JPH1017995A - 頭頂部に耐損傷性に優れた硬度分布を有する高強度・耐損傷レール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レール頭頂部に適切な硬度分布を与え、レール
頭頂部に疲労蓄積の局所的集中が起こらず、耐接触疲労
損傷性に優れ、結果として軌道保守費を低減させること
ができかつ高寿命の高強度・耐損傷レールを提供するこ
と。 【解決手段】特定組成の鋼からなり、コーナ部及び頭側
部の硬度がブリネル硬度でＨ_B 341 〜405 であり、頭頂
部における頂部中央から幅方向に20mm離れた位置での硬
度がＨ_B 341 〜405 であり、頭頂部中央部の硬度が、頭
頂部中央から幅方向に20mm離れた位置の硬度よりブリネ
ル硬度で10〜50低く、頭頂部中央と頭頂部中央から幅方
向に前記20mm離れた位置との間の硬度は、頭頂部中央か
ら幅方向外側に向けて単調に増加し、その間の部分の実
際の硬度と、その間の部分の、頭頂部中央の硬度および
頭頂部中央から幅方向に前記20ｍｍ離れた位置の硬度を
直線で補間して得られた硬度との差がブリネル硬度で10
以内である高強度・耐損傷レール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、高軸重鉄道急曲線
に用いられる耐摩耗用の高強度・耐損傷レールに関し、
特に、頭頂部の耐損傷性を向上させた高強度・耐損傷レ
ールに関する。

【０００２】

【従来の技術】レールの頭部は、一般に、頭頂部、コー
ナ部、頭側部、及び顎部を有している。そして、高軸重
重鉄道の急曲線部の木製枕木を使用した軌道で、従来か
ら用いられている耐摩耗用高強度レールは、コーナ部及
び頭側部と、頭頂部との間で、硬度が等しくなるように
熱処理されて形成されている。従って、材質の面からす
ると、レールコーナ部と、レール頭頂部とで耐摩耗特性
は同等となっている。

【０００３】しかしながら、車輪とレールとの接触は複
雑であり、レール頭部の位置によって接触環境が異なっ
ている。高軸重鉄道急曲線部ではレールゲージコーナ部
（内側のコーナ部）及びレール頭側面に作用するすべり
が大きく、一方、接触圧力はレール頭頂部及びレールゲ
ージコーナ部で大きい。この結果、従来の耐摩耗用高強
度レールではレールゲージコーナ部及びレール頭側部
は、レール頭頂部よりも摩耗が促進される。従って、レ
ール頭頂部は、常にレールゲージコーナ部よりも摩耗が
遅く進行し、車輪からの接触圧力はレール頭頂部中央の
摩耗が遅い部分で最大となる。

【０００４】このようなレール頭部の摩耗特性が均一な
従来の耐摩耗用高強度レールは、前述のような車輪との
接触状態となるため、新品時あるいは削正後の使用初期
において車輪とのなじみが遅く、局所的な過大接触応力
が長く存在し、疲労性の欠陥が発生しやすい。また、こ
れに加え、レールと車輪とがなじんだ後においても、レ
ール頭頂部中央に最大接触圧力が作用する。木製枕木を
使用した軌道では、このような状態でも問題は少ない
が、コンクリート枕木を使用した高剛性の軌道の場合、
鉄道車両の通過に伴う衝撃的な最大接触圧力が増加する
ため、レール頭頂部中央に、ヘッドチェックと呼ばれる
損傷が発生するという問題が顕在化している。

【０００５】従来、このようなヘッドチェックを防止す
るために、レールに疲労が蓄積する前にレール頭部表層
を削正する方法を採用しているが、削正には時間と費用
がかさみ、また最適な削正時間を決定することが困難で
ある。

【０００６】一方、特開平６−１７１９３号公報には、
このような頭頂部中央に発生するヘッドチェックを防止
できるレールが示されている。このレールは、コーナ部
及び頭側部の硬度が高く、頭頂部の硬度をコーナ部及び
頭側部の硬度の０．９以下としたものであり、このよう
に頭頂部の硬度を低下させることによりその部分の摩耗
速度を速め、頭頂部での接触力を分散させて最大接触応
力を低下させるようにし、頭頂部の損傷軽減を図ったも
のである。

