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JP3764710B2 - Method for producing pearlitic rail with excellent toughness and ductility - Google Patents

Method for producing pearlitic rail with excellent toughness and ductility Download PDF

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JP3764710B2
JP3764710B2 JP2002239748A JP2002239748A JP3764710B2 JP 3764710 B2 JP3764710 B2 JP 3764710B2 JP 2002239748 A JP2002239748 A JP 2002239748A JP 2002239748 A JP2002239748 A JP 2002239748A JP 3764710 B2 JP3764710 B2 JP 3764710B2
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rail
rolling
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ductility
toughness
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健一 狩峰
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Nippon Steel Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レール鋼のパーライト組織を微細化して靭性および延性の向上を図ったパーライト系レールの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
鉄道輸送は輸送効率向上のための重積載化、輸送迅速化のための高速化が進められており、レールの特性に対する要求が厳しくなっている。重積載化は急曲線区間におけるレール頭部の磨耗を促進し、レールGC(ゲージ・コーナー)内部の応力集中部からの疲労損傷を増加させることから、レール寿命が短くなる。
この重荷重鉄道でのレール短寿命化を改善するために、耐磨耗性、耐内部疲労損傷性の優れた高強度レール鋼の技術開発が活発に行われてきた。その結果、熱処理によりラメラー間隔を狭めた高強度レールが急曲線区間では広く使われつつある。
【0003】
一方、寒冷地の鉄道では冬季にレールクラック発生によるレール取替が集中しており、レール材の靭性改善がレール寿命の延伸に必要な課題になっている。また頭部の内部疲労損傷性の改善には、レール材の靭性および延性を向上させることが重要である。パーライト組織では組織を細粒にすることにより、靭性・延性を改善することができる。
【0004】
これまでに以下のような方法による、組織の細粒化、靭性および延性改善が図られてきた。
(1)熱間圧延後、一旦室温まで冷却したレールをオーステナイト温度域のなるべく低い温度域に再加熱した後、加速冷却する方法。
(2)制御圧延によりオーステナイト粒を微細化した後、レール頭部を加速冷却する方法。
(3)パーライト変態時にオーステナイト結晶粒界に加え、オーステナイト結晶粒内からも変態を促進し、微細なパーライト組織を得る方法。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記方法の(1)は、例えば特開昭63−128123号公報に記載されているように、レールをオーステナイト温度域では、低めである950℃以下の低温度に再加熱し、オーステナイト粒を細粒化することによって、パーライト変態後の組織を細粒化して、大幅に靭性および延性を改善しようとするものである。
しかし低温度かつレール頭部内部まで加熱を深めようとすると、投入熱量を下げて長時間加熱する必要があり、この加熱処理により生産性を阻害し、製造コストを悪化させる難点がある。
【0006】
また上記(2)の方法は、例えば特開昭52−138427号公報および特開昭52−138428号公報に記載されているように、Nbを含有する圧延素材を1220℃以上もしくは1100℃以下に加熱し、それに適する条件で温度制御圧延して、オーステナイト粒の細粒化で靭性・延性の向上を図ろうとするものである。Nbは加工後の微細再結晶粒が粒成長によって粗大化するのを防止する効果があり、微細なオーステナイト組織を得やすくするが、高炭素鋼では粗大なNb炭窒化物を生成しやすいため、その利用には困難が伴う。
【0007】
さらに上記(3)の方法は、例えば特開平6−279928号公報に記載されているように、MnS上に析出させたV炭窒化物、Ti炭窒化物を変態核として、パーライト変態の核生成を促進させて組織を微細化する方法である。この方法により、一定の靭性および延性の向上が得られた。しかし、これらの炭窒化物を利用する場合、変態核の生成が活発となる結果、変態が高温で完了してしまうため、強度が低下する難点がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
パーライト組織は、ラメラー構造と呼ばれるセメンタイト相とフェライト相の層状構造からなっている。フェライトの結晶方位が揃っている領域をパーライトブロックと呼び、パーライト組織における結晶粒単位といえる。パーライト鋼の衝撃値、延性値はパーライトブロックが細かいほど良い。パーライト鋼が破壊するとき、亀裂はパーライトブロック単位で屈曲して進むため、パーライトブロックが細かいほど新生界面の総面積が大きくなり、界面形成に要するエネルギーが大きいことが衝撃値を改善すると考えられる。また最終破断に到るまでの亀裂進行が細粒組織ほど遅いため、破断までの変形量が増大することにより延性も向上する。
【0009】
通常、レール鋼は高いC量を含有している。このレール鋼を高温のオーステナイト温度域から冷却すると、700℃程度からパーライト変態が起こり始める。パーライト変態核はほとんどがオーステナイト結晶粒界で生成する。このため変態前組織であるオーステナイト組織が細かいほど、パーライト変態核の数が増える。その結果、オーステナイト結晶粒が細粒であるほど変態完了後のパーライトブロックサイズは細かくなる。
【0010】
本発明は、寒冷地において要求される良好な延・靭性を有するレールを得るために、オーステナイト粒を細粒にして、その粒界から多数の変態核を生じさせてパーライト組織の微細化を図るものであり、その要旨は以下のとおりである。
(1) 質量%で、
C :0.59〜1.2%、
Si:0.1〜1.2%、
Mn:0.4〜1.4%、
N :0.005(但し0.005を含まず)〜0.030%、
Al:0.005〜0.050%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるレール用圧延素材を用いて、熱間圧延を行うための再加熱工程において、900℃以上の加熱炉内滞在時間が40分間以上であり、かつ加熱炉内における最高温度が1000〜1200℃の範囲であり、加熱炉からの材料抽出から仕上圧延を完了するまでの時間が7分間以内で熱間圧延によりレールを形成することを特徴とする、靭性および延性に優れた高強度パーライト系レールの製造方法。
(2) 前記(1)に記載の成分に加え、質量%でさらに、
