JPWO2015156243A1 - 熱処理装置、熱処理方法及びレール鋼 - Google Patents

Abstract

本発明は、レール鋼の溶接部における足部を起点とする脆性破壊の発生の抑制に好適な熱処理装置、熱処理方法及びレール鋼を提供することを目的とする。本発明の熱処理装置は、コイルを有し、レール鋼の溶接部の足部裏面を誘導加熱により加熱する熱処理装置であって、前記溶接部において溶接時にＡｃ１点以上に加熱された領域をＨＡＺ、前記足部裏面におけるレール長さ方向の前記ＨＡＺの長さをＬｈ、前記レール鋼の幅をＷとし、前記足部裏面を対向する視線で見た場合に、前記コイルの外のり領域の前記レール長さ方向の長さが前記Ｌｈの１．２倍以上であり、前記コイルの前記外のり領域のレールの幅方向の長さが前記Ｗの１．１倍以上である。

Description

本発明は、熱処理装置、熱処理方法及びレール鋼に関する。
本願は、２０１４年４月８日に日本に出願された特願２０１４−７９４８９号及び２０１４年４月８日に日本に出願された特願２０１４−７９５０３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

レール鋼の溶接部は、使用時におけるレール破壊の発生箇所になりやすい。レール破壊は、列車通過による衝撃及び振動などによって生じる。レールの破壊形態の一つに、溶接部において生じる亀裂に起因する脆性破壊がある。脆性破壊には、レール柱部又はレール足部を起点として生じる破壊があり、いずれも防止する必要がある。
なお、本明細書では、溶接時にＡｃ１点以上に加熱された領域をＨＡＺ（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ：熱影響部）と呼称する。溶接ビードが存在する場合は、溶接ビードはＡｃ１点以上に加熱されており、溶接ビードもＨＡＺに含まれる。

特許文献１及び特許文献２には、溶接部の破壊を抑制するための熱処理に関する発明として、温度が４００℃以上である、ＨＡＺ全体又はＨＡＺのレール頭部及び柱部（腹部）を急速冷却する方法が開示されている。特許文献１及び特許文献２では、ＨＡＺ全体又はＨＡＺのレール頭部及び柱部（腹部）を４００℃以上に加熱する方法は、自己保有熱、火炎又は高周波誘導加熱などのいずれの方法でもよいとされている。

一方、特許文献３において、溶接部ではないが、レール母材の足部を起点とする破壊を防止する方法として、レール母材の足部裏面の幅方向中央部を５００℃〜６００℃に再加熱する方法が開示されている。特許文献３に開示されている再加熱方法を用いることで、レール足部裏面に圧縮残留応力を付与し、折損等によるレールの破壊を防止することが可能である。特許文献３では、再加熱方法として、ガス火炎加熱及び高周波加熱（誘導加熱）が挙げられている。

日本国特開昭５９−０９３８３７号公報 日本国特開昭５９−０９３８３８号公報 日本国特開２００６−０５７１２８号公報

特許文献１及び特許文献２に開示されている方法では、ＨＡＺのレール柱部を起点とする脆性破壊の抑制には一定の効果があるものの、ＨＡＺのレール足部を起点とする脆性破壊を防止することは難しい。
溶接部（ＨＡＺ）ではないが、レール母材の足部を起点とする破壊を防止する方法として、レール母材の足部裏面の幅方向中央部を５００〜６００℃に再加熱する方法が発明されている（特許文献３）。このように再加熱することで、レール足部の裏面に圧縮残留応力を付与し、折損等の破壊が防止できるとされている。しかし、この方法は、溶接部の破壊を防止するものではなく、逆にレール底部の再加熱温度が６００℃超である場合には、レール鋼の硬さが急激に低下し、レール折損時の破壊応力が低減することにより、レール底部からの折損が発生し易くなることが記載されている（特許文献３の段落［００１４］等参照）。
また、いずれの先行技術文献にも、溶接部を誘導加熱するためのコイルの具体的な形状は記載されていない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、レール鋼の溶接部における足部を起点とする脆性破壊の発生の抑制に好適な熱処理装置、熱処理方法及びレール鋼を提供することを目的とする。

本発明者らは、ＨＡＺのレール足部を起点とする脆性破壊においては、ＨＡＺのレール長さ方向中央部が亀裂発生の起点となる頻度が最も高く、次いでＨＡＺとレール母材との境界近傍（溶接時の加熱温度がＡｃ１点となる位置の母材を含む近傍）が亀裂発生の起点となる頻度が高いことを知見した。本発明者らは、これらの亀裂発生の起点は、ＨＡＺにおける最も硬い部分（長さ方向中央部）、及びレールの長さ方向（ＨＡＺを含む）に関して硬さ（Ｈｖ値）が急激に変化する部分であることに着目した（実施例６及び図８参照）。
本発明者らは、ＨＡＺのレール足部を起点とする脆性破壊を防ぐために、ＨＡＺとレール母材との境界近傍に対し、硬さの急激な変化を抑制し、かつ硬さを低下させるための加熱処理（軟化処理）を施すことにより、亀裂発生を抑制できることに想到した。さらに、加熱処理における加熱温度を６００℃超８００℃以下として表層のみを加熱して軟化させることにより、脆性破壊の起点になる亀裂の発生を抑制し、亀裂が発生しても亀裂の進展を抑制できること、及びレール頭部に対して軟化処理を施した場合には、逆にレール足部に亀裂が生じやすくなることに想到し、本発明の完成に至った。

