JP5482559B2 - Bainite rail - Google Patents
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Description
本発明は、国内の旅客鉄道や海外の貨物鉄道で使用される直線区間のレールにおいて、頭部や底部の耐疲労損傷性を向上させることを目的としたベイナイト系レールに関するものである。 The present invention relates to a bainite-based rail for the purpose of improving the fatigue damage resistance of the head and bottom of a rail in a straight section used in domestic passenger railways and overseas freight railways.
近年、鉄道輸送では、輸送効率の向上を目的として、列車の高速化が進められている。これにともない主に高速運転が行われる直線区間のレールにおいては、レール使用環境の苛酷化により、レールと車輪の繰り返し接触によるダークスポット損傷と呼ばれるレール頭表面のころがり疲労損傷の発生が増加している。 In recent years, in railway transportation, the speed of trains has been increased for the purpose of improving transportation efficiency. As a result, in rails in a straight section where high-speed operation is mainly performed, the occurrence of rolling fatigue damage on the rail head surface called dark spot damage due to repeated contact between the rail and wheels has increased due to the severe use of the rail. Yes.
このダークスポット損傷は旅客鉄道や貨物鉄道の高速運転区間のレールで発生しやすく、従来からのパーライト組織を呈したレールではその発生の抑制が困難であった。 This dark spot damage is likely to occur on rails in high-speed operation sections of passenger and freight railways, and it has been difficult to suppress the occurrence of such damage with conventional pearlite rails.
本発明者らは、ダークスポット損傷の原因であるレールと車輪の繰り返し接触によって生成する疲労層（疲労ダメージ層、集合組織）の形成と金属組織の関係を研究した。 The present inventors studied the relationship between the formation of a fatigue layer (fatigue damage layer, texture) generated by repeated contact between a rail and a wheel, which causes dark spot damage, and the metal structure.
その結果、フェライト相とセメンタイト相の層状構造を成しているパーライト組織では、疲労ダメージ層が蓄積し易く、さらに、集合組織が発達し易いのに対して、柔らかなフェライト組織地に粒状の硬い炭化物が分散したベイナイト組織は、疲労ダメージ層が蓄積し難く、さらに、表面疲労損傷の引き金となる集合組織が発達し難く、結果としてダークスポット損傷が発生しにくいことが明らかとなった。 As a result, in the pearlite structure that has a layered structure of ferrite phase and cementite phase, the fatigue damage layer is easy to accumulate and the texture is easy to develop, whereas the soft ferrite texture is hard and granular It has been clarified that the bainite structure in which the carbides are dispersed hardly accumulates the fatigue damage layer, and further, the texture that triggers the surface fatigue damage hardly develops, and as a result, the dark spot damage hardly occurs.
このような背景から下記に示すようなレールが開発された。これらのレールの主な特徴は、耐ころがり疲労損傷性に優れたベイナイト組織を安定に生成させるため、従来の普通炭素鋼レールと比較して炭素量を低減させると同時に、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を多く添加し、さらに、強度を確保するため適切な熱処理を施したものである（例えば、特許文献１、２参照）。
Against this background, the following rails have been developed. The main feature of these rails is to stably generate a bainite structure with excellent rolling fatigue resistance, so that the amount of carbon is reduced as compared with conventional ordinary carbon steel rails, and at the same time, Mn, Cr, Mo, etc. A large amount of the above alloying elements are added, and appropriate heat treatment is performed to ensure strength (see, for example,
特許文献１の開示技術では、低炭素成分のベース鋼にＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を多量に添加し、圧延のままでベイナイト組織を得、耐ころがり疲労損傷性に優れたレールを提供することができる。
In the disclosed technology of
特許文献２の開示技術では、低炭素成分のベース鋼にＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を添加し、熱間圧延後の高温度の熱を保有するレール、あるいは高温に加熱されたレールの頭部を加速冷却することにより、耐ころがり疲労損傷性に優れたレールを提供することができる。
In the disclosed technique of
上記のベイナイト組織を呈するレールが発明されたことにより、レールの耐ころがり疲労損傷性が向上し、一定の使用寿命の向上が図られた。しかし、ベイナイト鋼レールでは耐力が高く、ローラー矯正後の残留応力が高くなり易いことや、近年、鉄道輸送のさらなる過密化が進んだこと等から、ベイナイト鋼レールの頭部や底部からの疲労損傷の発生が健在化するようになった。その結果、上記に示された発明レールでは、レール使用寿命が大きく低下するといった問題がある。 By inventing the rail having the bainite structure, the rolling fatigue resistance of the rail is improved, and a certain service life is improved. However, bainite steel rails have high yield strength, and the residual stress after roller straightening tends to be high, and due to the recent increase in overcrowding of rail transport, fatigue damage from the head and bottom of bainite steel rails has occurred. Outbreaks became alive. As a result, the above-described inventive rail has a problem that the service life of the rail is greatly reduced.
このような背景から、ベイナイト組織を呈した鋼レールにおいて、レール頭部や底部からの耐疲労損傷性を向上させたレールの提供が望まれるようになった。 From such a background, in the steel rail having a bainite structure, it has been desired to provide a rail having improved fatigue damage resistance from the head and bottom of the rail.
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み案出されたものであり、その目的とするところは、国内の旅客鉄道や海外の貨物鉄道で使用される直線区間のレールの耐疲労損傷性を向上させることを目的としたものである。 Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and its object is to improve the fatigue damage resistance of a rail in a straight section used in domestic passenger railways and overseas freight railways. The purpose is to improve.
（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．１０〜２．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、該鋼レールの頭部表面および底部表面それぞれの面積率で９７％以上がベイナイト組織であり、かつ、前記ベイナイト組織の表面硬さ（ＳＶＨ）がＨｖ２８０〜４８０の範囲であり、前記ベイナイト組織の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が２００μｍ以下であって、前記表面硬さ（ＳＶＨ）と前記最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比（ＳＶＨ／Ｒｍａｘ）が３．０以上であることを特徴とするベイナイト系レール。
(1) By mass%, C: 0.15-0.45%, Si: 0.05-2.00%, Mn: 0.10-2.00%, Cr: 0.10-2.00% In which the balance is Fe and inevitable impurities, and the area ratio of the head surface and the bottom surface of the steel rail is 97% or more of the bainite structure, and the surface hardness of the bainite structure. (SVH) is in the range of Hv280～480, the ratio of the a to the maximum surface roughness of the bainite structure (Rmax) is 200μm or less, the surface hardness (SVH) to the maximum surface roughness (Rmax) (SVH / Rmax) is 3.0 or more, a bainite rail.
（２）（１）に記載の鋼レールにおいて、前記最大表面粗さを測定した部位において、レール高さ方向の平均値に対して最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数が測定長さ５ｍｍあたり１０個以下であることを特徴とするベイナイト系レール。
（３）（１）〜（２）に記載の鋼レールにおいて、該鋼レールの頭部表面および底部表面それぞれの残留応力が引張２００ＭＰａ〜圧縮２００ＭＰａの範囲にあることを特徴とするベイナイト系レール。
(2) In the steel rail described in (1) , the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness with respect to the average value in the rail height direction is measured at the portion where the maximum surface roughness is measured. A bainite-type rail characterized by being 10 or less per 5 mm in length.
(3) A bainite-based rail characterized in that in the steel rail described in (1) to (2) , residual stresses on the top surface and the bottom surface of the steel rail are in the range of 200 MPa to 200 MPa in tension.
（４）また、上記（１）〜（３）のレールには、質量％でさらに、下記（a）〜（ｋ）の成分を選択的に含有させることができ、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。
（ａ）Ｍｏ：０．０１〜１．００％の１種、
（ｂ）Ｂ：０．０００１〜０．００５０％の１種、
（ｃ）Ｖ：０．００５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％の１種または２種、
（ｄ）Ｎｉ：０．０５〜１．００％の１種、
（ｅ）Ｃｕ：０．０５〜１．００％の１種、
（ｆ）Ｃｏ：０．０１〜１．００％の１種、
（ｇ）Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％の１種、
（ｈ）Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２００％の１種または２種、
（ｉ）Ａｌ：０．００４０〜１．００％の１種、
（k）Ｎ：０．００６０〜０．０２００％の１種」
(4) Further, the rails of the above (1) to (3) can further contain the following components (a) to (k) selectively by mass%, with the balance being Fe and inevitable impurities. Consists of.
(A) Mo: 0.01% to 1.00%,
(B) B: 0.0001% to 0.0050%,
(C) one or two of V: 0.005 to 0.50%, Nb: 0.002 to 0.050%,
(D) Ni: 0.05% to 1.00%,
(E) Cu: one kind of 0.05 to 1.00%,
(F) Co: 0.01% to 1.00%,
(G) Ti: one kind of 0.0050 to 0.0500%,
(H) One or two of Mg: 0.0005 to 0.0200%, Ca: 0.0005 to 0.0200%,
(I) Al: one kind of 0.0040 to 1.00%,
(K) N: one kind of 0.0060 to 0.0200% "
本発明によれば、ベイナイト組織を呈する鋼レールの頭部および底部の表面硬さや最大表面粗さをある一定の範囲に制御することにより、国内の旅客鉄道や海外の貨物鉄道で使用される直線区間のレールの耐疲労損傷性を向上させることが可能となる。 According to the present invention, by controlling the surface hardness and the maximum surface roughness of the head and bottom of a steel rail exhibiting a bainite structure to a certain range, straight lines used in domestic passenger railways and overseas freight railways It becomes possible to improve the fatigue damage resistance of the rails in the section.
以下に本発明を実施する形態として、耐摩耗性および耐疲労損傷性に優れたベイナイト系レールにつき、詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。以下、組成における質量％は、単に％と記載する。 Hereinafter, a bainitic rail excellent in wear resistance and fatigue damage resistance will be described in detail as an embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Hereinafter, the mass% in the composition is simply described as%.
まず、本発明者らは、実軌道でのレールの疲労損傷の発生状況を調査した。レール頭部では疲労損傷は車輪と接触するころがり面ではなく、その周囲の非接触部の表面から発生していることを確認した。また、レール底部では比較的応力が高い底部の幅中央部付近の表面から発生していることを確認した。したがって、実軌道での疲労損傷は製品レールの頭部、底部の表面から発生していることを明らかにした。 First, the present inventors investigated the occurrence of fatigue damage on rails on actual tracks. In the rail head, it was confirmed that the fatigue damage occurred not from the rolling surface in contact with the wheel but from the surface of the surrounding non-contact portion. In addition, it was confirmed that the rail bottom portion was generated from the surface near the center of the width of the bottom portion where the stress was relatively high. Therefore, it was clarified that fatigue damage on the actual track occurred from the top and bottom surfaces of the product rail.
さらに、本発明者らは、この調査結果に基づき、レールの疲労損傷の発生因子を解明した。鋼の疲労強度は一般的に鋼の引張強度（硬さ）との相関があることが知られている。そこで、Ｃ量：０．０５〜０．５５％、Ｓｉ量：０．０５〜２．００％、Ｍｎ量：０．１０〜２．００％、Ｃｒ量：０．１０〜２．００％の鋼を用いて、レール圧延および熱処理を行い、鋼レールを製造し、実軌道の使用条件を再現した疲労試験を行った。なお、試験条件は下記に示すとおりである。
（ｘ１）レール形状：１３６ポンドレール（６７ｋｇ／ｍ）
（ｘ２）疲労試験
試験方法：実物レール３点曲げ（スパン長：１ｍ、周波数：５Ｈｚ）
荷重条件：応力範囲制御（最大−最小、最小荷重は最大荷重の１０％）
（ｘ３）試験姿勢：レール頭部に荷重負荷（底部に引張応力作用）。
（ｘ４）繰り返し回数：２００万回、未破断の場合の最大応力範囲を疲労限応力範囲とする。
Furthermore, the present inventors have elucidated factors that cause fatigue damage on rails based on the results of this investigation. It is known that the fatigue strength of steel is generally correlated with the tensile strength (hardness) of steel. Therefore, C amount: 0.05 to 0.55%, Si amount: 0.05 to 2.00%, Mn amount: 0.10 to 2.00%, Cr amount: 0.10 to 2.00% Using steel, rail rolling and heat treatment were performed to produce a steel rail, and a fatigue test was performed to reproduce the actual use conditions of the track. The test conditions are as shown below.
(X1) Rail shape: 136 pound rail (67 kg / m)
(X2) Fatigue test Test method: Real rail three-point bending (span length: 1 m, frequency: 5 Hz)
Load conditions: Stress range control (maximum-minimum, minimum load is 10% of maximum load)
(X3) Test posture: Load applied to rail head (tensile stress action on bottom).
(X4) Number of repetitions: 2 million times, the maximum stress range in the case of unruptured is defined as the fatigue limit stress range.
３点曲げ疲労試験の結果を図１に示す。図１はレールの疲労試験の結果を鋼レールの底部表面の金属組織や硬さと疲労限応力範囲の関係で整理したものである。ここで、鋼レールの底部表面とは、図６に示す足裏部３であり、疲労限応力範囲とは、上記（ｘ２）に示すとおり、疲労試験において最大応力と最小応力で荷重を変動させて試験を行った際に、最大応力と最小応力の差を疲労試験における応力範囲とし、その中で、上記（ｘ４）に示すとおり、未破断の場合の最大応力範囲を疲労限応力範囲とする。 The results of the three-point bending fatigue test are shown in FIG. FIG. 1 is a summary of the results of rail fatigue tests in relation to the metal microstructure and hardness of the steel rail bottom surface and the fatigue limit stress range. Here, the bottom surface of the steel rail is the sole 3 shown in FIG. 6, and the fatigue limit stress range is the variation of the load with the maximum stress and the minimum stress in the fatigue test as shown in (x2) above. When the test is performed, the difference between the maximum stress and the minimum stress is set as the stress range in the fatigue test. Among them, as shown in (x4) above, the maximum stress range when not broken is set as the fatigue limit stress range. .
