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JP6631403B2 - Rails with excellent wear resistance and toughness - Google Patents

Rails with excellent wear resistance and toughness Download PDF

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JP6631403B2
JP6631403B2 JP2016100235A JP2016100235A JP6631403B2 JP 6631403 B2 JP6631403 B2 JP 6631403B2 JP 2016100235 A JP2016100235 A JP 2016100235A JP 2016100235 A JP2016100235 A JP 2016100235A JP 6631403 B2 JP6631403 B2 JP 6631403B2
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rail
head
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toughness
wear resistance
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上田 正治
正治 上田
照久 宮▲崎▼
照久 宮▲崎▼
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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  • Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Description

本発明は、耐摩耗性及び靭性に優れたレールに関するものである。   The present invention relates to a rail having excellent wear resistance and toughness.

経済発展に伴い石炭などの天然資源の新たな開発が進められている。具体的にはこれまで未開であった自然環境の厳しい地域での天然資源の採掘が進められている。これに伴い、資源を輸送する海外の貨物鉄道では軌道環境が著しく厳しくなっている。レールに対しては、これまで以上の耐摩耗性が求められるようになってきた。このような背景から、耐摩耗性を向上させたレールの開発が求められるようになってきた。   With the economic development, new development of natural resources such as coal is being promoted. Specifically, mining of natural resources has been promoted in areas where the natural environment has been severe, which has not been developed yet. As a result, the track environment of overseas freight railways that transport resources has become extremely severe. Rails have been required to have higher wear resistance than ever. Against this background, the development of rails with improved wear resistance has been required.

レール鋼の耐摩耗性を改善するため、特許文献1〜2に示すような高強度レールが開発されている。これらのレールの主な特徴は、耐摩耗性を向上させるため、熱処理によりパーライトラメラ間隔を微細化し、鋼の硬さを増加させるか、または、鋼の炭素量を増加し、パーライトラメラ中のセメンタイト相の体積比率を増加させている。   In order to improve the wear resistance of rail steel, high-strength rails as disclosed in Patent Documents 1 and 2 have been developed. The main feature of these rails is to reduce the pearlite lamella spacing by heat treatment to increase the hardness of the steel or increase the carbon content of the steel to improve the wear resistance, and to increase the cementite content in the pearlite lamella. The volume ratio of the phase is increased.

特許文献1に開示された技術では、圧延終了後すぐ、または圧延終了後冷却及び再加熱後にレール頭部をオーステナイト域温度から850〜500℃間を1〜4℃/秒の冷却速度で加速冷却することによって、耐摩耗性に優れたレールを提供することができる。   In the technique disclosed in Patent Document 1, the rail head is accelerated and cooled immediately after the end of rolling or after cooling and reheating after the end of rolling at a cooling rate of 1 to 4 ° C./sec between 850 to 500 ° C. from the austenitic zone temperature. By doing so, a rail having excellent wear resistance can be provided.

特許文献2に開示された技術では、過共析鋼(C:0.85超〜1.20%)を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト体積比率を増加させ、耐摩耗性に優れたレールを提供することができる。   In the technology disclosed in Patent Document 2, a hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%) is used to increase the volume ratio of cementite in the lamella in the pearlite structure, and is excellent in wear resistance. Rails can be provided.

特許文献1、2に開示された技術では、パーライト組織中のラメラ間隔の微細化による高硬度化や、パーライト組織ラメラ中のセメンタイト相の体積比率を増加させることにより、海外の貨物鉄道では、一定範囲の耐摩耗性の向上が図れる。しかし、特許文献1、2に開示された技術には、パーライト組織自体の靭性が著しく低下し、レール折損が発生しやすくなるという問題点があった。   In the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, by increasing the volume ratio of cementite phase in the pearlite structure lamella by increasing the hardness by reducing the lamellar spacing in the pearlite structure, it is possible to maintain a constant The wear resistance in the range can be improved. However, the techniques disclosed in Patent Literatures 1 and 2 have a problem in that the toughness of the pearlite structure itself is significantly reduced, and rail breakage is likely to occur.

このような背景から、パーライト組織の耐摩耗性を向上させ、同時に、靭性を向上させた耐摩耗性および靭性に優れたパーライト系レールの提供が望まれるようになった。   From such a background, it has been desired to provide a pearlite-based rail having improved wear resistance of a pearlite structure and improved wear resistance and toughness at the same time.

一般にパーライト鋼の靭性を向上させるためには、パーライト組織の微細化、具体的には、パーライト変態前のオーステナイト組織の細粒化や、パーライトブロックサイズの微細化が有効であると言われている。オーステナイト組織の細粒化を達成するには、熱間圧延時の圧延温度の低減および圧下量の増加、さらには、レール圧延後に低温再加熱による熱処理が行われている。また、パーライト組織の微細化を図るには、変態核を利用したオーステナイト粒内からのパーライト変態の促進等が行われている。   In general, in order to improve the toughness of pearlite steel, refinement of pearlite structure, specifically, refinement of austenite structure before pearlite transformation and refinement of pearlite block size are said to be effective. . In order to achieve the refinement of the austenite structure, a reduction in the rolling temperature and an increase in the rolling reduction during hot rolling, and a heat treatment by low-temperature reheating after the rail rolling are performed. Further, in order to achieve a finer pearlite structure, promotion of pearlite transformation from within austenite grains using transformation nuclei is performed.

しかし、レールの製造においては、熱間圧延時の成形性確保の観点から、圧延温度の低減、圧下量の増加には限界があり、十分なオーステナイト粒の微細化が達成できなかった。また、変態核を利用したオーステナイト粒内からのパーライト変態については、変態核の量の制御が困難なことや粒内からのパーライト変態が安定しない等の問題があり、十分なパーライト組織の微細化が達成できなかった。   However, in the manufacture of rails, from the viewpoint of ensuring the formability during hot rolling, there is a limit to the reduction of the rolling temperature and the increase of the rolling reduction, and it was not possible to achieve sufficient austenite grain refinement. In addition, the pearlite transformation from inside austenite grains using transformation nuclei has problems such as difficulty in controlling the amount of transformation nuclei and instability of pearlite transformation from inside the grains. Could not be achieved.

これらの諸問題から、パーライト組織のレールにおいて靭性を抜本的に改善するには、レール圧延後に低温再加熱を行い、その後、加速冷却によりパーライト変態をさせ、パーライト組織を微細化する方法が用いられてきた。しかし、近年、耐摩耗性改善のためレールの高炭素化が進み、上記の低温再加熱熱処理の時に、オーステナイト粒内に粗大な炭化物が溶け残り、加速冷却後のパーライト組織の延性や靭性が低下するといった問題がある。また、再加熱が必須である場合、製造コストが高く、生産性も低い等の経済性の問題もある。   From these problems, in order to drastically improve the toughness of the pearlite structure rail, a method of performing low-temperature reheating after rail rolling, and then performing pearlite transformation by accelerated cooling to refine the pearlite structure is used. Have been. However, in recent years, high carbonization of rails has been promoted to improve wear resistance, and coarse carbides remain dissolved in austenite grains during the above-mentioned low-temperature reheating heat treatment, and ductility and toughness of pearlite structure after accelerated cooling decrease. There is a problem of doing. In addition, when reheating is essential, there are also problems of economy such as high production cost and low productivity.

そこで、圧延時の成形性を確保し、圧延後のパーライト組織を微細化する高炭素鋼レールの製造方法の開発が求められるようになってきた。この問題を解決するため、特許文献3〜5に示すような高炭素鋼レールの製造方法が開発された。これらの製造方法の主な特徴は、パーライト組織を微細化するために、高炭素鋼のオーステナイト粒が比較的低温で、かつ、小さい圧下量でも再結晶し易いことを利用している点にある。これにより、小圧下の連続圧延によって整粒の微細粒を得て、パーライト鋼の延性や靭性を向上させている。   Therefore, it has been required to develop a method for manufacturing a high-carbon steel rail that secures formability during rolling and refines the pearlite structure after rolling. In order to solve this problem, a method for manufacturing a high carbon steel rail as shown in Patent Documents 3 to 5 has been developed. The main feature of these production methods is that in order to refine the pearlite structure, the austenitic grains of high carbon steel are used at a relatively low temperature, and are easily recrystallized even with a small rolling reduction. . Thereby, fine grains of uniform size are obtained by continuous rolling under small pressure, and the ductility and toughness of the pearlite steel are improved.

特許文献3に開示された技術では、高炭素鋼含有の鋼レールの仕上げ圧延において、所定の圧延パス間の時間内で連続3パス以上の圧延を行うことにより高靱性レールを提供することができる。   In the technique disclosed in Patent Document 3, in the finish rolling of a steel rail containing high carbon steel, a high toughness rail can be provided by performing continuous rolling of three or more passes within a predetermined rolling pass time. .

特許文献4に開示された技術では、高炭素鋼含有の鋼レールの仕上げ圧延において、所定の圧延パス間の時間で連続2パス以上の圧延を行い、さらに、連続圧延を行った後、圧延後に加速冷却を行うことにより高耐摩耗・高靭性レールを提供することができる。   In the technology disclosed in Patent Document 4, in the finish rolling of a steel rail containing high carbon steel, two or more continuous rollings are performed at a predetermined time between rolling passes, and further rolling is performed after continuous rolling. By performing accelerated cooling, a rail with high wear resistance and high toughness can be provided.

特許文献5に開示された技術では、高炭素鋼含有の鋼レールの仕上げ圧延において、パス間で冷却を施し、連続圧延を行った後、圧延後に加速冷却を行うことにより高耐摩耗・高靭性レールを提供することができる。   According to the technique disclosed in Patent Document 5, in finish rolling of a steel rail containing high carbon steel, cooling is performed between passes, continuous rolling is performed, and accelerated cooling is performed after rolling, thereby achieving high wear resistance and high toughness. Rails can be provided.

しかし、特許文献3〜5に開示された技術を適用しても、レールの靭性が低下する場合があった。従って、レールの耐摩耗性を確保し、同時にレールの靭性を安定的に向上させる技術開発が課題となっていた。   However, even if the techniques disclosed in Patent Literatures 3 to 5 are applied, the toughness of the rail may be reduced. Therefore, there has been an issue of developing a technology for securing the wear resistance of the rail and at the same time stably improving the toughness of the rail.

そこで、靭性を不安定にする要素である鋼中の介在物の制御が求められるようになった。この問題を解決するため、特許文献6、7に示すような高炭素鋼レールの製造方法が開発された。これらの製造方法の主な特徴は、レールの代表的な介在物であるMnSやAlの生成を抑制するため、脱酸元素の添加や真空処理を適用し、溶鋼に含まれる酸素量をできるだけ低減させることにより、溶鋼中の介在物を減少させる技術である。これにより、特許文献6、7の技術はレールの靭性を向上させている。 Therefore, control of inclusions in steel, which is an element that makes toughness unstable, has been required. In order to solve this problem, a method for manufacturing a high carbon steel rail as shown in Patent Documents 6 and 7 has been developed. The main feature of these manufacturing methods is that in order to suppress the production of MnS and Al 2 O 3 , which are typical inclusions of the rail, the addition of a deoxidizing element or the application of a vacuum treatment is performed to reduce the amount of oxygen contained in the molten steel. It is a technique to reduce inclusions in molten steel by reducing as much as possible. Accordingly, the techniques of Patent Documents 6 and 7 improve the toughness of the rail.

特許文献6に開示された技術では、MnO介在物を低減し、MnOを起点として析出するMnS伸長介在物を低減する高炭素高清浄溶鋼の製造方法が提案されている。この技術は、大気精錬炉で溶製後、未脱酸もしくは弱脱酸状態で出鋼し、真空度1Torr以下での真空処理により溶鋼中の溶解酸素を30ppm以下とし、次いでAl、Siを溶鋼に添加し、その後にMnを溶鋼に添加することにより、最終凝固部に晶出するMnSの晶出核となる2次脱酸生成物数を減少させ、かつ酸化物中のMnO濃度を低下させ、MnSの晶出を抑制するというものである。   In the technique disclosed in Patent Document 6, a method for producing a high-carbon high-purity molten steel that reduces MnO inclusions and reduces MnS elongated inclusions precipitated from MnO as a starting point is proposed. In this technology, after melting in an atmospheric refining furnace, the steel is tapped in a non-deoxidized or weakly deoxidized state, the dissolved oxygen in the molten steel is reduced to 30 ppm or less by vacuum treatment at a degree of vacuum of 1 Torr or less, and then Al and Si are melted in And then add Mn to the molten steel to reduce the number of secondary deoxidation products that are crystallization nuclei of MnS crystallized in the final solidified portion and reduce the MnO concentration in the oxide. , MnS crystallization is suppressed.

特許文献7に開示された技術では、鋼中の酸素量およびAl量を低減させたレールの製造方法が提案されている。この技術は、酸化物系介在物の総酸素値と損傷性との関係に基づき、総酸素量を限定することにより、耐損傷性に優れたレールを製造することができる。さらに、特許文献7の技術は、固溶Al量あるいは介在物の組成を好ましい範囲に限定することにより、レールの耐損傷性や靭性を向上させる。   In the technology disclosed in Patent Document 7, a method for manufacturing a rail in which the amount of oxygen and the amount of Al in steel are reduced is proposed. According to this technique, a rail having excellent damage resistance can be manufactured by limiting the total oxygen amount based on the relationship between the total oxygen value of oxide-based inclusions and the damage property. Further, the technique of Patent Document 7 improves the damage resistance and toughness of the rail by limiting the amount of dissolved Al or the composition of inclusions to a preferable range.

しかし、近年はさらに高い靱性がレールに求められており、特許文献6、7に開示された技術を適用しても、レールの靭性が不足する場合がある。従って、耐摩耗性を確保し、同時に靭性を安定的に向上させる技術開発が課題となっていた。   However, in recent years, rails have been required to have higher toughness, and even if the techniques disclosed in Patent Documents 6 and 7 are applied, the rails may have insufficient toughness. Therefore, there has been an issue of developing a technique for ensuring wear resistance and at the same time stably improving toughness.

そこで、靭性を不安定にする要素として鋼中の不純物の制御が求められるようになった。この問題を解決するため、特許文献8に示すような高強度パーライト系レールおよび製造方法が開発された。このレールの主な特徴は、靭性を低下させる元素である固溶状態のPをP化物として固定する技術である。これにより、特許文献8の技術はレールの靭性を向上させている。   Therefore, control of impurities in steel has been required as an element that makes toughness unstable. In order to solve this problem, a high-strength pearlite rail and a manufacturing method as disclosed in Patent Document 8 have been developed. The main feature of this rail is a technique of fixing P in a solid solution state, which is an element that reduces toughness, as a P compound. Thus, the technique of Patent Document 8 improves the toughness of the rail.

特許文献8に開示された技術は、Zr,Nb,Ti,Moを添加し、靭性を低下させる元素である固溶しているPをZr,Nb,Ti,MoのP化物として固定することにより、固溶するP量を低減し、パーライト鋼の靭性を向上させるものである。   The technique disclosed in Patent Literature 8 is to add Zr, Nb, Ti, and Mo, and fix solid solution P, which is an element that reduces toughness, as a P compound of Zr, Nb, Ti, and Mo. , To reduce the amount of dissolved P and improve the toughness of the pearlite steel.

しかし、特許文献8に開示された技術を適用しても、特に海外の貨物鉄道用レールでは、靭性が不足する場合があった。   However, even when the technology disclosed in Patent Document 8 is applied, there is a case where the toughness is insufficient particularly in rails for freight railways overseas.

特開昭57−198216号公報JP-A-57-198216 特開平8−144016号公報JP-A-8-144016 特開平7−173530号公報JP-A-7-173530 特開2001−234238号公報JP 2001-234238 A 特開2002−226915号公報JP 2002-226915 A 特開平5−263121号公報JP-A-5-263121 特開2001−220651号公報JP-A-2001-220651 特開2001−40453号公報JP 2001-40453 A

上述された靭性低下の原因は不明であったが、製造コストを削減するためにレールの副原料として用いられるスクラップが原因であると推定されてきた。高炉溶銑を主原料とするレール製造では、この靭性低下を抑制する目的から、溶鋼製造する際に投入するスクラップの使用量の制限やスクラップの品位の管理を徹底し、不純物の混入を抑制することで対処してきた。しかしながら、スクラップ中に含まれる種々の不純物元素がレールの靱性および耐摩耗性に及ぼす影響についての詳細な研究は行われてこなかった。また、スクラップの使用量を増大させながらレールの機械特性を高く保つことについても、十分に検討されていなかった。このため、このスクラップの使用量の制限やスクラップの品位の管理は、レールの製造コストを過剰に増加させていると本発明者らは考えた。   Although the cause of the above-mentioned decrease in toughness was unknown, it was presumed to be due to scrap used as an auxiliary material for rails in order to reduce manufacturing costs. In the production of rails using blast furnace molten iron as the main raw material, in order to suppress this decrease in toughness, the amount of scrap used in the production of molten steel must be restricted and the quality of the scrap must be thoroughly controlled to prevent contamination of impurities. Has been dealt with. However, no detailed studies have been made on the effects of various impurity elements contained in scrap on toughness and wear resistance of rails. Also, keeping the mechanical properties of the rail high while increasing the amount of scrap used has not been sufficiently studied. For this reason, the present inventors considered that the limitation on the amount of scrap used and the management of the grade of the scrap excessively increased the manufacturing cost of the rail.