本発明は、上記課題を解決して、係る目的を達成するために、以下の手段を採用する。（１）本発明の一態様に係る熱処理装置は、コイルを有し、レール鋼の溶接部の足部裏面を誘導加熱により加熱する熱処理装置であって、前記溶接部において溶接時にＡｃ１点以上に加熱された領域をＨＡＺ、前記足部裏面におけるレール長さ方向の前記ＨＡＺの長さをＬｈ、前記レール鋼の幅をＷとし、前記足部裏面を対向する視線で見た場合に、前記コイルの外のり領域の前記レール長さ方向の長さが前記Ｌｈの１．２倍以上であり、前記コイルの前記外のり領域の前記レールの幅方向の長さが前記Ｗの１．１倍以上である。

（２）上記（１）に記載の熱処理装置において、前記コイルの前記外のり領域の、前記レール長さ方向の前記長さは、４０ｍｍ以上である構成を採用してもよい。

（３）上記（１）または（２）に記載の熱処理装置において、前記コイルの前記外のり領域の、前記レール幅方向の前記長さは、前記Ｗの１．２倍以上である構成を採用してもよい。

（４）上記（１）から上記（３）のいずれか一態様に記載の熱処理装置において、前記コイルの前記外のり領域の形状が長方形である構成を採用してもよい。

（５）本発明の一態様に係る熱処理方法は、レール鋼の溶接部の熱処理方法であって、上記（１）から上記（４）の何れか１態様に記載の熱処理装置の前記コイルを前記足部裏面に対向配置して、前記足部裏面を対向する視線で見た場合に溶接中心面から対称の位置にあり相互の距離が前記Ｌｈの１．２倍である一対の仮想線で挟まれる領域を、３℃／秒以上２０℃／秒以下の加熱速度で加熱することにより、少なくとも前記足部裏面の前記溶接中心面上かつ前記レール鋼の幅方向の中心上にある位置Ｃを６００℃超８００℃以下に加熱する加熱工程と、前記加熱工程後に、前記レール鋼を冷却する冷却工程と、を有する。

（６）上記（５）に記載の熱処理方法において、前記加熱工程では、前記位置Ｃを６００℃超Ａｃ１点以下の温度に加熱する構成を採用してもよい。

（７）上記（５）に記載の熱処理方法において、前記加熱工程において、前記位置Ｃを、Ａｃ１点超８００℃以下の温度に加熱し、前記冷却工程を、放冷により行う構成を採用してもよい。

（８）上記（５）から上記（７）の何れか１態様に記載の熱処理方法において、前記加熱工程では、前記レール鋼の頭部の加熱温度を６００℃以下とする構成を採用してもよい。

（９）本発明の一態様に係るレール鋼は、溶接部を有するレール鋼であって、
前記溶接部に上記（５）から上記（８）の何れか一態様に記載のレール鋼の溶接部の熱処理方法によって熱処理が施されている。

上記各態様によれば、レール鋼の溶接部における足部を起点とする脆性破壊の発生の抑制に好適な熱処理装置、熱処理方法及びレール鋼を提供することが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置及びレール鋼の断面図及び部分側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置及びレール鋼の断面図及び部分底面図である。 レール鋼の各部位の名称等を説明するためのレール鋼の断面図及び部分側面図である。 レール鋼の各部位の名称等を説明するためのレール鋼の断面図及び部分底面図である。 実施例１における評価試験の測定方法を示す説明図である。 実施例１における評価試験の結果を示すグラフである。 実施例２における曲げ試験の測定方法を示す説明図である。 実施例２における曲げ試験の測定結果を示すグラフである。 実施例３における評価試験結果を示すグラフである。 実施例４における評価試験結果を示すグラフである。 実施例５における評価試験結果を示すグラフである。 実施例６における評価試験結果を示すグラフである。 実施例７における評価試験結果を示すグラフである。 実施例８において、Ｌ_２がＷの１．０倍である場合の温度測定結果を示すグラフである。 実施例８において、Ｌ_２がＷの１．１倍である場合の温度測定結果を示すグラフである。 実施例８において、Ｌ_２がＷの１．２倍である場合の温度測定結果を示すグラフである。

続いて、図面を参照しながら本発明を具体化した実施の形態について説明する。
まず、溶接されたレール鋼１０（以下、単にレール１０ともいう）について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図２Ａはレール１０の長さ方向に垂直な断面図及びその部分側面図、図２Ｂはレール１０の長さ方向に垂直な断面図及びその部分底面図である。
レール１０は、少なくとも２本の被溶接材としてのレールが端面間で溶接されており、溶接部１１を有する。溶接部１１は、被溶接物である溶接前のレールの端面同士が当接した部分である溶接中心面１２を含む。また、レール１０は、上方に位置し、車輪との接触が生じるレール頭部（頭部１３）、下方に位置し、枕木と接するレール足部（足部１４）、及び頭部１３と足部１４との間に垂直に設けられ、頭部１３と足部１４とを連結するレール柱部（柱部１５）を備えている。レール鋼１０を形成する鋼としては、特に限定されないが、炭素含有量が０．６〜１．０質量％程度の亜共析鋼、共析鋼及び過共析鋼等を用いることができる。

溶接部１１において、溶接時にＡｃ１点以上に加熱された領域をＨＡＺ１７、足部１４裏面におけるレール１０の幅方向の中心位置１８におけるレール長さ方向のＨＡＺ１７の長さをＬｈ、レール１０の幅をＷと定義する。

