Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.27 No.12 pp.652-657
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2017.27.12.652

Investigation of Microstructure and Mechanical Properties of KR60 Rail

Wookjin Choi1, Hui Jae Cho1, Kyung-Min Yun2, Kyung-Hwan Min2, Nam-Hyoung Lim3, Soo Yeol Lee1
1Department of Materials Science and Engineering, Chungnam National University, 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34134, Republic of Korea
2CNU Rail Research Institute, Chungnam National University, 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34134, Republic of Korea
3Department of Civil Engineering, Chungnam National University, 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34134, Republic of Korea
Corresponding author : sylee2012@cnu.ac.kr (S. Y. Lee, Chungnam Nat’l Univ.)
20170912 20171022 20171023

Abstract

The use of continuous welded rail is increasing because of its many advantages, including vibration reduction, enhanced driving stability, and maintenance cost savings. In this work, two different types of continuous welded rails were examined to determine the influence of repeated wheel-rail contact on the crystal structure, microstructure and mechanical properties of the rails. The crystal structure was determined by x-ray diffraction, and the microstructure was examined using optical microscopy and scanning electron microscopy. Tensile and microhardness tests were conducted to examine the mechanical behaviors of prepared specimens taken from different positions in the cross section of both newly manufactured rail and worn rail. Analysis revealed that both the new and worn rail had a mixed microstructure consisting of ferrite and pearlite. The specimens from the top position of each rail exhibited decreased lamella spacing of the pearlite and increased yield strength, ultimate tensile strength and hardness, as compared with those from other positions of the rail. It is thought that the enhanced mechanical property on the top position of the worn rail might be explained by a mixed effect resulting from a directional microstructure, the decreased lamella spacing of pearlite, and work hardening by the repeated wheel-rail contact stress.


KR60 레일의 미세조직과 기계적 물성 평가

최 욱진1, 조 희재1, 윤 경민2, 민 경환2, 임 남형3, 이 수열1
1충남대학교 신소재공학과
2충남대학교 철도연구소
3충남대학교 토목공학과

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    17RTRPB114179-02

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    장대레일은 25 m의 정척레일 여러 개를 용접을 통해 서 200 m 이상의 하나의 레일로 만든 레일을 말하며 이 러한 장대레일은 진동 저감, 주행 안정성, 보수 주기 향 상에 따른 보수비용 절감 등의 장점이 많아 고속 주행 시 장대레일화가 필수적으로 요구되는 추세이다. 레일의 미세조직에 대한 연구는 두부 표면이나1) 구름 접촉 피 로에 의해 발생하는 백층(White Etching Layer)의 구조 에 관하여 일부 연구가 진행되었고2,3) 주로 레일의 피로 수명 평가나4) 결함 측정과 같은 거시적인 물성 평가에 대한 연구가5) 좀 더 활발하게 보고되었다. 게다가 이러 한 레일의 미세조직 연구는 주로 유럽 규격의 레일을 대 상으로 한 연구가 대부분이다. Khourshid et al.6)은 열 처리된 레일의 두부 표면과 내부에서의 미세조직, 강도 및 인성이 차이를 보인다고 보고하였다. 국내 규격의 경 우는 50 kg과 60 kg급 레일의 연마 후 통과 톤수에 따 라 조직, 경도 및 성분을 분석한 연구가 일부 보고 되 었지만7) 대부분 국내 규격 레일의 미세 조직에 대한 연 구는 매우 제한적이다.

    따라서 본 연구에서는 장대레일로 이용되는 KR60 규 격의 레일에 대하여 제작 시의 미세조직과 결정구조를 레일 단면 내 위치 별로 분석하였고, 각 위치에서 기계 적 특성을 분석하였다. 또한 KR60 레일이 실제 노선에 서 장기간 사용된 마모레일에 대해서도 제작 시 레일과 동일한 위치에 샘플을 채취하여 구조 및 기계적 물성을 측정함으로써, 열차 주행에 따른 기계적 특성 변화를 살 펴보았다.

    2.실험 방법

    2.1.실험 재료

    본 연구에서는 KR60 규격의 제작 시 레일(신레일)과 실 제 노선에서 사용 후 교체된 마모 레일을 사용하였다. 레 일의 공칭조성을 Table 1에 나타내었다.