Mo:0.015〜0.070%、 Cr:0.1〜1.0%、
V :0.005〜0.070%、 Ni:0.01〜1.50%、
Nb:0.004〜0.050%、 Cu:0.01〜1.50%、
Ti:0.0001〜0.0100%、S :0.002〜0.050%、
の1種または2種以上を含有せしめることを特徴とする、靭性および延性に優れた高強度パーライト系レールの製造方法。
(3) 前記(1)または(2)に記載の成分を有する圧延素材を用いて、熱間圧延を行うための再加熱工程において、900℃以上の加熱炉内滞在時間が40分間以上であり、かつ最高加熱温度が1000〜1200℃の範囲であり、さらに加熱炉から材料抽出から仕上圧延を完了するまでの時間が7分間以内で熱間圧延によりレールに形成した後、熱延ままのオーステナイト域温度から、前記レールの少なくとも頭部の表層において700〜550℃の温度範囲を1〜10℃/secで加速冷却することを特徴とする、靭性および延性に優れた高強度パーライト系レールの製造方法。
(4) 前記(1)または(2)に記載の成分を有する圧延素材を、前記(1)に記載の再加熱条件及び圧延条件により再加熱して熱間圧延でレールに形成し、一旦レールを500℃以下に冷却した後、改めて800℃以上1200℃未満のオーステナイト域温度に再加熱した後、前記レールの少なくとも頭部の表層が700〜550℃である温度範囲を1〜10℃/secで加速冷却することを特徴とする、靭性および延性に優れた高強度パーライト系レールの製造方法。
【0011】
【発明の実施の形態】
レール鋼を製造するには、まず転炉、電気炉などで成分調整を行い、さらに必要に応じて脱ガス処理などの二次精錬を経て凝固させる。その後、再加熱炉で高温に加熱して複数の圧延機により、徐々にレール形状に成形し、最終的に800〜1100℃でレール形状に仕上げる。上記圧延段階における金属組織はオーステナイト組織である。
鋼材を熱間圧延すると鋼中に導入された歪エネルギーが駆動力になり、オーステナイト組織が微細に再結晶する。再結晶直後の細粒組織は粒界エネルギーが高いため、結晶粒が互いに食い合って、粒径が増大していく粒成長現象が起こる。
【0012】
再結晶現象は加工中もしくは加工直後に短時間で起こるが、粒成長現象は安定値に達するには時間を要する。このため加工を短時間で繰り返すことによってオーステナイト結晶粒は次第に細粒化していく。また組織中に粒界の移動を妨げる微細な異物粒子が存在すると、粒界移動が妨げられるため結晶粒の潰しあいが起こり難くなり粒成長が抑制される。鋼中の異物粒子によって結晶粒界の移動が抑制される現象をピン止め効果、ピンニング効果と呼ぶ。
本発明者らはAlNが鋼中に微細に析出する性質があることから、レール鋼の圧延後の結晶粒成長を抑制するピンニング粒子として利用する方法について研究を行い、以下のような知見を得た。
【0013】
Al,Nを含む鋼材は、1000℃〜1200℃付近の温度域において数nmから数10nmという微細なサイズのAlNが緻密に析出する性質がある。本発明者らの実験によると、鋼材が高温の状態から自然冷却する過程ではAlNの析出量は少ない。AlNを微細かつ多量に析出させるためには、1000℃以上1200℃未満の温度域に再加熱することが必要である。再加熱の温度が1000℃未満では析出に長時間を要するため実用的ではなく、また再加熱温度が1200℃を超えると、一旦生じたAlNが再固溶するため、AlNのピンニング効果は得られなくなる。
【0014】
またAlNが析出するためには、Al,Nが拡散して互いに隣接位置に移動し、結合する必要があるため、高温の状態で一定の時間以上加熱炉内に滞在する必要がある。本発明者らの実験によると、十分なAlNの析出を得るためには、最高加熱温度が1000〜1200℃であることに加えて、900℃以上の温度域における加熱炉内滞在時間が40分間以上必要である。
【0015】
本発明者らは、Al,Nを含む鋼材に対してこのような条件で再加熱を行うと、AlNが微細に析出することを確認した。AlNが微細に析出した鋼材を圧延すると、圧延直後の微細な再結晶粒が粒成長することが妨げられて、細粒のオーステナイト組織が得られる。圧延完了後、鋼材温度が700℃以下になると、パーライト変態が始まる。パーライト変態はオーステナイト組織の結晶粒界にパーライト変態核が生成して開始する。このときAlNのピンニング効果によって細粒になったオーステナイト組織から微細なパーライト組織が得られる。
【0016】
一方、高速軌道、重荷重軌道の急曲線部においては延靭性と共に、1000MPa以上の高強度が要求される。このような高強度を得るためには、圧延終了後のオーステナイト状態から、パーライト変態温度域である700〜550℃間を加速冷却することが望ましい。加速冷却を行うと放冷の際の変態温度より、さらに低温までオーステナイトが維持された状態からパーライト変態が起こる。より低温で変態が始まる状態は過冷度が高い状態と呼ばれる。
【0017】
過冷度が高まるとパーライト変態時にラメラー間隔が狭まり、強度が増大するとともに、変態核の生成速度が増加するため、パーライトブロックサイズを微細にする効果があわせて得られ、一層の延・靭性向上を達成することができる。ただし加速冷却時の冷却速度が1℃/sec未満のときは高強度レールとして必要な強度を得ることができず、10℃/secを超える場合はベイナイト、マルテンサイトが生成し易くなるため好ましくない。
【0018】
また加速冷却の際に、水スプレイ、液体浸漬による冷却法を採用すると、鋼材表層に膜沸騰現象を生じ、冷却むらを招き易いため、冷却媒体は空気、あるいは空気−水ミストが望ましい。また、加速冷却の初期温度はパーライト変態が開始しないオーステナイト温度域である必要があり、720℃以上であることが必要である。本発明者らによると、最高加熱温度として1000〜1200℃という限定を加えた場合、加速冷却開始温度を720℃以上にするためには、材料を加熱炉から抽出した後、少なくとも7分間以内に圧延を完了することが必要である。
【0019】
また、高強度を得るための方法として、圧延後のレールを一度室温付近まで自然冷却してパーライト変態させた後に、改めてオーステナイト域温度まで再加熱し、その後の冷却過程で加速冷却を行い、過冷状態からパーライト変態を起こさせて、硬度上昇とともに組織の細粒化を行う方法もある。その場合、オーステナイト温度域のうち、より低温に再加熱するほど細粒のオーステナイト組織を得ることができ、変態後のパーライト組織が細かくなる。
【0020】
またAlNのピンニング効果を利用するためには、圧延に先立って加熱炉で析出させたAlNが再固溶しない、1200℃未満に再加熱する必要がある。一方、加熱温度が800℃未満であると、断面内の温度むらが生じ易くなり、均一なオーステナイト組織にすることは難しく、安定した硬度が得られないため好ましくない。冷却速度については、圧延後に直接加速する場合と同様の理由から、1℃/s以上、10℃/s以下であることが望ましい。
【0021】
上記の製造方法により変態後のパーライトブロックサイズが微細になり、優れた靭性および延性を有するレール鋼を得ることができる。このような微細なパーライト組織は、車輪からの衝撃的な負荷の加わり易いレールの頭部に少なくとも形成されている必要がある。
【0022】
以下にレール鋼の成分を限定した理由について述べる。成分の含有量は質量%である。 C:Cは、レール鋼における高強度化およびパーライト組織生成のための必須元素である。0.59%未満では必要とする高強度のパーライト組織が得がたく、また1.20%を超えるとオーステナイト粒界を脆化させる有害な初析セメンタイトを生成させるため、0.59〜1.2%に限定した。