Ａｃ１点とは、鋼材を７００℃以下の温度域から加熱する過程で、７２０〜７５０℃付近で金属組織が変態を起こし始める温度をいう。Ａｃ１点は、亜共析鋼ではセメンタイト相がオーステナイト相に、過共析鋼ではフェライト相がオーステナイト相に、共析鋼ではフェライト相及びセメンタイト相が同時にオーステナイト相に変態を開始する温度である。
Ａｃ１点は、鋼材の炭素量及び合金成分により温度が異なる。Ａｃ１点を正確に求める方法としては、溶接部１１の断面におけるミクロ組織の観察により求めることができる。すなわち溶接部のレール幅方向中心でかつレール長手方向に平行な断面を、顕微鏡により溶接時の最高到達温度の低い母材側から溶接中心に向かって金属組織を観察し、パーライトが球状化した組織から、パーライト組織とパーライトが球状化した組織が混在した組織に変化する位置を求める方法がある。Ａｃ１点を簡便に求めるには、炭素量を基準として、冶金学の教科書（例えば、鉄鋼材料、日本金属学会編）などに掲載されているＦｅ−Ｆｅ_３Ｃ系平衡状態図から読み取ることが可能である。実際のレール鋼１０のＡｃ１点は、平衡状態図の線よりも５〜３０℃高めの値となる。一般的な組成のレール鋼１０のＡｃ１点は、７２５℃以上７５０℃以下である。

ＨＡＺ１７は、溶接部１１の断面におけるマクロ組織の観察を行うことにより、Ａｃ１点以上に加熱されて組織変化を起こした領域として明確に観察することができる。溶接部１１の断面においてミクロ、マクロ組織を観察するための方法としては、硝酸アルコール液又は希塩酸を用いて、断面のエッチングを行う方法が挙げられる。ＨＡＺ１７の大きさは、溶接時の入熱量によって決まり、溶接条件が同じであればＨＡＺ１７の大きさも同じである。
Ｌｈは、レール１０の幅方向の中心位置１８を通るレール長さ方向断面におけるマクロ組織の観察により確認できる。溶接中心面１２は、ＨＡＺ１７の中央を通り、レール長さ方向に垂直かつレール幅方向に平行な面である。

（熱処理装置）
次に、熱処理装置について説明する。
図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置２０は、コイル２１を有する。熱処理装置２０は、レール１０の溶接部１１の足部１４裏面を誘導加熱する。

コイル２１は、軸（コイル２１を足部１４裏面に設置した場合の、外のり領域２２のレール長さ方向に関する中心軸）２３の方向から見た場合に（図１Ｂの状態）、長方形状を有する１巻のコイルである。すなわち、コイル２１の外のり領域２２の形状は、長方形状である。軸２３の方向とは、足部１４の裏面を対向する視線で見た方向であり、コイル２１に電流を流した際にコイル２１内に生じる磁界の向きである。

軸２３の方向から見た場合のコイル２１の外のり領域２２の横方向（コイル２１を足部１４裏面に設置した場合の、外のり領域２２のレール長さ方向）長さＬ_１は、Ｌｈの１．２倍以上である。横方向長さＬ_１をＬｈの１．２倍以上とすることで、後に詳述するように、ＨＡＺ１７の外側の硬さが急激に変化する領域を効果的に加熱し、軟化させることができるので、脆性破壊の発生を抑制させることができる。横方向長さＬ_１の上限としては特に限定されないが、例えばＬｈの３倍以上である。Ｌ_１がＬｈの３倍を超える場合は、脆性破壊の発生を抑制する効果が飽和する。また、横方向長さＬ_１が長すぎる、すなわち軟化される領域がレール長さ方向に広がりすぎると、使用時のたわみが増大することにより、亀裂が生じやすくなる場合もある。

コイル２１を軸２３の方向から見た場合の外のり領域２２の横方向長さＬ_１は、一般的な溶接条件を用いた場合のレール１０のＬｈが約３３ｍｍ以上であることを考慮すると、具体的には４０ｍｍ以上であり、４５ｍｍ以上が好ましい。４０ｍｍ未満の場合は、一般的なレール１０において幅広なＨＡＺを有する溶接部１１の熱処理を効果的に行うことができない。
横方向長さＬ_１の具体的な上限としては、一般的なレール１０のＬｈを考慮すると、例えば２００ｍｍである。

軸２３の方向から見た時に、コイル２１の外のり領域２２の縦方向（コイル２１を足部１４裏面に設置した時の、外のり領域２２のレール幅方向）長さＬ_２は、幅Ｗの１．１倍以上である。つまり、軸２３の方向から見た時に、レール１０の幅方向外縁は、コイル２１の外のり（外縁）から、幅Ｗの０．０５倍以上の距離だけ離間している。
縦方向長さＬ_２が幅Ｗの１．１倍以上であることにより、レール１０の幅方向にわたって形成される温度上昇差を低減することができる。

縦方向長さＬ_２は、幅Ｗの１．２倍以上であることが好ましい。この場合には、軸２３の方向から見た時に、レール１０の幅方向外縁は、コイル２１の外のり（外縁）から、幅Ｗの０．１倍以上の距離だけ離間している。縦方向長さＬ_２を幅Ｗの１．２倍以上とすることで、レール１０の幅方向にわたって形成される温度上昇差をさらに低減することができる。
縦方向長さＬ_２の上限としては特に限定されないが、例えば幅Ｗの３倍である。縦方向長さＬ_２が幅Ｗの３倍を超える場合は、レール１０の幅方向の温度上昇差を低減する効果が飽和する。
なお、一般的なレール１０の幅Ｗは、軽レールも含めると５０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度であり、営業鉄道用の普通レールの場合は１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度である。