    2.2.미세조직 분석

    레일의 단면 내 위치에 따른 미세조직의 차이를 분석 하기 위해서 두부, 복부, 저부를 포함한 총 4개의 위치 를 레일의 중립축을 따라 선정하였고, 각 위치에서 샘 플을 채취하여 미세조직을 분석하였다(Fig. 1(a)). 열차운 행에 의한 마모가 레일 미세조직에 미치는 영향을 살펴 보기 위하여 동일한 위치에서 신레일과 마모레일의 조 직을 비교 분석하였다. 시험 편은 4 % Nital을 이용하여 에칭한 후 광학 현미경 Olympus BX51M을 사용하여 1000배율로 미세조직을 관찰하였고 그 후 동일한 시편 을 주사전자현미경을 사용하여 10000 배율의 고해상도 사진을 촬영하였다. 레일의 결정구조는 Rigaku D/MAX- 2500를 사용하여 30~110도 범위에서 X-ray diffraction (XRD) 패턴을 통하여 분석하였다.

    2.3.기계적 물성 분석

    신레일과 마모레일 단면 내에서 위치에 따른 인장 거 동의 차이를 확인하기 위해서 두부, 복부, 저부를 포함 한 총 4개의 위치에서 인장 시험편을 제작하였다(Fig. 1(b)). 변형율은 신율계를 사용하여 측정하였고, 변형율 속 도 10−4/s를 사용하여 시편이 파단 날 때까지 인장시험 을 진행하였다. 또한 레일 각 위치에서의 경도는 Vickers hardness 장치를 사용하여 1.3 mm의 간격으로 측정한 후 평균 경도 값을 구하였다.

    3.결 과

    3.1.미세조직 및 결정구조

    Fig. 1(a)에서 보여지는 각 위치 별 미세조직을 광학 현미경을 이용하여 측정한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2(a-d)는 Fig. 1(a)의 두부에서 저부 위치 순서에 따 른 미세 조직 사진이다. 신레일은 하얀색의 페라이트와 층상 구조인 펄라이트로 이루어져 있으며 Prior-오스테나 이트 결정립계를 따라 형성된 초석 페라이트를 관찰할 수 있었고 펄라이트는 특정한 방향성 없이 성장된 것을 확인할 수 있었다.

    Fig. 3은 마모레일의 Fig. 1(a)에서의 위치 별 미세조 직을 보여준다. Fig. 3(b-d)는 신레일과 유사하게 어떠한 변형이나 미세조직의 특정한 방향성이 나타나지 않은 것 을 확인하였고, Fig. 3(a)에 보여지듯이 두부 부분은 휠 -레일 간의 반복된 마찰에 의한 소성변형 때문에 equiaxial 하였던 결정립이 한쪽 방향으로 방향성을 갖고 길게 늘 어난 것을 확인할 수 있었다. 펄라이트 조직 내 층상 간 격을 재어본 결과, 신레일 1번 위치는 약 237 ± 41 nm 로 측정되었고, 2-4번 위치는 각각 304 ± 55, 334 ± 73, 331 ± 61 nm의 간격을 갖는 것을 확인하였다. 마모레일 의 경우는 2-4번 위치는 각각 300 ± 73, 330 ± 75, 320 ± 65 nm의 층상 간격을 보인 반면, 1번 위치에서는 약 205 ± 42 nm로 가장 좁은 층상 간격을 갖는 것으로 확인되 었고, 신레일과 마모레일에서 각각 측정된 층상 간격을 Fig. 4에 나타내었다. 이러한 1번 위치의 감소된 층상 간 격은 휠-레일에 지속적인 소성변형의 결과로 생각된다.

    Fig. 5는 레일 내 각 위치 별 신레일과 마모레일의 결 정구조분석을 위한 XRD 실험 결과를 보여준다. Fig. 1(a)에서 보여지는 두부로부터 하부쪽으로의 각 위치에서 의 신레일과 마모레일의 XRD 패턴을 각각 N1-N4, W1- W4로 나타내었고, 신레일과 마모레일 모두 결정구조가 단위셀인 정육면체의 중심과 각 모서리에 철 원자가 배 열해 있는 Body-Centered Cubic(BCC) 구조를 갖는 페 라이트로 이루어져 있음을 확인하였다.

