JPH0454557B2

JPH0454557B2 -

Info

Publication number: JPH0454557B2
Application number: JP61309778A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Sugino; Mutsumi Okazaki; Nobutaka Yurioka; Makoto Okumura
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1992-08-31
Also published as: JPS63160799A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は鉄道用またはクレーン用レールを突き
合わせ溶接または肉盛溶接する際に用いられる被
覆アーク溶接棒に関するものである。（従来の技術）レールを突き合わせ溶接または肉盛溶接するに
は、接合レール端面を開先加工して逐次多層溶接
する方法、あるいはＩ型開先で突き合わせた後レ
ール足部を多層溶接した後、腹部と頭部をエンク
ローズ当金材で取囲み、連続的に溶接するエンク
ローズ溶接方法が用いられている。また、レール
の肉盛溶接には突き合わせ溶接部のレール頭表面
を硬化肉盛したり、レールの局部的な表面疵また
は摩耗部分を肉盛補修する方法がある。レールはその使用目的から、頭表面では車輪と
のころがり接触に対する耐摩耗性と疲労き烈に対
する抵抗力すなわち耐疲労損傷性の大きい性質が
要求されている。一方、足部と腹部では車輪通過
時の衝撃あるいは曲げ荷重に耐え得るだけの静的
強度と疲労強度が必要とされており、さらに溶接
割れ等の溶接欠陥についても皆無または実用的に
差しつかえない程度以下に極力少なくなつていな
ければならない。現在世界の鉄道用普通レールの化学成分は第１
表に示すように重量％でＣ：0.40〜0.82％、Si：
0.05〜0.35％、Mn：0.60〜1.25％を含有してお
り、その金属組織はパーライトで、引張り強さは
70Kg／mm²以上である。

【表】最近、レール使用性能に関する研究は多く、耐
摩耗性と耐疲労損傷性はパーライト組織が最も優
れ、マルテンサイト組織は有害で、同じパーライ
ト組織であれば硬さが大きくＣ含有量の多い方が
優れていることが明らかにされている。（発明が解決しようとする問題点）これらの性能をさらに高めるため前記の普通レ
ールの頭表面または全体を熱処理した硬頭レール
または前記普通レールの成分にSi：1.0％以下、
Mn：1.50％以下まで高め、さらにCr、Mo、Ｖ、
Nb、Ni、Cuのうち１種または２種以上でCr：
1.3％以下、MoまたはＶ：0.3％以下、Nb：0.1％
以下、Cu：0.3％以下添加した合金鋼レールおよ
び両方を併用した合金鋼熱処理レールが実用化さ
れている。従来、レールを突き合わせ溶接または肉盛溶接
する際に用いられる被覆アーク溶接棒は第２表に
示すようにJISZ3213低合金高張力鋼用被覆アー
ク溶接棒である。これらの溶接棒は通常厚鋼板等
に使用されるため、JIS3503被覆アーク溶接棒心
線用線材またはJISG3505軟鋼線材で定められる
Ｃ：0.25％以下、Mn：0.65％以下の線材にNi、
CrおよびMoの１種または２種以上の合金成分剤
を含有するフラツクスを被覆したものである。従
つて、このような溶接棒をレールに適用した場合
に形成される溶接金属はＣ：0.3％以下で、Si、
Mnの他に、Ni、Cr、Moの１種または２種以上
を0.1％以上含有する。このためレール母材の溶
融境界部近傍に高温割れが発生する。この高温割
れはレール鋼の溶融点が約1470℃であるのに対
し、溶接金属はそれよりも高く約1530℃であるた
めに理論的には避けられない。さらにこの溶融境
界部近傍には溶接のままで多量のマルテンサイト
組織を生成し、疲労強度が著しく低下するので、
通常溶接後710℃以下の温度で焼もどしまたは焼
なましをしなければならない。その結果、溶接金
属の組織は耐摩耗性の低いベイナイトを生成する
ため、前記の溶接棒を用いたレールの溶接部はた
とえ硬さが母材レールと同じでも溶接金属層が局
部的に早期に摩耗する。このような高温割れおよ
び局部摩耗は母材レールが高Ｃで合金鋼化すなわ
ち高強度化すればする程顕著になり、高強度レー
ルにおいては実際に溶接不能の状態になつてい
た。

