The Evaluation of Fretting Fatigue Behavior on Rotary Bending Fatigue for Railway Axle Material

CopyrightⒸ2010 KSAE 1225-6382/2010/1 0 4 - 11 Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 2, pp.74-82 (2010)

회전굽힘 피로 하에서의 철도 차축재료 프레팅 피로거동 평가

최 성 종^*1)․권 종 완²⁾

경일대학교 ACT지역혁신센터¹⁾․경일대학교 기계자동차학부²⁾

The Evaluation of Fretting Fatigue Behavior on Rotary Bending Fatigue for Railway Axle Material

Sungjong Choi^*1)․Jongwan Kwon²⁾

1)Regional Innovation Center for Automotive Component Test, Kyungil University, Gyeongbuk 712-702, Korea

2)School of Mechanical & Automotive Engineering, Kyungil University, Gyeongbuk 712-702, Korea (Received 29 June 2009 / Accepted 29 September 2009)

Abstract : Fretting damage can be observed in automobile and railway vehicle, fossil and nuclear power plant, aircraft etc. In the present study, railway axle material RSA1 used for evaluation of fretting fatigue life. Plain and fretting fatigue tests were carried out using rotary bending fatigue tester with proving ring and bridge type contact pad. Through these test, the following results are obtained: 1) it is found that the fretting fatigue limit of standard specimen decreased about 37% compared to the plain fatigue limit. 2) The early crack of Shinkansen type specimens initiated in contact area and final fractured below samp=214 MPa. 3) The early crack of all TGV type specimens initiated in rounded area and fractured. 4) Tire tracks and rubbed scars were observed in the oblique crack region and fatigue crack growth region of fracture surface. 5) The wear debris is observed on the contact surface, and oblique cracks at an earlier stage are initiated in contact area. These results can be used as useful data in a structural integrity evaluation of railway axle.

Key words : Fretting fatigue(프레팅 피로), Railway axle(철도차축), Rotary bending fatigue tester(회전굽힘 피로 시험기), Friction force(마찰력), Contact stress(접촉면압), Debris(마모 분), Oblique crack(경사균열)

1.

철도차량 차축과 같이 브레이크 디스크(break disk) 및 차륜(wheel)이 강제 압입되어진 상태에서 고속으로 장기간 운행되는 경우에는, 접촉부에서 발생하는 미소한 상대 슬립(slip)에 의하여 발생하는 프레팅(fretting) 마모 및 피로손상이 부재의 내구수 명을 급감시킨다고 알려져 있다.^1,2)

이러한 프레팅 손상에 기인하는 균열은 접촉부에 서 발생하여 내부로 성장하므로 조기검출이 어렵고 사고로 연결될 가능성이 크기 때문에 설계단계에서

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

고려할 수 있는 이론적 실험적 연구의 필요성이 강 조되어 왔다.^3,4)

차축 압입부의 프레팅 손상에 관한 연구는 초기 철도차량 성립시기에 기본적인 사항들에 관하여 주 로 수행되었으나, 차량기술의 발전과 함께 고속화 가 이루어지고 있어 그 중요성이 새롭게 부각되고 있는 실정이다.⁵⁾ 이러한 이유 때문에 선진 외국에서 는 완성품을 이용한 실물시험이 주를 이루고 있는 실정이나 시험장치 및 결과에 관한 상세정보의 공 개는 매우 드문 상황이다.⁶⁾

본 연구에서는 철도차량 차축의 압입부 체결상태 를 모사한 프레팅 피로수명 시험장치를 구축하고,

회전굽힘 피로 하에서의 철도 차축재료 프레팅 피로거동 평가

현재 사용되고 있는 철도차축 재료(RSA1) 및 차륜 재료(RSW1)로 프레팅 피로시험을 수행하여 설계 및 보수점검의 방법과 시기결정에도 이용될 수 있 는 기초 자료를 제공하고자 하였다.