【0023】
Si:Siはパーライト組織中のフェライト相への固溶強化による高強度化への寄与のみでなく、若干の靭性および延性改善効果がある。0.1%未満ではそれらの効果は少なく、1.2%を超えると脆化をもたらし溶接性も低下するので、0.1〜1.2%に限定した。
【0024】
Mn:Mnはパーライト変態温度を低下させ、焼入れ性を高めることによって高強度化に寄与する。しかし0.4%未満では効果が小さく、1.4%を超えると偏析部にマルテンサイト組織を生成させ易くするため好ましくない。
【0025】
N:Nはオーステナイト粒成長をピンニングによって抑制するAlNを析出させるために必要であり、その効果を得るためには0.005%以上(0.005%を含まない)が必要である。一方、Nが0.030%を超えると高温度域で脆化現象が起き、鋳造における鋼材内部割れが起きるため好ましくない。
【0026】
Al:Alはオーステナイト粒成長をピンニングによって抑制するAlNを析出させるために必要であり、その効果を得るためには0.005%以上が必要である。一方、Alが0.050%を超えるとAl酸化物が粗大化し、靭性の低下をもたらすこと、および重荷重鉄道で使用された際に内部疲労起点となる危険性がある好ましくない。
【0027】
さらに本発明においては、上記成分の他に必要に応じて1種または2種以上のMo,Cr,V,Ni,Nb,Cu,Ti.S,Ca,Mgの添加によって、フェライト地の靭性改善、レール圧延素材の加熱時におけるオーステナイト粒の、あるいは圧延時におけるオーステナイト粒の細粒化によって高靭性を得ることができ、さらに冷却過程における加速冷却によって、より高強度と同時に高靭性を得ることができる。
これらの化学成分を限定した理由を以下に説明する。
【0028】
Mo:Moはパーライトの変態速度を抑制し、パーライトブロックサイズを微細化する効果がある。しかし0.015%未満ではこの効果は少なく、一方、0.07%を超えるMo量では偏析部において、パーライト変態速度が過剰に低下し、パーライト組織中にベイナイトやマルテンサイトを生成させるため好ましくない。
【0029】
Cr:Crはパーライト変態温度を低下させることによって高強度化に寄与するとともに、溶接継ぎ手部軟化防止の観点で0.1%以上の含有が有効である。一方1.0%を超えて含有すると強制冷却時に元素偏析部のみでなく、過冷却傾向の強いレールの肩部にベイナイトやマルテンサイトが生成し、靭性の低下をもたらすため好ましくない。
【0030】
V:Vはパーライト変態核となるV炭窒化物を析出し、オーステナイト粒界および、粒内からの変態核生成の促進によりパーライト組織を微細化する元素である。しかしVが0.005%未満ではこの効果が弱く、0.070%ではV炭窒化物が粗大になって破壊起点となるため好ましくない。
【0031】
Ni:Niはフェライト中に固溶し、フェライトの靭性を向上させるのに有効な元素である。ただし、Niが0.01%未満の場合にはその効果が少なく、また1.5%を超えて含有してもその効果は飽和する。
【0032】
Nb:Nbは熱間圧延時に低温加熱することによって、Nb炭窒化物がオーステナイト粒成長を抑制し細粒化に寄与する。また、高温加熱・低温仕上げ圧延によって熱間圧延後のオーステナイト粒を細粒化し、加速冷却後に得られるパーライトブロックを微細にする。この効果を得るためには0.004%以上のNbが必要であるが、0.050%を超えると粗大なNb炭窒化物の生成によって靭性が低下するため好ましくない。
【0033】
Cu:CuはNiと同様にフェライト中に固溶し、フェライトの靭性を向上させるのに有効な元素である。ただし、Cuが0.01%未満の場合にはその効果は少なく、また1.5%を超えて含有してもその効果は飽和する。
【0034】
Ti:TiはVと同様、パーライト変態核となるTi窒化物を析出し、オーステナイト粒界および、粒内からの変態核生成の促進によりパーライト組織を微細化する元素である。Tiが0.0001%未満の場合にはその効果が少なく、Tiが0.010%を超えると粗大なTi窒化物を生成し靭性が低下するため好ましくない。
【0035】
S:Sは一般に有害元素として知られているが、MnS,MgSを形成し、これら硫化物はV炭窒化物、Ti窒化物の析出サイトとなる。これらの介在物はオーステナイト粒内に存在すると、粒界に加えて粒内からの変態を促進し、パーライト変態後のパーライトブロックサイズをさらに微細化させる。しかし、Sが0.002%未満では十分な数のMgS,MnSを得ることができず、また0.05%を超えると粗大なMnSが生成し、靭性および延性を著しく低下させるため好ましくない。
【0037】
MgはMg酸化物、Mg−Al酸化物、Mg硫化物を析出し、さらにこれらを核としてMnS,V炭窒化物の析出核となる。これらの介在物は粒内変態の促進効果によりパーライト変態後のパーライトブロックを微細にする。しかし、0.0004%未満ではパーライトブロックサイズ微細化がほとんど無く、0.02%を超えると粗大な介在物が生成し、靭性が著しく低下するため好ましくない。
【0038】
またPは鋼中に不可避的に含有される元素である。Pはフェライト層を脆化させて衝撃特性を低下するため、低いことが好ましく、望ましくは0.015%以下である。同様にOは、溶鋼中に不可避的に存在するが、Oが0.02%以上になると粗大な介在物が生じて靭性の低下をもたらすため好ましくない。
【0039】
【実施例】
次に、本発明により製造した高靭性を有する高強度レールの製造実施例について述べる。
表1に示す種々の成分を含有する矩形断面の鋳片を連続鋳造により製造した。熱間圧延のために鋳片を加熱炉内で再加熱する際に、鋳片温度が900℃以上となる加熱炉内の滞在時間を60分間となるようにし、加熱炉内で鋳片の温度が最高となる温度は1120℃とした。加熱炉から鋳片を取り出した後、6分間でレール形状まで圧延した。
圧延したレールの一部はそのまま大気中で放冷した。また、一部はレール頭部表面の温度が750℃となった時点から空気送風により、表面温度が700〜550℃の範囲を冷却速度1〜10℃/sで加速冷却し、頭頂面から2mm下の断面硬度をHv350以上になるようにした。
【0040】
表2は表1に示した成分、再加熱条件から製造したレール鋼の引張試験結果、および試験温度20℃の2mmUノッチシャルピー衝撃試験結果を示す。
シャルピー試験片はレール頭頂面下3mmから長手方向に採取し、ノッチ位置は頭頂面側とした。ノッチ深さは2mmであるので、ノッチ底の位置はレール頭頂面下5mmに相当する。
引張試験片はレール頭部断面から採取した、平行部直径6mm、平行部長さ30mmの丸棒引張試験片で行った。採取位置は引張試験片の中心がレール頭部ゲージコーナーの、表面下10mm位置となるようにした。
表2に示すように、本発明鋼は比較鋼に比べてパーライト組織の微細化により高い衝撃値、延性が得られた。また圧延後の高温域から直接加速冷却熱処理を行うことにより、硬度、強度が上昇するとともに、延性、靭性の向上が得られている。
【0041】
表3は表1に示した実施例のB鋼種について、種々の加熱条件、圧延時間でレールを圧延製造した結果を示す。圧延したレールは送風冷却により、表面温度が700〜550℃の範囲を冷却速度1〜10℃/sで加速冷却し、頭頂面から2mm下の断面硬度をHv350以上になるようにした。送風冷却の開始温度は、比較例b4を除き、頭部表面の温度が750℃以上としたが、比較例b4については圧延時間が長いために加速冷却の開始温度が低下した。
