JP7620259B1 - Pearlite Rail - Google Patents
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Abstract
本開示の一態様に係るパーライトレールは、質量%で、C:0.65~1.20%、Si:0.05~2.00%、Mn:0.05~2.00%、Cr:0.02~2.00%、N:0.0020~0.0200%、V:0.010~0.100%、Nb:0%以上0.005%未満、及びTi:0%以上0.005%未満、Mo:0~0.100%等を含有し、残部はFe及び不純物からなり、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織が、面積率で95%以上のパーライト組織を含み、頭頂部の表面から25mm深さの位置の硬さが少なくともHV350であり、頭頂部の表面から25mm深さの位置におけるパーライト組織のセメンタイト界面上に存在する、粒径4nm以上の、Vを含む窒化物粒子の単位界面面積当たりの個数密度が、1.0×1010個cm-2未満である。 A pearlite rail according to one embodiment of the present disclosure contains, by mass%, C: 0.65 to 1.20%, Si: 0.05 to 2.00%, Mn: 0.05 to 2.00%, Cr: 0.02 to 2.00%, N: 0.0020 to 0.0200%, V: 0.010 to 0.100%, Nb: 0% or more and less than 0.005%, Ti: 0% or more and less than 0.005%, Mo: 0 to 0.100%, and the balance being Fe and impurities. the structure in the range from the outer surface of the head to a depth of 25 mm contains a pearlite structure at an area ratio of 95% or more, the hardness at a position 25 mm deep from the surface of the top of the head is at least HV350, and the number density per unit interface area of V-containing nitride particles having a particle size of 4 nm or more and present on the cementite interface of the pearlite structure at a position 25 mm deep from the surface of the top of the head is less than 1.0 x 1010 particles cm -2 .
Description
本開示は、重荷重鉄道で使用されるレールにおいて、頭部の耐摩耗性と延性を同時に向上させることを目的としたパーライトレールに関するものである。 This disclosure relates to pearlitic rails intended to simultaneously improve the wear resistance and ductility of the head of rails used on heavy-duty railways.
海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送の高効率化を図るため、貨物の高集積化を進めている。特に急曲線のレールでは、G.C.部(Gauge Corner部)や頭側部の耐摩耗性が十分確保できない。これにより、摩耗によるレール使用寿命の低下が問題となってきた。このような背景から、現用の共析炭素鋼含有の高強度レール以上の耐摩耗性を有するレールの開発が求められている。 Heavy-duty railways overseas are promoting the high concentration of freight in order to improve the efficiency of railway transport. In particular, in rails with sharp curves, the wear resistance of the G.C. (gauge corner) and head side sections cannot be sufficiently ensured. This has led to a problem of reduced rail life due to wear. Against this background, there is a demand for the development of rails with wear resistance equal to or greater than that of currently used high-strength rails containing eutectoid carbon steel.
一般に、耐摩耗性はレールの硬度が高いほど優れることが知られている。しかし実際には、非特許文献1にあるように、使用中に表層部が加工硬化して硬度が上昇することによって、耐摩耗性が向上することが報告されている。また、非特許文献2に記載されているように、単に初期硬度が高いマルテンサイト鋼やベイナイト鋼よりも、加工硬化特性に優れたパーライト鋼が耐摩耗性に優れていることが示されている。しかしながら、どのようなミクロ組織構造のパーライト鋼の耐摩耗性が優れるかについては示されておらず、レール製造における指針は十分ではなかった。It is generally known that the harder the rail, the better its wear resistance. However, as described in Non-Patent
特許文献1では、Ti、V、Nb、Mo等の炭窒化物生成元素を一定量添加することによりオーステナイト相にこれらの炭窒化析出物粒子を生成し、熱間圧延時のオーステナイトの粒成長を抑制し微細粒とすることでパーライト変態後のブロックサイズを微細化し、延性を向上させることが述べられている。
さらに一方で、特許文献2ではW、V、Nb等を添加することで、パーライト変態後にフェライト相中に炭窒化物を析出させ、フェライト相を強化することによって、耐摩耗性を向上させる方法が開示されている。この2つの文献では、同種の元素を添加することで、レールの異なる特性を向上させることを示唆している。 On the other hand, Patent Document 2 discloses a method of improving wear resistance by adding W, V, Nb, etc. to precipitate carbonitrides in the ferrite phase after pearlite transformation and strengthen the ferrite phase. These two documents suggest that adding the same type of element improves different properties of rails.
これらはパーライト中の析出物として主に炭化物を利用していたのに対し、特許文献3では、窒化物からなる微細粒子をフェライト中に析出させることにより耐疲労損傷性や耐摩耗性を向上させることが述べられている。また特許文献4では、窒化物からなる微細粒子をフェライト中に析出させることにより、耐疲労損傷性と耐遅れ破壊性を向上させることが述べられている。これらの文献では、フェライト中に析出させる窒化物粒子の粒子サイズや個数密度、また成分組成を規定している。
While these mainly use carbides as precipitates in pearlite,
特許文献5には、質量%で、C:0.65~1.20%、Si:0.05~2.00%、Mn:0.05~2.00%、Cr:0.02~2.00%を含有し、さらに、V、Nb、Ti、Moの2種以上がそれぞれ少なくとも0.005%以上でV+Nb+Ti+Mo:0.02~0.20%含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなり、頭頂部の硬度が少なくとも340Hvである鋼レールにおいて、フェライト相中の10nm以下の炭窒化析出物粒子の個数密度が5×1015cm-3以下であることを特徴とするパーライトレールが開示されている。 Patent Document 5 discloses a pearlite rail which contains, by mass%, 0.65-1.20% C, 0.05-2.00% Si, 0.05-2.00% Mn, 0.02-2.00% Cr, at least 0.005% or more of two or more of V, Nb, Ti and Mo, and 0.02-0.20% V+Nb+Ti+Mo, with the balance being Fe and unavoidable impurities, and has a head hardness of at least 340 Hv, and in which the number density of carbonitriding precipitate particles of 10 nm or less in the ferrite phase is 5×10 15 cm -3 or less.
特許文献6には、Cを0.60~1.20%含む鋼をレールに圧延する際、仕上げ圧延において、850~1000℃の間で1パス当たり断面減少率5~30%の圧延を2パス以上で且つ圧延パス間を8秒以下とする連続仕上げ圧延を施し、続いて冷却速度が0.5~50℃/sで800~950℃まで冷却し、その後、放冷または加速冷却する高靭性レールの製造法が開示されている。Patent Document 6 discloses a method for producing high-toughness rails in which, when steel containing 0.60 to 1.20% C is rolled into a rail, continuous finish rolling is performed in two or more passes at 850 to 1000°C with a cross-sectional area reduction rate of 5 to 30% per pass and with 8 seconds or less between passes, followed by cooling to 800 to 950°C at a cooling rate of 0.5 to 50°C/s, and then allowing to cool or allowing to cool with acceleration.
このような背景から、重荷重鉄道で使用されるレールであって、頭部の硬度、耐摩耗性、及び延性に優れたパーライトレールと、それらの製造方法が求められていた。近年行われている窒化物粒子の活用は、今まで不純物として残留していた不要な固溶Nを除ける観点、及びレール硬化の観点でも優れたものである。しかし、窒化物粒子をパーライト中に析出させる位置に関する知見は、十分とは言えなかった。本開示は上述した問題点に鑑み案出されたものであり、その目的とするところは、重荷重鉄道のレールで要求される頭頂部の耐摩耗性及び延性を同時に向上させることを目的としたものである。 In light of this background, there has been a demand for pearlite rails for use in heavy-duty railways, which have excellent head hardness, wear resistance, and ductility, and for methods of manufacturing the same. The use of nitride particles, which has been practiced in recent years, is excellent in terms of removing unnecessary dissolved N that has remained as an impurity until now, and in terms of rail hardening. However, knowledge regarding the location at which nitride particles should be precipitated in pearlite has been insufficient. The present disclosure has been devised in light of the above-mentioned problems, and its purpose is to simultaneously improve the wear resistance and ductility of the head portion required for rails of heavy-duty railways.
本発明者らは、パーライトレールの表面硬度及び内部硬度、並びに転がり摩耗表面に関し、詳細な組織学的な研究を重ねた。その結果本発明者らは、摩耗試験によって接触表面領域のパーライトラメラの間隔が狭くなり(パーライトラメラ微細化)、さらにそれらが微結晶化することによって、表面領域の硬度上昇が著しく大きくなり、その硬度上昇が大きいほど耐摩耗性に優れるという知見を有していた。このラメラ薄膜化及び微結晶化による硬度上昇では、パーライト中のラメラフェライト(フェライト相)が軟質かつ延性に富むことによって塑性変形が容易になり、ラメラセメンタイトとラメラフェライトからなるパーライト組織が薄膜化及び微細化されやすくなる。今回、それを阻害する要因があった場合に、耐摩耗性低下や疲労損傷発生の原因となることがわかった。The inventors have conducted detailed structural studies on the surface hardness and internal hardness of pearlite rails, as well as the rolling wear surface. As a result, the inventors have found that the wear test narrows the spacing of the pearlite lamellae in the contact surface area (refining of pearlite lamellae), and they further become microcrystallized, resulting in a significant increase in the hardness of the surface area, and the greater the increase in hardness, the better the wear resistance. In this hardness increase due to thinning of lamellae and microcrystallization, the lamellar ferrite (ferrite phase) in the pearlite is soft and ductile, making plastic deformation easier, and the pearlite structure consisting of lamellar cementite and lamellar ferrite is easily thinned and refined. This time, it was found that if there is a factor that inhibits this, it will cause a decrease in wear resistance and the occurrence of fatigue damage.
窒化物からなる析出物粒子やクラスタを活用したパーライトレールにおいては、パーライト組織1のラメラ中の窒化物粒子の析出位置は、図1に示されるように、主に、
(1)ラメラフェライト12の中央部と
(2)セメンタイト11/フェライト12界面(以下セメンタイト界面13と表記)
の2か所存在することがわかった。フェライト12の中央部に分布した窒化物粒子22は、フェライト12の硬化を通してパーライト組織1の硬化に寄与する。一方、セメンタイト界面13に析出した窒化物粒子21は硬化にはほとんど寄与しない。また、セメンタイト界面13に析出した窒化物粒子21は比較的大型になるため、レールの繰り返し摩耗によっても塑性変形せず分解しない。そのため、セメンタイト界面13に析出した窒化物粒子21はレールの耐摩耗性や延性の低下の原因となることがわかった。従って、窒化物活用のパーライトレールにおいては、セメンタイト界面13上の窒化物粒子21をより少なく、またサイズを小さくする必要があることが判明した。
In pearlite rails utilizing nitride precipitate particles and clusters, the precipitation positions of nitride particles in the lamella of the
(1) The center of the
It was found that the
一方で、セメンタイト界面13上ではなく、フェライト12内に析出した窒化物粒子22はフェライト12を強化することで、レール自体の硬度を上昇させる。特に、フェライト12内に析出した窒化物粒子22が微細で高個数密度に分布した場合は、耐摩耗性や延性を低下させることなく、硬化に活用できる。On the other hand, the
本開示は、前記課題を解決するために、以上の新知見に基づきなされたものであり、その要旨とするところは、以下の通りである。The present disclosure has been made based on the above-mentioned new findings in order to solve the above-mentioned problems, and the gist of the disclosure is as follows:
(1)本開示の一態様に係るパーライトレールは、質量%で、C:0.65~1.20%、Si:0.05~2.00%、Mn:0.05~2.00%、Cr:0.02~2.00%、N:0.0020~0.0200%、V:0.010~0.100%、Nb:0%以上0.005%未満、Ti:0%以上0.005%未満、Mo:0~0.100%、B:0~0.0050%、Co:0~1.00%、Ni:0~1.00%、Mg:0~0.0200%、Ca:0~0.0200%、Cu:0~1.00%、REM:0~0.0500%、及びZr:0~0.0200%P:0.025%以下、S:0.025%以下、Al:0~1.000%、O:0.0040%以下、を含有し、残部はFe及び不純物からなり、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織が、面積率で95%以上のパーライト組織を含み、頭頂部の表面から25mm深さの位置の硬さが少なくともHV350であり、前記頭頂部の前記表面から25mm深さの前記位置における前記パーライト組織のセメンタイト界面上に存在する、粒径4nm以上の、Vを含む窒化物粒子の単位界面面積当たりの個数密度が、1.0×1010個cm-2未満である。
(2)好ましくは、上記(1)に記載のパーライトレールでは、前記パーライト組織のフェライト中に、前記セメンタイト界面から離隔された、粒径0.5~4nmのVを含む窒化物粒子が、単位体積当たりの個数密度として、4.0×1016~4.0×1017個cm-3の範囲で存在する。
(3)好ましくは、上記(1)又は(2)に記載のパーライトレールでは、質量%でさらに、B:0.0001~0.0050%、Co:0.01~1.00%、Ni:0.01~1.00%、Mg:0.0005~0.0200%、Ca:0.0005~0.0200%、Cu:0%超1.00%以下REM:0.0005~0.0500%Zr:0.0001~0.0200%Al:0%超1.000%以下、からなる群から選択される一種以上を含有する。
(1) A pearlite rail according to an embodiment of the present disclosure has, in mass%, C: 0.65 to 1.20%, Si: 0.05 to 2.00%, Mn: 0.05 to 2.00%, Cr: 0.02 to 2.00%, N: 0.0020 to 0.0200%, V: 0.010 to 0.100%, Nb: 0% or more and less than 0.005%, Ti: 0% or more and less than 0.005%, Mo: 0 to 0.100%, B: 0 to 0.0050%, Co: 0 to 1.00%, Ni: 0 to 1.00%, Mg: 0 to 0.0200%, Ca: 0 to 0.0200%, Cu: 0 to 1.00%, REM: 0 to 0.0500%, and Zr: 0. up to 0.0200%, P: 0.025% or less, S: 0.025% or less, Al: 0-1.000%, O: 0.0040% or less, with the balance being Fe and impurities, the structure in the range from the head outer surface as the starting point to a depth of 25 mm contains a pearlite structure at an area ratio of 95% or more, the hardness at a position 25 mm deep from the surface of the top of the head is at least HV350, and the number density per unit interface area of V-containing nitride particles having a particle size of 4 nm or more and present on the cementite interface of the pearlite structure at the position 25 mm deep from the surface of the top of the head is less than 1.0 x 1010 particles cm -2 .