【０００７】しかし、頭頂部の損傷発生は接触応力に支
配され、この接触応力およびその分布は頭頂部の摩耗速
度の分布すなわち頭頂部のレール幅方向の分布に支配さ
れるため、上記公報のようにコーナ部及び頭側部の硬度
範囲と頭頂部の硬度範囲を規定しても損傷軽減効果が得
られない場合があり、また、レール寿命が必ずしも大き
くならない場合がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる事情に
鑑みてなされたものであって、レール頭頂部に適切な硬
度分布を与え、レール頭頂部に疲労蓄積の局所的集中が
起こらず、耐接触疲労損傷性に優れ、結果として軌道保
守費を低減させることができかつ高寿命の高強度・耐損
傷レールを提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第１に、重量％で、Ｃ：０．６０〜０．
８５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜１．
５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０４０％以下、
Ａｌ：０．０５％以下であり、残部がＦｅ及び不可避的
不純物からなり、そのコーナ部及び頭側部の硬度がブリ
ネル硬度でＨ_B３４１〜４０５であり、その頭頂部にお
ける頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置での硬度
がＨ_B ３４１〜４０５であり、頭頂部中央部の硬度が、
頭頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置の硬度より
ブリネル硬度で１０〜５０低く、頭頂部中央と頭頂部中
央から幅方向に前記２０ｍｍ離れた位置との間の硬度
は、頭頂部中央から幅方向外側に向けて単調に増加し、
その間の部分の実際の硬度と、その間の部分の、頭頂部
中央の硬度および頭頂部中央から幅方向に前記２０ｍｍ
離れた位置の硬度を直線で補間して得られた硬度との差
がブリネル硬度で１０以内である高強度・耐損傷レール
を提供する。

【００１０】第２に、重量％で、Ｃ：０．６０〜０．８
５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５
％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０４０％以下、Ａ
ｌ：０．０５％以下であり、さらにＣｒ：０．０５〜
１．５％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｖ：０．０１
〜０．１０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．０
０５〜０．１５％のうち１種又は２種以上を含有し、残
部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、コーナ部及び頭
側部の硬度がブリネル硬度でＨ_B ３４１〜４０５であ
り、その頭頂部における頂部中央から幅方向に２０ｍｍ
離れた位置での硬度がＨ_B ３４１〜４０５であり、頭頂
部中央部の硬度が、頭頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離
れた位置の硬度よりブリネル硬度で１０〜５０低く、頭
頂部中央と頭頂部中央から幅方向に前記２０ｍｍ離れた
位置との間の硬度は、頭頂部中央から幅方向外側に向け
て単調に増加し、その間の部分の実際の硬度と、その間
の部分の、頭頂部中央の硬度および頭頂部中央から幅方
向に前記２０ｍｍ離れた位置の硬度を直線で補間して得
られた硬度との差がブリネル硬度で１０以内である高強
度・耐損傷レールを提供する。

【００１１】レール頭頂部の損傷発生は接触応力に支配
され、この接触応力およびその分布は摩耗によるなじみ
進行に伴い変化していくが、その変化過程は摩耗速度の
分布すなわちレール幅方向の硬度分布に支配される。

【００１２】本発明者らの研究によれば、この硬度分布
が適切なものならば、上記特開平６−１７１９３号公報
に開示された技術によって大きな損傷軽減が可能である
が、不適切な分布では、摩耗によるなじみの進行に伴い
局部的な接触応力の集中が起こって損傷軽減効果がなく
なってしまう恐れがあることが判明した。

【００１３】すなわち、上記特開平６−１７１９３号公
報では、コーナ部及び頭側部の硬度範囲と頭頂部の硬度
範囲が記載されているのみであり、レール幅方向の硬度
分布については何等記載されておらず、頭頂部に接触応
力およびその分布が適正になるような硬度分布が得られ
ない恐れがある。

