Hjulslitagestudie hos malmvagnar vid LKAB:s spårnivå under jord

2005:090 CIV EXAMENSARBETE Hjulslitagestudie hos malmvagnar vid LKAB:s spårnivå under jord Orsaker och materialanalys STEFAN KALLANDER CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Luleå tekniska universitet Institutionen för Tillämpad fysik Maskin- och materialteknik Avdelningen för Materialteknik 2005:090 CIV ISSN: 1402-1617 ISRN: LTU - EX - - 05/90 - - SE

Sammanfattning Detta examensarbetet gick ut på att ta reda på orsakerna till de ökade hjulslitaget hos malmvagnarna vid LKAB:s anläggningar under jord. Hjuluppföljning har visat att drifttiden hos hjulaxlarna har sjunkit med åren och ett ökat antal hjulbyten är ett faktum. Utslitna hjul upparbetas genom påläggssvetsning med ett austenitiskt rostfritt material medan nya hjul är gjorda av perlitiskt kolstål. Nya osvetsade hjul håller ca. 22 månader och alltså dubbelt så länge som ett påläggssvetsat hjul. Arbetet inriktades främst på att jämföra de två materialens strukturer, hållfasthet med hjälp av hårdheten och eventuella synliga nötningsförlopp. Prover för undersökning i mikroskop tillverkades. Även studiebesök, intervjuer och litteraturstudier utfördes för att få kunskap i ämnet. Resultatet visar ett högt deformationshårdnande hos svetsmaterialet. En hög deformationshärdning leder till ökad känslighet för adhesivt slitage. Ett adhesivt slitage är utmärkande för en glidande kontakt med höga kontakttryck och återfinns med största sannolikhet vid fläns- och rälskontakten i skarpa kurvor. Den vanligaste nötningsmekanismen för kolstålet i dess löpbana är ytutmattning då små flakliknande fragment kunde urskiljas i slitytan vid mikroskoperingen. Svetsmaterialet är av en mycket grovkorning struktur men innehåller få orenheter. Sprickbildning i korngränser från slitytan och en bit in i svetsen kunde urskiljas. P.g.a den höga deformationshärdningen och graden av hållfasthetsökning är det sannolikt att materialet kan komma att uppträda sprött närmast ytan. Kolstålet för grundmaterialet har en mycket finkorning perlitisk struktur med perlit som den dominerande strukturbeståndsdelen. Deformationsdjupet och härdningen är lägre för kolstålet då lamellerna i perliten bromsar upp deformationen. Ingen skillnad i hårdhet mellan de två olika materialen kunde upptäckas. Räls- och hjulprofilernas inverkan på slitaget har en stor betydelse. Platta hjul- och rälsprofiler kan leda till höga dynamiska krafter som leder till onödigt slitage på både hjul och räls. Orsaker till ett ökat hjulslitage beror på många olika variabler och i det här sammanhanget är förekomsten av platt rälsprofil en av flera orsaker. Bättre reparationer kan åstadkommas med omsvarvning så att ny profil erhålles. Men detta kan bara ske en gång då tjockleken och slitagegränsen för hjulringen begränsar bearbetningen. Byte av svetstråd till en med högre hållfasthet och hårdhet bör undvikas p.g.a. att bearbetningen kommer att försvåras och blir väldigt tidskrävande.

Abstract The main task with this examination project was to find reasons to an increasing wheel wear on miner s trucks at LKAB:s facilities under ground. The follow-up on the wheels has shown that the running life has been decreasing the past years and an increasing wheel maintenance is a fact. Worn wheels are built up by welding with an austenitic stainless steel while new wheels are made of perlitic carbon steel. The new unwelded wheels have a mean durability of 22 months and that s twice as long as compared to a welded wheel. The aim in this work was to compare the two different wheel materials by structure analysis, strength with hardness and wear behaviour. Study visits, interviews and study of literature were carried out to get knowledge in the subject. The result shows a high deformation hardening effect for the weld material. A high deformation hardening material is sensitive to adhesive wear. Adhesive wear is significant for sliding contacts with high contact pressures and can be found in the wheel flange and gauge face of the rail in sharp curves. The most common type of wear for carbon steel on the tread is rolling contact fatigue. Small flakes have been observed with microscope in the surface. The welded material has large grains in the structure. Cracking, probably due to high deformation hardening and strength increase was found in the grain boundaries. The carbon steel has a structure with very fine grains with pearlite as the main constituent. The depth of deformation and hardening are lower for the carbon steel due to lamellar perlitic structure works as braking layers. No difference in hardness between the materials in the wearing surfaces has been found. The rail and wheel profiles influence of wear is significant. Flat rail profiles and hollow treadworn wheels can lead to high dynamic forces and excessive wear on both wheels and rail. Reasons for increasing wear of the wheels are many and depend on many variables and in this case are flat profiles one of them. Better repairing can be achieved by turning to obtain new profiles on worn-out wheels. The turning process can only be done once because thickness and wear limit on the wheel rims is limiting machining. Change to a harder weld material is not to prefer due to difficulties with machining process and time dependency.

Förord Som avslutning på civilingenjörsutbildningen vid Luleå tekniska universitet ska ett examensarbete utföras. Detta examensarbete är en hjulslitagestudie hos malmvagnar vid LKAB:s anläggningar under jord i Kiruna. Materialanalyser har utförts med sedvanliga laborationsutrustningar och möjliga orsaker till hjulslitaget har utretts. Jag vill tacka Stina Pettersson på LKAB för god handledning. Jag vill även tacka Matti Petäjäniemi, personalen vid spårnivån och övrig berörd personal för stort engagemang och för stor hjälp under arbetets gång. Stefan Kallander Luleå, Februari 2005

Innehållsförteckning 1. Inledning... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Mål... 1 1.3 Avgränsningar... 1 2 Teori... 2 2.1 Rullande kontakt... 2 2.2 Adhesiv nötning... 3 2.3 Abrasiv nötning... 4 2.4 Kontaktutmattning... 4 2.5 Hjul- och rälskontakt samt profilernas inverkan på slitaget... 5 2.6 Materialegenskaper... 7 2.7 Austenitiskt rostfritt stål... 8 2.8 Perlitiskt kolstål... 8 3. Metod och genomförande... 10 3.1 Litteraturstudie... 10 3.2 Anläggningsbesök samt intervjuer... 10 3.3 Hjul och hjulaxlar... 12 3.3.1 Nya hjul...12 3.3.2 Begagnade och utslitna hjul - påläggssvetsning...13 3.4 Sammanställning hjuluppföljning... 13 3.5 Provberedning... 14 3.6 Mikroskopering... 14 3.7 Hårdhetsmätning... 15 4. Resultat... 16 4.1 Hjuluppföljning... 16 4.2 Mikroskopering... 17 4.3 Hårdhetsmätning... 19 4.4 Litteraturstudie... 20 5. Diskussion och slutsatser... 22 6. Referenser... 24 6.1 Litteratur... 24 6.2 Tidsskriftsartiklar... 24 6.3 Internet... 25 Bilagor Antal sidor 1. Datablad svetstråd 1

