A Study on the Rail Materials Technology for Subway Based on its Sliding Wear Behavior

지하철 레일의 미끄럼 마모거동을 고려한 재료설계에 대한 고찰

Abstract

To assess the wear behavior of rails against subway rail car wheels, we investigate the sliding wear behavior of pins derived from two types of rails (normal rails and heat-treated rails) against a disc derived from a subway rail car wheel, using a pin-on-disc-type tribometer. We base the sliding wear test conditions on the sliding conditions for wheel flange-rail gauge corner contact. We demonstrate the remarkable transition in the wear behavior of the pins derived from the rails, from severe wear to mild wear, as a function of the sliding distance. The wear rate of the heat-treated rail material in the running-in wear region is much lower than that of the normal rail material. Furthermore, the wear rates of the pins in the running-in wear region decrease with increasing hardness and with decreasing sliding speed. However, there is little difference between the heat-treated rail pin and the normal rail pin in the wear rate in the steady-state wear region. Stricter controls on the decarburized layer beneath the surface of rails are required to reduce the wear rate in the running-in wear region.

1. 서 론

지하철의 구동 계통에 속하는 차륜과 레일은 구름접촉을 하는 대표적인 트라이보 시스템 중 하나이다[1]. 그런데 구름접촉을 하는 기계요소는 사용 중 소위 구름접촉피로라고 하는 현상에 의해 표면손상이 발생할 수 있다[1, 2]. 만일 지하철 운행 중에 이러한 현상이 발생하게 된다면 안전상에 큰 문제를 야기할 수도 있다. 그래서 차륜과 레일의 경우는 사전에 이를 방지하기 위하여 수시로 보수를 하고 있을 뿐만 아니고 정기적으로 새것으로 갱환하고 있다. 현재 레일의 갱환 시기 판단은 열차운행에 따른 누적 통과 톤수로 판단하고 있는 것으로 알려지고 있다[3]. 그러나 이러한 갱환 시기 판단에는 차륜과 레일 접촉면 상의 피로누적 층을 제거하는 정기적인 표면 연삭 공정도 고려된 것이 분명하다.

사실 레일은 이러한 구름접촉피로 현상에 의해 수명에 이르기도 하지만 현저한 마모나 부식 등에 의해서도 수명에 도달하는 것으로 알려지고 있다[4-7]. 특히 곡선부의 레일에서는 정해진 갱환 시기 이전이라도 안전 운행을 위협할 수 있을 정도의 현저한 마모나 소성 변형이 발생하는 것으로 밝혀졌다[8]. 이러한 측면에서 레일의 마모나 소성변형에 대한 연구도 활발히 진행되고 있으나 현재 진행 중인 연구의 대부분은 운동 역학적인 측면의 연구[4-7]인 것으로 확인되어 마모현상에 대한 연구는 많지 않은 것으로 확인되었다.

실제 현저하게 마모가 발생한 레일의 마모면에서 마모형태를 유추하는 것은 용이하지 않으나 구름접촉 피로에 의한 전형적인 표면손상이 관찰되지 않는 것으로 확인되어 구름접촉피로현상과는 관련성은 적은 것이 분명하다. 최근의 연구결과[8]에 의하면, 레일에서의 마모는 차륜과 레일의 접촉 타원 내 미소 slip에 의해 발생하는 것으로 밝혀졌다. 또한 그 마모 경향도 응착마모와 유사하게 점진적일 뿐만 아니고 소재 경도와도 밀접한 관계가 있는 것으로 확인되고 있다. 따라서 레일에서 발생하는 마모를 이해하기 위해서는 레일 소재 자체의 미끄럼 마모거동이 규명되어야 할 것으로 생각된다.

그래서 본 연구에서는 실제 지하철의 차륜과 레일에서 시험편을 추출한 뒤, 미끄럼 마모시험을 하고 재료 조사를 통해 레일 소재에서 일어나는 미끄럼 마모 거동을 분석하였다.

 

2. 연구방법 및 내용

2-1. 시험편 제작

본 연구에서는 지하철의 직선구간에 널리 사용되는 60 kg급 일반 레일(이하 NO-Rail)과 곡선구간에 널리 사용되는 열처리 레일(이하 HT-Rail)[9]에서 각각 방전 가공으로 소정의 pin형태의 시편(ϕ6 × 15 mm)을 추출하였다. 추출 시 레일의 궤도면이 pin의 미끄럼 접촉면이 되도록 하였다. 한편 이들의 미끄럼 마모시험 시상대재는 한국철도표준에 준하여 제작된 RSW2로 만들어진 실제 차륜에서 방전가공으로 소정의 disc형태(ϕ50 × 8 mm)의 시편을 추출하였다.