このように、耐摩耗性を確保し、同時に靭性を安定的に向上させるレールを低コストで製造することが可能な技術開発が課題となっていた。   As described above, there has been an issue of technology development capable of manufacturing a rail at a low cost, which secures wear resistance and stably improves toughness at the same time.

本発明は、上述した問題点に鑑み案出されたものであり、特に、耐摩耗性と靭性とが高い貨物鉄道用レールを、安価に提供することを課題とする。   The present invention has been devised in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a rail for freight railways having high wear resistance and toughness at low cost.

本発明の要旨は、下記に示すレールにある。
(1)本発明の一態様に係る耐摩耗性および靭性に優れたレールは、単位質量%で、C:0.75〜1.20%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.10〜2.00%、P≦0.0250%、S≦0.0250%、Pb:0.0005〜0.0020%を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、頭部外郭表面から深さ20mmまでの範囲の95面積%以上がパーライト組織であり、かつ、前記頭部外郭表面から深さ20mmまでの前記範囲の硬さがHv300〜500の範囲である。
(2)上記(1)に記載の耐摩耗性および靭性に優れたレールは、前記頭部外郭表面から深さ2〜20mmの範囲の横断面において、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の個数密度が被検面積1000μmあたり100個以下であってもよい。
(3)上記(1)〜(2)に記載の耐摩耗性および靭性に優れたレールは、さらに、単位質量%で、
a群:Cr:2.00%以下、及びMo:0.50%以下の1種または2種、b群:Co:1.00%以下、c群:B:0.0050%以下、d群:Cu:1.00%以下、及びNi:1.00%以下の1種または2種、e群:V:0.50%以下、Nb:0.0500%以下、及びTi:0.0500%以下の1種または2種以上、f群:Mg:0.0200%以下、Ca:0.0200%以下、及びREM:0.0500%以下の1種または2種以上、g群:Zr:0.0200%以下、h群:Al:1.00%以下、i群:N:0.0200%以下の1群または2群以上を含有してもよい。
The gist of the present invention is a rail shown below.
(1) The rail with excellent wear resistance and toughness according to one embodiment of the present invention has, in unit mass%, C: 0.75 to 1.20%, Si: 0.10 to 2.00%, and Mn: 0.10-2.00%, P ≦ 0.0250%, S ≦ 0.0250%, Pb: 0.0005-0.0020%, with the balance being Fe and impurities, from the surface of the head shell 95% by area or more of the area up to the depth of 20 mm is a pearlite structure, and the hardness of the area from the outer surface of the head to the depth of 20 mm is in the range of Hv300 to 500.
(2) The rail having excellent wear resistance and toughness according to the above (1) is a Pb having a particle size of 1.0 to 5.0 μm in a cross section of 2 to 20 mm in depth from the outer surface of the head. The number density of the oxide-based inclusions may be 100 or less per 1000 μm 2 of the area to be detected.
(3) The rail having excellent wear resistance and toughness described in the above (1) and (2) further has a unit mass% of:
Group a: one or two of Cr: 2.00% or less and Mo: 0.50% or less, Group b: Co: 1.00% or less, Group c: B: 0.0050% or less, Group d : One or two kinds of Cu: 1.00% or less and Ni: 1.00% or less, Group e: V: 0.50% or less, Nb: 0.0500% or less, and Ti: 0.0500% One or more of the following, f group: one or more of Mg: 0.0200% or less, Ca: 0.0200% or less, and REM: 0.0500% or less, g group: Zr: 0 0.0200% or less, h group: Al: 1.00% or less, and i group: N: 0.0200% or less.

本発明によれば、スクラップを副原料として用い、且つレール鋼に含有されているPbの含有量を制御することにより、レールの耐摩耗性、靭性、及び使用寿命が損なわれず、且つレールの製造コストを低減することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the wear resistance of a rail, toughness, and service life are not spoiled by using scrap as an auxiliary raw material, and controlling the content of Pb contained in rail steel, and manufacturing of a rail Cost can be reduced.

レールのPb含有量とレールの衝撃値との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the Pb content of a rail, and the impact value of a rail. レールの構成、および、95面積%以上のパーライト組織が含まれる領域を示した図である。It is the figure which showed the structure of the rail, and the area | region which contains the pearlite structure | tissue of 95 area% or more. 粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の個数(個/1000μm)とレールの衝撃値との関係を示したグラフである。4 is a graph showing the relationship between the number of Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm (pieces / 1000 μm 2 ) and the impact value of a rail. 摩耗試験の概要を示した図である。It is a figure showing an outline of a wear test. 摩耗試験片採取位置を示した図である。It is a figure showing a wear test piece sampling position. 衝撃試験片採取位置を示した図である。It is the figure which showed the impact test piece sampling position. レールのPb含有量とレールの衝撃値との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the Pb content of a rail, and the impact value of a rail. レールのC含有量とレールの衝撃値との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between C content of a rail, and the impact value of a rail.

本発明者らは、高炉溶銑を主原料とするレール製造において、貨物鉄道用レールの靭性低下を安定的に防止し、且つスクラップを副原料として用いることにより製造コストを削減する方法を検討した。   The present inventors have studied a method of stably preventing a decrease in toughness of a rail for freight railroads and reducing a manufacturing cost by using scrap as an auxiliary raw material in the production of rails using blast furnace molten iron as a main raw material.

このために、高炉溶銑とスクラップとを用いてレールを製造し、これに含まれる不純物とレールの靭性との関係を従来よりも詳しく調査した。特に、従来技術によればレール特性に影響を及ぼさないとされている程度に微量な不純物元素も詳細な分析対象とした。なお、この検討に用いたレールの主な成分範囲、製造条件、さらには靭性の評価試験条件は下記に示すとおりである。以下、合金元素の含有量の単位「質量%」は、単に「%」と記載する。
[レールの合金成分]
●成分範囲:主要5元素(0.75〜1.20%C−0.10〜2.00%Si−0.10〜2.00%Mn−0.0020〜0.0250%P−0.0020〜0.0250%S)および不純物
主要5元素の成分は、上述の範囲内となるように制御されたが、その他の不純物元素については制御を行わなかった。
[レールの基本特性]
●レールの頭表部の金属組織:パーライト(面積率95%以上)
●レールの頭表部の硬さ:Hv300〜500
[靭性の評価試験]
●試験方法:衝撃試験
●試験片:JIS3号2mmUノッチ
●試験片採取位置:レール頭部外郭表面下2mm(図6参照、ノッチ位置4mm下)
●試験温度:常温(+20℃)
衝撃試験を行った結果、レールの衝撃値及び靭性がばらついていた。このばらつきは、主要成分以外の要因によるものであると考えられた。靭性が低下したレール鋼を詳細に分析した結果、上述された主要成分(C、Si、Mn、P、及びS)以外の元素として、Pbの含有量の影響が非常に大きいことが明らかとなった。
For this purpose, rails were manufactured using blast furnace hot metal and scrap, and the relationship between impurities contained therein and the toughness of the rails was investigated in more detail than before. In particular, even a trace amount of impurity element, which is considered to have no influence on the rail characteristics according to the prior art, was also subjected to detailed analysis. The main component ranges, manufacturing conditions and toughness evaluation test conditions of the rail used in this study are as shown below. Hereinafter, the unit “% by mass” of the content of the alloy element is simply described as “%”.
[Rail alloy components]
● Component range: 5 main elements (0.75 to 1.20% C-0.10 to 2.00% Si-0.10 to 2.00% Mn-0.0020 to 0.0250% P-0. 0020 to 0.0250% S) and impurities The components of the five main elements were controlled so as to be within the above ranges, but the other impurity elements were not controlled.
[Basic characteristics of rail]
● Metal structure of the rail head: Perlite (95% or more area ratio)
● Hardness of rail head: Hv300-500
[Toughness evaluation test]
● Test method: Impact test ● Specimen: JIS No. 3 2mm U notch ● Specimen sampling position: 2mm below outer surface of rail head (see Fig. 6, 4mm below notch)
● Test temperature: room temperature (+ 20 ℃)
As a result of the impact test, the impact value and toughness of the rail were varied. This variation was considered to be due to factors other than the main components. As a result of detailed analysis of the rail steel with reduced toughness, it is clear that the effect of the content of Pb as an element other than the above-mentioned main components (C, Si, Mn, P, and S) is very large. Was.

本発明者らは、レールのPb含有量を特別に制御し、靭性を詳細に調査した結果、スクラップを副原料として用いながらレールの靭性を高く保つためには、Pb含有量の制御が必要であることを確認した。特に、本発明者らは、高炉溶銑を主原料とするレール製造において、溶鋼製造する際に投入するスクラップから混入するPb含有量を制御することにより、靱性の劣化が抑制できることを知見した。   The present inventors have specifically controlled the Pb content of the rail and investigated the toughness in detail. As a result, it was necessary to control the Pb content in order to keep the toughness of the rail high while using scrap as an auxiliary material. I confirmed that there is. In particular, the present inventors have found that, in the production of rails using blast furnace molten iron as a main raw material, deterioration of toughness can be suppressed by controlling the Pb content mixed from scrap introduced when producing molten steel.

一方、Pbを0.005%以上含有させても、レール靱性の劣化が許容範囲内となることを本発明者らは併せて知見した。本発明者らは、Pb含有量が靭性におよぼす影響をさらに具体的に明らかにするために、Pb含有量を変化させた複数のレール鋼を製造し、Pb含有量と靭性との関係を調査した。この調査に用いたレールの成分、製造条件、さらには靭性の評価試験条件は下記に示すとおりである。
[レール鋼の合金成分]
●ベース鋼成分
(1)0.75%C−0.60%Si−0.60%Mn−0.0150%P−0.0120%S
(2)1.00%C−0.60%Si−0.60%Mn−0.0150%P−0.0120%S
(3)1.20%C−0.60%Si−0.60%Mn−0.0150%P−0.0120%S
●Pb含有量:0〜0.0060%
[レール鋼の製造条件]
●熱間圧延条件 再加熱温度:1250℃、最終圧延温度:1000℃
●熱間圧延後の熱処理条件 冷却速度:3〜10℃/sec、冷却開始温度:800℃、冷却停止温度:580℃
[レール鋼の基本特性]
●レールの頭表部の金属組織:パーライト(面積率95%以上)
●レールの頭表部の硬さ:Hv350〜400
[靭性の評価試験]
●試験方法:衝撃試験
●試験片:JIS3号2mmUノッチ
●試験片採取位置:レール頭部外郭表面下2mm(図6参照、ノッチ位置4mm下)
●試験温度:常温(+20℃)
On the other hand, the present inventors have also found that even when Pb is contained in an amount of 0.005% or more, deterioration of rail toughness is within an allowable range. The present inventors manufactured a plurality of rail steels with varied Pb contents and investigated the relationship between the Pb content and toughness in order to more specifically clarify the effect of the Pb content on toughness. did. The components of the rail, the manufacturing conditions, and the test conditions for evaluating toughness used in this investigation are as shown below.
[Alloy composition of rail steel]
● Base steel component (1) 0.75% C-0.60% Si-0.60% Mn-0.0150% P-0.0120% S
(2) 1.00% C-0.60% Si-0.60% Mn-0.0150% P-0.0120% S
(3) 1.20% C-0.60% Si-0.60% Mn-0.0150% P-0.0120% S
● Pb content: 0 to 0.0060%
[Rail steel manufacturing conditions]
● Hot rolling conditions Reheating temperature: 1250 ° C, final rolling temperature: 1000 ° C
● Heat treatment conditions after hot rolling Cooling rate: 3 to 10 ° C / sec, cooling start temperature: 800 ° C, cooling stop temperature: 580 ° C
[Basic properties of rail steel]
● Metal structure of the rail head: Perlite (95% or more area ratio)
● Hardness of rail head: Hv350-400
[Toughness evaluation test]
● Test method: Impact test ● Specimen: JIS No. 3 2mm U notch ● Specimen sampling position: 2mm below outer surface of rail head (see Fig. 6, 4mm below notch)
● Test temperature: room temperature (+ 20 ℃)

図1に、衝撃試験の結果を示す。横軸はPb含有量、縦軸は衝撃値である。その結果、いずれの炭素量のレール鋼においても、Pb含有量を制御することにより衝撃値が大きく変化することが確認された。特に、Pb含有量を0.0020%以下に制御することにより、衝撃値の大幅な低下が抑制でき、レール鋼に必要とされる靭性を確保できることが明らかとなった。   FIG. 1 shows the results of the impact test. The horizontal axis is the Pb content, and the vertical axis is the impact value. As a result, it was confirmed that the impact value significantly changed by controlling the Pb content in the rail steels having any carbon contents. In particular, it has been clarified that by controlling the Pb content to 0.0020% or less, a significant decrease in the impact value can be suppressed and the toughness required for the rail steel can be secured.

含有量0.0003%超(例えば0.0020%程度)のPbは、通常、高炉溶銑を主原料として製造されたレールには含まれない。スクラップ由来の不純物はレールの機械特性を損なうおそれがあるので、高炉溶銑を主原料としてレールを製造する場合、スクラップの使用の禁止またはスクラップの使用量の制限、及びスクラップの品位の管理が行われる。従来技術において、0.0003%超のPbと靱性との関係はこれまで詳細に検討されていない。本発明者らの調査によれば、高炉溶銑を主原料として製造されたレールには、0〜3ppm(0.0000〜0.0003%)程度の検出下限程度の極めて少ないPbしか含まれなかった。図1に示される実験結果は、このような技術常識に反し、レール頭表部の金属組織および硬度が適切に制御されている限り、Pb含有量を0.0020%まで増加させても靭性の大幅な劣化はないことを示している。   Pb with a content of more than 0.0003% (for example, about 0.0020%) is not usually included in rails manufactured using blast furnace hot metal as a main raw material. Since impurities derived from scrap may impair the mechanical properties of the rail, when manufacturing rails using blast furnace hot metal as the main raw material, use of scrap or restriction of the amount of scrap used and management of the grade of scrap are performed. . In the prior art, the relationship between Pb exceeding 0.0003% and toughness has not been studied in detail so far. According to the investigation by the present inventors, rails manufactured using blast furnace hot metal as a main raw material contained only a very small amount of Pb with a detection lower limit of about 0 to 3 ppm (0.0000 to 0.0003%). . The experimental results shown in FIG. 1 show that, contrary to such common technical knowledge, as long as the metal structure and hardness of the rail head surface are appropriately controlled, the toughness is increased even when the Pb content is increased to 0.0020%. This indicates that there is no significant deterioration.

また、Pb含有量を0.0015%以下、さらに、Pb含有量を0.0010%以下に制御することにより、さらに衝撃値はさらに安定化することも、図1に示される実験結果から明らかとなった。   Further, it is clear from the experimental results shown in FIG. 1 that the impact value is further stabilized by controlling the Pb content to 0.0015% or less and the Pb content to 0.0010% or less. became.

なお、本衝撃試験はレール鋼の必要とされる靭性を確認する評価試験である。これまでにパーライト鋼(0.75〜1.20%C)の衝撃値を解析した結果、本試験の衝撃値が10.0J/cm以上の場合、実軌道においてレールの靭性の確保が確認されている。ここでは衝撃値が10.0J/cm以上を評価基準として靭性確保の有無を判断した。 The impact test is an evaluation test for confirming the required toughness of the rail steel. As a result of analyzing the impact value of pearlite steel (0.75 to 1.20% C) so far, if the impact value of this test is 10.0 J / cm 2 or more, it is confirmed that the toughness of the rail is secured on the actual track. Have been. Here, it was determined whether toughness was ensured based on an impact value of 10.0 J / cm 2 or more as an evaluation criterion.