(2) In the pearlitic rail described in (1) above, preferably, V-containing nitride particles having a particle size of 0.5 to 4 nm are present in the ferrite of the pearlitic structure, separated from the cementite interface, in a number density per unit volume range of 4.0 x 10 to 4.0 x 10 particles cm.
(3) Preferably, the pearlitic rail described in the above (1) or (2) further contains, in mass%, one or more elements selected from the group consisting of B: 0.0001 to 0.0050%, Co: 0.01 to 1.00%, Ni: 0.01 to 1.00%, Mg: 0.0005 to 0.0200%, Ca: 0.0005 to 0.0200%, Cu: more than 0% and not more than 1.00%, REM: 0.0005 to 0.0500%, Zr: 0.0001 to 0.0200%, Al: more than 0% and not more than 1.000%.
本開示によれば、パーライト組織の鋼レールにおいて耐摩耗性及び延性に優れたレールを提供することが可能となる。すなわち、本開示は、セメンタイト/フェライト界面に析出した窒化物粒子による耐摩耗性の低下を抑えることによって、耐摩耗性及び延性を向上させたレールを製造する方法を提示するものである。According to the present disclosure, it is possible to provide a steel rail having excellent wear resistance and ductility in a pearlitic structure. In other words, the present disclosure presents a method for manufacturing a rail having improved wear resistance and ductility by suppressing the decrease in wear resistance caused by nitride particles precipitated at the cementite/ferrite interface.
本発明者らは、窒化物活用のパーライトレールにおける耐摩耗性が何によって強く影響を受けるかを調べるために、いろいろな成分、製法のパーライト鋼の転がり摩耗試験を行った。そして本発明者らは、摩耗試験前の組織と摩耗試験後の摩耗組織を透過型電子顕微鏡(TEM)によって観察し、組織変化と耐摩耗特性の関係を詳細に調べた。さらに本発明者らは、パーライト鋼中の微細な窒化物粒子(より微細なクラスタも含む)の存在位置、個数密度、及び組成を3次元アトムプローブによって調べ、パーライトレール耐摩耗特性との関係を調査した。 The inventors conducted rolling wear tests on pearlitic steels with various compositions and manufacturing methods to investigate what strongly affects the wear resistance of pearlitic rails that utilize nitrides. The inventors then observed the structures before and after the wear tests using a transmission electron microscope (TEM) to investigate in detail the relationship between the changes in structure and wear resistance properties. Furthermore, the inventors used a three-dimensional atom probe to investigate the location, number density, and composition of fine nitride particles (including even finer clusters) in pearlitic steel, and investigated their relationship with the wear resistance properties of pearlitic rails.
図1は、レールのパーライト組織1中の窒化物の析出物やクラスタの分布状態を模式的に示す図である。一般にパーライトラメラは、80~200nm幅のラメラフェライト12と10~20nm幅のラメラセメンタイト11から構成されている。同一のC量においてレールの硬度を上げるための手段は、パーライトラメラ間隔を小さくするか(微細化強化)、フェライト12の硬度を高くするかのどちらかである。セメンタイト11の硬度を上げる方法も考えられるが、すでにセメンタイト11の硬度はかなり高く、意図的にこの硬度をさらに上昇させることは実質的には難しい。また、単にフェライト12の硬度を大きく上げると、使用時にレール表面が塑性変形し難くなるため、パーライトラメラ薄膜化・微細化による摩耗面の硬度上昇が生じなくなる。一方、非常に微細な窒化物粒子によって硬化させた場合には、塑性変形が完全に抑制されることはなく、また、摩耗中に微細な窒化物粒子が分解しクラックやボイドの起点にならず、固溶原子またはNとVやCrのダイポール等を形成して、硬度や耐摩耗性に寄与することがわかった。
Figure 1 is a diagram showing the distribution of nitride precipitates and clusters in the
今回詳細な組織観察によって、窒化物粒子の析出位置は、主にセメンタイト界面13(即ち、ラメラセメンタイト11とラメラフェライト12との界面)位置と、そのセメンタイト界面13から離れたラメラフェライト12の中央部の2箇所存在することが明らかにされた。ここでラメラフェライト12の中央部とは、セメンタイト界面13から5nm以上離れた領域を指す。セメンタイト界面13、及びフェライト12の中央部のうち、フェライト12の中央部に分布した窒化物粒子22は硬化に寄与するが、セメンタイト界面13上に析出した窒化物粒子21は硬化には寄与しないと考えられた。また、少しサイズが大きい窒化物粒子は摩耗によって変形せずまた分解しないため、ひずみが当該窒化物粒子の周りに集中し、当該窒化物粒子がボイドやクラックの起点となるなどして、耐摩耗性や延性等の低下の原因になると考えられた。従って、セメンタイト界面13上の窒化物粒子21をより小さく、また大きなものは個数密度を小さくする必要がある。加えて、フェライト12中の窒化物粒子22も微細かつ高個数密度に析出させることで、延性や耐摩耗性の低下なく硬化に寄与できると考えられた。
This detailed structural observation revealed that the nitride particles are mainly precipitated at two locations: the cementite interface 13 (i.e., the interface between the
本発明者らは、化学成分や熱処理等を工夫することによって、初期パーライトの硬度(強度)が一定の範囲にありながら、パーライト中の窒化物粒子のサイズや分布状態が異なるパーライトレールを作製した。これらのパーライトレールの組織解析と摩耗試験から、窒化物粒子分布と耐摩耗性の関係を調べた。耐摩耗性の定量評価には西原式摩耗試験機を用いた。摩耗試験では、接触面圧640MPa、すべり率20%にて、70万回の繰り返し回数での摩耗量を比較した。 By devising chemical components and heat treatment, the inventors have produced pearlite rails in which the hardness (strength) of the initial pearlite is within a certain range, but the size and distribution of nitride particles in the pearlite are different. The relationship between nitride particle distribution and wear resistance was investigated through structural analysis and wear testing of these pearlite rails. A Nishihara-type wear tester was used to quantitatively evaluate wear resistance. In the wear testing, the amount of wear was compared after 700,000 repetitions at a contact pressure of 640 MPa and a sliding ratio of 20%.
図2は、各パーライトレール試料において、(1)セメンタイト界面上に観察された4nm以上の窒化物粒子の単位界面面積当たりの個数密度と摩耗量との関係、及び(2)4nm以上の窒化物粒子を含まないレール試料における、セメンタイト界面上の0.5nm以上4nm未満の窒化物粒子の単位界面面積当たりの個数密度と摩耗量との関係を示す図である。ここで、表面から25mm深さ位置のビッカース硬度が380~400Hvのレール試料を用いた。析出粒子の粒径と個数密度は3次元アトムプローブによって調べた。 Figure 2 shows (1) the relationship between the number density per unit interfacial area of nitride particles of 4 nm or more observed at the cementite interface and the wear volume for each pearlite rail sample, and (2) the relationship between the number density per unit interfacial area of nitride particles of 0.5 nm or more and less than 4 nm at the cementite interface and the wear volume for rail samples that do not contain nitride particles of 4 nm or more. Rail samples used here had a Vickers hardness of 380 to 400 Hv at a depth of 25 mm from the surface. The particle size and number density of the precipitated particles were investigated using a three-dimensional atom probe.
図2に示される調査結果によれば、セメンタイト界面上の直径4nm以上の窒化物粒子の個数密度が1.0×1010個cm-2より高い場合に、摩耗量が増加していることがわかる。セメンタイト界面上の直径4nm以上の窒化物粒子の個数密度が1.0×1010個cm-2未満であれば、レールの摩耗量は、実質的に析出物を含まない場合とそれほど変わらない。また、この図に直径0.5nm以上4nm未満の窒化物粒子をプロットすると、摩耗量と相関を持たないことがわかる。すなわち、比較的小さな窒化物粒子は、セメンタイト界面上に析出していても、耐摩耗性低下への影響は小さいことを示す。 According to the survey results shown in Fig. 2, it can be seen that the wear amount increases when the number density of nitride particles with a diameter of 4 nm or more on the cementite interface is higher than 1.0 x 10 10 particles cm -2. If the number density of nitride particles with a diameter of 4 nm or more on the cementite interface is less than 1.0 x 10 10 particles cm -2 , the wear amount of the rail is not so different from that in the case where there are substantially no precipitates. In addition, when nitride particles with a diameter of 0.5 nm or more and less than 4 nm are plotted on this figure, it can be seen that there is no correlation with the wear amount. In other words, this shows that even if relatively small nitride particles precipitate on the cementite interface, the effect on the deterioration of wear resistance is small.
セメンタイト界面上に比較的大型の窒化物粒子が存在すると、レール硬度の向上に寄与しないばかりか、摩耗試験中にセメンタイト界面の粒子位置にひずみが集積し、ボイドやクラックが形成されて,破壊の原因になる。そのため、セメンタイト界面上に比較的大型の窒化物粒子が多く存在すると、摩耗量が増大したものと解釈される。但し、窒化物粒子が非常に微細な場合は、摩耗中に分解することになる。そのため、微細な窒化物粒子の周囲にはひずみ集積はせず、耐摩耗性の低下にはつながらない。 If relatively large nitride particles are present on the cementite interface, not only do they not contribute to improving rail hardness, but they also cause strain to accumulate at the particle position of the cementite interface during wear tests, forming voids and cracks and causing destruction. Therefore, the presence of many relatively large nitride particles on the cementite interface is interpreted as an increase in the amount of wear. However, if the nitride particles are very fine, they will decompose during wear. Therefore, strain does not accumulate around the fine nitride particles, and this does not lead to a decrease in wear resistance.
以上の基礎実験より、窒化物粒子を硬化に活用したパーライトレール鋼において、耐摩耗性を向上するためには、セメンタイト界面上の窒化物粒子のサイズを非常に小さくするか、または、セメンタイト界面上の大型の窒化物粒子の個数密度を小さくすることが望ましい。 Based on the above basic experiments, in order to improve the wear resistance of pearlitic rail steel that uses nitride particles for hardening, it is desirable to either make the size of the nitride particles at the cementite interface very small, or to reduce the number density of large nitride particles at the cementite interface.
一方、パーライト中の窒化物析出においては、セメンタイト界面は優先核生成サイトになる。このことから、セメンタイト界面上での窒化物析出は、硬化に作用するフェライト粒内での窒化物析出に比べて、生じやすい。従って、フェライト粒内に窒化物粒子を析出させる場合は、セメンタイト界面上での析出を完全に抑えることは難しい。成分や加工熱処理の製造条件の範囲を狭めることで、セメンタイト界面上での窒化物粒子の析出を少なくする必要がある。On the other hand, for nitride precipitation in pearlite, the cementite interface is the preferred nucleation site. For this reason, nitride precipitation at the cementite interface is more likely to occur than nitride precipitation within ferrite grains, which has a hardening effect. Therefore, when precipitating nitride particles within ferrite grains, it is difficult to completely suppress precipitation at the cementite interface. It is necessary to reduce the precipitation of nitride particles at the cementite interface by narrowing the range of manufacturing conditions for the ingredients and thermomechanical treatment.
以下に本実施形態に係るパーライトレール限定範囲の理由を述べる。
なおパーライトレールの頭部は、車輪との接触によって、使用中に摩耗することが通常である。従ってパーライトレールには、頭頂部の表面のみならず、頭部の25mm深さ位置においても、鉄道用レールに適した特性を備えることが長寿命化の観点から求められる。また、パーライトレールの表面においては、25mm深さ位置よりもパーライトラメラが微細化しやすく、硬度が高くなるため、耐摩耗性が確保しやすい。頭頂部の表面から25mm深さ位置において適切な特性を備えるパーライトレールは、頭頂部の表面においても当然に適切な特性を備える。以上の事情を考慮して、本実施形態に係るパーライトレールでは、Vを含む窒化物の粒子サイズと個数密度、及び硬さが、頭頂部の表面から25mm深さの位置で限定される。また、本実施形態に係るパーライトレールでは、パーライト組織の量が、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲で限定される。
The reasons for the limited range of the pearlitic rail according to this embodiment will be described below.
The head of a pearlite rail is usually worn during use due to contact with the wheels. Therefore, from the viewpoint of extending the life of the pearlite rail, it is required that the pearlite rail has properties suitable for railway rails not only on the surface of the head but also at a depth of 25 mm from the head. In addition, the pearlite lamellae are more likely to be finer and harder on the surface of the pearlite rail than at a depth of 25 mm, so that wear resistance is easily ensured. A pearlite rail having suitable properties at a depth of 25 mm from the surface of the head naturally has suitable properties on the surface of the head. In consideration of the above circumstances, in the pearlite rail according to this embodiment, the particle size, number density, and hardness of the V-containing nitride are limited at a depth of 25 mm from the surface of the head. In addition, in the pearlite rail according to this embodiment, the amount of pearlite structure is limited to a depth of 25 mm from the surface of the outer shell of the head.
(Vを含む窒化物について)
本実施形態に係るパーライトレールでは、Vを含む窒化物粒子に関する規定を行っている。Vを含む窒化物粒子とは、V含有量が1原子%以上である窒化物粒子のことである。一般に、窒化物とはNと金属元素から構成された結晶相であり、VNやTiN、NbN,CrNなどの一種類の金属元素からなるものや、(V,Cr)N、(Ti,V)N等の複数種の金属元素からなるものが存在する。(V,Cr)Nとは、V及びCrが混在した窒化物のことであり、(Ti,V)Nとは、Ti及びVが混在した窒化物のことである。括弧内の元素は原子数が多い順に表記している。一般に、フェライト母相と整合する微細なものは、NaCl型の結晶構造を有する。一方、炭化物はNをCに置き換えた結晶相であり、炭窒化物としてNが少量含まれる場合もある。本開示で述べた窒化物粒子にはCは含まれない。含まれないというのは、窒化物粒子が存在している母相(フェライト相)中のC固溶濃度以下であることを意味する。窒化物の場合は、炭化物よりも微細に析出することができ、しばしばクラスタと呼ばれることもある。本明細書では、このような微細なもの(0.5~4nm)も窒化物粒子と称する。
(Regarding V-containing nitrides)
In the pearlite rail according to the present embodiment, the nitride particles containing V are specified. The nitride particles containing V are nitride particles having a V content of 1 atomic % or more. Generally, nitrides are crystal phases composed of N and metal elements, and include those composed of one type of metal element such as VN, TiN, NbN, and CrN, and those composed of multiple types of metal elements such as (V, Cr)N and (Ti, V)N. (V, Cr)N is a nitride in which V and Cr are mixed, and (Ti, V)N is a nitride in which Ti and V are mixed. The elements in parentheses are written in order of the number of atoms. In general, fine ones that are consistent with the ferrite matrix have a NaCl type crystal structure. On the other hand, carbides are a crystal phase in which N is replaced with C, and may contain a small amount of N as carbonitride. The nitride particles described in this disclosure do not contain C. Not containing means that the concentration is equal to or less than the C solid solution concentration in the matrix (ferrite phase) in which the nitride particles exist. Nitrides can precipitate finer than carbides and are often called clusters. In this specification, such fine particles (0.5 to 4 nm) are also referred to as nitride particles.