시험장치의 원리 및 기초시험에 관한 결과는 이 미 보고하였으며,⁷⁾ 본 논문에서는 회전굽힘 피로에 있어서의 프레팅 손상과정에 관하여 검토하였다.

2.

2.1

본 연구에 사용된 재료는 완성품 형태로 세아베 스틸(SeAH Besteel)로부터 구입하였으며, 국내 철도 차량에 사용되고 있는 철도차축 재료 RSA1 및 차륜 재료 RSW1이다.

Table 1 및 Table 2에 구입재료의 화학적 조성과 기계적 강도 값을 제시하였으며, Fig. 1에는 재료 조 직사진을 나타내었다.

Table 1 Chemical composition of RSA1 and RSW1(wt.%) Material Test

Lab. C Si Mn P S

Axel RSA1

Spec. 0.35~

0.48 0.15~

0.40 0.40~

0.85 Max 0.035

Max 0.045 SeAH 0.44 0.236 0.75 0.014 0.002 Wheel

RSW1

Spec. Max 0.63

Min 0.15

0.60~

0.90 Max 0.045

Max 0.045 SeAH 0.53 0.32 0.71 0.007 0.009

Table 2 Tension test results of RSA1 and RSW1 Material Test

Lab.

0.2% σy [MPa]

σU [MPa]

ε

[%] HB

Axel RSA1

Spec. Min 295

Min 590

Min

20 -

SeAH 360 618 20 -

KYU 363 619 30 185(Hv)

Wheel RSW1

Spec. - 835~

960

Min 14

248~

285

SeAH - 940 21 269

KYU 478 928 16 215(Hv)

2.2

본 연구에 사용된 시험기는 차축 압입부의 프레 팅 손상을 모사하기 위하여 기존 Ohno식 회전굽힘

(a) RSA1(×200) (b) RSW1(×200) Fig. 1 Optical micrographs of RSA1 and RSW1

Fig. 2 Principles of rotary bending type fretting fatigue test

피로시험기에 프레팅 손상(접촉면압) 발생장치 (proving ring, bridge type contact pad)를 제작하여 장 착하였으며, Fig. 2와 같이 시험편, 접촉패드 및 프로 빙 링이 동시에 회전하는 타입이다.

장치 구성원리, 시험방법, 마찰력 데이터의 검출 및 산출에 관한 상세사항에 관해서는 이미 보고⁷⁾하 였기에 여기서는 생략하였다.

3.

본 시험에 사용된 시험편 및 접촉 패드의 형상과 치수를 Fig. 3에 나타내었다. 시험재료는 RSA1, 패 드 재료는 RSW1이며 시험편 길이방향은 차축 방향 과 일치한다.

일반적으로, 축의 치수결정에는 접촉부에서 프 레팅 피로균열이 발생하는 Shinkansen식과, 접촉부 프레팅 손상에 의한 균열발생 시점보다 곡율부 일 반피로균열 발생시점이 선행하도록 설계하는 TGV 식으로 나누어진다. 이러한 방법은 차축제작 공정,

Sungjong Choi․Jongwan Kwon

(a) Fatigue and fretting fatigue specimen

(b) Bridge type contact pad

Fig. 3 Shape and dimensions of specimens and contact pads

운행도중의 정기검사 및 유지보수의 편리성과 안전 성을 확보하기 위함이라 알려져 있다.⁶⁾

S12 시험편은 일반 피로시험(plain fatigue test)에 사용되는 표준 시험편이며, S13 시험편은 일본 Shinkansen 차축을, S14는 현재 프랑스의 TGV에서 채택하고 있는 차축과 휠의 오버 행(over hang) 결합 방식을 모사하여 설계한 시험편이다.⁶⁾

시험 속도는 약 2000rpm이며, 하중 반복 횟수가 10⁷사이클에 도달하여도 파괴되지 않은 시험편은 강제 종료하였다.

4.

