115LB レールに熱処理が重要なのはなぜですか?

115LB レールに熱処理が重要なのはなぜですか?

鉄道インフラでは、115LBレール-一般に 115RE レール（特定の標準規約では TR57）として指定されています-は、重量貨物輸送ルート、幹線輸送、産業物流にとって重要な資産として機能します。公称重量 115 lb/yd (約 56.9 kg/m) のこのプロファイルは、構造効率と重量の最適化のバランスを取るように設計されています。

しかし、現代の軸重が 25 ～ 30 トンを超え、交通頻度が増加するにつれて、熱間圧延炭素鋼レールの機械的限界は継続的に限界まで押し上げられています。-このような高ストレス環境下では、熱処理はオプションのアップグレードではなく、製造において不可欠なステップとなります。-この記事では、115RE レール プロファイルに熱処理が重要である冶金学的および工学的理由を分析します。

115LB レール (115RE) 仕様の理解

熱処理プロセスを調査する前に、米国鉄道工学保守協会 (AREMA) が規定する 115RE レール プロファイルの物理的特性を確認することが重要です。--この標準重量物レールの寸法は正確に定義されています。-

• レールの高さ:168.3 mm (6-5/8 インチ)

• ベース幅:139.7 mm (5-1/2 インチ)

• ヘッド幅:69.1 mm (2-23/32 インチ)

• ウェブの厚さ:15.9 mm (5/8 インチ)

• 標準質量:56.9kg/m

115LB レールの形状は、ホイール荷重をプレートとバラストを通して下方に分散するように最適化されています。ただし、上部の-最表面-レールの頭-は、直接の極度の転がり接触が発生する場所です。この接触が、レール ヘッドの熱処理が線路の安全性と寿命にとって不可欠である主な理由です。{6}}

ファインパーライト vs マルテンサイト

レールの熱処理について議論するときによくある誤解は、材料は高張力工具鋼と同様にマルテンサイト状態まで硬化する必要があるというものです。{0}}しかし、レール冶金学では、完全なマルテンサイト構造は非常に脆く、動的衝撃下で突然壊滅的な破壊を起こしやすいため、避けられます。

代わりに、熱処理-特に頭部硬化 (HH)-の主な目的は、高度に精製された超微細なパーライト微細構造を達成することです。-パーライトは、柔らかく延性のあるフェライトと硬くて耐摩耗性のセメンタイトが交互に重なったラメラ（微細な板）で構成されています。-鋼がオーステナイト温度範囲 (約 800 度から 900 度) から高度に制御された加速速度で冷却されると、これらのラメラ間の間隔が減少します。パーライトの間隔が細かくなるほど、優れた破壊靱性と延性を維持しながら、降伏強度と耐摩耗性が向上します。

115LB レールに熱処理が重要な主な理由

1. 耐摩耗性と耐摩耗性の最大化

湾曲した軌道、重量物輸送ライン、鉱山用途では、車輪フランジとレール ヘッドの間の横方向の力によって深刻な摩耗が発生します。{0}標準強度 (SS) 115RE 鉄道レールは、通常 310 HB 以上の表面硬度を示しますが、連続的な摩耗条件下では比較的早く摩耗する可能性があります。特殊なヘッド硬化プロセスにより、レールヘッドの硬度は 370 HB 以上に高められています。この材料損失の削減により、レールの耐用年数が直接延長され、レールをより長くトラック内に維持できるようになります。

2. 転がり疲労(RCF)の抑制

転がり接触疲労は、ホイール-の境界面で発生する周期的なせん断応力によって発生します。 RCF は、ヘッドチェック、シェルリング、進行性の内部横欠陥などの表面欠陥として現れます。制御された熱処理によって生成された微細なパーライト構造は、接触面での塑性流動に対するレールの抵抗を増加させ、微小亀裂の発生を遅らせ、亀裂の伝播速度を遅くします。-

3. 重大な塑性変形の防止

積載された貨車が標準{0}}勾配のレール上を走行する場合、垂直接触応力は標準-強度炭素鋼の降伏強度（約 74.0 ksi 以上）を簡単に超える可能性があります。これにより、レール ヘッドの金属がゲージのコーナーまたはフィールド側に向かって「流れる」か、塑性変形します。熱処理された頭部硬化 (HH) レールは降伏強度を 120.0 ksi 以上に高め、高い軸荷重下でのこの変形に耐えるのに必要な構造的完全性を提供します。

