www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2005 (1) 17-23 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale Ray Çeliğinin Kuru Yuvarlanma-Kayma Aşınma Davranışının İncelenmesi İzzet ÇAKMAK 1 Yılmaz YALÇIN 2 1: Afyon TCDD Yol Atölyesi, AFYON 2: AKÜ, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, AFYON ÖZET Bu çalışmada, Krupp firması tarafından imal edilmiş ve TCDD tarafından kullanılan ray çeliğinin kuru yuvarlanma-kayma aşınma davranışı incelenmiştir. 40 mm çapında ve 10 mm genişliğinde, rayın mantar kısmından hazırlanan numune paslanmaz çelik rulman a karşı 50N ve 75N yükler altında 0,55 m/s hızda aşınma deneyine tabi tutulmuştur. Her 50 000 çevrimde aşınma kaybı ölçülerek aşınma hızı hesaplanmış ve aşınma hızı-çevrim sayısı grafiği elde edilmiştir. Aşınma numunelerinin aşınma yüzeyi, yuvarlanma yönüne paralel kesitlerdeki SEM incelemeleri yapılarak aşınma karakteristikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Aşınma deneyleri sonucunda, düşük çevrimlerde, yükün düşük olması aşınma hızını artırırken, belirli bir çevrim sayısından sonra yükün aşınma hızına çok bariz bir etkisinin olmadığı gözlemlenmiştir. İki silindir arasında oluşan ara yüzey basıncı ve yuvarlanmanın etkisiyle plastik deformasyonun olduğu ve aşınmanın adezyon türünde gerçekleştiği sonucuna ulaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Ray Çeliği, Yuvarlanma-Kayma Aşınması 1. GİRİŞ 1840 lardan sonra bütün Avrupa, Amerika ve dünyanın diğer ülkelerinde yoğun bir demiryolu ağı oluşmaya başlamıştır. Birkaç on yıl içinde demiryolu, taşıdığı yük hacmi ve yolcu sayısındaki istikrarlı artış nedeniyle önemli bir taşıma sistemi olmuştur Bu hızlı gelişme, çelik üretimi, motor konstrüksiyonu, inşaat mühendisliği, ulaşım gibi bir çok alanda köklü değişiklikleri de beraberinde getirmiştir [1]. Yüksek hızlı yolcu trenlerinin ve yüksek dingil yüklerine sahip yük trenlerinin geliştirilmesi rayların yuvarlanma temas yorulması ve aşınması ile ilgili problemlerin artışına neden olmuştur [2]. Bu gelişme ray ve tekerlek yüzeylerinin mikroyapısal kararlılığı ve malzeme kalitesi üzerindeki talepleri artırmıştır. Tekerlek ve ray arasındaki kayma ve sürtünme ile tekerlek/ray çalışma koşullarındaki ani değişmeler yüzünden birkaç yüz C ye ulaşabilen temas sıcaklığı şiddetli termal gerilmelere neden olabilir[3]. Tekerlek/ray teması yüksek temas basıncı ve küçük temas alanı ile karakterize edilir. Statik ve dinamik gerilmelere sahip aşırı ve kompleks mekanik servis yükleri, kayma ve frenlemenin bir sonucu olarak temas alanında yüksek sıcaklığa eklenirler[4]. Bununa ilaveten temas basıncı 1 GPa ı aştığında yapısal değişimler meydana gelir ve yüzeyde mikro çatlakların oluşmasına neden olur[5]. Kuru sürtünme veya sınır yağlama altında oyuklanma (pitting), pullanma (spalling) ve çatlama tipik yuvarlanma temas yorulma hasarlarıdır. Oyuklar bütün yuvarlanan çiftlerde oluşur [6]. Yuvarlanan yapılarda pitting oluşumu için yüzey çatlağının başlaması ve ilerlemesi bu kusurların davranışını anlamak için önemlidir. Yuvarlanma-kayma teması sırasında malzeme yüzeyine yakın üç tabakanın oluştuğu literatürde kaydedilmektedir[7]
Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 17-23 Ray Çeliğinin Kuru Yuvarlanma-Kayma Aşınma Davranışının İncelenmesi Raylarda meydana gelen hasarlar değişik kaynaklarda etraflıca incelenmiştir[1,8] Raylarda meydana gelen hasarların birisi de hiç kuşkusuz aşınmadır. Ray çeliklerinin aşınması üzerine de değişik çalışmalar yapılmıştır[9,10]. Ancak özellikle TCDD nin kullanmakta olduğu rayların yuvarlanma-kayma aşınma davranışını inceleyen bir araştırmaya rastlanamamıştır. Son zamanlarda ülkemizde ardı ardına gelen tren kazları konuya özenle ilgi duyulması gerektiğini ortaya koymaktadır. Demiryollarında kullanılan rayların aşınmasından dolayı tolerans dışına çıkması, değiştirilme zorluklarının yanında zaman kaybına ve büyük maliyetlere neden olmaktadır. Bu nedenle şu anda kullanılmakta olan rayların aşınma davranışlarının gerçekçi bir şekilde bilinmesi çok önem arz etmektedir. Bu çalışmada, TCDD nin kullanmakta olduğu raylardan alınan 40mm çapında ve 10 mm genişliğindeki silindirik numuneler paslanmaz çelik rulmana karşı, 50N ve 75N yükler altında aşınma testine tabi tutularak kuru yuvarlanma-kayma davranışı incelenmiştir. Aşınmış yüzeylerde SEM analizi yapılarak aşınma karakteristikleri belirlenmeye çalışılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1 Deneysel Malzeme Deney numuneleri, Krupp firması tarafından imal edilmiş ve TCDD tarafından kullanılan ray çeliğinden alınmıştır. Deneylerde kullanılan aşınma numunesi ve karşı numunenin (kaymalı yatak) kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1 Deneysel numunelerin kimyasal bileşimi Element, % Fe C Si Mn P S Cr Ni Cu Aşınma numunesi Kalan 0.502 0.124 1.12 0.034 0.031 0.031 0.046 0.042 Karşı numune Kalan 0,4 0,2 0,7 0,0019 0,0246 0,507 0,02 0,02 2.2 Çekme Deneyi Çekme deneyleri, AKÜ, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü laboratuarında bulunan çekme cihazında gerçekleştirilmiştir. Çekme numuneleri 49 luk rayın farklı bölgelerinden işlenmiştir. Her bölgeden alınan ikişer numune çekme deneyine tabi tutulmuştur. Deneylerde kullanılan ray çeliğinin, akma mukavemetinin 445-690 MPa, çekme mukavemetinin 797-1020 MPa, ve %uzamasının 5,5-11 aralığında olduğu tespit edilmiştir. 2.3 Sertlik Sertlik deneyleri AKÜ, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü Laboratuarında bulunan MET TEST HT model sertlik cihazında gerçekleştirilmiştir. Aşınma numunesi ve karşı numunenin sertlikleri 5 er ölçüm yapılarak ortalamaları alınmıştır. Aşınma numunesinin sertliği 23 HRc (243 HB), karşı numunenin sertliği ise 60 HRc olarak tespit edilmiştir. 2.4 Aşınma Deneyi Aşınma deneyleri, Krupp firması tarafından üretilen ray malzemesinin mantar kısmından ortası 16 mm çapında işlenmiş, dış çapı 40 mm ve genişliği 10 mm olan numunelerle, bu tez çalışması kapsamında tasarlanıp imal edilen cihazla gerçekleştirilmiştir (Şekil 1) 18
Çakmak, İ., Yalçın Y. Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 17-23 Üst numune tutucu Karşı numune Sıkma cıvatası Mil Kasnak Numune Yataklar Sayaç l l Şekil 1. Yuvarlanma-kayma aşınma test cihazı. Alt numune tutucuya bağlanan numune 800 no lu zımpara ile zımparalandıktan sonra asetonla iyice temizlenip kurutulmuştur. Hassas terazide tartılarak ilk ağırlığı tespit edildikten sonra aşınma deneyinin başlatılması için numune tekrar alt numune tutucuya bağlanmıştır. Karşı numune de aynı şekilde asetonla temizlendikten sonra üst numune tutucuya yerleştirilmiştir. Yük uygulama kolu dengeleyici ağırlık yardımıyla yatay olarak dengeye getirildikten sonra ağırlık yerine yerleştirilmiştir. Tüm bu işlemler tamamlandıktan sonra invertörden kayma hızı 0,55 m/s olacak şekilde ayarlanmış ve deneyi 50000 çevrimde otomatik olarak durdurmak için sayıcı set edilmiş ve deney başlatılmıştır. Her 50 000 çevrimden sonra numune asetonla temizlenerek tartılmış ve ağırlık kaybı tespit edilmiştir. Daha sonra ağırlık kayıplarından aşağıdaki bağıntı ile aşınma hızları hesaplanmıştır. G 3 W r = = mm / N. m lns Burada; Wr: aşınma hızı, G: ağırlık farkı, g l:özgül ağırlık, g/mm 3 N: toplam yol, m S: uygulanan yük. N 50 ve 75 N yükler için 450.000 cevrime kadar gerçekleştirilen aşınma deneyleri sonucu elde edilen aşınma hızları Tablo 2, aşınma hızı-çevrim sayısı grafiği ise Şekil 2 de verilmiştir. Tablo 2 Aşınma deneyi sonuçları Çevrim sayısı x10 3 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Yük 50 N 6,533 7,962 7,350 7,450 6,700 5,784 5,366 4,849 4,945 Yük 75 N 2,178 3,402 4,537 5,512 5,989 6,034 6,377 5,580 5,081 19
Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 17-23 Ray Çeliğinin Kuru Yuvarlanma-Kayma Aşınma Davranışının İncelenmesi Aşınma hızı x10-6, mm3/n.m 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 50 N 75 N 0 100 200 300 400 500 Çevrim sayısı, x1000 Şekil 2. Aşınma hızı-çevrim sayısı ilişkisi. 2.5 Mikroyapı Analizleri 2.5.1 Optik Mikroskop Malzemenin orijinal mikroyapı incelemesi AKÜ, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü laboratuarında bulunan alttan ve üstten aydınlatmalı Oympus marka BX60 model optik mikroskopta yapılmıştır. Numuneler, 240, 320, 400, 600, 80, 1000 nolu zımpara kademelerinden geçirildikten sonra 1 µ luk alumina parlatıcı ile parlatılmıştır. %2 Nital ile dağlandıktan sonra optik mikroskopta incelenmiş ve fotoğrafları çekilmiştir (Şekil 3). 2.5.1 SEM Analizi Şekil 3. Deneysel malzemenin mikroyapı fotoğrafları(200x) Aşınma deneyine tabi tutulan disklerin aşınma yüzeyleri ve yuvarlanma ynönüne paralel kesitleri, Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Geliştirme Merkezinde bulunan LEO marka Taramalı Elektron Mikroskobunda incelenmiş ve fotoğrafları çekilmiştir (Şekil 4, Şekil 5). 20
Çakmak, İ., Yalçın Y. Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 17-23 Şekil 4. a) 50 N ve b) 75 N yük uygulanmış numunelerin aşınma yüzeylerinin SEM fotoğrafları Şekil 5. a) 50N ve b) 75 N yük uygulanmış numunelerin yuvarlanma yönüne paralel kesitten alınmış SEM fotoğrafları 3. DENEYSEL VERİLERİN İRDELENMESİ Kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilen Krupp firması tarafından üretilmiş ray çeliğinin çekme ve sertlik değerleri ile mikroyapısı 900A ray çeliği toleransları içindedir. 900A ray çeliğinden istenen çekme mukavemeti 880-1030 MPa arasındadır. Bu çalışmada kullanılan ray çeliğinin farklı bölgelerinden alınan numunelerle yapılan deneyler sonucu çekme mukavemetinin 797-1020 MPa arsında değiştiği tespit edilmiştir. Sertlik değeri de 243 HB olarak ölçülmüştür. Kullanılmakta olan ray çeliklerinin büyük kısmı perlitik yapıdadır. Bazen beynitik yapıdaki ray çelikleri de kullanılmaktadır. Şekil 3 den deneysel ray malzemesinin mikroyapısının perlitik olduğu açıkça görülmektedir. 200 büyütmede perlit lamellerinin seçilememesi parlit fazının ne kadar ince olduğuna işaret etmektedir. 21
Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 17-23 Ray Çeliğinin Kuru Yuvarlanma-Kayma Aşınma Davranışının İncelenmesi Ray çeliğinin aşınma davranışlarına bakıldığında aşınma hızının uygulanan yük ve çevrim sayısına bağlı olduğu görülmektedir (Şekil 2). Uygulanan her iki yük için aşınma hızının belli bir çevrim sayısına (kayma mesafesi) kadar arttığı ve daha sonra düşme eğilimine girdiği gözlemlenmiştir. Aşınma testinin başlarında, düşük yükte (50 N) aşınma hızı hızla artarak hemen 100.000 çevrimde maksimuma ulaşırken, 75 N yük uygulanan numunede aşınma hızının maksimuma ulaşması daha fazla bir çevrim sayısında (400.000) gerçekleşmiştir. İlerleyen çevrim sayılarında uygulanan yükün aşınma hızına yaklaşık aynı etkiyi yapığını söylemek yanlış olmayacaktır. Bilindiği gibi yolcu ve yük taşımacılığında demiryolu en önemli kara taşımacılığı arasındadır. Son yıllarda, bir taraftan tren hızları artarken diğer taraftan rayların taşıması gereken toplam yük ve trafik gittikçe artmaktadır. Bu ise yuvarlanma temas yorulması (YTY) ve aşınma problemlerini artırmıştır[9,11]. Raylarda yorulma kırılması çok rastlanan bir olay değildir. Çünkü, demiryolu parçaları genellikle Wöhler diyagramlarına dayanılarak yorulma dayanımı sınırının altında kalacak şekilde yani sonsuz ömür için dizayn edilirler. Buna rağmen az sayıda da olsa yorulmadan kaynaklanan kazalara rastlanmıştır[1]. Bilindiği gibi, malzeme yüzeyine uygulanan yük elastik sınıra kadar artırıldığında normal ve kayma gerilmeleri artmaktadır, ancak yinede akma sınırları içinde kalmaktadır. Yük elastik sınırın üzerine artırıldığında ise temas basınçları akma sınırını aşar ve malzeme plastik olarak akar. Bu ise malzemede kalıntı gerilmelere ve deformasyon sertleşmesine neden olarak malzemenin elastik limitin üzerindeki yükleri de taşımasını sağlayabilir[12]. Sünek malzemelerde mekanik aşınma hasarının iki temel mekanizmadan biri ile meydana geldiği ileri sürülmektedir[10]. İlk mekanizma gelişen ekstrüzyonu kapsamaktadır. Tekerlek/ray teması, diğer aşınma örneklerinde olduğu gibi yüksek temas kuvvetleri ve küçük temas alanları olarak karakterize edilebilir. Gerçekte uygulanan yükün tamamı görünen yüzey tarafından taşınmaz. Birbiri üzerinde yuvarlanan iki disk düşünüldüğünde yükü taşıyan, malzemelerin yüzeyinde bulunan çıkıntılardır, yani yükü çok daha küçük bir alan taşımaktadır. Dolayısıyla pürüzler yükü çıkıntılarda yoğunlaştırarak yüksek basınca neden olur ve böylece bu alanlarda plastik akış gerçekleşir. Tekrarlanan kayma müddetince bu yüksek basınç temas alanları yüzeyin altında derinlik yönünde basma gerilmeleri oluşturur ve yanlardan ekstrüzyon yoluyla malzeme akışı meydana gelir. Deformasyon sertleşmesinin de etkisiyle kırılganlaşan bu çıkıntılar kaymanın etkisiyle kırılarak aşınma hasarına sebep olurlar. İkinci mekanizmada, yüzey malzemesinin kırılması aşınma hasarının oluşmasına neden olmaktadır. Burada, yüzey altı çatlağın oluşup ilerlemesi ve yüzeyin pullanmasıyla fleyk türü hasar meydana gelmektedir. Şekil 4 ve 5 incelendiğinde aşınma yüzeylerinin SEM fotoğrafları, malzeme yüzeyinde bulunan