【0042】
表4は表3に示した成分、再加熱条件から製造したレール鋼の引張試験結果、および試験温度20℃の2mmUノッチシャルピー衝撃試験結果を示す。試験片の形状、採取位置は表2で行ったものと同じとした。
この結果が示すように、本発明の条件範囲で製造したレール鋼は、比較鋼レールに比べてパーライト組織の微細化が得られ、高い衝撃値、延性が得られた。
それに対して比較例b4は、本発明例Bと同等の衝撃値、伸びが得られているが、加速冷却の開始温度が低下して、十分な硬度、強度が得られなかった。
【0043】
表5は表1に示した実施例Cと同様の加熱、圧延工程で製造したレールを、一旦室温まで自然冷却した後、種々の温度に再加熱し、頭部表面の温度が700〜550℃の範囲にある間を冷却速度1〜10℃/sで加速冷却し、頭頂面から2mm下の断面硬度をHv350以上になるようにした試験結果を示す。
【0044】
表6は表4に示した成分、再加熱条件から冷却したレール鋼の引張試験、および試験温度20℃の2mmUノッチシャルピー衝撃試験結果を示す。試験片の形状、採取位置は表2で行ったものと同じとした。
この結果が示すように、本発明の温度範囲にレールを再加熱して製造したレール鋼は、それ以外の温度範囲に加熱したレールに比べてパーライト組織の微細化により高い衝撃値、延性が得られた。
【0045】
【表1】

Figure 0003764710
【0046】
【表2】
Figure 0003764710
【0047】
【表3】
Figure 0003764710
【0048】
【表4】
Figure 0003764710
【0049】
【表5】
Figure 0003764710
【0050】
【表6】
Figure 0003764710
【0051】
【発明の効果】
本発明により、圧延後に微細なオーステナイト組織が得られる。これから変態するパーライト組織も微細となり、靭性および延性に優れたパーライト系レールを提供できる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a pearlite rail in which the pearlite structure of rail steel is refined to improve toughness and ductility.
[0002]
[Prior art]
In rail transport, heavy loads for improving transport efficiency and high speed for speeding up transport are being promoted, and demands on the characteristics of rails are becoming strict. Heavy loading promotes wear of the rail head in the sharp curve section and increases fatigue damage from the stress concentration portion inside the rail GC (gauge corner), thereby shortening the rail life.
In order to improve the shortening of the rail life in heavy-duty railways, technological development of high-strength rail steel having excellent wear resistance and internal fatigue damage resistance has been actively conducted. As a result, high-strength rails with a narrow lamellar spacing by heat treatment are widely used in sharply curved sections.
[0003]
On the other hand, in cold districts, rail replacement due to occurrence of rail cracks is concentrated in the winter, and improving the toughness of the rail material is a necessary issue for extending the rail life. It is also important to improve the toughness and ductility of the rail material in order to improve the internal fatigue damage resistance of the head. In the pearlite structure, the toughness and ductility can be improved by making the structure fine.
[0004]
Up to now, refinement of the structure, toughness and ductility have been improved by the following methods.
(1) A method in which after the hot rolling, the rail once cooled to room temperature is reheated to a temperature range as low as possible in the austenite temperature range and then accelerated cooling.
(2) A method in which the rail head is accelerated and cooled after the austenite grains are refined by controlled rolling.
(3) A method of obtaining a fine pearlite structure by promoting transformation from within the austenite crystal grain in addition to the austenite crystal grain boundary during pearlite transformation.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above method (1), for example, as described in JP-A-63-128123, the rail is reheated to a low temperature of 950 ° C. or lower, which is lower in the austenite temperature range, and the austenite grains are refined. By granulating, the structure after pearlite transformation is refined, and the toughness and ductility are greatly improved.