4. 有害な残留応力の軽減

標準レールの圧延および冷却プロセス中に、厚いレールヘッド、薄いウェブ、および広いベースの間の冷却速度が不均一であるため、高レベルの内部残留応力が発生します。引張応力が制御されていないと、ウェブの亀裂が早期に発生したり、疲労亀裂が悪化したりする可能性があります。精密な熱処理、焼きならし、その後の制御された焼き戻しにより微細構造が安定し、残留応力を安全なレベルに調整して低減します。この応力管理により、テルミット溶接やフラッシュバット溶接などの現場作業中のレールの溶接性も向上します。-

機械的性能の比較 (AREMA 規格)

以下の表は、AREMA ガイドラインに準拠した標準、中間、および熱処理 (頭部硬化) 115LB レールの機械的特性の違いを示しています。{0}{0}{1}{1}

115RE鋼レールの共通熱処理技術

• -インライン熱処理 (HH):レール ヘッドは、通常は高度に制御されたエアブラスト急冷システムを使用して、圧延機の余熱を利用して急速かつ継続的に冷却されます。{0}}これはエネルギー効率が高く、深い硬度の浸透を保証します。-

• オフライン熱処理:完成した圧延レールは冷却され、誘導加熱またはガス炉でオーステナイト化温度まで再加熱されます。次に、レールの頭部は高速空気またはポリマー急冷剤で冷却されます。-

• 正規化:レール プロファイル全体を臨界温度以上に加熱し、その後静止空冷して鋼の粒子構造を微細化し、ベース、ウェブ、ヘッド全体の均一な靭性を確保します。{0}

結論

標準の-強度 115RE (TR57) レールは、交通量の少ない支線や安定したヤードの運用に適していますが、-高応力レール廊下では熱処理が重要な要件です。-微細構造を超微細なパーライト状態に精製することで、ヘッド硬化により 115 ポンド/ヤードのレールに必要な硬度、高い降伏強度、破壊靱性が与えられ、重量輸送に耐え、磨耗を軽減し、長期メンテナンス コストを削減できます。-鉄道路線のライフサイクルの最適化を目指す鉄道事業者にとって、熱処理されたレールの選択はエンジニアリング上の重要な考慮事項です。-

よくある質問 (FAQ)

Q1: ヘッドの-断面全体-硬化 115LB レール-は熱処理されていますか?

いいえ。通常、レール ヘッド（上部とゲージの上部コーナー）のみが、ヘッドの硬化プロセス中に制御された急速冷却を受けます。-。これにより、ウェブとベースの延性と靭性が維持され、動的な屈曲をよりよく吸収できると同時に、電車の車輪と相互作用するヘッドに耐摩耗性の高いシェルが形成されます。{4}}

Q2: 熱処理されたレールでは、マルテンサイトよりも微細なパーライトが好まれるのはなぜですか?{1}}

マルテンサイトは非常に硬いですが、重くて高速の動的な車輪荷重がかかると非常に脆くなるため、突然の脆性破壊を非常に起こしやすくなります。{0}微細なパーライトは最適な冶金学的バランスを提供し、優れた破壊靱性と転がり疲労に対する耐性を兼ね備えた高い硬度 (特殊グレードでは最大 390 ～ 400 HB) を提供します。

Q3: 熱処理された TR57 プロファイルは現場で溶接できますか?{1}}

はい。熱処理されたレールは、テルミット（アルミノサーモ）溶接またはモバイル フラッシュバット溶接を使用して定期的に溶接されます。-ただし、溶接による熱により、熱影響部 (HAZ) の微細化された微細構造が一時的に変化し、局所的な硬度が低下します。溶接接合部全体のヘッドの部分的な硬度を回復するために、特殊な溶接後冷却処理が適用される場合があります。{6}}

Q4: 熱処理された AREMA 115RE レールはどのようにして全体のライフサイクル コストを削減しますか?{1}}

熱処理された 115RE レールは、標準の圧延レールに比べて初期の材料コストが高くなりますが、レールの研磨、溶接の修理、早期のトラック交換の頻度を大幅に削減します。{0}交通量が多い場合、頭部硬化レールは標準の炭素鋼レールよりも最大 2 ～ 3 倍長持ちするため、長期的なメンテナンスと資本交換のコストが削減されます。-