4.1

피로시험 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 일본재료 학회 표준의 JSMS-SD-6-04⁸⁾에서 배포하는 프로그 램을 이용하여 산출한, 표준시험편 S12로 얻어진 일 반 피로한도는 약 269 MPa, 접촉패드P12를 이용하 여 구한 프레팅 피로한도는 약 169 MPa로 프레팅 손 상에 의하여 피로한도가 37% 정도 감소하였다. 이 것은 차축 압입부 설계 시에 반드시 프레팅 손상을 고려한 설계기법의 도입이 필요함을 의미한다.

Shinkansen 차축을 모사한 S13 시험편과 접촉패 드 P13을 이용한 프레팅 피로시험 결과를 접촉부 직 경 13mm로 응력 계산한 것을 □ 및 ▣으로 표시하 였다. ▣으로 표시한 σamp=214 MPa(직경 13mm로 계 산) 이상의 3시험편은 접촉부가 아닌 곡률부에서 균 열이 발생하여 파단 하였으며, 이 보다 저 응력 레벨 에서는 모두(□으로 표시) 접촉부에서 균열이 발생 하여 파단하였다.

직경 12mm로 계산한 결과도 및 로 병기하였 으며, 피로한도는 약 240 MPa로 표준 시험편(S12)의 일반피로수명 결과에 거의 근접하고 있었다.

또한, TGV 차축을 모사한 시험편 S14와 패드 P14A 및 P14B를 이용한 프레팅 피로시험에서는 모 두 곡률부에서 균열이 발생하여 파단 하였으며, S12 를 사용한 일반 피로수명 곡선과 일치하고 있었다.

Fig. 4 내의 응력진폭 173 MPa 및 231MPa 시험편 은 소정의 하중 반복횟수에서 마찰력을 측정한 시

Fig. 4 Results of plain and fretting fatigue test

The Evaluation of Fretting Fatigue Behavior on Rotary Bending Fatigue for Railway Axle Material

험편이며, 각 하중 사이클 동안의 마찰력 거동을 Fig. 5(a) 및 (b)에 나타내었다. 3000 사이클까지 반복 하중 횟수의 증가와 함께 최소값은 음수(압축) 값으 로 급감하였다.

그러나 최대값은 상대적으로 소폭 증가 후 안정 하였으며, 이 기간동안에 접촉부에서는 가공표면의 산화막 파손을 동반하는 초기마모 및 마모분(debris) 이 발생하며, 접촉부의 압력증가와 함께 마찰력이 증가한다고 추정된다. 시험초기 마찰력 변화가 불 안정한 것은 무 부하 상태로 패드와 시험편이 70MPa의 면압으로 고정되며, 접촉면이 안정화 되 지 않은 상황에서 부하되기 때문으로 판단된다.

피로하중 진폭 σamp에 따른 마찰력 변화거동을 검 토하기 위하여 하나의 시험편에 대하여 3000 cycle 간격으로 하중을 변화 시키면서 연속적으로 검출한 결과를 Fig. 5(c)에 제시하였다.

연속시험 결과도 마찰력 최소값은 음수(압축) 값 으로 급감하며, 최대값은 상대적으로 소폭 증가 후 안정하였다.

Fig. 6(a)에는 마찰력 최대값 및 최소값, (b)에는 진폭을 제시하였다. (b)에는 Fig. 7(b)에 나타내는 것 과 같은 오버행 타입(FFC2: S13+P13)의 시험편에서 얻어진 결과를 병기하고 있으며, 전체적으로 하중 진폭의 증가와 함께 마찰력의 최대값, 최소값 및 진 폭도 증가함을 알 수 있었다. 그러나 예상과는 달리 동일한 응력진폭에서 발생하는 마찰력 진폭의 크기 가 표준시험편 타입(FFA: S12+P12)에 비하여 크게 나타나고 있었다.

단언할 수 없지만, Fig. 7(a)와 같은 경우에는 시험 편이 압축 응력상태 하에 있을 때 접촉패드에도 주 로 압축성분의 마찰력이 크게 작용하지만 구속현상 에 의하여 양 브릿지 사이에서 굽힘 하중이 상대적 으로 강하게 작용하며 이것이 압축성분의 마찰력을 감소시키는 작용을 한다고 추정된다.