【表】また、レールの肉盛溶接法には第２表で示すよ
うなJISZ3251硬化肉盛用被覆アーク溶接棒の
DF2AまたはDF2Bに該当する溶接棒が用いられ
ている。DF2Aに該当する溶接棒は前記低合金高
適力鋼用溶接棒とほとんど変らないので、前記の
問題がそのままあてはまる。DF2Bで形成される
溶接金属は溶接のままではマルテンサイト組織を
生成するので、溶接後焼もどし処理を施さざるを
得ない。このため、溶接金属は焼きもどしマルテ
ンサイト組織となつてパーライト組織が得られな
いだけでなく、熱処理レールではこのような後熱
処理をするとこの熱影響を受ける母材レール頭表
部が軟化し、かえつて摩耗が著しくなるという事
態が発生していた。本発明は、前記の従来技術における問題点を本
質的に解決するとともに熱処理または合金鋼レー
ルの如き高強度レールにも良好な継手性能を安定
して確保することができる鉄道用レールまたはク
レーンレールに用いる被覆アーク溶接棒を提供す
る。この目的のために本発明者らは広範囲な研究を
行なつた結果、第２表に示すような従来の被覆ア
ーク溶接棒によつて形成された溶着金属は母材レ
ールと著しく異なつた成分となるため前記の如き
問題が発生することを知見し、溶着金属が従来溶
接には不適当とされてきた母材レールと類似の高
Ｃ型パーライト組織となる全く新しいレール用被
覆アーク溶接棒を発明した。（問題点を解決するための手段）本発明の要旨は、重量％で、Ｃ：1.0％以下、
Si：1.0％以下、Mn：1.6％以下、残部がFeおよ
び不可避的不純物からなる溶接心線に、スラグ形
成剤またはこれと合金成分剤からなるフラツクス
を被覆したアーク溶接棒において、溶接棒全体に
含有される前記合金成分を溶接棒全重量％で、
Ｃ：0.4〜3.0％、Si：0.1〜10.0％、Mn：0.6〜3.0
％に調整したことを特徴とするレール用被覆アー
ク溶接棒、および、重量％で、Ｃ：1.0％以下、
Si：1.0％以下、Mn：1.6％以下、さらにCr：1.3
％以下、Mo：0.3％以下、Ｖ：0.3％以下、Nb：
0.1％以下、Ni：2.0％以下、Cu：0.3％以下の１
種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不
可避的不純物からなる溶接心線に、スラグ形成剤
またはこれと合金成分剤からなるフラツクスを被
覆したアーク溶接棒において、溶接棒全体に含有
される前記合金成分を溶接棒全重量％で、Ｃ：
0.4〜3.0％以下、Si：0.1〜10.0％以下、Mn：0.6
〜3.0％で、Cr：1.3％以下、Mo：0.3％以下、
Ｖ：0.3％以下、Nb：0.1％以下、Ni：2.0％以下、
Cu：0.3％以下に調整したことを特徴とするレー
ル用被覆アーク溶接棒である。（作用）本発明の溶接棒で得られる溶着金属はＣ：0.4
〜0.9％以下、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.6〜1.5％、
あるいはさらにCr：1.3％以下、Mo：0.3％以下、
Ｖ：0.3％以下、Nb：0.1％以下、Ni：2.0％以下、
Cu：0.3％以下の１種または２種以上を含み、残
部がFeおよび不可避的不純物となるために、そ
の成分は母材レールと類似の高Ｃ鋼で母材レール
の溶融境界層に高温割れの発生がなく、適切な後
熱処理を施すことにより、母材レールと類似のパ
ーライト組織、硬さ、引張り強さ、および耐食性
等の継手性能が得られる。以下に本発明について詳細に説明する。被覆アーク溶接の溶着金属における合金成分は
溶接心線またはフラツクスの合金成分剤あるいは
この両方から添加することができる。従つて本発
明の被覆アーク溶接棒における溶接心線またはフ
ラツクスの合金成分剤および溶接棒全体に添加す
る合金成分量は溶接棒の溶着金属に対する歩留を
勘案して決定する。本発明者等の知見によると溶着金属の合金成分
は溶接心線から添加する場合歩留が最も大きくな
り、Ｃ、Si、Mn、では90％以上、Cr、Mo、Ｖ、
Nb、Cu、Niではほぼ100％が見込める。従つて
本発明の溶接棒における溶接心線の合金成分は前
記溶着金属の上限値を歩留が最小の場合に相当す
る。すなわち本発明の溶接心線はＣ：1.0％以下、
Si：1.0％以下、Mn：1.6％以下、またはさらに