コイル２１としては、例えば、銅製のコイルを用いることができ、銅パイプ等のパイプ状のコイルを用いることもできる。パイプ状のコイルの場合、内部に冷却水を通しながら使用することで、コイル自身又は他の部分の温度上昇を抑えることができる。コイル２１を形成する金属線及び金属パイプの断面形状としては、円形、楕円形及び略方形等があるが、特に限定されない。この金属線及び金属パイプの外径及び長辺の長さは、特に限定されないが、５ｍｍ以上４０ｍｍ以下程度であることが好ましい。

熱処理装置２０は、コイル２１に電気的に接続される図示しない高周波電源を有する。この高周波電源としては、所定の周波数の高周波電流を発生させる電源であれば特に限定されず、トランジスタ式、サイリスタ式及び電子管式等の公知の高周波電源を用いることができる。さらに、熱処理装置２０は、コイル２１の固定手段や加熱される部分の温度測定手段（例えば、熱電対や放射温度計等）等を有することができる。

（熱処理方法）
本発明の第２の実施の形態に係るレール鋼の溶接部の熱処理方法は、熱処理装置２０を用いて溶接部１１における所定の領域を誘導加熱する工程（Ａ）と、加熱後、溶接部１１を冷却する工程（Ｂ）とを有する。

工程（Ａ）
誘導加熱は、熱処理装置２０を足部１４裏面側に近接配置して行う。具体的には、図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、コイル２１の軸２３と足部１４裏面とが垂直に、かつ軸２３の方向から見た場合に、一対の仮想線２４で挟まれる領域１６を外のり領域２２が含むように、熱処理装置２０のコイル２１が足部１４裏面に対向配置される。一対の仮想線２４は、それぞれ溶接中心面１２に平行な直線であり、溶接中心面１２から対称に位置し、相互の距離がＬｈの１．２倍である。軸２３の方向から見た場合に、つまり足部１４裏面を対向する視線で見た場合に（図１Ｂの状態）、外のり領域２２は、レール１０の足部１４裏面における加熱領域となる。

コイル２１は、コイル２１の外のり領域２２の横方向（Ｌ_１方向）における中央が溶接中心面１２に一致し、縦方向（Ｌ_２方向）における中央がレール幅方向の中心位置１８に一致するように配置されている。
なお、コイル２１と足部１４裏面との距離は、コイル２１が足部１４裏面を誘導加熱することができる距離であれば、特に限定されない。この距離としては、例えば５ｍｍ以上５０ｍｍ以下程度とすることができる。

誘導加熱は、熱処理装置２０を上述のように配置して、３℃／秒以上２０℃／秒以下、好ましくは５℃／秒以上の加熱速度で足部１４裏面を加熱することにより行う。
レール鋼１０の足部１４裏面を急速に加熱する（加熱速度を３℃／秒以上２０℃／秒以下とする）ことで、レール鋼１０の表層のみを軟化させるとともに、レール鋼１０の内部に硬い層を残しておくことができる。これにより、レール鋼１０における亀裂の発生及び進行を抑制できる。
加熱速度が３℃／秒未満の場合は、レール鋼１０の表面からレール鋼１０の深い範囲まで加熱及び軟化されることにより、足部１４の強度が顕著に低下する。逆に、加熱速度が２０℃／秒を超える場合は、亀裂の進行を抑制する効果が飽和する。

本実施形態の誘導加熱では、３℃／秒以上２０℃／秒以下の加熱速度で加熱することにより、少なくとも足部１４裏面の溶接中心面１２上かつレール鋼１０の幅方向の中心位置１８上にある位置Ｃ（図２Ｂ参照）の表面を、６００℃超８００℃以下の温度に加熱する。
加熱温度の下限値としては６４０℃が好ましく、６６０℃がさらに好ましい。加熱温度の上限値としては、７８０℃が好ましい。
初期温度の上限は６００℃以下であれば特に限定されず、好ましくは５００℃以下、より好ましくは４００℃以下とすることもできる。初期温度の下限も特に限定されず、例えば常温（例えば１０℃〜３０℃）であってもよい。
表面温度は、放射温度計で測定することができる。加熱速度は、初期温度から６００℃超８００℃以下の加熱温度までの上昇温度（℃）を加熱時間（秒）で割った値（平均値）とする。
なお、本実施形態の誘導加熱では、足部１４裏面を上述のように加熱した場合であっても、頭部は６００℃超に加熱されない。

Ａｃ１点以下のレール鋼１０は、平衡状態図では基本的にフェライト相とセメンタイト相との２相である。Ａｃ１点以下のレール鋼１０に対して６００℃超の熱処理を行うことにより、セメンタイトの球状化、フェライト結晶粒径の拡大、及びベイナイトやマルテンサイトが存在する場合の焼き戻し効果等によって、レール鋼１０の組織を軟化することができる。レール鋼１０の組織を軟化することによって、亀裂の発生を抑制することができ、亀裂が発生した場合であっても亀裂の進行を抑制することができる。
なお、レール鋼１０に対して８００℃超の熱処理を行った場合には、レール鋼１０の組織からセメンタイト相が消滅し、熱処理による硬さ低下の効果が得られなくなる。

本実施形態における誘導加熱の加熱時間は、１０秒以上２６５秒以下であることが好ましい。

本実施形態の誘導加熱では、コイル２１の形状に起因して、レール鋼１０の幅方向端部の方が、レール鋼１０の幅方向中央位置１８と比べて、高温に加熱されやすい。しかしながら、コイル２１の外のり領域２２の縦方向長さＬ_２がＷの１．１倍以上であるので、誘導加熱を行った際のレール鋼１０の幅方向端部と幅方向中央位置１８との温度上昇差を低減することができる。具体的には、誘導加熱により、レール鋼１０の幅方向中央位置１８の温度を６００℃に加熱した時に、レール幅方向端部の加熱温度も、６００℃超８００℃以下の温度に制限することができる。
加熱温度が６００℃超Ａｃ１点以下の場合と、加熱温度がＡｃ１点超８００℃以下の場合とで、好ましい冷却工程の条件が異なる。この点については、後に詳述する。