1. Inledning 1.1 Bakgrund Vid LKAB:s anläggningar under jord finns ett spårsystem med förarlösa tåg på en nivå av 1045m. Dessa tåg transporterar råmalmen från lastnings- till krossningsanläggningarna. Spårnivån på 1045m under jord består av totalt 11km räls. Rälsen sträcker sig från norr till söder inom malmkroppen och själva tömningen ligger utanför malmkroppen. Det finns totalt 7st tågset bestående av ett förarlöst lok och 24st vagnar i varje set. Dessa tågset körs i pendeltrafik kontinuerligt dygnet runt och är i princip ute i drift samtidigt. Med pendeltrafik så går tåget samma väg tillbaka som det kom ifrån utan att vända. Med andra ord så backar tåget tillbaka till lastningen från det att tömningen av vagnarna är klar. Tågen körs via en styrcentral som ligger ovan jord. På spårnivån finns även en lok- och vagnverkstad för underhåll. Besiktning av tågen gör man en gång per månad. Mellan besiktningarna utförs reparationer på de vagnar som fick underkänt vid kontrollbesiktningen. Hjulbyten och inte alltför stora reparationer tas om hand. Vid större renoveringar som exempelvis korgbyten skickas vagnen upp ovan jord till centralverkstan. Vanligaste orsaken till att vagnar faller vid kontrollbesiktningen är hjulslitaget. Hjulen har då främst tunna flänsar framförallt på det högra hjulet av hjulaxeln i tågets färdriktning. Detta tror man beror på att vagnarna vanligtvis rullar genom skarpa vänstersvängar då de är lastade. På senare tid har man uppmärksammat ett ökat hjulslitage hos vagnarna som medför kortare intervall mellan hjulbytena. Utslitna hjul skickas ovan jord till LKAB:s centralverkstad där de renoveras genom påläggssvetsning. Det har diskuterats om det ökade hjulslitaget beror på påläggssvetsningen eller om det beror på att rälsen lagas bristfälligt då denna slits. 1.2 Mål Målet med detta examensarbete är att finna orsaker till det ökade hjulslitaget och utreda möjligheterna att förlänga livslängden på vagnshjulen. 1.3 Avgränsningar Examensarbetet inriktas främst på hjulslitaget hos malmvagnarna under jord. Hjul som är osvetsade och hjul som är påläggssvetsade jämförs ur materialsynpunkt som hårdhet, struktur och defekter. Jämförelsen sker med hjälp av laborationsutrustningar som optiska mikroskop, hårdhetsmätare och svepelektronmikroskop (SEM). Ej några mekaniska tester eller nötningsprov utförs. 1

2 Teori 2.1 Rullande kontakt Om man analyserar fenomenet rullande kontakt enligt Hertz kontaktteori betraktas två kroppar i kontakt som elastiska. Kontaktzonen som bildas mellan kropparna är elliptisk till formen och visar sig vara av hög spänningskoncentration. Vermuelen och Johnson delade in kontaktzonen i två olika områden, den ena där ytorna är i ingrepp (stickområdet) och den andra där ytorna är i glidning relativt varandra (slickområdet). Dessa ellipser kommer att variera i förhållande till varandra beroende på den relativa skillnaden i glidhastighet (krypning). I kontaktzonen får man även en friktion. Man vet att friktion och nötning är ett nära sammanhängande fenomen [3]. Men låg friktion behöver inte alltid förknippas med liten nötning, därför bör begreppen hållas isär. Fig 1. Skiss över friktions- och normalkraft samt kontaktzonen. Spänningarna som uppstår i materialet är av typen plant spänningstillstånd. Med hjälp av Mohr s spänningscirkel och tillhörande ekvationer för plant spänningstillstånd fås att skjuvspänningen är som störst en bit under kontaktytan och plastisering av materialet börjar även en bit under (se även fig 5). Detta beror på att ytan utsätts för kompressionsspänningar i alla tre ortogonala riktningar och tillåter därför kontakttrycket att överstiga materialets sträckgräns. Alltså även om plastisk deformation har skett under ytan kommer det att ske en mindre deformation på ytan för att den plastiska zonen är omringad av elastiskt material. Men med ökande last ökar även den plastiska zonen och når tillslut ytan [4]. I en rullande kontakt kommer det att uppstå en viss nötning. Nötning kan definieras både som en massa eller en volym av material som försvinner från en kropp. Nötningsmekanismerna som uppstår för en rullande kontakt är först och främst de tre vanligaste; - Adhesiv nötning - Abrasiv nötning - Kontaktutmattning 2

2.2 Adhesiv nötning Adhesiv nötning uppkommer när två ytor glider relativt varandra. Alla ytor består av ojämnheter och topparna på en ojämn yta kallas för asperiteter. Då ytorna glider relativt varandra och utsätts för en normalkraft är det asperiteterna som först kommer i kontakt. Asperiteterna bildar då mikrosvetsar som svetsas fast genom interatomiska krafter och vid fortsatt glidning kommer förbindelsen eventuellt att brytas eller skjuvas av och leda till nötning. Förbindelserna mellan asperiteterna bildar en kontaktarea och kommer därför att representera den verkliga kontaktarean. Archard som tog fram en nötningsekvation visade att den verkliga kontaktarean är proportionell mot normalkraften. Den adhesiva nötningen visar sig också öka dramatiskt då kontakttrycket närmar sig materialets sträckgräns. Adhesionens omfattning beror även på materialens struktur. Två material som glider relativt varandra och med identiska gitterstrukturer kan med lätthet svetsas samman vid rena ytor. Vid ökad friktion kommer området med den maximala skjuvspänningen att förflytta sig närmare ytan [6]. Friktionen blir som lägst om man har ett material som har en hög sträckgräns och en låg skjuvmodul(τ s ). D.v.s. hög hårdhet(h) och lågt skjuvmotstånd. τ s Friktionen för adhesion kan skrivas som; µ adh = (1) H Fig 2. Skiss på adhesion och nötningsförfarandet. 3