Table 1은 본 연구에 사용된 차륜(disc)과 두 종류 레일(pin)의 화학조성을 분석한 결과를 나타낸 것이다. 표에서 보듯이 차륜과 레일은 모두 0.63~0.75%C정도의 중탄소강[9]으로 밝혀졌으나 탄소함유량은 레일의 것이 다소 많은 것으로 밝혀졌다. 특히 열처리 레일(HT-Rail)재는 0.1% 이상 많은 것으로 확인되었다.

Table 1.Chemical composition of rail and wheel (wt%)

시험 전 이들의 심부 경도는 NO-Rail(일반 레일)재가 Hv 267, HT-Rail(열처리 레일)재가 Hv 359 그리고 상대재 disc(wheel)가 Hv 280 정도인 것으로 확인되었다.

2-2. 미끄럼 마모시험

마모시험은 pin-on-disc식 미끄럼 마찰마모 시험기[10]를 사용하였으며, 시험 전 pin 시편과 disc 시편의 접촉면은 공히 600# abrasive paper로 연마하여 거칠기를 조절하였다(Ra:0.065 μm Rmax=1.1 μm, Rz=1.05 μm).

Fig. 1은 마모가 현저히 발생한 지하철 곡선구간 레일의 단면 형상의 일례를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 곡선구간 레일의 형상 변화는 rail head부 보다 화살표로 나타낸rail gauge부의 마모(소성변형 포함)가 현저하다. 이러한 레일의 마모나 소성변형은 차륜과의 접촉타원 내 미소 slip현상에 의해 접선력이 작용하기[6, 7] 때문으로 알려져 있다. 특히 곡선구간 레일에서 미소 slip에 의한 미끄럼율은 직선구간의 10배에서 100배 정도 더욱 큰 것으로 추정되고 있다[9]. 그리고 이러한 미소 slip에 의한 미끄럼율을 미끄럼 속도로 환산하면 0.2m/s~0.9m/s의 범위이고 접촉응력은 0~200 MPa의 범위인 것으로 보고되어 있다[7]. 이러한 사실을 고려하여 본 연구에서는 수직하중을 500 g으로 일정하게 하고 두 미끄럼 속도, 즉 0.3 m/s 및 0.8 m/s에서 미끄럼 마모시험을 하기로 하였다. 이때 총 미끄럼 거리를 6 km로 하고 실온 건조상태에서 시험하였다. 이러한 미끄럼 마모시험 조건을 Table 2에 요약하였다. 마모량 산출은 소정의 미끄럼 거리마다 pin 시편의 중량 감소를 측정하여 산출하였으며, 모든 조건에서 2~4회의 시험 후 이들의 평균값을 사용하였다.

Fig. 1.Cross section of worn rail.

Table 2.Conditions of sliding wear test

 

3. 결과 및 고찰

3-1. 미끄럼 마모거동

Fig. 2는 0.3 m/s 및 0.8 m/s의 미끄럼 속도에서 각각 미끄럼 거리에 따른 두 종류의 pin(레일재)의 마모량의 변화를 비교한 것이다. 그림에서 보듯이 이들의 마모거동은 초기마모에서 현저한 마모 발생 후 마모가 급격히 감소하는 정상마모로 전환되는 경향인 것으로 확인되었다. 이러한 마모거동은 초기마모 영역과 정상마모 영역에서 마모기구가 상이하기 때문으로 생각된다. 마모기구의 전환은 열처리 레일(HT-Rail)재에서 빨리 일어남을 알 수 있다. 그리고 그림에서 보듯이 미끄럼속도에 따른 마모거동 차이는 거의 없으나 마모량은 미끄럼속도가 빠른 0.8 m/s시에 현저히 많음을 알 수 있다. Table 3은 거리에 따른 마모량의 변화를 초기마모 영역과 정상마모 영역으로 구분한 뒤 각 영역에서 미끄럼속도 별로 마모율을 산출하여 비교한 것이다. 표에서 보듯이 초기마모 영역에서의 마모율이 정상마모 영역에 비해 현저히 큰 것으로 확인되었다. 또한 미끄럼 속도 0.8 m/s에서의 마모율은 0.3 m/s시의 마모율에 비해서도 현저히 크다는 것을 알 수 있다. 그러나 미끄럼속도와 관계없이 열처리레일(HT-Rail) pin의 마모율이 일반레일(NO-Rail) pin에 비해 1/2정도로 적은 것으로 밝혀졌다. 이것은 결국 열처리 효과인 것으로 생각된다. 그러나 정상마모 영역에서는 마모율이 거의 유사하여 미끄럼속도나 열처리 효과가 현저하지 않은 것으로 확인되었다.