コイル２１の外のり領域２２の縦方向長さＬ_２が幅Ｗの１．２倍以上である場合には、縦方向長さＬ_２が幅Ｗの１．１倍である場合に比べて、より効果的にレール鋼１０の幅方向端部と幅方向中央位置１８との温度上昇差を低減することができる。具体的には、誘導加熱により、レール鋼１０の幅方向中央位置１８の温度を６００℃に加熱した時に、レール幅方向端部の加熱温度も、６００℃超Ａｃ１点以下に制限することができる。加熱温度が６００℃超Ａｃ１点以下の場合には、後述するように任意の方法で冷却することができる。

誘導加熱を行う際の周波数としては、例えば、１ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下が好ましく、２ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下がより好ましい。誘導加熱を行う際の周波数を高くすることにより、本実施形態の加熱を容易に制御することができる。

加熱後に保定時間（加熱後の表面温度を維持したまま保つ時間）を設けてもよいが、保定時間としては、２０秒以下が好ましく、１０秒以下がより好ましい。保定時間を長くすると、レール鋼１０の内部まで加熱及び軟化されることにより、足部１４の強度が低下する。保定時間とは、所定の入熱条件で加熱した後の、入熱量を加熱時よりも下げた、かつ入熱量が０ではない状態の時間である。従って、保定時間において、表面温度が加熱温度よりも低下する場合がある。なお、加熱後の冷却とは、入熱量を０とした状態をいう。

加熱の際に、足部１４裏面に加えて、足部１４上面や柱部１５を加熱してもよい。但し、頭部１３は、加熱する領域から除かれる。足部１４及び頭部１３双方を熱処理することにより、足部１４だけでなく、頭部１３にも軟化層が形成される。車輪通過時の磨耗により、頭部１３の軟化層は、凹み部となる。この凹み部は、車輪通過時の溶接部１１の下方への変位（弾性変形）の原因となり、足部１４裏面の亀裂発生の促進原因となる。従って、頭部１３を加熱しないことにより、足部１４裏面の亀裂発生を抑制できる。
なお、頭部１３を除く領域を加熱する、すなわち、頭部１３を加熱しないとは、頭部１３を積極的又は直接的に加熱しない（軟化させない）ことであり、頭部１３の加熱温度が、熱処理の工程において、６００℃超（好ましくは４００℃超）にならないことをいう。

工程（Ｂ）
本実施形態の熱処理方法では、加熱工程を行った後に冷却工程を行う。好ましい冷却工程は、上述したように加熱温度が６００℃超Ａｃ１点以下の場合と、加熱温度がＡｃ１点超８００℃以下の場合とで異なる。

（Ｂ−１）加熱温度が６００℃超Ａｃ１点以下の場合
加熱温度が６００℃超Ａｃ１点以下の場合には、任意の冷却方法及び任意の冷却速度で冷却を行うことができる。すなわち、放冷（自然冷却：冷却速度としては例えば１℃／秒以下）であってもよいし、加速冷却（強制冷却：冷却速度としては例えば１℃／秒超２０℃／秒以下）を行ってもよい。いずれの冷却方法を用いても、足部１４裏面等に十分な軟化組織を生成することができる。
加速冷却の方法としては、特に限定されず、水又は空気等の噴射により行うことなどができる。
（Ｂ−２）加熱温度がＡｃ１点超８００℃以下の場合
加熱温度がＡｃ１点超８００℃以下の場合には、冷却は放冷により行うことが好ましい。加熱温度をＡｃ１点超とした場合、組織中にγ相が生成するが、３℃／秒〜２０℃／秒の加熱速度で加熱することにより、セメンタイト相が球状化する。また、冷却を放冷により行うことにより、球状化したセメンタイト相が組織中に残留する。これにより、軟化処理をより適切に行うことができる。
加熱温度がＡｃ１点超８００℃以下の場合において、加熱後に加速冷却（放冷を超える冷却速度による強制冷却）を行った場合には、レール鋼１０の表層組織に微細なパーライト組織やマルテンサイト組織が生成しやすいため、軟化組織が生成されにくくなる。

（レール鋼）
本発明の第３の実施の形態に係るレール鋼は、溶接部１１を有するレール鋼１０であって、溶接部１１に第２の実施の形態に係る熱処理方法が施されている。
この熱処理がなされたレール鋼１０は、溶接部１１における頭部１３の硬度は熱処理前と実質的に変わらないが、溶接部１１における少なくとも足部１４裏面の硬度は軟化している。つまり、溶接部１１の頭部１３の硬度は、溶接部１１の足部１４裏面の硬度よりも高い。
本実施形態のレール鋼１０では、頭部を除く少なくとも足部１４裏面において最も亀裂破壊の起点になりやすい溶接中心面１２が軟化処理され、溶接中心面１２に次いで亀裂破壊の起点になりやすい、ＨＡＺ１７の外側の硬さが急激に変化する領域が、軟化処理されている。また、本実施形態のレール鋼１０では、頭部１３が軟化処理されていない。これにより、本実施形態のレール鋼１０では、溶接部１１における足部１４を起点とする脆性破壊の発生が抑制されている。