【００１４】さらに、上記特開平６−１７１９３号公報
では、頭頂部の硬度がコーナ部および頭側部の硬度の
０．９以下と規定されており、これにより確かに頭頂部
の接触応力が大きく減少する。

【００１５】しかし、本発明者らが研究を進めた結果、
頭頂部とコーナ部との硬度差がこのように大きくなる
と、接触部中央の接触応力が大きく減少する反動により
接触部中央から幅方向に離れた接触部の端部に大きな接
触応力が発生し、その位置において損傷が進行する恐れ
があることが見出された。このため、レール全体の寿命
が長くならない場合がある。

【００１６】そこで本発明では、上述したように、レー
ル頭頂部の幅方向の硬度分布を制御してなじみ進行に伴
う接触応力の変化過程をコントロールすることにより、
レール頭頂部に疲労蓄積の局所的集中を防止し、高剛性
軌道使用環境下におけるレール頭頂部の耐接触疲労損傷
性を改善する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。

【００１８】図１は、本発明に係る高強度・耐損傷レー
ルの頭部を示す断面図である。レール頭部は、頭頂部
１、コーナ部２、頭側部３、及び顎部４を有している。
コーナ部２の一方は、使用に際して車輪と接触するゲー
ジコーナ部となる。

【００１９】レールの損傷、特に頭頂部１のヘッドチェ
ックは、レール頭部に及ぼされる接触応力が高くなるに
従って短期間で発生するようになる。このことを図２及
び図３を参照して説明する。図２は、踏面曲率半径が１
５mmで最大直径が３０mmのレール試験片と、直径３０mm
で周面がフラット形状の車輪試験片とを使用した２円筒
接触転動疲労試験方法を示す模式図である。この試験に
より垂直加重と損傷寿命との関係を求めると、図３に示
すような結果が得られる。すなわち、垂直荷重が高い場
合に、つまり接触応力が高い場合に、短期間で損傷が発
生すること（すなわち損傷寿命が短いこと）を確認する
ことができる。

【００２０】一方、新品あるいは削正後の高強度レール
の使用初期において、車輪とのなじみが良くない場合、
レールに集中的な垂直荷重が作用し、損傷が発生しやす
い。また、レールの車輪と接触する部分の形状が、レー
ルの摩耗によって車輪となじんでいる場合、摩耗速度が
遅い部分では垂直応力が選択的に作用する。これらのこ
とから、レールの寿命を延長させるためには、従来のレ
ールの頭頂面において摩耗速度が遅いことにより過酷に
作用していた最大垂直応力を分散させることが有効であ
るといえる。

【００２１】このように、頭頂部１のヘッドチェックを
防止するためには、車輪からの接触圧力が局部的に集中
しないように接触状況をコントロールする方法が考えら
れる。

【００２２】本発明においては、列車を支持するための
強度と耐摩耗性とを保持しながら、なおかつレールの頭
頂部における最大接触応力を低下させるべく、レール組
成を調節し、またレールのコーナ部及び頭側部よりも、
頭頂部の方が硬度が低くなるようにし、さらに頭頂部中
央での硬度とそこから幅方向に２０ｍｍ離れた位置での
硬度との間の差と、その間の硬度分布を適正化すること
により、摩耗によるなじみ進行過程で接触応力が局所的
に大きなピークを持たないようにし、接触応力が適切に
分散するようにして疲労蓄積が局所的に集中することを
防止した。

【００２３】次に、本発明に係るレールの成分組成につ
いて説明する。

【００２４】先ず、Ｃは０．６０〜０．８５重量％であ
る。０．６％以上とすることにより良好な強度及び耐摩
耗性が期待できる一方において、０．８５％を超えると
初析セメンタイトの析出により靭性が低下するからであ
る。

【００２５】Ｓｉは０．１〜１．０重量％である。レー
ル強度確保のために０．１％以上必要であるが、１．０
％を超えると靭性及び溶接性が劣化するからである。

【００２６】Ｍｎは０．５〜１．５重量％である。レー
ル強度確保のために０．５％以上必要であるが、１．５
％を超えると靭性及び溶接性に悪影響を及ぼすからであ
る。

【００２７】Ｐ及びＳは延性劣化を回避するために、
Ｐ：０．０３５重量％以下、Ｓ：０．０４０重量％以下
とした。

【００２８】Ａｌは疲労性能を劣化させる成分であるか
ら、０．０５％を上限とした。

【００２９】特に車輪とレールとの接触条件が厳しい所
で用いられるレールに関しては、レールゲージコーナ部
の耐摩耗性と強度とを一層良好なものとするために、Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｉ及びＮｂの１種又は２種以上を低合
金添加する。