However, if it is attempted to deepen the heating to the inside of the rail head at a low temperature, it is necessary to lower the input heat amount and to heat for a long time. This heat treatment impedes productivity and deteriorates the manufacturing cost.
[0006]
Further, the method (2) described above is carried out, for example, as described in JP-A-52-138427 and JP-A-52-138428, with a rolling material containing Nb at 1220 ° C. or higher or 1100 ° C. or lower. It is intended to improve toughness and ductility by reducing the austenite grain size by heating and temperature-controlled rolling under suitable conditions. Nb has the effect of preventing the fine recrystallized grains after processing from becoming coarse due to grain growth, making it easy to obtain a fine austenite structure, but high carbon steel tends to produce coarse Nb carbonitrides, Its use is accompanied by difficulties.
[0007]
Further, in the method (3), as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-279928, nucleation of pearlite transformation is performed using V carbonitride and Ti carbonitride deposited on MnS as transformation nuclei. This is a method of refining the structure by promoting the above. By this method, certain toughness and ductility improvements were obtained. However, when these carbonitrides are used, the transformation is completed at a high temperature as a result of active generation of transformation nuclei.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The pearlite structure consists of a layered structure of cementite phase and ferrite phase called lamellar structure. A region where the crystal orientations of ferrite are aligned is called a pearlite block and can be said to be a crystal grain unit in a pearlite structure. The finer the pearlite block, the better the impact value and ductility value of pearlite steel. When pearlite steel breaks, cracks are bent and progressed in units of pearlite blocks. Therefore, the finer the pearlite block, the larger the total area of the new interface, and the greater the energy required to form the interface, the impact value is considered to improve. Further, since the progress of cracks until reaching the final fracture is slower as the fine-grained structure, the ductility is also improved by increasing the amount of deformation until the fracture.
[0009]
Normally, rail steel contains a high amount of C. When this rail steel is cooled from the high temperature austenite temperature range, pearlite transformation starts to occur from about 700 ° C. Most of pearlite transformation nuclei are formed at austenite grain boundaries. For this reason, the finer the austenite structure that is the structure before transformation, the more pearlite transformation nuclei. As a result, the finer the austenite crystal grains, the finer the pearlite block size after completion of transformation.
[0010]
In order to obtain a rail having good ductility and toughness required in cold regions, the present invention aims to refine the pearlite structure by making austenite grains fine and generating a large number of transformation nuclei from the grain boundaries. The summary is as follows.
(1) In mass%,
C: 0.59 to 1.2%,
Si: 0.1-1.2%,
Mn: 0.4 to 1.4%
N: 0.005 (excluding 0.005) to 0.030%,
Al: 0.005 to 0.050%
In the reheating step for performing hot rolling using a rail rolling material comprising the balance Fe and inevitable impurities, the residence time in the heating furnace at 900 ° C. or higher is 40 minutes or longer and heating is performed. Ri range der of maximum temperature 1000 to 1200 ° C. in a furnace, and forming a rail by hot rolling within time 7 min to complete the finish rolling from material extraction from the heating furnace, A method for producing a high-strength pearlitic rail excellent in toughness and ductility.
(2) In addition to the component described in (1) above,
Mo: 0.015-0.070%, Cr: 0.1-1.0%,
V: 0.005-0.070%, Ni: 0.01-1.50%,
Nb: 0.004 to 0.050%, Cu: 0.01 to 1.50%,
Ti: 0.0001 to 0.0100%, S: 0.002 to 0.050%,
The manufacturing method of the high intensity | strength pearlite type rail excellent in toughness and ductility characterized by including 1 type, or 2 or more types of these.
(3) In the reheating step for performing hot rolling using the rolling material having the component described in (1) or (2) above, the residence time in the heating furnace at 900 ° C. or higher is 40 minutes or longer. In addition, the maximum heating temperature is in the range of 1000 to 1200 ° C., and the time from the material extraction from the heating furnace to finish rolling is completed within 7 minutes on the rail by hot rolling, and then austenite as hot rolled A high-strength pearlitic rail excellent in toughness and ductility, characterized by accelerated cooling at a temperature range of 700 to 550 ° C. at a temperature of 1 to 10 ° C./sec. Method.
(4) A rolling material having the component described in (1) or (2) above is reheated according to the reheating conditions and rolling conditions described in (1) above, and is formed into a rail by hot rolling. Is cooled to 500 ° C. or lower, and then reheated to an austenite region temperature of 800 ° C. or higher and lower than 1200 ° C., then the temperature range in which at least the surface layer of the rail is 700 to 550 ° C. is 1 to 10 ° C./sec. A method for producing a high-strength pearlitic rail excellent in toughness and ductility, characterized by accelerated cooling at a high temperature.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to manufacture rail steel, first, components are adjusted in a converter, an electric furnace, etc., and further solidified through secondary refining such as degassing treatment as necessary. Thereafter, it is heated to a high temperature in a reheating furnace and gradually formed into a rail shape by a plurality of rolling mills, and finally finished into a rail shape at 800 to 1100 ° C. The metal structure in the rolling stage is an austenite structure.
When a steel material is hot-rolled, the strain energy introduced into the steel becomes a driving force, and the austenite structure is recrystallized finely. Since the fine grain structure immediately after recrystallization has a high grain boundary energy, a grain growth phenomenon occurs in which the crystal grains bite each other and the grain size increases.
[0012]
The recrystallization phenomenon occurs in a short time during or immediately after the processing, but the grain growth phenomenon takes time to reach a stable value. For this reason, austenite crystal grains are gradually refined by repeating the processing in a short time. Further, if fine foreign particles that hinder the movement of grain boundaries are present in the structure, the movement of grain boundaries is hindered, so that the crystal grains are hardly crushed and the grain growth is suppressed. A phenomenon in which the movement of grain boundaries is suppressed by foreign particles in steel is called a pinning effect and a pinning effect.
Since the present inventors have the property that AlN precipitates finely in the steel, the inventors have studied the method of using it as pinning particles to suppress the grain growth after rolling of rail steel, and obtained the following knowledge It was.
