ベイナイト鋼レールとパーライト鋼レールの摩耗特性の比較
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(2) 本章では、上記のように使用環境により必要とされる摩耗特性が異なる 点を受け、摩耗特性におよぼすベイナイト鋼、パーライト鋼の組織因子の 影響を調べるとともに、接触条件の影響についても検討を行った。. 4.2.. ベイナイト鋼とパーライト鋼の摩耗特性. 4.2.1. 実 験 方 法 表 4-1 に 供 試 鋼 の 化 学 成 分 範 囲 を 示 す 。 ベ イ ナ イ ト 鋼 は い ず れ も 実 験 室 5 0 kg 真 空 溶 解 材 で あ る 。 各 鋼 片 を 1 2 5 0 ℃ に 加 熱 後 ､ 9 8 0 ℃ 仕 上 で 板 厚 12mm に 圧 延 し 、 放 冷 し た 。 引 張 強 さ は 合 金 元 素 の 添 加 量 を 変 え る こ と に よ り 800〜 1450MPa の 範 囲 で 変 化 さ せ た 。 一 方 、 パ ー ラ イ ト 鋼 と し て は 、 レ ー ル 頭 部 の 引 張 強 さ が 8 5 0 〜 1 3 5 0 M P a の 実 機 圧 延 材 を 用 い た 。な お 各 試 験 片 は 、ベ イ ナ イ ト 鋼 で は 板 厚 中 央 部 、パ ー ラ イ ト 鋼 で は レ ー ル 頭 部 1 0 m m 深さの位置から採取した。 摩 耗 試 験 に は 、島 津 製 作 所 製 西 原 式 摩 耗 試 験 機 を 用 い た 。試 験 片 形 状 は 、 図 4 -1 に 示 す 8 m m t × 3 0 m m φ の 円 筒 型 試 験 片 で あ る 。 車 輪 側 試 験 片 に は 熱 処 理 に よ り ビ ッ カ ー ス 硬 さ を 370HV と し た 微 細 パ ー ラ イ ト 鋼 を 用 い た 。 乾 燥 条 件 下 に お い て 、回 転 速 度 ： 800rpm、す べ り 率 ： -10%(脚 注 )と し 、接 触 圧 力 を 新 幹 線 と 同 等 の 0.54GPa, 在 来 線 並 の 0.91GPa, 海 外 の 高 軸 重 鉄 道 並 の 1 . 4 G P a の 3 水 準 と し た 。耐 摩 耗 性 は 、1 0 万 回 回 転 後 の 重 量 変 化 に より評価した。また摩耗時の接触面の加工硬化挙動を調べるために、試験 前後での接触面の硬さの変化を調べた. 33. 3)。.
(3) 表 4-1 供 試 鋼 の 化 学 成 分 範 囲 (mass%). C. Si. Mn. Cr. Mo. 0.29 〜 0.55. 0.15〜0.45. 0.40 〜 2.10. 0 〜 2.00. 0 〜 1.95. Pearlite. 0.65〜0.75. 0.25〜0.95. 0.75〜1.45. 0〜0.49. -. 30φ. 30φ. Bainite. 8. 図 4-1 摩 耗 試 験 片 形 状. 34. (mm).