本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、コイル２１は１巻に限定されず、２巻以上であってもよい。また、コイル２１を軸２３の方向から見た時、コイル２１の形状は長方形状に限定されず、例えば、楕円形状等であってもよい。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、測定条件等は以下の通りである。
・足部の温度測定位置：ＨＡＺの足部裏面におけるレール長さ方向中央（溶接中心面）かつレール幅方向中央
・頭部の温度測定位置：ＨＡＺの頭部頂部におけるレール長さ方向中央（溶接中心面）かつレール幅方向中央
・加熱速度：初期温度から加熱温度までの平均加熱速度（℃／秒）
・温度測定方法：放射温度計による測定
・加熱手段：略長方形状に巻かれた１巻のコイルによる誘導加熱（周波数１０ｋＨｚ）。コイルの平面と加熱領域とが略平行となるように、かつ溶接中心面及びレール幅方向中心位置を基準に対称となるようにコイルを加熱領域に近接配置して加熱した。コイルの外のり領域を加熱領域とした。
・レール鋼のＡｃ１点：７２５℃
・Ｌｈ：４０ｍｍ

［実施例１］
レール鋼の溶接部を以下の条件で熱処理した。
・加熱領域：足部裏面（実施例）又は足部裏面と頭部との両方（比較例）
・初期温度：４００℃
・加熱温度：６５０℃
・加熱速度：５℃／秒
・加熱後の保定：無し
・加熱後の冷却速度：５℃／秒（加速冷却）
・コイルの外のり領域の横方向長さＬ_１：Ｌｈの１．２倍
・コイルの外のり領域の縦方向長さＬ_２：Ｗの１．４倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝Ｗの０．２倍）
なお、実施例において、足部裏面のみを加熱した場合には、頭部の表面温度は４００℃超に上昇していないことを確認した。

＜評価１＞
実施例１で熱処理した各レール鋼及び熱処理を施さない溶接後の状態の試験材（ＡＷ）における評価を、以下の方法で行った。図３Ａに示すように、溶接部３０を中心に１．５ｍ離間した位置に一対の円筒鋼材３１を配置し、レール鋼３２を支持した。この１．５ｍの範囲に、負荷をかけた車輪３３の往復により荷重し、破断までの往復回数及び頭部磨耗量を測定した。測定結果を図３Ｂに示す。
図３Ｂに示されるように、足部のみを加熱した実施例においては、破断までの回数が格段に多く、脆性破壊に対する高い耐性を有することがわかる。一方、足部と頭部とを共に加熱した比較例においては、頭部磨耗量が増加し、脆性破壊に対する耐性があまり向上していないことがわかる。

［実施例２］
レール鋼の溶接部を以下の条件で熱処理した。
・加熱領域：足部裏面
・初期温度：４００℃
・加熱温度：６５０℃
・加熱速度：０．２℃／秒〜２５℃／秒の範囲で変化させた。
・加熱後の保定：無し
・加熱後の冷却速度：５℃／秒（加速冷却）
・コイルの外のり領域の横方向長さＬ_１：Ｌｈの１．２倍
・コイルの外のり領域の縦方向長さＬ_２：Ｗの１．４倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝Ｗの０．２倍）

＜評価２＞
実施例２で熱処理した各レール鋼における評価を、以下の方法で行った。図４Ａに示すように、溶接部３４を中心に１ｍ離間した位置に半径５０ｍｍの円筒鋼材３５を一対配置し、レール鋼３６を支持した。溶接部３４上方から半径５０ｍｍの円筒鋼材３７で加圧した。加圧（荷重）の負荷速度は１０ｍｍ／分とした。レール鋼３６が破断した際の荷重（破断荷重）及び破断した際のたわみ量（破断たわみ量）について、図４Ｂに示す。
図４Ｂに示されるように、加熱速度を高めると破断荷重が増加し、脆性破壊に対する耐性が高まる傾向にある。
加熱速度が３℃／秒未満の場合は、破断たわみが極端に大きくなり、破断荷重が低下している。これは、足部の表層だけでなく深部まで軟化され、強度が低下したことによると考えられる。
一方、加熱速度が２０℃／秒を超える場合は、ある程度の厚みの軟化層が形成されず、脆性破壊に対する耐性が飽和する。

［実施例３］
レール鋼の溶接部を以下の条件で熱処理した。
・加熱領域：足部裏面
・初期温度：４００℃
・加熱温度：４２０℃〜１０００℃の範囲で変化させた。
・加熱速度：５℃／秒
・加熱後の保定：無し
・加熱後の冷却速度：５℃／秒（加速冷却）及び０．９℃／秒（放冷）のそれぞれで行った。
・コイルの外のり領域の横方向長さＬ_１：Ｌｈの１．２倍
・コイルの外のり領域の縦方向長さＬ_２：Ｗの１．４倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝Ｗの０．２倍）

＜評価３＞
実施例３の各条件で熱処理したレール鋼を用いて、足部裏面の温度測定位置の５ｍｍ深さ点における硬度（Ｈｖ９８Ｎ）を測定した。測定結果を図５に示す。
図５に示されるように、加熱温度が６００℃超７２５℃（Ａｃ１点）以下の場合には、冷却を放冷及び加速冷却のいずれの方法で行っても、測定位置の硬度は、十分に低下することがわかる。
加熱温度が７２５℃（Ａｃ１点）超８００℃以下の場合は、加熱後に放冷により冷却すると、測定位置の硬度が十分に低下する。一方、加熱温度が７２５℃（Ａｃ１点）超８００℃以下の場合は、加熱後に加速冷却により冷却すると、測定位置の硬度が十分に低下しない。
なお、以下の実施例４に示されるように、７２５℃超８００℃以下で加熱した後に加速冷却した場合も、脆性破壊に対する耐性は向上する。

