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
2.2. 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. 2
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).
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. 3
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).
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. 6
Stress-strain responses at locations 1-4 shown in Fig. 1(b) for (a) new rail and (b) worn rail.
Table 2
Summary of mechanical properties measured in Fig. 6 for new rail and worn rail.
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.