[0013]
A steel material containing Al and N has a property that AlN having a fine size of several nm to several tens of nm is densely precipitated in a temperature range near 1000 ° C. to 1200 ° C. According to the experiments by the present inventors, the precipitation amount of AlN is small in the process of naturally cooling the steel material from a high temperature state. In order to deposit AlN finely and in a large amount, it is necessary to reheat to a temperature range of 1000 ° C. or more and less than 1200 ° C. If the reheating temperature is less than 1000 ° C., it takes a long time for precipitation, so it is not practical. If the reheating temperature exceeds 1200 ° C., the AlN once generated is re-dissolved, so that the pinning effect of AlN is obtained. Disappear.
[0014]
In order for AlN to precipitate, Al and N need to diffuse, move to adjacent positions, and combine with each other. Therefore, it is necessary to stay in the heating furnace for a certain time or more at a high temperature. According to the experiments by the present inventors, in order to obtain sufficient precipitation of AlN, in addition to the maximum heating temperature being 1000 to 1200 ° C., the residence time in the heating furnace in the temperature range of 900 ° C. or higher is 40 minutes. This is necessary.
[0015]
The present inventors have confirmed that when a steel material containing Al and N is reheated under such conditions, AlN precipitates finely. When a steel material in which AlN is finely precipitated is rolled, the fine recrystallized grains immediately after rolling are prevented from growing and a fine-grained austenite structure is obtained. When the steel material temperature becomes 700 ° C. or lower after the completion of rolling, pearlite transformation starts. The pearlite transformation starts with the formation of pearlite transformation nuclei at the grain boundaries of the austenite structure. At this time, a fine pearlite structure can be obtained from the austenite structure that has become fine due to the pinning effect of AlN.
[0016]
On the other hand, in a sharp curve part of a high-speed track and a heavy load track, high strength of 1000 MPa or more is required together with ductility. In order to obtain such high strength, it is desirable to perform accelerated cooling between 700 to 550 ° C., which is the pearlite transformation temperature range, from the austenite state after the end of rolling. When accelerated cooling is performed, pearlite transformation occurs from the state in which austenite is maintained at a lower temperature than the transformation temperature at the time of cooling. A state where transformation starts at a lower temperature is called a state where the degree of supercooling is high.
[0017]
When the degree of supercooling is increased, the lamellar interval is narrowed during pearlite transformation, the strength is increased, and the rate of transformation nuclei is increased, so the effect of making the pearlite block size fine is also obtained, further improving ductility and toughness Can be achieved. However, when the cooling rate during accelerated cooling is less than 1 ° C./sec, the strength required as a high-strength rail cannot be obtained, and when it exceeds 10 ° C./sec, bainite and martensite are easily generated, which is not preferable. .
[0018]
Further, when a cooling method using water spray or liquid immersion is adopted in the accelerated cooling, a film boiling phenomenon occurs in the steel material surface layer, which easily causes uneven cooling. Therefore, the cooling medium is preferably air or air-water mist. Moreover, the initial temperature of accelerated cooling needs to be in the austenite temperature range where the pearlite transformation does not start, and needs to be 720 ° C. or higher. According to the inventors, when the maximum heating temperature is limited to 1000 to 1200 ° C., in order to set the accelerated cooling start temperature to 720 ° C. or higher, the material is extracted from the heating furnace within at least 7 minutes. It is necessary to complete the rolling.
[0019]
As a method for obtaining high strength, the rolled rail is naturally cooled to near room temperature once and transformed to pearlite, and then reheated to the austenite temperature, and accelerated cooling is performed in the subsequent cooling process. There is also a method in which pearlite transformation is caused from a cold state and the structure is refined as the hardness increases. In that case, in the austenite temperature range, the finer austenite structure can be obtained as it is reheated to a lower temperature, and the pearlite structure after transformation becomes finer.
[0020]
In order to utilize the pinning effect of AlN, it is necessary to reheat to less than 1200 ° C. so that AlN deposited in the heating furnace prior to rolling does not re-dissolve. On the other hand, if the heating temperature is less than 800 ° C., uneven temperature in the cross section tends to occur, it is difficult to obtain a uniform austenite structure, and a stable hardness cannot be obtained. The cooling rate is desirably 1 ° C./s or more and 10 ° C./s or less for the same reason as in the case of direct acceleration after rolling.
[0021]
By the above manufacturing method, the pearlite block size after transformation becomes fine, and rail steel having excellent toughness and ductility can be obtained. Such a fine pearlite structure needs to be formed at least on the head portion of the rail where impact loads from the wheels are easily applied.
[0022]
The reason why the rail steel components are limited will be described below. The content of the component is mass%. C: C is an essential element for increasing the strength and generating a pearlite structure in rail steel. High strength of pearlite structure difficult to obtain in need is less than 0.59%, also for producing harmful pro-eutectoid cementite which embrittle austenite grain boundaries exceeds 1.20% from 0.59 to 1. Limited to 2%.
[0023]
Si: Si not only contributes to high strength by solid solution strengthening to the ferrite phase in the pearlite structure, but also has a slight toughness and ductility improving effect. If it is less than 0.1%, these effects are small, and if it exceeds 1.2%, embrittlement is caused and weldability is also lowered, so it is limited to 0.1 to 1.2%.
[0024]
Mn: Mn contributes to high strength by lowering the pearlite transformation temperature and improving hardenability. However, if it is less than 0.4%, the effect is small, and if it exceeds 1.4%, it is not preferable because a martensite structure is easily generated in the segregated portion.
[0025]
N: N is necessary for precipitating AlN that suppresses austenite grain growth by pinning, and 0.005 % or more ( excluding 0.005%) is necessary to obtain the effect. On the other hand, if N exceeds 0.030%, an embrittlement phenomenon occurs at a high temperature range, and an internal crack in the steel material in casting occurs, which is not preferable.
[0026]
Al: Al is necessary for precipitating AlN that suppresses austenite grain growth by pinning, and 0.005% or more is necessary to obtain the effect. On the other hand, if Al exceeds 0.050%, the Al oxide becomes coarse, resulting in a decrease in toughness, and there is a risk of becoming an internal fatigue starting point when used in heavy-duty railways.
[0027]
Furthermore, in the present invention, in addition to the above components, one or more Mo, Cr, V, Ni, Nb, Cu, Ti. By adding S, Ca and Mg , high toughness can be obtained by improving the toughness of ferrite ground, austenite grains during heating of the rail rolling material, or by refining austenite grains during rolling, and acceleration in the cooling process By cooling, higher strength and higher toughness can be obtained.