次に、本発明者らは、パーライト組織を主体とするレールの耐摩耗性を確保するために最低限必要な硬さを検討した。過共析鋼(1.00%C−0.60%Si−0.60%Mn−0.0150%P−0.0120%S)に種々の条件で熱間圧延と熱処理とを行うことにより、レール頭部の硬さを異ならせたレールを試作し、レール頭部の硬さと耐摩耗性との関係を調査した。耐摩耗性は、レール頭部から採取した試験片に摩耗試験を行うことにより評価された。その結果、Pbを0.0005〜0.0020%含むレール頭部の耐摩耗性を確保するには、頭部外郭表面から深さ20mmまでの範囲にある、パーライト組織を主体とする金属組織の硬さをHv300〜500の範囲に制御する必要があることが確認された。   Next, the present inventors examined the minimum hardness required to secure the wear resistance of the rail mainly composed of the pearlite structure. By subjecting hypereutectoid steel (1.00% C-0.60% Si-0.60% Mn-0.0150% P-0.0120% S) to hot rolling and heat treatment under various conditions. A prototype of a rail having different rail head hardness was manufactured, and the relationship between the hardness of the rail head and wear resistance was investigated. The wear resistance was evaluated by performing a wear test on a test piece taken from the rail head. As a result, in order to ensure the wear resistance of the rail head containing 0.0005 to 0.0020% of Pb, it is necessary to use a metal structure mainly composed of a pearlite structure in a range from the outer surface of the head to a depth of 20 mm. It was confirmed that the hardness had to be controlled in the range of 300 to 500 Hv.

なお、図2に示されるように、レール頭部3とは、レールを断面視したときに、レールの高さ方向中央における括れた部分よりも上側の部分をいう。頭部外郭表面とは、レール頭部3のうち、頭頂部1と頭部コーナー部2とを合わせた領域である。頭頂部1とは、レールを正立させた際のレール頭部3の頂面である。頭部コーナー部2とは、頭頂部1の両側のコーナーと、レールを正立させた際のレール頭部3の側面の上半分とからなる面である。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。頭部外郭表面から深さ20mmまでの領域は、頭表部(図2においてハッチングされた頭表部3a)と称される場合がある。   In addition, as shown in FIG. 2, the rail head 3 refers to a portion above the constricted portion at the center in the height direction of the rail when the rail is viewed in cross section. The head outer surface is an area of the rail head 3 where the crown 1 and the head corner 2 are combined. The crown 1 is the top surface of the rail head 3 when the rail is erected. The head corner portion 2 is a surface composed of corners on both sides of the crown 1 and the upper half of the side surface of the rail head 3 when the rail is erected. One of the head corner portions 2 is a gauge corner (GC) portion that mainly contacts the wheel. A region from the outer surface of the head to a depth of 20 mm may be referred to as a front part (a front part 3a hatched in FIG. 2).

上述の知見に基づいて得られた、耐摩耗性および靭性に優れた本実施形態に係るレールにつき、以下に詳細に説明する。以下、合金成分の含有量の単位「質量%」は、単に「%」と記載する。   The rail according to the present embodiment having excellent wear resistance and toughness obtained based on the above findings will be described in detail below. Hereinafter, the unit “% by mass” of the content of the alloy component is simply described as “%”.

まず、本実施形態のレールの化学成分の限定理由について詳細に説明する。   First, the reasons for limiting the chemical components of the rail of the present embodiment will be described in detail.

(1)鋼の化学成分の限定理由 (1) Reasons for limiting the chemical composition of steel

本実施形態のレールにおいて、鋼の化学成分の限定理由について詳細に説明する。   In the rail of the present embodiment, the reason for limiting the chemical composition of steel will be described in detail.

Cは、パーライト変態を促進させて、かつ、レールの耐摩耗性を確保するために有効な元素である。C量が0.75%未満になると、本成分系では、初析フェライト組織が生成するので、パーライト組織を主体とするレールに要求される最低限の強度及び耐摩耗性が維持できない。一方、C量が1.20%を超えると、初析セメンタイト組織が生成し易くなり、パーライト組織の耐摩耗性が低下する。このため、C含有量を0.75〜1.20%に限定した。なお、パーライト組織の生成を安定化するには、C含有量を0.80〜1.10%とすることが望ましい。   C is an element effective for promoting the pearlite transformation and ensuring the wear resistance of the rail. If the C content is less than 0.75%, a proeutectoid ferrite structure is generated in the present component system, so that the minimum strength and wear resistance required for a rail mainly composed of a pearlite structure cannot be maintained. On the other hand, when the C content exceeds 1.20%, a proeutectoid cementite structure is easily generated, and the wear resistance of the pearlite structure is reduced. For this reason, the C content was limited to 0.75 to 1.20%. In order to stabilize the formation of the pearlite structure, the C content is desirably 0.80 to 1.10%.

Siは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、レール頭部の硬さを上昇させ、レールの耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、Si量が0.10%未満では、これらの効果が十分に期待できない。一方、Si量が2.00%を超えると、レールの熱間圧延時にレールに表面疵が多く生成する。さらに、Si量が2.00%を超えると、レールの焼入性が著しく増加し、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する。このため、Si含有量を0.10〜2.00%に限定した。なお、パーライト組織の生成を安定化し、レールの耐摩耗性を向上させるためには、Si含有量を0.20〜1.50%とすることが望ましい。   Si is an element that forms a solid solution with the ferrite phase having a pearlite structure, increases the hardness of the rail head, and improves the wear resistance of the rail. However, if the Si content is less than 0.10%, these effects cannot be sufficiently expected. On the other hand, if the Si content exceeds 2.00%, many rail surface flaws are generated during hot rolling of the rail. Further, when the Si content exceeds 2.00%, the hardenability of the rail is remarkably increased, a martensite structure is formed at the rail head, and the wear resistance of the rail is reduced. For this reason, the Si content was limited to 0.10 to 2.00%. In order to stabilize the formation of the pearlite structure and improve the wear resistance of the rail, the Si content is desirably 0.20 to 1.50%.

Mnは、レールの焼入れ性を高め、パーライト変態を安定化すると同時に、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬さを確保し、レールの耐摩耗性をより一層向上させる元素である。しかし、Mn量が0.10%未満では、その効果が小さく、軟質な初析フェライト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する。一方、Mn量が2.00%を超えると、レールの焼入性が著しく増加し、レール頭部にベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する。このため、Mn含有量を0.10〜2.00%に限定した。なお、パーライト組織の生成を安定化し、レールの耐摩耗性を向上させるためには、Mn含有量を0.20〜1.50%とすることが望ましい。   Mn is an element that enhances the hardenability of the rail and stabilizes the pearlite transformation, and at the same time, refines the lamella spacing of the pearlite structure, secures the hardness of the pearlite structure, and further improves the wear resistance of the rail. However, if the Mn content is less than 0.10%, the effect is small, a soft pro-eutectoid ferrite structure is generated, and the wear resistance of the rail is reduced. On the other hand, when the Mn content exceeds 2.00%, the hardenability of the rail is significantly increased, a bainite structure or a martensite structure is generated at the head of the rail, and the wear resistance of the rail is reduced. For this reason, the Mn content was limited to 0.10 to 2.00%. In order to stabilize the formation of the pearlite structure and improve the wear resistance of the rail, the Mn content is desirably 0.20 to 1.50%.

Pは、鋼中に含有される不純物元素である。転炉で適切な精錬を行うことにより、P含有量を制御することが可能である。P含有量が0.0250%を超えると、パーライト組織が脆化し、レールの塑性変形領域の延性が低下し、摩耗面に剥離が生成し、レールの耐摩耗性が低下する。また、P含有量が0.0250%を超えると、パーライト組織の脆化により、レールの靭性が低下する。このため、P含有量を0.0250%以下に限定した。なお、P含有量の下限は限定していないが、精錬工程の脱燐能力を考慮すると、P含有量の下限値を0.0020%程度としてもよい。   P is an impurity element contained in steel. By performing appropriate refining in the converter, it is possible to control the P content. If the P content exceeds 0.0250%, the pearlite structure is embrittled, the ductility of the plastic deformation region of the rail is reduced, peeling is generated on the worn surface, and the wear resistance of the rail is reduced. When the P content exceeds 0.0250%, the toughness of the pearlite structure causes the rail toughness to decrease. For this reason, the P content is limited to 0.0250% or less. Although the lower limit of the P content is not limited, the lower limit of the P content may be set to about 0.0020% in consideration of the dephosphorization ability in the refining step.

Sは、鋼中に含有される不純物元素である。溶銑鍋で脱硫を行うことにより、S含有量を制御することが可能である。S含有量が0.0250%を超えると、粗大なMnS系硫化物の介在物が生成し易くなり、レールと車輪との接触によるレール頭部の塑性変形領域において応力集中に伴う粗大なボイドが生成し、摩耗面に剥離が生じ、耐摩耗性が低下する。また、S含有量が0.0250%を超えると、粗大なMnS系硫化物の介在物の周囲に応力集中が生成し、レールの靭性が低下する。このため、S含有量を0.0250%以下に限定した。なお、S含有量の下限は限定していなが、精錬工程の脱硫能力を考慮すると、S含有量の下限値を0.0020%程度としてもよい。   S is an impurity element contained in steel. It is possible to control the S content by performing desulfurization in a hot metal pot. If the S content exceeds 0.0250%, coarse MnS-based sulfide inclusions are easily formed, and coarse voids due to stress concentration in the plastic deformation region of the rail head due to contact between the rail and the wheel. It forms and peels off on the worn surface, resulting in reduced wear resistance. On the other hand, if the S content exceeds 0.0250%, stress concentration is generated around coarse MnS-based sulfide inclusions, and rail toughness is reduced. For this reason, the S content was limited to 0.0250% or less. Although the lower limit of the S content is not limited, the lower limit of the S content may be set to about 0.0020% in consideration of the desulfurization ability in the refining process.

Pbは、鋼中に含有される不純物元素である。上述のように、通常、高炉溶銑を主原料とするレール製造においては、スクラップの使用の禁止またはスクラップ使用量の制限、およびスクラップの品位の管理が行われているので、スクラップから0.0005〜0.0020%程度のPbが混入することはない。本発明者らの調査によれば、高炉法で溶鋼を製造するレールにおいてはPb量が0〜3ppm(0.0000〜0.0003%)程度に制限されることが通常であった。しかし本発明者らは、後述するようにレール頭表部の金属組織および硬度を適切に制御する限り、Pb含有量を0.0020%まで増加させてもレールの靭性の大幅な低下が抑制でき、レールに必要とされる靭性を確保できることを見いだした。すなわち、通常の技術常識によれば好ましくない不純物として暗黙に制限されてきたPb含有量であっても、本実施形態に係るレールの靱性は大きく劣化しない。このため、Pb含有量の上限値を0.0020%以下に限定した。   Pb is an impurity element contained in steel. As described above, usually in the manufacture of rails using blast furnace molten iron as a main raw material, the use of scrap is restricted or the amount of scrap used is restricted, and the quality of the scrap is controlled. About 0.0020% of Pb is not mixed. According to the investigation by the present inventors, the amount of Pb is usually limited to about 0 to 3 ppm (0.00000 to 0.0003%) in rails for producing molten steel by the blast furnace method. However, the present inventors can suppress a significant decrease in rail toughness even if the Pb content is increased to 0.0020%, as long as the metal structure and hardness of the rail head surface are appropriately controlled as described later. It was found that the toughness required for the rail could be secured. That is, even if the Pb content is implicitly limited as an undesired impurity according to the common technical knowledge, the rail toughness according to the present embodiment does not significantly deteriorate. For this reason, the upper limit of the Pb content is limited to 0.0020% or less.

Pb上限値が0.0020%とされた場合、スクラップの使用量を増す、または、スクラップの品位を低下させることにより、レールの製造コストを低下させることができる。一方、このようにスクラップの使用量を増加、品位を低下させた場合、0.0005%程度のPbの混入は避けられない。そこで、Pbの下限値は0.0005%とした。
なお、Pb含有量の制御によりレールの靭性をさらに高く保つためには、Pb含有量を0.0015%以下に制御することが望ましい。また、レールの靭性を一層高く保つためには、Pb含有量を0.0010%以下に制御することが望ましい。一方、レールの製造コストをさらに低減するために、Pb含有量の下限値を0.006%、0.007%、または0.008%としてもよい。
When the upper limit of Pb is set to 0.0020%, it is possible to reduce the manufacturing cost of the rail by increasing the amount of scrap used or decreasing the grade of scrap. On the other hand, when the amount of scrap used is increased and the quality is reduced, mixing of about 0.0005% of Pb is inevitable. Therefore, the lower limit of Pb is set to 0.0005%.
In order to further maintain the toughness of the rail by controlling the Pb content, it is desirable to control the Pb content to 0.0015% or less. In order to keep the toughness of the rail even higher, it is desirable to control the Pb content to 0.0010% or less. On the other hand, in order to further reduce the manufacturing cost of the rail, the lower limit of the Pb content may be set to 0.006%, 0.007%, or 0.008%.

さらに、上記の成分組成で製造されるレールは、パーライト組織の硬さの増加による耐摩耗性および耐内部疲労損傷性の向上、靭性の向上、溶接熱影響部の軟化の防止、並びに頭部内部の断面硬度分布を制御する目的で、a群のCr、及びMoの1種または2種、b群のCo、c群のB、d群のCu、及びNiの1種または2種、e群のV、Nb、及びTiの1種または2種以上、f群のMg、Ca、及びREMの1種または2種以上、g群のZr、h群のAl、並びにi群のNの元素を必要に応じて1群または2群以上を含有させてもよい。ただし、これら元素が含有されなくても本実施形態に係るレールはその効果を発揮することができるので、これら元素の含有量の下限値は0%である。   Furthermore, the rail manufactured with the above-mentioned composition has improved wear resistance and internal fatigue damage resistance due to an increase in the hardness of the pearlite structure, improved toughness, prevention of softening of the weld heat affected zone, and improvement of the inside of the head. One or two kinds of Cr and Mo in group a, one kind or two kinds of Co in group b, B in group c, one or two kinds of Cu and Ni, and group e One or more of V, Nb, and Ti, one or more of f, Mg, Ca, and REM, g of Zr, h of Al, and i of N If necessary, one or more groups may be contained. However, even if these elements are not contained, the rail according to the present embodiment can exhibit its effect, so the lower limit of the content of these elements is 0%.

a群のCr、及びMoは、平衡変態点を上昇させることによりパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、レールの硬さを向上させる。b群のCoは、パーライト組織のフェライト相に固溶することによりレールのころがり面直下のラメラ組織を微細化し、摩耗面の硬さを高める。c群のBは、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レール頭部の硬度分布を均一にする。d群のCu、及びNiは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、レールの硬さを高め、パーライト組織の靭性を向上させる。e群のV、Nb、及びTiは、レールの熱間圧延やその後のレールの冷却の過程で生成した炭化物や窒化物の析出硬化により、パーライト組織の疲労強度を向上させる。また、e群のV、Nb、及びTiは、レールの再加熱時に炭化物や窒化物を安定的に生成させ、溶接継手熱影響部の軟化を防止する。f群のMg、Ca、及びREMは、MnS系硫化物を微細分散し、介在物から生成する内部疲労損傷を低減する。g群のZrは、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、初析セメンタイト組織やマルテンサイト組織の生成を抑制する。h群のAlは、共析変態温度を高温側へ移動させ、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の耐摩耗性を向上させる。i群のNは、オーステナイト粒界に偏析することによりパーライト変態を促進させ、レールの靭性を向上させる。さらにi群のNは、熱間圧延後のその後の冷却過程でVの炭化物や窒化物の析出を促進させ、パーライト組織の耐疲労性を向上させる。   Cr and Mo in the a group reduce the lamella spacing of the pearlite structure by increasing the equilibrium transformation point, and improve the hardness of the rail. Co of group b dissolves in the ferrite phase having a pearlite structure to refine the lamellar structure immediately below the rolling surface of the rail, thereby increasing the hardness of the worn surface. B in group c reduces the cooling rate dependency of the pearlite transformation temperature and makes the hardness distribution of the rail head uniform. Cu and Ni in the d group form a solid solution in the ferrite in the pearlite structure, increase the hardness of the rail, and improve the toughness of the pearlite structure. V, Nb, and Ti in group e improve the fatigue strength of the pearlite structure by precipitation hardening of carbides and nitrides generated during the hot rolling of the rail and the subsequent cooling of the rail. In addition, V, Nb, and Ti in the e group stably generate carbides and nitrides when the rail is reheated, and prevent the heat-affected zone of the weld joint from softening. Mg, Ca, and REM in the f group finely disperse the MnS-based sulfide and reduce internal fatigue damage generated from inclusions. By increasing the equiaxed crystallization ratio of the solidified structure, Zr in the g group suppresses the formation of a segregation zone at the center of the slab and suppresses the formation of a proeutectoid cementite structure and a martensite structure. Al in the h group shifts the eutectoid transformation temperature to a higher temperature side, suppresses the formation of a proeutectoid cementite structure, and improves the wear resistance of the pearlite structure. N in group i promotes pearlite transformation by segregating at austenite grain boundaries and improves the toughness of the rail. Further, N in group i promotes the precipitation of carbides and nitrides of V in the subsequent cooling process after hot rolling, and improves the fatigue resistance of the pearlite structure.