    3.2.기계적 물성

    Fig. 6은 신 레일과 마모 레일의 인장 시험 결과를 보 여주며, 시편은 Fig. 1(a)의 위치 별 미세조직 시편과 동 일한 위치에서 레일 축 방향으로 인장 시편을 만들어서 사용하였다(Fig. 1(b)). 각 위치 별 기계적인 물성에 대 한 측정 결과를 Table 2에 요약하였다. 신레일의 인장 특 성을 보면(Fig. 6(a)), 두부 표면인 1번 시편이 가장 높 은 항복강도(585 MPa) 및 최대인장강도(857 MPa)를 보 였고, 2-4번 시편은 서로 매우 유사한 인장강도와 최대 인장강도를 보였다. 조사된 4개의 시편 모두 12 % 이상 의 연신율을 보였다. 마모레일의 경우(Fig. 6(b)), 항복 및 최대인장강도 모두 3번 시편이 가장 낮았고, 2, 4번 시 편은 항복강도와 최대인장강도가 약간의 차이는 보였지 만 1, 3번 시편만큼의 차이를 보이지는 않았다. 두부 표 면인 1번 시편은 가장 높은 항복강도(633 MPa)와 최대 인장강도(914 MPa)를 보여준 반면 연신율은 8.5 %로 가 장 낮았다(Fig. 6(b)). 신레일과 마모레일의 기계적 물성 을 비교하면 각 레일의1번 위치에서의 시편이 가장 높 은 항복 및 인장강도를 보였으며, 특히 마모레일의 1번 시편이 가장 높게 측정되었다.

    Fig. 7은 Fig. 1의 각 위치 별 비커스 경도 측정 값을 보여준다. 위치 별 경도 값이 Fig. 6에서 측정한 기계적 강도 순서와 유사하게 측정되었다. 특히 위치 별, 레일 별 경도 값의 차이가 Fig. 6에서의 항복강도와 비슷한 경향성을 보여주었다. 경도 값은 신레일과 마모레일 모 두 두부 표면인 위치 1번에서 각각 311, 324로 가장 높 게 측정되었고 2-4번 위치는 대체로 비슷한 경도 값을 보여주었다.

    4.고 찰

    KR60신레일과 마모레일의 미세조직은 페라이트와 펄 라이트가 섞여있는 조직으로 위치 별 결정구조가 모두 BCC 구조였다. 다만 마모레일의 두부 표면인 1번 위치 에서의 결정립은 equiaxial이 아닌 한쪽 방향으로 길게 늘어난 형태를 보였고, 인장물성 및 경도가 다른 위치 들보다 높은 강도 및 경도 특성을 보였다. 이는 레일이 노선에서 사용될 때 열차 주행에 따른 휠-레일간 마찰 압력에 의한 가공경화에 의한 영향 때문이다. 하지만 두 부 밑의 다른 위치들을 비교했을 때 신레일과 마모레일 간의 조직 및 물성 값이 크게 차이를 보이지 않은 것 으로 보아 열차 주행으로 영향을 받는 영역은 표면 근 처일 것으로 생각된다. 일반적으로 Prior-오스테나이트 크 기와 펄라이트 콜로니 크기8-10) 가 펄라이트 강의 물성 에 영향 주는 것으로 알려져 있으나 강의 항복 강도의 경우 주로 펄라이트 내부 층상구조가 전위 이동의 방해 물로 작용하면서 층상 간격이 큰 영향을 주는 것으로 알 려져 있다11,12). 각 위치 별 층상간격을 살펴본 결과, 신 레일의 두부 표면인 1번 위치 조직이 다른 위치들 보 다 펄라이트 내부 층상 간격이 약 70-100 nm 정도 더 작게 관찰 되었고, 마모레일의 경우는 두부 1번 위치가 다른 위치보다 100-120 nm 더 작게 측정되었다. 모든 위 치에서 결정립 크기는 큰 차이를 보이지 않은 점으로 미 루어 보아, 신레일의 경우 두부에서의 기계적 물성 및 경도의 증가는 펄라이트 내부 층상 간격의 감소 때문으 로 생각되며, 두부에서의 층상 간격의 감소는 제작시 레 일의 표면과 내부 냉각 속도의 차이로부터 얻어진 미세 조직의 차이 때문으로 생각된다. 특히 마모레일의 경우는 방향성을 갖는 미세조직, 소성변형에 의한 가공경화, 내 부 층상 간격의 감소 등이 복합적으로 작용하여 다른 위 치보다 높은 기계적 물성 및 경도를 가져왔다고 생각된 다. 레일의 위치와 마모에 따라 발생되는 물성의 차이 를 좀 더 자세히 분석하기 위해서는 전자현미경을 이용 한 콜로니 크기, 전위분포 등의 추가적인 조사가 필요 하다. 향후 본 연구를 확장하여 레일의 사용기간에 따 른 미세조직과 물성의 변화를 정성적으로 평가하고 모 니터링 한다면, 이는 레일의 건전성 평가 진단 및 관리 주기 설정 등의 영역에 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

    5.결 론

    본 연구에서는 KR60 규격의 신레일과 마모레일의 미 세조직, 결정구조, 기계적 물성을 비교 분석 하였고 결 과를 요약하면 아래와 같다.