2.3 Abrasiv nötning Abrasiv nötning uppstår när ett hårdare material nöter på ett mjukare material. Det finns två typer av abrasion. Tvåkropps- och trekroppsabrasion. Tvåkroppsabrasion bildas då en hård och ojämn kropp plogar och avverkar material från det mjukare. Fig 3. Tvåkropps- och trekroppsabrasion. Trekroppsabrasion uppkommer då en hård partikel ligger mellan de glidande ytorna och avverkar material från ytorna. Partikeln kan också bli inbäddad i en av ytorna, vanligtvis i den mjukare ytan och på så sätt repa det andra materialet. Den abrasiva nötningen minskar då hårdheten på det avverkade materialet närmar sig det abrasiva. Friktionen som uppkommer vid abrasiv nötning kan kallas för den plogande friktionen. Den uppträder oberoende av den adhesiva friktionen. Storleken på den abrasiva friktionen beror i huvudsak på asperiteternas geometri som orsakar plogandet [6]. 2 Abrasiv friktion kan skrivas som; µ abr = cotθ (2) π Tillsammans genererar ovan nämnda friktioner den totala fiktionen för glidning; µ = µ adh + µ abr (3) 2.4 Kontaktutmattning Kontaktutmattning uppstår vid cyklisk belastning av ytorna redan vid relativt låga spänningar och är mycket vanligt i rullande kontakter. De cykliska kontaktspänningarna är av Hertztyp. Materialet kommer att få påkänningar av både tryckspänningar och skjuvspänningar från ytan och nedåt en bit under och är som störst precis under ytan. Spänningarna leder till att materialet kommer att plastiseras. Hertz kontaktteori; 2 2 2x 2 1 y p = p m (4) Dx Dy 6w pm = (5) πdxdy där p = kontakttryck och p m = maximalt kontakttryck 4

Fig 4. Spänningsfördelningen i en elliptisk kontakt. Plastisk deformation börjar under ytan och sker då; p > 1.1σ s (6) når ytan då; p 3σ s (7) där σ s = Sträckgränsen för materialet Vid fortsatt cyklisk belastning och plastisk deformation kan sprickbildning under ytan uppstå som oftast är parallella med rullriktningen. Vanligen initieras sprickorna där den maximala skjuvspänningen uppnås, se figur 5. Speciellt utsatta ställen är inneslutningar samt andra defekter [10]. Sprickorna kan senare propagera upp mot ytan och flakliknande fragment lossnar från ytan. Ett kännetecken för ytutmattning på ett vagnshjul kan vara att allt från stora till små bitar lossnar från löpbanan. Typiskt är att små gropar eller kratrar syns på löpbanan [6]. Fig 5. Bild över kontaktutmattning samt skjuvspänning. 2.5 Hjul- och rälskontakt samt profilernas inverkan på slitaget Vid räls- och hjulkontakt uppstår mycket höga kontakttryck p.g.a. liten kontaktyta och ofta höga belastningar. Denna kontaktzon varierar med över 60 olika variabler eller parametrar med komplexa relationer [14]. När gränsytan mellan hjul och räls nöts kommer kontaktzonen att påverkas. För nya räls- och hjulprofiler är kontaktarean lite mer än 300mm 2 och kontakttrycket 5

ligger nära sträckgränsen för materialet i rälshuvudet. Plastiskt flöde av metallen sker både i ytan mellan hjulet och rälsen och även mer på ett litet djup under rälsens yta. Detta medför en slät skinande yta som man ofta ser framförallt på ovansidan av en räls som används flitigt. När nötning fortlöper med tiden i både hjul och räls kommer kontaktarean att bli större och elliptisk i en tvärgående riktning [4]. Med en optimerad räls- och hjulprofil kan man kontrollera kontakttrycket och höga styrkrafter, som påverkar utmattning och nötning. Stabiliteten hos hjulparet och styrkrafterna påverkar i högsta grad nötning av hjul och räls. Då ett hjulpar går in i en kurva, kommer hjulen att förflytta sig mot den yttre sidan av kurvan. Med en bra profil kommer det yttre hjulet att rulla med en större radie än det inre hjulet och genererar en kon som styr genom kurvan och ger positiva styrkrafter. Dåligt passande profiler, som har för liten skillnad i rullradie över löpbanan på hjulparet leder till höga flänskrafter och även negativa styrkrafter. Negativa styrkrafter leder till att hjulparet mosar sig in i kurvan och orsakar höga krafter på hjul och räls. Med negativa styrkrafter kan en räls som är dåligt ansatt i slipers lätt flytta på sig och urspårning är ett faktum [8], se även fig 6. Fig 6. Principskiss över räls- och hjul samverkan. För att få en tillfredställande styrförmåga i en kurva kan man räkna fram skillnaden i rullningsradie, R. Värdet på R för en given kurva ges av ekvationen; DR w R = (8) Rc där D är avståndet mellan kontaktpunkterna, R W är hjulradien och R C är kurvradien [9]. Instabilitet är ett resultat av hög konicitet då hjulet och rälsen har hög konformitet, typiskt mellan platt rälsprofil och hjul som har nednötta löpbanor. Denna kombination leder till höga dynamiska krafter och kan medföra överdriven flänsslitage, kant- och toppslitage av rälsen, samt rälsvecksbildning. Detta kan avhjälpas med slipning av rälsen med jämna mellanrum. Slipningen tar bort ytsprickorna på rälsen, eller headchecks, som kan medföra t ex. utmattningsbrott. Slipningen leder även till en minskning av räls- och hjulskriket. Ett visst ljud uppkommer då hjulet rullar på rälsen. Ljudet ökar om rälsen blir plattare och bredare både på ovansidan och på kanten av rälsen [9]. Stabiliteten är styrd av vagnstyvheten och koniciteten hos hjul- och rälsprofilen. Man strävar efter en profil med liten konvinkel och stor skillnad mellan hjul- och rälsradie för att säkra stabiliteten. Men eftersom en låg konvinkel äventyrar styrförmågan krävs det kompromisser. 6

Fig 7. Hjul- och rälskontakt. Eftersom normalkraften och således friktionen är som störst på ovansidan av rälsen vid hjuloch rälskontakt är det nästan enbart rullning som uppstår. Flänsen kommer då att ha en högre hastighet än kontaktpunkten uppe på rälsen och kommer därför att glida mot rälsen och ett slitage uppstår. På den yttre rälsen i en kurva är kontakttrycket vanligtvis störst på insidan av rälsen och vid flänsroten av ytterhjulet. Motsvarande på den inre rälsen i kurvan blir kontakttrycket som störst vid en eventuell dubbelfläns hos hjulet och då på utsidan av rälsen. Genom att reducera axeltrycket och ha likformiga profiler mellan hjul och räls minskar man kontakttrycket [14]. Men detta strider mot behovet för radieseparation för att säkerställa stabiliteten. Hjulprofiler som generellt eftersträvas är; liten skillnad i rullningsradie för små förflyttningar av hjulaxeln i sidled, ger stabilitet på rakspår, speciellt viktigt för högre hastigheter. större skillnad i rullningsradie för att få bättre styregenskaper med positiva styrkrafter och mindre nötning i kurvor. 2.6 Materialegenskaper Med metalliska material leder höga laster till plastisering och permanenta deformationer i zoner med höga spänningar, kompressions/töjnings- och skjuvspänningar, som överstiger materialets sträckgräns. Detta är ett fenomen som föregår utmattning och nötning. För att förbättra motståndet mot nötning och utmattning finns det generella materialegenskaper man kan beakta. För att minimera risken för adhesion: Hög hårdhet eller sträckgräns. Materialkompabilitet, d.v.s. material med samma gitterstruktur som ökar adhesionen är ej att föredra. Lågt deformationshårdnande och låg duktilitet för att undvika adhesivt slitage. God värmeledningsförmåga och låg värmeutvidgning motverkar adhesivt slitage. Lågt skjuvmotstånd för att minska friktionen. Bättre motstånd mot abrasion: Hårda material. Det hårdare materialet avverkar det mjukare. Men omfattningen minskar om det mjukare närmar sig det hårdare i hårdhet. Jämna ytor är att föredra. Rena ytor, d.v.s. fri från partiklar och andra orenheter som kan skada ytorna och bidra till trekroppsabrasion. 7