<a群> <Group a>

Crは、平衡変態温度を上昇させ、過冷度の増加により、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬さを向上させ、レールの耐摩耗性を向上させる元素である。上述の効果を得るためには、Cr量を0.10%以上とすることが好ましい。一方、Cr量が2.00%を超える場合、レールの焼入れ性が著しく増加し、レール頭部にベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する場合がある。このため、Cr含有量を0.10〜2.00%とすることが好ましい。なお、パーライト組織の生成を安定化し、レールの耐摩耗性を向上させるためには、Cr含有量を0.20〜1.00%とすることが望ましい。   Cr is an element that raises the equilibrium transformation temperature and increases the degree of undercooling, thereby making the lamella spacing of the pearlite structure finer, improving the hardness of the pearlite structure, and improving the wear resistance of the rail. In order to obtain the above-described effects, the Cr content is preferably set to 0.10% or more. On the other hand, if the Cr content exceeds 2.00%, the hardenability of the rail is significantly increased, a bainite structure or a martensite structure is generated at the rail head, and the wear resistance of the rail may be reduced. Therefore, the Cr content is preferably set to 0.10 to 2.00%. In order to stabilize the formation of the pearlite structure and improve the wear resistance of the rail, the Cr content is desirably 0.20 to 1.00%.

Moは、平衡変態温度を上昇させ、過冷度の増加により、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬さを向上させ、レールの耐摩耗性を向上させる元素である。上述の効果を得るためには、Mo量を0.01%以上とすることが好ましい。一方、Mo量が0.50%を超える場合、変態速度が著しく低下し、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する場合がある。このため、Mo含有量を0.01〜0.50%とすることが望ましい。   Mo is an element that raises the equilibrium transformation temperature and increases the degree of undercooling, thereby reducing the lamella spacing of the pearlite structure, improving the hardness of the pearlite structure, and improving the wear resistance of the rail. In order to obtain the above-described effects, the Mo content is preferably set to 0.01% or more. On the other hand, when the Mo amount exceeds 0.50%, the transformation speed is remarkably reduced, a martensite structure is formed on the rail head, and the wear resistance of the rail may be reduced. Therefore, it is desirable that the Mo content be 0.01 to 0.50%.

<b群> <Group b>

Coは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、ころがり面直下のパーライト組織のラメラ組織を微細化し、ころがり面の硬さを向上させ、レールの耐摩耗性を向上させる元素である。上述の効果を得るためには、Co量を0.01%以上とすることが好ましい。一方、Co量が1.00%を超えると、上記の効果が飽和し、Co含有量に応じたラメラ組織の微細化が行えない。また、Co量が1.00%を超えると、合金コストの増大により経済性が低下する。このため、Co含有量を0.01〜1.00%とすることが望ましい。   Co is an element that forms a solid solution with the ferrite phase having a pearlite structure, refines the lamellar structure of the pearlite structure immediately below the rolling surface, improves the hardness of the rolling surface, and improves the wear resistance of the rail. In order to obtain the above-described effects, the Co content is preferably set to 0.01% or more. On the other hand, if the Co content exceeds 1.00%, the above effect is saturated, and the lamellar structure cannot be refined according to the Co content. On the other hand, if the Co content exceeds 1.00%, the economic efficiency is reduced due to an increase in alloy cost. For this reason, the Co content is desirably set to 0.01 to 1.00%.

<c群> <Group c>

Bは、オーステナイト粒界に鉄炭ほう化物(Fe23(CB))を形成し、パーライト変態の促進効果により、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レールの頭表面から内部までの硬度分布を均一化し、レールを高寿命化する元素である。上述の効果を得るためには、B量を0.0001%以上とすることが好ましい。一方、B量が0.0050%を超えると、粗大な鉄炭ほう化物が生成し、脆性破壊を助長し、レールの靭性が低下する場合がある。このため、B含有量を0.0001〜0.0050%とすることが望ましい。 B forms iron carbide boride (Fe 23 (CB) 6 ) at the austenite grain boundary, reduces the cooling rate dependency of the pearlite transformation temperature by the effect of promoting pearlite transformation, and reduces the temperature from the head surface to the inside of the rail. It is an element that makes the hardness distribution uniform and prolongs the life of the rail. In order to obtain the above-described effects, the B content is preferably set to 0.0001% or more. On the other hand, if the B content exceeds 0.0050%, coarse iron carbide borides are generated, promoting brittle fracture, and the toughness of the rail may be reduced. Therefore, it is desirable that the B content be 0.0001 to 0.0050%.

<d群> <D group>

Cuは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、固溶強化によりレールの硬さを向上させ、レールの耐摩耗性を向上させる元素である。上述の効果を得るためには、Cu量を0.01%以上とすることが好ましい。一方、Cu量が1.00%を超えると、レールの著しい焼入れ性向上により、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する場合がある。このため、Cu含有量を0.01〜1.00%にすることが好ましい。なお、レール頭部の硬さを確保し、偏析部等に生成し易いマルテンサイト組織の生成を抑制するためには、Cu含有量を0.20%以下に制御することが望ましい。   Cu is an element that forms a solid solution in the ferrite phase having a pearlite structure, improves the hardness of the rail by solid solution strengthening, and improves the wear resistance of the rail. In order to obtain the above-described effects, the Cu content is preferably set to 0.01% or more. On the other hand, when the Cu content exceeds 1.00%, martensite structure is generated at the head of the rail due to remarkable hardenability of the rail, and the wear resistance of the rail may be reduced. Therefore, the Cu content is preferably set to 0.01 to 1.00%. In order to secure the hardness of the rail head and to suppress the formation of a martensite structure that is easily formed in a segregated portion or the like, it is desirable to control the Cu content to 0.20% or less.

Niは、パーライト組織の靭性を向上させ、同時に、固溶強化によりレールの硬さを向上させ、レールの耐摩耗性を向上させる元素である。さらに、溶接熱影響部においては、NiはTiと結びついて微細なNiTiの金属間化合物として析出し、析出強化によりレールの軟化を抑制する元素である。また、Cuがレールに含有されている場合、Niは粒界の脆化を抑制する。上述の効果を得るためには、Ni量を0.01%以上にすることが好ましい。Ni量が1.00%を超えると、レールの著しい焼入れ性向上により、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する場合がある。このため、Ni含有量を0.01〜1.00%とすることが望ましい。 Ni is an element that improves the toughness of the pearlite structure, and at the same time, improves the hardness of the rail by solid solution strengthening and improves the wear resistance of the rail. Furthermore, in the weld heat affected zone, Ni is an element that combines with Ti and precipitates as a fine intermetallic compound of Ni 3 Ti, thereby suppressing the softening of the rail by precipitation strengthening. When Cu is contained in the rail, Ni suppresses embrittlement of the grain boundary. In order to obtain the above-described effects, the Ni content is preferably set to 0.01% or more. If the amount of Ni exceeds 1.00%, a martensite structure is generated at the rail head due to remarkable improvement in hardenability of the rail, and the wear resistance of the rail may be reduced. Therefore, it is desirable that the Ni content be 0.01 to 1.00%.

<e群> <Group e>

Vは、熱間圧延後の冷却過程で生成するVの炭・窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬さ(強度)を高め、レール頭部の内部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。上述の効果を得るためには、V量を0.01%以上にすることが好ましい。一方、V量が0.50%を超えると、微細なVの炭・窒化物の数が過剰となり、パーライト組織が脆化し、レールの耐疲労損傷性が低下する場合がある。このため、V含有量を0.01〜0.50%とすることが望ましい。   V is an element that increases the hardness (strength) of the pearlite structure by precipitation hardening by carbon / nitride generated in the cooling process after hot rolling, and improves the fatigue damage resistance inside the rail head. is there. In order to obtain the above-described effects, the V content is preferably set to 0.01% or more. On the other hand, if the V content exceeds 0.50%, the number of fine carbon / nitride particles becomes excessive, the pearlite structure becomes brittle, and the fatigue damage resistance of the rail may decrease. For this reason, the V content is desirably set to 0.01 to 0.50%.

Nbは、熱間圧延後の冷却過程で生成したNb炭化物、Nb窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬さを高め、レール頭部の内部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、Nbは低温度域から高温度域までNb炭化物やNb窒化物を安定的に生成させ、溶接継手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。上述の効果を得るためには、Nb量を0.0010%以上とすることが好ましい。一方、Nb量が0.0500%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、パーライト組織自体が脆化し、レールの耐疲労損傷性が低下する場合がある。このため、Nb含有量を0.0010〜0.0500%とすることが望ましい。   Nb is an element that increases the hardness of the pearlite structure and improves the fatigue damage resistance inside the rail head by precipitation hardening by Nb carbide and Nb nitride generated in the cooling process after hot rolling. Also, in the heat-affected zone reheated to a temperature range below the Ac1 point, Nb stably generates Nb carbide and Nb nitride from a low temperature range to a high temperature range, and prevents softening of the heat-affected zone of a welded joint. It is an effective element to do. In order to obtain the above-described effects, the Nb content is preferably set to 0.0010% or more. On the other hand, if the Nb content exceeds 0.0500%, the precipitation hardening of carbides and nitrides of Nb becomes excessive, the pearlite structure itself becomes brittle, and the fatigue damage resistance of the rail may decrease. Therefore, it is desirable that the Nb content be 0.0010 to 0.0500%.

Tiは、熱間圧延後の冷却過程で生成したTi炭化物、Ti窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬さを高め、レール頭部の内部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。また、Tiは、溶接時の再加熱において析出したTiの炭化物、Tiの窒化物がマトリックス中に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を微細化し、溶接継手部の脆化を防止するのに有効な成分である。上述の効果を得るためには、Ti量を0.0030%以上とすることが好ましい。一方、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、これらの周囲における応力集中により、疲労き裂が生成しやすくなり、レールの耐疲労損傷性が低下する場合がある。このため、Ti含有量を0.0030〜0.0500%とすることが望ましい。   Ti is an element that increases the hardness of the pearlite structure and improves the fatigue resistance inside the rail head by precipitation hardening by 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 in the matrix, Ti refines the structure of the heat-affected zone heated to the austenite region, It is an effective component for preventing embrittlement of the part. In order to obtain the above effects, the amount of Ti is preferably set to 0.0030% or more. On the other hand, if the Ti content exceeds 0.0500%, coarse carbides of Ti and nitrides of Ti are generated, and stress cracks are apt to be generated around these carbides, so that fatigue cracks are easily formed, and the fatigue damage resistance of the rail is increased. May decrease. Therefore, it is desirable that the Ti content be 0.0030 to 0.0500%.

<f群> <F group>

Mgは、Sと結合して微細な硫化物(MgS)を形成し、このMgSがMnSを微細に分散させ、MnSの周囲における応力集中を緩和し、レールの耐疲労損傷性を向上させる元素である。上述の効果を得るためには、Mg量を0.0005%以上とすることが好ましい。一方、Mg量が0.0200%を超える場合、Mgの粗大酸化物が生成し、この粗大酸化物の周囲における応力集中により、疲労き裂が生成しやすくなり、レールの耐疲労損傷性が低下する場合がある。このため、Mg量を0.0005〜0.0200%とすることが望ましい。   Mg combines with S to form fine sulfide (MgS), which is an element that finely disperses MnS, reduces stress concentration around MnS, and improves fatigue damage resistance of rails. is there. In order to obtain the above-described effects, the Mg content is preferably set to 0.0005% or more. On the other hand, when the amount of Mg exceeds 0.0200%, a coarse oxide of Mg is generated, and a stress crack is easily generated around the coarse oxide, so that a fatigue crack is easily generated and the fatigue damage resistance of the rail decreases. May be. Therefore, it is desirable that the amount of Mg is 0.0005 to 0.0200%.

Caは、Sとの結合力が強いので硫化物(CaS)を形成し、このCaSがMnSを微細に分散させ、MnSの周囲における応力集中を緩和し、レールの耐疲労損傷性を向上させる元素である。上述の効果を得るためには、Ca量を0.0005%以上とすることが好ましい。一方、Ca量が0.0200%を超える場合、Caの粗大酸化物が生成し、この粗大酸化物の周囲における応力集中により、疲労き裂が生成しやすくなり、レールの耐疲労損傷性が低下する場合がある。このため、Ca量を0.0005〜0.0200%とすることが望ましい。   Ca forms a sulfide (CaS) because it has a strong bonding force with S, and this CaS disperses MnS finely, reduces stress concentration around MnS, and improves the fatigue damage resistance of the rail. It is. In order to obtain the above-described effects, the Ca content is preferably set to 0.0005% or more. On the other hand, if the Ca content exceeds 0.0200%, a coarse oxide of Ca is generated, and the stress concentration around the coarse oxide facilitates the generation of fatigue cracks, thereby reducing the fatigue damage resistance of the rail. May be. For this reason, it is desirable that the amount of Ca be 0.0005 to 0.0200%.

REMは、脱酸・脱硫元素であり、REMのオキシサルファイド(REMS)を生成し、Mn硫化物系介在物の生成核となる。オキシサルファイド(REMS)は、融点が高いので、圧延後のMn硫化物系介在物の延伸を抑制する。この結果、REMはMnSを微細に分散させ、MnSの周囲における応力集中を緩和し、レールの耐疲労損傷性を向上させる。上述の効果を得るためには、REM量を0.0005%以上とすることが好ましい。一方、REM量が0.0500%を超えると、粗大で硬質なREMのオキシサルファイド(REMS)が生成し、このオキシサルファイドの周囲における応力集中により、疲労き裂が生成しやすくなり、レールの耐疲労損傷性が低下する場合がある。このため、REM含有量を0.0005〜0.0500%とすることが望ましい。 REM is a deoxidizing / desulfurizing element, which generates REM oxysulfide (REM 2 O 2 S) and serves as a nucleus for generating Mn sulfide-based inclusions. Oxysulfide (REM 2 O 2 S) has a high melting point, and thus suppresses the stretching of Mn sulfide-based inclusions after rolling. As a result, REM finely disperses MnS, reduces stress concentration around MnS, and improves the fatigue damage resistance of the rail. In order to obtain the above effects, it is preferable that the amount of REM is 0.0005% or more. On the other hand, if the REM amount exceeds 0.0500%, coarse and hard REM oxysulfide (REM 2 O 2 S) is generated, and fatigue cracks are easily generated due to stress concentration around the oxysulfide. The fatigue resistance of the rail may be reduced. For this reason, it is desirable that the REM content be 0.0005 to 0.0500%.

なお、REMとはCe、La、PrまたはNd等の希土類金属である。「REMの含有量」とは、これらの全REM元素の含有量の合計値を意味する。全含有量が上記範囲内であれば、REM元素の種類が1種類であっても2種類以上であっても、同様な効果が得られる。   REM is a rare earth metal such as Ce, La, Pr or Nd. The “REM content” means the sum of the contents of all these REM elements. If the total content is within the above range, the same effect can be obtained regardless of whether the type of REM element is one or two or more.

<g群> <G group>

Zrは、γ−Feとの格子整合性が良いZrO介在物を生成するので、γ−Feが凝固初晶である高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レール偏析部に生成するマルテンサイト組織の生成を抑制する元素である。上述の効果を得るためには、Zr量を0.0001%以上とすることが好ましい。一方、Zr量が0.0200%を超えると、粗大なZr系介在物が多量に生成し、この粗大介在物の周囲における応力集中により、疲労き裂が生成しやすくなり、レールの耐疲労損傷性が低下する場合がある。このため、Zr含有量を0.0001〜0.0200%とすることが望ましい。 Since Zr generates ZrO 2 inclusions having good lattice matching with γ-Fe, γ-Fe becomes a solidification nucleus of a high-carbon rail steel that is a primary solidification crystal, and increases the equiaxed crystallization rate of the solidification structure. This is an element that suppresses the formation of a segregation zone at the center of the slab and suppresses the formation of a martensite structure generated in the rail segregation portion. In order to obtain the above effects, the Zr content is preferably set to 0.0001% or more. On the other hand, if the Zr content exceeds 0.0200%, a large amount of coarse Zr-based inclusions are generated, and the stress concentration around the coarse inclusions tends to cause fatigue cracks, resulting in fatigue resistance of the rail. Performance may be reduced. Therefore, it is desirable that the Zr content be 0.0001 to 0.0200%.