Fig. 2.Variation of wear loss with sliding distance.

Table 3.Wear rate of pin (mg/km)

3-2. 마모면 해석

Fig. 3은 0.3 m/s 및 0.8 m/s의 두 미끄럼 속도에서 시험한 (a)NO-Rail(일반 레일) pin과 (b)HT-Rail(열처리 레일) pin의 시험 후 마모면을 관찰한 광학현미경 사진을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 0.3 m/s에서 NO-Rail pin의 마모면에는 미세하게 분포된 많은 점상의 반점이 관찰되나 HT-Rail pin의 마모면에는 부분적으로 존재하는 띠 모양의 다소 조대한 검은 부위가 관찰된다. 한편 미끄럼 속도가 큰 0.8 m/s에서는 열처리 유무와 관계없이 다량의 띠 모양의 검은 부위가 관찰된다. 이들 검은색 화합물은 EDX분석 결과 산소가 검출되어 모두 철계 산화물인 것으로 추정되었다.

Fig. 3.Optical micrograph on worn surface of pin after testing.

이상의 결과, 정상마모영역에서의 pin 마모면의 양상은 미끄럼속도 및 열처리 유무에 따라 상이하지만 공히 산화마모의 형태로 진행되는 것으로 생각할 수 있다.

Fig. 4는 disc 마모면을 관찰한 광학현미경 사진을 나타낸 것이다. NO-Rail(일반 레일) pin을 상대한 disc 마모면(a)에는 미끄럼속도와 관계없이 두껍고 긴 띠 모양의 검은 부위와 국부적으로 미세한 점상의 검은 부위가 관찰된다. Fig. 5는 이들 disc의 마모 track에 수직방향으로 측정한 표면 profile 곡선을 비교한 것이다. 그림에서 보듯이 NO-Rail(일반 레일) pin을 상대한 disc 마모면(a)에는 현저한 표면 요철이 관찰된다. 결국 Fig. 4(a)에서 관찰된 검은 띠는 깊은 scratch인 것으로 생각된다. 반면 Fig. 5(b)에는 거의 요철이 없는 것으로 밝혀져 Fig. 4(b) 상의 흑색 부위는 산화물인 것이 분명하다. 이러한 결과는 EDX분석 결과와도 일치하였다.

Fig. 4.Optical micrograph on worn surface of disc after testing.

Fig. 5.Profile curve across worn surface of disc.

한편 0.8 m/s 미끄럼 속도의 마모면에서는 이러한 scratch외에 깊은 groove가 관찰되어 시편과 마찬가지로 상대재에서도 현저하게 마모가 발생함을 알 수 있다. Fig. 6은 0.8 m/s의 미끄럼속도에서 초기마모 영역에 속하는 미끄럼 거리 0.6 km까지 시험한 후 관찰한 NO-Rail pin과 그 상대 disc 마모면의 광학 현미경사진을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 이들 마모면에는 산화물 생성이 현저하지 않고 많은 scratch가 관찰되고 있다. 사실 NO-Rail pin의 경도는 disc의 경도보다 다소 낮지만 미끄럼 초기에는 pin과 disc 가 응착된 후 양쪽에서 동시에 마모가 발생하게 되므로 마모가 큰 것으로 생각된다. 이후 미끄럼 거리가 증대할수록 pin측에서 산화물이 발생을 하나 이들은 모재의 경도가 낮기 때문에 용이하게 탈락해 버리므로 마모면상에는 미세한 점상의 산화물이 잔존하는 것이 분명하다. 그리고 이때 탈락된 산화물 입자들은 abrasive 입자로 작용하게 되어 상대재 마모면에 현저한 요철을 만드는 것으로 추정된다. 이후 미끄럼거리가 증대함에 따라 상대재 disc상에도 산화물이 생성되면서 완전 산화마모로 마모형태가 천이되는 것으로 생각된다. 특히 0.8 m/s에서 커다란 초기마모영역의 마모율과 상대재 마모면상의 현저한 groove는 높은 미끄럼속도에 따른 온도의 영향인 것으로 추정된다.