［実施例４］
レール鋼の溶接部を以下の条件で熱処理した。
・加熱領域：足部裏面（実施例）又は足部裏面と頭部との両方（比較例）
・初期温度：４００℃
・加熱温度：７５０℃
・加熱速度：５℃／秒
・加熱後の保定：無し
・加熱後の冷却速度：５℃／秒（加速冷却）及び０．９℃／秒（放冷）のそれぞれで行った。
・コイルの外のり領域の横方向長さＬ_１：Ｌｈの１．２倍
・コイルの外のり領域の縦方向長さＬ_２：Ｗの１．４倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝Ｗの０．２倍）

＜評価４＞
実施例４で熱処理した各レール鋼及び熱処理を施さない溶接後の状態の試験材（ＡＷ）における評価を、評価１と同様の方法で行った。測定結果を図６に示す。
図６に示されるように、足部のみを７５０℃で加熱した実施例においては、加熱後に加速冷却及び放冷のいずれの方法で冷却を行った場合であっても、破断までの回数が、ＡＷに比べて大幅に増加した。なお、加熱後に放冷により冷却した場合には、加熱後に加速冷却により冷却した場合に比べて、破断までの回数が増加していた。

［実施例５］
レール鋼の溶接部を以下の条件で熱処理した。
・加熱領域：足部裏面
・初期温度：４００℃
・加熱温度：７５０℃
・加熱速度：０．２℃／秒〜２５℃／秒の範囲で変化させた。
・加熱後の保定：無し
・加熱後の冷却速度：０．９℃／秒（放冷）
・コイルの外のり領域の横方向長さＬ_１：Ｌｈの１．２倍
・コイルの外のり領域の縦方向長さＬ_２：Ｗの１．４倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝Ｗの０．２倍）

＜評価５＞
実施例５で熱処理した各レール鋼における評価を、評価２と同様の方法で行った。測定結果を図７に示す。
図７に示されるように、加熱速度を高めると破断荷重が増加し、脆性破壊に対する耐性が高まる傾向にある。加熱速度が３℃／秒未満の場合は、破断たわみが極端に大きくなるとともに、破断荷重が低下していた。加熱速度が２０℃／秒を超える場合は、加熱速度が２０℃／秒の場合と比べて、破断たわみ及び破断荷重は変化せず、亀裂の進行を抑制する効果が飽和する。

［実施例６］
レール鋼の溶接部を以下の条件で熱処理した。
・加熱領域：足部裏面
・初期温度：４００℃
・加熱温度：６５０℃
・加熱速度：５℃／秒
・加熱後の保定：無し
・加熱後の冷却速度：５℃／秒（加速冷却）
・コイルの外のり領域の横方向長さＬ_１：Ｌｈの１．２倍（実施例）又はＬｈの１．０倍（比較例）
・コイルの外のり領域の縦方向長さＬ_２：Ｗの１．４倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝Ｗの０．２倍）

＜評価６＞
実施例６で熱処理した各レール鋼及び熱処理を施さない溶接後の状態の試験材（ＡＷ）を用いて、足部裏面の温度測定位置の５ｍｍ深さ点における硬度（Ｈｖ９８Ｎ）を測定した。測定結果を図８に示す。
図８に示されるように、ＡＷでは、ＨＡＺにおける最も硬い部分は、溶接中心面上の位置である。また、ＡＷの測定結果から、硬度が急激に変化する部分が、ＨＡＺの外側の位置（溶接中心面から２５〜３０ｍｍの位置であり、Ｌｈが４０ｍｍの場合にはＬｈの約０．７倍の位置）に存在することが分かる。
Ｌ_１の長さがＬｈの１．０倍であるコイルを用いて、ＨＡＺと同じ範囲を加熱した場合、溶接中心面は軟化するが、硬度が急激に変化する部分の硬度はほとんど変わらない。
一方、Ｌ_１の長さがＬｈの１．２倍であるコイルを用いて加熱した場合は、溶接中心面が軟化するとともに、硬度が急激に変化する部分の硬度変化が緩やかになっていることが分かる。

［実施例７］
レール鋼の溶接部を以下の条件で熱処理した。
・加熱領域：足部裏面
・初期温度：４００℃
・加熱温度：６５０℃
・加熱速度：５℃／秒
・加熱後の保定：無し
・加熱後の冷却速度：５℃／秒（加速冷却）
・コイルの外のり領域の横方向長さＬ_１：Ｌｈの０．８倍〜３．０倍の範囲で変化させた。なお、Ｌ_１がＬｈの１．２倍以上である場合は実施例であり、その他は比較例である。・コイルの外のり領域の縦方向長さＬ_２：Ｗの１．４倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝Ｗの０．２倍）

＜評価７＞
実施例７で熱処理した各レール鋼における評価を、評価２と同様の方法で行った。測定結果を図９に示す。
図９に示されるように、Ｌ_１をＬｈの１．２倍以上とすることで、破断たわみが顕著に大きくなり、脆性破壊に対する耐性が高まることがわかる。これは、ＨＡＺの外側に位置する、硬度が急激に変化する部分が軟化されたことによる効果であると考えられる。

［実施例８］
レール鋼の溶接部を以下の条件で熱処理した。
・加熱領域：足部裏面
・初期温度：４００℃
・加熱温度（溶接中心面上かつレール幅方向中央の点）：６００℃
・加熱速度：５℃／秒
・加熱後の保定：無し
・コイルの外のり領域の横方向長さＬ_１：Ｌｈの１．２倍
・コイルの外のり領域の縦方向長さＬ_２：Ｗの１．０倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝０、比較例）、Ｗの１．１倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝Ｗの０．０５倍、実施例）及びＷの１．２倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２＝Ｗの０．１倍、実施例）の３種類で行った。