(4) 4.2.1.2. 実 験 結 果 図 4-2 (a), (b)に そ れ ぞ れ 0.91GPa, 1.4GPa の 接 触 圧 力 下 に お け る 摩 耗 量におよぼす組織と引張強さの影響を示す。いずれの場合も、摩耗量は引 張強さの増加に伴い減少するが、ベイナイト鋼に比べパーライト鋼では、 その変化量は小さい。また同一引張強さで比較した場合、ベイナイト鋼の 方 が パ ー ラ イ ト 鋼 に 比 べ て 摩 耗 量 が 多 く 、従 来 の 0 . 5 4 G P a 程 度 の 低 接 触 圧 力における結果と同じ傾向を示す. 4),5)。. 図 4-3 に 摩 耗 量 と 接 触 圧 力 の 関 係. を 示 す 。 接 触 圧 力 ： 0.91GPa の 場 合 、 同 一 引 張 強 さ (850MPa)に お け る ベ イ ナ イ ト 鋼 の 摩 耗 量 は 、 従 来 の 普 通 レ ー ル 向 け の パ ー ラ イ ト 鋼 の 2.3 倍 に 達 す る 。 一 方 、 接 触 圧 力 が 1.4GPa の 場 合 は 摩 耗 量 の 比 は 1.3 倍 に 減 少 す る。 ベイナイト鋼とパーライト鋼の摩耗特性については、接触圧力が高くな る に 従 い そ の 差 が 小 さ く な る だ け で な く 、 2GPa を 超 え る と ベ イ ナ イ ト 鋼 の方がパーライト鋼よりも優れた耐摩耗性を示すという例も報告されてい る. 6),7)。. 今回の結果においてはベイナイト鋼の方がパーライト鋼よりも耐. 摩耗性に優れるという逆転現象は認められないものの、接触圧力が高くな るにつれて両者の摩耗量の差が小さくなるという点で同様の傾向を呈して い る 。こ の 結 果 は 、レ ー ル に 耐 摩 耗 性 が 必 要 と さ れ る 高 軸 重 鉄 道 に お い て 、 高強度のベイナイト鋼を用いることにより、耐摩耗性を確保できることを 示唆している。 一方、旅客鉄道の接触条件において、通常使用されるパーライト鋼並み の 引 張 強 度 8 5 0 M P a で 比 較 し た 場 合 、ベ イ ナ イ ト 鋼 の 方 が パ ー ラ イ ト 鋼 よ りも約 2 倍摩耗量が多い。即ち、現用のパーライト鋼と同等の引張強度を 有するベイナイト鋼では、摩耗による損傷層の自己除去を図ることができ ると考えられる。. 35.
(5) 図 4-2 (a) ベ イ ナ イ ト 鋼 、 パ ー ラ イ ト 鋼 の 引 張 強 さ と 摩 耗 量 の 関 係 (接 触 圧 力 : 0.91GPa).. 図 4-2 (b) ベ イ ナ イ ト 鋼 、 パ ー ラ イ ト 鋼 の 引 張 強 さ と 摩 耗 量 の 関 係 (接 触 圧 力 : 1.4GPa).. 36.
(6) 図 4-3 接 触 圧 力 と 摩 耗 量 の 関 係. 4.3.. 考察. 4.3.1. ミ ク ロ 組 織 、 接 触 条 件 に 伴 う 摩 耗 量 の 変 化 の 解 析 図 4-3 に 示 さ れ て い る よ う に 、 パ ー ラ イ ト 鋼 お よ び 引 張 強 さ 1300MPa 級ベイナイト鋼の場合は、接触圧力の上昇に伴い摩耗量が増加したのに対 し 、 850MPa 級 ベ イ ナ イ ト 鋼 で は 、 接 触 圧 力 の 上 昇 に 伴 い 摩 耗 量 が 減 少 し た。このように組織、強度レベル、および接触圧力にともなう摩耗挙動の 変 化 に つ い て 、 Hol m の 理 論 式. 8)を 基 に 考 察 す る 。. Hol m に よ る と 、 摩 耗 量 W(= 摩 耗 体 積 ×密 度 )は 、 次 式 で 示 さ れ る 。. W ∝ Ar × L = P / pm × L … (1 ). こ こ で 、A r は 、真 実 接 触 面 積 で あ り 、垂 直 荷 重 ( P ) と 材 料 の 降 伏 応 力 ( p m ) の比で表される。L は摩擦距離であるが、本実験においてはすべり率を一 37.