<h群> <Group h>

Alは、脱酸材として機能する成分である。また、Alは共析変態温度を上昇させる元素であり、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の耐摩耗性を向上させる。上述の効果を得るためには、Al量を0.0100%以上とすることが好ましい。一方、Al量が1.00%を超えると、Alを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、この粗大な介在物から疲労き裂が発生しやすくなり、レールの耐疲労損傷性が低下する場合がある。さらに、Al量が1.00%を超えると、レール溶接時に酸化物が生成し、レール溶接性が著しく低下する場合がある。このため、Al含有量を0.0100〜1.00%とすることが望ましい。   Al is a component that functions as a deoxidizing material. Al is an element that raises the eutectoid transformation temperature, suppresses the formation of the proeutectoid cementite structure, and improves the wear resistance of the pearlite structure. In order to obtain the above-described effects, the Al content is preferably set to 0.0100% or more. On the other hand, if the Al content exceeds 1.00%, it becomes difficult to form a solid solution of Al in the steel, and coarse alumina-based inclusions are formed, and fatigue cracks are easily generated from the coarse inclusions. The fatigue resistance of the rail may be reduced. Further, when the Al content exceeds 1.00%, an oxide is generated during rail welding, and the rail weldability may be significantly reduced. Therefore, it is desirable that the Al content be 0.0100 to 1.00%.

<i群> <Group i>

Nは、オーステナイト粒界に偏析することにより、オーステナイト粒界からのパーライト変態を促進させ、主に、パーライトブロックサイズを微細化することにより、レールの靭性を向上させるのに有効な元素である。また、NとVとを同時に含有させると、レールの熱間圧延後の冷却過程でVの炭窒化物の析出を促進させ、パーライト組織の硬さを高め、レールの耐疲労性を向上させる。上述の効果を得るためには、N量を0.0050%以上とすることが好ましい。一方、N量が0.0200%を超えると、Nを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易くなる場合がある。このため、N含有量を0.0050〜0.0200%とすることが望ましい。   N is an element effective to promote pearlite transformation from austenite grain boundaries by segregating to austenite grain boundaries, and to improve rail toughness mainly by reducing the size of pearlite blocks. Further, when N and V are simultaneously contained, precipitation of carbonitrides of V is promoted in the cooling process after hot rolling of the rail, the hardness of the pearlite structure is increased, and the fatigue resistance of the rail is improved. In order to obtain the above-described effects, the N content is preferably set to 0.0050% or more. On the other hand, if the N amount exceeds 0.0200%, it becomes difficult to form a solid solution of N in the steel, and air bubbles serving as starting points of fatigue damage may be easily generated. Therefore, it is desirable that the N content be 0.0050 to 0.0200%.

なお、上述された元素のうち、Cu、Ni、CrおよびMoは、原料スクラップから混入する場合がある。この場合であっても、Cu、Ni、CrおよびMoの成分が上述の範囲内である限り、本実施形態に係るレールの特性は損なわれない。   Among the above-mentioned elements, Cu, Ni, Cr, and Mo may be mixed in from raw material scrap. Even in this case, the characteristics of the rail according to the present embodiment are not impaired as long as the components of Cu, Ni, Cr, and Mo are within the above ranges.

本実施形態に係るレールの化学組成の残部は、Feおよび不純物を含む。ここで、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料スクラップ、または製造環境などから混入されるものを意味する。不純物は、本実施形態に係るレールの特性に悪影響を及ぼさない範囲内で含有されても良い。   The balance of the chemical composition of the rail according to the present embodiment contains Fe and impurities. Here, the impurity means what is mixed in from the raw material scrap or the manufacturing environment when the steel material is industrially manufactured. The impurities may be contained within a range that does not adversely affect the characteristics of the rail according to the present embodiment.

(2)金属組織およびパーライト組織の必要範囲の限定理由
次に、本実施形態において、頭部外郭表面から20mm深さ、までの範囲(頭表部)の95%(面積率)以上をパーライト組織にする理由について詳細に説明する。
(2) Reasons for Restricting Necessary Ranges of Metallic Structure and Pearlite Structure Next, in the present embodiment, 95% (area ratio) or more of a range (head surface) from the outer surface of the head to a depth of 20 mm is used. The reason for this will be described in detail.

まず、パーライト組織の量を95面積%以上とする理由について説明する。   First, the reason why the amount of the pearlite structure is set to 95% by area or more will be described.

車輪と接触するレール頭部では、耐摩耗性の確保が最も重要である。金属組織と耐摩耗性との関係を調査した結果、パーライト組織がレールの耐摩耗性を最も向上させることが確認された。また、パーライト組織は、少ない合金元素量でも十分な硬さを有する。そこで、レールの耐摩耗性を向上させる目的から、パーライト組織に限定した。   It is most important to ensure wear resistance at the rail head that comes into contact with the wheels. As a result of investigating the relationship between the metal structure and the wear resistance, it was confirmed that the pearlite structure most improved the wear resistance of the rail. The pearlite structure has sufficient hardness even with a small amount of alloying elements. Therefore, in order to improve the abrasion resistance of the rail, the structure is limited to the pearlite structure.

次に、パーライト組織が面積率で95%以上の割合で含まれる金属組織(パーライト組織を含む組織)の必要範囲を、頭部外郭表面から少なくとも20mm深さまでの範囲に限定した理由について説明する。   Next, the reason why the required range of the metal structure (the structure including the pearlite structure) in which the pearlite structure is included at a rate of 95% or more in area ratio is limited to a range of at least 20 mm from the outer surface of the head.

パーライト組織を95面積%以上含む領域が頭部外郭表面から20mm未満までである場合、領域が小さすぎて、レール頭部に要求される耐摩耗性を確保することができず、ひいては十分なレール使用寿命の確保が困難となる。また、レールの耐摩耗性をさらに向上させるためには、頭部外郭表面から深さ30mm程度までを、95面積%以上のパーライト組織を含む組織とすることが望ましい。   If the area containing 95% by area or more of the pearlite structure is less than 20 mm from the outer surface of the head, the area is too small to ensure the required wear resistance of the rail head, and thus a sufficient rail. It becomes difficult to secure the service life. Further, in order to further improve the wear resistance of the rail, it is desirable that a structure including a pearlite structure of 95 area% or more is provided from the outer surface of the head to a depth of about 30 mm.

上述されたように、頭部コーナー部2および頭頂部1を併せた領域である頭部外郭表面から深さ20mmまでの範囲を頭表部(3a、斜線部)と呼ぶ。頭部コーナー部2及び頭頂部1の表面から深さ20mmまでの頭表部3aに所定の硬さのパーライト組織を95面積%以上含む組織が配置されていれば、レールの耐摩耗性が確保できる。   As described above, the range from the outer surface of the head, which is the combined area of the head corner 2 and the crown 1 to the depth of 20 mm, is referred to as the front surface part (3a, hatched part). If a structure containing 95% by area or more of a pearlite structure having a predetermined hardness is arranged on the front surface portion 3a from the surface of the head corner portion 2 and the top portion 1 to a depth of 20 mm, the wear resistance of the rail is secured. it can.

したがって、95面積%以上のパーライト組織を含む組織は、車輪が主に接する箇所であり耐摩耗性が要求される頭表部3aに配置することが望ましく、耐摩耗性が必要とされないそれ以外の部分は、パーライト組織が95面積%未満であってもよい。   Therefore, it is desirable to arrange the structure including the pearlite structure of 95% by area or more in the front part 3a where the wheel is mainly in contact and where wear resistance is required, and other structures where wear resistance is not required. The portion may have a pearlite structure of less than 95 area%.

また、本実施形態のレールの頭表部3aの金属組織は、上記限定のような95面積%以上のパーライト組織を含む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、組織中に、パーライト組織以外に、面積率で5%未満の微量な初析フェライト相、初析セメンタイト相、ベイナ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、頭部表面の耐摩耗性には大きな悪影響を及ぼさないため、本実施形態のレールの頭表部の組織は、5面積%未満の微量な初析フェライト相、初析セメンタイト相、ベイナイト組織、マルテンサイト組織を含んでもよい。言い換えれば、本実施形態のレールの頭表部の金属組織は、面積率で95%以上がパーライト組織であればよく、レールの耐摩耗性を十分に確保するには、面積率で頭表部の金属組織の98%以上をパーライト組織とすることが望ましい。   Further, it is desirable that the metal structure of the front surface portion 3a of the rail of the present embodiment is a structure including a pearlite structure of 95% by area or more as described above. However, depending on the component system of the rail and the heat treatment manufacturing method, a small amount of a proeutectoid ferrite phase, a proeutectoid cementite phase, a bainite cementite phase, a bainite structure or a martensite structure with an area ratio of less than 5% is mixed into the structure in addition to the pearlite structure. Sometimes. However, the inclusion of these structures does not have a great adverse effect on the wear resistance of the head surface. Phase, a proeutectoid cementite phase, a bainite structure, and a martensite structure. In other words, the metal structure of the top of the rail according to the present embodiment only needs to have a pearlite structure in an area ratio of 95% or more, and in order to sufficiently secure the wear resistance of the rail, it is necessary to use the area ratio of the top of the rail. It is desirable that 98% or more of the metal structure is a pearlite structure.

頭表部のパーライト組織の面積率の測定は、頭部外郭表面から少なくとも20mm深さまでの範囲の断面の金属組織を、200倍の光学顕微鏡で10視野以上観察し、各視野におけるパーライト組織の面積率の平均値を算出することにより行える。   The measurement of the area ratio of the pearlite structure of the head surface portion is performed by observing a metal structure of a cross section ranging from the outer surface of the head to at least a depth of 20 mm with an optical microscope of 200 times or more for at least 10 visual fields. This can be done by calculating the average of the rates.

(3)パーライト組織を含む組織の硬さの限定理由
次に、本実施形態において、頭表部におけるパーライト組織を含む組織の硬さをHv300〜500の範囲に限定した理由について説明する。頭表部におけるパーライト組織を含む組織の硬さがHv300未満では、レールの摩耗が進行し、レールに要求される耐摩耗性の確保が困難となる。また、頭表部におけるパーライト組織の硬さがHv500を超えると、パーライト組織を含む組織の脆化により、車輪が接触する頭部外郭表面で微小なき裂が発生しやすくなり、レールの耐表面損傷性の確保が困難となる。このため、頭表部におけるパーライト組織を含む組織の硬さをHv300〜500の範囲に限定した。なお、頭表部以外の箇所は、レールが接触せず耐摩耗性が要求されないので、頭表部以外の箇所の組織の硬さは特に限定されない。
(3) Reasons for Limiting the Hardness of the Tissue Containing the Pearlite Structure Next, the reason for limiting the hardness of the tissue including the pearlite structure in the frontal region to the range of Hv300 to 500 in the present embodiment will be described. If the hardness of the structure including the pearlite structure in the head portion is less than Hv300, the wear of the rail proceeds, and it becomes difficult to secure the wear resistance required for the rail. Further, if the hardness of the pearlite structure in the head portion exceeds Hv500, minute cracks are likely to be generated on the outer surface of the head in contact with the wheels due to embrittlement of the structure including the pearlite structure, and the rail surface resistance damage It is difficult to secure the performance. For this reason, the hardness of the structure including the pearlite structure in the head surface is limited to the range of Hv300 to 500. In addition, since the rails do not contact and wear resistance is not required at locations other than the head surface, the hardness of the tissue at locations other than the head surface is not particularly limited.

例えば頭部外郭表面から深さ2mmの位置及び深さ20mmの位置におけるレールの硬さが上述の範囲内であるレールは、頭表部の硬さに関して上述の要件を満たすレールであると判断される。また、各測定位置におけるレールの硬さの測定は、測定位置において、10点以上測定して、それらの平均値を算出して行うことが望ましい。本実施形態に係るレールの頭表部では、パーライト組織が面積率で95%以上を占めるが、5面積%未満の範囲でその他組織(初析セメンタイト相、初析フェライト相、マルテンサイト組織、ベイナイト組織等)が存在するため、1点の測定では、パーライト組織を含む組織の硬さが代表できない場合がありえるためである。   For example, a rail in which the hardness of the rail at a position at a depth of 2 mm and a position at a depth of 20 mm from the outer surface of the head is within the above-mentioned range is determined to be a rail satisfying the above-mentioned requirements regarding the hardness of the head surface. You. In addition, it is desirable to measure the hardness of the rail at each measurement position by measuring 10 or more points at the measurement position and calculating the average value thereof. In the top surface of the rail according to this embodiment, the pearlite structure accounts for 95% or more in area ratio, but other structures (proeutectoid cementite phase, proeutectoid ferrite phase, martensitic structure, bainite structure) in a range of less than 5 area%. This is because the hardness of the structure including the pearlite structure may not be able to be represented by one point measurement due to the presence of the structure.

(4)Pb酸化物系介在物の個数密度の限定理由
次に、本実施形態に係るレールにおいて、頭部外郭表面から深さ2〜20mmの位置の横断面において、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の個数密度を、被検面積1000μmあたり100個以下にすることが好ましい理由について説明する。なお、Pb酸化物は通常、鋼中でPb酸化物のみからなる介在物として存在し、または、Pb酸化物とその周囲に付着した他の合金元素からなる介在物として存在する。本実施形態では、これら介在物を「Pb酸化物系介在物」と称する。
(4) Reasons for Limiting the Number Density of Pb Oxide Inclusions Next, in the rail according to the present embodiment, the cross-section at a depth of 2 to 20 mm from the outer surface of the head has a particle size of 1.0 to 5 mm. The reason why it is preferable to set the number density of Pb oxide-based inclusions of 0.0 μm to 100 or less per 1000 μm 2 of the area to be detected will be described. The Pb oxide usually exists in steel as an inclusion consisting of only the Pb oxide, or exists as an inclusion consisting of the Pb oxide and another alloy element attached around the Pb oxide. In the present embodiment, these inclusions are referred to as “Pb oxide-based inclusions”.

まず、本発明者らは、レール鋼の靭性をさらに安定的に向上させるため、パーライト組織中に生成しているPb酸化物系介在物の制御を検討した。転炉精錬工程において、酸素を溶鋼に吹き込み、石灰を投入し、P等の不純物を除去し、その後、合金元素を添加し、FeSi(フェロシリコン)等の投入により酸素量の制御を行い、Pb酸化物系介在物の大きさと数を変化させたパーライト鋼を製造し、衝撃試験によりこれらパーライト鋼の靭性を評価した。その結果、同一のPb含有量において、衝撃値が向上するパーライト鋼と、衝撃値が逆に低下するパーライト鋼が存在することが明らかとなった。   First, the present inventors studied the control of Pb oxide-based inclusions generated in the pearlite structure in order to further stably improve the toughness of the rail steel. In the converter refining process, oxygen is blown into molten steel, lime is introduced, impurities such as P are removed, then alloying elements are added, and the amount of oxygen is controlled by introducing FeSi (ferrosilicon). The pearlite steel was manufactured by changing the size and number of the oxide-based inclusions, and the toughness of the pearlite steel was evaluated by an impact test. As a result, it became clear that, for the same Pb content, there were a pearlite steel having an improved impact value and a pearlite steel having an adversely reduced impact value.

そこで、本発明者らは、衝撃値を効果的に向上させるため、衝撃値が低下したパーライト鋼の破壊起点部を詳細に調査した。その結果、破壊の起点部には粒径1.0〜5.0μm範囲のPb酸化物系介在物が多量に存在していることがわかった。本発明者らは、Pb酸化物系介在物への応力集中により破壊が促進されることを発見した。   Then, the present inventors investigated in detail the fracture starting point portion of the pearlite steel having a reduced impact value in order to effectively improve the impact value. As a result, it was found that a large amount of Pb oxide-based inclusions having a particle size in the range of 1.0 to 5.0 μm were present at the fracture starting point. The present inventors have found that the breakdown is promoted by stress concentration on the Pb oxide-based inclusions.

