1.GİRİŞBu çalışmada; klasik tren ray ve tekerlek çelikleri, ve bunun yanı sıra ihtiyaç sonucu geliştirilen yüksek hızlı trenin ray ve tekerlek çelikleri incelenmeye çalışılmıştır. Yapılan incelemede Türkiye ve dünyada kullanılan ray ve tekerlek çeliklerinden ve bu çeliklerin gelişiminden bahsedilmiştir. Türkiyeve dünyadaki, ray üretim yöntemleri, çelik tipleri, raylarla ilgili deneyler, tren tekerlek üretim şekli, çelik tipleri ve ilgili deneylere de değinilmiştir.

Hızlı tren, normal trenlere göre daha hızlı yolculuk etme olanağı sağlayan bir demiryolu aracıdır. Eski sistemle döşenmiş raylarda 200 km/sa, yeni sistemle döşenmiş raylarda 250 km/sa hızla seyahat edebilen trenler olarak adlandırılır. Türkiye'de Ankara-Eskişehir hattında bulunan ve 245 km mesafeyi 1 saat 25 dakikada kateden hızlı tren, Türkiye'nin ilk hızlı trenidir. Türkiye'nin 2. hızlı treni, Ankara-Konya hattındaki 306 km mesafeyi 1,5 saatte kat etmektedir. Fransa'daki TGV, Almanya'daki ICE ve gelişme aşamasındaki manyetik raylı trenler bu tren türüne örnek gösterilebilir. Şu anda Almanya, Belçika, Fınlandıya , Çin, Fransa, Güney Kore, Hollanda, İngiltere, İspanya, İsveç, İtalya, Japonya, Norveç, Portekiz, Rusya, Tayvan, Türkiye saatte minimum 200 km hızın üzerine çıkan trenlerle bu taşımacılığı gerçekleştirmektedir [1].

Son 10 yılı aşkın bir süredir dünyada mantarı sertleştirilmiş ray üretimi önem kazanmıştır. Bunun nedeni bir yandan R260 raylarının aşınma dirençlerinin yeterince yüksek olmaması, diğer yandan hızlı tren uygulamalarında yetersiz kalmalarıdır. Bunun ilk fark edilişi 1960’lı ve 1970’li yıllara rastlar. Araştırmalar ray çeliklerinin içyapısına yönelmiş ve kaba taneli perlitik içyapıdan sıkı dizili perlitik içyapıya yönelmiştir. Artık dünyada yaygınlaşan ve Türkiye’ de de başlatılan hızlı tren işletmeciliği içinde R350HT standardı raylar daha çok kullanılmaya başlanmıştır [2].

1

2.TREN RAYLARI

1840’lardan sonra bütün Avrupa, Amerika ve dünyanın diğer ülkelerinde yoğun bir demiryolu ağı oluşmaya başlamıştır. Birkaç on yıl içinde demiryolu, taşıdığı yük hacmi ve yolcu sayısındaki istikrarlı artış nedeniyle önemli bir taşıma sistemi olmuştur Bu hızlı gelişme, çelik üretimi, motor konstrüksiyonu, inşaat mühendisliği, ulaşım gibi bir çok alanda köklü değişiklikleri de beraberinde getirmiştir [3].

Şekil 2.1. Türkiye’deki Hızlı Tren ve Eski Demiryolu Hattı [7]

Bu anlamda ray demiryolu inşası için en önemli malzemelerden biridir. Ray, yaklaşık olarak her tip demiryolu hattında yol kilometresine düşen en büyük yatırımı teşkil etmektedir. Ray üretimi 200 yıllık bir geçmişe sahiptir. İhtiyaçlara göre ray üretim teknikleri, ray kesitleri, ray kalitesi ve kullanılan çelik değişmişve gelişmiştir. Türkiye’de sadece Kardemir Demir-Çelik şirketi tarafından ray üretim çalışmaları yapılmıştır. Kardemir tarafından 1950’lerde başlayan ray üretim çalışmaları ile belirli uzunlukta ray üretilmiştir. Fakat daha sonraki yıllarda bu çalışmalar durmuştur. TCDD ve diğer ray kullanıcıları rayları yurtdışından ithal etmişlerdir. TCDD’nin yıllık ray ihtiyacı yaklaşık 50.000 tondur. Bu ülke kaynaklarının rasyonel kullanımında olumsuz bir etkiye sahiptir. Bu nedenle Türkiye’de ray üretim olanakları iyi değerlendirilmeli ve sosyal faydalar, kaynakların akılcı kullanımı ve Pazar göz önüne alınarak ekonomik analiz yapılmalıdır [4].