Bättre motstånd mot utmattning: Hög renhet, få defekter som t ex. ickemetalliska inneslutningar, håligheter eller mikrosprickor. Hög sträckgräns och brottseghet. Sträckgränsen ökar lastförmågan. Brottsegheten är förmågan att kunna motstå spricktillväxt. Jämna ytor så att sprickinitiering försvåras. 2.7 Austenitiskt rostfritt stål Svetsmaterialet man använder sig av vid påläggsvetsningen är ett austenitiskt rostfritt stål. De rostfria stålen är indelade i tre olika klasser beroende på vilka faser som finns representerade i strukturen. Martensitiskt, ferritiskt och austenitiskt. Austenitiska rostfria stål används framförallt med fördel av dess höga korrosionsmotstånd p.g.a. den höga kromhalten. De är också kända för att vara omagnetiska, ha god seghet och en god svetsbarhet p.g.a. dess låga kolhalt. Ett typiskt austenitiskt rostfritt stål är av 18/8-typ, 18% krom, 8% nickel och 0.1% kol. Med hjälp av ett Shaeffler-Delong-diagram kan man ta reda på vilka faser materialet består av. Genom att avläsa sammansättningen för stålet kan krom- och nickelekvivalenterna beräknas som i sin tur avslöjar var i diagrammet stålet hamnar och faserna för stålet kan utläsas. Austenitiska rostfria stål är den enda typen av rostfria stål som inte kan härdas genom värmebehandling. De härdas genom deformationshärdning och har ett väldigt högt deformationshårdnande. Vid deformationshärdningen ökar antalet dislokationer kraftigt som leder till minskad dislokationsrörlighet och på så sätt förbättras sträckgränsen och hårdheten på bekostnad av duktiliteten. Dess höga deformationshårdnande beror på den låga staplingsfelsenergin. Låg staplingsfelsenergi innebär att det är stora avstånd mellan de partiella dislokationerna och gör därför ett större motstånd för dislokationsrörelser [2]. På grund av den höga duktiliteten är stålet väldigt känsligt för adhesion och skärning. Det är asperiteterna som kraftigt plastiseras och medför att kontaktarean ökar och därför ökar adhesionen samt friktionen [6]. 2.8 Perlitiskt kolstål Nya hjul är gjorda i vanligt kolstål med en perlitstruktur. Kolstål är ett billigt stål och idealt för stora komponenter. Kolstål kan bestå av olika strukturer beroende på dess kolhalt, värmebehandling och legeringsämnen. Om man tittar i ett fasdiagram för järn och kol, får ett stål med en kolhalt av 0,76 viktsprocent en sammansättning som ligger i den eutektiska punkten för fasdiagrammet. Vid långsam kylning från austenitområdet(727 0 C) för en eutektisk sammansättning får man ett stål av perlitisk struktur. 8

Fig 8. Fasdiagram med mikrostruktur för den eutektiska sammansättningen ovan och under omvandlingstemperaturen. Denna eutektiska reaktion ges av ekvationen; heating γ ( 0,76wt % C) α(0.022wt% C) + Fe3C(6,7wt% C) (9) cooling γ = austenit, α = ferrit, Fe 3 C = cementit Mikrostrukturen som bildas är områden med ferrit(0.022 viktprocent kol) och områden med en blandning av ferrit och cementit(6,7 viktprocent kol) som ligger lamellärt och tillsammans kallas för perlit. Ferriten är mjukare medan cementiten är en järnkarbid och är hårdare. Om stålet har en sammansättning under den eutektiska, d.v.s. lägre kolhalt än 0.76 viktsprocent, fås en större andel ferrit än cementit och omvänt för den övereutektiska sammansättningen. Det finns även fria karbider i strukturen och andelen ökar vanligen med kolhalten. Nötningsmotståndet ökar med en ökande andel perlit. Detta resulterar till att hårdheten och nötningsmotståndet ökar med ökad kolhalt [1]. Perlitiska kolstål härdas vanligen genom värmebehandling. Vid värmebehandlingen kan avståndet mellan lamellerna reduceras genom en snabbare kylningshastighet. Ett litet avstånd mellan lamellerna ökar abrasionsmotståndet. Genom att minimera andelen ferrit som är en duktil fas reducerar man risken för adhesion [12]. Vid nötning utsätts kontaktytan och dess närområde vanligen för extrem plastisk deformation. En perlitisk struktur tenderar att minska djupet på deformationen. Då strukturen utsätts för kontakt- och skjuvspänningar kommer avståndet mellan lamellerna att minska genom deformationsprocessen och bromsar därigenom upp fortsatt deformation. Generellt ökar nötningsmotståndet med ökad kolhalt. Men det finns en övre gräns för hårdheten där segheten har reducerats så pass mycket att det uppstår mikrosprickor i ytan och därmed leder till en ökad nötningshastighet [5]. 9

3. Metod och genomförande I detta kapitel beskrivs metoderna och hur arbetet har gått tillväga för att senare kunna redovisa framkomna resultat. 3.1 Litteraturstudie Arbetet började med att ta reda på vilka nötningsmekanismer som är inblandade vid hjul- och rälskontakt. Böcker från bibliotek samt tidsskrifter och artiklar via internet studerades. Från artiklar kan tidigare erfarenheter och upptäckter vara stora informationskällor. 3.2 Anläggningsbesök samt intervjuer För att få en överskådlig blick över spårnivån gjordes ett antal anläggningsbesök. Som tidigare nämnts avsynas tågseten varje månad. Man tar in ett tågset i taget för en besiktning i vagnverkstan. Lok och vagnar synas både under och ovanifrån. Avsyningen tar 1-3 dagar beroende på tillgång av tågseten och produktionen. Även avsyning av spår sker regelbundet med en veckas intervall. Vid närvarande av dessa avsyningar gavs en närmare bild av verksamheten vid spårnivån. Fig 9. Karta över spårnivån med tappgrupper och tömningsläge. 10