그러나 Fig. 7(b)와 같은 오버행 타입의 경우에는 이러한 구속현상이 발생하지 않고 압축성분 마찰력 이 상대적으로 크게 작용한다고 생각되지만 보다 엄밀한 이론 및 실험적 검토가 요구되어진다.

Fig. 6(c)에는 Fig. 5(c)에 나타낸 FFA(S12+P12) 시 험의 연속시험 및 FFC2(S13+P13) 시험에서 얻은 마 찰력의 최대값, 최소값 및 평균값을 나타내었으며,

(a) Stress amplitude σamp= 173MPa

(b) Stress amplitude σamp= 231MPa

(c) Continuous test from σamp= 58MPa to σamp= 289MPa Fig. 5 Relationship between friction force and number of

cycles (S12+P12)

최성종․권종완

(a) Change of the friction force

(b) Change of the friction force amplitude

(c) Continuous test result

Fig. 6 Relationship between friction force and number of cycles (FFA: S12+P12, FFC: S13+P13)

(a) Standard type (S12+P12)

(b) Over hang type (S13+P13)

Fig. 7 Schematic illustration of crack initiation and growth due to fretting fatigue on rotary bending condition

S12 및 S13 시험편의 프레팅 피로시험에서 얻은 진 폭도 병기하여 나타내었다.

연속시험 결과 얻어진 마찰력의 최대값(인장성 분)은 S12 및 S13 시험편 모두 유사한 값을 나타내 고 있었으나, 최소값(압축성분)은 S13의 경우가 상 대적으로 크게 발생하고 있었다.

이것은 앞에서 설명한 것과 같이 구속현상의 유 무에 따른 차이라 판단된다. 그러나 공통적으로 인 장영역의 마찰력 증가보다 압축영역의 마찰력 증가 가 크게 발생하고 있었다.

이러한 경향은, Fig. 7에 나타내는 모식도와 같이 압축영역에서는 패드 접촉부가 대부분 접촉상태에 있기 때문이며, 인장영역에서는 상대적으로 접촉부 면적이 감소하며 마모분의 유출이 조장되기 때문으 로 추정된다. 또한, 반복하중이 증가하면 시험편의 굽힘 변형이 증가하고, 접촉 패드와 시험편간의 국 부 틈새가 과대하여 마모분이 접촉면에서 유출되기 쉽기 때문으로 추정된다.

회전굽힘 피로 하에서의 철도 차축재료 프레팅 피로거동 평가

연속시험 결과 얻어진 마찰력 진폭크기는 실제 프레팅 피로시험에서 얻어진 진폭크기와도 비교적 좋은 일치를 보여주고 있었다.

FFA(S12+P12) 프레팅 시험편의 초기 경사균열 은, Fig. 7(a)와 같이 접촉부 외측(point ①, ③)에서 발 생하여 최종파단에 이르고 있었으며, 피로파면부의 대소로서 선행균열 추정이 가능하였다.

FFC2(S13+P13) 프레팅 시험편의 경우에는, σamp = 214 MPa(직경 13mm로 계산)보다 적은 하중진폭의 경우에는 접촉부의 한곳(point ①)에서 초기 경사균 열이 발생하여 곡률부 쪽으로 성장 후 최종 파단 하 였으며, 이 값보다 큰 하중 진폭에서는 모두 곡률부 에서 균열이 발생하여 파단하였다.

(a) Plain fatigue fracture surface

(b) View of A in (a) (c) View of rectangle in (b)

(d) Striations of B in (a) (e) Dimples of C in (a) Fig. 8 The typical SEM micrographs of plain fatigue fracture

surface(S12)

4.2

Fig. 8에는 일반 피로시험(plain fatigue test)으로 얻어진 파면의 대표적인 SEM 사진을 제시하였다.