【００３０】Ｃｒは０．０５〜１．５０％である。０．
０５％以上であればパーライトラメラ間隔を小さくして
パーライトを微細化し、強度、耐摩耗性及び耐損傷性を
向上させるが、１．５０％を超えると溶接性に悪影響を
与える。

【００３１】Ｍｏは０．０１〜０．２重量％である。Ｍ
ｏはＣｒと同様に強度を上昇させる元素であり、その効
果は０．０１％以上で現われる。これに対し、０．２％
を超えると、溶接性が劣化する。

【００３２】Ｎｂ及びＶは析出強化元素であり、夫々
０．００５〜０．１５重量％及び０．０１〜０．１０重
量％である。これらが析出強化元素としての効果を得る
ためには、Ｎｂは０．００５％以上、Ｖは０．０１％以
上添加する必要がある。一方、Ｎｂが０．１５％、又は
Ｖが０．１０％を超えて添加されると、Ｎｂ又はＶの粗
大な炭窒化物が析出し、レールの靭性を劣化させる。

【００３３】Ｎｉは強度及び靭性の向上に効果がある元
素であり、０．１〜１．０重量％である。０．１％より
も少なければ効果が現れず、１．０％で効果が飽和する
からである。

【００３４】本発明に係るレールは、このような成分組
成を有し、微細パーライト組織を有している。そして、
本発明においては、前述したように、レール頭部の硬さ
分布を調節してレール各部の摩耗特性を制御するにあた
り、特に頭頂部での硬さ分布を調整してその部分の耐摩
耗性を制御し、摩耗によるなじみ進行に伴う接触応力の
変化を適切にコントロールすることによって疲労蓄積を
分散させ、高剛性軌道における高接触圧力の発生による
レール頭頂部のヘッドチェック損傷を抑制する。好まし
い硬さ分布は、例えば各部分における熱処理を調節する
ことにより達成される。

【００３５】なお、頭頂部の金属組織を変化させること
により摩耗速度を調整しても同様の効果を得ることがで
きる。すなわち、この発明では、微細パーライト組織を
前提として、適宜の処理によりレールの硬度分布を調節
しているが、金属組織を変化させることにより、硬さに
拘らず、摩耗特性を制御することができる。例えば、図
４に示すように、同じ硬さでは微細パーライト組織が最
も摩耗特性が良好である。また、この図に示すように、
金属組織を制御することにより硬度を上昇させて疲労強
度を向上させつつ、摩耗速度を上昇させることも可能で
ある。

【００３６】次に、この発明の微細パーライト組織のレ
ールにおいて、硬度を定めた限定理由について説明す
る。

【００３７】レールコーナ部及び頭側部の硬度をＨ_B ３
４１〜Ｈ_B ４０５の範囲に設定する。これはレールの強
度及び耐摩耗性を十分な値にするためである。

【００３８】また、頭頂部の硬度分布は以下に示すよう
なものである。すなわち、頭頂部における頂部中央から
幅方向に２０ｍｍ離れた位置での硬度がＨ_B ３４１〜４
０５であり、頭頂部中央部の硬度が、頭頂部中央から幅
方向に２０ｍｍ離れた位置の硬度よりブリネル硬度で１
０〜５０低く、頭頂部中央と頭頂部中央から幅方向に前
記２０ｍｍ離れた位置との間の硬度は、頭頂部中央から
幅方向外側に向けて単調に増加し、その間の部分の実際
の硬度と、その間の部分の、頭頂部中央の硬度および頭
頂部中央から幅方向に前記２０ｍｍ離れた位置の硬度を
直線で補間して得られた硬度との差がブリネル硬度で１
０以内である。

