[논문]레일의 내마모성에 대한 타당성 연구

장세기; 편영식

doi:10.7735/ksmte.2014.23.6.576

[국내논문] 레일의 내마모성에 대한 타당성 연구
Feasibility Study for Wear Resistance of Rails 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.23 no.6, 2014년, pp.576 - 579

장세기 (Korea Railroad Research Institute) , 편영식 (Department of Mechanical Engineering, Sunmoon University)

Abstract ▼ AI-Helper

Rails are continuously exposed to severe environments due to increases in train service frequency, passing tonnage, and speed. Wear is one of the most common types of damage observed on rails. The surface of railsis heat treated to secure safety at critical sites, such as curved tracks or turnouts. Ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM), a new approach for rails, was examined to strengthen the rail surface. The effect of UNSM on the wear resistance of rail specimens was compared with that of heat treatment. Wear resistance was improved after UNSM treatment due to increased hardness and surface compressive residual stress.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 열처리 레일을 대체하는 새로운 방법, 즉 초음파 나노표면개질(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, UNSM)을 이용하여 레일의 표면을 강화시키고 그에 따른 내마모성의 변화를 살펴보고자 하였다.
본 연구는 초음파나노표면개질 장치를 이용하여 레일의 표면을 강화시켜 표면물성변화 및 내마모 특성을 분석하고 열처리 레일과 비교를 함으로써 레일의 내구성을 향상시킬 목적으로 수행되었다.

제안 방법

레일시편은 열처리가 안 된 보통 레일과 열처리가 된 열처리 레일 두 종류이다. 각 레일의 헤드 부분을 와이어 컷(wire cut)으로 절단하였고 절단된 헤드 부분을 선반에서 원통형으로 가공 후 원반형 시편으로 절단 및 연삭을 통하여 분석용 시편을 제작하였다.
마모시험은 한 개의 세라믹 볼이 있는 ball-on-disc 방식으로 별도의 윤활제 없이 하였다. 마모시험 조건은 하중(접촉 응력), 회전속도 및 시험시간 등을 변경하면서 마모량을 비교하였다.
보통레일 및 열처리 레일 시편들을 초음파나노표면개질 처리하여 마모시험 전후의 무게변화를 측정하였다. 이런 일련의 시험을 통하여 초음파나노표면개질 효과를 레일의 열처리 효과와 비교할 수 있었다.
금속의 표면층에 초당 20,000번 이상의 미세한 타격을 가하면서 발생하는 조직의 미세화와 압축잔류응력의 변화가 표면층의 내구성을 향상시키고 결과적으로 외부의 충격에 대해서 금속원자의 결집력을 증가시키는 요인이 되는 것으로 초음파나노표면개질의 효과를 분석한다. 이러한 금속 표면층 조직의 압축잔류응력 변화는 표면 경도값을 높였고 내마모성을 향상시키게 되는 것이다.
표면물성 변화와 내마모성에 미치는 초음파나노표면개질 효과를 평가하기 위하여 보통레일과 열처리레일을 시험하였다.

대상 데이터

레일은 철도운송에 사용될 목적으로 제작된 60킬로그램 급의 레일 일부를 샘플링 하였다. 레일시편은 열처리가 안 된 보통 레일과 열처리가 된 열처리 레일 두 종류이다.

이론/모형

레일시편에 대한 마모시험은 ASTM G99 시험기준에 맞춰서 실시하였다. 마모시험은 한 개의 세라믹 볼이 있는 ball-on-disc 방식으로 별도의 윤활제 없이 하였다.
레일시편에 대한 마모시험은 ASTM G99 시험기준에 맞춰서 실시하였다. 마모시험은 한 개의 세라믹 볼이 있는 ball-on-disc 방식으로 별도의 윤활제 없이 하였다. 마모시험 조건은 하중(접촉 응력), 회전속도 및 시험시간 등을 변경하면서 마모량을 비교하였다.