鋼の疲労特性を決める疲労限応力範囲は、鋼の金属組織とよい相関があることが確認された。ベイナイト組織中に初析フェライト組織やマルテンサイト組織が混在すると、疲労限応力範囲が大きく低下し、疲労強度が大きく低下することが明らかになった。 It was confirmed that the fatigue limit stress range that determines the fatigue characteristics of steel has a good correlation with the microstructure of steel. It was revealed that when a pro-eutectoid ferrite structure and a martensite structure were mixed in the bainite structure, the fatigue limit stress range was greatly reduced and the fatigue strength was greatly reduced.
また、ベイナイト単相組織では、底部の表面硬さが上昇するに従って疲労限応力範囲が増加する傾向を示すが、しかし、表面硬さがある一定値を超えると疲労限応力範囲が低下することが確認された。したがって、ある一定の疲労強度を確実に確保するには、表面硬さを一定の範囲に収める必要があることが明らかとなった。 In the bainite single-phase structure, the fatigue limit stress range tends to increase as the bottom surface hardness increases. However, if the surface hardness exceeds a certain value, the fatigue limit stress range may decrease. confirmed. Therefore, it has been clarified that the surface hardness needs to be within a certain range to ensure a certain fatigue strength.
さらに、本発明者らは、ベイナイト鋼レールの疲労強度を確実に向上させるため、同一硬さの鋼レールの疲労限応力範囲が大きくばらつく要因を検証した。図１に示したように硬さが同一のベイナイト組織においても疲労限応力範囲が２００〜２５０ＭＰａ程度変動する。そこで、疲労試験において破断した鋼レールの起点を調査した。その結果、起点には凹凸があり、この凹凸部から疲労損傷が発生していることが確認された。 Furthermore, in order to improve the fatigue strength of a bainite steel rail surely, the present inventors verified the factor that the fatigue limit stress range of a steel rail having the same hardness greatly varies. As shown in FIG. 1, even in a bainite structure having the same hardness, the fatigue limit stress range varies by about 200 to 250 MPa. Then, the starting point of the steel rail which broke in the fatigue test was investigated. As a result, it was confirmed that the starting point had irregularities, and fatigue damage was generated from the irregularities.
そこで、本発明者らは、ベイナイト鋼レールの疲労強度と表面の凹凸の関係を詳細に調査した。図２にその結果を示す。図２は、Ｃ量：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ量：０．３０％、Ｍｎ量：１．００％、Ｃｒ量：１．００％、硬さＨｖ２８０〜４８０のベイナイト鋼レールの底部表面の粗度を粗さ計で測定し、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）と疲労限応力範囲の関係で整理したものである。ここで、最大表面粗さとは、測定基準長さにおいて高さ方向の平均値を基準として、最大の谷深さ、最大の山高さの和であり、詳細にはＪＩＳ Ｂ ０６０１に記載の粗さ曲線の最大高さ（Ｒｚ）のことを示す。なお、表面粗度の測定に際しては事前にレール表面のスケールを酸洗またはサンドブラスト除去した。
Therefore, the inventors investigated in detail the relationship between the fatigue strength of the bainite steel rail and the surface roughness. The results are shown in FIG. FIG. 2 shows a bainite steel rail having a C content of 0.15 to 0.45%, a Si content of 0.30%, a Mn content of 1.00%, a Cr content of 1.00%, and a hardness of
ベイナイト鋼の疲労強度は最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）とよい相関があり、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）がある一定範囲以下に収まると、疲労限応力範囲が大幅に上昇し、疲労強度（≧３００ＭＰａ）が向上することが明らかとなった。 The fatigue strength of bainite steel has a good correlation with the maximum surface roughness (Rmax), and when the maximum surface roughness (Rmax) falls below a certain range, the fatigue limit stress range increases significantly, and fatigue strength (≧ 300 MPa) ) Was found to improve.
これらの結果から、国内の旅客鉄道や海外の貨物鉄道の直線区間で使用される鋼レールの疲労強度を向上させるには、金属組織的にはベイナイト単相組織とし、鋼レールの表面の硬さを一定の範囲に収め、さらに、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を一定範囲内に収める必要があることを新たに見いだした。 From these results, in order to improve the fatigue strength of steel rails used in straight sections of domestic passenger railways and overseas freight railways, the bainite single-phase structure is used in terms of metal structure, and the surface hardness of the steel rails is increased. Was newly found to be within a certain range and the maximum surface roughness (Rmax) within a certain range.
さらに、本発明者らは、ベイナイト鋼レールの疲労限応力範囲と表面の硬さ（ＳＶＨ）、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の関係を詳細に調査した。その結果、鋼レールの表面硬さ（ＳＶＨ）と最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比、すなわち、ＳＶＨ／Ｒｍａｘと疲労限応力範囲にはよい相関があること突きとめた。図３はＣ量：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ量：０．３０％、Ｍｎ量：１．００％、Ｃｒ量：１．００％、硬さＨｖ２８０〜４８０のベイナイト鋼レールの底部表面のＳＶＨ／Ｒｍａｘと疲労限応力範囲の関係を示したものである。いずれの硬さの鋼レールにおいても、ＳＶＨ／Ｒｍａｘの値が３．０以上に制御することにより、疲労限応力範囲が上昇し、疲労強度が大きく向上することが新たに知見された。
これらの発明に加えて、本発明者らは、鋼レールの疲労強度を向上させるため、鋼レールの表面の粗さを詳細に制御する方法を検討した。図４はＣ量：１．００％、Ｓｉ量：０．３０％、Ｍｎ量：１．００％、Ｃｒ量：１．００％、レール底部の硬さＨｖ４００、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が１５０μｍと５０μｍのベイナイト鋼レールにおいて疲労試験を行った結果を示す。粗さとの関係を詳細に検討するため、レール高さ方向の平均値に対して最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数との相関を調査した。ここでの０．３０倍を超える凹凸とは、例えばＲｍａｘが１５０μｍの場合は、測定部位のレール高さ方向の平均を基準として、その凹凸高さが４５μｍ（１５０μｍ×０．３０）を超えるものを対象とする。なお、凹凸の数は測定長さ５ｍｍでの個数である。いずれの硬さの鋼レールにおいても、凹凸の数が１０個以下に制御することにより、疲労限応力範囲がさらに上昇し、疲労強度が大きく向上することを見いだした。
Furthermore, the present inventors investigated in detail the relationship between the fatigue limit stress range of the bainite steel rail, the surface hardness (SVH), and the maximum surface roughness (Rmax). As a result, it has been found that there is a good correlation between the ratio of the surface hardness (SVH) and the maximum surface roughness (Rmax) of the steel rail, that is, SVH / Rmax and the fatigue limit stress range. FIG. 3 shows the bottom of a bainite steel rail having a C content of 0.15 to 0.45%, a Si content of 0.30%, a Mn content of 1.00%, a Cr content of 1.00%, and a hardness of
In addition to these inventions, the present inventors studied a method for controlling the roughness of the surface of the steel rail in detail in order to improve the fatigue strength of the steel rail. FIG. 4 shows C amount: 1.00%, Si amount: 0.30%, Mn amount: 1.00%, Cr amount: 1.00%, rail bottom hardness Hv400, and maximum surface roughness (Rmax). The result of having performed the fatigue test in the bainitic steel rail of 150 micrometers and 50 micrometers is shown. In order to examine the relationship with roughness in detail, the correlation between the average value in the rail height direction and the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness was investigated. For example, when Rmax is 150 μm, the unevenness exceeding 0.30 times here means that the unevenness height exceeds 45 μm (150 μm × 0.30) on the basis of the average of the measurement site in the rail height direction. Is targeted. In addition, the number of unevenness | corrugations is a number in measurement length 5mm. It was found that the fatigue limit stress range was further increased and the fatigue strength was greatly improved by controlling the number of irregularities in the steel rail of any hardness to 10 or less.
さらに、本発明者らは、これらの知見に加え、さらにベイナイト鋼レールの疲労強度を向上させる方法を検討した。その結果、鋼レールの底部表面の残留応力と疲労限応力範囲にはよい相関があること突きとめた。図５はＣ量：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ量：０．３０％、Ｍｎ量：１．００％、Ｃｒ量：１．００％、硬さＨｖ４００、ＳＶＨ／Ｒｍａｘの値が３．０以上のベイナイト鋼レールの底部表面の長手方向残留応力と疲労限応力範囲の関係を示したものである。いずれの硬さの鋼レールにおいても、長手方向残留応力が引張２００ＭＰａ〜圧縮２００ＭＰａの範囲に制御することにより、疲労限応力範囲が上昇し、疲労強度がさらに大きく向上することが新たに知見された。 In addition to these findings, the present inventors further studied a method for improving the fatigue strength of the bainite steel rail. As a result, it was found that there is a good correlation between the residual stress on the bottom surface of the steel rail and the fatigue limit stress range. FIG. 5 shows C amount: 0.15 to 0.45%, Si amount: 0.30%, Mn amount: 1.00%, Cr amount: 1.00%, hardness Hv400, SVH / Rmax value is 3. This shows the relationship between the longitudinal residual stress on the bottom surface of a bainite steel rail of 0.0 or more and the fatigue limit stress range. It has been newly found that, in any steel rail of any hardness, the fatigue limit stress range is increased and the fatigue strength is further improved by controlling the residual stress in the longitudinal direction within the range of 200 MPa to 200 MPa. .
すなわち、本発明は、ベイナイト組織を呈する鋼レールの頭部および底部の表面硬さや最大表面粗さをある一定の範囲に制御し、表面硬さと最大表面粗さの比、さらには、ある一定値を超える表面凹凸の数や残留応力を制御することにより、国内の旅客鉄道や海外の貨物鉄道で使用される直線区間のレールの耐疲労損傷性を向上させることを目的としたベイナイト系レールに関するものである。なお、本実施形態では、レール底部表面についての結果を図１〜図５に示しているが、レール頭部表面についてもレール底部表面の図１〜図４と同様の結果が得られている。 That is, the present invention controls the surface hardness and the maximum surface roughness of the head and bottom of the steel rail exhibiting a bainite structure within a certain range, the ratio between the surface hardness and the maximum surface roughness, and a certain constant value. Related to bainite rails for the purpose of improving the fatigue damage resistance of rails in straight sections used in domestic passenger railways and overseas freight railways by controlling the number of surface irregularities and residual stresses exceeding It is. In addition, in this embodiment, although the result about the rail bottom part surface is shown in FIGS. 1-5, the result similar to FIGS. 1-4 of the rail bottom part surface is obtained also about the rail head surface.
次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。以下、鋼組成における質量％は、単に％と記載する。 Next, the reason for limitation of the present invention will be described in detail. Hereinafter, the mass% in the steel composition is simply described as%.
（１）化学成分の限定理由
請求項１において、レール鋼の化学成分を上記請求範囲に限定した理由について詳細に説明する。
(1) Reason for limitation of chemical component In
Ｃは、ベイナイト組織の強度と耐摩耗性を確保するための必須元素である。しかし、Ｃ量が０．１５％未満では、ベイナイト組織中に初析フェライト組織が生成し、ベイナイトレールに必要とされる強度や耐摩耗性を確保することが困難となり、塑性変形起因のフレーキング損傷が発生する。また、Ｃ量が０．４５％を超えると、ベイナイト組織中にパーライト組織が多く生成し、ころがり疲労損傷の一種であるダークスポット損傷が発生することや、ベイナイト変態速度が著しく低下し、レールの靭性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。このため、Ｃ添加量を０．１５〜０．４５％に限定した。 C is an essential element for ensuring the strength and wear resistance of the bainite structure. However, if the C content is less than 0.15%, a pro-eutectoid ferrite structure is formed in the bainite structure, making it difficult to ensure the strength and wear resistance required for the bainite rail, and flaking caused by plastic deformation. Damage will occur. Further, if the C content exceeds 0.45%, a lot of pearlite structure is generated in the bainite structure, dark spot damage which is a kind of rolling fatigue damage occurs, the bainite transformation speed is remarkably reduced, and the rail A martensite structure harmful to toughness is easily generated. For this reason, C addition amount was limited to 0.15-0.45%.
Ｓｉはベイナイト組織中の素地のフェライトに固溶することによって強度を向上させる元素である。しかし、Ｓｉ量が０．０５％未満では強度の向上が殆ど期待できない。また、Ｓｉ量が２．００％を超えると、焼入性が著しく増加し、ベイナイト組織中に疲労特性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このため、Ｓｉ添加量を０．０５〜２．００％に限定した。 Si is an element that improves the strength by dissolving in the base ferrite in the bainite structure. However, when the Si content is less than 0.05%, almost no improvement in strength can be expected. On the other hand, when the Si content exceeds 2.00%, the hardenability is remarkably increased, and a martensite structure that is harmful to fatigue characteristics is easily generated in the bainite structure. For this reason, Si addition amount was limited to 0.05 to 2.00%.
Ｍｎは、Ｃ同様に鋼の焼入性を高め、ベイナイト組織を安定的に生成させるためには欠かせない元素である。しかし、Ｍｎ量が０．１０％未満ではその効果が微弱であり、添加元素の組み合わせによっては、ベイナイト組織を安定的に得ることが困難となる。また、Ｍｎ量が２．００％を超えると、ベイナイト組織中に疲労特性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このため、Ｍｎ添加量を０．１０〜２．００％に限定した。 Mn, like C, is an element indispensable for enhancing the hardenability of steel and stably producing a bainite structure. However, when the amount of Mn is less than 0.10%, the effect is weak, and depending on the combination of additive elements, it is difficult to stably obtain a bainite structure. On the other hand, if the amount of Mn exceeds 2.00%, a martensite structure that is harmful to fatigue characteristics is easily generated in the bainite structure. For this reason, Mn addition amount was limited to 0.10 to 2.00%.