2

Şekil 2.2. Tren Rayı [7]

2.1.Üretim Şekli

Son yıllarda ray üretimi büyük ölçüde modernize olmuştur. Bazik oksijen ocağı(BOF) tek çare gibi görünse de ikincil metalurji ve havasız oratmda gaz alma (vacuum degassing) yöntemleri de pratik olarak kullanılmaktadır. Çelik yapımında bilgisayar kullanımının başlaması kaliteyi yükseltmiş ve daha kontrollü hale getirmiştir. Sürekli döküme geçilmesi ray kalitesinin yükselmesine önemli bir katkıda bulunmuştur. Aynı uygulamalar daha doğru ölçüm teknikleriyle farklı işlem aşamalarından oluşmuştur. Ray üretim işlemi aşağıdaki ana bölümlerden oluşmaktradır [4].

Yüksek Fırın Çelik Yapımı Havasız Gaz Alma ve Argon Üfleme Sürekli Döküm Haddeleme Doğrultma ve Ölçüm (ultrasonic, geometri, kontrol)

2.1.1.Yüksek Fırın

Demir cevheri doğadan alınıp belirli büyüklükte kırılır. Küçük parçalar ayıklanarak sinterlenmek üzere sinter ünitesine gönderilir. Burada elde edilen sinter parçaları diğer demir cevheriyle birlikte yüksek fırına atılır. Ayrıca bunlarla beraber kok ve belirli ölçüde kireç taşı da fırına atılarak hepsi birlikte yakılır. Bu sırada fırının içine sıcak hava üflenir, yanma hızlandırılır ve büyük bir ısı açığa çıkar. Bu sayede demir cevheri indirgenir. Fırına atılan sinter parçaları ve cevher eriyerek yaklaşık 1500°C de fırının dibinde toplanırlar. Fırına atılan kireçtaşı ile cevherdeki istenmeyen maddeler birleşir ve curuf oluşturur. Bu oluşan curuf sıvı metalden daha hafiftir ve yüzeye çıkar [4].

3

Şekil 2.3. Yüksek Fırın [6]

Yüksek fırındanki işlemler süreklidir. Metalin üzerinde curuf oluşur oluşmaz periyodik olarak alınmaya başlanır. Aynı şekilde curuf altından başlayarak da erimiş metal de buradan alınarak buradan sıvı çelik üretimine gider. Cevher, sinter, kok ve kireçtaşı sürekli olarak yüksek fırına yüklenir ve sıcak hava aşağıdan üflenir. Bu işlem, fırının ısıya dayanıklı refraktörün bozulmasına veya düzenlenmesine ihtiyaç göstermesine kadar yaklaşık 4 yıl veya daha fazla sürekli olarak devam eder [4].

2.1.2.Çelik Yapımı

Bazik oksijen ocak(BOF) işlemi diye bilinen yöntem çelik üretiminde oldukça önemli bir yer tutar. Modern bir fırın bir defada 150-350 ton malzeme alır ve 40 dakikada çelik üretir. Sıcak metal bu işlemin en önemli malzemesidir. Fırına önce hurda atılır. Daha sonra sıvı metal yüklenir ve ağzı yukarıya getirilerek işlem başlatılır. Fırına yüklenen malzemenin %70 ı sıvı metal, %30 u ise hurdadır. Su ile soğutulan oksijen borusu fırının içine daldırılır ve oldukça yüksek bir hızla kuru ve saf oksijen üflenir. Üflenen oksijen karbonla ve diğer istenmeyen elementlerle birleşerek sıvı malzemeyi temizler. Karbon %0.1 den aşağıya düşene kadar üflenmeye devam edilir. Oksijen üfleme süresince akışkanlığı artırmak amacıyla kireç taşı eklenir. Kireç taşının etkisiyle oksijen istenmeyen malzemelerle birleşerek oksitlerini oluşturur. Bu oksitler curuf oluşturup yüzeye çıkar [4].