(7) 定 と し て い る の で 定 数 と し て 扱 う 。降 伏 応 力 ( p m ) が 母 材 硬 さ ( H v ) と 対 応 す る と し て 、 (1 )式 は (2 )式 の よ う に 置 き 換 え ら れ る 。. W = k × P / Hv … (2 ). ( 2 ) 式 に よ れ ば 母 材 硬 さ が 一 定 の 場 合 、接 触 荷 重 の 増 加 に 伴 い 摩 耗 量 は 増 加 す る 。 図 4-3 に 示 さ れ て い る よ う に 、 パ ー ラ イ ト 鋼 お よ び 引 張 強 さ 1300MPa 級 ベ イ ナ イ ト 鋼 の 挙 動 は (2)式 の 傾 向 を 示 す の に 対 し 、 引 張 強 さ 8 5 0 MP a 級 ベ イ ナ イ ト 鋼 の 挙 動 は 、 逆 の 傾 向 を 示 し て い る 。 なお、硬さの値として、試験前の母材硬さよりも、試験後の表面硬さを用 いた方が良い相関が得られるという報告がある. 9)。. そ こ で (2)式 に 基 づ き 、. 摩 耗 量 に お よ ぼ す 接 触 圧 力 お よ び 試 験 後 表 面 硬 さ (H)の 影 響 を ま と め た の が 図 4 - 4 で あ る 。パ ー ラ イ ト 鋼 に お い て は 、接 触 圧 力 に 依 存 せ ず ( 2 ) 式 が 成 立するのに対し、ベイナイト鋼の場合、接触圧力に依存して異なる直線関 係が得られた。なお、各接触圧力に対して、ベイナイト鋼の高硬度側の値 は、同じ接触圧力に対するパーライト鋼の値とほぼ一致するため、高硬度 材においては見掛け上、接触圧力および組織に関らず直線関係が成立して いる。 このように、ベイナイト鋼における摩耗挙動は、接触圧力に依存して複 雑に変化する。これはベイナイト鋼の加工硬化が接触圧力、さらには母材 硬 度 (母 材 強 度 レ ベ ル )に 依 存 し て 変 化 す る こ と が 大 き く 関 与 す る も の と 考 えられる。 図 4-4 に 示 さ れ て い る よ う に 、 パ ー ラ イ ト 鋼 の 摩 耗 量 は 、 お お よ そ (2) 式 に 従 い 、 P/H の 一 次 関 数 と し て 次 式 で 与 え ら れ る 。. W = k 1 × P / H = 4 1 3 × P / (H 0 + △ H). … (3 ). k1 = 413 ± 18 こ こ で H 0 : 母 材 硬 さ 、 △ H: 表 面 の 加 工 硬 化 に よ る 硬 さ 上 昇 分 で あ る 。 38.
(8) こ れ に 対 し 、ベ イ ナ イ ト 鋼 の 摩 耗 量 は 、(3)式 お よ び 、接 触 圧 力 の 関 数 で あ る (4 )式 か ら 算 出 さ れ る 値 の う ち 大 き い 方 の 値 と し て 与 え ら れ る 。. W = (P / ((H 0 + △ H) × Q 1 (P ))) - 1 / Q 2 (P ) … (4 ). ここで、. Q 1 (P ) = k 2 × 1 0 - 4 × P - k 3 × 1 0 - 6 k2 = 6.24 ± 0.05,. k3 = 3.29 ± 0.06. Q 2 (P ) = k 4 × P + k 5 k4 = 0.515 ± 0.007,. k5 = 0.175 ± 0.008. さ ら に 、 △ H の 大 き さ は 、 母 材 硬 さ (H0)自 身 に も 依 存 す る 。 図 4-5 に 、 H0 と △ H の 関 係 を 示 す 。 パ ー ラ イ ト 鋼 の 場 合 、 加 工 硬 化 量 (△ H)は 、 母 材 硬 さ (H0)に 対 し 、 お お よ そ 傾 き -0.75 を 以 っ て 減 少 す る 。 こ の 場 合 の △ H は 、 おおよそ次式で与えられる。. 図 4-4 P / H と 摩 耗 量 の 関 係 (摩 耗 試 験 後 ). 39.
(9) 図 4-5 初 期 硬 さ (H0)と 加 工 硬 化 量 (△ H)の 関 係. △ H = k 6 - k 7 × H 0 … (5 ) k6 = 688 ± 7,. k7 = 0.75 ± 0.02. これに対し、ベイナイト鋼の場合、特に、接触圧力が低く、母材硬さが低 い 条 件 に お い て 、 △ H は H0 に 対 し 、 お お よ そ 傾 き 0.75 を 以 て 増 加 す る 。 これは、接触圧力が低い場合には、母材硬さが低いベイナイト鋼ほど、十 分な加工硬化を生じないまま、摩耗によって表面が順次除去されていくこ と に 対 応 す る も の と 考 え ら れ る 。 こ の 時 の △ H は 、 H0 お よ び P の 関 数 と して、次式で与えられる。. △ H = k 7 × H 0 + k 8 × P - k 9 … (6 ) k8 = 366 ± 8,. k9 = 256 ± 5. 40.