Ｃｒは、Ｍｎと同様に、ベイナイト組織を安定的させ、ベイナイト組織中の炭化物を微細に分散させ、強度を確保するために重要な元素である。しかし、Ｃｒ量が０．１０％未満ではその効果が微弱であり、添加元素の組み合わせによっては、ベイナイト組織を安定的に得ることが困難となる。また、Ｃｒ量が２．００％を超えると、ベイナイト組織中にベイナイト組織中に疲労特性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このため、Ｃｒ添加量を０．１０〜２．００％に限定した。 Cr, like Mn, is an important element for stabilizing the bainite structure, finely dispersing carbides in the bainite structure, and ensuring strength. However, if the Cr content is less than 0.10%, the effect is weak, and depending on the combination of additive elements, it is difficult to stably obtain a bainite structure. On the other hand, if the Cr content exceeds 2.00%, a martensite structure that is harmful to fatigue characteristics is easily generated in the bainite structure. For this reason, Cr addition amount was limited to 0.10 to 2.00%.
また、上記の成分組成で製造されるレールは、ベイナイト組織の硬度（強度）の向上、すなわち、耐疲労損傷性の向上、さらには、耐摩耗性の向上、靭性の向上、溶接熱影響部の軟化の防止、レール頭部内部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Ｍｏ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｎの元素を必要に応じて添加する。 In addition, the rail manufactured with the above component composition is improved in the hardness (strength) of the bainite structure, that is, improved in fatigue damage resistance, further improved in wear resistance, improved toughness, Add elements of Mo, B, V, Nb, Ni, Cu, Co, Ti, Mg, Ca, Al, and N as necessary to prevent softening and control the cross-sectional hardness distribution inside the rail head. To do.
ここで、Ｍｏは、ベイナイト変態を安定化させ、ベイナイト変態温度を低下させることによりベイナイト組織の硬度を確保する。Ｂは、旧オーステナイト粒界から生成する初析フェライト組織やパーライト組織の生成を抑制し、ベイナイト組織を安定的に生成させる。Ｖ、Ｎｂは、熱間圧延やその後の冷却課程で生成した炭化物や窒化物により、オーステナイト粒の成長を抑制し、さらに、析出硬化により、ベイナイト組織の靭性と硬度を向上させる。また、再加熱時に炭化物や窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。Ｎｉは、ベイナイト変態温度を低下させ、ベイナイト組織の強度を向上させる。Ｃｕは、ベイナイト組織中の基地フェライト相への固溶強化により強度を向上させる。Ｃｏは、ベイナイト組織中の基地フェライト相を微細化し、ベイナイト組織の耐摩耗性を確保する。Ｔｉは、熱間圧延やその後の冷却課程で生成した炭化物や窒化物により、オーステナイト粒の成長を抑制し、ベイナイト組織の延性や靱性の改善に寄与する。Ｍｇ、Ｃａは、熱間圧延やその後の冷却課程で生成した酸化物により、レール圧延時においてオーステナイト粒の微細化を図り、ベイナイト組織の靭性を向上させる。Ａｌは、熱間圧延やその後の冷却課程で生成した窒化物により、オーステナイト粒の成長を抑制し、ベイナイト組織の靭性を向上させる。さらに、脱酸材としてＳｉ脱酸での脱酸不足を補う。Ｎは、Ｖ、Ｔｉ、Ａｌと窒化物を形成し、オーステナイト粒の成長を抑制し、さらに、析出硬化により、ベイナイト組織の靭性と硬度を向上させることが主な添加目的である。 Here, Mo secures the hardness of the bainite structure by stabilizing the bainite transformation and lowering the bainite transformation temperature. B suppresses the formation of proeutectoid ferrite structure and pearlite structure generated from the prior austenite grain boundaries, and stably generates a bainite structure. V and Nb suppress the growth of austenite grains by carbides and nitrides generated by hot rolling and the subsequent cooling process, and further improve the toughness and hardness of the bainite structure by precipitation hardening. In addition, carbides and nitrides are stably generated during reheating, and softening of the weld joint heat-affected zone is prevented. Ni lowers the bainite transformation temperature and improves the strength of the bainite structure. Cu improves the strength by solid solution strengthening to the matrix ferrite phase in the bainite structure. Co refines the base ferrite phase in the bainite structure and ensures the wear resistance of the bainite structure. Ti suppresses the growth of austenite grains and contributes to the improvement of the ductility and toughness of the bainite structure by carbides and nitrides generated by hot rolling and the subsequent cooling process. Mg and Ca improve the toughness of the bainite structure by refining austenite grains during rail rolling with oxides generated during hot rolling and subsequent cooling processes. Al suppresses the growth of austenite grains and improves the toughness of the bainite structure by the nitride generated in the hot rolling and the subsequent cooling process. Furthermore, the deoxidation material compensates for deoxidation deficiency in Si deoxidation. N is mainly added to form nitrides with V, Ti, Al, suppress the growth of austenite grains, and further improve the toughness and hardness of the bainite structure by precipitation hardening.
これらの成分の限定理由について、以下に詳細に説明する。
Ｍｏは、ＭｎあるいはＣｒと同様、安定的にベイナイト組織を生成させ、ベイナイト変態温度を低下させることによりベイナイト組織の硬度を確保する元素である。しかし、Ｍｏ量が０．０１％未満ではベイナイト組織の生成や強度への寄与は少なく、添加元素の組み合わせによっては、ベイナイト組織を安定的に得ることが困難となる。また、Ｍｏ量が１．００％を超えると、焼入れ性の増加により、ベイナイト組織中に疲労特性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。さらに、鋼片において偏析を助長し、偏析部に疲労特性に有害なマルテンサイト組織を生成する。このため、Ｍｏ添加量を０．０１〜１．００％に限定した。
The reasons for limiting these components will be described in detail below.
Mo, like Mn or Cr, is an element that ensures the hardness of the bainite structure by generating a bainite structure stably and lowering the bainite transformation temperature. However, if the amount of Mo is less than 0.01%, the contribution to the formation and strength of the bainite structure is small, and it becomes difficult to stably obtain the bainite structure depending on the combination of the additive elements. On the other hand, when the Mo content exceeds 1.00%, the hardenability increases, and a martensite structure that is harmful to fatigue characteristics is easily generated in the bainite structure. Furthermore, segregation is promoted in the steel slab, and a martensite structure that is harmful to fatigue properties is generated in the segregated portion. For this reason, Mo addition amount was limited to 0.01 to 1.00%.
Ｂは、旧オーステナイト粒界から生成する初析フェライト組織やこれにともない変態するパーライト組織の生成を抑制し、ベイナイト組織を安定的に生成させる元素である。しかし、Ｂ量が０．０００１％未満ではその効果は弱い。また、Ｂ量が０．００５０％を超えても、その以上の効果が期待できない。このため、Ｂ添加量を０．０００１〜０．００５０％に限定した。 B is an element that suppresses the generation of a pro-eutectoid ferrite structure generated from the prior austenite grain boundaries and a pearlite structure that transforms along with this, and stably generates a bainite structure. However, if the amount of B is less than 0.0001%, the effect is weak. Further, even if the amount of B exceeds 0.0050%, no further effect can be expected. For this reason, B addition amount was limited to 0.0001 to 0.0050%.
Ｖは、熱間圧延後の冷却課程で生成したＶ炭化物、Ｖ窒化物による析出硬化により、ベイナイト組織の硬度（強度）を高め、ベイナイト組織の耐疲労損傷性を向上させる元素である。また、Ａｃ１点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、比較的高温度域でＶ炭化物やＶ窒化物を生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、Ｖ量が０．００５％未満ではその効果が十分に期待できない。また、Ｖ量が０．５０％を超えて添加してもそれ以上の効果が期待できない。このため、Ｖ添加量を０．００５〜０．５０％に限定した。 V is an element that increases the hardness (strength) of the bainite structure and improves the fatigue damage resistance of the bainite structure by precipitation hardening with V carbide and V nitride generated in the cooling process after hot rolling. Moreover, in the heat affected zone reheated to a temperature range below the Ac1 point, it is an element effective for generating V carbide and V nitride in a relatively high temperature range and preventing softening of the heat affected zone of the weld joint. is there. However, if the amount of V is less than 0.005%, the effect cannot be expected sufficiently. Even if the V content exceeds 0.50%, no further effect can be expected. For this reason, V addition amount was limited to 0.005-0.50%.
Ｎｂは、熱間圧延や高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Ｎｂ炭化物やＮｂ窒化物のピンニング効果によりオーステナイト粒を微細化し、ベイナイト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化物による析出硬化により、ベイナイト組織の硬度（強度）を高め、ベイナイト組織の耐疲労損傷性を向上させる元素である。また、Ａｃ１点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、低温度域から高温度域までＮｂの炭化物やＮｂ窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、その効果は、Ｎｂ量が０．００２％未満では、これらの効果が期待できず、ベイナイト組織の靭性や硬度（強度）の向上は認められない。また、Ｎｂ量が０．０５０％を超えると、Ｎｂの炭化物や窒化物の析出硬化が過剰となり、ベイナイト組織の靭性が低下し、レールの靭性が低下する。このため、Ｎｂ添加量を０．００２〜０．０５０％に限定した。 Nb is an element effective for reducing the austenite grain size by the pinning effect of Nb carbide or Nb nitride and improving the toughness of the bainite structure when hot rolling or heat treatment is performed at a high temperature. Further, it is an element that increases the hardness (strength) of the bainite structure and improves the fatigue damage resistance of the bainite structure by precipitation hardening with Nb carbide and Nb nitride generated in the cooling process after hot rolling. Further, in the heat-affected zone reheated to a temperature range below the Ac1 point, Nb carbide and Nb nitride are stably generated from a low temperature range to a high temperature range, and softening of the weld joint heat-affected zone is prevented. It is an effective element. However, when the Nb content is less than 0.002%, these effects cannot be expected, and improvement in toughness and hardness (strength) of the bainite structure is not recognized. On the other hand, if the amount of Nb exceeds 0.050%, precipitation hardening of Nb carbide or nitride becomes excessive, the toughness of the bainite structure is lowered, and the toughness of the rail is lowered. For this reason, the amount of Nb added is limited to 0.002 to 0.050%.
Ｎｉは、オーステナイトを安定化させる元素であり、ベイナイト変態温度を下げ、ベイナイト組織を微細化し、靭性を向上させる効果を有する。しかし、Ｎｉ量が０．０５％未満ではその効果が著しく小さく、また、Ｎｉ量が１．００％を超えると、ベイナイト変態速度が大きく低下し、ベイナイト組織中に疲労特性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このため、Ｎｉ添加量を０．０５〜１．００％に限定した。 Ni is an element that stabilizes austenite, and has the effects of lowering the bainite transformation temperature, refining the bainite structure, and improving toughness. However, if the amount of Ni is less than 0.05%, the effect is remarkably small. If the amount of Ni exceeds 1.00%, the bainite transformation rate is greatly reduced, and the martensite structure is detrimental to fatigue characteristics in the bainite structure. Becomes easier to generate. For this reason, Ni addition amount was limited to 0.05 to 1.00%.
Ｃｕは、ベイナイト組織中の基地フェライト相に固溶し、固溶強化によりベイナイト組織の強度を向上させる元素である。しかし、Ｃｕ量０．０５％未満では、その効果が期待できない。また、Ｃｕ量が１．００％を超えると、著しい焼入れ性向上により、ベイナイト組織中にレールの疲労特性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このため、Ｃｕ添加量を０．０５〜１．００％に限定した。 Cu is an element that dissolves in the matrix ferrite phase in the bainite structure and improves the strength of the bainite structure by solid solution strengthening. However, if the amount of Cu is less than 0.05%, the effect cannot be expected. On the other hand, when the Cu content exceeds 1.00%, the martensite structure that is harmful to the fatigue characteristics of the rail is easily generated in the bainite structure due to a significant improvement in hardenability. For this reason, Cu addition amount was limited to 0.05 to 1.00%.
Ｃｏは、ベイナイト組織中の基地フェライト相に固溶し、レール頭部の摩耗面において、車輪との接触により形成させる微細なフェライト組織をより一層微細化し、ベイナイト組織の耐摩耗性を確保する元素である。しかし、Ｃｏ量が０．０１％未満では、フェライト組織の微細化が図れず、耐摩耗性の向上効果が期待できない。また、Ｃｏ量が１．００％を超えると、上記の効果が飽和し、添加量に応じたフェライト組織の微細化が図れない。また、合金添加コストの増大により経済性が低下する。このため、Ｃｏ添加量を０．０１〜１．００％に限定した。 Co is an element that dissolves in the base ferrite phase in the bainite structure, further refines the fine ferrite structure formed by contact with the wheel on the wear surface of the rail head, and ensures the wear resistance of the bainite structure. It is. However, if the Co content is less than 0.01%, the ferrite structure cannot be refined and the effect of improving the wear resistance cannot be expected. On the other hand, when the Co content exceeds 1.00%, the above effects are saturated, and the ferrite structure cannot be refined according to the added amount. In addition, the economic efficiency decreases due to the increase in the alloy addition cost. For this reason, Co addition amount was limited to 0.01 to 1.00%.