The reason for limiting these chemical components will be described below.
[0028]
Mo: Mo has an effect of suppressing the pearlite transformation speed and miniaturizing the pearlite block size. However, when the amount is less than 0.015%, this effect is small. On the other hand, when the amount of Mo exceeds 0.07%, the pearlite transformation rate is excessively decreased in the segregation part, and bainite and martensite are generated in the pearlite structure. .
[0029]
Cr: Cr contributes to increasing the strength by lowering the pearlite transformation temperature, and it is effective to contain 0.1% or more from the viewpoint of preventing weld joint softening. On the other hand, if the content exceeds 1.0%, bainite and martensite are generated not only at the element segregation portion but also at the shoulder portion of the rail having a strong supercooling tendency at the time of forced cooling, which is not preferable.
[0030]
V: V is an element that precipitates V carbonitrides serving as pearlite transformation nuclei and refines the pearlite structure by promoting the formation of transformation nuclei from the austenite grain boundaries and within the grains. But V is weak this effect is less than 0.005% is not preferable because the 0.070% ultra the V carbonitride is fracture origin become coarse.
[0031]
Ni: Ni is an element effective for improving the toughness of ferrite by dissolving in ferrite. However, when Ni is less than 0.01%, the effect is small, and even if it exceeds 1.5%, the effect is saturated.
[0032]
Nb: Nb is heated at a low temperature during hot rolling, so that the Nb carbonitride suppresses austenite grain growth and contributes to fine graining. Also, the austenite grains after hot rolling are refined by high temperature heating / low temperature finish rolling, and the pearlite block obtained after accelerated cooling is made fine. In order to obtain this effect, 0.004% or more of Nb is required. However, if it exceeds 0.050%, the toughness is reduced due to the formation of coarse Nb carbonitride, which is not preferable.
[0033]
Cu: Cu is an element effective for improving the toughness of ferrite by dissolving in ferrite similarly to Ni. However, when Cu is less than 0.01%, the effect is small, and even if it exceeds 1.5%, the effect is saturated.
[0034]
Ti: Ti, like V, is an element that precipitates Ti nitride serving as a pearlite transformation nucleus and refines the pearlite structure by promoting the formation of austenite grain boundaries and transformation nuclei from within the grains. When Ti is less than 0.0001%, the effect is small, and when Ti exceeds 0.010%, coarse Ti nitride is generated and toughness is lowered, which is not preferable.
[0035]
S: S is generally known as a harmful element, but forms MnS and MgS, and these sulfides become precipitation sites for V carbonitride and Ti nitride. When these inclusions are present in the austenite grains, in addition to the grain boundaries, the transformation from the grains is promoted, and the pearlite block size after the pearlite transformation is further refined. However, if S is less than 0.002%, a sufficient number of MgS and MnS cannot be obtained, and if it exceeds 0.05%, coarse MnS is generated and the toughness and ductility are remarkably lowered.
[0037]
Mg precipitates Mg oxide, Mg—Al oxide, and Mg sulfide, and further serves as a precipitation nucleus of MnS, V carbonitride using these as nuclei. These inclusions refine the pearlite block after pearlite transformation by the effect of promoting intragranular transformation. However, if it is less than 0.0004%, the pearlite block size is hardly miniaturized, and if it exceeds 0.02%, coarse inclusions are generated and the toughness is remarkably lowered.
[0038]
P is an element inevitably contained in the steel. P is preferably low, and is preferably 0.015% or less, because it causes embrittlement of the ferrite layer and lowers impact characteristics. Similarly, O is unavoidably present in the molten steel, but if O is 0.02% or more, coarse inclusions are generated and the toughness is lowered, which is not preferable.
[0039]
【Example】
Next, examples of manufacturing a high-strength rail having high toughness manufactured according to the present invention will be described.
A slab having a rectangular cross section containing various components shown in Table 1 was produced by continuous casting. When the slab is reheated in the heating furnace for hot rolling, the residence time in the heating furnace at which the slab temperature becomes 900 ° C. or higher is set to 60 minutes, and the temperature of the slab is set in the heating furnace. The temperature at which the maximum is 1120 ° C. After removing the slab from the heating furnace, it was rolled into a rail shape in 6 minutes.
A part of the rolled rail was left to cool in the atmosphere. Also, some of the rail head surface temperature is accelerated by air blowing from the time when the temperature of the rail head surface reaches 750 ° C., and the surface temperature is accelerated within a range of 700 to 550 ° C. at a cooling rate of 1 to 10 ° C./s. The lower cross-sectional hardness was set to Hv 350 or more.
[0040]
Table 2 shows the tensile test results of the rail steel manufactured from the components shown in Table 1, reheat conditions, and the results of a 2 mmU notch Charpy impact test at a test temperature of 20 ° C.
The Charpy test piece was taken in the longitudinal direction from 3 mm below the rail top surface, and the notch position was on the top surface side. Since the notch depth is 2 mm, the position of the notch bottom corresponds to 5 mm below the rail top surface.
The tensile test piece was a round bar tensile test piece with a parallel part diameter of 6 mm and a parallel part length of 30 mm taken from the rail head cross section. The sampling position was such that the center of the tensile test piece was 10 mm below the surface of the rail head gauge corner.
As shown in Table 2, the steel of the present invention has higher impact values and ductility due to refinement of the pearlite structure than the comparative steel. Further, by performing accelerated cooling heat treatment directly from a high temperature region after rolling, hardness and strength are increased, and ductility and toughness are improved.
[0041]
Table 3 shows the results of rolling and manufacturing the rails under various heating conditions and rolling times for the steel types B of the examples shown in Table 1. The rolled rail was accelerated and cooled at a cooling rate of 1 to 10 ° C./s in a surface temperature range of 700 to 550 ° C. by air cooling so that the cross-sectional hardness 2 mm below the top surface was Hv 350 or more. The temperature of the head surface was 750 ° C. or more except for Comparative Example b4, but the start temperature of accelerated cooling decreased for Comparative Example b4 because the rolling time was long.
[0042]
Table 4 shows the tensile test results of the rail steel produced from the components shown in Table 3 and the reheating conditions, and the 2 mm U notch Charpy impact test results at a test temperature of 20 ° C. The shape and sampling position of the test piece were the same as those used in Table 2.