4

Şekil 2.4 Bazik Oksijen Fırını (BOF) [6]

Fırının içine daldırılan oksıjen borusunun konumu, üflenecek oksijen miktarı, eklenecek malzeme miktarları bilgisayarlarla otomatik olarak yapılır. İşlem bitiminde metal alma kapağından tüm metal potaya alındıktan sonra ocak ters çevrilerek daha önceden hazırlanmış olan curuf potasına yüzeyde kalan curuf boşaltılır. Potaya alınan sıvı metale alaşım elementleri atılarak karbürize edilir. İkincil metalurji diye adlandırılan proseste kimyasal kompozisyon ve sıcaklık ayarlanır ve istenmeyen maddeler atılır [4].

2.1.3.Havasız Gaz Alma ve Argon Üfleme

Modern çelik yapımında çelik kalitesini yükseltmekte kullanılan bir kaç işlem vardır. Argon çalkalama yöntemi sıcaklığı ve kimyasal kompozisyonu homojenleştirmekte kullanılır. Havasız gaz alma ünitesi çelikteki hidrojen oranını 2 ppm den aşağıya düşürmek ve çelikteki oksitleri yok etmekte kullanılır [4].

Hidrojen miktarının sıvı çelikte 2 ppm in altında olması birikintilerin olmasını engeller. Dolayısıyla soğuma hızını sürekli ölçmemize gerek kalmaz. Rayda bulunan hidrojen birikintileri ray üzerine gelen tekerlek yükü altında bir çatlak başlatarak zamanla yorulmadan dolayı rayın kırılmasına neden olacaktır [4].

2.1.4.Sürekli Döküm

Şu anda çelikhanelerin çoğunda kullanılmakta olan yöntem sürekli döküm yöntemidir. Sıvı çelik 150-350 tonluk potalarda biriktirilerek turet’ların içine yerleştirilir. Turret’lar 2 pota alabilir. İlk pota tandişe dökülür dökülmez ikinci pota hazırlanır. Bu yolla döküm sürekli olarak devam eder. Sıvı çelik potadan tandişe dökülürken gömme döküm trekniği kullanılır. 6 dan 8 e kadar tüm kalıplara aynı miktarada metal akmasını sağlayan hassas ölçülü döküm ağızlıkları kullanılır. Pota ile tandiş arasına ve tandiş ile kalıp arasına refraktör koruma konarak tüm sıvı çeliğin döküm esnasında atmosferden etkilenip oksitlenmesi önlenir. Çift duvarlı kalıplar su soğutmalıdır. Kalıplar farklı şekillerde olabilir ve tandişlerden akan sıvının belirli bir şekilde olmasını sağlar. Sıvı çeliğin çok yüksek sıcaklığa sahip olması döküm kütüğünü metalurjik kalitesi açısından büyük ölçüde etkiler. Bu nedenle tandişdeki çeliğin sıcaklığı sıvı haldeki sıcaklığının 15°C üzerinde tutulur [4].

5

Şekil 2.5. Sürekli Döküm [6]

Döküm süresince çeliğin bakır kalşıba yapışmasını önlemek için döküm hızına ve sallantı vuruşuna gore kalıp dakikada 60-200 dönüşlük bir sıklıkla sallanır. Döküm hızı yaklaşık 0.8 m/dk dır. Sağlıklı katılaşma sağlamak amacıyla kütükler elektromagnetik olarak soğutulacak şekilde donatılmıştır. Hadden çıkan sıcak kütükler 10-13 m lik bir yarıçapla dönerek doğrultma tezgahlarına ikinci soğutma sağlayan sprey çemberinden geçerek gider. Istenen uzunlukta kesilen kütükler yığın halinde soğurlar. Daha sonar kütükler yürüyen bantlarla yeniden ısınmak üzere ısıtma ünitesine giderler. Döküm işleminin başında hidrojen yüklemesi olabilir. Eğer hidroje miktarı kritik bir degree ulaşırsa kütükler hidrojen miktarını control altında tutmak amacıyla kontrollü olarak soğutulurlar. Sürekli döküm ile elde edilen çelik ingot döküme nazaran daha temizdir ve içerdii istenmeyen maddeler daha küçük boyutta homojen dağılımlıdır [4].