さらに、本発明者らは、Pb酸化物系介在物の量の影響を明らかにするため、Pb含有量を変化させた鋼をラボ溶解し、その後、酸素量を制御し、不活性ガスによる溶鋼攪拌を模擬した実験を行い、溶鋼攪拌時間、攪拌処理後の溶鋼静置時間を制御し、Pb酸化物系介在物の単位面積当たりの個数を変化させたパーライト鋼を製造し、靭性を評価した。
[レール鋼の合金成分]
●ベース鋼成分
1.00%C−0.60%Si−0.60%Mn−0.0150%P−0.0120%S
●Pbの含有量:0.0000〜0.0020%の範囲内で変更
[レール鋼の製造条件]
●転炉精錬後の溶鋼処理
不活性ガスによる溶鋼攪拌時間:0.5〜4分
攪拌処理後の溶鋼静置時間:10〜40分
●熱間圧延条件 再加熱温度:1250℃⇒最終圧延温度:1000℃
●熱処理条件 冷却速度:6℃/sec、冷却開始温度:800℃、停止温度:580℃
[レール鋼の基本特性]
●レールの頭表部の金属組織:パーライト(面積率95%以上)
●レールの頭表部の硬さ:Hv400〜420
●単位面積当たりのPb酸化物の個数:0〜200個/1000μm
(粒径範囲:1.0〜5.0μm)
[Pb酸化物系介在物の粒径及び個数の測定方法]
●事前処理:断面をダイヤモンド研磨
●装置:走査型電子顕微鏡 倍率:1000〜2000
●事前分析:電子線マイクロアナライザーにより成分分析を実施し、PbとOの複合介在物を特定する。
●測定位置:頭部外郭表面を起点として深さ5mmを中心とした視野で観察
●評価対象とするPb酸化物系介在物の粒径範囲:1.0〜5.0μm
●粒径の測定:Pb酸化物系介在物のみ選択し、その面積を求め、面積に相当する円の直径で粒径を算定。
●個数の算定:20視野の観察を行い、Pb酸化物系介在物数をカウントし、1000μmあたりの数に換算し、その平均値を求めた。
[靭性の評価試験]
●試験方法:衝撃試験
●試験片:JIS3号2mmUノッチ
●試験片採取位置:レール頭部外郭表面下2mm(図6参照、ノッチ位置4mm下)
●試験温度:常温(+20℃)
図3に衝撃試験の結果を示す。横軸はPb酸化物系介在物(粒径範囲:1.0〜5.0μm)の単位面積当たりの個数(個/1000μm)、縦軸は衝撃値で整理をした。その結果、Pb酸化物系介在物の単位面積当たりの個数によって衝撃値が大きく変化することが確認された。
Furthermore, the present inventors lab-melted steel having a changed Pb content in order to clarify the effect of the amount of Pb oxide-based inclusions, and thereafter controlled the oxygen amount, and An experiment simulating stirring was performed, and the pearlite steel in which the molten steel stirring time, the molten steel standing time after the stirring treatment was controlled, and the number of Pb oxide-based inclusions per unit area was changed, and the toughness was evaluated. .
[Alloy composition of rail steel]
● Base steel component 1.00% C-0.60% Si-0.60% Mn-0.0150% P-0.0120% S
● Pb content: changed within the range of 0.0000 to 0.0020% [Rail steel manufacturing conditions]
● Molten steel treatment after converter refining Molten steel stirring time with inert gas: 0.5 to 4 minutes Molten steel standing time after stirring treatment: 10 to 40 minutes ● Hot rolling conditions Reheating temperature: 1250 ° C ⇒ Final rolling temperature : 1000 ° C
● Heat treatment conditions Cooling rate: 6 ° C / sec, cooling start temperature: 800 ° C, stop temperature: 580 ° C
[Basic properties of rail steel]
● Metal structure of the rail head: Perlite (95% or more area ratio)
● Hardness of the rail head: Hv400-420
● Number of Pb oxides per unit area: 0 to 200/1000 μm 2
(Particle size range: 1.0 to 5.0 μm)
[Method for measuring particle size and number of Pb oxide inclusions]
● Pretreatment: Diamond polishing of cross section ● Equipment: Scanning electron microscope Magnification: 1000-2000
● Pre-analysis: Conduct component analysis using an electron beam microanalyzer to identify complex inclusions of Pb and O.
● Measurement position: Observed in a visual field centered on a depth of 5 mm starting from the outer surface of the head ● Particle size range of Pb oxide inclusions to be evaluated: 1.0 to 5.0 μm
● Measurement of particle size: Only Pb oxide inclusions are selected, the area is determined, and the particle size is calculated by the diameter of a circle corresponding to the area.
● Calculation of the number: Observation was performed in 20 visual fields, the number of Pb oxide-based inclusions was counted, converted to the number per 1000 μm 2 , and the average value was calculated.
[Toughness evaluation test]
● Test method: Impact test ● Specimen: JIS No. 3 2mm U notch ● Specimen sampling position: 2mm below outer surface of rail head (see Fig. 6, 4mm below notch)
● Test temperature: room temperature (+ 20 ℃)
FIG. 3 shows the results of the impact test. The horizontal axis is the number of Pb oxide-based inclusions (particle size range: 1.0 to 5.0 μm) per unit area (pieces / 1000 μm 2 ), and the vertical axis is the impact value. As a result, it was confirmed that the impact value significantly changed depending on the number of Pb oxide-based inclusions per unit area.

具体的には、Pb酸化物系介在物の単位面積当たりの個数が被検面積1000μmあたり100個以下になると、応力集中が緩和され、衝撃値がさらに向上することが明らかとなった。このため、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の単位面積当たりの個数を被検面積1000μmあたり100個以下に限定した。 Specifically, it was found that when the number of Pb oxide-based inclusions per unit area was 100 or less per 1000 μm 2 of the test area, stress concentration was relaxed, and the impact value was further improved. Therefore, the number of Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm per unit area is limited to 100 or less per 1000 μm 2 of the test area.

なお、Pb酸化物系介在物は鋳造時に鋼片の中央部に集積し易い。Pb含有量が少ない場合、Pb酸化物系介在物はその存在を確認する頭部外郭表面近傍には存在しない場合がある。したがって、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の個数密度の下限値は規定されず0の場合もある。一方、この酸化物が計数対象として存在する場合、1個/1000μm以上を制御範囲としてもよい。 Note that Pb oxide-based inclusions tend to accumulate at the center of the slab during casting. When the Pb content is small, the Pb oxide-based inclusion may not be present in the vicinity of the surface of the head shell for confirming the presence. Therefore, the lower limit of the number density of Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm is not defined and may be 0 in some cases. On the other hand, when this oxide is present as an object to be counted, 1/1000 μm 2 or more may be set as the control range.

Pb酸化物系介在物の制御対象位置は、頭部外郭表面から深さ2〜20mmの範囲の横断面とする。頭部外郭表面から深さ2mm未満の範囲では、Pb酸化物系介在物の存在が少なく、介在物の評価が困難であることに加えて、使用中の摩耗による断面積の減少を考慮した場合、レール自体に要求されている靭性の必要領域とはならないので、頭部外郭表面から深さ2mm未満の範囲は制御対象とされない。   The control target position of the Pb oxide-based inclusion is a cross section in a range of 2 to 20 mm in depth from the outer surface of the head. When the depth is less than 2 mm from the outer surface of the head, the presence of Pb oxide-based inclusions is small, and it is difficult to evaluate the inclusions. Since the toughness required for the rail itself is not a required area, a range less than 2 mm in depth from the outer surface of the head is not controlled.

また、対象とするPb酸化物系介在物の粒径を1.0〜5.0μmの範囲に限定した理由は、上記のようにレール鋼の破壊の起点部を観察した結果、起点部には粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物が存在していたからである。この粒径範囲のPb酸化物系介在物が応力集中を引き起こし、衝撃値の低下を引き起こすことが確認されているからである。   Further, the reason why the particle size of the target Pb oxide-based inclusions was limited to the range of 1.0 to 5.0 μm is that, as described above, the starting point of the fracture of the rail steel was observed. This is because Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm were present. This is because it has been confirmed that Pb oxide-based inclusions in this particle size range cause stress concentration and cause a decrease in impact value.

なお、鋼中には粒径1.0μm未満のPb酸化物系介在物、及び5.0μm超のPb酸化物系介在物が存在し得る。しかし、粒径1.0μm未満のPb酸化物系介在物は、その周囲での応力集中が小さいので、衝撃値に大きな影響を与えないことがわかった。また、粒径5.0μm超のPb酸化物系介在物は、その周囲での応力集中は大きいが、その個数が非常に少ないので、実質的に破壊の起点として作用することがなく、評価対象とする意味が無いことが分かった。従って、粒径1.0μm未満のPb酸化物系介在物、及び5.0μm超のPb酸化物系介在物の個数密度は規定されない。   Note that Pb oxide-based inclusions having a particle size of less than 1.0 μm and Pb oxide-based inclusions having a particle size of more than 5.0 μm may be present in the steel. However, it was found that Pb oxide inclusions having a particle size of less than 1.0 μm did not significantly affect the impact value because stress concentration around the Pb oxide inclusions was small. The Pb oxide-based inclusions having a particle diameter of more than 5.0 μm have a large stress concentration around the Pb oxide inclusions, but the number thereof is very small. It turned out to be meaningless. Therefore, the number density of the Pb oxide-based inclusions having a particle size of less than 1.0 μm and the number density of the Pb oxide-based inclusions having a particle size of more than 5.0 μm are not specified.

(5)本実施形態のレールの製造方法
通常のレールの製造方法では、まず、高炉で製造した銑鉄を転炉精錬工程において精錬する。転炉工程では、酸素を溶鋼に吹き込み、石灰を投入し、P等の不純物を除去する。その後、取鍋において合金元素を溶鋼に添加し、FeSi等の投入により溶鋼の酸素量の制御を行う。さらに、必要に応じて真空脱ガス装置で溶鋼の水素量、窒素量、および酸素量等の制御を行う。この溶製された溶鋼を造塊・分塊法あるいは連続鋳造法によって鋳造してブルームを製造し、次に、ブルームに熱間圧延を行ってレール形状とする。さらに、必要に応じてレール頭部の金属組織や硬さを制御する目的から、レールに熱処理を行う。
(5) Method of Manufacturing Rail of Present Embodiment In a normal method of manufacturing a rail, first, pig iron manufactured in a blast furnace is refined in a converter refining process. In the converter step, oxygen is blown into molten steel, lime is charged, and impurities such as P are removed. Then, an alloy element is added to the molten steel in a ladle, and the amount of oxygen in the molten steel is controlled by introducing FeSi or the like. Further, if necessary, the amount of hydrogen, the amount of nitrogen, the amount of oxygen, and the like of the molten steel are controlled by a vacuum degassing device. This molten steel is cast by an ingot-bulking method or a continuous casting method to produce a bloom, and then the bloom is hot-rolled into a rail shape. Further, the rail is subjected to heat treatment for the purpose of controlling the metal structure and hardness of the rail head as required.

本実施形態のレールの製造方法では、転炉での精錬の間に溶鋼中に副原料としてスクラップを投入する。転炉精錬後、取鍋において合金を添加し、FeSi等の投入により酸素量の制御を行う。さらに、本実施形態のレールの製造方法では、合金、酸素量の制御された取鍋の溶鋼に不活性ガスによる攪拌を施し、溶鋼攪拌時間、及び攪拌処理後の溶鋼静置時間を制御し、Pb酸化物系介在物の個数密度を制御する。次に、溶鋼を鋳造してブルームとし、ブルームを熱間圧延してレール形状に成形する。また、必要に応じて、レール頭部の金属組織の制御、硬さの制御する目的から、熱間圧延後のレールに熱処理を行う。   In the rail manufacturing method of the present embodiment, scrap is introduced into molten steel as an auxiliary material during refining in a converter. After the converter refining, the alloy is added to the ladle, and the amount of oxygen is controlled by introducing FeSi or the like. Furthermore, in the rail manufacturing method of the present embodiment, the alloy, the molten steel of the ladle with controlled oxygen content is subjected to stirring with an inert gas, the molten steel stirring time, and the molten steel standing time after the stirring process is controlled, The number density of Pb oxide-based inclusions is controlled. Next, molten steel is cast into a bloom, and the bloom is hot-rolled to form a rail shape. If necessary, heat treatment is performed on the rail after hot rolling for the purpose of controlling the metal structure of the rail head and controlling the hardness.

(5−1)精錬条件(Pb含有量の制御)
まず、Pb含有量の制御方法から説明する。副原料としてスクラップが用いられる、本実施形態に係るレールの製造方法では、Pb含有量を制御するために、転炉精錬工程における溶鋼の溶製後、取鍋において酸素量を制御することが望ましい。事前に溶鋼の酸素量を測定し、溶鋼中の酸素量に応じた量のFeSi等の投入により、酸素量の制御を好ましく行う。さらに、必要に応じて真空脱ガス装置で残存酸素量の制御を行う。この残存した酸素を活用して、PbをPbの酸化物として生成させる。Pb含有量が過剰な場合は、この酸化物を鋼中から排出させ、溶鋼中のPb含有量を制御することが必要とされる。
(5-1) Refining conditions (control of Pb content)
First, the method for controlling the Pb content will be described. In the method for manufacturing a rail according to the present embodiment in which scrap is used as an auxiliary material, in order to control the Pb content, it is desirable to control the oxygen amount in a ladle after smelting molten steel in a converter refining process. . The amount of oxygen in the molten steel is measured in advance, and the amount of oxygen is preferably controlled by introducing FeSi or the like in an amount corresponding to the amount of oxygen in the molten steel. Further, the residual oxygen amount is controlled by a vacuum degassing device as needed. Utilizing this remaining oxygen, Pb is generated as an oxide of Pb. If the Pb content is excessive, it is necessary to discharge this oxide from the steel and control the Pb content in the molten steel.

(5−2)溶鋼撹拌及び溶鋼静置の条件(Pb酸化物系介在物の個数の制御)
次に、Pb酸化物系介在物の個数の制御方法について説明する。本実施形態に係るレールでは、頭部外郭表面から深さ2〜20mmの位置の横断面において、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物が被検面積1000μmあたり100個以下であることが望ましく、Pb酸化物をこのように制御するためには、本実施形態に係るレールの製造方法において、転炉精錬後の取鍋において、溶鋼に不活性ガスによる攪拌を施し、溶鋼攪拌時間、及び攪拌処理後の溶鋼静置時間を制御し、Pb酸化物系介在物の数の制御を行うことが必要とされる。
(5-2) Conditions for stirring and standing of molten steel (control of the number of Pb oxide-based inclusions)
Next, a method for controlling the number of Pb oxide-based inclusions will be described. In the rail according to the present embodiment, in a cross section at a position of 2 to 20 mm deep from the outer surface of the head, 100 Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm per 1000 μm 2 of the test area. In order to control the Pb oxide in this manner, in the rail manufacturing method according to the present embodiment, in the ladle after the converter refining, the molten steel is stirred with an inert gas, It is necessary to control the molten steel stirring time and the molten steel standing time after the stirring treatment to control the number of Pb oxide-based inclusions.

具体的には、転炉精錬後の取鍋において不活性ガスで溶鋼を攪拌すると、残存した酸素とPbの反応が促進され、Pb酸化物系介在物が生成する。さらに、溶鋼の撹拌は、溶鋼中のPb酸化物系介在物の凝集を促進し、Pb酸化物系介在物の浮上除去を促進する効果がある。したがって、Pb酸化物系介在物の個数を制御するには、溶鋼の攪拌時間は2分以上とするのが望ましい。しかしながら、長時間の攪拌は、溶鋼温度の低下により溶鋼の粘性を増大させ、Pb酸化物系介在物の浮上性を低下させる。従って、Pb酸化物系介在物の個数の制御を行う場合、攪拌時間は2.0〜4.0分の範囲内にすることが望ましい。   Specifically, when molten steel is stirred with an inert gas in a ladle after converter refining, the reaction between the remaining oxygen and Pb is promoted, and Pb oxide-based inclusions are generated. Further, stirring of the molten steel has an effect of promoting agglomeration of Pb oxide-based inclusions in the molten steel and promoting floating removal of the Pb oxide-based inclusions. Therefore, in order to control the number of Pb oxide-based inclusions, it is desirable that the stirring time of the molten steel be 2 minutes or more. However, long-time stirring increases the viscosity of the molten steel due to a decrease in the temperature of the molten steel, and lowers the levitation of Pb oxide-based inclusions. Therefore, when controlling the number of Pb oxide-based inclusions, it is desirable that the stirring time be in the range of 2.0 to 4.0 minutes.

また、転炉精錬後の取鍋において溶鋼を不活性ガスで十分攪拌した後に溶鋼を静置することが、溶鋼中に生成しているPb酸化物系介在物の浮上分離のために必要である。Pb酸化物系介在物の浮上分離を促進するためには、不活性ガスを用いた撹拌後の溶鋼を30分以上静置することが望ましい。但し、極端に静置時間を長くしても、溶鋼温度が低下して溶鋼の粘性が増大し、Pb酸化物系介在物の浮上性が低下するので、浮上分離効果が飽和する。従って、Pb酸化物系介在物の個数の制御を行う場合、溶鋼静置時間は30.0〜40.0分の範囲内にすることが望ましい。   Further, it is necessary to stir the molten steel in the ladle after the converter refining after sufficiently stirring the molten steel with an inert gas in order to float and separate the Pb oxide-based inclusions generated in the molten steel. . In order to promote the floating separation of Pb oxide inclusions, it is desirable that the molten steel after stirring using an inert gas is allowed to stand for 30 minutes or more. However, even if the standing time is extremely increased, the temperature of the molten steel decreases, the viscosity of the molten steel increases, and the floating property of the Pb oxide-based inclusions decreases, so that the floating separation effect is saturated. Therefore, when controlling the number of Pb oxide-based inclusions, it is desirable that the molten steel standing time be in the range of 30.0 to 40.0 minutes.