Ｔｉは、Ｎｂと同様に、通常の熱間圧延や高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Ｔｉ炭化物やＴｉ窒化物が析出し、ピンニング効果によりオーステナイト粒を微細化し、ベイナイト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物による析出硬化により、ベイナイト組織の硬度（強度）を高め、ベイナイト組織の耐疲労損傷性を向上させる元素である。また、溶接時の再加熱において析出したＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が溶解しないことを利用して、オーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。しかし、Ｔｉ量が０．００５０％未満ではこれらの効果が少ない。また、Ｔｉ量が０．０５００％を超えると、粗大なＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が生成して、粗大な析出物から疲労損傷が発生し、レールの耐疲労損傷性が低下する。このため、Ｔｉ添加量を０．００５０〜０．０５００％に限定した。 Ti, like Nb, when normal hot rolling or heat treatment heated to high temperature is performed, Ti carbide and Ti nitride precipitate, austenite grains are refined by the pinning effect, and the toughness of the bainite structure is increased. It is an effective element to improve. Furthermore, it is an element that increases the hardness (strength) of the bainite structure and improves the fatigue damage resistance of the bainite structure by precipitation hardening with Ti carbide and Ti nitride generated in the cooling process after hot rolling. In addition, by utilizing the fact that Ti carbide and Ti nitride precipitated during reheating during welding do not dissolve, the structure of the heat affected zone heated to the austenite region is refined and the weld joint becomes brittle. It is an effective ingredient to prevent However, when the amount of Ti is less than 0.0050%, these effects are small. On the other hand, if the Ti content exceeds 0.0500%, coarse Ti carbides and Ti nitrides are generated, fatigue damage occurs from the coarse precipitates, and the fatigue damage resistance of the rail decreases. For this reason, Ti addition amount was limited to 0.0050-0.0500%.
Ｍｇは、Ｏ、または、ＳやＡｌ等と結合して微細な酸化物や硫化物を形成し、レール圧延時の再加熱において、結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒の微細化を図り、ベイナイト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．０００５％未満ではその効果は弱く、０．０２００％を超えて添加すると、Ｍｇの粗大酸化物が生成し、粗大な酸化物から疲労損傷が発生し、レールの耐疲労損傷性が低下する。このため、Ｍｇ量を０．０００５〜０．０２００％に限定した。 Mg combines with O, S, Al, etc. to form fine oxides and sulfides, and suppresses crystal grain growth and refining austenite grains during reheating during rail rolling. It is an element effective for improving the toughness of the bainite structure. However, if less than 0.0005%, the effect is weak, and if added over 0.0200%, a coarse oxide of Mg is generated, fatigue damage occurs from the coarse oxide, and the fatigue damage resistance of the rail is reduced. descend. For this reason, the amount of Mg was limited to 0.0005 to 0.0200%.
Ｃａは、Ｏ、または、Ｓ等と結合して微細な酸化物を形成し、レール圧延時の再加熱において、結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒の微細化を図り、ベイナイト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．０００５％未満ではその効果は弱く、０．０２００％を超えて添加すると、Ｃａの粗大酸化物が生成し、粗大な酸化物から疲労損傷が発生し、レールの耐疲労損傷性が低下する。このため、Ｃａ量を０．０００５〜０．０２００％に限定した。 Ca combines with O, S, etc. to form a fine oxide, suppresses grain growth during reheating during rail rolling, refines austenite grain, and toughness of bainite structure It is an effective element for improving However, if less than 0.0005%, the effect is weak, and if added over 0.0200%, a coarse oxide of Ca is generated, fatigue damage occurs from the coarse oxide, and the fatigue damage resistance of the rail is reduced. descend. For this reason, the amount of Ca was limited to 0.0005 to 0.0200%.
Ａｌは、熱間圧延や高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Ａｌ窒化物を形成し、ピンニング効果によりオーステナイト粒を微細化し、ベイナイト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし、Ａｌ量が０．００４０％未満では、その効果が弱い。また、Ａｌ量が０．０３００％を超えると、鋼中に固溶させることが困難となり、粗大なアルミナ系介在物が生成し、この粗大な析出物から疲労損傷が発生し、レールの耐疲労損傷性が低下する。さらに、溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下する。このため、Ａｌ添加量を０．００４０〜０．０３００％に限定した。 Al is an element effective for forming Al nitride, refining austenite grains by the pinning effect, and improving the toughness of the bainite structure when hot rolling or heat treatment heated to a high temperature is performed. However, when the Al content is less than 0.0040%, the effect is weak. Further, if the Al content exceeds 0.0300%, it becomes difficult to make a solid solution in the steel, coarse alumina inclusions are generated, fatigue damage occurs from the coarse precipitates, and the fatigue resistance of the rails. Damage is reduced. Furthermore, oxides are generated during welding, and weldability is significantly reduced. For this reason, Al addition amount was limited to 0.0040-0.0300%.
Ｎは、熱間圧延や高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Ｖ、Ｔｉ、Ａｌと窒化物を形成し、オーステナイト粒の成長を抑制し、さらに、析出硬化により、ベイナイト組織の靭性と硬度を向上させる元素である。しかし、Ｎ量が０．００６０％未満では、これらの効果が弱い。Ｎ量が０．０２００％を超えると、鋼中に固溶させることが困難となり、疲労損傷の起点となる気泡が生成し、レールの耐疲労損傷性が低下する。このため、Ｎ添加量を０．００６０〜０．０２００％に限定した。 N forms nitrides with V, Ti, Al when hot rolling or heat treatment heated to a high temperature is performed, suppresses the growth of austenite grains, and further, by precipitation hardening, the toughness of the bainite structure It is an element that improves hardness. However, when the N content is less than 0.0060%, these effects are weak. If the N content exceeds 0.0200%, it becomes difficult to make a solid solution in the steel, and bubbles that become the starting point of fatigue damage are generated, and the fatigue damage resistance of the rail is lowered. For this reason, N addition amount was limited to 0.0060-0.0200%.
上記のような成分組成で構成されるレール鋼は、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、この溶鋼を造塊・分塊法あるいは連続鋳造法、さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。 Rail steel composed of the above components is melted in a commonly used melting furnace such as a converter, electric furnace, etc., and this molten steel is ingot-bundled, continuously cast, or hot. It is manufactured as a rail after rolling.
（２）金属組織の限定理由
まず、該鋼レールの頭部表面、底部表面の金属組織をベイナイト組織に限定した理由について説明する。
(2) Reason for limiting metal structure First, the reason why the metal structure of the steel rail head surface and bottom surface is limited to a bainite structure will be described.
ベイナイト組織中に初析フェライト組織、マルテンサイト組織が混在すると、比較的硬度（強度）の低いフェライト組織では歪みが集中し、疲労き裂の発生を誘発する。また、比較的靭性の低いマルテンサイト組織では、微小な脆性的な割れが発生し、疲労き裂の発生を誘発する。さらに、レール頭部においては、耐ころがり疲労損傷性を確保するためベイナイト組織とする必要がある。このため、レール頭部表面、底部表面の金属組織をベイナイト組織に限定した。 When a pro-eutectoid ferrite structure and a martensite structure are mixed in a bainite structure, strain concentrates in a ferrite structure having a relatively low hardness (strength) and induces the occurrence of fatigue cracks. Further, in a martensite structure having relatively low toughness, minute brittle cracks are generated, and the occurrence of fatigue cracks is induced. Furthermore, the rail head must have a bainite structure in order to ensure rolling fatigue resistance. For this reason, the metal structure of the rail head surface and the bottom surface was limited to the bainite structure.
また、本発明レールの金属組織は、上記限定のようなベイナイト単相組織であることが望ましい。しかし、レールの成分系や熱処理製造方法によっては、ベイナイト組織中に面積率で３％以下の微量な初析フェライト組織やマルテンサイト組織が混入することがある。しかし、これらの組織が混入しても、レール頭部の耐疲労損傷性や耐ころがり疲労損傷性には大きな悪影響を及ぼさないため、耐疲労損傷性に優れたベイナイト系レールの組織としては、３％以下の微量な初析フェライト組織やマルテンサイト組織の混在も含んでいる。 The metal structure of the rail of the present invention is preferably a bainite single-phase structure as described above. However, depending on the component system of the rail and the heat treatment manufacturing method, a very small amount of proeutectoid ferrite structure or martensite structure with an area ratio of 3% or less may be mixed in the bainite structure. However, even if these structures are mixed, the fatigue damage resistance and rolling fatigue damage resistance of the rail head are not greatly adversely affected. Therefore, the structure of the bainite rail having excellent fatigue damage resistance is 3 % Of less than 1% pro-eutectoid ferrite structure and martensite structure are included.
言い換えれば、本発明レールの頭部金属組織は、９７％以上がベイナイト組織であれば良く、耐疲労損傷性や耐ころがり疲労損傷性を十分に確保するためには、頭部金属組織の９９％以上をベイナイト組織とすることが望ましい。なお、表１−１、表１−２、表２および表３におけるミクロ組織の欄でベイナイトと記載しているのはベイナイト組織が９７％以上を意味する。 In other words, 97% or more of the head metallographic structure of the rail of the present invention may be a bainite structure, and 99% of the head metallographic structure is sufficient to ensure sufficient fatigue damage resistance and rolling fatigue resistance. The above is desirably a bainite structure. In addition, what is described as bainite in the column of the microstructure in Table 1-1, Table 1-2, Table 2, and Table 3 means that the bainite structure is 97% or more.
（３）表面硬さの限定理由
次に、該鋼レールのレール頭部、底部のベイナイト組織の表面硬さ（ＳＶＨ）をＨｖ２８０〜４８０の範囲に限定した理由について説明する。
(3) Reason for limiting surface hardness Next, the reason why the surface hardness (SVH) of the bainite structure at the rail head and bottom of the steel rail is limited to the range of Hv280 to 480 will be described.
本成分系では、ベイナイト組織の表面硬さ（ＳＶＨ）がＨｖ２８０未満になると、レール頭部表面、底部表面の疲労強度が低下し、レールの耐疲労損傷性が低下する。また、ベイナイト組織の表面硬さ（ＳＶＨ）がＨｖ４８０を超えると、ベイナイト組織の靭性が著しく低下し、微小な脆性的な割れが発生し易くなり、疲労き裂の発生を誘発する。このためベイナイト組織の表面硬さ（ＳＶＨ）をＨｖ２８０〜４８０の範囲に限定した。 In this component system, when the surface hardness (SVH) of the bainite structure is less than Hv280, the fatigue strength of the rail head surface and the bottom surface decreases, and the fatigue damage resistance of the rail decreases. Moreover, when the surface hardness (SVH) of a bainite structure exceeds Hv480, the toughness of a bainite structure will fall remarkably, it will become easy to generate | occur | produce a micro brittle crack, and will generate | occur | produce a fatigue crack. For this reason, the surface hardness (SVH) of the bainite structure was limited to the range of Hv280-480.
なお、ＳＶＨは本発明レールの頭部、底部のベイナイト組織の表面硬さを示すものであり、具体的にはレール表面から１ｍｍ深さの位置をビッカース硬度計で測定した時の値である。測定方法は下記に示すとおりである。
（ｙ１）事前処理：レール切断⇒横断面研摩。
（ｙ２）測定方法：ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準じて測定。
（ｙ３）測定機：ビッカース硬度計（荷重９８Ｎ）。
（ｙ４）測定箇所：レール頭部表面、レール底部表面から１ｍｍ深さの位置。
※レール頭部表面、底部表面の具体的な位置は図６の表示に従う。
（ｙ５）測定数：５点以上測定し、平均値を鋼レールの代表値とすることが望ましい。
SVH indicates the surface hardness of the bainite structure at the head and bottom of the rail of the present invention. Specifically, SVH is a value when a
(Y1) Pretreatment: Rail cutting ⇒ Cross section polishing.
(Y2) Measuring method: Measured according to JIS Z 2244.
(Y3) Measuring machine: Vickers hardness meter (load 98N).
(Y4) Measurement location: a
* The specific positions of the rail head surface and bottom surface follow the display shown in FIG.
(Y5) Number of measurements: It is desirable to measure 5 or more points and make the average value a representative value of the steel rail.
次に、表面硬さ（ＳＶＨ）Ｈｖ２８０〜４８０のベイナイト組織の必要範囲を該鋼レールの頭部表面、底部表面の少なくとも一部に限定した理由を説明する。
Next, the reason why the necessary range of the bainite structure of surface hardness (SVH)
ここで、図６に本発明の耐疲労損傷性に優れたベイナイト系レールの頭部断面表面位置での呼称、および、表面硬さ（ＳＶＨ）Ｈｖ２８０〜４８０のベイナイト組織が必要な領域を示す。
Here, FIG. 6 shows the name of the bainite rail having excellent fatigue damage resistance according to the present invention at the head cross-sectional surface position and the region where a bainite structure having a surface hardness (SVH) of
レール頭部において、１は頭頂部、２は頭部コーナー部であり、頭部コーナー部２の一方は車輪と主に接触するゲージコーナー（Ｇ.Ｃ.）部である。「レール頭部表面」とは頭頂部（符号：１）の部分である。
In the rail head portion, 1 is a top portion, 2 is a head corner portion, and one of the
また、レール底部において、３は足裏部であり、足裏部は足幅（Ｗ）中央から±１／４ｗの領域を含む部分である。「レール底部表面」とは足裏部（符号：３）の部分である。 Moreover, 3 is a sole part in a rail bottom part, and a sole part is a part containing the area | region of +/- 1 / 4w from the center of foot width (W). The “rail bottom surface” is a part of the sole (symbol: 3).
レール頭部表面において、頭頂部表面を起点として深さ５ｍｍまでの範囲（斜線部）に、上記の硬さ範囲のベイナイト組織が配置されていれば、レール頭部の耐疲労損傷性が確保できる。 In the rail head surface, if the bainite structure having the above hardness range is disposed in a range (shaded portion) up to a depth of 5 mm starting from the top surface, the fatigue damage resistance of the rail head can be ensured. .