(1)頭部外郭表面から深さ25mm位置のパーライト組織中のセメンタイト界面上の、Vを含む窒化物の粒子サイズと個数密度
セメンタイト界面上の窒化物粒子の個数密度は、フェライト相の強度にはほとんど影響しない。これは、セメンタイト界面上の窒化物粒子が、フェライト内の転位の移動の障害にならないためである。しかし、セメンタイト界面上の窒化物粒子は、耐摩耗性には影響を与えた。特に、特定サイズより大きなセメンタイト界面上の窒化物粒子の個数密度が高くなると、耐摩耗性が低下した。これは、大きな窒化物粒子は変形せず分解しないため、その周囲にひずみの集積が生じ、ボイドやクラックの発生源となるためである。
(1) Particle size and number density of V-containing nitrides on the cementite interface in the pearlite structure at a depth of 25 mm from the head outer surface The number density of nitride particles on the cementite interface has almost no effect on the strength of the ferrite phase. This is because the nitride particles on the cementite interface do not hinder the movement of dislocations in the ferrite. However, the nitride particles on the cementite interface have an effect on the wear resistance. In particular, when the number density of nitride particles on the cementite interface larger than a specific size increases, the wear resistance decreases. This is because large nitride particles do not deform or decompose, so that strain accumulates around them, becoming the source of voids and cracks.
従って、耐摩耗性が十分に維持されるためには、セメンタイト界面上に存在する、粒径4nm以上の、Vを含む窒化物粒子の単位界面面積当たりの個数密度を、1.0×1010個cm-2未満とする。セメンタイト界面上の窒化物粒子はサイズが小さい場合は耐摩耗性の低下への影響はほとんどないため、4nmより小さな窒化物粒子であれば、特に個数密度を限定しない。 Therefore, in order to maintain sufficient wear resistance, the number density per unit interface area of V-containing nitride particles having a particle size of 4 nm or more present on the cementite interface is made less than 1.0×10 10 particles cm -2 . Since the nitride particles on the cementite interface have almost no effect on the deterioration of wear resistance when they are small in size, there are no particular limitations on the number density as long as they are nitride particles smaller than 4 nm.
(2)頭部外郭表面から深さ25mm位置のパーライト組織中のフェライト中の、Vを含む窒化物の粒子サイズと個数密度
フェライト中に、セメンタイト界面から離隔された粒径0.5~4nmのVを含む窒化物粒子が、単位体積当たりの個数密度として、4.0×1016~4.0×1017個cm-3の範囲を含むことが好ましい理由は、ラメラフェライトの強化によって、レール硬度を高め、耐摩耗性を向上させるためである。フェライト中のVを含む窒化物の粒子サイズを粒径0.5~4nmの範囲内とすることにより、ラメラフェライトを強化する効果が得られる。また、個数密度を6.0×1016~5.0×1017個cm-3の範囲内とすることにより、ラメラフェライトを強化する一層の効果が得られる。より好ましくは、フェライト中における粒径0.5~4nmのVを含む窒化物粒子の個数密度は、8.0×1016~2.0×1017個cm-3の範囲である。
(2) Particle size and number density of V-containing nitrides in ferrite in pearlite structure at a depth of 25 mm from the head outer surface The reason why the V-containing nitride particles separated from the cementite interface in the ferrite preferably have a number density per unit volume of 4.0×10 16 to 4.0×10 17 cm −3 is that the lamellar ferrite is strengthened to increase rail hardness and improve wear resistance. By setting the particle size of the V-containing nitrides in the ferrite within the particle size range of 0.5 to 4 nm, the effect of strengthening the lamellar ferrite is obtained. In addition, by setting the number density within the range of 6.0×10 16 to 5.0×10 17 cm −3 , the effect of strengthening the lamellar ferrite is further improved. More preferably, the number density of the V-containing nitride particles with a particle size of 0.5 to 4 nm in the ferrite is in the range of 8.0×10 16 to 2.0×10 17 cm −3 .
(3)鋼化学成分
本実施形態に係るパーライトレールの成分組成に以下の理由で限定を加えても良い。なお、以下に示す「%」は特に説明がない限り「質量%」を意味するものとする。
(3) Steel Chemical Composition The chemical composition of the pearlitic rail according to the present embodiment may be limited for the following reasons. Note that "%" shown below means "mass %" unless otherwise specified.
C:0.65~1.20%
Cは、パーライト変態を促進させて、かつ、耐摩耗性を確保する有効な元素である。C量が0.65%未満では、レールに要求される最低限の強度や耐摩耗性が維持できない。また、C量が1.20%を超えると、粗大な初析セメンタイト組織が多量に生成し、耐摩耗性や延性が低下する。このため、C量を0.65%~1.20%に限定した。なお、C量を0.70%以上、0.80%以上、又は0.90%以上にすると、耐摩耗性がより一層向上し、レールの使用寿命がより一段と改善する。C量を1.10%以下、1.00%以下、又は0.95%以下としてもよい。
C: 0.65-1.20%
C is an effective element for promoting pearlite transformation and ensuring wear resistance. If the C content is less than 0.65%, the minimum strength and wear resistance required for rails cannot be maintained. Furthermore, if the C content exceeds 1.20%, a large amount of coarse pro-eutectoid cementite structure is generated, which reduces the wear resistance and ductility. When the C content is 0.70% or more, 0.80% or more, or 0.90% or more, the wear resistance is further improved, and the service life of the rail is further improved. The amount may be 1.10% or less, 1.00% or less, or 0.95% or less.
Si:0.05~2.00%
Siは、脱酸材として必須の成分である。またSiは、パーライト組織中のフェライト相への固溶強化によりレール頭部の硬度(強度)を向上させる元素である。さらにSiは、過共析鋼において、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、延性の低下を抑制し、延性の低下を抑制する元素である。しかし、Si量が0.05%未満では、これらの効果が十分に期待できない。またSi量が2.00%を超えると、熱間圧延時に表面瑕が多く生成することや、酸化物の生成により、溶接性が低下する。さらに、Si量が2.00%を超えると焼入れ性が著しく増加し、レールの耐摩耗性や延性に有害なマルテンサイト組織が生成する。このためSi量を0.05~2.00%に限定した。Si量を0.10%以上、0.20%以上、又は0.50%以上としてもよい。Si量を1.80%以下、1.60%以下、又は1.20%%以下としてもよい。
Si: 0.05-2.00%
Silicon is an essential component as a deoxidizer. Silicon is also an element that improves the hardness (strength) of the rail head by solid solution strengthening in the ferrite phase in the pearlite structure. In eutectoid steel, Si is an element that suppresses the formation of proeutectoid cementite structure and suppresses the decrease in ductility. However, if the Si content is less than 0.05%, these effects cannot be fully expected. Furthermore, if the Si content exceeds 2.00%, many surface defects are generated during hot rolling, and the weldability is reduced due to the generation of oxides. The hardenability increases significantly and martensite structure that is harmful to the wear resistance and ductility of rails is formed. For this reason, the amount of Si is limited to 0.05 to 2.00%. The amount of Si is 0.10% or more. The Si content may be 1.80% or less, 1.60% or less, or 1.20% or less.
Mn:0.05~2.00%
Mnは、焼入れ性を高め、パーライトラメラ間隔を微細化することにより、パーライト組織の硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、Mn量が0.05%未満では、その効果が小さく、レールに必要とされている耐摩耗性の確保が困難となる。また、Mn量が2.00%を超えると、焼入性が著しく増加し、耐摩耗性や延性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。このため、Mn量を0.05~2.00%に限定した。Mn量を0.10%以上、0.20%以上、又は0.50%以上としてもよい。Mn量を1.80%以下、1.60%以下、又は1.20%%以下としてもよい。
Mn: 0.05-2.00%
Mn is an element that improves hardenability and refines the pearlite lamellar spacing, thereby ensuring the hardness of the pearlite structure and improving wear resistance. However, if the Mn content is less than 0.05%, this effect is not achieved. In addition, if the Mn content exceeds 2.00%, the hardenability increases significantly, and martensite, which is harmful to wear resistance and ductility, is generated. Therefore, the Mn content is limited to 0.05 to 2.00%. The Mn content may be 0.10% or more, 0.20% or more, or 0.50% or more. The Mn content may be 1.80% or less, 1.60% or less, or 1.20% or less.
Cr:0.02~2.00%
Crは、平衡変態温度を上昇させ、結果としてフェライト組織やパーライト組織を微細化して高硬度化に寄与する。さらにCrは、Vと共に窒化物を生成し、析出硬化によってパーライト組織の硬度(強度)を向上させる元素である。しかし、Cr量が0.02%未満ではその効果は小さく、レール鋼の硬度を向上させる効果が見られなくなる。またCr量が2.00%を超えると、焼入れ性が増加し、マルテンサイト組織が生成し、頭部コーナー部や頭頂部にマルテンサイト組織を起点としたスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Cr量を0.02~2.00%に限定した。Cr量を0.10%以上、0.20%以上、又は0.50%以上としてもよい。Cr量を1.80%以下、1.60%以下、又は1.20%%以下としてもよい。
Cr:0.02~2.00%
Cr increases the equilibrium transformation temperature, which results in finer ferrite and pearlite structures, contributing to high hardness. Furthermore, Cr forms nitrides together with V, which increases the hardness (strength) of the pearlite structure through precipitation hardening. However, if the Cr content is less than 0.02%, the effect is small and the effect of improving the hardness of the rail steel is not observed. Also, if the Cr content exceeds 2.00%, the hardenability As a result, martensite structure is formed, spalling damage originating from the martensite structure occurs at the head corners and top, and surface damage resistance decreases. The Cr content is limited to 2.00%. The Cr content may be set to 0.10% or more, 0.20% or more, or 0.50% or more. The Cr content may be set to 1.80% or less, 1.60% or less, or 1. It may be set to 20% or less.
V:0.010~0.100%
Vは、本開示に係る鋼において重要な元素である。Vは、パーライトレールの製造の際、オーステナイト粒成長を抑制し微細化する。オーステナイト粒が微細化されたレールを冷却することにより、微細なパーライトが形成され、パーライトレールの耐摩耗性が向上する。さらにVは、N原子と結合することによって窒化物の核となり、窒化物粒子やクラスタを形成する場合がある。Vを含む窒化物がフェライト中に析出した場合は、転位の移動を抑制することによって、パーライトの硬度上昇に寄与するので、一層好ましい。
V:0.010~0.100%
V is an important element in the steel according to the present disclosure. V suppresses and refines austenite grain growth during the manufacture of pearlitic rails. By cooling the rail with refined austenite grains, the grains are refined. This leads to the formation of fine pearlite, improving the wear resistance of the pearlite rail. Furthermore, V may bond with N atoms to become the nucleus of nitrides, forming nitride particles or clusters. Nitrides containing V When precipitated in ferrite, it is more preferable because it inhibits the movement of dislocations and thereby contributes to an increase in the hardness of pearlite.
V量が0.010%未満では、その効果が十分に期待できず、硬度の上昇や耐摩耗性の改善は認められない。一方、V量が過剰になると、セメンタイト界面上に大きな窒化物粒子が析出してしまう。セメンタイト界面上の粗大な窒化物は、塑性変形能を低下させ、耐摩耗性を低下させる原因になる。また、V量が過剰であると、V窒化物ではなくV炭化物が生成しやすくなる。従って、0.100%をV量の上限とした。より好ましくは、V量は0.020~0.050%の範囲である。V量を0.015%以上、0.020%以上、又は0.030%以上としてもよい。V量を0.090%以下、0.080%以下、又は0.070%以下としてもよい。If the V content is less than 0.010%, the effect cannot be expected sufficiently, and no increase in hardness or improvement in wear resistance is observed. On the other hand, if the V content is excessive, large nitride particles are precipitated on the cementite interface. The coarse nitrides on the cementite interface reduce the plastic deformability and cause a decrease in wear resistance. In addition, if the V content is excessive, V carbides are more likely to be formed instead of V nitrides. Therefore, the upper limit of the V content is set to 0.100%. More preferably, the V content is in the range of 0.020 to 0.050%. The V content may be 0.015% or more, 0.020% or more, or 0.030% or more. The V content may be 0.090% or less, 0.080% or less, or 0.070% or less.
N:0.0020~0.0200%
Nは、Vと共に窒化物の核となり窒化物粒子を形成する。一般には0.0010%程度のNは不純物として鋼に含まれる。しかしながら、N量を0.0020%以上とすることにより、フェライトの内部に窒化物粒子を形成することができるので好ましい。一方、N量が0.0200%を上回ると、窒化物粒子は大型になり、またセメンタイト界面上にも生成することになる。そのため、耐摩耗性を低下させることになる。また、固溶Nとして高濃度に残存する場合には、延性そのものの低下の原因になる。従って、N量は0.0020~0.0200%に限定した。N量が0.0025%以上、0.0030%以上、又は0.0050%以上であってもよい。N量が0.0180%以下、0.0150%以下、又は0.0100%以下であってもよい。
N:0.0020~0.0200%
N, together with V, becomes the nucleus of nitrides and forms nitride particles. Generally, about 0.0010% of N is contained in steel as an impurity. However, by making the N content 0.0020% or more, the ferrite On the other hand, if the N content exceeds 0.0200%, the nitride particles become large and are also formed on the cementite interface. This will reduce the wear resistance. Furthermore, if solute N remains in high concentration, it will cause a decrease in ductility itself. Therefore, the amount of N is limited to 0.0020 to 0.0200%. The N content may be 0.0025% or more, 0.0030% or more, or 0.0050% or more. The N content may be 0.0180% or less, 0.0150% or less, or 0.0100% or less. It's fine.