【００３９】頭頂部における硬度分布をこのように規定
したのは以下のような理由による。車輪とレールとの接
触幅は、新品時あるいは削正直後に最も小さく（高軸重
鉄道では１０ｍｍ程度）、摩耗によるなじみ進行に伴
い、次第に広くなる。これに応じて接触力は分散し、接
触応力分布はフラットなものに変化していく。このなじ
み過程における接触応力分布と硬度分布との関係を数値
シミュレーションにより種々調査した。

【００４０】図５に頭頂部の硬度がＨ_B ３６８で一様な
レールでの接触応力の幅方向分布を示す。図では、頭頂
部中央から右半分のみを示している。

【００４１】この図から、新品時あるいは削正直後の使
用初期は頭頂部中央に大きな接触応力が発生し、摩耗に
よるなじみの進行に伴い接触応力分布はフラットになっ
ていくのがわかる。しかし、なじみが進行しても接触応
力は常に頭頂部中央で最も高い。従って、頭頂部中央部
に疲労蓄積が集中してしまい、頭頂部中央部にヘッドチ
ェック等の損傷が発生する。

【００４２】次に、図６に示すような３種類の硬度分布
（ケースａ，ｂ，ｃ）を頭頂部に有する場合について接
触応力分布を調査した。ケースａでは、頭頂部中央の硬
度が頭頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置におけ
る硬度よりもブリネル硬度で２５低く、ケースｂでは４
０低く、ケースｃでは６０低い。

【００４３】図７にケースａの接触応力分布を示し、図
８および図９にそれぞれケースａ〜ｃの１千万通過トン
時および８千万通過トン時における接触応力分布を図５
に示した硬度一様レールと比較して示す。

【００４４】図７と図５を比較することにより、ケース
ａのレールの頭頂部中央の接触応力が硬度一様のものよ
りも速く低下することがわかる。これは、中央の硬度が
低いため周辺よりも速く摩耗が進行するためである。こ
れによって頭頂部中央の疲労蓄積を大幅に低減すること
ができる。

【００４５】一方、図７に示すように、頭頂部中央の接
触応力が減少する分だけ接触部端部の接触応力が増加
し、接触応力のピークが頭頂部中央ではなく接触部端部
にくるようになり、その位置での疲労蓄積が大きくな
る。しかし、図７に示すように、摩耗によるなじみが進
行するに伴い、接触応力が最大となる位置が頭頂部中央
か端部へと次第にレール幅方向に移動していく。すなわ
ち、疲労蓄積が最も大きい位置はなじみの進行によって
移動し、疲労蓄積が分散されるのである。従って、レー
ル全体としては損傷が軽減される。

【００４６】本発明者らの研究により、頭頂中央の接触
応力が低下し、接触応力のピーク位置が移動するという
現象は、頭頂中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置まで
の硬度分布にほぼ支配されることが見出された。そし
て、この範囲の硬度が、頭頂中央から幅方向外側に向け
て単調かつほぼ直線的に増加していると、上記現象がス
ムーズに起こる。しかし、例えばこの範囲で硬度が増加
から減少に転ずるような箇所があると、その位置での接
触応力が異常に大きくなり、損傷発生の原因となってし
まう。

【００４７】従って、この発明では、「頭頂部中央と頭
頂部中央から幅方向に前記２０ｍｍ離れた位置との間の
硬度は、頭頂部中央から幅方向外側に向けて単調に増加
し、その間の部分の実際の硬度と、その間の部分の、頭
頂部中央の硬度および頭頂部中央から幅方向に前記２０
ｍｍ離れた位置の硬度を直線で補間して得られた硬度と
の差がブリネル硬度で１０以内である」と規定した。

【００４８】図８および図９のケースａ〜ｃを比較する
と明らかなように、頭頂部中央での硬度と頭頂部中央か
ら幅方向に前記２０ｍｍ離れた位置での硬度の差が大き
くなると、接触部端部に発生する接触応力のピークは大
きくなる。硬度差がブリネル硬度で６０あるケースｃの
場合には、これらの図に示すように、接触応力のピーク
値は非常に大きくなり損傷発生の原因となる。従って、
この発明では、頭頂部中央部の硬度と、頭頂部中央から
幅方向に２０ｍｍ離れた位置の硬度との差の上限をブリ
ネル硬度で５０と規定した。