Personalen vid spårnivån intervjuades för att ta reda på vilka problem som finns med vagnshjulen, framförallt vagnsreparatörerna som jobbar närmast hjulen. Då framkom att det högra hjulet i tågets färdriktning nöts fortast i form av tunn fläns. Det tror man beror främst på de skarpa vänsterkurvorna tåget passerar då det är lastat. Vagnarna har vardera två hjulaxlar och de främre hjulaxlarna byts ut i större utsträckning än bakaxlarna. De nöts nämligen ut tre gånger så fort som den bakre axeln. Det är även här fråga om tunn fläns på det högra hjulet. Nya osvetsade hjul håller ca. 22 månader i genomsnitt och alltså dubbelt så länge som ett upparbetat svetsat hjul. Andra skador som krossår, hjulplattor och stora bitar som lossnar p.g.a. utmattning är mycket ovanligt. Automatisk rälssmörjning på insidan av ytterrälsen i kurvorna finns tillgängligt för att försöka minska slitaget. Det har diskuterats om smörjningen är nog tillfredställande och hur smörjningen påverkar slitaget. Vagnarna väger olastad ca. 10 ton. Lastvikten är på 20 ton och då blir totalvikten för varje vagn ungefär 30 ton. Det innebär att ett tågset med 24 vagnar fraktar 480 ton råmalm mellan tappning och tömning. På ett dygn hinner ett tågset med att tömma 20 gånger i genomsnitt. Varje vagn kommer därför att ha fraktat 400 ton per dygn. Spårnivån är därför rätt hårt belastad och trafikerad. Radien på kurvorna är förhållandevis små. Den skarpaste kurvan mot tappgrupp 25 har en radie på endast 80 meter. De övriga kurvorna har en radie på ungefär 120 meter. Om man jämför med banverkets järnvägsspår ute på malmbanan finner man kurvradien från 300 meter och uppåt. Fig 10. Bild på malmvagn inne på vagnverkstan. Samtal med spåravsynarna gav informationen att underhåll av spårnivån sker en gång i veckan. Det är ett mindre stopp på fyra timmar och då tar man hand om framförallt rensning av sten längs banan. Mindre jobb med rälsen som t.ex. enstaka brott kan också repareras. Längre stopp för större underhåll sker fem gånger per år. Då utförs större rälsbyten och längre tidskrävande arbeten som exempelvis byten av växlar, slipers m.m. Rälsen är en standardräl av typen BV50 med en profilvikt av 50 kg per meter. Hårdheten för standardrälen ligger på ca. 260BN(Brinell). I dagsläget har man börjat sätta in en huvudhärdad och lite dyrare räl, då behov av rälsbyten finns, som har en hårdhet på ca. 360BN. 11

3.3 Hjul och hjulaxlar Hjulen som man använder vid spårnivån under jord är ej av de vanligare hjuldimensionerna. Det är ett hjul som är av mindre dimension med hjuldiametern 700mm, avståndet mellan hjulparen är ungefär 838mm, flänstjockleken 23mm och profilbredden 123mm. Hjulen följer dock en standard vid tillverkning och specifikationer. Standarden är av amerikansk typ, AAR M-107-84 (Assosication of American Railroads), den kan egentligen också följas av ASTM standarden, A504-809 Standard Specification for Wrought Carbon Steel Wheels. De vagnshjul som har en fläns som är tunnare än 15mm (lokhjul 19mm) faller vid besiktningen. Hjuldiametern får ej understiga 650mm. Även hjul som är skadade i övrigt, som stora krossår och hjulplattor, går ej igenom besiktningen. 3.3.1 Nya hjul Nya hjul och axlar köps in via Lucchini Sweden i Surahammar och tillverkas i Italien. Lucchini är ett Italienskt företag som specialiserat sig på bl.a. järnvägsprodukter som räls och hjul. Hjulen heter LKAB 700 och är ett klass C-hjul tillverkad enligt standarden. Hjulen är smidda och följs av en kontrollerad värmebehandling för att uppnå önskade materialegenskaper. Därefter härdar man enbart hjulringarna med en efterföljande värmebehandling för att uppnå önskade mekaniska egenskaper, framförallt hårdheten. Härddjupet från värmebehandlingen är 40mm och fungerar därför också som en slitagegräns av hjulringen. Slutligen blästras hjulen. Vid blästringen innebär det att man tillför kompressionspänningar i ytan så att eventuella ytsprickor nyps ihop och utmattningsmotståndet ökar. Därefter analyseras hjulen med hjälp av kemiska analyser, hårdhetsmätningar och geometriska kontroller, allt enligt standarden. Den kemiska sammansättningen för ett klass C-hjul bör vara enligt standard: Kol, C 0,67-0,77% Mangan, Mn 0,60-0,85% Fosfor, P <0,05% Svavel, S <0,05% Kisel, Si >0,15% Hårdheten skall ligga mellan min.321bn och max.363bn. Monteringen av lager och hjul på axlarna sker vid LKAB, ovan jord på centralverkstan. Hjul och lagringar pressas på axlarna av LKAB och är därmed ej färdigmonterade vid leverans. 12

3.3.2 Begagnade och utslitna hjul - påläggssvetsning Utslitna hjul skickas till centralverkstan ovan jord för upparbetning genom påläggssvetsning. Innan svetsning borstar man av hjulet med stålborste för att bli av med orenheter för att få en renare svetsyta, materialavverkning förekommer ej. Därefter lägger en robot på svets till önskad dimension av hjulringen uppnåtts. Slutligen svarvar man fram hjulprofilen. Denna procedur upprepar man i dagsläget maximalt tre gånger per hjulring och axel. Därefter bör hjulaxeln samt hjulring kasseras. (A) (B) Fig 11. Påläggssvetsat hjul redo för montering och drift. Högra bilden (B) är löpbanan från ett utslitet påläggssvetsat hjul. Påläggssvetsningen sker med en tråd som heter Elgaloy MIX 18R. Enligt Elgas materialbeskrivning 1 används tråden med fördel som ett sammanfognings- eller påbyggnadsmaterial till 13% manganstål som används vid applikationer där nötningsbeständighet i abrasiva miljöer krävs. Materialet är av typen austenitiskt rostfritt stål och är väldigt duktilt. Det är arbetshärdande och blir således hårdare när materialet får stryk p.g.a. dess höga deformationshårdnande. Det blir alltså hårdare på bekostnad av duktiliteten. Hårdheten går från 200HV (Vickers) svetsat till 450HV arbetshärdat enligt materialbeskrivningen. 3.4 Sammanställning hjuluppföljning Då spårnivån togs i bruk år 1997 infördes en hjuluppföljning för att öka spårbarheten på hjulen och vagnarna. Alla vagnar och hjulaxlar har ett eget nummer eller id-nummer. Vid varje hjulbyte för man in orsaken till hjulbytet, vilken vagn bytet skedde på, datum och numret på den nya axeln. På så sätt kan man följa hjulaxlarnas drifttid och föra en viss statistik. Från och med år 2000 kan man säga att systemet med uppföljningen började att användas fullt ut. Detta beror på att det vanligtvis förekommer en viss inkörningsperiod för de flesta nya system. Ur detta sammanställdes olika diagram. Då kan eventuella trender och andra tendenser upptäckas och redovisas på ett mer överskådligt sätt. 1 Se bilaga 1 för materialbeskrivning 13