P:0.025%以下
Pは、レール鋼の延性を劣化させる元素である。P量が0.025%を超えると、その影響が無視できなくなる。そのため、P量は0.025%以下とする。P量が0.024%以下、0.023%以下、又は0.022%以下であってもよい。P量の含有量の下限値は特に限定されず、0%でもよい。一方、精錬コストを削減する観点から、P量を0.010%以上、0.011%以上、又は0.012%以上としてもよい。
P: 0.025% or less P is an element that deteriorates the ductility of rail steel. If the P content exceeds 0.025%, its influence cannot be ignored. Therefore, the P content is set to 0.025% or less. The P content may be 0.024% or less, 0.023% or less, or 0.022% or less. The lower limit of the P content is not particularly limited and may be 0%. On the other hand, from the viewpoint of reducing refining costs, the P content may be set to 0.010% or more, 0.011% or more, or 0.012% or more.
S:0.025%以下
Sは、主として介在物(MnS等)の形態で鋼中に存在し、鋼の脆化を引き起こす元素である。特に、S量が0.025%を超えると、脆化への悪影響を無視できなくなる。よって、S量は0.025%以下とする。S量が0.024%以下、0.023%以下、又は0.022%以下であってもよい。S量の含有量の下限値は特に限定されず、0%でもよい。一方、精錬コストを削減する観点から、S量を0.008%以上、0.009%以上、又は0.010%以上としてもよい。
S: 0.025% or less S is an element that exists mainly in the form of inclusions (MnS, etc.) in steel and causes embrittlement of steel. In particular, when the S content exceeds 0.025%, the adverse effect on embrittlement cannot be ignored. Therefore, the S content is set to 0.025% or less. The S content may be 0.024% or less, 0.023% or less, or 0.022% or less. The lower limit of the S content is not particularly limited and may be 0%. On the other hand, from the viewpoint of reducing refining costs, the S content may be set to 0.008% or more, 0.009% or more, or 0.010% or more.
O:0.0040%以下
Oは不純物である。O含有量の下限は限定されないが、製造コストの観点から、0.0001%であってもよい。一方、O量が過剰であると、粗大な酸化物が生成し、鋼の延性や靭性の低下を引き起こす。好ましくは、O量を0.0030%以下とし、より好ましくはO量を0.0020%以下とする。
O: 0.0040% or less O is an impurity. The lower limit of the O content is not limited, but may be 0.0001% from the viewpoint of manufacturing costs. On the other hand, if the O content is excessive, coarse oxides are generated, causing a decrease in the ductility and toughness of the steel. Preferably, the O content is 0.0030% or less, and more preferably, the O content is 0.0020% or less.
Nb:0%以上0.005%未満
Ti:0%以上0.005%未満
Mo:0~0.100%
また、上記の成分組成で製造させるレールは、パーライトの組織微細化のためにNb、Ti、Moのうち1種以上を含んでも良い。Nb、Ti及び、Moは、Ac1点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、比較的高温域で炭窒化物を生成させ、溶接継ぎ手の熱影響部の軟化や脆化を防止するのに有効な元素である。特にMoは、炭窒化物生成以外にも、Crと同様に、平衡変態温度を上昇させ、結果としてフェライト組織やパーライト組織を微細化して高硬度化に寄与すると同時に、セメンタイト相を強化して、パーライト組織の硬度(強度)を向上させる元素である。但し、これらの元素は大型の窒化物を生成しやすい元素であり、Nを不要に消費してしまう。そのため、Nbは0.0050%未満とすることが好ましい。Tiは0.0050%未満とすることが好ましい。Moは0.100%以下とすることが好ましい。Moは0.005%以下とすることがさらに好ましい。Nb、Ti、Moはそれぞれ、0.0040%以下、0.0035%以下、又は0.0030%以下であってもよい。なお、Nb、Ti、Moが本実施形態に係るレールに含まれることは必須ではない。従って、Nb、Ti、Moは、それぞれ、0%であってもよい。
Nb: 0% or more and less than 0.005% Ti: 0% or more and less than 0.005% Mo: 0 to 0.100%
In addition, the rail manufactured with the above-mentioned composition may contain one or more of Nb, Ti, and Mo to refine the pearlite structure. Nb, Ti, and Mo are elements that are effective in preventing softening and embrittlement of the heat-affected zone of the welded joint by generating carbonitrides in a relatively high temperature range in the heat-affected zone reheated to a temperature range below the Ac1 point. In particular, Mo, in addition to generating carbonitrides, increases the equilibrium transformation temperature, as with Cr, and as a result, refines the ferrite structure and pearlite structure, contributing to high hardness, and at the same time, strengthens the cementite phase and improves the hardness (strength) of the pearlite structure. However, these elements are elements that tend to generate large nitrides, and N is unnecessarily consumed. Therefore, Nb is preferably less than 0.0050%. Ti is preferably less than 0.0050%. Mo is preferably 0.100% or less. It is even more preferable that Mo is 0.005% or less. Nb, Ti, and Mo may each be 0.0040% or less, 0.0035% or less, or 0.0030% or less. It is not essential that Nb, Ti, and Mo are contained in the rail according to the present embodiment. Thus, Nb, Ti, and Mo may each be 0%.
また、上記の成分組成で製造されるレールは、パーライトの組織微細化や強度の上昇、延性の向上、溶接熱影響部の軟化の防止、レール頭部内部の断面硬度分布の制御等を図る目的で、B、Co、Ni、Mg、Ca、Al、Cuの元素を必要に応じて含有してもよい。ただし、これら元素はパーライトレールに含まれなくてもよい。B、Co、Ni、Mg、Ca、Al、Cuそれぞれの含有量の下限値は0%である。 In addition, rails manufactured with the above-mentioned composition may contain the elements B, Co, Ni, Mg, Ca, Al, and Cu as necessary for the purpose of refining the pearlite structure, increasing strength, improving ductility, preventing softening of the welded heat-affected zone, and controlling the cross-sectional hardness distribution inside the rail head. However, these elements do not have to be contained in pearlite rails. The lower limit of the content of each of B, Co, Ni, Mg, Ca, Al, and Cu is 0%.
B:0~0.0050%
Bはオーステナイト粒界に鉄炭硼化物(Fe23(CB)6)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、頭表面から内部までより均一な硬度分布をレールに付与し、レールを高寿命化する元素である。B量を0.0001%以上とすることにより、その効果を十分に発言し、レール頭部の硬度分布を改善することができる。また、B量を0.0050%以下にすると、粗大な鉄炭硼化物の生成を抑制し、延性や靭性を高めることができる。このため、B量を0.0001~0.0050%にしてもよい。B量を0.0002%以上、0.0003%以上、又は0.0005%以上としてもよい。B量を0.0040%以下、0.0020%以下、又は0.0010%以下としてもよい。
B: 0-0.0050%
B forms iron boride (Fe 23 (CB) 6 ) at the austenite grain boundaries, and by promoting the pearlite transformation, it reduces the cooling rate dependency of the pearlite transformation temperature and provides a more uniform hardness from the head surface to the inside. It is an element that gives rails a uniform hardness distribution and extends the life of the rails. By making the B content 0.0001% or more, the effect of this can be fully exerted and the hardness distribution of the rail head can be improved. Furthermore, if the B content is 0.0050% or less, the formation of coarse iron borocarbides is suppressed, and ductility and toughness can be improved. For this reason, the B content is set to 0.0001 to 0.0050%. The B content may be 0.0002% or more, 0.0003% or more, or 0.0005% or more. The B content may be 0.0040% or less, 0.0020% or less, or 0.0010% or less. It is also possible to use the following.
Co:0~1.00%
Coは、固溶強化にはほとんど作用せずに、レール頭頂部の摩耗面において、車輪との接触により形成させる微細なフェライト組織をより一層微細化し、耐摩耗性を向上させる元素である。Co量を0.01%以上にすると、ラメラ構造やフェライト粒径が微細化され、耐摩耗性の向上効果が発揮される。またCo量が2.00%以下であると、パーライト組織の延性を高めることができる。また、Co量が1.00%以下であると、合金コストを抑制し、経済性を高めることができる。このため、Co量を0.01~1.00%に限定してもよい。Co量を0.02%以上、0.05%以上、又は0.10%以上としてもよい。Co量を0.80%以下、0.50%以下、又は0.10%以下としてもよい。
Co: 0-1.00%
Co is an element that has almost no effect on solid solution strengthening, but further refines the fine ferrite structure formed on the wear surface of the rail head due to contact with the wheel, thereby improving wear resistance. When the amount of Co is 0.01% or more, the lamellar structure and the ferrite grain size are refined, and the wear resistance is improved. Furthermore, when the Co content is 1.00% or less, the alloy cost can be suppressed and the economy can be improved. For this reason, the Co content is limited to 0.01 to 1.00%. The Co content may be 0.02% or more, 0.05% or more, or 0.10% or more. The Co content may be 0.80% or less, 0.50% or less, or 0.10% or less. It is also possible to use the following.
Ni:0~1.00%
Niは、パーライト組織中の延性を向上させ、Coによる延性低下を抑制する。これと同時に、Niは固溶強化によりレールを高硬度(強度)化する元素である。Ni量が0.01%以上であれば、その効果を十分に得ることができる。また、Ni量が1.00%以下であると、パーライト組織中のフェライト相の延性を高め、パーライト組織の耐摩耗性を高めることができる。このため、Ni量を0.01~1.00%としてもよい。Ni量を0.02%以上、0.05%以上、又は0.08%以上としてもよい。Ni量を0.80%以下、0.50%以下、又は0.10%以下としてもよい。
Ni: 0-1.00%
Ni improves the ductility in the pearlite structure and suppresses the decrease in ductility caused by Co. At the same time, Ni is an element that increases the hardness (strength) of the rail through solid solution strengthening. If the Ni content is 1.00% or less, the effect can be sufficiently obtained. On the other hand, if the Ni content is 1.00% or less, the ductility of the ferrite phase in the pearlite structure can be increased, and the wear resistance of the pearlite structure can be increased. Therefore, the Ni content may be set to 0.01 to 1.00%. The Ni content may be set to 0.02% or more, 0.05% or more, or 0.08% or more. It may be 80% or less, 0.50% or less, or 0.10% or less.
Mg:0~0.0200%
Mgは、OまたはSやAlと結合して微細な酸化物を形成し、レール圧延時の再加熱において、結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒を微細化し、フェライト組織やパーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。さらに、Mgから形成されるMgO及びMgSは、MnSを微細に分散させ、MnSの周囲にMnの希薄層を形成し、フェライトやパーライト変態の生成に寄与する。その結果、主にパーライトブロックサイズが微細化する。そのため、Mgは、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。Mg量が0.0005%以上であると、その効果を十分に得ることができる。また、Mg量が0.0200%以下であると、Mgの粗大酸化物の生成を抑制し、レールの靭性を高めると同時に、粗大な析出物を起点とした疲労損傷を抑制することができる。このため、Mg量を0.0005~0.0200%に限定してもよい。Mg量を0.0008%以上、0.0010%以上、又は0.0012%以上としてもよい。Mg量を0.0180%以下、0.0100%以下、又は0.0030%以下としてもよい。
Mg: 0-0.0200%
Mg combines with O, S, and Al to form fine oxides, which inhibit the growth of crystal grains during reheating during rail rolling, refine the austenite grains, and improve the ductility of the ferrite and pearlite structures. Furthermore, MgO and MgS formed from Mg disperse MnS finely and form a thin Mn layer around MnS, which contributes to the formation of ferrite and pearlite transformation. As a result, mainly the pearlite block size becomes finer. Therefore, Mg is an effective element for improving the ductility of the pearlite structure. If the Mg content is 0.0005% or more, this effect is enhanced. Furthermore, if the Mg content is 0.0200% or less, the generation of coarse Mg oxides is suppressed, the toughness of the rail is increased, and at the same time, fatigue damage originating from coarse precipitates is prevented. Therefore, the Mg content may be limited to 0.0005 to 0.0200%. The Mg content may be 0.0008% or more, 0.0010% or more, or 0.0012% or more. The Mg content may be 0.0180% or less, 0.0100% or less, or 0.0030% or less.
Ca:0~0.0200%
Caは、Sとの結合力が強く、CaS(硫化物)を形成する元素である。このCaSはMnSを微細に分散させ、応力集中を緩和し、レールの耐内部疲労損傷性を向上させる。Ca量が0.0005%以上であると、その効果を十分に得ることができる。Ca量が0.0200%以下であると、Caの粗大酸化物の生成を抑制することができる。Caの粗大酸化物においては、疲労亀裂を発生させる応力集中が生じやすい。しかし、Caの粗大酸化物の生成を抑制することにより、疲労亀裂の発生を抑制し、耐内部疲労損傷性を高めることができる。そのため、Ca量を0.0005~0.0200%に限定してもよい。Ca量を0.0008%以上、0.0010%以上、又は0.0012%以上としてもよい。Ca量を0.0180%以下、0.0150%以下、又は0.0100%以下としてもよい。
Ca: 0-0.0200%
Ca is an element that has a strong bond with S to form CaS (sulfide). This CaS finely disperses MnS, mitigating stress concentration and improving the internal fatigue damage resistance of the rail. When the Ca content is 0.0005% or more, the effect can be sufficiently obtained. When the Ca content is 0.0200% or less, the generation of coarse Ca oxides can be suppressed. In the coarse oxides, stress concentration that causes fatigue cracks is likely to occur. However, by suppressing the generation of coarse Ca oxides, the occurrence of fatigue cracks can be suppressed and resistance to internal fatigue damage can be improved. Therefore, the Ca content may be limited to 0.0005 to 0.0200%. The Ca content may be 0.0008% or more, 0.0010% or more, or 0.0012% or more. It may be 0.0180% or less, 0.0150% or less, or 0.0100% or less.