Cr：1.3％以下、Mo：0.3％以下、Ｖ：0.3％以下、
Nb：0.1％以下、Ni：2.0％以下のうち１種また
は２種以上を含む軟鋼、硬鋼、または特殊鋼線材
を用いることができる。一方、溶接心線に被覆するフラツクスの合金成
分剤は溶接心線の合金成分量および合金供給物質
の溶着金属に対する歩留に応じて添加量を調整す
る。この歩留は各々の合金元素、合金供給物質の
種類および溶接条件によつて異なるので、溶接棒
全体に含有される合金成分の限定値は各々の合金
元素毎にこの歩留の最大値すなわち100％および
最小値から決定する。以下に本発明のレール用被覆アーク溶接棒にお
ける各合金成分の添加理由とその限定値について
説明する。Ｃは溶着金属にレール鋼と類似のパーライト組
織を生成させるための必須成分であると同時に、
溶着金属を高Ｃ鋼、すなわちＣ：0.4〜0.9％に調
整して、この凝固温度をレール鋼とほぼ同等にす
ることによつて従来技術で発生していた母材レー
ルの溶融境界層における高温液化割れを防止する
もので本発明の最大の特徴をなすものである。さ
らに溶着金属のＣ含有量が増加するに従い継手引
張り強さおよび硬さが増大するため溶接金属の耐
摩耗性および耐疲労損傷性を向上させることがで
きる。溶着金属のＣ量は溶接心線に含有されるＣ成分
またはフラツクスの合金成分剤に黒鉛、Ｃ合金
鉄、鋳鉄およびＣ化合物等のＣ供給物質あるいは
これらの両方から添加する。従つて溶接棒全体に
おけるＣ量の上限値はＣ供給物質の溶着金属への
歩留が最小となる場合から決定される。すなわち
Ｃ成分をほとんど含有しない軟鋼心線を用いて、
フラツクスの合金成分剤に溶着金属への歩留が最
も低い30％の黒鉛粉末だけから添加した場合、前
記溶着金属を得るためには溶接棒全体におけるＣ
含有量は最大3.0％になる。これに対して溶接棒
全体におけるＣ含有量の下限値は溶接心線または
フラツクスの合金成分剤における溶着金属への歩
留が最大すなわち100％の場合に相当し、最小0.4
％となる。従つて、本発明における溶接棒全体に
含有されるＣ量は溶接棒全重量％で0.4〜3.0％と
した。溶接棒のＣ含有量が0.4％未満では溶着金属の
Ｃ量が0.4未満となる場合が生じ、母材レールの
溶融境界層に高温割れが発生すると共に溶着金属
のパーライト組織が少なくなり、継手引張り強さ
の70Kg／mm²以上が得られない。溶接棒のＣ含有量
が3.0％超では溶着金属のＣ量が0.9％超となり、
溶着金属に初析セメンタイトが析出し、溶着金属
が著しく脆化する。 Siは通常溶着金属の脱酸剤として被覆アーク溶
接棒のフラツクスにおける合金成分剤には必ず含
有されるもので、合金鉄から添加される。レール
鋼のSi含有量は通常0.1％以上であり、Siはパー
ライト組織においてフエライトを強化して強度を
上昇させると同時に耐疲労損傷性を向上させ、さ
らにパーライト変態の開始時間、温度に及ぼす影
響が小さいため、溶着金属のSi量をレール鋼より
多く含有しても1.0％以下であれば有害にならな
い。しかし1.1％を超える過剰な含有は、レール
を突合わせ多層溶接した場合、溶着金属の成分が
高Siになるにしたがい溶着金属が凝固割れ感受性
を高めまた凝固割れを起こし、レールの使用寿命
を著しく短命化する問題がある。フラツクスの合
金鉄に含有されるSiの歩留は溶接心線の脱酸状態
または溶接条件によつて異なり、本発明者等の知
見によると溶接心線のSi含有量が少いときSiの歩
留は低くなり、最小10％になる。従つて前記溶着
金属のSi含有量を得るためには溶接棒全体に含有
されるSi量は溶接棒全重量％で0.1〜10.0％にな
る。溶接棒のSi量が0.1％未満では溶着金属の脱
酸が充分行なわれなくなり、溶着金属に酸化介在
物が増加する。溶接棒のSi量が10.0％超になる
と、溶着金属に高温凝固割れが発生するだけでな
く、スラグの流動性が低下し、溶接が困難とな
る。 MnはSi同様溶着金属の脱酸剤として被覆アー
ク溶接棒のフラツクスにおける合金成分剤に含有
されるもので、合金鉄または金属Mnから添加さ
れる。レール鋼のMn含有量が0.6％以上であり、
Mnはパーライト変態を遅滞させる元素であつて
添加量によりパーライト変態の開始が変化し強度