また、レール底部表面において、足裏部表面を起点として深さ５ｍｍまでの範囲（斜線部）に、上記の硬さ範囲のベイナイト組織が配置されていれば、レール底部の耐疲労損傷性が確保できる。
なお、レール頭部は車輪と広範囲に接触する。したがって、頭頂部１に加えてコーナー部２を含めて、耐ころがり疲労損傷性確保のため上記のベイナイト組織を配置することが望ましい。
また、摩耗を考慮した耐ころがり疲労損傷性の確保観点では、上記のベイナイト組織は、頭頂部１、コーナー部２を含めて表面を起点として深さ２０ｍｍの範囲に配置することが望ましい。
In addition, if the bainite structure of the above hardness range is arranged in the range up to 5 mm deep (shaded area) starting from the sole surface on the rail bottom surface, the fatigue damage resistance of the rail bottom is ensured. it can.
The rail head makes extensive contact with the wheels. Therefore, it is desirable to arrange the bainite structure including the
Further, from the viewpoint of ensuring rolling fatigue resistance in consideration of wear, it is desirable that the bainite structure is arranged in a range of 20 mm in depth starting from the surface including the top 1 and the
したがって、表面硬さ（ＳＶＨ）Ｈｖ２８０〜４８０のベイナイト組織は、レール頭部表面、レール底部表面に配置することが望ましく、それ以外の部分はベイナイト組織以外の金属組織であってもよい。 Therefore, the bainite structure having a surface hardness (SVH) of Hv280 to 480 is desirably arranged on the rail head surface and the rail bottom surface, and the other part may be a metal structure other than the bainite structure.
表面硬さ（ＳＶＨ）Ｈｖ２８０〜４８０のベイナイト組織を得る方法としては、圧延後に自然冷却、圧延後、または、必要に応じて再加熱後のオーステナイト領域のある高温のレール頭部表面や底部表面に加速冷却を行うことが望ましい。加速冷却の方法としては、特許文献２、特許文献３に記載されているような方法で熱処理を行うことにより、所定の組織と硬さを得ることができる。
As a method of obtaining a bainite structure having a surface hardness (SVH) of
（４）最大表面粗さの限定理由
次に、該鋼レールのレール頭部表面、レール底部表面の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を２００μｍ以下に限定した理由について説明する。
(4) Reason for limiting the maximum surface roughness Next, the reason why the maximum surface roughness (Rmax) of the rail head surface and rail bottom surface of the steel rail is limited to 200 μm or less will be described.
ベイナイト組織の鋼レールでは、レール頭部表面、レール底部表面の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が２００μｍを超えると、レール表面での応力集中が過剰となり、レール表面からの疲労き裂の発生を誘発する。このため、レール頭部表面、レール底部表面の最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を２００μｍ以下に限定した。 In steel rails with a bainite structure, when the maximum surface roughness (Rmax) of the rail head surface and rail bottom surface exceeds 200 μm, stress concentration on the rail surface becomes excessive and induces the occurrence of fatigue cracks from the rail surface. To do. For this reason, the maximum surface roughness (Rmax) of the rail head surface and the rail bottom surface is limited to 200 μm or less.
なお、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の下限は限定していないが、熱間圧延でレールを製造することを前提とすると、工業製造上２０μｍ程度が下限となる。 In addition, although the minimum of the maximum surface roughness (Rmax) is not limited, on the assumption that the rail is manufactured by hot rolling, the lower limit is about 20 μm for industrial manufacture.
上記限定の表面粗さが必要な範囲は、図６に示したように、レール頭部表面、レール底部表面であり、その最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）が上記限定の範囲内であれば、レールの耐疲労損傷性が確保できる。
なお、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の測定は下記の要領で行うことが望ましい。
（ｚ１）事前処理：レール表面のスケールを酸洗またはサンドブラスト除去。
（ｚ２）粗さ測定：ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準じて測定。
（ｚ３）測定器：２次元または３次元の一般的な粗さ測定器。
（ｚ４）測定箇所：図６に示したレール頭部表面、レール底部表面の範囲内の３箇所。
（ｚ５）測定数：レール頭部表面、レール底部表面において、各箇所を３回測定し、その平均値（測定総数：９＝３箇所×３回）を鋼レールの代表値とすることが望ましい。
（ｚ６）測定長さ（測定１回当たり）：５ｍｍ（測定面のレール長手方向）
（ｚ７）測定条件
・スキャンスピード：０．５ｍｍ／ｓｅｃ
As shown in FIG. 6, the range where the above-mentioned limited surface roughness is required is the rail head surface and the rail bottom surface, and if the maximum surface roughness (Rmax) is within the above limit range, the rail Fatigue damage resistance can be ensured.
The measurement of the maximum surface roughness (Rmax) is desirably performed in the following manner.
(Z1) Pretreatment: Pickling or sandblasting the scale on the rail surface.
(Z2) Roughness measurement: Measured according to JIS B 0601.
(Z3) Measuring instrument: A two-dimensional or three-dimensional general roughness measuring instrument.
(Z4) Measurement locations: 3 locations within the range of the rail head surface and rail bottom surface shown in FIG.
(Z5) Number of measurements: On the rail head surface and rail bottom surface, each location is measured three times, and the average value (total number of measurements: 9 = 3 locations × 3 times) is preferably the representative value of the steel rail. .
(Z6) Measurement length (per measurement): 5 mm (rail length direction of measurement surface)
(Z7) Measurement conditions ・ Scan speed: 0.5 mm / sec
また、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の定義は下記に示すとおりである。
（ｚ８）最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）：測定基準長さにおいて高さ方向の平均値をベースに最大の谷深さ、山高さの和、ＪＩＳ２００１年では「Ｒｍａｘ」は「Ｒｚ」に名称変更。
The definition of the maximum surface roughness (Rmax) is as shown below.
(Z8) Maximum surface roughness (Rmax): Sum of maximum valley depth and peak height based on the average value in the height direction in the measurement reference length. In JIS 2001, “Rmax” is renamed to “Rz”.
（５）表面硬さ（ＳＶＨ）と最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比（ＳＶＨ／Ｒｍａｘ）が３．０以上の限定理由 (5) Reason for limitation that the ratio (SVH / Rmax) of surface hardness (SVH) to maximum surface roughness (Rmax) is 3.0 or more
次に、表面硬さ（ＳＶＨ）と最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比（ＳＶＨ／Ｒｍａｘ）が３．０以上に限定した理由について説明する。 Next, the reason why the ratio (SVH / Rmax) of the surface hardness (SVH) to the maximum surface roughness (Rmax) is limited to 3.0 or more will be described.
本発明者らは、ベイナイト組織の鋼レールの疲労限応力範囲と表面硬さ（ＳＶＨ）、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の関係を詳細に調査した。その結果、鋼レールの表面硬さ（ＳＶＨ）と最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比、すなわち、ＳＶＨ／Ｒｍａｘと疲労限応力範囲にはよい相関があること突きとめた。 The present inventors have investigated in detail the relationship between the fatigue limit stress range, surface hardness (SVH), and maximum surface roughness (Rmax) of a steel rail having a bainite structure. As a result, it has been found that there is a good correlation between the ratio of the surface hardness (SVH) and the maximum surface roughness (Rmax) of the steel rail, that is, SVH / Rmax and the fatigue limit stress range.
さらに実験を進めた結果、図３に示すように、レールの頭部表面や底部表面の硬さに関係なく、表面硬さ（ＳＶＨ）と最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比、ＳＶＨ／Ｒｍａｘの値が３．０以上になると、疲労限応力範囲が上昇し、疲労強度がさらに向上することを知見した。
これらの実験的事実に基づき、表面硬さ（ＳＶＨ）と最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比、すなわち、ＳＶＨ／Ｒｍａｘの値を３．０以上に限定した。
As a result of further experiments, as shown in FIG. 3, the ratio of surface hardness (SVH) to maximum surface roughness (Rmax), SVH / Rmax, regardless of the hardness of the head surface or the bottom surface of the rail. It was found that when the value is 3.0 or more, the fatigue limit stress range is increased and the fatigue strength is further improved.
Based on these experimental facts, the ratio of surface hardness (SVH) to maximum surface roughness (Rmax), that is, the value of SVH / Rmax was limited to 3.0 or more.
（６）粗さの高さ方向の平均値に対して最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を測定長さ５ｍｍあたり１０個以下の限定理由
次に、粗さの高さ方向の平均値に対して最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を測定長さ５ｍｍあたり１０個以下に限定した理由について説明する。
本発明者らは、ベイナイト鋼レールの疲労強度を向上させるため、鋼レールの表面の粗さを詳細に調査した。その結果、粗さの高さ方向の平均値に対して最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数と疲労限応力範囲にはよい相関があることを突きとめた。
さらに実験を進めた結果、図４に示すように、いずれの硬さのベイナイト鋼レールにおいても、凹凸の数が１０個以下になると、疲労限応力範囲がさらに上昇し、疲労強度が大きく向上することを知見した。
これらの実験的事実に基づき、粗さの高さ方向の平均値に対して最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を測定長さ５ｍｍあたり１０個以下に限定した。
なお、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数の上限は特に限定しないが、凹凸の数が４０個を超えると疲労限応力が低下し、疲労強度が大きく低下する。したがって、凹凸の数は４０個以下とすることが望ましい。
なお、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数の測定は最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の測定に準じる。
最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数は粗さデータを詳細に解析して求める。各箇所３回測定した凹凸の数の平均値（測定数：９）を鋼レールの代表値とすることが望ましい。
(6) Reason for limiting the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness with respect to the average value in the height direction of roughness to 10 or less per 5 mm measurement length Next, the height direction of roughness The reason why the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness with respect to the average value is limited to 10 or less per 5 mm measurement length will be described.
In order to improve the fatigue strength of the bainite steel rail, the present inventors investigated the surface roughness of the steel rail in detail. As a result, it was found that there is a good correlation between the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness and the fatigue limit stress range with respect to the average value in the height direction of roughness.
As a result of further experiments, as shown in FIG. 4, in any bainite steel rail of any hardness, when the number of irregularities is 10 or less, the fatigue limit stress range is further increased, and the fatigue strength is greatly improved. I found out.
Based on these experimental facts, the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness with respect to the average value in the height direction of roughness was limited to 10 or less per 5 mm measurement length.
The upper limit of the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness is not particularly limited. However, when the number of irregularities exceeds 40, the fatigue limit stress is reduced and the fatigue strength is greatly reduced. Therefore, the number of irregularities is desirably 40 or less.
Note that the measurement of the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness is in accordance with the measurement of the maximum surface roughness (Rmax).
The number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness is obtained by analyzing the roughness data in detail. It is desirable that the average value (number of measurements: 9) of the number of concavities and convexities measured three times at each location be the representative value of the steel rail.
（７）頭部表面および底部表面の残留応力が引張２００ＭＰａ〜圧縮２００ＭＰａの限定理由
次に、頭部表面および底部表面の長手方向残留応力を引張２００ＭＰａ〜圧縮２００ＭＰａの範囲に限定した理由について説明する。
(7) Reason why the residual stress on the head surface and the bottom surface is limited to the tension of 200 MPa to the compression of 200 MPa Next, the reason why the longitudinal residual stress on the head surface and the bottom surface is limited to the range of the tension of 200 MPa to the compression of 200 MPa will be described. .
本発明者らは、表面硬さ（ＳＶＨ）と最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の比、すなわち、ＳＶＨ／Ｒｍａｘの値が３．０以上になるベイナイト鋼レールを用いて、疲労限応力範囲と残留応力の関係を詳細に調査した。その結果、ベイナイト組織の鋼レールの長手方向残留応力と疲労限応力範囲にはよい相関があること突きとめた。 The inventors have used a bainite steel rail in which the ratio of surface hardness (SVH) to maximum surface roughness (Rmax), that is, the value of SVH / Rmax is 3.0 or more, the fatigue limit stress range and the residual The stress relationship was investigated in detail. As a result, it was found that there is a good correlation between the residual stress in the longitudinal direction and the fatigue limit stress range of a steel rail with a bainite structure.
さらに実験を進めた結果、図５に示したように、鋼レールの頭部表面および底部表面の残留応力が引張で２００ＭＰａ以下になると、疲労限応力範囲がさらに上昇し、疲労強度がさらに向上することが知見された。
また、圧縮の残留応力は高いほど疲労限応力範囲を向上させるため、疲労強度向上には望ましい。しかし、実製造においては、さらに圧縮残留応力を増加するため、矯正での軽圧下を促進すると、レールの曲がりが制御困難となる。このため、圧縮の残留応力の上限は、実製造上、２００ＭＰａ程度となる。
As a result of further experiments, as shown in FIG. 5, when the residual stress on the head surface and the bottom surface of the steel rail is 200 MPa or less in tension, the fatigue limit stress range is further increased and the fatigue strength is further improved. It was discovered.
Further, the higher the compressive residual stress is, the better the fatigue limit stress range is. However, in actual production, since the compressive residual stress is further increased, if the light pressure reduction is promoted, the bending of the rail becomes difficult to control. For this reason, the upper limit of the compressive residual stress is about 200 MPa in actual production.
これらの実験的事実に基づき、頭部表面および底部表面の長手方向残留応力を引張２００ＭＰａ〜圧縮２００ＭＰａの範囲に限定した。 Based on these experimental facts, the longitudinal residual stress on the head surface and the bottom surface was limited to a range of 200 MPa in tension to 200 MPa in compression.