Al:0~1.000%
Alは、脱酸効果を有する。また、Alは共析変態温度を高温側へ移動させる元素であり、パーライト組織の高硬度化(強度)に寄与する元素である。Al量が0.025%以上であると、その効果を十分に得ることができる。また、Al量が1.000%以下であると、Alを鋼中に固溶させることが容易になり、粗大なアルミナ系介在物の数を少なくして、レールの靭性を高めると同時に、粗大な析出物から疲労損傷が発生することを防止することができる。さらに、Al量が1.000%以下であると、溶接部に酸化物が生成することを防ぎ、溶接性を著しく高めることができる。そのため、Al量を0.025~1.000%に限定してもよい。Al量を0%超、0.028%以上、0.030%以上、又は0.035%以上としてもよい。Al量を0.900%以下、0.600%以下、又は0.400%以下としてもよい。
Al: 0-1.000%
Al has a deoxidizing effect. In addition, Al is an element that shifts the eutectoid transformation temperature to the high temperature side, and is an element that contributes to increasing the hardness (strength) of the pearlite structure. The Al content is 0.025%. When the Al content is 1.000% or less, the effect can be sufficiently obtained. When the Al content is 1.000% or less, Al can be easily dissolved in the steel, and the number of coarse alumina-based inclusions can be reduced. By reducing the amount of Al, it is possible to increase the toughness of the rail and at the same time prevent fatigue damage caused by coarse precipitates. Furthermore, if the amount of Al is 1.000% or less, oxides in the welded portion tend to form. The formation of Al can be prevented, and the weldability can be significantly improved. Therefore, the Al content may be limited to 0.025 to 1.000%. The Al content may be 0.030% or more, or 0.035% or more. The Al content may be 0.900% or less, 0.600% or less, or 0.400% or less.
Cu:0~1.00%
Cuは、フェライト組織やパーライト組織に固溶または析出し、固溶強化や析出強化により、パーライト組織の硬度(強度)を向上させる元素である。Cu析出粒子は軟質であるがゆえに、フェライト相中に析出した状態では耐摩耗性に悪影響は及ぼさない。しかし、Cu含有量が多い場合は、Cu固溶量も増えるため、Cuはレールの耐摩耗性を低下させることになる。一方で、鋼材のスクラップの再利用の観点から、レールがCuを含有する可能性は高い。さらにまた、固溶強化元素としての利用や耐表面損傷性の観点等から、意図的にCuをレールに含有させる場合もある。この意味で、Cu量を1.00%以下としてもよい。Cu量を0%超、0.01%以上、0.05%以上、又は0.010%以上としてもよい。0.20%以下、0.10%以下、又は0.05%以下としてもよい。
Cu: 0-1.00%
Cu is an element that dissolves or precipitates in the ferrite structure or pearlite structure, and improves the hardness (strength) of the pearlite structure by solid solution strengthening or precipitation strengthening. Cu precipitate particles are soft, so they can be easily cooled in the ferrite phase. When Cu precipitates in the steel, it does not adversely affect the wear resistance. However, when the Cu content is high, the amount of Cu in solid solution also increases, and Cu reduces the wear resistance of the rail. From the viewpoint of recycling scrap, there is a high possibility that rails contain Cu. Furthermore, in the case where Cu is intentionally contained in rails from the viewpoint of utilization as a solid solution strengthening element and surface damage resistance, etc. In this sense, the Cu content may be 1.00% or less. The Cu content may be more than 0%, 0.01% or more, 0.05% or more, or 0.010% or more. It may be 20% or less, 0.10% or less, or 0.05% or less.
REM:0~0.0500%
REMは、脱酸・脱硫元素であり、含有されるとMn硫化物系介在物の生成核となるREMのオキシサルファイド(REM2O2S)を生成する。このオキシサルファイド(REM2O2S)は融点が高い。そのため、オキシサルファイドは圧延後のMn硫化物系介在物の延伸を抑制する。この結果、REMの含有により、MnSが微細に分散し、応力集中が緩和され、レールの耐内部疲労損傷性が向上する。REM含有量が0.0005%以上である場合、MnS系硫化物の生成核が十分に形成され、上述の効果が得られる。一方、REM含有量が0.0500%以下である場合、硬質なREMのオキシサルファイド(REM2O2S)の過剰な生成を抑制することができる。この場合、応力集中による疲労き裂の生成を抑制し、耐内部疲労損傷性が一層向上する。このため、REMをレールに含有させる場合には、REM含有量を0.0005~0.0500%とすることが好ましい。REM含有量の一層好ましい下限値は0.0010%、0.0012%、又は0.0015%である。REM含有量の一層好ましい上限値は0.0400%、0.0300%、又は0.0100%である。
REM: 0~0.0500%
REM is a deoxidizing and desulfurizing element, and when contained, it generates REM oxysulfide (REM 2 O 2 S), which becomes the nucleus for the formation of Mn sulfide-based inclusions. This oxysulfide (REM 2 O 2 S ) has a high melting point. Therefore, oxysulfides suppress the elongation of Mn sulfide inclusions after rolling. As a result, the inclusion of REM causes MnS to be finely dispersed, mitigating stress concentration and improving the durability of the rail. When the REM content is 0.0005% or more, nuclei for the formation of MnS-based sulfides are sufficiently formed, and the above-mentioned effects are obtained. %, excessive generation of hard REM oxysulfide (REM 2 O 2 S) can be suppressed. In this case, generation of fatigue cracks due to stress concentration can be suppressed, and resistance to internal fatigue damage can be improved. will be further improved. For this reason, when REM is contained in a rail, the REM content is preferably set to 0.0005 to 0.0500%. More preferable lower limits of the REM content are 0.0010%, 0.0012%, and More preferably, the upper limit of the REM content is 0.0400%, 0.0300%, or 0.0100%.
なお、REMとはSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuからなる群の希土類金属である。REMの含有量とは、希土類金属元素の含有量の合計値である。含有量の合計値が上記範囲内であれば、レールに含有される希土類金属元素が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。 Note that REM refers to the group of rare earth metals consisting of Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. The REM content is the total content of the rare earth metal elements. As long as the total content is within the above range, the same effect can be obtained whether the rail contains one type of rare earth metal element or two or more types.
Zr:0~0.0200%
Zrは、Oと結合してZrO2系介在物を形成する。このZrO2介在物とγ-Feとは格子整合性が良い。そのためZrO2系介在物は、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、凝固組織を微細化する。これにより、MnSが微細に分散し、応力集中が緩和され、レールの耐内部疲労損傷性が向上する。さらにZrは、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制することにより、レールの偏析部におけるマルテンサイト組織の生成を抑制する。Zr含有量が0.0001%以上である場合、凝固核として十分な作用を示す程度の個数のZrO2系介在物が生成する。一方、Zr含有量が0.0200%以下である場合、粗大なZr系介在物が多量に生成することを抑制し、応力集中による疲労き裂を防止し、レールの耐内部疲労損傷性を一層向上させることができる。このため、Zrを含有させる場合には、Zr含有量を0.0001~0.0200%とすることが好ましい。Zr含有量の一層好ましい下限値は0.0005%、0.0010%、又は0.0012%である。Zr含有量の一層好ましい上限値は0.0100%、0.0050%、又は0.0020%である。
Zr: 0-0.0200%
Zr combines with O to form ZrO2- based inclusions. These ZrO2 inclusions have good lattice matching with γ-Fe. Therefore, ZrO2 - based inclusions are formed when γ-Fe is the initial solidification crystal. It acts as a solidification nucleus for certain high carbon rail steels, increasing the equiaxed crystallization rate of the solidification structure and refining the solidification structure. This finely disperses MnS, mitigating stress concentration and improving the resistance to internal fatigue damage of rails. Furthermore, Zr suppresses the formation of a segregation band in the center of the cast slab, thereby suppressing the formation of martensite structures in the segregated parts of the rail. When the Zr content is 0.0001% or more On the other hand, when the Zr content is 0.0200% or less, a large amount of coarse Zr - based inclusions are generated. This suppresses fatigue cracks caused by stress concentration, thereby further improving the rail's resistance to internal fatigue damage. Therefore, when Zr is contained, the Zr content is preferably 0.0001 to 0.0200%. More preferably, the lower limit of the Zr content is 0.0005%, 0.0010%, or 0. The upper limit of the Zr content is more preferably 0.0100%, 0.0050%, or 0.0020%.
レール鋼の化学成分の残部は、主にFeである。また、上記成分以外に、レール鋼は不純物を含む。The remainder of the chemical composition of rail steel is mainly Fe. In addition to the above components, rail steel also contains impurities.
(4)パーライト組織の面積率
本実施形態に係るパーライトレールの頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲(頭表部3a)の組織は、主にパーライト組織である。ただし、パーライトレールの頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織に、面積率で、5%以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、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、レール頭部の耐摩耗性及び延性には大きな影響を及ぼさない。そのため、パーライトレールの頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織に、5%以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が混在していてもよい。言い換えれば、本実施形態に係るパーライトレールの頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織は、95%以上がパーライト組織であれば良い。耐摩耗性や延性を十分に確保するためには、当該範囲の98%以上をパーライト組織とすることが望ましい。
(4) Area ratio of pearlite structure The structure in the range from the head outer surface to a depth of 25 mm (
なお、用語「頭部外郭表面」の意味、及びその他のパーライトレールの形状について以下に説明する。頭部3とは、図3に示すように、パーライトレールを断面視したときに、パーライトレールの高さ方向中央に括れた部分よりも上側の部分をいう。また、頭部3は、頭頂部31と、前記頭頂部31の両端に位置する頭部コーナー部32を有する。頭部コーナー部32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。そして、頭部外郭表面とは、頭部3のうち、レールを正立させたときに上側を向く頭頂部31の表面と、頭部コーナー部32の表面とを合わせた面をいう。頭頂部31と頭部コーナー部32の位置関係は、頭頂部31がレール頭部の幅方向ほぼ中央に位置し、頭部コーナー部32が頭頂部31の両側に位置する関係にある。The meaning of the term "head outer surface" and other shapes of pearlite rails are explained below. The
頭部コーナー部32及び頭頂部31の表面(頭部外郭表面)を起点として深さ25mmまでの範囲を頭表部(3a、斜線部)と呼ぶ。図6に示すように、頭部コーナー部32及び頭頂部31の表面(頭部外郭表面)を起点として深さ25mmまでの頭表部3aに所定の硬さのパーライト組織を含む金属組織(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)が配置されることが、レールの耐摩耗性及び耐内部疲労損傷性の向上のために必要とされる。
The area extending from the surface (outer head surface) of the
(5)レール頭頂部31の表面から25mm深さの位置の硬度
レール頭頂部31の表面から25mm深さの位置の硬度を少なくとも350Hvと限定した理由について説明する。本成分範囲において、レール頭頂部31の表面から25mm深さの位置の硬度が350Hv未満になると、レール頭頂部31の転がり面に塑性変形起因のフレーキング損傷や発生する。また、パーライトレールを重荷重鉄道で使用する場合においては、レール頭頂部31の表面から25mm深さの位置の硬度が350Hv未満になると、耐摩耗性の確保が困難となり、レールの使用寿命が低減する。このため、レール頭頂部31の表面から25mm深さの位置の硬度を少なくとも350Hvと限定した。レール頭頂部31の表面から25mm深さの位置の硬度を360HV以上、380HV以上、又は400HV以上としてもよい。一般には硬度が高いほど耐摩耗性には良好であるため、当該位置の硬度の上限は特に規定しないが、例えば600HV以下、550HV以下、又は500HV以下としてもよい。
(5) Hardness at a depth of 25 mm from the surface of the
(製造方法)
上記のような成分組成で構成させるレール鋼は、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、この溶鋼を造塊・分塊法あるいは、連続鋳造法、さらに熱間圧延を経てレールとして製造させる。
(Production method)
Rail steel having the above-mentioned chemical composition is produced by melting in a commonly used melting furnace such as a converter or an electric furnace, and the molten steel is then subjected to an ingot-making/blooming method or a continuous casting method, and further subjected to hot rolling to produce a rail.
本開示における好ましいレールの製造方法の一例について述べる。当該製造方法によれば、セメンタイト界面上の粒径4nm以上の窒化物粒子の個数密度が1.0×1010個cm-2未満であり、頭頂部の硬度が少なくとも350Hvであり、好ましくは、フェライト中における粒径0.5~4nmの窒化物粒子の個数密度を4.0×1016個cm-3以上とするパーライトレールを得ることができる。ただし、以下に説明される製造方法の一例は、上述された本実施形態に係るパーライトレールの製造方法を限定するものではない。 An example of a preferred method for manufacturing a rail according to the present disclosure will be described. According to this manufacturing method, it is possible to obtain a pearlite rail in which the number density of nitride particles having a grain size of 4 nm or more on the cementite interface is less than 1.0×10 10 particles cm -2 , the hardness of the top portion is at least 350 Hv, and preferably the number density of nitride particles having a grain size of 0.5 to 4 nm in the ferrite is 4.0×10 16 particles cm -3 or more. However, the example of the manufacturing method described below does not limit the manufacturing method of the pearlite rail according to the present embodiment described above.
フェライト中のセメンタイト界面上の4nm以上の窒化析出物の個数密度を1.0×1010個cm-2未満とするためには、セメンタイト界面上での窒化物の生成を抑制する必要がある。窒化物は、パーライト変態後のフェライト中の、固溶Vが高濃度に存在している箇所に析出しやすい。窒化物の核はVNであることから、セメンタイト界面上での窒化物析出を抑制するためには、パーライト変態時にVをセメンタイト界面からセメンタイトの内部の側に分配させる。これにより、界面付近のフェライト中のV固溶濃度を減らすことができる。 In order to make the number density of nitride precipitates of 4 nm or more on the cementite interface in ferrite less than 1.0×10 10 cm −2 , it is necessary to suppress the generation of nitrides on the cementite interface. Nitrides are likely to precipitate in the ferrite after pearlite transformation at a location where solute V is present at a high concentration. Since the nucleus of the nitride is VN, in order to suppress the precipitation of nitrides on the cementite interface, V is distributed from the cementite interface to the inner side of the cementite during pearlite transformation. This makes it possible to reduce the solute V concentration in the ferrite near the interface.