3.5 Provberedning Efter kontakt med centralverkstan ordnades materialprover för undersökningar. Det ena provet bestod av ett stycke plåt med två stycken svetssträngar av Elgaloy Mix 18R 2.8mm. Den första svetssträngen lades i ett lager med 550A strömstyrka, 35 Volt och 12mm/sek. Den andra lades i två lager med strömstyrka 600A, 35 Volt och 12mm/sek. Det andra provet bestod av en tårtbit från ett vänster vagnshjul, ca. 1/3 av vagnshjulet. Vänsterhjulet brukar vanligtvis vara mindre nednött och därför mest sannolikt att det finns tillräckligt med svetsmaterial kvar till undersökningen. Biten skars ut på centralverkstan med hjälp av gas. För att minimera risken att påverka strukturen med skärbehandlingen skars en så stor bit ut som möjligt. Fig 12. Såg för utsågning av mindre provbitar. Vidare skickades bitarna ned till MetLab i Luleå för sågning till mindre dimensioner. Efter sågningen gjutes proverna in i plastkutsar för att bli mer hanterbara. Därefter utförs slipning och polering av proverna. Slutligen etsas proverna för att strukturerna med korngränser och olika faser ska framträda och kunna urskiljas. För den rostfria svetsen används etsmedlet Beraha, en blandning av en del saltsyra, två delar destillerat vatten och 1g Kaliumdisulfid (K 2 S 2 O 5 ) per 100ml vätska. Vid etsningen används en bit bomull som doppas i blandningen och stryks på proverna i cirka 5 sek varpå proverna sköljs i vatten. För vanligt stål används 2 procentig nital som etsmedel, en blandning av salpetersyra och metanol, går även med etanol. Proverna doppas i etsmedlet i cirka 15 sek varpå de sköljs i vatten. Därefter rengör man proverna med diskmedel och torkas med hjälp av hårtork. 3.6 Mikroskopering Med mikroskop kan man se hur materialet har påverkats vid nötning. Materialets strukturer kan avslöja förutsättningar för olika nötningsförlopp. Eventuella svagheter eller brister hos materialet kan detekteras. Skillnader i strukturer mellan den rostfria svetsen och hjulets original eller grundmaterial skall jämföras. Kornstorleken kan bestämmas och eventuella karbidutskiljningar kan möjligen upptäckas för strukturerna. Även en jämförelse mellan nötningsförfarandet för svetsmaterialet och grundstrukturen. Det optiska mikroskopet förstorar mellan 50 till 1000 gånger och har även en inbyggd digitalkamera för fotografering. 14

Genom att använda sig av ett svepelektronmikroskop(sem) kan man undersöka materialet noggrannare. Först beläggs ytan med ett elektriskt ledande material och därefter kan man ta högupplösta foton och avläsa ytans sammansättning. Eventuella mikrosprickor och andra defekter framträder tydligare. Kornstorleken kan noggrannare bestämmas och andra strukturbeståndsdelar som karbider kan upptäckas. 3.7 Hårdhetsmätning Med hjälp av Vickers hårdhetsprov kan man bestämma materialets hållfasthet. Hårdheten är egentligen ett mått på materialets deformationsmotstånd. Värdena kan sedan översättas till materialets brottgräns och även andra hårdhetsskalor. Ur mätningen kan diagram över hårdheten från ytan och inåt i materialet upprättas. En hårdhetsgradient kan då utläsas i diagrammet. Hårdhetsgradienten kan avslöja en del om hur mycket materialet har plastiserats och hur djup deformationshärdningen är. 15

4. Resultat 4.1 Hjuluppföljning Antalet monterade axlar per år har sammanställts i ett diagram för att se utvecklingen över hjulslitaget. Man kan tydligt se att om andelen nya axlar är högt ett år kommer nästkommande års total påverkas på ett positivt sätt. År 2004 har det högsta antalet monterade axlar. Antal monterade axlar/år Antal 250 200 150 100 50 Nya Svetsade + övriga Totalt 0 1997 1998 1999 2000 Årtal 2001 2002 2003 2004 Fig 13. Diagram över antalet monterade axlar per år. Nya hjulaxlar har visat sig hålla ungefär dubbelt så länge som en påläggssvetsad hjulaxel. Trenden är att drifttiden för en ny axel minskar för varje år. Medelvärdet för år 2001 kommer att öka en aning p.g.a. att det fortfarande finns en andel hjulaxlar som är i drift. Därför är följande år missvisande och finns därmed ej med i diagrammet(fig 14). Spridningen för varje år finns också representerade och visar sig vara väldigt stor. Månader 60 Drifttid nya framaxlar 50 40 30 20 23,5 29 17,3 Nya framaxlar 10 0 1998 1999 2000 2001 Årtal Fig 14. Diagram över nya axlars drifttid för respektive årtal. Samma sak gäller drifttiden för svetsade hjulaxlar. Från och med år 2000 kan man se att drifttiden sjunker för varje år. Dock kommer medelvärdet för 2003 att öka en aning p.g.a. en liten andel axlar är fortfarande i drift, men trenden är tydlig att drifttiden försämras. 16

Månader 60 50 40 Medeldrifttid svetsade framaxlar 30 20 10 0 11 10,8 11 10,9 9,7 8,9 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Årtal Svetsade framaxlar Fig 15. Diagram över drifttiden för påläggsvetsade axlar. 4.2 Mikroskopering Ur mikroskoperingen framkom att grundmaterialet är av perlitisk struktur. Områden med ren ferrit och den lamellära perliten finns representerade i en mycket finkorning struktur med en kornstorlek på ungefär 50µm. Detta betyder att kolhalten för stålet ligger någonstans strax under den eutektiska sammansättningen. De interlamellära avstånden mellan ferrit- och cementitplattorna är väldigt små som framgår ur bilden tagen med SEM i fig 16. De små mörka områdena representeras av ferrit och de vita strecken är lameller med cementit. Fig 16. SEM-bild av grundmaterialet i flänsen med en typisk perlitstruktur. 17