なお、頭部表面および底部表面の長手方向（圧延方向）残留応力は、歪みゲージを用いた切断法により、レール表面から深さ１０ｍｍ位置までの部分を計測した時の値である。測定方法は下記に示すとおりである。
（ｕ１）歪みゲージ：２軸、ゲージ長２ｍｍ
（ｕ２）歪みゲージ張付け箇所：レール頭部表面、レール底部表面
※レール頭部表面、底部表面の具体的な位置は図６の表示に従う。
（ｕ３）測定方法：切断法
（最終切断寸法：１０ｍｍ（ｔ）×３５ｍｍ（ｗ）×２５ｍｍ（Ｌ）
（ｕ４）測定方向：レール長手方向（圧延方向）
In addition, the longitudinal direction (rolling direction) residual stress of the head surface and the bottom surface is a value when a portion from the rail surface to a depth of 10 mm is measured by a cutting method using a strain gauge. The measuring method is as shown below.
(U1) Strain gauge: 2 axes,
(U2) Strain gauge attachment location: rail head surface, rail bottom surface * Specific positions of the rail head surface and bottom surface follow the display in FIG.
(U3) Measuring method: cutting method
(Final cut dimensions: 10 mm (t) x 35 mm (w) x 25 mm (L)
(U4) Measurement direction: rail longitudinal direction (rolling direction)
（８）最大表面粗さを制御する製造方法について
レール表面の凹凸は熱間圧延時の圧延ロールによるスケールの素材側への押し込みにより発生し、その結果、表面の粗度が大きくなることが確認されている。
(8) Manufacturing method for controlling the maximum surface roughness The rail surface irregularities are generated by pressing the scale to the material side with a rolling roll during hot rolling, and as a result, the surface roughness is confirmed to increase. Has been.
そこで、表面粗度を低下させるには、加熱炉内で生成する鋼片の一次スケール生成を軽減、除去する、また、圧延中に生成する鋼片の二次スケールを除去することが有効な手段となる。 Therefore, in order to reduce the surface roughness, it is effective to reduce and remove the primary scale generation of the steel slab generated in the heating furnace, and to remove the secondary scale of the steel slab generated during rolling. It becomes.
加熱炉内で生成する鋼片の１次スケールの軽減については、加熱炉の加熱温度の軽減、保持時間の短縮、加熱炉の雰囲気制御、加熱炉から抽出した鋼片へのメカニカルデスケーリング、圧延前の高圧水やエアーでのデスケーリングが有効な手段となる。 Regarding the reduction of the primary scale of the steel slab generated in the heating furnace, the heating temperature of the heating furnace is reduced, the holding time is shortened, the atmosphere of the heating furnace is controlled, the mechanical descaling to the steel slab extracted from the heating furnace, rolling Descaling with the previous high-pressure water or air is an effective means.
なお、鋼片の加熱温度の軽減、保持時間の短縮については、圧延造形性確保の観点から鋼片中心部までの均一加熱を前提とすると制約が大きいため、実用的な手段としては、加熱炉の雰囲気制御、加熱炉から抽出した鋼片へのメカニカルデスケーリング、圧延前の高圧水やエアーでのデスケーリングが望ましい。 In addition, about reduction of the heating temperature of a steel slab and shortening of holding time, since a restriction is large if the uniform heating to a steel slab center part is taken from a viewpoint of ensuring roll formability, as a practical means, a heating furnace Control of the atmosphere, mechanical descaling to the steel pieces extracted from the heating furnace, descaling with high-pressure water or air before rolling are desirable.
圧延中に生成する鋼片の二次スケールを除去については、各圧延前での高圧水やエアーでのデスケーリングが有効な手段となる。
（９）最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を制御する製造方法について
レール表面の大きな凹凸の数の制御は、前記の１次スケールを軽減する鋼片へのメカニカルデスケーリング、圧延前の高圧水の適用、二次スケールを除去する各圧延前での高圧水やエアーでのデスケーリングでのさらなる制御が必要である。
そこで、凹凸の数を制御するには、表面のスケールを均一に剥離させる、また、過剰なデスケーリング時に生成する新たな表面凹凸を抑制する目的から、メカニカルデスケーリング、高圧の水やエアーの噴射における噴霧媒体の寸法や投射速度や噴射圧力の制御や投射、噴射での揺動が望ましい。
For removing the secondary scale of the steel slab generated during rolling, descaling with high-pressure water or air before each rolling is an effective means.
(9) About the manufacturing method which controls the number of the unevenness | corrugation exceeding 0.30 times of the maximum surface roughness The control of the number of the large unevenness | corrugations of a rail surface is the mechanical descaling to the steel piece which reduces the said primary scale, Further control is necessary in the descaling with high-pressure water and air before each rolling to remove secondary scale, and to apply high-pressure water before rolling.
Therefore, in order to control the number of irregularities, mechanical descaling, high-pressure water and air injection are used for the purpose of uniformly peeling the surface scale and suppressing new surface irregularities generated during excessive descaling. It is desirable to control the size of the spray medium, the projection speed, and the injection pressure, and swing in the projection and injection.
以下、それぞれの条件について詳細に説明するが、以下の条件は望ましい条件であり、これらの条件に限定されるものではない。 Hereinafter, although each condition is demonstrated in detail, the following conditions are desirable conditions and are not limited to these conditions.
（Ａ）加熱炉の雰囲気制御
加熱炉の雰囲気制御については、鋼片周囲の酸素をなるべく排除し、鋼材の特性への影響がなく、安価なものとして窒素雰囲気が望ましい。加熱炉での窒素の添加量としては、体積比率で３０〜８０％程度が望ましい。加熱炉での窒素の体積比率が３０％未満になると、加熱炉内での一次スケールの生成量が増加し、その後にデスケーリングを行っても、一次スケールの除去が不十分となり、表面粗度が増加する。また、窒素の体積比率が８０％を超える添加を行っても、効果が飽和することや経済性が低下する。このため、窒素の添加量は体積比率で３０〜８０％程度が望ましい。
(A) Atmosphere control of a heating furnace About the atmosphere control of a heating furnace, the oxygen atmosphere around a steel piece is excluded as much as possible, there is no influence on the characteristic of steel materials, and a nitrogen atmosphere is desirable as a cheap thing. The amount of nitrogen added in the heating furnace is preferably about 30 to 80% by volume. When the volume ratio of nitrogen in the heating furnace is less than 30%, the amount of primary scale generated in the heating furnace increases, and even after descaling, the removal of the primary scale becomes insufficient, and the surface roughness Will increase. Moreover, even if the volume ratio of nitrogen exceeds 80%, the effect is saturated and the economic efficiency is lowered. For this reason, the addition amount of nitrogen is desirably about 30 to 80% by volume ratio.
（Ｂ）メカニカルデスケーリング
鋼片へのメカニカルデスケーリングについては、一次スケールが生成しているレール用鋼片の再加熱直後にショットブラストを行うことが望ましい。ショットブラストの条件としては、下記に示す方法が望ましい。
（ａ）ショット材：硬球の場合
直径：０．０５〜１．０ｍｍ、投射速度：５０〜１００ｍ／ｓｅｃ、投射密度：５〜１０ｋｇ／ｍ2以上
（ｂ）ショット材：鉄製の多角形破片（グリッド）の場合
長片寸法：０．１〜２．０ｍｍ、投射速度：５０〜１００ｍ／ｓｅｃ、投射密度：５〜１０ｋｇ／ｍ2
（ｃ）ショット材：アルミナおよびシリコンカーバイドからなる多角形破片（グリッド）の場合
長片寸法：０．１〜２．０ｍｍ、投射速度：５０〜１００ｍ／ｓｅｃ、投射密度：５〜１０ｋｇ／ｍ2
(B) Mechanical descaling For mechanical descaling to the steel slab, it is desirable to perform shot blasting immediately after reheating the steel slab for the rail where the primary scale is generated. As the conditions for shot blasting, the following method is desirable.
(A) Shot material: In the case of hard sphere Diameter: 0.05 to 1.0 mm, Projection speed: 50 to 100 m / sec, Projection density: 5 to 10 kg /
(C) Shot material: In the case of polygonal fragments (grids) made of alumina and silicon carbide Long piece dimensions: 0.1 to 2.0 mm, projection speed: 50 to 100 m / sec, projection density: 5 to 10 kg / m <2>
上記の範囲の加熱炉の雰囲気制御、メカニカルデスケーリング、さらにはこれに引き続き、後述の高圧水やエアーでのデスケーリングを行うことにより、表面の粗度を低下させ、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を１８０以下に制御することが可能となる。 By controlling the atmosphere of the heating furnace in the above range, mechanical descaling, and subsequently descaling with high-pressure water or air, which will be described later, the surface roughness is reduced and the maximum surface roughness (Rmax) Can be controlled to 180 or less.
なお、加熱炉の雰囲気制御、メカニカルデスケーリングは、高圧水やエアーでのデスケーリングを基本として、耐疲労損傷性の向上を狙って表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を３．０以上に制御する、すなわち、耐疲労損傷性をさらに向上させる場合に付加的に行うことが望ましい。 The atmosphere control and mechanical descaling of the heating furnace are based on descaling with high-pressure water or air, and the surface hardness (SVH) / maximum surface roughness (Rmax) is set to 3 with the aim of improving fatigue damage resistance. It is desirable to perform the control additionally to 0.0 or more, that is, to further improve the fatigue damage resistance.
（Ｃ）高圧水やエアーでのデスケーリング
高圧水やエアーでのデスケーリングについては、一次スケールが生成しているレール用鋼片の再加熱抽出直後および粗圧延中、二次スケールが生成するレール仕上げ圧延中が望ましい。高圧水やエアーでのデスケーリングの条件としては下記に示す方法が望ましい。
（ａ）高圧水
噴射圧力：１０〜５０ＭＰａ、
噴射鋼片温度 再加熱抽出直後および粗圧延中（一次スケール除去）
：１２５０〜１０５０℃
仕上げ圧延中（二次スケール除去）
：１０５０〜９５０℃
（ｂ）エアー
噴射圧力：０．０１〜０．１０ＭＰａ、
噴射鋼片温度 再加熱抽出直後および粗圧延中（一次スケール除去）
：１２５０〜１０５０℃
仕上げ圧延中（二次スケール除去）
：１０５０〜９５０℃
（Ｄ）メカニカルデスケーリング、高圧の水やエアーでのデスケーリング詳細制御
表面のスケールを均一に剥離させる、また、デスケーリング時に生成する新たな表面凹凸を抑制し、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を制御するには下記の条件で行うことが望ましい。
メカニカルデスケーリングの場合では、ショット材である鋼球、鉄製の多角形破片（グリッド）、アルミナおよびシリコンカーバイドからなる多角形破片（グリッド）の寸法（直径、長さ）を微細化する、投射速度を過剰にしない等の対策が必要である。
また、高圧の水やエアーの噴射の場合は、噴霧媒体の寸法を決定する噴射孔を微細化する、噴射圧力を過剰にしない等の対策が必要である。
また、投射、噴射のノズルの揺動については、鋼片やレールの移動速度に合わせて周期的なノズルの揺動を行うことが望ましい。揺動速度は限定しないが、レール頭部表面、底部表面に相当する部位に均一に噴射媒体が当たるように制御することが望ましい。
(C) Descaling with high-pressure water or air For descaling with high-pressure water or air, the rail generated by the secondary scale immediately after reheating extraction of the steel slab for the rail generated by the primary scale and during rough rolling It is desirable during finish rolling. As a descaling condition with high-pressure water or air, the following method is desirable.
(A) High-pressure water injection pressure: 10 to 50 MPa,
Injection steel slab temperature Immediately after reheating extraction and during rough rolling (primary scale removal)
: 1250-1050 ° C
During finish rolling (secondary scale removal)
: 1050-950 ° C
(B) Air injection pressure: 0.01 to 0.10 MPa,
Injection steel slab temperature Immediately after reheating extraction and during rough rolling (primary scale removal)
: 1250-1050 ° C
During finish rolling (secondary scale removal)
: 1050-950 ° C
(D) Detailed control of descaling with mechanical descaling, high pressure water or air The surface scale is peeled off uniformly, and new surface irregularities generated during descaling are suppressed, and the maximum surface roughness is 0.30. In order to control the number of irregularities exceeding twice, it is desirable to carry out under the following conditions.
In the case of mechanical descaling, the projection speed that refines the dimensions (diameter, length) of steel balls that are shot material, iron polygonal fragments (grids), and polygonal fragments (grids) made of alumina and silicon carbide. It is necessary to take measures such as avoiding excess.
Further, in the case of high-pressure water or air injection, it is necessary to take measures such as miniaturizing the injection hole that determines the size of the spray medium and not making the injection pressure excessive.
As for the oscillation of the nozzle for projection and injection, it is desirable that the nozzle is periodically oscillated in accordance with the moving speed of the steel slab or rail. Although the swing speed is not limited, it is desirable to control the spray medium so that it uniformly strikes the portions corresponding to the rail head surface and the bottom surface.
（Ｅ）デスケーリング温度範囲
レール用鋼片の再加熱抽出直後および粗圧延でのデスケーリング温度範囲としては１２５０〜１０５０℃が望ましい。デスケーリング温度は鋼片の再加熱（１２５０〜１３００℃）抽出直後に行うため、実質１２５０℃が上限となる。また、デスケーリング温度が１０５０℃以下になると、一次スケールが強固となり、除去が困難となる。このため、デスケーリング温度範囲としては１２５０〜１０５０℃が望ましい。
(E) Descaling temperature range 1250-1050 degreeC is desirable as a descaling temperature range immediately after reheating extraction of the steel slab for rails, and rough rolling. Since the descaling temperature is performed immediately after reheating (1250 to 1300 ° C.) extraction of the steel slab, the upper limit is substantially 1250 ° C. On the other hand, when the descaling temperature is 1050 ° C. or lower, the primary scale becomes strong and the removal becomes difficult. For this reason, 1250-1050 degreeC is desirable as a descaling temperature range.