したがって、Pb酸化物系介在物(粒径範囲:1.0〜5.0μm)の個数密度を所定の値に収めるには、溶鋼の攪拌時間を2〜4分とし、溶鋼の静置時間を30〜40分とすることが必要である。   Therefore, in order to keep the number density of the Pb oxide-based inclusions (particle size range: 1.0 to 5.0 μm) at a predetermined value, the stirring time of the molten steel is set to 2 to 4 minutes, and the standing time of the molten steel is set to It needs to be 30 to 40 minutes.

(5−3)熱間圧延条件
熱間圧延条件については、パーライト組織を維持し、且つレール頭部の硬さを制御するため、下記に示す条件範囲で行う。
(5-3) Hot Rolling Conditions The hot rolling conditions are set in the following condition range in order to maintain the pearlite structure and control the hardness of the rail head.

まず、熱間圧延条件について説明する。   First, the hot rolling conditions will be described.

まず、ブルーム再加熱温度について説明する。ブルーム再加熱温度が1000℃未満では、レール圧延において熱間での造形性が確保できす、圧延疵が発生し、レール製造が困難となる。また、鋼の炭素量や合金量によっては、融点が低下するので、再加熱温度が1400℃を超えると、鋼が溶融し、レール製造が困難となる場合がある。従って、ブルーム再加熱温度は、1000〜1400℃の範囲である。   First, the bloom reheating temperature will be described. If the bloom reheating temperature is less than 1000 ° C., hot formability can be ensured in rail rolling, and rolling flaws occur, making rail production difficult. In addition, since the melting point is lowered depending on the amount of carbon or alloy of steel, if the reheating temperature exceeds 1400 ° C., the steel may be melted, and it may be difficult to manufacture rails. Therefore, the bloom reheating temperature is in the range of 1000-1400 ° C.

次に、最終圧延温度について説明する。   Next, the final rolling temperature will be described.

最終圧延温度が750℃未満では、圧延直後にパーライト変態が開始するので、圧延終了後の熱処理においてレールを高硬度化できず、耐摩耗性を確保できない。また、最終圧延温度が1100℃を超えると、圧延後のオーステナイト粒が粗大化し、焼入れ性が大幅に増加し、耐摩耗性に有害なベイナイト組織がレール頭部に生成する。この場合、レールの耐摩耗性が低下し、また、レールに必要な最低限の延性が確保できない。従って、最終圧延温度は750〜1100℃の範囲である。   If the final rolling temperature is lower than 750 ° C., the pearlite transformation starts immediately after the rolling, so that the rail cannot be hardened in the heat treatment after the rolling is completed, and the wear resistance cannot be secured. On the other hand, when the final rolling temperature exceeds 1100 ° C., austenite grains after rolling are coarsened, hardenability is greatly increased, and a bainite structure harmful to wear resistance is formed on the rail head. In this case, the wear resistance of the rail is reduced, and the minimum ductility required for the rail cannot be secured. Therefore, the final rolling temperature is in the range of 750 to 1100 ° C.

その他の熱間圧延条件については特に限定しない。レール頭部の硬さを確保するためには、ブルーム再加熱温度及び最終圧延温度を上述のように制御しながら、通常のレールの孔型圧延を行えばよい。例えば、鋼片を粗圧延した後、リバース圧延機による中間圧延を複数パスに渡って行い、続いて連続圧延機による仕上げ圧延を2パス以上行い、この仕上げ圧延の最終圧延時に、最終圧延温度を上記の温度範囲内に制御すればよい。   Other hot rolling conditions are not particularly limited. In order to secure the hardness of the rail head, ordinary groove rolling of the rail may be performed while controlling the bloom reheating temperature and the final rolling temperature as described above. For example, after rough rolling of a billet, intermediate rolling by a reverse rolling mill is performed over a plurality of passes, followed by finish rolling by a continuous rolling mill for two or more passes. What is necessary is just to control in the said temperature range.

(5−4)熱処理条件
熱間圧延後の熱処理条件については、パーライト組織を維持し、レール頭部の硬さを制御するために、下記に示す条件範囲で行う。
(5-4) Heat treatment conditions The heat treatment conditions after the hot rolling are performed in the following condition range in order to maintain the pearlite structure and control the hardness of the rail head.

まず、冷却速度について説明する。冷却速度が1℃/sec未満では、パーライト変態温度が上昇し、レールを高硬度化できず、レールの耐摩耗性を確保できない。また、冷却速度が20℃/secを超えると、本成分系では、レール頭部において、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する。従って、冷却速度を1〜20℃/secの範囲とする。   First, the cooling rate will be described. If the cooling rate is less than 1 ° C./sec, the pearlite transformation temperature increases, the rail cannot be hardened, and the abrasion resistance of the rail cannot be ensured. On the other hand, if the cooling rate exceeds 20 ° C./sec, in the present component system, a bainite structure or a martensite structure is generated at the rail head, and the wear resistance of the rail is reduced. Therefore, the cooling rate is in the range of 1 to 20 ° C./sec.

次に、冷却開始温度について説明する。冷却開始温度が700℃未満では、本成分系では、加速冷却前の高温度域でパーライト組織が生成するので、レールを高硬度化できず、レールの耐摩耗性を確保できない。また、冷却開始温度が700℃未満である場合、初析セメンタイト組織が生成し、レールの耐摩耗性が低下する場合もある。また、開始温度が900℃を超えると、レールの焼入れ性が大幅に増加し、レール頭部に耐摩耗性に有害なベイナイト組織が生成し、耐摩耗性が低下する。従って、冷却開始温度は、700〜900℃の範囲とする。   Next, the cooling start temperature will be described. If the cooling start temperature is less than 700 ° C., in the present component system, a pearlite structure is generated in a high temperature range before accelerated cooling, so that the rail cannot be hardened and the wear resistance of the rail cannot be secured. If the cooling start temperature is lower than 700 ° C., a pro-eutectoid cementite structure may be formed, and the wear resistance of the rail may be reduced. On the other hand, if the starting temperature exceeds 900 ° C., the hardenability of the rail is greatly increased, and a bainite structure harmful to the wear resistance is generated at the rail head, and the wear resistance is reduced. Therefore, the cooling start temperature is set in the range of 700 to 900 ° C.

次に、冷却停止温度について説明する。冷却停止温度が650℃を超えると、本成分系では、冷却直後の高温度域でパーライト変態が開始するので、硬さが低いパーライト組織が多く生成する。その結果、頭部の硬さが確保できず、レールに必要な耐摩耗性を確保することが困難となる。また、500℃未満まで加速冷却を行うと、本成分系では、冷却停止直後に耐摩耗性に有害なベイナイト組織が多く生成する。その結果、レールとして必要な耐摩耗性を確保することが困難となる。従って、冷却停止温度は500〜650℃の範囲とする。   Next, the cooling stop temperature will be described. If the cooling stop temperature exceeds 650 ° C., in the present component system, pearlite transformation starts in a high temperature range immediately after cooling, so that many pearlite structures with low hardness are generated. As a result, the hardness of the head cannot be secured, and it becomes difficult to secure the required wear resistance of the rail. When accelerated cooling is performed to less than 500 ° C., in the present component system, a large amount of bainite structure harmful to wear resistance is generated immediately after cooling is stopped. As a result, it becomes difficult to secure the required wear resistance of the rail. Therefore, the cooling stop temperature is in the range of 500 to 650 ° C.

レールの熱処理冷媒の種類は特に限定しない。レールに耐摩耗性を付与するために、レールの硬さを制御するためには、空気噴射冷却、ミスト冷却、水及び空気の混合噴射冷却、又はこれらの組み合わせにより、熱処理時のレールの冷却速度を上述のように制御する。なお、レールの冷却速度が上述の範囲内となる場合であれば、熱間圧延後のレールを室温まで自然放冷してもよく、この場合、上述の冷却開始温度及び冷却停止温度の規定は無視しても良い。   The type of the heat treatment refrigerant for the rail is not particularly limited. In order to impart the wear resistance to the rail, the hardness of the rail is controlled by air cooling, mist cooling, mixed cooling of water and air, or a combination thereof, thereby cooling the rail at the time of heat treatment. Is controlled as described above. If the cooling rate of the rail is within the above range, the rail after hot rolling may be naturally cooled to room temperature.In this case, the above-described cooling start temperature and cooling stop temperature are defined as follows. You can ignore it.

次に、本発明の実施例について説明する。実施例1においては、化学成分および製造方法がレールの構成および特性に及ぼす影響を調査し、実施例2においては、市場に流通するスクラップを副材料として本発明レールを製造した際の効果について調査した。   Next, examples of the present invention will be described. In Example 1, the effect of the chemical composition and the manufacturing method on the configuration and characteristics of the rail was investigated, and in Example 2, the effect of manufacturing the rail of the present invention using scrap marketed as an auxiliary material was investigated. did.

表1−1〜表1−4に本発明レールの化学成分と諸特性を示し、表2−1及び表2−2に比較レールの化学成分と諸特性を示す。表1−1〜表2−2には、化学成分値、頭部のミクロ組織、頭部の硬さ、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の個数密度(Pb酸化物個数密度)を示す。さらに、図4に示す方法で行った摩耗試験結果、及び衝撃試験結果も表に併記した。表1−1〜表3−2において、組織が「P」と記載されている試料は、パーライト(P)量が95面積%以上であったことを示しており、「P+F」と記載されている試料は、パーライト量が95面積%未満であり、残部が初析フェライト(F)であったことを示しており、「P+B+M」と記載されている試料は、パーライト量が95面積%未満であり、残部がベイナイト(B)及びマルテンサイト(M)であったことを示しており、「P+C」と記載されている試料は、パーライト量が95面積%未満であり、残部が初析セメンタイト(C)であったことを示している。表1−1〜表3−2において、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の個数(個/1000μm)が「超過」と記載されている試料は、上記の粒径範囲のPb酸化物系介在物の数が100個/1000μm超であったことを示している。 Tables 1-1 to 1-4 show the chemical components and various characteristics of the rail of the present invention, and Tables 2-1 and 2-2 show the chemical components and various characteristics of the comparative rail. Table 1-1 and Table 2-2 show the chemical component values, the microstructure of the head, the hardness of the head, and the number density (Pb oxidation) of Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm. Object number density). Further, the results of the wear test and the impact test performed by the method shown in FIG. 4 are also shown in the table. In Tables 1-1 to 3-2, the samples whose structures are described as "P" indicate that the pearlite (P) amount was 95 area% or more, and were described as "P + F". The samples having a pearlite content of less than 95 area% and the remainder were proeutectoid ferrite (F) showed that the sample described as “P + B + M” had a pearlite content of less than 95 area%. Indicates that the balance was bainite (B) and martensite (M). In the sample described as “P + C”, the pearlite amount was less than 95 area%, and the balance was proeutectoid cementite ( C). In Tables 1-1 to 3-2, the samples in which the number (number / 1000 μm 2 ) of Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm is described as “excess” are the above-mentioned particles. It shows that the number of Pb oxide-based inclusions in the diameter range was more than 100/1000 μm 2 .

表1−1〜表2−2に示した本発明例および比較例の製造工程および製造条件の概略は下記に示すとおりである。
●全体工程
精錬工程:転炉で銑鉄に副原料としてスクラップを投入、酸素を溶鋼に吹き込み、石灰を投入し、P等の不純物を除去→成分調整(取鍋):合金を添加、FeSi等の投入により酸素量の制御→鋳造(ブルーム)→再加熱→熱間圧延→熱処理
本発明例および比較例の副原料は、切り板、打ち抜き屑、切削屑、及び切り粉等の、製造業の生産段階で発生するスクラップ(工場発生スクラップ、または高品位スクラップと称される)、及びPbめっき鋼板からなるスクラップとした。Pbがレールの特性に及ぼす影響を調査するためには、合金元素の含有量を精度よく制御する必要があるからである。高品位スクラップ及びPbめっき鋼板は、合金元素量のばらつきが少ないので、レール中の合金元素量の制御に適する。
The outline of the production steps and production conditions of the present invention examples and comparative examples shown in Tables 1-1 to 2-2 are as follows.
● Overall process Refining process: Injecting scrap into pig iron as auxiliary material in a converter, blowing oxygen into molten steel, introducing lime, removing impurities such as P → Component adjustment (ladle): adding alloy, adding FeSi, etc. Control of oxygen amount by injection → Casting (bloom) → Reheating → Hot rolling → Heat treatment The auxiliary materials of the present invention and comparative examples are produced in the manufacturing industry, such as cut sheets, punched chips, cutting chips, and chips. Scrap generated at the stage (referred to as factory-generated scrap or high-grade scrap) and scrap made of Pb-plated steel sheet were used. This is because in order to investigate the effect of Pb on the characteristics of the rail, it is necessary to control the content of the alloy element with high accuracy. High-grade scrap and Pb-plated steel sheets are suitable for controlling the amount of alloying elements in the rails because the amount of alloying elements in the rails is small.

また、表1−1〜表2−2に示した本発明例及び比較例の製造条件の概略は下記に示すとおりである。
●熱間圧延条件
再加熱温度:1000〜1400℃、最終圧延温度:750〜1100℃
●熱間圧延後の熱処理(冷却)条件
冷却速度:1〜20℃/sec、冷却開始温度:700〜900℃、冷却停止温度:500〜650℃
さらに、Pb酸化物系介在物の個数密度を制御するために、上記の溶鋼の成分調整を下記の条件で行った。
●転炉精錬後の溶鋼処理
不活性ガスによる溶鋼攪拌時間:0.5〜4分
攪拌処理後の溶鋼静置時間:10〜40分
なお、表3−1および表3−2には、本発明レールの一部の詳細な製造条件を記載している。また、C1〜C5は、表3−1の「鋼成分No.」に記載の実施例の鋼の化学成分のものを用いて製造したものである。製造条件をさらに最適化することにより、Pb酸化物系介在物の個数密度を制御することが可能となり、さらなる靭性の改善が可能である。
The production conditions of the present invention examples and comparative examples shown in Tables 1-1 to 2-2 are as follows.
● Hot rolling conditions Reheating temperature: 1000-1400 ° C, final rolling temperature: 750-1100 ° C
● Heat treatment (cooling) conditions after hot rolling Cooling rate: 1 to 20 ° C / sec, cooling start temperature: 700 to 900 ° C, cooling stop temperature: 500 to 650 ° C
Further, in order to control the number density of the Pb oxide-based inclusions, the components of the molten steel were adjusted under the following conditions.
● Molten steel treatment after converter refining Molten steel stirring time by inert gas: 0.5 to 4 minutes Molten steel standing time after stirring treatment: 10 to 40 minutes Note that Table 3-1 and Table 3-2 show Some detailed manufacturing conditions of the inventive rail are described. In addition, C1 to C5 were manufactured using the chemical components of the steel of the examples described in “Steel Component No.” in Table 3-1. By further optimizing the manufacturing conditions, the number density of Pb oxide-based inclusions can be controlled, and the toughness can be further improved.

表に示した本発明例のレールおよび比較例のレールの詳細は下記に示すとおりである。   The details of the rail of the present invention example and the rail of the comparative example shown in the table are as follows.

(1)本発明レール(51本)
発明例A1〜A51:化学成分値、頭表部のミクロ組織、頭表部の硬さが本願発明範囲内のレール。
(1) Rail of the present invention (51)
Invention Examples A1 to A51: Rails in which the chemical component values, the microstructure of the head and the hardness of the head are within the scope of the present invention.

発明例A1〜A10、A12、A14、A16、A17、A19、A21、A23、A25、A27〜A32、A34、A36、A38、A40、A42、A44、A46、A48、A50:化学成分値、頭表部のミクロ組織、頭表部の硬さが本願発明範囲内のレール。
発明例A11、A13、A15、A18、A20、A22、A24、A26、A33、A35、A37、A39、A41、A43、A45、A47、A49、A51:化学成分値、頭表部のミクロ組織、頭表部の硬さ、さらには、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の個数密度が本願発明範囲内のレール。
Invention Examples A1 to A10, A12, A14, A16, A17, A19, A21, A23, A25, A27 to A32, A34, A36, A38, A40, A42, A44, A46, A48, A50: Chemical component values, head table The microstructure of the part and the hardness of the head surface are within the scope of the present invention.
Invention Examples A11, A13, A15, A18, A20, A22, A24, A26, A33, A35, A37, A39, A41, A43, A45, A47, A49, A51: Chemical component value, head surface microstructure, head A rail having a hardness of a surface portion and a number density of Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm within the range of the present invention.