모든 시험편의 초기균열 발생 부위는 Fig. 8(b) 및 (c) 와같이 상하 파면의 접촉으로 심하게 마모 손상되 어 있었다. 또한 피로균열 성장 영역에서는 (d)와 같 은 스트라이에이션(striations)이 관찰되었으며, 최 종파단부에는 딤플(dimples)¹¹⁾이 형성되어 있었다.

FFA(S12+P12) 프레팅 시험편의 파면에서 얻어진 전형적인 SEM 사진을 Fig. 9에 나타내었다.

거의 모든 시험편에서 패드 접촉부 양쪽에서 균 열이 발생하여 최종파단에 이르고 있었으며, 중앙 부에서 최종파단에 이르고 있었다.

(a) Fretting fatigue fracture surface

(b) View of A in (a) (c) View of B in (a)

(d) View of rectangle in (c) (e) Dimples of C in (a) Fig. 9 The typical SEM micrographs of fretting fatigue

fracture surface(S12, σamp= 202MPa)

Sungjong Choi․Jongwan Kwon

초기균열 발생부(경사균열 부)는 Fig. 9(b)와 같이 거의 모든 파면이 마모손상 되어 있었으며, 표면에 서 유입된 마모분의 고착도 예상되었다. 그러나 반 복하중에 의한 피로파면 영역에서는 Fig. 9(c) 및 (d) 와같이 피로파면의 특징과 함께 스트라이에이션 (striation)과 타이어트랙(tire track)이 관찰되었다.⁹⁾

Fig. 10에는 FFC2(S13+P13) 시험편 중에서 접촉 부의 프레팅 피로균열 발생으로 파단 한 시험편의 SEM 사진을 나타내었다. 이 시험에서는 프레팅에 의한 균열발생은 한곳(point ①)에서만 발생하여 파 단하고 있었으며, 상대적으로 초기 경사균열 발생 부 파면영역이 (b)와 같이 뚜렷하게 남아 있었다.

또한, 균열발생 부의 파면손상은 S12 시험편과 유사하였으나 광범위한 파면영역에서 (c) 및 (d)와 같은 선명한 타이어 트랙(tire track)이 다수 관찰되 었다. 이것은 접촉부에서 발생한 균열이 보다 복잡

(a) Plain fatigue fracture surface

(b) View of A in (a) (c) View of B in (a)

(d) View of C in (a) (e) View of D in (a) Fig. 10 The typical SEM micrographs of fretting fatigue

fracture surface(S13, σamp= 266MPa)

한 균열 경로를 가지며 곡률부 쪽으로 성장하기 때 문이라 추정된다.

(a) σamp= 173MPa

(b) Magnification view of (a) (c) Magnification view of (a)

(d) samp = 202MPa (e) Magnification view of (d)

(f) σamp= 231MPa (g) Magnification view of (f)

(h) σamp= 260MPa, point ① (i) σamp= 260MPa, point ④ Fig. 11 Optical micrographs of fretted surface(S12+P12,

numbers in circle are contact surface point in Fig. 7(a))

The Evaluation of Fretting Fatigue Behavior on Rotary Bending Fatigue for Railway Axle Material

(a) σamp= 248MPa, point ① (b) σamp= 248MPa, point ③

(c) SEM micrographs of surface crack in (b) (d) σamp= 260MPa, point ①

(e) σamp= 260MPa, point ③ (f) Magnification view of (e) (g) Magnification view of (e) Fig. 12 Optical and SEM micrographs of fretted surface (S13+ P13, numbers in circle are contact surface point in Fig. 7(b))

일반 피로시험(PF)편에서 관찰되는 것에 비하여 프레팅 시험편의 파면에서 타이어 트랙이 많이 관 찰되는 것은, 접촉면압에 의하여 초기 경사균열부 에서 발생하는 균열 닫힘현상(crack closure effect)¹⁰⁾ 에 기인하여 발생하는 상하파면의 반복적 접촉결과 로 추정된다.