【００４９】また逆に、頭頂部中央の硬度とそこから幅
方向に２０ｍｍ離れた位置における硬度との差がブリネ
ル硬度で１０よりも小さいと、前述した損傷を軽減する
接触応力分布が十分に現れなくなるので、その硬度差の
下限をブリネル硬度で１０と規定した。この頭頂部中央
の硬度とそこから幅方向に２０ｍｍ離れた位置における
硬度との差の好ましい範囲は、ブリネル硬度で１５〜４
０である。

【００５０】頭頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位
置での硬度は、コーナ部及び頭側部の硬度を設定したの
と同じ理由により、Ｈ_B ３４１〜Ｈ_B ４０５の範囲に規
定した。頭頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置と
コーナ部との間の硬度は、接触応力には大きく影響しな
いものの、硬度に大きな変動がなく、硬度がほぼ一様か
あるいは滑らかに単調に変化していくのが望ましい。

【００５１】硬度分布が頭頂部中央に関して左右非対称
である場合にも、各サイドで上記硬度条件を満足する必
要がある。

【００５２】また、製造上、硬度がわずかにばらつくこ
とは避けられないため、局所的ないしはミクロ的に硬度
が幅方向に単調増加しない部分が現れることがあるが、
この発明ではマクロ的に硬度が単調増加していればよ
い。

【００５３】深さ方向の硬度に関しては、頭頂面から少
なくとも１０ｍｍ以上、好ましくは２３ｍｍの深さまで
は、水平断面内でこの発明の上記硬度条件を満たしてい
るようにすることが好ましい。これにより、レール摩耗
が大幅に進行した場合でも、損傷軽減を図ることができ
る。

【００５４】なお、緩曲線のように車両とレールとの接
触条件があまり厳しくない環境下では、頭側部、コーナ
部及び頭頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置にお
ける硬度範囲をＨ_B ３２０〜Ｈ_B ３８０に下げることも
可能である。

【００５５】この発明のレールにおいては、頭側部、コ
ーナ部及び頭頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置
からコーナ部に至る範囲の部分の硬度を十分大きくして
レールの強度及び耐摩耗性を確保し、頭頂部においては
その中央の硬度を中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置
の硬度より低くし、その中間位置での硬度がほぼ直線的
に変化するように調整することにより、摩耗によるなじ
み進行に伴い、摩耗速度が大きい頭頂部中央部の接触応
力が低下してその部分の損傷は抑制され、かつ頭頂部の
摩耗速度が幅方向に適切に制御されるため、接触部端部
に発生する接触応力のピーク値が過大にならず、またそ
のピーク位置が移動するため、結果として疲労蓄積が集
中せず頭頂面上に分散する。従って、疲労損傷の発生が
抑制され、削正の回数を減らすことができ、結果として
軌道の保守費を低減することができ、レールの寿命を延
ばすことができる。

【００５６】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。

【００５７】本発明に係るレール組成の範囲内である表
１に示す組成の鋼をレール素材とした。

【００５８】

【表１】

【００５９】表１中のＡ鋼で形成された６０ｋｇレール
素材に対して従来の頭部スラッククエンチ熱処理を施し
た従来の硬頭レールと、同じ素材に対して頭頂部の冷却
を弱くした特殊な頭部スラッククエンチを行った本発明
に係るレールとを作成した。

【００６０】本発明に係るレールは、以下のように製造
した。すなわち、熱間圧延によりレール素材を作製した
後、Ａｒ₁ 以上にあるレール素材頭部に、図１０に示す
ように配置された頭頂部冷却用のエアーヘッダ５及び頭
側部冷却用のエアーヘッダ６に設けられた複数のノズル
からエアーを吹き付けて、レール素材頭部を冷却した。
図１１の（ａ）はここで用いた頭頂部冷却用エアーヘッ
ダ５のノズル配置を示す図であり、この図に示すよう
に、その中央部においてノズル穴の個数が減少されてい
る。すなわち、従来の頭頂部冷却用ヘッダは、図１１の
（ｂ）に示すようにノズル穴が均一に配置されている
が、ここではヘッダ中央部のノズル穴個数を減じて、レ
ール頭頂部に吹き付けるエアーの量が少なくなるように
した。また、ヘッダのエアーの圧力をコントロールして
頭側部に噴射するエアー圧力よりも頭頂部に噴射するエ
アー圧力のほうが低くなるようにした。