Vをセメンタイトの内部の側に分配させるための手段の一例は、冷却条件の最適化である。Vは、高温では分配係数が小さく、低温では拡散が遅いため、セメンタイトの内部の側に分配され難い。従って、それらの中間の温度が好ましく、鋼材成分に合わせて最適な冷却速度を探索する必要がある。パーライトレールの製造においては、最適な温度制御を実現することが好ましい。One example of a means for distributing V to the inner side of the cementite is the optimization of cooling conditions. V has a small distribution coefficient at high temperatures and a slow diffusion at low temperatures, so it is difficult to distribute to the inner side of the cementite. Therefore, a temperature intermediate between these is preferable, and it is necessary to find the optimal cooling rate according to the steel composition. In the manufacture of pearlite rails, it is preferable to achieve optimal temperature control.
また、フェライト中に粒径0.5~4nmの窒化物粒子を4.0×1016個cm-3以上析出させるためには、パーライト変態直後にラメラフェライト中央部に十分量の固溶Vを残存させることが好ましい。これらのためには、ラメラフェライト幅をあまり狭くし過ぎず、冷却速度の最適化によってVのセメンタイトへの分配が過剰にならないように、適切にする必要がある。 In order to precipitate 4.0×10 16 particles cm -3 or more of nitride particles with a particle size of 0.5 to 4 nm in ferrite, it is preferable to leave a sufficient amount of dissolved V in the center of the lamellar ferrite immediately after pearlite transformation. For this purpose, it is necessary to appropriately prevent the lamellar ferrite width from being too narrow and to optimize the cooling rate so that V is not excessively distributed to cementite.
加熱温度の上限は特に規定しないが、あまり高温度にすると液相が現れてオーステナイト相が不安定になる。そのため、温度は実質1350℃が上限となる。加熱温度の下限は、VNなどの窒化物を一旦溶解する必要があるため1180℃以上の高温で行うことが好ましい。There is no specific upper limit for the heating temperature, but if the temperature is too high, a liquid phase will appear and the austenite phase will become unstable. Therefore, the actual upper limit for the temperature is 1350°C. As for the lower limit for the heating temperature, it is preferable to carry out the process at a high temperature of 1180°C or higher, since it is necessary to dissolve nitrides such as VN once.
完全なオーステナイトからパーライト変態させるため、圧延直後のレール頭部においてはAr1点以上の温度域とする。尚、圧延したレールをいったん冷却した後で再加熱してレールを製造する場合には、再加熱されたレール頭部においてはAc1点+30℃以上の温度とする。好ましくは、仕上げ圧延を900~950℃で行う。 In order to completely transform austenite into pearlite, the temperature range of the rail head immediately after rolling is set to the Ar1 point or higher. If the rolled rail is cooled and then reheated to manufacture the rail, the temperature of the reheated rail head is set to the Ac1 point + 30°C or higher. Finish rolling is preferably performed at 900 to 950°C.
圧延された直後のレール、又は圧延後に冷却及び再加熱されたレールは、好ましくは、850~900℃の温度範囲で冷却開始される。冷却の開始の時点とは、冷媒をレールに吹き付け始めた時点のことである。即ち、レールの頭部の温度が850~900℃の温度範囲にあるときに、レールの頭部への冷媒の吹き付けを開始することが好ましい。Cooling of rails immediately after rolling, or rails that have been cooled and reheated after rolling, is preferably started at a temperature in the range of 850 to 900°C. The time at which cooling starts refers to the time at which the coolant starts to be sprayed onto the rail. In other words, it is preferable to start spraying the coolant onto the head of the rail when the temperature of the head of the rail is in the range of 850 to 900°C.
冷却終了温度は790~820℃とすることが好ましい。冷却終了温度とは、冷媒をレールに吹き付けるのを終了した時点のことである。即ち、レールの頭部が790~820℃の温度範囲にあるときに、レールの頭部への冷媒の吹き付けを終了することが好ましい。It is preferable that the cooling end temperature is 790 to 820°C. The cooling end temperature is the point at which spraying of the coolant onto the rail is stopped. In other words, it is preferable to stop spraying of the coolant onto the head of the rail when the head of the rail is in the temperature range of 790 to 820°C.
冷却速度は、20~50℃/sとすることが好ましい。冷却速度とは、冷却開始温度(冷媒の吹き付けを開始した時点でのレールの頭部の温度)と冷却終了温度(冷媒の吹き付けを終了した時点でのレールの頭部の温度)との差を、冷媒を吹き付けていた時間で割った値のことである。レールの頭部の温度は、放射温度計によって測定される。温度を測定する位置は、レールの頭部外郭表面である。The cooling rate is preferably 20 to 50°C/s. The cooling rate is the difference between the cooling start temperature (the temperature of the rail head when the spraying of the coolant begins) and the cooling end temperature (the temperature of the rail head when the spraying of the coolant ends) divided by the time the coolant was sprayed. The temperature of the rail head is measured by a radiation thermometer. The temperature is measured at the outer surface of the rail head.
上述の条件でレールの頭部を急速冷却することにより、オーステナイトの粒成長を抑制する。熱延直後冷却の冷却速度が大きすぎる場合、高温側での炭窒化物の析出が完全に抑えられて、パーライト変態後のセメンタイト界面への窒化物の析出駆動力が高まるおそれがある。この場合、セメンタイト界面上にVを含む窒化物が析出しやすくなる。また、50℃/sより大きな冷却速度の実現は技術的に難しい。20℃/sよりも小さな冷却速度では、粒成長の抑制効果は小さい。 By rapidly cooling the head of the rail under the above conditions, the grain growth of austenite is suppressed. If the cooling rate immediately after hot rolling is too high, the precipitation of carbonitrides on the high temperature side may be completely suppressed, and the driving force for nitride precipitation at the cementite interface after pearlite transformation may increase. In this case, nitrides containing V tend to precipitate at the cementite interface. In addition, it is technically difficult to achieve a cooling rate greater than 50°C/s. At a cooling rate of less than 20°C/s, the effect of suppressing grain growth is small.
冷媒を用いた急冷に次いで、パーライト変態が始まる直前の温度域である740~780℃までを2~5℃/sで徐冷する(制御冷却前冷却)。なお、制御冷却前冷却の開始の時点とは、上述した冷媒の吹き付けの終了の時点である。制御冷却前冷却の終了の時点とは、後述する制御冷却の開始の時点のことである。制御冷却前冷却における冷却速度とは、制御冷却前冷却の開始時点のレール頭部温度と、終了時点のレール頭部温度との差を、制御冷却前冷却に要した時間で割った値である。制御冷却前冷却によって、パーライト変態温度を少し高温側に移動させる。 Following rapid cooling using a refrigerant, the material is slowly cooled at 2-5°C/s to 740-780°C, the temperature range just before the start of pearlite transformation (pre-controlled cooling). The start of pre-controlled cooling refers to the end of the spraying of the refrigerant as described above. The end of pre-controlled cooling refers to the start of controlled cooling, which will be described later. The cooling rate in pre-controlled cooling is the difference between the rail head temperature at the start of pre-controlled cooling and the rail head temperature at the end of pre-controlled cooling, divided by the time required for pre-controlled cooling. Pre-controlled cooling moves the pearlite transformation temperature slightly higher.
上述の徐冷に引き続き、レール頭部を、オーステナイト温度域から好ましくは600~480℃までの間を、好ましくは5~12℃/sの冷却速度で制御冷却する。即ち、制御冷却の終了温度は600~480℃の範囲内である。好ましくは、制御冷却の終了温度は580~480℃である。これにより、完全なパーライト組織を得る。なお、制御冷却の開始の時点とは、冷媒の吹き付けを開始した時点である。制御冷却の終了の時点とは、冷媒の吹き付けを終了した時点である。制御冷却における冷却速度とは、制御冷却の開始時点におけるレール頭部の温度と、終了時点におけるレール頭部の温度との差を、制御冷却に要した時間で割った値である。Following the slow cooling described above, the rail head is subjected to controlled cooling from the austenite temperature range to preferably 600-480°C at a cooling rate of preferably 5-12°C/s. That is, the end temperature of controlled cooling is in the range of 600-480°C. Preferably, the end temperature of controlled cooling is 580-480°C. This results in a complete pearlite structure. The start time of controlled cooling is the time when the spraying of the refrigerant begins. The end time of controlled cooling is the time when the spraying of the refrigerant ends. The cooling rate in controlled cooling is the difference between the rail head temperature at the start time of controlled cooling and the rail head temperature at the end time of controlled cooling divided by the time required for controlled cooling.
制御冷却の冷却速度が大きすぎると、変態温度が著しく低下する。この場合、パーライト変態時にV固溶原子の分配が十分に起こらず、また、セメンタイト界面近傍のフェライト中のV固溶濃度が低減しない。そして、パーライト変態後にセメンタイト界面上に大型の窒化物が生じやすくなる。また、この冷却速度が小さすぎたり、または、終了温度が高すぎたりする場合は、パーライト変態がより高温度側で進行するため、粗いパーライトとなってしまい、ラメラ微細化による硬化分が少なくなる。If the cooling rate of controlled cooling is too high, the transformation temperature drops significantly. In this case, distribution of V solid solution atoms does not occur sufficiently during pearlite transformation, and the V solid solution concentration in ferrite near the cementite interface does not decrease. As a result, large nitrides are likely to form on the cementite interface after pearlite transformation. Furthermore, if the cooling rate is too low or the end temperature is too high, the pearlite transformation proceeds at a higher temperature, resulting in coarse pearlite and less hardening due to lamellar refinement.
実際には、VやCr及びN含有量によって析出駆動力は異なるため、好ましい製法との対応は単純ではなく変化する。本実施形態におけるV、Cr、Nの含有量の範囲であれば、上記の製造条件を適用することによって、セメンタイト界面上の窒化物の析出や大型化を抑制できる。なお、制御冷却の方法については、例えば、空気や空気を主としミスト等を加えた冷媒媒体及びこれらの組み合わせにより、所定の冷却速度を得ることが可能である。In reality, the precipitation driving force differs depending on the V, Cr and N content, so the correspondence with the preferred manufacturing method is not simple and varies. If the V, Cr and N content is within the range of this embodiment, the above manufacturing conditions can be applied to suppress the precipitation and enlargement of nitrides on the cementite interface. Regarding the method of controlled cooling, for example, a refrigerant medium such as air or air mainly with mist added, or a combination of these, can be used to obtain a predetermined cooling rate.
ここで述べた製法は一例であり、請求項で記述した組織の特徴を有するパーライトレールを限定するものではなく、他の製法で同様の組織の有するパーライトレールを得られたものであっても本実施形態に係るパーライトレールに属する。The manufacturing method described here is one example and does not limit the pearlite rail having the structure characteristics described in the claims. Pearlite rails having a similar structure obtained by other manufacturing methods also belong to the pearlite rail of this embodiment.
次に本開示の実施例について説明する。ただし、実施例での条件は、本開示の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例に過ぎない。本開示は、この一条件例に限定されない。本開示は、その要旨を逸脱せず、その目的を達成する限り、種々の条件を採用し得る。Next, an embodiment of the present disclosure will be described. However, the conditions in the embodiment are merely one example of conditions adopted to confirm the feasibility and effects of the present disclosure. The present disclosure is not limited to this one example of conditions. Various conditions may be adopted for the present disclosure as long as they do not deviate from the gist of the disclosure and achieve its purpose.
表1A及び表1Bに、供試レール鋼の化学成分を示す。表2A及び表2Bに、表1A及び表1Bに開示された鋼種A~Pのいずれかからなる供試レール鋼(試験No.1~28)の材料、製造条件を示す。表3A及び表3Bに、フェライト相中の析出物の状態を示す。表4A及び表4Bに、レールの特性と摩耗試験の結果を示す。製造条件として、各温度領域での冷却速度を示す。レール特性として、頭頂部硬度(Hv)(試験荷重98N)と引張試験による全伸び率を示す。摩耗試験として、70万回の摩耗試験における摩耗量(g)を示す。表1A及び表1Bに記載された化学成分の残部は鉄及び不純物である。
表1A及び表1Bにおいて、元素の含有量の欄に記載された記号「-」は、当該記号が付された元素が意図的にパーライトレールに添加されていないことを意味する。また、表1A及び表1Bにおいて、元素の含有量の欄に記載された「<0.005」は、0.005質量%未満を意味する。
Tables 1A and 1B show the chemical compositions of the test rail steels. Tables 2A and 2B show the materials and manufacturing conditions of the test rail steels (Test Nos. 1 to 28) made of any of the steel types A to P disclosed in Tables 1A and 1B. Tables 3A and 3B show the state of precipitates in the ferrite phase. Tables 4A and 4B show the rail characteristics and the results of the wear test. As the manufacturing conditions, the cooling rate in each temperature range is shown. As the rail characteristics, the head hardness (Hv) (test load 98N) and the total elongation in the tensile test are shown. As the wear test, the wear amount (g) in the wear test of 700,000 times is shown. The balance of the chemical compositions listed in Tables 1A and 1B is iron and impurities.
In Tables 1A and 1B, the symbol "-" in the column of the content of an element means that the element with that symbol is not intentionally added to the pearlite rail. Also, in Tables 1A and 1B, "<0.005" in the column of the content of an element means less than 0.005 mass%.
なお、表に記載されていない製造条件は以下の通りである。これら鋼レールは、転炉で成分調整された後、連続鋳造法で鋳造したレール圧延用鋼片を、加熱温度1250℃として、1時間以上加熱した。加熱保持後の熱間圧延は、パス間11sで行った。仕上圧延は、910℃で、1パス当り断面減少率10%で行った。The manufacturing conditions not listed in the table are as follows. After the components of these steel rails were adjusted in a converter, the steel billets for rail rolling were cast by continuous casting, and heated at a heating temperature of 1250°C for more than one hour. After holding at heat, hot rolling was performed with an interval between passes of 11 s. Finish rolling was performed at 910°C with a cross-sectional area reduction rate of 10% per pass.