＜評価８＞
実施例８において熱処理した直後、すなわち溶接中心面上かつレール幅方向中央の点の温度が６００℃となったときの、位置Ａの温度及び位置Ｂの温度をレール長さ方向に沿って測定した。ここで、位置Ａは、レールの幅方向の一端及び他端から内側に５ｍｍの位置であり、位置Ｂは、レールの幅方向中央である。
なお、レールの幅方向の一端から内側に５ｍｍの位置の温度と、他端から内側に５ｍｍの位置の温度とは等しかった。
測定結果を図１０Ａ〜図１０Ｃに示す。

図１０Ａは、Ｌ_２がＷの１．０倍である場合、図１０Ｂは、Ｌ_２がＷの１．１倍である場合、図１０Ｃは、Ｌ_２がＷの１．２倍である場合の測定結果である。
図１０Ａに示されるように、Ｌ_２が、Ｗの１．０倍の場合には、位置Ｂを６００℃に加熱すると、位置Ａの温度は、８００℃を超える。この場合には、図５等に示されるように、溶接中心面上の位置Ａは、十分に軟化されない。
図１０Ｂに示されるように、Ｌ_２がＷの１．１倍である場合（（Ｌ_２−Ｗ）／２が、Ｗの０．０５倍）の場合には、位置Ｂを６００℃に加熱すると、位置Ａの温度を８００℃以下に抑えることができる。これにより、位置Ａを軟化させることができる。しかし、位置Ａの温度は、Ａｃ１点（７２５℃）を超えているため、軟化させるためには、加熱後に放冷により冷却することが必要である。
図１０Ｃに示されるように、Ｌ_２がＷの１．２倍（（Ｌ_２−Ｗ）／２が、Ｗの０．１倍）の場合には、位置Ｂを６００℃に加熱すると、位置Ａの温度をＡｃ１点（７２５℃）以下に抑えることができる。これにより、加熱後に、放冷及び加速冷却のいずれの方法を用いて冷却しても、軟化が可能である。

上記各実施形態によれば、レール鋼の溶接部における足部を起点とする脆性破壊の発生の抑制に好適な熱処理装置、熱処理方法及びレール鋼を提供することが可能である。

１０：レール鋼（レール）
１１：溶接部
１２：溶接中心面
１３：頭部
１４：足部
１５：柱部
１６：一対の仮想線で挟まれる領域
１７：ＨＡＺ
１８：レールの幅方向の中心位置
２０：熱処理装置
２１：コイル
２２：外のり領域
２３：軸
２４：仮想線
３０：溶接部
３１：円筒鋼材
３２：レール鋼
３３：車輪
３４：溶接部
３５：円筒鋼材
３６：レール鋼
３７：円筒鋼材
Ｃ ：足部裏面の溶接中心面上かつレール鋼の幅方向の中心位置上にある位置

Claims (9)

1. コイルを有し、レール鋼の溶接部の足部裏面を誘導加熱により加熱する熱処理装置であって、
   前記溶接部において溶接時にＡｃ１点以上に加熱された領域をＨＡＺ、前記足部裏面におけるレール長さ方向の前記ＨＡＺの長さをＬｈ、前記レール鋼の幅をＷとし、
   前記足部裏面を対向する視線で見た場合に、前記コイルの外のり領域の前記レール長さ方向の長さが前記Ｌｈの１．２倍以上であり、前記コイルの前記外のり領域の前記レールの幅方向の長さが前記Ｗの１．１倍以上である
   ことを特徴とする熱処理装置。
2. 前記コイルの前記外のり領域の、前記レール長さ方向の前記長さが、４０ｍｍ以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記コイルの前記外のり領域の、前記レール幅方向の前記長さが、前記Ｗの１．２倍以上である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱処理装置。
4. 前記コイルの前記外のり領域の形状が長方形である
   ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の熱処理装置。
5. レール鋼の溶接部の熱処理方法であって、
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の熱処理装置の前記コイルを前記足部裏面に対向配置して、前記足部裏面に対向する視線で見た場合に溶接中心面から対称の位置にあり相互の距離が前記Ｌｈの１．２倍である一対の仮想線で挟まれる領域を、３℃／秒以上２０℃／秒以下の加熱速度で加熱することにより、少なくとも前記足部裏面の前記溶接中心面上かつ前記レール鋼の幅方向の中心上にある位置Ｃを６００℃超８００℃以下に加熱する加熱工程と；
   前記加熱工程後に、前記レール鋼を冷却する冷却工程と；
   を有することを特徴とするレール鋼の溶接部の熱処理方法。
6. 前記加熱工程において、前記位置Ｃを、６００℃超Ａｃ１点以下の温度に加熱する
   ことを特徴とする請求項５に記載のレール鋼の溶接部の熱処理方法。
7. 前記加熱工程において、前記位置Ｃを、Ａｃ１点超８００℃以下の温度に加熱し、
   前記冷却工程を、放冷により行う
   ことを特徴とする請求項５に記載のレール鋼の溶接部の熱処理方法。
8. 前記加熱工程において、前記レール鋼の頭部の加熱温度を６００℃以下とする
   ことを特徴とする請求項５から請求項７の何れか１項に記載のレール鋼の溶接部の熱処理方法。
9. 溶接部を有するレール鋼であって、
   前記溶接部に請求項５から請求項８の何れか１項に記載のレール鋼の溶接部の熱処理方法によって熱処理が施されている
   ことを特徴とするレール鋼。

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