【００６１】これらレールの頭頂面下１mmの部分の硬度
分布を図１２に示す。図１２中符号Ａは従来レールの硬
度分布を示し、符号Ｂ，Ｃは本発明レールの硬度分布を
示す。なお、符号Ｂのレールを製造する際に用いた図１
１の（ａ）の頭頂部冷却用ノズルヘッダ５のノズル穴の
個数が減少されている部分の幅は、符号Ｃのレールを製
造する際に用いたノズルヘッダのものよりも狭くした。

【００６２】この図から明らかなように、従来レールの
符号Ａではコーナ部から頭頂部中央までほぼ一様な硬度
分布であるのに対し、本発明のレールである符号Ｂ，Ｃ
のレールでは以下に示すような硬度分布を有していた。
すなわち、頭頂部中央の硬度はそこから幅方向に２０ｍ
ｍ離れた位置の硬度より、符号Ｂでは左側で２３（ブリ
ネル硬度、以下同じ）、右側で２１低く、符号Ｃでは左
側で１１、右側で１３低くなった。また、硬度は、符号
Ｂ，Ｃともに、頭頂部中央から前記２０ｍｍ離れた位置
まで単調に増加しており、その間の部分の実際の硬度
と、頭頂部中央の硬度および頭頂部中央から幅方向に前
記２０ｍｍ離れた位置の硬度を直線で補間して得られた
硬度との差が符号Ｂでは６以内、符号Ｃでは４以内であ
った。

【００６３】次に、表１に示すレール素材を幅５０ｍｍ
の円板に加工し、これらを加熱した後上述したレールの
冷却方法と同様に円板側面の中央部の冷却をコーナ部よ
り緩める方法により、円板の幅方向に硬度分布を有する
円筒試験片を作成した。これらの試験片の硬度分布を表
２に示す。ここでは冷却方法を調節することにより幅方
向に種々の硬度分布を形成し、本発明の範囲内の硬度分
布を有するもの（本発明例）と、硬度分布が本発明の範
囲から外れるもの（比較例）を作成した。また、鋼種Ａ
ではこのような制御冷却を行わずに硬度が一様の従来レ
ールに相当するもの（従来例）を作成した。

【００６４】これらの試験片を用い、２円筒式転動試験
機により損傷寿命試験を行った。車輪試験片の硬度は約
Ｈ_B ３３１であった。この試験結果を表２に示す。な
お、表２では、各試験片の損傷寿命を、硬度一様の従来
レールに相当する試験片の損傷寿命に対する比で示して
いる。

【００６５】

【表２】

【００６６】表２に示すように、本発明例では、損傷寿
命が従来例の１．３倍以上向上し、最大１．９倍にもな
ることが確認された。

【００６７】これらの試験結果から、損傷寿命を延長さ
せるためには、頭頂部中央部の接触応力を低減すること
ができると同時に、接触部端部に発生する接触応力のピ
ーク値を抑制することができ、しかもそのピーク発生位
置を頭頂部中央から幅方向外側へ移動させることによっ
て疲労蓄積を分散させることができる本発明の頭頂部硬
度分布が有効であることが確認された。

【００６８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ヘッド
チェック等の過大接触圧力に伴って発生する頭頂部の損
傷を抑制することができ、レール寿命を延長させること
ができる。このため、高軸重鉄道の急曲線においてコン
クリート枕木等を用いる高剛性軌道を導入する上での問
題点を解決することができ、軌道保守費を低減させるこ
とができる。このように、耐摩耗性及び耐損傷性に優れ
た本発明のレールは、今後の高剛性軌道の普及に伴い、
鉄道の保守費低減のために有効なものになることが期待
され、経済的価値が極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレールの頭部を示す断面図。