2.1.5.Haddeleme

Kütükler, kontrol edilen son mamülün oldukça iyi bir yüzeye sahip olmasının sağlanması amacıyla bozukluklarından arındırlır. Daha sonar kütükler özel dizayn edilmiş fırınlarda 1250°C ye kadar tavlanırlar. Tav fırnından çıkan kütüklerin üzerine 200 barlım bir basınçla su fışkırtılır. Bu işlem haddelerin ve haddelenen yüzeylerin zarar görmesini engeller. Kütükler ray formunu veren haddeye girmeden once ilk şekilleri verilmek üzere ön haddeden geçerler. Ray son şeklini alıncaya kadar 8-11 defa haddeden geçer. Ilk oalrak kütük yüzeyine dik oaln iki bıçak geçer ve ilk çıkıntıyı yapar. Oluşan ilk çıkıntılar yatay olarak yeniden düzeltme ray tabanının dinamik eğilme gerilimi altındaki davranışını düzenler [4].

Bazı ray üreticileri sıra ile şekil verilerek yapılan universal haddeleme sistemini kullanırlar. Bu yolla iyi bir yüzey kalitesi elde edilir. Dövmenin etkisini düzeltmek yorulma mukavemetini de olumlu yönde etkiler. Ürünün son olarak yüzeyi temizlenir ve düz bir yüzey elde edilir. Son haddeden geçerken ray üzerine markalama yapılır. bu marka üretici hakkında bilgi, üretim yılı, üretildiği bölüm ve ray kalitesi bilgilerini içerir [4].

6

Şekil 2.6. Kardemir Demir-Çelik Haddehanesi [6]

2.1.6.Doğrultma ve Ölçüm

Son şeklini alan raylar sıcak-kesme ile istenilen boyda kesilirler. Sıcak raylar yürüyen bantlar üzerinde soğumaya giderler. Soğuma yaklaşık 3-4 saat surer. Ray sıcaklığı 800°C den 100°C e düşer. Rayın yürüyen bantlara taşınması rayı tutmakla meydana gelebilecek yüzey kusurlarının oluşmasını önler. Soğumanın ardından raylar doğrultma ünitesine giderler [4].

Simetrik olarak farklı olması rayın mantar kısmının ve tabanın soğuma hızını farklı kılar. Bu da rayın düşey doğrultuda eğilmesine yol açar. Bu eğilmeyi düzeltmek için çoğu zaman düşey doğrultuda bazen yanal olarak doğrultma yapılır. Sonradan uygulanan düzeltme işlemi her ne kadar düzgünlük sağlasa da rayda zararlı gerilmelere yol açar. Rayın akma gerilmesine bağlı olarak 100-300 N/mm2 mertebesinde kalıcı gerilmeler meydana gelir [4].

Bütün raylar doğrultma haddesinden çıkınca test merkezine giderler. Burada rayın tüm özellikleri test edilir ve varsa içsel hataları, yüzey hataları tesbit edilir. İçsel hatalar ultrasonic yöntemle tesbit edilir. Rayın doğruluğu 0.5-3 m lik dalga bantları içerisinde ölçülür. Ray başlarının düzgünlüğü kontrol edilir ve eğer gerekiyorsa doğrultma preslerinden geçirilerek yeniden düzeltilir. Üretim sonunda raylar istenilen boyutlarda kesilirler, gerekli ise cebire delikleri delinir. Raylar tekrar teste tabi tutulur ve fabrikadan çıkar [4].

