Demiryolu rayı değişken yükler altında çalışan, yüksek zorlamaları üzerinde oturduğu malzemeye ileten bir yapı elemanıdır [1]. Sürekli artan yolcu sayısı ve yük miktarı ile demir yolu ağları gelişen ülkelerin önemli altyapılarından biridir. Artan tren hızları, yük hacmi ve güvenlik gibi itici kuvvetlerden dolayı raylar çok daha iyi mekanik özelliklere sahip olmalıdır. Performans artışını sağlamak için rayların aşınma direnci, deformasyon direnci ve en önemlisi yuvarlanma temas yorulması ( rolling contact fatigue) direnci arttırılmalıdır. Demiryolu taşımacılığında çapı 2000 metreden daha az olan virajlara küçük açılı (dar) virajlar denir [2]. Ülkemizde, mevcut demir yollarının yaklaşık % 34,2’si dar virajlı yollardan oluşmaktadır [3]. Normalde düz yollarda ray ömrü 20-25 yıl iken dar virajlı kesimlerde bu süre 2-3 yıla kadar inmektedir. Bu kısımlarda, mantarı sertleştirilmiş rayların kullanılması Uluslararası Demiryolları Birliği (UIC) tarafından da tavsiye edilmektedir. Bu kısımlarda, mantarı sertleştirilmiş raylar kullanarak ray ömrünü arttırırken bakım masraflarını azaltmak hedeflenmiştir. Mantarı sertleştirilmiş raylar ülkemizde üretilmemekte bu sebeple tüm ihtiyaç yurt dışından temin edilmektedir [4,5].
Neden Mantar Sertleştirme İşlemi?
Standart kompozisyonlardaki ray çeliklerinde karşılaşılan esas problem; ekstra maliyetlere karşın düşük aşınma ve kırılma direnci ve iç yapı hatalarıdır. Malzemenin içyapı hatalarının elimine edilmesiyle malzemenin aşınma direncinin artacağı aşikardır. Yüzeydeki mikroçatlaklar rayın çalışması sırasında parçalar halinde yüzeyden uzaklaştırılsa bile zamanla merkeze doğru ilerleyen bir çatlak düzeneği mevcuttur. Bu çatlak ilerleme hızı; yorulma miktarı, zorlama faktörü ve çatlak tipine bağlı parametrelerdir. Aynı şekilde rayın üzerine uygulanan tekrarlı yükler yumuşak mantar yapıyı inceltmekte ve plastik deformasyon sonucunda bir sertleşme meydana gelmektedir. Bunun sonucunda aşınmadan dolayı meydana gelen çukurlar ve çıkıntılar muhtemel çatlakları desteklemekte ve kırılmaya zemin hazırlamaktadırlar. Bu aşamada yapılması gerekenler; ray malzemesinin sertliği ve çatlak oluşumuna gösterdiği direnç, bir noktaya kadar artırılmalıdır. Bu değerler; ray sertliğinin çatlak ilerleme hızını arttırmaya başladığı noktada optimize edilmelidir [6,7].
Mantar Sertleştirme İşlemi
Sertleştirme de ki amaç; rayın servis ömrü süresince aşınmayı azaltmak ve özellikle dar ve orta kurplarda rayların tren tekerleriyle teması sonucu görülen yuvarlanma temas yorulmasına(RCF) karşı direncini artırmayı amaçlamaktadır. Mantar sertleştirmesi, fırında 800-950°C arasında östenitleştirilip, dizayn edilen su verme sisteminde belirlenen süre kadar su veya su+hava verilerek yapılır [4].
Perlitik ray çeliği mükemmel mekanik özellikleri ve aşınma direnci nedeniyle demiryolu hattı için yaygın olarak kullanılmaktadır. Lameller arası mesafenin minimum olduğu bir yapı için arzulanan perlitik mikroyapıyı elde ederken, kompozisyonun hassas kontrolü ve termomekanik işlem gerekir. İnce perlitik yapı, mümkün olan en düşük sıcaklıkta perlitik dönüşüm gerçekleştirilerek elde edilir. Ray çeliğinin istenen mikroyapı mekanik özelliklerini elde etmek için termomekanik proses esnasında faz dönüşümünü tam olarak kontrol etmek önemlidir [8].
Şekil 1. Soğuma profilinin nihai mikroyapıya etkisi (CCT diyagramı) [8].