も変化するので溶着金属のMn含有量はレール鋼
とほぼ対応したものでなければならない。 Mnの歩留は溶接棒のＣおよびSi量によつて変
化し、Ｃ、Si量が低いとMnの歩留が低下し最小
50％になる。従つて前記溶着金属のMn量を得る
ための溶接棒全体に含有されるMn量は溶接棒全
重量％で、0.6〜3.0％になる。溶接棒のMn量が
0.6％未満では溶着金属のMn量が低くなり、溶着
金属の引張り強さまたは伸びすなわち延性が低下
する。溶着金属のMn量が3.0％超では溶着金属の
Mn量が増加し、溶着金属中に析出したマルテン
サイトをパーライトに変態させる後熱処理が著し
く困難となる。母材レールが前記Ｃ、Si、Mnの他にCr、Mo、
Ｖ、Nb、Ni、Cuのうち１種または２種以上含有
する場合には、溶着金属にもこれらの合金成分を
母剤レールと同等もしくはそれ以下の量だけ含有
しなければならない場合がある。すなわちCr、
Mo、ＶはMn同様パーライト変態を遅滞させる
元素であつて、添加量によりパーライト変態の開
始が変化し、強度も変化するので、母剤レールが
これらの合金成分を含有する合金鋼である場合に
は少なくともレール頭頂面に用いる溶接棒にもこ
れらの合金成分を含有していないと溶接のままま
たは溶接後の熱処理によつて母剤レールと類似の
金属組織硬さおよび継手引張り強度が得られな
い。従つて溶着金属のCr、Mo、Ｖ含有量はCr：
1.3％以下、Mo、Ｖ：0.3％以下にする。 Nbはパーライト変態の終了時間を大巾に短縮
させる元素であるため、溶接後の冷却中に生成す
る有害なマルテンサイトを防止する効果がある。
しかし溶着金属のNb含有量が0.1％を超えると巨
大な炭・窒化物を生じ靭性・疲労強度を低下させ
るので、溶着金属のNb含有量は0.1％以下とす
る。 Cuはレール鋼の耐食性を向上するのに効果の
ある合金成分であり、耐食性レールには0.3％以
下含有される。従つて耐食性レールの溶接には溶
着金属にも0.3％以下のCuを含有しないと母材レ
ールと同様の耐食性が得られない。しかし溶着金
属のCu含有量が0.3％超では熱間脆性を起こし表
面疵が発生するので溶着金属のCu含有量は0.3以
下とする。 Niはレール鋼の延性または靭性を向上する合
金成分であるが、レール鋼はもともと延性または
靭性の低い鋼材であるため、レールに添加する場
合は少ない。しかし溶着金属に２％以下含有する
とこの延性または靭性が向上するので、溶接金属
にNiを添加する必要のある場合がある。しかし
溶着金属がNiを2.0％超含有すると、溶着金属に
高温凝固割れが発生し易くなるので、溶着金属の
Ni含有量は2.0％以下とする。溶着金属にCr、Mo、Ｖ、Nb、Ni、Cuの１種
または２種以上でCr：1.3％以下、Mo：0.3％以
下、Ｖ：0.3％以下、Nb：0.1％以下、Ni：2.0％
以下、Cu：0.3％以下含有する場合には、これら
の合金成分剤をフラツクスから添加しても歩留は
ほぼ100％が見込めるので、溶接棒全体に含有さ
れる前記合金成分量は溶接棒全重量％でCr：1.3
％以下、Mo：0.3％以下、Ｖ：0.3％以下、Nb：
0.1％以下、Ni：2.0％以下、Cu：0.3％以下とす
る。本発明によるレール用被覆アーク溶接棒は溶接
心線の線径、フラツクスの被覆率、およびフラツ
クス構成物質の配合等を適正に選択することによ
り、通常の溶接条件でレールに溶接しても高温割
れ等の溶接欠陥が発生することなく施工でき、溶
接後適切な後熱処理を組み合わせることにより有
害組織がなく母材レールと同等の硬さとパーライ
ト組織を有する溶接継手を得ることができる。以下に実施例によつて本発明の効果をさらに具
体的に説明する。（実施例）実施例１突き合わせ多層溶接第３表の溶接心線に第４表の如く調整したフラ
ツクスを被覆したアーク溶接棒を用いて、第５表
の普通レールに突き合わせ溶接をした。溶接施工
はレール接合端面に特殊形状の開先加工を施し、
400〜500℃に予熱した後、足部は下向き、腹部は
立向き、頭部は下向きで多層溶接し、溶接後レー
ル断面全周を均等に加熱する多孔ノズルバーナー
を用いて900〜1000℃に加熱し放冷した。第６表に溶接金属の化学成分、硬さおよび溶接
継手の引張試験結果を示す。溶接金属はパーライ
ト組織で、高温割れは全く見当らなかつた。