Vid undersökning av flänsen framkom det att den rostfria svetsen som fanns kvar uppgick till cirka två millimeter i tjocklek från ytan och inåt. Det visade sig att kornen i svetsen var enormt avlånga och hade växt rakt upp mot ytan då svetsen svalnat. Vissa av kornen uppgick till en längd av nästan en millimeter och en tjocklek på 100µm. Samma fenomen kunde upptäckas med enbart ögat då svetsproverna granskades. Vid en närmare undersökning med SEM upptäcktes att dessa korngränser även var synliga i materialets slityta. Eftersom att dessa troliga korngränser är ganska breda, upp till 0,5µm, kan man misstänka sprickbildning i korngränserna. Dessa eventuella sprickor tycks propagera efter korngränserna och blir smalare längre bort från slitytan(se fig 17B). Detta kan komma redan från svetsningen men kunde inte upptäckas från undersökningen av svetsproverna. För övrigt så verkar svetsen ha väldigt få defekter som t.ex. ickemetalliska inneslutningar och har bra vidhäftning med grundmaterialet. (A) (B) Fig 17. Sem-bilder av sprickor som propagerar efter kornen in i materialet. Vid undersökning av ett område i flänsroten där grundmaterialet hade kommit fram i slitytan kunde nötningsförfarandet upptäckas. Det börjar med att mikrosprickor initieras i ytan och så småningom propagerar parallellt med rullningsriktningen och små flakliknande fragment kan tillslut lossna från ytorna. Fig 18. Nötningsförfarandet i grundmaterialet. 18

4.3 Hårdhetsmätning Hårdhetsmätningar på flänsen från slitytan och inåt i svetsmaterialet utfördes med Vickers hårdhetsprov. Samma procedur upprepades på ett område i flänsroten där svetsen hade nötts bort och grundmaterialet hade kommit fram. Ur dessa mätningar fås en hårdhetsgradient fram och en jämförelse mellan grundmaterialets och svetsens deformationsbeteende kan utläsas. Mätningar på den odeformerade svetssträngen gjordes också för att kunna jämföra skillnaden i hållfasthet. Hårdhetsgradienten för svetsen i flänsen visar en tydlig övergång mellan det deformationshärdade och det opåverkade området. Hårdhetsmätning Prov5 i svets 600 500 400 HV 300 200 100 0 0,08 0,26 0,44 0,62 0,8 0,98 1,16 1,34 1,52 1,7 mm Prov 5 svets Fig 19. Hårdhet på svetsmaterialet i flänsen från slitytan och inåt. För grundmaterialet ses att en härdning och en ökning av hållfastheten har skett. Hårdheten för grundmaterialet är lika som för svetsen. Hårdhetsgradienten visar att härdningen och kalldeformationen inte har penetrerat lika djupt som för svetsmaterialet och visar därför ett högre motstånd för deformation. Övergången från deformationshärdat till opåverkat område är mindre tydligt för grundmaterialet. Hårdhetsmätning Prov 3a 600 500 400 HV 300 200 100 0 0,05 0,23 0,41 0,59 0,77 0,95 1,13 1,31 1,49 1,67 mm Prov 3a Fig 20. Hårdhet på grundmaterialet i flänsroten från ytan och inåt. För den opåverkade svetssträngen har hårdheten ett medelvärdet av 256HV. En viss deformationshärdning kan uppstå från provberedningen under slipning men är vanligtvis liten och kan då betraktas som försumbar. Om man jämför detta värde med hårdheten för svetsen i flänsen ser man att materialet har härdats enormt mycket och gett en hårdhetsökning med ungefär 100 procent. 19

Hårdhetsmätning Prov 2b svetsprov 280 270 260 HV 250 240 230 220 0,06 0,24 0,42 0,6 0,78 0,96 1,14 1,32 mm Prov 2b svetsprov Fig 21. Hårdhet för svetsträngen från ytan och inåt. Vid besök vid spårnivån uppmättes den initiala hårdheten för hjul som ej varit i drift. Hårdheten för ett svetsat hjul uppmättes till 395BN och ett nytt hjul till 350BN. Vid svarvningen har en ökning av hårdheten uppstått p.g.a. att materialet deformeras vid bearbetningen. Omvandling mellan de olika hårdhetsskalorna finns i tabell 1. Vickers (HV) Brinell (BN) Brottgräns (Mpa) 528 496 1648 498 469 1565 458 432 1462 402 381 1289 363 344 1165 318 301 1014 279 264 889 254 240 814 230 214 731 Tabell 1. Omvandlingstabell, hårdhet och brottgräns. 4.4 Litteraturstudie Ur litteraturstudier från olika nötningstester för rullande-glidande kontakter har mycket information inhämtats. Tyfour et al. [11] har gjort ett småskaligt nötningstest för perlitiskt kolstål. Små runda rullar eller skivor tillverkades i räls- och hjulmaterial som fick rulla mot varandra uppspända i en testrigg. Viktminskningen representerade nötningen. Det visade sig att rullarna hade minskat i diameter mer än vad som är möjligt för den aktuella viktminskningen. Det betyder att materialen hade utsatts för kraftig plastisk deformation. Ett plastiskt flöde uppstod så att material hade valsats ut i kanterna som läppar och kan då betraktas som materialförlust. Hårdhetstester utfördes och tabeller med viktminskning, andel deformationshärdning och dimensionsminskningar upprättades. Det visade sig att de rullar som hade minskat mest i dimension hade också deformationshärdats mest och nötts mest i form av viktminskning. 20

Fig 22. Typisk formförändring hos provbitarna. Ett liknande test har utförts av Liu et al. [14]. Här uppmättes den tangentiella friktionskraft som uppkommer mellan kontaktytorna för en rullande-glidande kontakt. Normalkraften och den tangentiella friktionskraften varierades och nötningsmärkena i ytan undersöktes i SEM. Resultatet blev att djupet på nötningen är proportionell mot friktionskraften. Nötningsdjupet ökar snabbt då friktionskraften ökar. För ren rullning då friktionskraften är relativt låg är nötningsmekanismen överhängande av abrasiv typ och kontaktytorna blir enbart repade i ytan. Då friktionskraften ökar kommer nötningen att övergå till adhesivt slitage. Då uppträdde små plattliknande partiklar i ytorna. Med ökande friktionskraft ökar den plastiska deformationen snabbt för kontaktytorna och en allvarlig nötning uppstår. Även ett annat adhesionstest utfört av Kumar et al. [13] påvisar adhesionens inverkan på slitaget. Här utfördes tester med två olika hjulmaterial som uppfyller standarden för klass B- och C-hjul. Klass B har lägre kolhalt och är mjukare och duktilare än klass C-hjulet. Även två olika rälsmaterial med klasserna B och C användes vid testerna. Normalkraften, adhesionen samt anfallsvinkeln mellan hjul och räls varierades för de olika materialkombinationerna. Nötningshastigheten för ett klass B- och C-hjul är nästan lika stor. Klass C-hjulet orsakar dock en större rälsnötning än klass B-hjulet. Rälsen nöts mer och snabbare än hjulen för alla tester. Nötningen ökade för både hjul och räls då normalkraften, adhesionen och anfallsvinkeln (vinkeln för hjulprofilen) ökade. Mest betydelse av dessa tre parametrar hade anfallsvinkeln, på andra plats kommer storleken på adhesionen och sist normalkraften (axeltrycket). 21