Sürekli soğuma dönüşüm (CCT) diyagramları çeliğin gerekli termomekanik prosesinin tasarlanmasında çok önemlidir. Şekil 1′ de; perlit, beynit ve martenzit başlangıç (Ps, Bs, Ms) ve bitiş (Pf, Bf, Mf) sıcaklıkları işaretlenmiştir. Bu diyagramlarda soğuma eğrileri üst üste konularak dönüşüm sonucu beklenen fazlar açıklanabilir. Örnek verilecek olursa; soğuma hızı çok yavaş olursa; yani Şekil 4.4′ deki A eğrisi oluşursa, tamamen perlitik bir mikroyapı beklenir. Soğuma hızı artırıldığında (C eğrisi), soğuma eğrisi perlitik ve beynitik dönüşüm sınırları ile kesişerek karışık bir mikroyapı meydana getirir. Eğer çok daha hızlı bir soğutma hızı seçilirse (D eğrisi), perlitik ve beynitik dönüşümler engellenerek denge dışı bir yapı olan martenzitik bir mikroyapı elde edilir. Ray çeliği açısından bakıldığında, bu üç soğuma hızından oluşan üç mikroyapı da beklenen optimal özellikleri karşılamayacağından dolayı arzu edilmez. A soğuma eğrisi, kaba perlit oluşumu ile birlikte düşük sertlik ve aşınma direnci, C eğrisi, düşük aşınma direncine sebep olan perlit ve beynit karışımı bir mikroyapı ve D eğrisi ise kırılgan martenzit bir yapıya sebep olur. Ray çeliklerinde; mükemmel sertlik, aşınma direnci ve yorulma özellikleri sunan ince perlitik bir mikroyapı elde edilmesi amaçlanır. Bu amaç doğrultusunda, B eğrisi izlenerek soğuma gerçekleştirilir. Diyagram üzerinde B eğrisi takip edildiğinde; malzeme hızlıca beynit başlangıç eğrisinin hemen üzerindeki bölgede bulunan düşük perlitik başlangıç sıcaklığına ve bu işlemin ardından da havada ortam sıcaklığına soğutulur. B soğuma eğrisi takip edilerek uygulanan soğuma işlemi, kademeli soğuma ya da hızlandırılmış soğuma olarak adlandırılır ve ray çelik üretiminde yaygın kullanılır.
Pratikte, perlitik dönüşüm sabit sıcaklığına; önce hava+su sprey püskürtme yöntemiyle Ps sıcaklığına soğutulur. Ardından da daha küçük nozullar kullanılarak yapılan sprey püskürtme yöntemi sonucu elde edilen yüksek soğuma hızlarına ve son olarak hava ile yavaş soğuma sıralaması uygulanarak ulaşılabilir. Hava ile yavaş soğutma, malzemenin soğuma eğrisinin Bs ile kesişmesini engeller. Soğuma prosesi ve dönüşüm ısısı (tekrar ısıtma etkisi), ray kesitinde dengeli bir sıcaklık profili elde edilmesini sağlar.
Yukarıda bahsedildiği gibi; arzu edilen mikroyapı, kontrollü soğuma ile elde edilebilir. Fakat; pratikte gerekli soğuma hızı çok daha yüksek olabilir. Eğer rayın kesiti çok büyükse, malzemenin çekirdeği istenen oranda soğuyabilir. Bütün bu durumların dışında faz sınırları alaşımlama ile değiştirilebilir [8].
KAYNAKLAR
[1] Tulumtaş, H., Ray Üretim Teknolojisindeki Gelişmeler Ve Türkiye’de Üretim Miktarları, TCDD Genel Müdürlüğü
[2] Koymatcık, H., Tozlu, İ., Çuğ, H., Sun, Y., & Ahlatçı, H., Hardening of the head portions of the pearlitic rails by accelerated cooling, Engineering Science & Technology, an International Journal, 16(2), 2013
[3] Türkiye Cumhuriyeti Devlet Demiryolları, “Konvensiyonel hatların yol bilgileri”, T.C. Devlet Demiryolları İstatistik Yıllığı 2006-2010, 24, 2010
[4] Onat, Ö., Mantarı Sertleştirilmiş Raylarda Aşınma Davranışlarının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, 2012, 316278
[5] Özçelik, S., Mantarı Sertleştirilmiş Raylarda Yorulma Davranışı İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2014, 411504
[6] Kalaycıoğlu, O., Kardemir’de Ray Üretiminde İyileştirmeler, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2006, 181887
[7] Deroche, R.Y., “Rolling Contact Fatigue Cracks on S.C.N.F. Conventional Tracks” International Conferance on Rail Quality and Maintance for Modern Railways Operation, Ed: J.J Kalker, D. F. Cannon and O. Orringer Kluwer Academic Publishers, pp, 435-448, 1993
[8] Sahay, S.S., Mohapatra, G. and Totten, G.E., “Overview of pearlitic rail steel: accelerated cooling, quenching, microstructure, and mechanical properties” Journal of ASTM International, 6 (7): 1-26, 2009
Yorumlar