【表】

【表】実施例２エンクローズアーク溶接第７表の溶接心線に第８表の如く調整したフラ
ツクスを被覆したアーク溶接棒を用いて第９表の
高Ｃ鋼、低合金鋼レールにエンクローズアーク溶
接をした。溶接施工はＩ型開先にて400〜500℃に
予熱した後、足部は下向きで多層溶接し、腹部か
ら頭部にかけてエンクローズ裏当金で連続溶接
し、溶接後レール断面全周を均等に加熱する多孔
ノズルバーナーを用いて800〜1000℃に加熱し放
冷した。第10表に溶接金属の化学成分、硬さおよび溶接
継手の引張り試験結果を示す。溶接金属はパーラ
イト組織で高温われは全く見当らなかつた。

【表】

【表】実施例３肉盛溶接第11表の代表的な合金鋼レール頭部に底部の角
度が60゜で深さ20mmのＶ型の横溝を作り、そこに
第12表の如くレール鋼から製作した溶接心線に第
13表の如きフラツクスを第14表の如き調整して被
覆したアーク溶接棒を用いて、肉盛溶接した。溶
接施工は母材レールを400〜500℃に予熱した後多
層溶接し、溶接後、800〜1000℃に加熱し放冷し
た。第15表に溶接金属の化学成分、硬さおよび溶接
継手の引張り試験結果を示す。溶接金属はパーラ
イト組織で高温われは全く見当らなかつた。

【表】

【表】（発明の効果）本発明の被覆アーク溶接棒を用いてレールを突
き合わせ溶接または肉盛溶接すれば、溶接部には
前記の如き従来の溶接棒では避けることができな
かつた高温割れの発生が防止できるだけでなく、
溶接金属は溶接のまままたは溶接後空気焼き入れ
等の後熱処理によつて母材レールと類似のパーラ
イト組織、硬さおよび継手強度が得られる。すな
わち、本発明は前記の如き母材レールと類似の高
Ｃ型パーライト組織で、引張り強さが70Kg／mm²以
上の溶着金属を得ることによつて従来の溶接棒の
致命的な欠点を排除して高強度レールにも適用可
能なレール用被覆アーク溶接棒である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％で、Ｃ：1.0％以下、 Si：1.0％以下、 Mn：1.6％以下、残部がFeおよび不可避的不純物からなる溶接
心線に、スラグ形成剤またはこれと合金成分剤か
らなるフラツクスを被覆したアーク溶接棒におい
て、溶接棒全体に含有される前記合金成分を溶接
棒全重量％で、Ｃ：0.4〜3.0％、 Si：0.1〜10.0％、 Mn：0.6〜3.0％に調整したことを特徴とするレール用被覆アーク
溶接棒。２重量％で、Ｃ：1.0％以下、 Si：1.0％以下、 Mn：1.6％以下、さらに Cr：1.3％以下、 Mo：0.3％以下、Ｖ：0.3％以下、 Nb：0.1％以下、 Ni：2.0％以下、 Cu：0.3％以下の１種または２種以上を含有し、残部がFeおよ
び不可避的不純物からなる溶接心線に、スラグ形
成剤またはこれと合金成分剤からなるフラツクス
を被覆したアーク溶接棒において、溶接棒全体に
含有される前記合金成分を溶接棒全重量％で、Ｃ：0.4〜3.0％、 Si：0.1〜10.0％、 Mn：0.6〜3.0％で、 Cr：1.3％以下、 Mo：0.3％以下、Ｖ：0.3％以下、 Nb：0.1％以下、 Ni：2.0％以下、 Cu：0.3％以下に調整したことを特徴とするレール用被覆アーク
溶接棒。