2.2.Çelik Tipleri

Rayın mikroyapısı perlitik dokudadır. Bu yapının mekanik özellikleri sementit (Fe3C) dediğimiz lamellerin arasındaki uzaklığa, kalınlıklarına ve tane boyuna bağlıdır. Lameller arasındaki uzaklık akma sınırını, çekme mukavemetini ve kesit daralmasını büyük oranda etkiler. Aynı çelik farklı şekilde soğutularak elde edilen mikroyapılar ve perlitik yapı oluşurken farklı miktarda karbonun östenitik yapıda difüzyonuna sebep olur. Difuzyon hızının kontrol edilmesi alaşım elementlerinin miktarının kontrolüyle aynı etkiyi yaratır. Tokluk sementit lamellerinin kalınlığı ve tane boyutuyla ilgilidir [4].

7

Aşağıda yaygın olarak kullanılmakta olan bazı ray kalitelerinin kimyasal kompozisyonları ve mekanik özellikleri verilmiştir. TCDD hatlarında 700 ve 900 kalitesi raylar bulunmakla birlikte yeni yapılan yenileme çalışmalarında 900A kalitesi raylar kullanılmaktadır.

Tablo 2.1. Ray Kaliteleri [4]

Ray Çelik Kaliteleri 700 900A 900BC 0.40-0.60 0.60.-0.80 0.55-0.75

% Kimyasal Si 0.05-0.35 0.10-0.50 0.10-0.50Kompozisyon Mn 0.80-1.25 0.80-1.30 1.30-1.70

P ≤ 0.050 ≤ 0.040 ≤ 0.040S ≤ 0.050 ≤ 0.040 ≤ 0.040

Raylarda çatlaklar, genellikle orijini dıştan bir kusurdan olan çentikten veya içteki bir kusurdan başlar. Bu nedenle yüksek seviyede temizlik yani düşük metal dışı katışkı ve düşük hidrojen yüzdesi çok önemlidir. TCDD’ye göre hidrojen miktarı 2.5 olarak belirlenmiştir [4].

2.3.Hızlı Tren Rayları

2.3.1.Dünyada Hızlı Tren Rayları

Hızlı trenler bugün Fransa, Almanya, İspanya, İtalya gibi Avrupa ülkeleri ile Japonya, Çin ve Güney Kore’de kullanılıyor. Hızlı tren hatlarının öncülüğünü yapan Japonya aynı zamanda en çok yolcu yoğunluğuna sahip ülke.120’den fazla trenle, yılda 305 milyon yolcu taşıyor [5].

Tablo 2.2. Dünyadaki hızlı tren hatları [5]

Ülke Kullanıma Açık(km) Yapım Aşamasında (km)

Toplam (km)

Çin 6,158 14,160 20,318Japonya 2,118 377 2,495İspanya 2,665 1,781 3,744Fransa 1,872 234 2,106Almanya 1,032 378 1,410İtalya 923 92 1,015Rusya 780 400 1,180Türkiye 457 591 1,048Tayvan 345 0 345Güney Kore 330 82 412Belçika 209 0 209Hollanda 120 0 120Birleşik Krallık 113 0 113İsviçre 35 72 107

Son 10 yılı aşkın bir süredir dünyada mantarı sertleştirilmiş ray üretimi önem kazanmıştır. Bunun nedeni bir yandan R260 raylarının aşınma dirençlerinin yeterince yüksek olmaması, diğer yandan hızlı tren uygulamalarında yetersiz kalmalarıdır. Bunun ilk fark edilişi 1960’lı ve 1970’li yıllara rastlar. Araştırmalar ray çeliklerinin içyapısına yönelmiş ve kaba taneli perlitik içyapıdan sıkı dizili perlitik içyapıya yönelmiştir. Artık dünyada yaygınlaşan ve Türkiye’ de de başlatılan hızlı tren işletmeciliği içinde R350HT standardı raylar daha çok kullanılmaya başlanmıştır. Özelliklede Avrupa’ da Almanya’da 1903’de 210km/sa hızla başlayan hızlı tren uygulaması, 1955’de Fransa’nın 331km/sa hıza ulaşmasıyla devam