Fig. 6.Optical micrograph on worn surface of NO-Rail pin and the mating disc after sliding distance of 0.6 km at 0.8 m/s.

반면 Fig. 4에서 HT-Rail(열처리레일) pin을 상대한 disc 마모면(b) 상에는 흑색의 화합물들이 전면에 분포하는 것을 알 수 있다. 이것은 Fig. 3의 (b)에서 보듯이 HT-Rail pin의 경도가 상대 disc의 경도보다 커서 마모면상의 산화물 탈락이 감소하였기 때문으로 생각된다. 즉 pin의 마모면에 산화물이 잔존하여 disc와의 금속간접촉을 방지하게 되므로 마모발생이 감소하는 것이 분명하다. 한편 tempering온도에 따른 철강재료의 내마모성은 중간경도일 때 가장 우수한 것으로 알려져 있다[11]. 따라서 NO-Rail보다 HT-Rail pin의 내마모성이 양호하였던 것은 경도상승에 따라 산화마모가 촉진되었기 때문으로 생각된다. 이러한 결과는 Fig. 5(b)에서 보듯이 상대재 마모면 profile 곡선상에서도 상대재에서도 마모발생이 거의 일어나지 않는다는 사실에서 예측할 수 있다

이 경우도 미끄럼속도가 증대하면 온도상승으로 인해 다소 마모발생이 진행되는 것을 알 수 있다.

Fig. 7은 미끄럼마모 시험 전 NO-Rail pin과 HT-Rail pin의 표면부근(a) 및 심부(b)의 조직을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 NO-Rail pin의 심부 조직은 pearlite이고 입계에 약간의 ferrite상이 존재하는 미세조직임을 알 수 있다. 그러나 표면 부근에는 상당량의 ferrite가 관찰된다. 반면 HT-Rail pin 시편의 심부는 전반적으로 sorbite 조직과 유사한 것으로 밝혀졌다. 이 경우도 NO-Rail pin 정도는 아니나 표면부근의 조직에서는 입계 ferrite가 관찰되고 있다. Fig. 8은 이들을 표면에서 깊이 방향으로 측정한 비이커스 경도분포를 나타낸 것이다. 그 결과, 표면부근의 경도가 현저히 낮은 것으로 밝혀졌다. 이상의 결과로 미루어 Rail표면부근은 탈탄이 일어난 것으로 추정되었다.

Fig. 7.Optical micrograph of pins derived from two types of rail.

Fig. 8.Hardness distribution below contacting surface. of pins derived from two types of rail.

결국 Fig. 4에서 보듯이 레일재의 미끄럼 거동에서Fig. 7(a)처럼 탈탄층이 현저하였던 NO-Rail pin의 초기마모의 마모율이 큰 것은 이러한 탈탄층의 영향으로 생각된다. 결국 탈탄층의 낮은 경도로 인해 과다한 마모가 발생하고 나아가서는 소성변형으로 이어지기 때문이다. 사실 이러한 탈탄층은 마모나 소성변형 외에도 구름접촉피로 강도에도 불리하게 작용하므로 탈탄 방지는 재료설계상 필수적이라 할 수 있다. 그러나 실제는 어느 정도의 탈탄을 허용(0.5 mm이내)하고 있는 것[12]으로 확인되었다. 그러나 곡선구간 레일만이라도 수명 향상을 위해서 탈탄층 관리에 보다 엄격해야 할 것으로 생각된다.

 

4. 결 론

직선구간 및 곡선구간 두 종류의 지하철 레일에서 pin시편을, 차륜에서 disc를 추출하여 미끄럼 마모시험을 하였으며, 그 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 레일재의 마모거동은 초기마모영역에서는 abrasive 마모로 진행하여 마모율이 현저히 크나 정상마모에서는 산화마모로 전환되면서 마모가 급감하는 형태이다. 특히 열처리레일(HT-Rail)은 초기마모를 현저히 감소시키고 정상마모로의 전환을 촉진하였다. 2) 레일재의 초기마모영역에서의 마모거동에서는 미끄럼 속도가 빨라질 수록, 그리고 낮은 경도일 수록 마모가 증대하는 것으로 밝혀졌다. 그러나 정상마모영역에서는 차이가 없음을 알 수 있었다. 3) 레일 표면부위의 탈탄층은 초기마모의 마모율 증대와 관계되는 것으로 보여진다. 따라서 레일의 수명향상을 위해서는 탈탄층과 같은 재료의 미세 조직 관리에 엄격해야 할 것으로 생각되었다.