熱延終了温度から20~50℃/sの冷却速度で900℃から800℃まで水冷等によって急速冷却した後、760℃までを2~10℃/sで徐冷し、引き続き、レール頭部の温度が610~450℃になるまで、4~15℃/sの冷却速度で制御冷却した。このレール試料を下記の方法で特性評価した。 After rapid cooling from 900°C to 800°C at a cooling rate of 20-50°C/s from the hot rolling end temperature by water cooling or the like, it was slowly cooled to 760°C at a cooling rate of 2-10°C/s, and then continuously cooled under controlled conditions at a cooling rate of 4-15°C/s until the temperature of the rail head reached 610-450°C. The characteristics of this rail sample were evaluated by the following methods.
レール頭部摩耗評価には、西原式摩耗試験を行った。試験条件は次の通りである。
・試験機:西原式摩耗試験機
・試験片形状:円盤状試験片(外径:30mm、厚さ:8mm)
・試験片採取位置:レール頭頂部表面下5mm
・試験荷重:684N(接触面圧640MPa)
・すべり率:20%
・相手材:パーライト鋼(360Hv)
・雰囲気:大気中
・冷却:圧搾空気による強制冷却(流量:100Nl/min)
・繰返し回数:70万回
摩耗量は、試験後の試験片の質量の減少分として求めた。摩耗量が1.00gを下回る場合に耐摩耗性を良好とした。さらに摩耗量が0.80gを下回る場合に、より良好とした。
The wear of the rail head was evaluated by a Nishihara type wear test under the following test conditions:
Testing machine: Nishihara type abrasion testing machine Test piece shape: Disc-shaped test piece (outer diameter: 30 mm, thickness: 8 mm)
- Test piece collection location: 5 mm below the rail head surface
Test load: 684N (contact pressure 640MPa)
Slip rate: 20%
・Mating material: Pearlite steel (360Hv)
Atmosphere: Air Cooling: Forced cooling with compressed air (flow rate: 100 Nl/min)
Number of repetitions: 700,000 times. The amount of wear was calculated as the mass loss of the test piece after the test. When the amount of wear was less than 1.00 g, the wear resistance was considered to be good. When the amount of wear was less than 0.80 g, the wear resistance was considered to be even better.
さらに、レール頭部から試験片を切り出し、引っ張り試験から全伸びを見積もった。条件を示す。 In addition, test pieces were cut from the rail head and the total elongation was estimated from tensile tests. The conditions are as follows:
・試験機:万能小型引張試験機
・試験片形状:JIS4号相似
・平行部長さ:30mm
・平行部直径:6mm
・伸び測定評点間距離:25mm
・試験片採取位置:レール頭頂部表面下5mm
・引張速度:10mm/min
・試験温度:常温
引張試験は、JIS Z 2241:2011に準拠して実施した。全伸び値が10.0%以上の場合を良好とした。
・Testing machine: Universal small tensile testing machine ・Test piece shape: JIS No. 4 similar ・Parallel part length: 30 mm
・Parallel diameter: 6mm
Distance between elongation measurement points: 25 mm
- Test piece collection location: 5 mm below the rail head surface
Pull speed: 10 mm/min
Test temperature: room temperature The tensile test was performed in accordance with JIS Z 2241: 2011. A total elongation value of 10.0% or more was rated as good.
頭頂部の硬度は、1kgの荷重を用いて、ビッカース硬度測定から求めた。場所は頭頂部表面下25mm位置とした。ばらつきがあるため、5点の測定結果の平均値を表に記載した。350Hv以上の値を良好とした。The hardness of the top of the head was determined by Vickers hardness measurement using a load of 1 kg. The location was 25 mm below the surface of the top of the head. Because there was some variability, the average values of the measurement results from five points are listed in the table. A value of 350 Hv or more was considered good.
パーライトの分率は、研磨した試料表面のナイタールエッチングによって調べた。パーライト相以外の第2相が面積率で5%を上回る場合に、表に主たる第2相を記述した。パーライトの分率の測定位置は、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲とした。具体的には、各レール頭部の横断面からサンプルを切り出し、各サンプルをダイヤモンド研磨後に3%ナイタールエッチング処理した後に、光学顕微鏡(200倍)を用いて組織観察することにより測定した。倍率200倍の組織観察において、白く観察される個所は初析フェライトである。初析セメンタイトは粒界に沿った異なるコントラストとして判定できる。またマルテンサイトやベイナイトはラス組織から判定できる。それ以外の組織が塊状のパーライトであり、ラメラ方向によってコントラストが異なることから判定される。組織が不明な場合は、走査型電子顕微鏡(SEM)による高倍率観察によって、パーライトラメラ組織を判定することができる。測定視野は、頭部外郭表面から深さ2mmの任意の10視野、及び頭部外郭表面から深さ25mmの任意の10視野とした。頭部外郭表面から深さ2mmの任意の10視野におけるパーライト組織の面積率の平均値を「表層パーライト率」とし、頭部外郭表面から深さ25mmの任意の10視野におけるパーライト組織の面積率の平均値を「25mm位置パーライト率」とした。両者が95面積%以上であるレールは、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織が、面積率で95%以上のパーライト組織を含むレールであると判断された。The pearlite fraction was examined by nital etching of the polished sample surface. When the area ratio of the second phase other than the pearlite phase exceeded 5%, the main second phase was listed in the table. The measurement position of the pearlite fraction was within a range of 25 mm depth from the head outer surface. Specifically, samples were cut from the cross section of each rail head, and each sample was diamond polished and etched with 3% nital, and then measured by observing the structure using an optical microscope (200x). In the structure observation at 200x magnification, the white parts are pro-eutectoid ferrite. Pro-eutectoid cementite can be determined as different contrasts along the grain boundaries. Martensite and bainite can be determined from the lath structure. The other structures are massive pearlite, and are determined from the contrasts that differ depending on the lamellar direction. If the structure is unknown, the pearlite lamellar structure can be determined by high-magnification observation using a scanning electron microscope (SEM). The measurement fields were 10 arbitrary fields at a depth of 2 mm from the head outer surface, and 10 arbitrary fields at a depth of 25 mm from the head outer surface. The average value of the area ratio of pearlite structure in 10 arbitrary fields at a depth of 2 mm from the head outer surface was defined as the "surface pearlite ratio", and the average value of the area ratio of pearlite structure in 10 arbitrary fields at a depth of 25 mm from the head outer surface was defined as the "25 mm position pearlite ratio". A rail in which both were 95 area % or more was determined to be a rail in which the structure in the range from the head outer surface to a depth of 25 mm contained pearlite structure at an area ratio of 95% or more.
頭部外郭表面から深さ25mm位置のパーライト組織中の析出物は、CAMECA製のLEAP4000XHRによる3次元アトムプローブ観察によって調べた。試料のパーライトレールの頭部外郭表面から深さ25mm位置のパーライト組織中から、集束イオンビーム(FIB)加工によって曲率半径30~80nmの針試料を作製した。3次元アトムプローブによって2000万原子の測定を複数回行った。このデータから、例えば3次元構築ソフトウエアであるIVASソフトウエアによって、3次元元素マップを得る。Vは質量電荷比で25.5Daにピークが現れるV2+イオンと、32.5Daにピークが現れるVN2+イオンとして検出される。VN2+イオンはVとNから構成されたイオンであるため、Vを含む窒化物粒子の存在を示す。Cが20at%以上に濃化している領域がセメンタイトラメラになる。析出物はセメンタイト界面上に存在する粒子と、セメンタイト界面から離れてフェライト粒内に分布している2種類が存在する(図1参照) The precipitates in the pearlite structure at a depth of 25 mm from the head outer surface were examined by 3D atom probe observation using a LEAP4000XHR manufactured by CAMECA. A needle sample with a radius of curvature of 30 to 80 nm was prepared from the pearlite structure at a depth of 25 mm from the head outer surface of the sample pearlite rail by focused ion beam (FIB) processing. Measurements of 20 million atoms were performed multiple times using a 3D atom probe. From this data, a 3D elemental map is obtained, for example, by IVAS software, which is a 3D construction software. V is detected as V 2+ ions, which have a peak at 25.5 Da in terms of mass-to-charge ratio, and VN 2+ ions, which have a peak at 32.5 Da. Since VN 2+ ions are ions composed of V and N, they indicate the presence of nitride particles containing V. The area where C is concentrated to 20 at% or more becomes a cementite lamella. There are two types of precipitates: particles that exist on the cementite interface, and particles that are distributed within ferrite grains away from the cementite interface (see Figure 1).
図4A~図4Dに、V添加レールの3次元元素マップの一例を示す。これらは、高さ77nm、幅78mm、及び長さ232nmの同じ直方体領域における、Fe、C、及びVの原子マップである。マップ中の点が原子1個を表している。Vに関しては、V2+イオンのマップと、VN2+イオンのマップとを示した。VN2+イオンはNとVとのペアからなるイオンであるため、VN2+イオンを示す点が集中した部分が、Vを含む窒化物粒子に対応する。C原子マップに、ラメラセメンタイトとラメラフェライトを示した。図中では、ラメラセメンタイトは「セメンタイト」と表記し、ラメラフェライトは「フェライト」と表記した。VN2+のマップにおいて、フェライト中に微細な窒化物粒子が観察されており、符号Xが付された四角のボックスで囲まれた少し大きな粒子はセメンタイト界面上の窒化物粒子である。 4A to 4D show an example of a three-dimensional elemental map of a V-doped rail. These are atomic maps of Fe, C, and V in the same rectangular region with a height of 77 nm, a width of 78 mm, and a length of 232 nm. A point in the map represents one atom. For V, a map of V 2+ ions and a map of VN 2+ ions are shown. Since VN 2+ ions are ions consisting of a pair of N and V, the area where the points representing VN 2+ ions are concentrated corresponds to nitride particles containing V. In the C atomic map, lamellar cementite and lamellar ferrite are shown. In the figures, lamellar cementite is written as "cementite" and lamellar ferrite is written as "ferrite". In the VN 2+ map, fine nitride particles are observed in the ferrite, and the slightly larger particles surrounded by a square box marked with a symbol X are nitride particles on the cementite interface.
図5A~図5Dに、図4のVN2+マップに設定した四角のボックス領域Xの3次元元素マップを示す。このボックスは一辺10nmの立方体形状を有する。図5A~図5Dには、C、V、Cr、Mnの原子マップを示した。ここでVの原子マップは、VN2+とV2+とを合わせたものとした。C原子マップ中、にセメンタイトとフェライトとの界面の位置を破線で示した。VとCrを成分とする窒化物粒子がセメンタイトに接触しており、即ち、セメンタイト界面上に存在していることが示されている。また図5A~図5Dには、C原子は窒化物粒子に含まれていないことも示されている。 5A to 5D show three-dimensional element maps of a square box region X set in the VN 2+ map of FIG. 4. This box has a cubic shape with one side of 10 nm. Atomic maps of C, V, Cr, and Mn are shown in FIG. 5A to 5D. Here, the atomic map of V is a combination of VN 2+ and V 2+ . In the C atomic map, the position of the interface between cementite and ferrite is shown by a dashed line. It is shown that nitride particles containing V and Cr are in contact with cementite, that is, present on the cementite interface. It is also shown in FIG. 5A to 5D that C atoms are not included in the nitride particles.
セメンタイト界面上の窒化物粒子の種類や個数密度とサイズは、以下のようにして見積もった。元素マップ中のセメンタイト界面に接した窒化物粒子の個数nを求め、それを視野内のセメンタイトの全表面積Snm2で割ることによって、窒化物粒子のセメンタイト界面面積当たりの個数密度n/Snm―2を調べることができる。ラメラセメンタイトがマップ中を横断している場合は、面積としては両面を足し合わせる必要がある。また、表3A及び表3Bのように、単位をcm-3に変換する場合にはこの値に1014を掛ければよい。 The type, number density and size of nitride particles on the cementite interface were estimated as follows. The number n of nitride particles in contact with the cementite interface in the element map is calculated and divided by the total surface area S nm2 of the cementite in the field of view to determine the number density n/S nm -2 of nitride particles per cementite interface area. When lamellar cementite crosses the map, the areas of both sides must be added together to determine the area. In addition, to convert the unit to cm -3 as in Tables 3A and 3B, this value should be multiplied by 1014 .
フェライト中の窒化物粒子の種類や個数密度、サイズは、以下のようにして見積もった。例えば、2000万原子の測定の場合は、装置イオン検出器の検出率(~0.38)で割り、その値をFeの原子密度(~85個nm-3)で割った値が、測定体積(nm3)とみなせる。この検出率は原子数や元素種によって変化せず、装置で決まるものである。フェライト相中の個数密度を求めるためには、測定視野内にセメンタイト相が含まれている場合は、この体積分を除いてフェライト相の測定体積Vf(nm3)を求める。この測定体積内にn個の析出物が観察された場合は、その個数密度は、n/Vfnmー3として求まる。表2A及び表2Bのように、単位をcm-3に変換する場合にはこの値に1021を掛ければよい。 The type, number density, and size of nitride particles in ferrite were estimated as follows. For example, in the case of measuring 20 million atoms, the measured volume (nm 3 ) can be obtained by dividing the value by the detection rate (up to 0.38) of the ion detector of the device and dividing the result by the atomic density of Fe (up to 85 nm −3 ). This detection rate does not change depending on the number of atoms or the element type, but is determined by the device. In order to obtain the number density in the ferrite phase, if the cementite phase is included in the measurement field of view, the measured volume V f (nm 3 ) of the ferrite phase is obtained by excluding this volume. If n precipitates are observed in this measurement volume, the number density is obtained as n/V f nm −3 . As in Tables 2A and 2B, this value can be multiplied by 10 21 to convert the unit to cm −3 .
精度を高めるために、セメンタイトラメラを横断するように複数回の測定を行った。例えば、フェライト中3000万原子に相当する体積の測定において1個の析出物が観察された場合は、約1.0×1015個cm-3の個数密度となる。またこのような測定によって、析出物が観察されなかった場合は「-」と表記した。従って、観察されない場合は、1.0×1015個cm-3未満の個数密度とみなしてよい。また、例えば、3D元素マップ中のセメンタイト界面の面積が100nm×50nm×2=10000nm2であり、1個の窒化物粒子がこのセメンタイト界面上に観察された場合は、1.0×1010個cm-2となる。このようなセメンタイトを複数測定しても観察できなかった場合は、表には「-」と表記した In order to improve accuracy, multiple measurements were taken across the cementite lamella. For example, when one precipitate was observed in the measurement of a volume equivalent to 30 million atoms in ferrite, the number density was about 1.0×10 15 cm −3 . Furthermore, when no precipitate was observed by such a measurement, it was indicated as “-”. Therefore, when no precipitate was observed, it may be considered that the number density is less than 1.0×10 15 cm −3 . Furthermore, for example, when the area of the cementite interface in the 3D element map is 100 nm×50 nm×2=10000 nm 2 and one nitride particle was observed on this cementite interface, it is 1.0×10 10 cm −2 . When such cementite was not observed even after multiple measurements, it was indicated as “-” in the table.
