JP4736790B2 - 高強度パーライト系レールおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
2 セメンタイト
3 パーライトコロニー
Claims (3)
- 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。
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