(10) し た が っ て 、 ベ イ ナ イ ト 鋼 の 加 工 硬 化 量 は 、 各 条 件 に 対 し て 、 (5)式 、 (6) 式から得られる値のうち、小さい方の値として与えられる。 以 上 の 検 討 結 果 を ま と め る と 、 ま ず 、 パ ー ラ イ ト 鋼 の 摩 耗 量 は 、( 3 ) 式 と (5)式 か ら 得 ら れ る 、Holm タ イ プ の (7)式 で 与 え ら れ る 。ま た 、ベ イ ナ イ ト 鋼 の 摩 耗 量 は 、 ( 3 ) , (4 ) 式 と ( 5 ) , ( 6 ) 式 の 組 合 わ せ か ら 得 ら れ る ( 8 - 1 ) 〜 ( 8 - 4 ) 式 の う ち 、 最 も 大 き い 値 と し て 与 え ら れ る 。 こ の う ち 、 (8-4)式 は ベ イ ナ イ ト鋼特有の加工硬化挙動と摩耗挙動を示す場合であり、具体的には低接触 圧 力 − 低 母 材 硬 さ の 場 合 で あ る 。( 8 - 1 ) 式 は ( 7 ) 式 と 同 一 の H o l m タ イ プ で あ り、パーライト鋼と同じ摩耗挙動を示す、高接触圧力−高母材硬さの場合 に相当する。. (パ ー ラ イ ト 鋼 )： W = k 1 × P / (H 0 + k 6 -k 7 × H 0 ) = k 1 × P / (1 -k 7 )× H 0 + k 6 ). (ベ イ ナ イ ト 鋼 )：. …(7 ). (8 -1 )〜 (8 -4 )式 か ら 得 ら れ る 値 の う ち 、 最 大 の 値 ；. W = k 1 × P / ((1 -k 7 )× H 0 + k 6 ). … (8 -1 ). W = k 1 × P / ((1 + k 7 )× H 0 + k 8 × P -k 9 ). … (8 -2 ). W= (P / ((1 -k 7 )× H 0 + k 6 )× Q 1 (P ))-1 / Q 2 (P ). …(8 -3 ). W= (P / ((1 + k 7 )× H 0 + k 8 × P -k 9 )× Q 1 (P ))-1 / Q 2 (P ) … (8 -4 ). ここで、. Q 1 (P ) = k 2 × 1 0 - 4 × P - k 3 × 1 0 - 6 Q 2 (P ) = k 4 × P + k 5. k 2 = 6 . 2 4 ± 0 . 0 5 , k 3 = 3 . 2 9 ± 0 . 0 6 , k 4 = 0 . 5 1 5 ± 0 . 0 0 7 , k 5 = 0 . 1 7 5 ±0 . 0 0 8. 41.
(11) 図 4 - 6 (a ) 〜 ( c ) に 、 各 接 触 圧 力 に お け る パ ー ラ イ ト 鋼 お よ び 、 ベ イ ナ イ ト 鋼 の 母 材 硬 さ (H0)と 摩 耗 量 と の 関 係 に つ い て 計 算 値 と 実 測 値 を 比 較 し て 示 す。両者は良い一致を示す。 このように、ベイナイト鋼における摩耗挙動を記述する際には、摩耗挙 動が加工硬化の影響を強く受け、その加工硬化挙動が接触圧力、母材硬さ に 依 存 し て 変 化 す る こ と を 考 慮 す る こ と が 重 要 で あ り 、 単 純 な Holm タ イ プの式のみでは表されないことがわかる。. 図 4-6(a) 初 期 硬 さ (H0)と 摩 耗 量 の 関 係 (接 触 圧 力 : 0.54GPa). 42.
(12) 図 4-6(b) 初 期 硬 さ (H0)と 摩 耗 量 の 関 係 (接 触 圧 力 : 0.91GPa). 図 4-6(c) 初 期 硬 さ (H0)と 摩 耗 量 の 関 係 (接 触 圧 力 : 1.4GPa). 43.