Fig. 11에는 FFA(S12+P12) 시험편의 패드 접촉부 의 마모손상을 광학현미경으로 관찰한 결과를 제시 하였다. 접촉부 마모손상은 (b) 및 (c), (h) 및 (i)와 같 이 균열이 발생한 곳(point ①)보다는 균열이 발생하 지 않은 접촉부(point ③ 또는 ④)의 바깥쪽 접촉부

에서 극심하게 발생하고 있었다.

이러한 현상은 균열 발생부의 균열개구 현상에 따르는 접촉부의 슬립(slip) 량의 변화에 기인한다고 추정된다. 즉, 균열성장과 함께 균열개구 현상이 발 생하면 균열 발생부 접촉면 슬립(slip)은 감소하는 반면, 반대쪽 접촉부에서는 상대적으로 슬립 량이 증가하여 마모작용이 활발하기 때문이라 판단된다.

또한 이러한 곳에서는 (e), (g) 및 (i)와 같이 대부 분 정류균열이 잔존하고 있었다.

FFC2(S13+P13) 시험편 접촉부 손상의 광학현미 경 및 SEM 관찰 결과를 Fig. 12에 나타내었다.

최성종․권종완

초기균열은 Fig. 7(b)에 나타낸 것과 같이 접촉부 바깥쪽(point ① 또는 ③)에서 약 0.3~0.5mm 지점에 서 발생하고 있었다. 이 시험편에 있어서도 균열 발 생 지점(point ①)의 마모손상보다 반대쪽 지점(point

③ 또는 ④)이 심하였다. 전체적으로는 FFA 시험편 의 경우와 유사한 경향이 관찰되었으며, (b) 및 (c)에 나타내는 것과 같이 접촉부 내에 길이 약 0.7mm의 정류균열이 관찰되는 경우도 있었다.

5.

철도차축 재료 RSA1의 프레팅 피로손상 거동을 평가하기 위하여 회전굽힘 피로시험기에 프레팅 발 생장치를 제작하여 구축하였다. 피로수명 평가, 마 찰력 변화, 접촉면압 변화, 접촉부 표면 및 파면관찰 로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 표준시험편 S12에 있어서, 차축재료 RSA1의 일 반 피로한도는 약 269 MPa, 프레팅 피로한도는 약 169 MPa로 프레팅 손상에 의하여 피로한도가 37% 정도 감소하였다.

2) Shinkansen 차축을 모사한 S13 시험편은 프레팅 피로한도가 약 240 MPa이며, 214 MPa(직경 13mm로 계산) 이하의 응력에서는 접촉부의 프 레팅 손상에 의하여 균열이 발생하여 최종파단 하였다. 또한, TGV 차축을 모사한 S14 시험편과 P14A 및 P14B를 이용한 프레팅 피로시험에서는 모든 시험편이 곡율부에서 균열이 발생하여 최 종 파단하였다.

3) 마찰력은 약 3000 사이클까지 최소값이 급감하 고, 최대값은 상대적으로 증가량이 미미하였다.

이 기간동안 마찰력 진폭도 급격하게 증가하였 으며, 이후에는 변화량이 미미하였다. 또한 부하 하중이 증가하면 마찰력 진폭도 증가하였다.

4) FFA(S12+P12) 시험편의 경우 거의 모든 시험편 접촉부의 양쪽에서 균열이 발생하여 성장하였 으며, FFC(S13+P13) 시험편의 경우는 접촉부한 쪽에서만 균열이 발생하여 곡율부로 성장한 후 최종파단 하고 있었다.

5) 모든 파면은 경사균열이 발생하여 성장하였으 며, 균열이 발생하여 파괴된 측의 접촉부 표면보 다 반대쪽의 접촉부가 상대적으로 마모손상이

심하였으며, 정류균열이 잔존하고 있었다.

후 기

이 논문은 2005년 정부(교육인적자원부)의 재원 으로 한국학술진흥재단의 지원을 받아 수행된 연구 임(KRF-2005-041-D00025).

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