성능/효과

마모시험기의 회전속도를 높임에 따라 레일시편의 마모량은 증가하였다. 그러나 보통레일과 열처리레일을 비교하였을 때, 열처리 레일의 마모량 증가가 초음파나노표면개질 처리된 보통레일의 마모량 증가보다 더욱 크게 나타났다. 그림 Fig.
3에서 보통레일의 마모량은 원으로 표시되고 열처리레일의 마모량은 네모로 표시하였다. 세로축은 마모량, 가로축은 마모시험기의 회전속도를 나타내는데 초음파나노표면개질 처리를 하기 전의 상태를 보여주는 실선 데이터에서는 모든 회전속도에서 열처리레일의 마모량이 보통레일보다 적게 나왔고 상대적으로 내마모성이 우수하였다. 그러나 Fig.
3에서 원으로 표시된 점선 데이터를 보면 초음파나노표면개질 처리된 보통레일은 모든 회전속도에서 열처리레일보다 마모량이 적게 나타나고 있다. 특히 회전속도가 증가할수록 열처리레일 마모량과의 차이는 증가하였다.
열처리레일을 초음파나노표면개질 처리하면 마모량은 현저히 줄어들지만 처리하기 이전에는 초음파나노표면개질 처리된 보통레일보다 마모특성이 떨어지는걸 알 수 있다. 마모시험기에 의한 내마모성의 비교가 실제 철도레일에서도 유사한 비교우위를 보일 수 있을지는 예측하기 어렵지만 초음파나노표면개질 처리의 효과가 마모특성을 향상시켰고 열처리레일의 마모량에 근접 또는 일부 우수한 특성을 보이고 있음을 실험실적 결과에서 확인할 수 있었다.
레일시편의 표면에 초음파나노표면개질 처리를 하였고 표면경도와 표면압축잔류응력이 증가하는 것을 확인하였다.
초음파나노표면개질 처리된 보통레일의 내마모성은 그렇지 않은 열처리레일의 내마모성과 동일하거나 우수하게 나타났는데 마모시험기의 회전속도가 증가할수록 이러한 경향이 더욱 뚜렷하였다.

후속연구

보통레일을 초음파나노표면개질 시킨 후에 마모시험 결과를 측정해보면 열처리레일의 마모시험 결과와 유사하거나 마모량이 더 적게 측정되기도 한다. 초음파나노표면개질 시험조건의 변화에 따라 열처리레일의 내마모성보다 더욱 우수한 보통레일의 표면 내구성을 확보 가능할 수도 있을 것으로 기대된다.
열차운행 횟수가 증가하고 고속화가 되어가는 철도교통 환경에서 안전을 확보하고 유지보수 비용을 절감하기 위해서 레일의 초음파나노표면개질 기술이 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파나노표면개질 기술이란?	초음파나노표면개질 기술은 초음파 진동에너지를 응용하여 아주 큰 정적 및 동적 하중이 부가된 볼(ball)로써 접촉 응력 3~30 GPa로 1초에 20,000번 이상의 타격(1,000~100,000회/mm2 정도)을 금속 표면에 주어, 많은 소성변형 및 탄성변형을 발생시키고, 이로 인해 표층부의 조직을 나노결정 조직으로 개질함과 동시에 아주 크고 깊은 압축잔류응력 등을 부가하는 기술이다. Fig.
	레일시편의 두 종류는?	레일은 철도운송에 사용될 목적으로 제작된 60킬로그램 급의 레일 일부를 샘플링 하였다. 레일시편은 열처리가 안 된 보통 레일과 열처리가 된 열처리 레일 두 종류이다. 각 레일의 헤드 부분을 와이어 컷(wire cut)으로 절단하였고 절단된 헤드 부분을 선반에서 원통형으로 가공 후 원반형 시편으로 절단 및 연삭을 통하여 분석용 시편을 제작하였다.
	초음파나노표면개질이 재료의 기계적 특성에 미치는 효과는?	⦁면층에 압축잔류응력을 형성시켜서 구름접촉피로(Rolling ontact Fatigue) 및 응력부식균열에 대한 내구성을 향상시킨다. ⦁표면에 직경 1~2 마이크론 크기의 미세한 딤플을 형성시킨다. 마찰계수를 감소시키고 마모율을 낮추는 효과가 있다. ⦁표면경도를 증가시켜서 마모율을 낮추고 피로한도를 높이는 효과가 있다. ⦁50~200 나노미터 크기의 입도를 갖는 나노결정 구조를 표면층에 형성시키며, 인장강도, 경도, 피로수명 및 마모율 등을 향상시키는 효과를 보인다.

참고문헌 (9)

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