    • 1) KR60레일의 미세조직은 주로 페라이트와 펄라이트 가 섞여 있으며, 신레일의 경우 위치 별 미세조직이 대 체로 비슷한 형상을 보였지만 마모레일은 두부 표면에 서 방향성을 갖는 한쪽방향으로 늘어난 모양의 조직을 보여주었다. 이는 열차 주행에 의하여 휠-레일 간의 마 찰 압력에 의한 미세조직에 변화가 일어난 것으로 보이 며 두부 표면에서 두 레일 모두 다른 위치에 비하여 펄 라이트 내부 층상 간격의 감소가 나타났다.

    • 2) 신레일과 마모레일의 인장 거동을 측정 비교한 결 과 두부표면에서 항복강도 및 인장강도가 가장 크게 관 찰되었고, 두부표면 시편을 제외한 다른 위치에서는 비 교적 큰 차이를 보이지는 않았다. 특히 마모레일 두부 표면의 강도가 가장 높게 측정되었으며 이는 방향성을 갖는 미세조직, 휠-레일간 소성변형에 의한 가공경화, 내 부층상 간격의 감소가 복합적으로 작용하여 다른 위치 보다 높은 기계적 물성 및 경도를 가져온 것으로 생각 된다.

    Acknowledgement

    This research was supported by a grant(17RTRPB114179- 02) from Railroad Technology Research Program( RTRP) funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government.

    Figure

    MRSK-27-652_F1.gif

    Locations of (a) microstructural observation and (b) the preparation of tensile specimen.

    MRSK-27-652_F2.gif

    OM and SEM images of new rail at (a) location 1, (b) location 2, (c) location 3, (d) location 4 shown in Fig. 1(a).

    MRSK-27-652_F3.gif

    OM and SEM images of worn rail at (a) location 1, (b) location 2, (c) location 3, (d) location 4 shown in Fig. 1(a).

    MRSK-27-652_F4.gif

    Lamellar spacing in the locations 1-4 shown in Fig. 1(a).

    MRSK-27-652_F5.gif

    X-ray diffraction patterns of new rail and worn rail at (a) location 1, (b) location 2, (c) location 3, (d) location 4 shown in Fig. 1(a).

    MRSK-27-652_F6.gif

    Stress-strain responses at locations 1-4 shown in Fig. 1(b) for (a) new rail and (b) worn rail.

    MRSK-27-652_F7.gif

    Hardness measurements at locations 1-4 shown in Fig. 1(a).

    Table

    Nominal chemical composition of material.

    Summary of mechanical properties measured in Fig. 6 for new rail and worn rail.

    Reference

    1. JiraskovaY. SvobodaJ. SchneeweissO. DavesbW. FischerF.D. (2005) Appl. Surf. Sci., Vol.239 ; pp.132
    2. ZhangH.W. OhsakiS. MitaoS. OhnumaM. HonoK. (2006) Mater. Sci. Eng., Vol.421 ; pp.191
    3. AhlstromJ. KarlssonB. (1999) Wear, Vol.232 ; pp.1
    4. AglanH.A. FatehM. (2006) Int. J. Damage Mech., Vol.15 ; pp.393
    5. CannonD.F. EdelK-O. GrassieS.L. SawleyK. (2003) Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., Vol.26 ; pp.865
    6. KhourshidA.M. GanY.X. AglanH.A. (2001) J. Mater. Eng. Perform., Vol.10 ; pp.331
    7. KimM.C. KangT.K. (2008) J. Korean Soc. Railway, Vol.11 ; pp.272[in Korean].
    8. HyzakJ.M. BernsteinI.M. (1976) Metall. Mater. Trans., Vol.7 ; pp.1217
    9. SunwooH. FineM.E. MeshiiM. StoneD.H. (1982) Metall. Mater. Trans., Vol.13 ; pp.2035
    10. Fernandez-VicenteA. CarsiM. PenalbaF. TaleffE. RuanoO.A. (2002) Mater. Sci. Eng. A, Vol.335 ; pp.175
    11. MarderA.R. BramfittB.L. (1976) Metall. Mater. Trans., Vol.7 ; pp.365
    12. NakaseK. BernsteinI.M. (1988) Metall. Mater. Trans., Vol.19A ; pp.2819