ｎｂの含有量を０．００１〜０．０５％とする。

Ｖ：０．００１〜０．０５％
Ｖは鋼中のＣと結び付いて圧延中および圧延後に炭化物として析出し、パーライトコロニーの微細化に有効に作用して、耐摩耗性、耐疲労損傷性、延性を向上させ、レールの長寿命化に寄与するため、必要に応じて添加する。ただし、Ｖ含有量が０．００１％未満では十分な効果が得られない。また０．０５％を超えて含有しても、耐摩耗性、耐疲労損傷性、延性の向上効果が飽和し、含有量に見合う効果が得られない。したがって、Ｖを添加する場合には、その含有量を０．００１〜０．０５％とする。

Ｃｒ：１．５％以下
Ｃｒは固溶強化によりさらなる高強度化を図るための元素であり、必要に応じて添加する。ただし、その含有量が１．５％を超えると焼入れ性が高くなり、マルテンサイトが生成し、耐摩耗性、延性が低下する。したがって、Ｃｒを添加する場合には、その含有量を１．５％以下とする。

Ｃｕ：１．０％以下
ＣｕはＣｒと同様に固溶強化により更なる高強度化を図るための元素であり、必要に応じて添加する。ただし、その含有量が１．０％を超えるとＣｕ割れが生じる。したがって、Ｃｕを添加する場合には、その含有量を１．０％以下とする。

Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは固溶強化により更なる高強度化を図るための元素であり、必要に応じて添加する。ただし、その含有量が１．０％を超えるとベイナイト組織が生じやすくなり、耐摩耗性が低下する。したがって、Ｍｏを添加する場合には、その含有量を１．０％以下とする。

Ｃａ：０．０１５％以下
Ｃａは介在物形態制御を行うための元素であり必要に応じて添加する。ただし、その含有量が０．０１５％を超えるとＣａ系介在物が多量に生成し耐疲労損傷性が低下する。したがって、Ｃａを添加する場合には、その含有量を０．０１５％以下とする。

次に本発明製造方法について説明する。
本発明のパーライト組織を有するレールを得るためには、上記成分組成の鋼を、圧延仕上温度：８５０〜９５０℃としてレール形状に圧延し、圧延後にレールを冷却速度０．５〜１５℃／秒の範囲で４００〜６００℃まで制御冷却する。

圧延仕上温度：８５０〜９５０℃
圧延仕上温度が８５０℃より低い場合は、オーステナイト低温域まで圧延を行うことになり、オーステナイト結晶粒に加工歪が導入されるだけでなく、オーステナイト結晶粒の伸長度合いも顕著となる。転位の導入かつオーステナイト粒界面積の増加により、パーライト核生成サイトが増加し、パーライトコロニーは微細化し、コロニーサイズが５０μｍ以下となる。しかし、パーライト核生成サイトの増加により、パーライト変態温度が上昇し、パーライトラメラー間隔が粗大化するため、耐摩耗性が著しく低下する。一方、圧延仕上温度が９５０℃を超える場合は、オーステナイト結晶粒が粗大になるため、最終的に得られるパーライトコロニーが粗くなり、コロニーサイズが８０μｍを超え耐疲労損傷性が低下する。したがって、圧延仕上温度は８５０〜９５０℃とする。

冷却速度：０．５〜１５℃／秒
冷却速度が０．５℃／秒未満の場合は、パーライト変態開始温度が上昇し、パーライトラメラー間隔が粗大化し、耐摩耗性、耐疲労損傷性が著しく低下する。一方、冷却速度が１５℃／秒を超える場合は、マルテンサイト組織が生成し、延靭性が低下する。したがって、冷却速度は０．５〜１５℃／秒の範囲とする。

冷却停止温度：４００〜６００℃
本発明の範囲の化学成分、冷却速度の場合、パーライト変態温度は概ね５５０〜７００℃となる。また、冷却速度０．５〜１５℃／秒の範囲で均質なパーライト組織を得るためには、冷却停止温度をパーライト変態開始温度より１００℃程度低い状態に確保する必要がある。したがって、冷却停止温度は４００〜６００℃とする。しかしながら、冷却停止温度を低く設定することは冷却時間の増大を招き、レールのコストアップにつながる。よって、好ましくは、冷却停止温度は４８０℃超６００℃以下とする。さらに好ましくは、５００℃超６００℃以下とする。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