レール仕上げ圧延中のデスケーリング温度範囲としては１０５０〜９５０℃が望ましい。二次スケールは１０５０℃以下で生成するため、実質１０５０℃が上限となる。また、デスケーリング温度が９５０℃以下になると、レール自体の温度が低下し易くなり、特許文献３、特許文献４に示された熱処理時の熱処理開始温度が確保できず、レールの硬度が低下し、耐疲労損傷性が大きく低下する。このため、デスケーリング温度範囲としては１０５０〜９５０℃が望ましい。
A descaling temperature range during rail finish rolling is preferably 1050 to 950 ° C. Since the secondary scale is generated at 1050 ° C. or lower, the upper limit is substantially 1050 ° C. Further, when the descaling temperature is 950 ° C. or lower, the temperature of the rail itself tends to decrease, the heat treatment start temperature at the time of the heat treatment shown in
（Ｆ）デスケーリング回数
再加熱抽出直後および粗圧延での一次スケール除去を十分に行うには、圧延直前にデスケーリングを４〜１２回程度行うことが望ましい。デスケーリングが４回未満になると、一次スケールが十分に除去できず、スケールの素材側への押し込みにより発生し、表面の粗度が大きくなる、即ち、Ｒｍａｘを１８０以下に制御することが困難となる。一方、デスケーリングが１２回を超えると、レール表面の粗さは小さくなるが、レール自体の温度が低下し、特許文献３、特許文献４に示された熱処理時の熱処理開始温度が確保できず、レールの硬度が低下し、耐疲労損傷性が大きく低下する。このため、再加熱抽出直後および粗圧延でのデスケーリング回数は４〜１２回行うことが望ましい。
(F) Number of descaling In order to sufficiently remove the primary scale immediately after reheating extraction and in rough rolling, it is desirable to perform descaling about 4 to 12 times immediately before rolling. If the descaling is less than 4 times, the primary scale cannot be removed sufficiently, it is generated by pushing the scale toward the material side, and the surface roughness increases, that is, it is difficult to control Rmax to 180 or less. Become. On the other hand, if the descaling exceeds 12 times, the rail surface roughness decreases, but the temperature of the rail itself decreases, and the heat treatment start temperature during the heat treatment shown in
仕上げ圧延での二次スケール除去を十分に行うには、圧延直前にデスケーリングを３〜８回程度行うことが望ましい。デスケーリングが３回未満になると、二次スケールが十分に除去できず、スケールの素材側への押し込みにより発生し、表面の粗度が大きくなる。一方、デスケーリングが８回を超えると、レール表面の粗さは小さくなるが、レール自体の温度が低下し、特許文献３、特許文献４に示された熱処理時の熱処理開始温度が確保できず、レールの硬度が低下し、耐疲労損傷性が大きく低下する。このため、仕上げ圧延でのデスケーリング回数は３〜８回行うことが望ましい。
In order to sufficiently remove the secondary scale in finish rolling, it is desirable to perform descaling about 3 to 8 times immediately before rolling. If the descaling is less than 3 times, the secondary scale cannot be removed sufficiently, and is generated by pushing the scale toward the material side, resulting in an increase in surface roughness. On the other hand, if the descaling exceeds eight times, the rail surface roughness decreases, but the temperature of the rail itself decreases, and the heat treatment start temperature at the time of heat treatment shown in
なお、耐疲労損傷性のさらなる向上を狙って表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を３．０以上に制御するには、デスケーリングを粗圧延温度１２００〜１０５０℃で８〜１２回、仕上げ圧延温度１０５０〜９５０℃で５〜８回のデスケーリングを行うことが望ましい。
In order to control the surface hardness (SVH) / maximum surface roughness (Rmax) to 3.0 or more with the aim of further improving the fatigue damage resistance, descaling is performed at a rough rolling temperature of 1200 to 1050 ° C. at 8 to 8 ° C. It is desirable to perform
デスケーリングを行う部位としては、レール圧延用鋼片において、レール頭部表面、底部表面に相当する位置に行うことが望ましい。それ以外の部位については、積極的なデスケーリングを行っても耐疲労損傷性の向上は望めず、レールが過剰に冷却され、逆にレールの材質を悪化させる懸念がある。 It is desirable to perform descaling at positions corresponding to the rail head surface and the bottom surface in the rail rolling steel slab. For other parts, even if aggressive descaling is performed, fatigue damage resistance cannot be improved, and the rail is excessively cooled, and there is a concern that the material of the rail may be deteriorated.
表３−１、表３−２に熱間圧延時の加熱炉雰囲気制御の有無、メカニカルデスケーリングの有無、再加熱抽出直後、粗圧延、仕上げ圧延でのデスケーリングの条件、高圧水エアー及びメカデスケ制御の有無、熱処理開始温度、熱処理の有無、軽圧下矯正の有無と鋼レールの諸特性の関係を示す。雰囲気制御、メカニカルデスケーリングや高圧水やエアーでのデスケーリングをある一定の条件で行い、必要に応じて適切な熱処理を行うことにより、レール頭部表面、底部表面の硬さを確保し、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を小さくし、さらに、メカニカルデスケーリングや高圧の水やエアーでのデスケーリングを制御し、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を抑制し、矯正の圧下を制御し、残留応力を抑制することにより、レールの耐疲労損傷性を大きく向上させることができる。 Tables 3-1 and 3-2 show presence / absence of heating furnace atmosphere control during hot rolling, presence / absence of mechanical descaling, immediately after reheating extraction, conditions for descaling in rough rolling and finish rolling, high pressure water air and mechanical deske The relationship between the presence / absence of control, the heat treatment start temperature, the presence / absence of heat treatment, the presence / absence of light reduction and the various characteristics of the steel rail is shown. Atmosphere control, mechanical descaling and descaling with high-pressure water or air are performed under certain conditions, and appropriate heat treatment is performed as necessary to ensure the hardness of the rail head surface and bottom surface. Reduces surface roughness (Rmax) and controls mechanical descaling and descaling with high-pressure water and air to suppress the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness, and to reduce correction By controlling the residual stress and suppressing the residual stress, the fatigue damage resistance of the rail can be greatly improved.
（１０）残留応力を制御する製造方法について
熱処理後のレールの曲がりを抑制し、ローラー矯正での圧下量を抑制する。さらには、ローラー矯正での圧下を制御することが望ましい。熱処理後のレールの曲がりを抑制する方法としては、特許文献４に記載されているような方法で圧延後のレールに制御冷却を行うことにより、熱処理後のレールの曲がりを抑制し、残留応力の軽減が可能となる。さらに、ローラー矯正での制御については、特許文献５、特許文献６等に記載されているような小径ロールによる軽圧下矯正により、残留応力を軽減することが可能となる。
なお、残留応力の制御については、引張残留応力を軽減、さらには、圧縮に制御することが望ましい。具体的には、上記に述べたように、頭部表面および底部表面の長手方向残留応力を引張２００ＭＰａ〜圧縮２００ＭＰａに制御する。
(10) About the manufacturing method which controls a residual stress The bending of the rail after heat processing is suppressed, and the amount of reduction in roller correction is suppressed. Furthermore, it is desirable to control the reduction in roller correction. As a method for suppressing the bend of the rail after the heat treatment, the rail after the heat treatment is controlled and cooled by a method as described in Patent Document 4, thereby suppressing the bend of the rail after the heat treatment and the residual stress. Mitigation is possible. Further, regarding the control in the roller correction, the residual stress can be reduced by light pressure correction with a small diameter roll as described in
As for the residual stress control, it is desirable to reduce the tensile residual stress and further control to compress. Specifically, as described above, the longitudinal residual stress on the head surface and the bottom surface is controlled to a tension of 200 MPa to a compression of 200 MPa.
表３−１、表３−２にローラー矯正時の軽圧下矯正の有無と鋼レールの諸特性の関係を示す。圧延中のデスケーリングに加えて、軽圧下矯正を行うことにより、レール頭部表面、底部表面の残留応力が軽減し、レールの耐疲労損傷性をさらに向上させることができる。 Tables 3-1 and 3-2 show the relationship between the presence or absence of light reduction during roller correction and various characteristics of the steel rail. By performing light rolling correction in addition to descaling during rolling, residual stress on the rail head surface and bottom surface can be reduced, and the fatigue damage resistance of the rail can be further improved.
次に、本発明の実施例について説明する。
表１−１、表１−２に供試レール鋼の化学成分と諸特性を示す。表１−１、表１−２には、化学成分値、レール頭部表面、底部表面のミクロ組織、表面硬さ（ＳＶＨ）、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）、表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を示す。さらに、図７に示す方法で行った疲労試験の結果も併記した。
Next, examples of the present invention will be described.
Table 1-1 and Table 1-2 show the chemical composition and various properties of the test rail steel. In Table 1-1 and Table 1-2, the chemical component value, the rail head surface, the bottom surface microstructure, surface hardness (SVH), maximum surface roughness (Rmax), surface hardness (SVH) / maximum The value of surface roughness (Rmax) indicates the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness. Furthermore, the result of the fatigue test performed by the method shown in FIG. 7 is also shown.
表２に比較レール鋼の化学成分と諸特性を示す。表２には、化学成分値、レール頭部表面、底部表面のミクロ組織、表面硬さ（ＳＶＨ）、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）、表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を示す。さらに、図７に示す方法で行った疲労試験の結果も併記した。 Table 2 shows the chemical composition and various properties of the comparative rail steel. Table 2 shows chemical component values, rail head surface, bottom surface microstructure, surface hardness (SVH), maximum surface roughness (Rmax), surface hardness (SVH) / maximum surface roughness (Rmax). The value indicates the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness. Furthermore, the result of the fatigue test performed by the method shown in FIG. 7 is also shown.
表１−１、表１−２、表２に記載のレールは、（Ａ）加熱炉の雰囲気制御、（Ｂ）メカニカルデスケーリング、（Ｃ）高圧水やエアーでのデスケーリングを選択的に実施したものである。 The rails listed in Table 1-1, Table 1-2, and Table 2 selectively implement (A) furnace atmosphere control, (B) mechanical descaling, and (C) descaling with high-pressure water or air. It is a thing.
高圧水やエアーでのデスケーリングは、粗圧延温度１２５０〜１０５０℃で４〜１２回、仕上げ圧延温度１０５０〜９５０℃で３〜８回実施した。 Descaling with high-pressure water or air was performed 4 to 12 times at a rough rolling temperature of 1250 to 1050 ° C., and 3 to 8 times at a finish rolling temperature of 1050 to 950 ° C.
圧延後の熱処理については、特許文献３、特許文献４等に記載されているような圧延後に加速冷却を実施した。
About the heat processing after rolling, accelerated cooling was implemented after rolling as described in
なお、参考例レールの符号Ａ１〜Ａ８、比較レールの符号ａ１〜ａ８については、雰囲気制御なし、メカニカルデスケなし、粗圧延温度１２５０〜１０５０℃で６回、仕上げ圧延温度１０５０〜９５０℃で４回の高圧水やエアーでのデスケーリングを行い、圧延後に、特許文献３、特許文献４等に記載されているような加速冷却を行い、一定の条件で製造し、成分の影響を調査した。
In addition, about the code | symbol A1-A8 of a reference example rail, and the codes | symbols a1-a8 of a comparison rail, there is no atmosphere control, no mechanical deske, 6 times at rough rolling temperature 1250-1050 degreeC, 4 at finishing rolling temperature 1050-950 degreeC After descaling with high-pressure water and air twice, accelerated cooling as described in
また、表３−１、表３−２には表１に記載の鋼の製造条件と諸特性を示す。表３−１、表３−２には、熱間圧延時の加熱炉雰囲気制御の有無、メカニカルデスケーリングの有無、再加熱抽出直後、粗圧延、仕上げ圧延でのデスケーリング温度域や回数、高圧水エアー及びメカデスケ制御の有無、熱処理開始温度、熱処理の有無、軽圧下矯正の有無、レール頭部表面、底部表面のミクロ組織、表面硬さ（ＳＶＨ、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）、表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数、長手方向の残留応力の値を示す。さらに、図７に示す方法で行った疲労試験の結果も併記した。 Tables 3-1 and 3-2 show the manufacturing conditions and various properties of the steel listed in Table 1. Tables 3-1 and 3-2 show the presence or absence of furnace atmosphere control during hot rolling, presence or absence of mechanical descaling, immediately after reheating extraction, descaling temperature range and number of times in rough rolling and finish rolling, high pressure Presence / absence of water / air and mechanical deske control, heat treatment start temperature, heat treatment, light pressure reduction presence / absence, rail head surface, bottom surface microstructure, surface hardness (SVH, maximum surface roughness (Rmax), surface hardness The value of (SVH) / maximum surface roughness (Rmax), the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness, and the value of the residual stress in the longitudinal direction are shown, and the fatigue performed by the method shown in FIG. The test results are also shown.
また、各種試験条件は下記のとおりである。
＜疲労試験＞
●レール形状：１３６ポンドレール（６７ｋｇ／ｍ）
●疲労試験（図７参照）
試験方法：実物レール３点曲げ（スパン長：１ｍ、周波数：５Ｈｚ）
荷重条件：応力範囲制御（最大−最小、最小荷重は最大荷重の１０％）
●試験姿勢（図７参照）
頭部表面の試験：底部に荷重負荷（頭部に引張応力作用）。
底部表面の試験：頭部に荷重負荷（底部に引張応力作用）。
●繰り返し回数：２００万回、未破断の場合の最大応力範囲を疲労限応力範囲とする。
Various test conditions are as follows.