(2)比較レール(14本)
比較例B1〜B14(14本):化学成分値、頭表部のミクロ組織、頭表部の硬さの1つ以上が本願発明範囲外のレール。
比較例B1〜B8(8本):C、Si、Mn、P、S含有量が本願発明範囲外のレール。
比較例B9〜B14(6本):Pb含有量が本願発明範囲外のレール。
(2) Comparative rails (14)
Comparative Examples B1 to B14 (14 pieces): Rails in which one or more of the chemical component value, the microstructure of the head and the hardness of the head are out of the range of the present invention.
Comparative Examples B1 to B8 (eight): Rails in which the contents of C, Si, Mn, P, and S are out of the range of the present invention.
Comparative Examples B9 to B14 (six): Rails whose Pb content is out of the range of the present invention.

[レール頭表部の硬さの測定方法]
●測定装置:ビッカース硬度計(荷重98N)
●測定用試験片採取:レール頭表部の横断面からサンプル切り出し
●事前処理:横断面を粒径1μmのダイヤモンド砥粒で研磨
●測定方法:JIS Z 2244に準じて測定
硬さの算定
頭部外郭表面下2mm:図2に示す頭表部の断面の、頭部外郭表面から深さ2mmの位置において20点の硬度測定を行い、これにより得られた硬度の平均値を、当該位置での硬さとした。
頭部外郭表面下20mm:図2に示す頭表部の断面の、頭部外郭表面から深さ20mmの位置において20点の硬度測定を行い、これにより得られた硬度の平均値を、当該位置での硬さとした。
頭表部硬さの合否判断:頭部外郭表面下2mm深さ位置および頭部外郭表面下20mm深さ位置における硬さの両方が本願発明範囲内である場合、頭表部硬さに関し合格と判定した。
[Pb酸化物系介在物の粒径及び個数の測定方法]
●事前処理:断面をダイヤモンド研磨
●装置:走査型電子顕微鏡 倍率:1000〜2000
●事前分析:電子線マイクロアナライザーにより成分分析を実施し、PbとOの複合介在物を特定する。
●測定位置:頭部外郭表面を起点として深さ5mmを中心とした視野で観察
●評価対象とするPb酸化物系介在物の粒径範囲:1.0〜5.0μm
●粒径の測定:Pb酸化物系介在物のみ選択し、その面積を求め、面積に相当する円の直径で粒径を算定。
●個数の算定:20視野の観察を行い、Pb酸化物系介在物数をカウントし、1000μmあたりの数に換算し、その平均値を求めた。
[Measurement method of hardness of rail head surface]
● Measuring device: Vickers hardness tester (load 98N)
● Sampling of test specimen for measurement: Cutting out a sample from the cross section of the rail head surface section ● Pretreatment: Polishing the cross section with diamond abrasive grains having a particle size of 1 μm ● Measurement method: Calculation head for measuring hardness according to JIS Z 2244 2 mm below outer surface: hardness measurement at 20 points at a depth of 2 mm from the outer surface of the head of the cross section of the head surface shown in FIG. 2, and the average value of the hardness obtained at this position is calculated. Hardness.
20 mm below the outer surface of the head: The hardness of 20 points is measured at a position at a depth of 20 mm from the outer surface of the head in the cross section of the head surface shown in FIG. 2, and the average value of the hardness obtained by the measurement is calculated at the position. And hardness.
Pass / fail judgment of head surface hardness: When both the hardness at the position of 2 mm below the surface of the head outer surface and the hardness at the position of 20 mm below the surface of the head outer surface are within the scope of the present invention, the head surface hardness is passed. Judged.
[Method for measuring particle size and number of Pb oxide inclusions]
● Pretreatment: Diamond polishing of cross section ● Equipment: Scanning electron microscope Magnification: 1000-2000
● Pre-analysis: Conduct component analysis using an electron beam microanalyzer to identify complex inclusions of Pb and O.
● Measurement position: Observed in a visual field centered on a depth of 5 mm starting from the outer surface of the head ● Particle size range of Pb oxide inclusions to be evaluated: 1.0 to 5.0 μm
● Measurement of particle size: Only Pb oxide inclusions are selected, the area is determined, and the particle size is calculated by the diameter of a circle corresponding to the area.
● Calculation of the number: Observation was performed in 20 visual fields, the number of Pb oxide-based inclusions was counted, converted to the number per 1000 μm 2 , and the average value was calculated.

[摩耗試験]
●試験機:西原式摩耗試験機(図4参照)
●試験片形状(レール材4):円盤状試験片(外径:30mm、厚さ:8mm)
●試験片採取位置:頭部外郭表面下2mmに相当する位置(頭部表面、図5参照)
●試験荷重:686N(接触面圧640MPa)
●すべり率:20%
●相手材(車輪材5):パーライト鋼(Hv380)
●雰囲気:大気中
●冷却:冷却用エアーノズル6から圧搾空気噴射による強制冷却(流量:100Nl/分)
●繰返し回数:70万回
[Wear test]
● Testing machine: Nishihara type abrasion testing machine (see Fig. 4)
● Test piece shape (rail material 4): Disc-shaped test piece (outer diameter: 30 mm, thickness: 8 mm)
● Specimen sampling position: Position equivalent to 2 mm below the head outer surface (head surface, see Fig. 5)
● Test load: 686N (contact surface pressure 640MPa)
● Slip ratio: 20%
● Material (wheel material 5): Pearlite steel (Hv380)
● Atmosphere: In the air ● Cooling: Forced cooling by compressed air injection from cooling air nozzle 6 (flow rate: 100 Nl / min)
● Number of repetitions: 700,000

[衝撃試験]
●試験機:衝撃試験機
●試験片形状:JIS3号2mmUノッチ
●試験片採取位置:レール頭部外郭表面下2mmに相当する位置(図6参照、ノッチ位置4mm下)
●試験温度:常温(20℃)
[Impact test]
● Testing machine: Impact testing machine ● Test piece shape: JIS No.2 2mm U notch ● Test piece sampling position: Position corresponding to 2mm below the outer surface of the rail head outer surface (see Fig. 6, notch position 4mm below)
● Test temperature: room temperature (20 ℃)

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表1−1〜表2−2に示すように、本発明例のレール(A1〜A51)は、C、Si、Mn、P、及びSの含有量を限定範囲内に収め、初析フェライト相、初析セメンタイト相、ベイナイト組織、及びマルテンサイト組織の生成を抑制して頭表部を95面積%以上のパーライト組織とすることにより、比較例のレール(B1〜B8)よりも耐摩耗性や靭性が向上した。   As shown in Tables 1-1 to 2-2, the rails (A1 to A51) of the present invention contained the contents of C, Si, Mn, P, and S within a limited range, and showed a proeutectoid ferrite phase. By suppressing the formation of a proeutectoid cementite phase, a bainite structure, and a martensite structure to make the head surface part a pearlite structure of 95 area% or more, the abrasion resistance and the abrasion resistance are higher than those of the comparative example rails (B1 to B8). Improved toughness.

さらに、本発明例のレール(A1〜A51)は、Pb含有量を限定範囲内に収めることにより、比較例のレール(B9〜B14)よりも靭性を向上させることができる。   Furthermore, the rails (A1 to A51) of the present invention can have higher toughness than the rails (B9 to B14) of the comparative example by keeping the Pb content within a limited range.

図7に本発明例のレール(A27〜A32)のPb含有量と衝撃値との関係を示す。図7に示すように、本発明例のレール(A27〜A32)は、Pb含有量が0.0015%以下、または0.0010%以下にさらに制御されることにより、靭性が安定的に向上した。   FIG. 7 shows the relationship between the Pb content of the rails (A27 to A32) of the present invention and the impact value. As shown in FIG. 7, in the rails (A27 to A32) of the example of the present invention, the Pb content was further controlled to 0.0015% or less, or 0.0010% or less, whereby the toughness was stably improved. .

図8に本発明例のレール(A10〜A51)の炭素量と衝撃値との関係を示す。本発明例のレール(A10〜A51)において、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の個数密度を被検面積1000μmあたり100個以下に制御することにより、靭性をさらに向上させることができた。 FIG. 8 shows the relationship between the carbon content and the impact value of the rails (A10 to A51) of the example of the present invention. In the rails (A10 to A51) of the present invention, the toughness is further improved by controlling the number density of Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm to 100 or less per 1000 μm 2 of the test area. Could be improved.

なお、本摩耗試験は実軌道を再現した評価試験である。これまでに炭素量0.75〜1.20%のパーライト鋼の摩耗試験と実軌道の相関を解明した結果、本試験の摩耗量が1.20gf以下の場合、炭素量0.75〜1.20%のレールにおいて実軌道で耐摩耗性の向上が確認されている。ここでは摩耗量1.20gf以下を評価基準として、耐摩耗性の向上の有無を判断した。   The wear test is an evaluation test that reproduces an actual track. As a result of elucidating the correlation between the wear test and the actual orbit of the pearlite steel having a carbon content of 0.75 to 1.20%, when the wear amount in this test is 1.20 gf or less, the carbon content is 0.75 to 1. It has been confirmed that 20% of the rails have improved wear resistance on actual tracks. Here, the presence or absence of improvement in wear resistance was determined based on the evaluation criteria of a wear amount of 1.20 gf or less.

また、本衝撃試験はレール鋼の必要とされる靭性を確認する評価試験である。これまでにパーライト鋼(0.75〜1.20%C)の衝撃値を解析した結果、本試験の衝撃値が10.0J/cm以上の場合、実軌道においてレールの靭性の確保が確認されている。ここでは衝撃値が10.0J/cm以上を評価基準として靭性確保の有無を判断した。 This impact test is an evaluation test for confirming the required toughness of the rail steel. As a result of analyzing the impact value of pearlite steel (0.75 to 1.20% C) so far, if the impact value of this test is 10.0 J / cm 2 or more, it is confirmed that the toughness of the rail is secured on the actual track. Have been. Here, it was determined whether toughness was ensured based on an impact value of 10.0 J / cm 2 or more as an evaluation criterion.

また、表3−1および表3−2に示すように、頭部の熱間圧延、熱処理をある一定の条件で行い、初析セメンタイト相、ベイナイト組織、マルテンサイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さを確保することにより、耐摩耗性や靭性を向上させることができる。さらに、転炉精錬工程後の取鍋において、攪拌時間、攪拌処理後の溶鋼の静置時間を制御することにより、Pbの炭化物の個数密度を制御し、靭性をより一層向上させることができる。   In addition, as shown in Tables 3-1 and 3-2, hot rolling and heat treatment of the head were performed under certain conditions to suppress the formation of a proeutectoid cementite phase, a bainite structure, and a martensite structure, and By ensuring the hardness of the tissue, wear resistance and toughness can be improved. Furthermore, in the ladle after the converter refining process, by controlling the stirring time and the standing time of the molten steel after the stirring treatment, the number density of the carbide of Pb can be controlled, and the toughness can be further improved.

市場に流通する一般的なスクラップを副材料として、実施例1と同じ製造条件で本発明例を作成し、実施例1と同じ方法で構成および特性を評価した。結果を表4−1および表4−2に示す。   Examples of the present invention were prepared under the same manufacturing conditions as in Example 1 using general scraps available on the market as sub-materials, and the structure and characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 4-1 and Table 4-2.

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表4−2に示されるように、市場に流通するスクラップが副材料であっても、Pb含有量を所定範囲内に制御することにより、優れた特性を有するレールが得られた。   As shown in Table 4-2, a rail having excellent characteristics was obtained by controlling the Pb content within a predetermined range even when scrap distributed in the market was an auxiliary material.

1:頭頂部
2:頭部コーナー部
3:レール頭部
3a:頭表部(頭部コーナー部および頭頂部の表面から深さ20mmまでの範囲、斜線部)
4:レール材
5:車輪材
6:冷却用エアーノズル
1: Top of head 2: Head corner 3: Rail head 3a: Head surface (range from head corner and top surface to a depth of 20 mm, shaded area)
4: Rail material 5: Wheel material 6: Air nozzle for cooling

Claims (3)

単位質量%で、
C:0.75〜1.20%、
Si:0.10〜2.00%、
Mn:0.10〜2.00%、
P≦0.0250%、
S≦0.0250%、
Pb:0.0005〜0.0020%を含有し、
残部がFeおよび不純物からなり、
頭部外郭表面から深さ20mmまでの範囲の95面積%以上がパーライト組織であり、かつ、
前記頭部外郭表面から深さ20mmまでの前記範囲の硬さがHv300〜500の範囲である
ことを特徴とする耐摩耗性および靭性に優れたレール。
In unit mass%,
C: 0.75 to 1.20%,
Si: 0.10 to 2.00%,
Mn: 0.10-2.00%,
P ≦ 0.0250%,
S ≦ 0.0250%,
Pb: 0.0005 to 0.0020%,
The balance consists of Fe and impurities,
95% or more of the area from the outer surface of the head to a depth of 20 mm is a pearlite structure, and
A rail having excellent wear resistance and toughness, wherein the hardness from the outer surface of the head to the depth of 20 mm is in the range of Hv 300 to 500.
前記頭部外郭表面から深さ2〜20mmの範囲の横断面において、粒径1.0〜5.0μmのPb酸化物系介在物の個数密度が被検面積1000μmあたり100個以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の耐摩耗性および靭性に優れたレール。
The number density of Pb oxide-based inclusions having a particle size of 1.0 to 5.0 μm in a cross section having a depth of 2 to 20 mm from the outer surface of the head is not more than 100 per 1000 μm 2 of the test area. The rail with excellent wear resistance and toughness according to claim 1, characterized in that:
さらに、単位質量%で、
a群:Cr:2.00%以下、及びMo:0.50%以下の1種または2種、
b群:Co:1.00%以下、
c群:B:0.0050%以下、
d群:Cu:1.00%以下、及びNi:1.00%以下の1種または2種、
e群:V:0.50%以下、Nb:0.0500%以下、及びTi:0.0500%以下の1種または2種以上、
f群:Mg:0.0200%以下、Ca:0.0200%以下、及びREM:0.0500%以下の1種または2種以上、
g群:Zr:0.0200%以下、
h群:Al:1.00%以下、
i群:N:0.0200%以下
の1群または2群以上を含有する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の耐摩耗性および靭性に優れたレール。
Furthermore, in unit mass%,
a group: one or two of Cr: 2.00% or less and Mo: 0.50% or less;
Group b: Co: 1.00% or less,
Group c: B: 0.0050% or less,
d group: one or two of Cu: 1.00% or less, and Ni: 1.00% or less;
Group e: one or more of V: 0.50% or less, Nb: 0.0500% or less, and Ti: 0.0500% or less;
Group f: one or more of Mg: 0.0200% or less, Ca: 0.0200% or less, and REM: 0.0500% or less;
g group: Zr: 0.0200% or less,
h group: Al: 1.00% or less,
3. The rail having excellent wear resistance and toughness according to claim 1, wherein one or more groups of i group: N: 0.0200% or less are contained. 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6439356A (en) * 1987-08-06 1989-02-09 Hitachi Metals Ltd High-speed tool steel
JP2809677B2 (en) * 1989-03-22 1998-10-15 日立金属株式会社 Rolling die steel
JPH08246100A (en) * 1995-03-07 1996-09-24 Nippon Steel Corp Perlite rail with excellent wear resistance and method for manufacturing the same
JP2000008142A (en) * 1998-06-24 2000-01-11 Nippon Steel Corp Pearlitic rail with excellent resistance to internal fatigue damage and its manufacturing method
JP3487234B2 (en) * 1999-08-23 2004-01-13 住友金属工業株式会社 Manufacturing method of high carbon steel slab for seamless steel pipe
JP4410342B2 (en) * 1999-08-24 2010-02-03 新日本製鐵株式会社 Rails with low thermal expansion and excellent wear resistance
JP3996824B2 (en) * 2002-09-12 2007-10-24 新日本製鐵株式会社 Steel for liquid phase diffusion bonding with excellent low temperature transformation cracking resistance
RU2476617C1 (en) * 2009-08-18 2013-02-27 Ниппон Стил Корпорейшн Pearlite rails
CN104185690A (en) * 2012-04-23 2014-12-03 新日铁住金株式会社 Rail
BR112018073094A2 (en) * 2016-05-19 2019-03-06 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp rail

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