（実施例１）
表１に示す化学成分を有する鋼Ｎｏ．１Ａ、１Ｂについて、表２に示す条件で、圧延し、レール頭部のみを冷却し、冷却停止後に放冷することで、レール頭部のパーライトコロニーサイズを変化させたレール符号１〜８を製造した。レール符号１〜８について、下記の要領で耐摩耗性と耐疲労損傷性を評価した。

・耐摩耗性試験
耐摩耗性に関しては、西原式摩耗試験機を用いて実際のレールと車輪の接触条件をシミュレートして評価した。外径３０ｍｍの西原式摩耗試験片をレール頭部から採取し、試験環境条件は乾燥状態とし、接触圧力：１．４ＧＰａ、滑り率：１０％の条件で１０万回転後の摩耗量を測定した。摩耗量の大小を比較する際に基準となる鋼材として現用のＣ含有量０．６８％の熱処理型パーライト鋼Ｎｏ．１Ａにより製造したレール符号１を採用し、レール符号１よりも１５％以上摩耗量が少ない場合に耐摩耗性が向上したと判定した。

・耐疲労損傷試験
耐疲労損傷性の評価についても西原式摩耗試験機を用いて実際のレールと車輪の接触条件をシミュレートして評価した。耐疲労損傷性に関しては、接触面を曲率半径１５ｍｍの曲面とした直径３０ｍｍの西原式摩耗試験片をレール頭部から採取し、接触圧力：２．２ＧＰａ、滑り率：２０％、油潤滑条件で、２万５千回毎に試験片表面を観察し、０．５ｍｍ以上の亀裂が発生した時点を疲労損傷寿命とした。疲労損傷寿命の大小を比較する際に基準となる鋼材として現用のＣ含有量０．６８％の熱処理型パーライト鋼Ｎｏ．１Ａにより製造したレール符号１を採用し、レール符号１よりも１５％以上疲労損傷時間が長い場合に耐疲労損傷性が向上したと判定した。

上記の試験結果を表２に併記する。また、図２は横軸にパーライトコロニーサイズをとり縦軸に耐摩耗性および耐疲労損傷性をとってこれらの関係を示す図であり、基準材であるレール符号１の摩耗量、疲労損傷寿命に対し、１０万回回転後の摩耗量の増減および疲労損傷寿命の増減を示すものである。図２より、本発明レール符号４〜６は、レール頭部のパーライトコロニーサイズを５０μｍ超８０μｍ以下とすることで、耐摩耗性および耐疲労損傷性が向上していることが分かる。

（実施例２）
表３に示す化学組成を有する鋼Ｎｏ．Ａ〜Ｌを１２５０℃に加熱後、表４に示す条件で、圧延し、レール頭部のみを冷却し、冷却停止後に放冷することで、レール頭部のパーライトコロニーサイズを変化させたレール符号９〜２０を製造した。レール符号９〜２０の頭部から、実施例１と同様にして、試験片を採取し、耐摩耗性および耐疲労損傷性を評価した。

上記の試験結果を表４に併記する。ここでは、耐摩耗性および耐疲労損傷性は基準材であるレール符号９を１．００とする指数で示す。この結果から、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｂの組成を適正範囲に制御した上で、さらに、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃａから選択される１種または２種以上の成分を適正範囲で含有することにより、レールの耐摩耗性および耐疲労損傷性をより向上することができることが確認された。

本発明は、高軸重鉄道のレールの高寿命化や鉄道事故防止に寄与する優れたレールを提供するものであり、産業上有益な効果がもたらされる。

パーライト組織を模式的に示す図。耐摩耗性および耐疲労損傷性におよぼすパーライトコロニーサイズの影響を示す図。

符号の説明

１フェライト
２セメンタイト
３パーライトコロニー

Claims

質量％で、Ｃ：０．７５〜０．８５％、Ｓｉ：０．４５〜１．２％、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｎｂ：０．００１〜０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼で構成されたレールであって、
レール断面内のパーライトコロニーの平均粒径が、レール頭部コーナー部およびレール頭頂部の表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍの範囲で５０μｍ超８０μｍ以下であることを特徴とする高強度パーライト系レール。
質量％で、さらに、Ｖ：０．００１〜０．０５％、Ｃｒ：０．３１％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃａ：０．０１５％以下から選択される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に記載の高強度パーライト系レール。
請求項１または請求項２に記載の組成を有する鋼を、圧延仕上温度が８５０〜９１０℃となるように熱間圧延する工程と、前記熱間圧延された鋼材をパーライト変態開始温度以上から、０．５〜１５℃／秒の冷却速度で４００〜６００℃まで加速冷却する工程を具備することを特徴とする高強度パーライト系レールの製造方法。