<Fatigue test>
Rail shape: 136 pound rail (67kg / m)
● Fatigue test (see Fig. 7)
Test method: Real rail three-point bending (span length: 1 m, frequency: 5 Hz)
Load conditions: Stress range control (maximum-minimum, minimum load is 10% of maximum load)
● Test posture (see Fig. 7)
Head surface test: Load applied to bottom (tensile stress acting on head).
Bottom surface test: load applied to the head (tensile stress action on the bottom).
● Number of repetitions: 2 million times, the maximum stress range when not ruptured is the fatigue limit stress range.
（１）本発明、参考例レール（７４本）
符号Ａ１〜Ａ７４：化学成分値、レール頭部表面、底部表面のミクロ組織、表面硬さ（ＳＶＨ）、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値が本願発明範囲内のレール。
符号Ａ１０、Ａ１９、Ａ３２、Ａ５１、Ａ５９：化学成分値、レール頭部表面、底部表面のミクロ組織、表面硬さ（ＳＶＨ）、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）に加えて、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数が本願発明範囲内のレール。
(1) Invention , reference example rail (74)
Reference signs A1 to A74: rails whose chemical component values, rail head surface, bottom surface microstructure, surface hardness (SVH), and maximum surface roughness (Rmax) are within the scope of the present invention.
Symbols A10, A19, A32, A51, A59: chemical component value, rail head surface, bottom surface microstructure, surface hardness (SVH), maximum surface roughness (Rmax), maximum surface roughness 0 A rail whose number of irregularities exceeding 30 times is within the scope of the present invention.
符号Ａ１１、Ａ１２、Ａ１６、Ａ１７、Ａ２０、Ａ２１、Ａ２４、Ａ２５、Ａ２７、Ａ２８、Ａ３３、Ａ３４、Ａ３７、Ａ３９、Ａ４２、Ａ４３、Ａ４７、Ａ４８、Ａ５２、Ａ５３、Ａ５５、Ａ５６、Ａ６０、Ａ６１、Ａ６４、Ａ６５、Ａ６８、Ａ６９、Ａ７１、Ａ７２：化学成分値、レール頭部表面、底部表面のミクロ組織、表面硬さ（ＳＶＨ）、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）に加えて、表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値が本願発明範囲内のレール。
符号Ａ１３、Ａ２２、Ａ３８、Ａ４４、Ａ６２：化学成分値、レール頭部表面、底部表面のミクロ組織、表面硬さ（ＳＶＨ）、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）、表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値に加えて、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数が本願発明範囲内のレール。
Reference signs A11, A12, A16, A17, A20, A21, A24, A25, A27, A28, A33, A34, A37, A39, A42, A43, A47, A48, A52, A53, A55, A56, A60, A61, A64 , A65, A68, A69, A71, A72: chemical component value, rail head surface, bottom surface microstructure, surface hardness (SVH), maximum surface roughness (Rmax), surface hardness (SVH) / A rail whose maximum surface roughness (Rmax) is within the scope of the present invention.
Symbols A13, A22, A38, A44, A62: Chemical composition value, rail head surface, bottom surface microstructure, surface hardness (SVH), maximum surface roughness (Rmax), surface hardness (SVH) / maximum surface In addition to the value of roughness (Rmax), the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness is within the scope of the present invention.
なお、表１−１、表１−２、表２に記載の表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値が３．０以上のレールは、（Ａ）加熱炉の雰囲気制御、（Ｂ）メカニカルデスケーリング、（Ｃ）高圧水やエアーでの圧延中のデスケーリングを選択的に実施したものである。 In addition, the rail whose value of surface hardness (SVH) / maximum surface roughness (Rmax) described in Table 1-1, Table 1-2, and Table 2 is 3.0 or more is (A) atmosphere control of a heating furnace. (B) Mechanical descaling, (C) Descaling during rolling with high-pressure water or air was selectively performed.
特に、高圧水やエアーでのデスケーリングでは、その回数を増やし、粗圧延温度１２５０〜１０５０℃で８〜１２回、仕上げ圧延温度１０５０〜９５０℃で５〜８回のデスケーリングを行い、その後、特許文献２、特許文献３等に記載されているような圧延後加速冷却を実施した。
In particular, in the descaling with high-pressure water or air, the number of times is increased, the descaling is performed 8 to 12 times at a rough rolling temperature of 1250 to 1050 ° C., and 5 to 8 times at a finishing rolling temperature of 1050 to 950 ° C., Accelerated cooling after rolling as described in
（２）比較レール（２８本）
符号ａ１〜ａ８：化学成分が本願発明範囲外のレール。
符号ａ９〜ａ２８：レール頭部表面、底部表面の表面硬さ（ＳＶＨ）、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値が本願発明範囲外のレール。
(2) Comparison rail (28)
Symbols a1 to a8: rails whose chemical components are outside the scope of the present invention.
Symbols a9 to a28: Rails whose surface hardness (SVH) and maximum surface roughness (Rmax) are not within the scope of the present invention.
表１−１、表１−２、表２に示すように、本発明レール鋼、参考例レール鋼（鋼：Ａ１〜Ａ７４）は、比較レール鋼（鋼：ａ１〜ａ８）と比べて、鋼のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの化学成分を限定範囲内に収めることにより、耐疲労損傷性に悪影響する初析フェライト組織、マルテンサイト組織を生成させることなく、レール頭部表面、底部表面に一定の硬さ範囲内のベイナイト組織を安定的に得、レールに必要な疲労強度（疲労限応力範囲３００ＭＰａ以上）を確保し、レールの耐疲労損傷性を向上させることが可能となる。
As shown in Table 1-1, Table 1-2, and Table 2, the rail steel of the present invention and the reference example rail steel (steel: A1 to A74) are steel compared to the comparative rail steel (steel: a1 to a8). By keeping the chemical components of C, Si, Mn, and Cr within the limited range, it is constant on the rail head surface and bottom surface without generating proeutectoid ferrite structure and martensite structure that adversely affect fatigue damage resistance. It is possible to stably obtain a bainite structure within the hardness range, to ensure the fatigue strength necessary for the rail (fatigue limit stress range of 300 MPa or more), and to improve the fatigue resistance of the rail.
また、表１−１、表１−２、表２に示すように、本発明レール鋼、参考例レール鋼（鋼：Ａ１〜Ａ７４）は、比較レール鋼（鋼：ａ９〜２８）と比べて、レール頭部表面、底部表面に安定的に一定の硬さ範囲内のベイナイト組織を得、さらに、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を安定的に一定の範囲内に納めることにより、レールに必要な疲労強度（疲労限応力範囲３００ＭＰａ以上）を確保し、レールの耐疲労損傷性を向上させることが可能となる。
Moreover, as shown in Table 1-1, Table 1-2, and Table 2, this invention rail steel and reference example rail steel (steel: A1-A74) are compared with comparative rail steel (steel: a9-28). It is necessary for the rail by obtaining a bainite structure within a certain range of hardness stably on the rail head surface and bottom surface, and further keeping the maximum surface roughness (Rmax) within a certain range stably. It is possible to ensure fatigue strength (fatigue limit stress range of 300 MPa or more) and to improve the fatigue damage resistance of the rail.
図８に本発明レール鋼、参考例レール鋼（鋼：Ａ９、Ａ１１〜Ａ１２、Ａ１４〜Ａ１８、Ａ２０〜Ａ２１、Ａ２３〜Ａ３１、Ａ３３〜Ａ３７、Ａ３９〜Ａ４３、Ａ４５〜Ａ５０、Ａ５２〜Ａ５８、Ａ６０〜Ａ６１、Ａ６３〜７４）のレール頭部の表面硬さと疲労限応力範囲の関係を表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値で区別して示す。
FIG. 8 shows the present invention rail steel , reference example rail steel (steel: A9, A11 to A12, A14 to A18, A20 to A21, A23 to A31, A33 to A37, A39 to A43, A45 to A50, A52 to A58, A60). -A61 and A63-74), the relationship between the surface hardness of the rail head and the fatigue limit stress range is shown by the value of surface hardness (SVH) / maximum surface roughness (Rmax).
図９に本発明レール鋼、参考例レール鋼（鋼：Ａ９、Ａ１１〜Ａ１２、Ａ１４〜Ａ１８、Ａ２０〜Ａ２１、Ａ２３〜Ａ３１、Ａ３３〜Ａ３７、Ａ３９〜Ａ４３、Ａ４５〜Ａ５０、Ａ５２〜Ａ５８、Ａ６０〜Ａ６１、Ａ６３〜７４）のレール底部の表面硬さと疲労限応力範囲の関係を表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値で区別して示す。
FIG. 9 shows rail steel of the present invention , reference example rail steel (steel: A9, A11 to A12, A14 to A18, A20 to A21, A23 to A31, A33 to A37, A39 to A43, A45 to A50, A52 to A58, A60. -A61 and A63-74), the relationship between the surface hardness of the rail bottom and the fatigue limit stress range is shown by the value of surface hardness (SVH) / maximum surface roughness (Rmax).
図８、図９に示すように、本発明レール鋼は、表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値を一定範囲内に納めることにより、ベイナイト組織を呈したレールの疲労強度（疲労限応力範囲）をさらに向上させ、耐疲労損傷性を向上させることができる。 As shown in FIGS. 8 and 9, the rail steel of the present invention has a fatigue strength of a rail exhibiting a bainite structure by keeping the value of surface hardness (SVH) / maximum surface roughness (Rmax) within a certain range. (Fatigue limit stress range) can be further improved, and fatigue damage resistance can be improved.
図１０に本発明レール鋼、参考例レール鋼（鋼：Ａ９〜Ａ１０、Ａ１２〜Ａ１３、Ａ１８〜Ａ１９、Ａ２１〜Ａ２２、Ａ３１〜Ａ３２、Ａ３７〜Ａ３８、Ａ４３〜Ａ４４、Ａ５０〜Ａ５１、Ａ５８〜Ａ５９、Ａ６１〜Ａ６２）のレール頭部の表面硬さと疲労限応力範囲の関係を最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数で区別して示す。
図１１に本発明レール鋼、参考例レール鋼（鋼：Ａ９〜Ａ１０、Ａ１２〜Ａ１３、Ａ１８〜Ａ１９、Ａ２１〜Ａ２２、Ａ３１〜Ａ３２、Ａ３７〜Ａ３８、Ａ４３〜Ａ４４、Ａ５０〜Ａ５１、Ａ５８〜Ａ５９、Ａ６１〜Ａ６２）のレール底部の表面硬さと疲労限応力範囲の関係を最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数で区別して示す。
図１０、図１１に示すように、本発明レール鋼は、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を一定範囲内に納めることにより、ベイナイト組織を呈したレールの疲労強度（疲労限応力範囲）をより一層向上させ、耐疲労損傷性を大きく向上させることができる。
FIG. 10 shows rail steel of the present invention , reference example rail steel (steel: A9 to A10, A12 to A13, A18 to A19, A21 to A22, A31 to A32, A37 to A38, A43 to A44, A50 to A51, A58 to A59. , A61 to A62), the relationship between the surface hardness of the rail head and the fatigue limit stress range is indicated by the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness.
FIG. 11 shows the present invention rail steel , reference example rail steel (steel: A9 to A10, A12 to A13, A18 to A19, A21 to A22, A31 to A32, A37 to A38, A43 to A44, A50 to A51, A58 to A59. , A61 to A62), the relationship between the surface hardness of the rail bottom and the fatigue limit stress range is shown by being distinguished by the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness.
As shown in FIGS. 10 and 11, the rail steel of the present invention has a fatigue strength (fatigue) of a rail exhibiting a bainite structure by keeping the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness within a certain range. The limit stress range) can be further improved, and the fatigue damage resistance can be greatly improved.
また、表３−１、表３−２に示すように、雰囲気制御、メカニカルデスケーリングや高圧水やエアーでのデスケーリングをある一定の条件で行い、必要に応じて適切な熱処理を行うことにより、レール頭部表面、底部表面の硬さを確保し、さらに、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を小さくし、表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値、さらには、メカニカルデスケーリングや高圧の水やエアーでのデスケーリングを制御し、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を一定範囲内に納めることにより、ベイナイト組織を呈したレールの疲労強度（疲労限応力範囲）をより一層向上させ、耐疲労損傷性を大きく向上させることができる。 Moreover, as shown in Table 3-1 and Table 3-2, by performing atmosphere control, mechanical descaling, descaling with high-pressure water or air under certain conditions, and performing appropriate heat treatment as necessary , Ensuring the hardness of the rail head surface and the bottom surface, further reducing the maximum surface roughness (Rmax), the value of surface hardness (SVH) / maximum surface roughness (Rmax), By controlling scaling and descaling with high-pressure water or air and keeping the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness within a certain range, the fatigue strength (fatigue limit) of the rail exhibiting a bainite structure Stress range) can be further improved, and the fatigue damage resistance can be greatly improved.
さらに、表３−１、表３−２に示すように、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を小さくし、必要に応じて、表面硬さ（ＳＶＨ）／最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）の値を制御し、さらには、最大表面粗さの０．３０倍を超える凹凸の数を一定範囲内に納め、適切な軽圧下矯正を行うことにより、長手方向の残留応力を軽減し、レールの耐疲労損傷性を大きく向上させることができる。 Further, as shown in Tables 3-1 and 3-2, the maximum surface roughness (Rmax) is reduced, and the surface hardness (SVH) / maximum surface roughness (Rmax) value is controlled as necessary. Furthermore, the number of irregularities exceeding 0.30 times the maximum surface roughness is kept within a certain range, and by performing appropriate light reduction, the residual stress in the longitudinal direction is reduced, and the fatigue resistance of the rail Can be greatly improved.
１：頭頂部、
２：頭部コーナー部、
３：足裏部
1: the top of the head,
2: Head corner,
3: Foot sole
Claims (13)
Priority Applications (1)
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