çıkıntıların (pürüzlerin) yuvarlanma yönünde ezilerek plastik deformasyona uğradığı anlaşılmaktadır. Kesitlerden bakıldığında ise aşınma hasarının nasıl gerçekleştiği daha iyi anlaşılmaktadır. Ezilen çıkıntılar malzemeye kaynamamakta ve tekrarlanan yuvarlanma ve kaymanın etkisiyle kırılarak ortamdan uzaklaşmaktadır. Düşük çevrim sayılarında, 50 N yük için aşınma hızının yüksek olması, muhtemelen yükün düşük olmasıyla yuvarlanmanın yanında fazlaca kaymanın meydana gelmesi etkin olmaktadır. Kayma ile çıkıntıların ezilerek plastik deformasyona uğramasından ziyade kırılarak aşınmaya sebep oldukları düşünülebilir. 22
Çakmak, İ., Yalçın Y. Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 17-23 4. SONUÇLAR Bu çalışmada, aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır. 1) 40 mm çapında ve 10 mm genişliğindeki ray çeliği numunenin paslanmaz çelik rulman a karşı 50 ve 75 N yükler altındaki kuru yuvarlanma-kayma aşınması sonucunda aşınma hızı (her iki yük içinde) çevrim sayısıyla önce artmış daha sonra düşme eğilimi göstermiştir. 2) Düşük çevrim sayılarında, düşük yük (50 N) için daha yüksek aşınma hızı gözlenmiştir. 300.000 çevrim ve üzerinde ise, her iki yük için birbirine yakın aşınma hızları tespit edilmiştir. 3) SEM fotoğrafları incelendiğinde, aşınma yüzeylerinin arayüzey basıncı ve kaymanın etkisiyle büyük bir alanın plastik deformasyona uğradığı ve pullanma ile aşınmanın gerçekleştiği görülmüştür. 5. KAYNAKLAR 1. Zerbest, U., Madler, K., Hintze, H., Fracture mechanics in railway applications- an overview, Engineering Fracture Mechanics, 72 (2005) 163 194 2. Wang, L., Pyzalla, A., Stadlbauer, W., Werner, E.A., Microstructure features on rolling surface of railway rails subjected to heavy loading, Materials Science&Engineering, A359 (2003) 31-43. 3. Jirásková, Y., Svoboda, J., Schneeweiss, O., Daves, W., Fisher, F.D., Microscopic investigation of layers on rails, Applied Surface Science, 239 (2005) 132-141 4. Walther, F., Eifler, D., Local cyclic deformation behavior and microstructure of railway wheel materials, Materials Science and Engineering A 387 (2004) 481 485 5. Lojkowski, W., Djahanbakhsh, M., Bürkle, G., Geirlotka, S., Zielinski, W, Fecht, H.-J., Nanostructure formation on the surface of railway tracks, Materials Science and Engineering, A303 (2001) 197-208 6. Datsyshyn, O.P., Panasyuk, V.V., Pitting of the rolling bodies contact surface, Wear 251 (2001) 1347 1355 7. Chue, C.H., Chung, H.H., Lin, J.F., The effects of strain hardened layer on pitting formation during rolling contact, Wear 249 (2001) 109 116 8. Esveld C., Modern railway track esveld, Consulting Services, 1989 9. Donzella, G., Faccoli, M., Ghidini, A., Mazzú, A.,Roberti, R., The competitive role of wear and RCF in a rail Steel, Engineering Fracture Mechanics, 72 (2005) 287-308 10. Kapoor, A., Franklin, F.J., Tribological layers and the wear of ductile materials, Wear 245 (2000) 204-215. 11. Wang, L., Pyzalla, A., Stadlbauer, W., Werner, E.A., Microstructure features on rolling surface of railway rails subjected to heavy loading, Materials Science&Engineering, A359 (2003) 31-43. 12. Kapoor, A., Franklin, F.J., Wang, S.K., Ishida, W., Surface Roughness and Plastic Flow in Rail Wheel Contact, Wear 253 (2002) 257-264. 23