As shown by this result, the rail steel produced in the condition range of the present invention has a finer pearlite structure than the comparative steel rail, and has a high impact value and ductility.
On the other hand, in Comparative Example b4, an impact value and elongation equivalent to those of Invention Example B were obtained, but the start temperature of accelerated cooling was lowered, and sufficient hardness and strength were not obtained.
[0043]
Table 5 is the same heating and rolling process as in Example C shown in Table 1, after the rail was naturally cooled to room temperature and then reheated to various temperatures, the head surface temperature was 700-550 ° C. The results of a test in which accelerated cooling is performed at a cooling rate of 1 to 10 ° C./s while the cross-sectional hardness is 2 mm below the top of the head to be Hv 350 or higher while the temperature is in the range of.
[0044]
Table 6 shows the components shown in Table 4, the tensile test of rail steel cooled from reheating conditions, and the results of a 2 mmU notch Charpy impact test at a test temperature of 20 ° C. The shape and sampling position of the test piece were the same as those used in Table 2.
As shown in this result, the rail steel manufactured by reheating the rail to the temperature range of the present invention has a higher impact value and ductility due to the refinement of the pearlite structure compared to the rail heated to the other temperature range. It was.
[0045]
[Table 1]
Figure 0003764710
[0046]
[Table 2]
Figure 0003764710
[0047]
[Table 3]
Figure 0003764710
[0048]
[Table 4]
Figure 0003764710
[0049]
[Table 5]
Figure 0003764710
[0050]
[Table 6]
Figure 0003764710
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, a fine austenite structure can be obtained after rolling. The pearlite structure transformed from now on becomes fine, and a pearlite rail excellent in toughness and ductility can be provided.

Claims (4)

質量%で、
C :0.59〜1.2%、
Si:0.1〜1.2%、
Mn:0.4〜1.4%、
N :0.005(但し0.005を含まず)〜0.030%、
Al:0.005〜0.050%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるレール用圧延素材を用いて、熱間圧延を行うための再加熱工程において、900℃以上の加熱炉内滞在時間が40分間以上であり、かつ加熱炉内における最高温度が1000〜1200℃の範囲であり、加熱炉からの材料抽出から仕上圧延を完了するまでの時間が7分間以内で熱間圧延によりレールを形成することを特徴とする、靭性および延性に優れた高強度パーライト系レールの製造方法。
% By mass
C: 0.59 to 1.2%,
Si: 0.1-1.2%,
Mn: 0.4 to 1.4%
N: 0.005 (excluding 0.005) to 0.030%,
Al: 0.005 to 0.050%
In the reheating step for performing hot rolling using a rail rolling material comprising the balance Fe and inevitable impurities, the residence time in the heating furnace at 900 ° C. or higher is 40 minutes or longer and heating is performed. Ri range der of maximum temperature 1000 to 1200 ° C. in a furnace, and forming a rail by hot rolling within time 7 min to complete the finish rolling from material extraction from the heating furnace, A method for producing a high-strength pearlitic rail excellent in toughness and ductility.
請求項1に記載の成分に加え、質量%でさらに、
Mo:0.015〜0.070%、
Cr:0.1〜1.0%、
V :0.005〜0.070%、
Ni:0.01〜1.50%、
Nb:0.004〜0.050%、
Cu:0.01〜1.50%、
Ti:0.0001〜0.0100%、
S :0.002〜0.050%、
Mg:0.0004〜0.020%、
の1種または2種以上を含有せしめることを特徴とする、請求項1に記載の靭性および延性に優れた高強度パーライト系レールの製造方法。
In addition to the ingredients of claim 1, in mass%,
Mo: 0.015-0.070%,
Cr: 0.1 to 1.0%,
V: 0.005-0.070%,
Ni: 0.01 to 1.50%,
Nb: 0.004 to 0.050%,
Cu: 0.01 to 1.50%,
Ti: 0.0001 to 0.0100%,
S: 0.002 to 0.050%,
Mg: 0.0004 to 0.020%,
The method for producing a high-strength pearlite rail excellent in toughness and ductility according to claim 1, wherein one or more of the above are contained.
請求項1または2に記載の成分を有する圧延素材を用いて、熱間圧延を行うための再加熱工程において、900℃以上の加熱炉内滞在時間が40分間以上であり、かつ最高加熱温度が1000〜1200℃の範囲であり、さらに加熱炉から材料抽出から仕上圧延を完了するまでの時間が7分間以内で熱間圧延によりレールに形成した後、熱延ままのオーステナイト域温度から、前記レールの少なくとも頭部の表層において700〜550℃の温度範囲を1〜10℃/secで加速冷却することを特徴とする、靭性および延性に優れた高強度パーライト系レールの製造方法。  In the reheating process for performing hot rolling using the rolling material having the component according to claim 1 or 2, the residence time in the heating furnace of 900 ° C or higher is 40 minutes or more, and the maximum heating temperature is The rail is in the range of 1000 to 1200 ° C., and after the material is extracted from the heating furnace until the finish rolling is completed within 7 minutes, the rail is formed from the austenite region as it is hot-rolled by hot rolling. A method for producing a high-strength pearlite rail excellent in toughness and ductility, characterized by accelerated cooling at a temperature range of 700 to 550 ° C. at 1 to 10 ° C./sec in at least the surface layer of the head. 請求項1または2に記載の成分を有する圧延素材を、請求項1に記載の再加熱条件及び圧延条件により再加熱して熱間圧延でレールに形成し、一旦レールを500℃以下に冷却した後、改めて800℃以上1200℃未満のオーステナイト域温度に再加熱した後、前記レールの少なくとも頭部の表層が700〜550℃である温度範囲を1〜10℃/secで加速冷却することを特徴とする、靭性および延性に優れた高強度パーライト系レールの製造方法。A rolled material having the component according to claim 1 or 2 is reheated according to the reheating conditions and rolling conditions according to claim 1 and formed into a rail by hot rolling, and the rail is once cooled to 500 ° C or lower. Then, after reheating to 800 degreeC or more and less than 1200 degreeC austenite area temperature, the temperature range whose surface layer of the said rail at least head part is 700-550 degreeC is accelerated-cooled at 1-10 degreeC / sec. A method for producing a high-strength pearlite rail excellent in toughness and ductility.
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