(13) 4.5.. 結論. 本章では、レール鋼の基本特性の一つである摩耗特性に関し、ベイナイ ト鋼と従来からレールに使用されているパーライト鋼の比較、および接触 条件の影響に関して検討を行い、以下のような結論が得られた。 (1). ベ イ ナ イ ト 鋼 は 、同 じ 引 張 強 さ の パ ー ラ イ ト 鋼 に 比 べ て 全 般 的 に 摩 耗 量 が 多 い 。た だ し 、両 者 の 差 は 、強 度 レ ベ ル の 上 昇 あ る い は 接 触 圧 力 の増大に伴って小さくなる。. (2). パ ー ラ イ ト 鋼 、引 張 強 さ 1400MPa の ベ イ ナ イ ト 鋼 で は 、接 触 圧 力 の 増 大 に 伴 い 摩 耗 量 が 増 加 し た の に 対 し 、 引 張 強 さ 850MPa の ベ イ ナ イト鋼は接触荷重の増加に伴い減少した。. (3). パ ー ラ イ ト 鋼 の 摩 耗 量 は 、 お お よ そ H ol m の 理 論 式 に 従 う の に 対 し 、 ベ イ ナ イ ト 鋼 の 場 合 は 、摩 耗 挙 動 が 加 工 硬 化 の 影 響 を 強 く 受 け 、そ の 加 工 硬 化 挙 動 が 接 触 圧 力 、母 材 硬 さ に 依 存 し て 変 化 す る た め 、単 純 な Hol m タ イ プ の 式 の み で は 表 さ れ な い 。. 以上の結論から、耐摩耗性が重要視される高軸重鉄道においては、接触 圧力が高いことから、比較的高強度のベイナイト鋼を用いることにより、 耐摩耗性が従来の熱処理型パーライト鋼と同等であり、耐転動疲労損傷性 に優れたレールを開発できる可能性が明らかにされた。 また、もともと摩耗量が少なく、摩耗によるレール交換頻度が少ない旅 客 鉄 道 に お い て は 、 摩 耗 量 が パ ー ラ イ ト 鋼 よ り も 多 く な る 低 強 度 (800MPa 級 )を レ ー ル 鋼 へ 適 用 で き る 可 能 性 が 見 い だ さ れ た 。. 44.
(14) 第 4 章の参考文献. 1). H.. Ichinose,. J.. Ta k e h a r a. and. M.. Ueda:. Proc.. of. Second. I n t e rna t i o n a l Hea v y Ha u l Con fe re n ce, Col o ra do, (1 9 8 2 ), 1 7 8 2 ) 高 原 清 介 ： 新 軌 道 材 料 ， 鉄 道 現 業 社 ， (1 9 8 5 ) 3) 横 山 泰 康 、 三 田 尾 眞 司 、 酒 井 潤 一 、 山 本 定 弘 ： 鉄 と 鋼 ， 86(2000)， 417 4). H.. Ichinose,. J.. Ta k e h a r a. and. M.. Ueda:. Proc.. of. Second. I n t e rna t i o n a l Hea v y Ha u l Co n fe re n ce, Col o ra do, (1 9 8 2 ), 1 7 8 5 ) Y. K a t a o k a , J . F u r u k a w a , M . U e d a , T. H o r i t a a n d H . Ya m a na k a : 1 9 9 2 Ra i l S t e e l s S y m po si u m P ro ce e di n g s, (1 9 9 2 ), 11 6 ) R. D e v a n a t h a n a n d P. Cl a y t o n : Wea r, 1 5 1 (1 9 9 1 ), 2 5 5 7 ) P. Cl a y t o n a n d X. S u : Wea r, 2 0 0 (1 9 9 6 ), 6 3 8 ) R . Hol m : E l e ct ri c C o n t a ct s, H. G e b e rs F o rl a g , (1 9 4 6 ), 2 9) 杉 野 和 男 ， 桝 本 弘 毅 ， 西 田 新 一 ， 浦 島 親 行 ，影 山 英 明 ， 服 部 正 善 ： 製 鉄 研 究 ， 3 0 3 (1 9 8 0 ), 2 3. 45.
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