析出物粒子の組成の決定は、CAMECA製3次元構築ソフトウエアであるIVASソフトウエアに含まれているMaximum seperation methodのような粒子解析プログラムを用いて、窒化物粒子の構成元素とその原子数を求めることから行った。また、3D元素マップに直接ボックスを切って求めてもよい。IVASソフトウエアのバージョンは3.6.8であった。但し、ソフトウエアのバージョンは測定結果に影響を及ぼさない。
また、析出物粒子のサイズは、球換算直径として以下のように求めた。上記の方法で窒素以外の構成原子数を求める。これは、現状のアトムプローブでは、すべての窒素原子を正しく計測できないためである。化学量論組成を仮定すれば、NaCl型の結晶構造では、窒素以外のV,Cr,Mn等の構成原子数の2倍が窒素を含めた窒化物粒子の構成原子数となる。さらにこの値を、アトムプローブのイオン検出率(ここでは0.38)で割って、実際の構成原子数Nを求めた。最後に、直径Dの球を仮定して、析出物の原子密度aとすると、D=(6N/πa)1/3の式から粒子直径Dが求められる。ここでは原子密度としてa=113nm-3の値を用いた。これによって見積もられた、セメンタイト界面上の粒径4nm以上のVを含む窒化物粒子の個数密度と、フェライト中の粒径0.5~4nmの窒化物粒子の個数密度を、表3Aと表3Bに示した。
The composition of the precipitate particles was determined by determining the constituent elements and the number of atoms of the nitride particles using a particle analysis program such as the maximum separation method included in IVAS software, which is a three-dimensional construction software made by CAMECA. It may also be determined by cutting a box directly on the 3D element map. The version of the IVAS software was 3.6.8. However, the software version does not affect the measurement results.
The size of the precipitate particles was calculated as a sphere equivalent diameter as follows. The number of constituent atoms other than nitrogen was calculated by the above method. This is because the current atom probe cannot measure all nitrogen atoms correctly. Assuming a stoichiometric composition, in a NaCl type crystal structure, the number of constituent atoms of the nitride particles including nitrogen is twice the number of constituent atoms such as V, Cr, Mn, etc. other than nitrogen. Furthermore, this value was divided by the ion detection rate of the atom probe (0.38 in this case) to obtain the actual number of constituent atoms N. Finally, assuming a sphere with a diameter D and the atomic density of the precipitate as a, the particle diameter D can be calculated from the formula D = (6N / πa) 1/3 . Here, the value of a = 113 nm -3 was used as the atomic density. The number density of nitride particles containing V with a particle diameter of 4 nm or more on the cementite interface and the number density of nitride particles with a particle diameter of 0.5 to 4 nm in ferrite, which were estimated in this way, are shown in Tables 3A and 3B.
試験No.1(鋼種A)では、C量が不足していた。試験No.1では、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織に初析フェライトが混入し、パーライト組織の面積率が95%未満となった。試験No.1では、頭頂部の表面から25mm深さの位置の硬さが不足し、耐摩耗性が不足した。In Test No. 1 (steel type A), the amount of C was insufficient. In Test No. 1, pro-eutectoid ferrite was mixed into the structure in the range from the head outer surface to a depth of 25 mm, and the area ratio of pearlite structure was less than 95%. In Test No. 1, the hardness at a depth of 25 mm from the surface of the top of the head was insufficient, and wear resistance was insufficient.
試験No.2(鋼種B)では、N量が不足していた。試験No.2では、頭頂部の表面から25mm深さの位置の硬さが不足し、耐摩耗性が損なわれた。In test No. 2 (steel type B), the amount of N was insufficient. In test No. 2, the hardness at a depth of 25 mm from the surface of the top of the head was insufficient, and wear resistance was impaired.
試験No.3(鋼種C)では、V量が不足していた。試験No.3では、頭頂部の表面から25mm深さの位置の硬さが不足し、耐摩耗性が不足した。In Test No. 3 (steel type C), the amount of V was insufficient. In Test No. 3, the hardness at a depth of 25 mm from the surface of the top of the head was insufficient, resulting in insufficient wear resistance.
試験No.11では、熱間圧延直後の加速冷却における冷却速度が過剰であった。試験No.11では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、耐摩耗性が損なわれた。In Test No. 11, the cooling rate in the accelerated cooling immediately after hot rolling was excessive. In Test No. 11, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and wear resistance was impaired.
試験No.12では、制御冷却における冷却速度が過剰であった。試験No.12では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、耐摩耗性及び延性が損なわれた。In Test No. 12, the cooling rate in the controlled cooling was excessive. In Test No. 12, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and wear resistance and ductility were impaired.
試験No.13では、制御冷却における冷却速度が過剰であった。試験No.13では、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織にベイナイトが混入し、パーライト組織の面積率が95%未満となった。試験No.13では、耐摩耗性が損なわれた。In Test No. 13, the cooling rate in the controlled cooling was excessive. In Test No. 13, bainite was mixed into the structure in the range from the head outer surface to a depth of 25 mm, and the area ratio of pearlite structure was less than 95%. In Test No. 13, wear resistance was impaired.
試験No.14では、制御冷却における冷却速度が不足していた。試験No.14では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、耐摩耗性が損なわれた。In Test No. 14, the cooling rate in the controlled cooling was insufficient. In Test No. 14, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and wear resistance was impaired.
試験No.15では、制御冷却の終了温度が低すぎた。試験No.15では、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織にベイナイトが混入し、パーライト組織の面積率が95%未満となった。試験No.15では、耐摩耗性及び延性が損なわれた。In Test No. 15, the end temperature of the controlled cooling was too low. In Test No. 15, bainite was mixed into the structure in the range from the head outer surface to a depth of 25 mm, and the area ratio of pearlite structure was less than 95%. In Test No. 15, wear resistance and ductility were impaired.
試験No.16では、制御冷却の終了温度が高すぎた。試験No.16では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、耐摩耗性が損なわれた。In Test No. 16, the end temperature of the controlled cooling was too high. In Test No. 16, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and wear resistance was impaired.
試験No.17では、熱間圧延直後の加速冷却における冷却速度が不足していた。試験No.17では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、延性が損なわれた。In Test No. 17, the cooling rate in the accelerated cooling immediately after hot rolling was insufficient. In Test No. 17, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and ductility was impaired.
試験No.18では、制御冷却前冷却における冷却速度が過剰であった。試験No.18では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、耐摩耗性が損なわれた。In Test No. 18, the cooling rate in the pre-controlled cooling was excessive. In Test No. 18, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and wear resistance was impaired.
試験No.19では、制御冷却前冷却における冷却速度が不足していた。試験No.19では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、耐摩耗性が損なわれた。In Test No. 19, the cooling rate in the pre-controlled cooling was insufficient. In Test No. 19, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and wear resistance was impaired.
試験No.20(鋼種H)では、N量が過剰であった。試験No.20では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、延性が損なわれた。In test No. 20 (steel type H), the amount of N was excessive. In test No. 20, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and ductility was impaired.
試験No.21(鋼種I)では、V量が過剰であった。試験No.21では、耐摩耗性が損なわれた。In test No. 21 (steel type I), the amount of V was excessive. In test No. 21, wear resistance was impaired.
試験No.22(鋼種J)では、C量が過剰であった。試験No.22では、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織に初析セメンタイトが混入し、パーライト組織の面積率が95%未満となった。試験No.22では、耐摩耗性及び延性が損なわれた。In Test No. 22 (steel type J), the C content was excessive. In Test No. 22, pro-eutectoid cementite was mixed into the structure in the range from the head outer surface to a depth of 25 mm, and the area ratio of pearlite structure was less than 95%. In Test No. 22, wear resistance and ductility were impaired.
試験No.23(鋼種K)では、Si量が過剰であった。試験No.24(鋼種L)では、Mn量が過剰であった。試験No.25(鋼種M)では、Cr量及びMo量が過剰であった。試験No.23~25では、頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織にマルテンサイトが混入し、パーライト組織の面積率が95%未満となった。試験No.23~25では、耐摩耗性及び延性が損なわれた。In Test No. 23 (steel type K), the amount of Si was excessive. In Test No. 24 (steel type L), the amount of Mn was excessive. In Test No. 25 (steel type M), the amounts of Cr and Mo were excessive. In Test Nos. 23 to 25, martensite was mixed into the structure in the range from the head outer surface to a depth of 25 mm, and the area ratio of pearlite structure was less than 95%. In Test Nos. 23 to 25, wear resistance and ductility were impaired.
試験No.26(鋼種N)では、Nb量が過剰であった。試験No.26では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、延性及び耐摩耗性が損なわれた。In test No. 26 (steel type N), the Nb content was excessive. In test No. 26, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and ductility and wear resistance were impaired.
試験No.27(鋼種O)では、Ti量が過剰であった。試験No.27では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、耐摩耗性が損なわれた。In test No. 27 (steel type O), the amount of Ti was excessive. In test No. 27, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and wear resistance was impaired.
試験No.28(鋼種P)では、Ti量が過剰であった。試験No.28では、セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子の個数密度が過剰となり、延性及び耐摩耗性が損なわれた。In Test No. 28 (steel type P), the amount of Ti was excessive. In Test No. 28, the number density of nitride particles present on the cementite interface became excessive, and ductility and wear resistance were impaired.
一方、化学成分、硬さ、パーライト面積率、及びセメンタイト界面上における窒化物の状態がすべて適切であった試験No.4~試験No.10及び試験No.29~試験No.36では、延性及び耐摩耗性の両方が優れていた。On the other hand, in Tests No. 4 to No. 10 and Tests No. 29 to No. 36, in which the chemical composition, hardness, pearlite area ratio, and state of nitrides on the cementite interface were all appropriate, both ductility and wear resistance were excellent.
1 パーライト組織
11 セメンタイト(ラメラセメンタイト)
12 フェライト(ラメラフェライト)
13 セメンタイト界面
21 セメンタイト界面上に存在する窒化物粒子
22 セメンタイト界面から離隔された、フェライト中の窒化物粒子
3 頭部
31 頭頂部
32 頭部コーナー部
3a 頭表部(頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲)
1
12 Ferrite (lamellar ferrite)
13
Claims (3)
C:0.65~1.20%、
Si:0.05~2.00%、
Mn:0.05~2.00%、
Cr:0.02~2.00%、
N:0.0020~0.0200%、
V:0.010~0.100%、
Nb:0%以上0.005%未満、
Ti:0%以上0.005%未満、
Mo:0~0.100%、
B:0~0.0050%、
Co:0~1.00%、
Ni:0~1.00%、
Mg:0~0.0200%、
Ca:0~0.0200%、
Cu:0~1.00%、
REM:0~0.0500%、及び
Zr:0~0.0200%
P:0.025%以下、
S:0.025%以下、
Al:0~1.000%、
O:0.0040%以下、
を含有し、残部はFe及び不純物からなり、
頭部外郭表面を起点として深さ25mmまでの範囲の組織が、面積率で95%以上のパーライト組織を含み、
頭頂部の表面から25mm深さの位置の硬さが少なくともHV350であり、
前記頭頂部の前記表面から25mm深さの前記位置における前記パーライト組織のセメンタイト界面上に存在する、粒径4nm以上の、Vを含む窒化物粒子の単位界面面積当たりの個数密度が、1.0×1010個cm-2未満である
ことを特徴とするパーライトレール。 In mass percent,
C: 0.65-1.20%,
Si: 0.05-2.00%,
Mn: 0.05-2.00%,
Cr: 0.02-2.00%,
N: 0.0020-0.0200%,
V: 0.010-0.100%,
Nb: 0% or more and less than 0.005%;
Ti: 0% or more and less than 0.005%
Mo: 0-0.100%,
B: 0 to 0.0050%,
Co: 0-1.00%,
Ni: 0 to 1.00%,
Mg: 0 to 0.0200%,
Ca: 0-0.0200%,
Cu: 0 to 1.00%,
REM: 0 to 0.0500%, and Zr: 0 to 0.0200%
P: 0.025% or less,
S: 0.025% or less,
Al: 0-1.000%,
O: 0.0040% or less,
and the balance being Fe and impurities,
The structure in the range from the head outer surface to a depth of 25 mm contains a pearlite structure in an area ratio of 95% or more,
The hardness at a depth of 25 mm from the surface of the top of the head is at least HV350;
A pearlite rail characterized in that the number density per unit interface area of V-containing nitride particles having a particle size of 4 nm or more and present on a cementite interface of the pearlite structure at the position 25 mm deep from the surface of the top portion is less than 1.0 x 1010 particles cm -2 .
ことを特徴とする請求項1に記載のパーライトレール。 2. The pearlite rail according to claim 1, wherein V-containing nitride particles having a particle size of 0.5 to 4 nm are present in the ferrite of the pearlite structure, separated from the cementite interface, in a range of 4.0×10 16 to 4.0×10 17 particles cm -3 in terms of number density per unit volume.
B:0.0001~0.0050%、
Co:0.01~1.00%、
Ni:0.01~1.00%、
Mg:0.0005~0.0200%、
Ca:0.0005~0.0200%、
Cu:0%超1.00%以下
REM:0.0005~0.0500%
Zr:0.0001~0.0200%
Al:0%超1.000%以下、
からなる群から選択される一種以上を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載のパーライトレール。 Further, in mass %,
B: 0.0001 to 0.0050%,
Co: 0.01 to 1.00%,
Ni: 0.01-1.00%,
Mg: 0.0005-0.0200%,
Ca: 0.0005-0.0200%,
Cu: more than 0% but not more than 1.00% REM: 0.0005 to 0.0500%
Zr: 0.0001-0.0200%
Al: more than 0% but not more than 1.000%,
3. The pearlite rail according to claim 1, further comprising at least one selected from the group consisting of:
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