【図２】レールに作用する垂直荷重と損傷寿命との関係
を把握するための２円筒接触転動試験を説明するための
図。

【図３】図２に示す試験における垂直荷重と損傷寿命と
の関係を示す図。

【図４】２円筒式接触回転摩耗試験における硬度と摩耗
速度との関係及び組織と摩耗速度との関係を示す図。

【図５】硬度一様レールにおける摩耗によるなじみ進行
に伴う接触応力分布の変化を示す図。

【図６】接触応力分布の変化を調査した３種類の頭頂部
硬度分布を示す図。

【図７】本発明に係るレールの摩耗によるなじみ進行に
伴う接触応力分布を示す図。

【図８】本発明に係るレール、比較例に係るレールおよ
び頭頂部の硬度分布が一様のレールにおける１千万通過
トン時の頭頂部の接触応力分布を示す図。

【図９】本発明に係るレール、比較例に係るレールおよ
び頭頂部の硬度分布が一様のレールにおける８千万通過
トン時の頭頂部の接触応力分布を示す図。

【図１０】レール素材を冷却する方法を説明するための
図。

【図１１】本発明に係るレールの冷却方法及び従来の冷
却方法を実施する際に用いるレール頭頂部冷却用ヘッダ
のノズル穴の配列を示す図。

【図１２】本発明に係るレールの硬度分布の例（符号
Ｂ，Ｃ）および従来レールの硬度分布（符号Ａ）を示す
図。

【符号の説明】

１……頭頂部 ２……コーナー部 ３……頭側部 ４……顎部 ５……頭頂部冷却用エアーヘッダ ６……頭側部冷却用エアーヘッダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福田 耕三 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 山中 秀行 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 小林 一貴 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 永橋 新一 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．６０〜０．８５％、
   Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、
   Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０４０％以下、Ａｌ：
   ０．０５％以下であり、残部がＦｅ及び不可避的不純物
   からなり、そのコーナ部及び頭側部の硬度がブリネル硬
   度でＨ_B ３４１〜４０５であり、その頭頂部における頂
   部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置での硬度がＨ_B
   ３４１〜４０５であり、頭頂部中央部の硬度が、頭頂部
   中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置の硬度よりブリネ
   ル硬度で１０〜５０低く、頭頂部中央と頭頂部中央から
   幅方向に前記２０ｍｍ離れた位置との間の硬度は、頭頂
   部中央から幅方向外側に向けて単調に増加し、その間の
   部分の実際の硬度と、その間の部分の、頭頂部中央の硬
   度および頭頂部中央から幅方向に前記２０ｍｍ離れた位
   置の硬度を直線で補間して得られた硬度との差がブリネ
   ル硬度で１０以内である高強度・耐損傷レール。
2. 【請求項２】 重量％で、Ｃ：０．６０〜０．８５％、
   Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、
   Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０４０％以下、Ａｌ：
   ０．０５％以下であり、さらにＣｒ：０．０５〜１．５
   ％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｖ：０．０１〜０．
   １０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜
   ０．１５％のうち１種又は２種以上を含有し、残部がＦ
   ｅ及び不可避的不純物からなり、コ−ナ部及び頭側部の
   硬度がブリネル硬度でＨ_B ３４１〜４０５であり、その
   頭頂部における頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位
   置での硬度がＨ_B ３４１〜４０５であり、頭頂部中央部
   の硬度が、頭頂部中央から幅方向に２０ｍｍ離れた位置
   の硬度よりブリネル硬度で１０〜５０低く、頭頂部中央
   と頭頂部中央から幅方向に前記２０ｍｍ離れた位置との
   間の硬度は、頭頂部中央から幅方向外側に向けて単調に
   増加し、その間の部分の実際の硬度と、その間の部分
   の、頭頂部中央の硬度および頭頂部中央から幅方向に前
   記２０ｍｍ離れた位置の硬度を直線で補間して得られた
   硬度との差がブリネル硬度で１０以内である高強度・耐
   損傷レール。