5. Diskussion och slutsatser I detta examensarbete har inga egna tribologiska försök utförts. Dock har tidigare vetenskapliga artiklar och genomförda försök studerats. Ur artiklarna kan man dra vissa slutsatser och relatera resultat till egna frågeställningar. Vad gäller rälsprofil samt hjulprofil finns det enbart grundläggande kriterier för dess utformning. Profilernas optimala utseende är unik för varje typ av bansträckning. Det enda man kan svara på är vilka fördelar och nackdelar som finns för olika profilkombinationer, samt att profilerna för både hjul och räls har stor inverkan på slitaget. För att en tillfredställande styrförmåga skall uppnås behövs en radieseparation på ca. 4 mm för kurvradien 80m. Platta hjulprofiler kommer därför att nöta ned rälsen i kurvorna onödigt snabbt p.g.a. höga flänskrafter. Alltför hög radieseparation kan ge en oscillerande gång på rakspår, speciellt vid högre hastigheter, som leder till onödigt flänsslitage. Om man tittar på hjuluppföljningen är trenden ett ökat hjulslitage från och med år 2000 och framåt. Drifttiden ser ut att sjunka för både nya och påläggssvetsade hjul. Från och med år 2002 har andelen nya monterade axlar minskat och andelen påläggssvetsade axlar ökat för varje år. Därför är det sannolikt att år 2005 kommer antalet monterade axlar att överstiga 200 stycken. Eftersom ej några materialbyten har skett på hjulen de senaste åren kan man dra slutsatsen att rälsen förmodligen har försämrats och påverkar således det ökade hjulslitaget. Den främre hjulaxeln har visat sig nötas tre gånger snabbare än den bakre hjulaxeln. Detta beror sannolikt på styrkrafterna som diskuterats i kapitel 2. En annan aspekt som bör tas upp är hur viktfördelningen är på lasten. Om vagnen lastas ojämnt och vikten är förskjuten mot något håll så nöts det hjulet sannolikt mest som tar upp den största lasten. Vad gäller hjulen så är drifttiden för ett nytt hjul dubbelt så lång som för ett påläggssvetsat hjul. Idag påläggssvetsas hjulen med ett rostfritt austenitiskt material. Det innebär att materialet har en hög deformationshärdning. Eftersom ett austenitiskt rostfritt material är väldigt duktilt innan deformationen kommer ett påläggssvetsat hjul att tappa sin ursprungliga dimension innan materialet blivit hårdare. Vid deformationshärdningen är friktionen i kontaktytan hög för att asperiteterna plastiseras och den verkliga kontaktarean ökar. Därefter då hjulet har uppnått sin deformationshärdning, som visat sig vara en ökning av hårdheten med ca. 100 procent, har materialet förlorat sin duktilitet och seghet så pass mycket att materialet sannolikt kommer att övergå till spröd form närmast ytan. Alla stålmaterial har olika deformationshärdningsgrader. Även ett nytt hjul med en perlitisk struktur kommer att deformationshärdas men klarar ej av en lika hög grad. Dock kommer kolstålet ändå att få en högre hållfasthet vid en deformationshärdning p.g.a. högre initial hållfasthet. En annan aspekt som finns vid smörjningen av rälsen är om det rostfria materialet i hjulen är tillräckligt benägen för vidhäftning av smörjmedlet. Vanligen finns det additiver i smörjmedlet som ska skydda ytorna med hjälp av kemiska omvandlingar. Skyddet ska utgöras av ett lättskjuvat skikt så att friktionen och vidhäftningen reduceras. 22

Ett förslag på bättre reparationer är om man enbart kan upparbeta nednötta hjul genom omsvarvning. D.v.s. om det forfarande finns kvar så pass mycket material på hjulringarna så att omprofilering är möjlig. I dagsläget har hjulringarna en slitagegräns på 40mm och begränsar då den minsta tjockleken för hjulringen. Denna gräns borde räcka till en omsvarvning och därefter krävs ett byte av hjulringarna. Detta måste dock undersökas om möjligheten finns och om det är ekonomiskt hållbart. Hårdare svetsmaterial som har en högre initial hållfasthet är ej att föredra då bearbetningen kommer att försvåras och bli alltför tidskrävande. 23

6. Referenser 6.1 Litteratur [1] Materials Science And Engineering An Introduction, (Fifth Edition) William D. Callister, Jr. John Wiley & Sons, Inc. New York 2000 ISBN 0-471-32013-7 [2] Deformation And Fracture Mechanics Of Engineering Materials, (Fourth Edition) Richard W. Hertzberg John Wiley & Sons, Inc. New York 1996 ISBN 0-471-01214-9 [3] Rolling Contact Phenomena Bo Jacobson, Joost J. Kalker Springer-Verlag Wien New York 2000 ISBN 3-211-83332-3 [4] Rolling Contacts TA Stolarski, S Tobe Professional Engineering Publishing, Suffolk UK. 2000 ISBN 1-86058-296-6 [5] Materials For Tribology William A. Glaeser Elsevier, Amsterdam 1992 ISBN 0-444-88495-5 [6] Impact Wear of Materials Peter A. Engel Elsevier, Amsterdam 1976 ISBN 0-444-41533-5 [7] Annual Book of ASTM Standards, Vol xx.xx. A 504-89 Standard Specification for Wrought Carbon Steel Wheels ASTM 1992 6.2 Tidsskriftsartiklar [8] Mace, Stephen E. Effect of wheel and rail profiles on gage widening beahviour. Proceedings of the IEEE/ASME Joint Railroad Conference, 1994, p 51-56 [9] Magel, Eric E. The application of contact mechanics to rail profile design and rail grinding. Wear, v 253, n 1-2, July, 2002, p 308-316 ISSN 0043-1648 24

[10] Tyfour, WR. The effect of rolling direction reversal on the wear rate and wear mechanism of pearlitic rail steel. Tribology International, v 27, n 6, Dec, 1994, p 401-412 ISSN 0301-679X [11] Tyfour, WR. The steady state wear behaviour of pearlitic rail steel under dry rollingsliding contact conditions. Wear, v 180, n 1-2, Jan, 1995, p 79-89 ISSN 0043-1648 [12] Singh, U.P. Wear investigation of wheel and rail steels under conditions of sliding and rolling-sliding contact with particular regard to microstructural parameters. Wear, v 170, n 1, Nov 15, 1993, p 93-99 ISSN 0043-1648 [13] Kumar, Sudhir. Wheel/rail adhesion wear investigation using a quarter scale laboratory testing facility. Proceedings of the IEEE/ASME Joint Railroad Conference 1996, p 247-254 [14] Liu, Q.Y. Effect of tangential force on wear behaviour of steels in reciprocating rolling and rolling-sliding contact. Wear, v 250-251, n 1, Oct, 2001, p357-361 ISSN 0043-1648 6.3 Internet [14] Magel, Eric E.(1999, juli.) Optimizing wheel, rail profiles. URL: http://www.rtands.com/jul99/optimizing.html (hämtat 04-09-15) 25