8

etmiştir. Günümüzde Avrupa’ da ve dünyada 200-250km/sa hızla giden hızlı trenler kullanılmaktadır. Fransa, Almanya, İngiltere, İtalya,İspanya, Belçika, Japonya, Kore, Tayvan ve ABD, YHT işletmeciliğinde oldukça yolalmış durumdadır. Fransa 1900 km’lik YHT-hattıyla Avrupa’nın en geniş ağına sahiptir ve bunu 2020’ ye dek 4000 km’ye çıkarmayı planlamıştır. İspanya ise 2020’ye dek Fransa’yı geçecek planlar yapmıştır; İspanyollar 2020’de YHT’lerinin hızını 350 km/sa’e çıkarmayı planlamıştır [2].

2009’da dünyada 10.739 km hatta çalışan 1750 YHT vardı. 2010 itibariyle 200 km/sa üzerinde seyreden 2500 YHT bulunmaktadır. Halen dünyada 13.469 km YHT-hattı inşa halinde, 17.579 km YHT-hattı ise planlanmış durumdadır. 2020 yılında dünyadaki YHT-hatları 41.878 km’ye ulaşacaktır. Uluslararası Demiryolları Birliği(UIC)’ nin Mart 2005 tarihli 721 numaralı talimatı, yarıçapı 400m’ den az dönemeçler için mantarı sertleştirilmiş ray kullanımını zorunluluk düzeyinde, 400-700 m yarıçaplılarda ise tercihli olarak kullanımını önermektedir [2].

Bugün yaygın olarak kullanılan raylar R260 simgesiyle bilinmektedir ve mantarüstü sertlikleri ~260BHN düzeyindedir. Sertleştirilmiş olanlar ise R350HT simgesiyle tanınmakta ve mantarüstü sertlikleri 350-390BHN düzeylerindedir. Bu raylar EN 13674-1 standardına uygun olarak üretilir ve kaliteleri bu standardın öngördüğü testlerle belirlenir [2].

Tablo 2.3. Rayların Kimyasal Bileşimleri [2]

C Si Mn P SR260 0.70-0.80 0.20-0.60 0.95-1.25 0.030(max) 0.008-0.030

R350HT 0.70-0.82 0.13-0.60 0.65-1.25 0.025(max) 0.008-0.030

R350HT simgesindeki HT bu raylara ısıl işlem uygulandığını belirtmektedir. Ayrıca, uluslararası standartlar, bu rayların içyapılarının martenzit, beynit, tane sınırı sementiti ve ferrit ağı içermemesi koşulu taşımaktadır. Bu nedenle, mantar içyapısının sıkı dizili ya da ince perlit diye bilinen, sementitin katmanlararası uzaklığının çok düşük olduğu bir perlit oluşumu gerekmektedir. Mantarı sertleştirilmiş ray çeliği üretiminde, mantarı sertleştirme işleminde çok dikkatli soğutmalar uygulanmalıdır. Bunun için belirlenmesi gereken parametreler arasında, soğutma öncesi ray sıcaklığı/sıcaklık dağılımı, soğutma hızı, soğutma ortamı (su+yağ+basınçlı hava), ray parçasının soğutma biçimi, TTT ve CCT çizgelerine göre soğutma ortam sıcaklığı, soğutma ortamında bekletme süresi yer almaktadır. Bunu gerçekleştirmek amacıyla, 2 ayrı teknoloji uygulanmaktadır. Birisi daldırma, diğeri püskürme olarak bilinir. ~900 0C sıcaklıkta haddeden çıkan raylar önce biriktirilir ve sonra, ısıtılıp daldırma istasyonunda bir sıcak banyoya daldırılarak bir izotermal ısıl işlem uygulanır. Püskürme teknolojisinde ise, kızgın raylar haddeden çıktığında bir araısıtma uygulaması ve sıvı püskürtme işlemiyle soğutularak sıkı dizili perlitik içyapı oluşturulur. Bu teknolojileri kullanarak mantarı sertleştirilmiş ray üreten dünyada yalnızca birkaç şirket vardır ve bunlar da teknoloji bilgilerini paylaşmamaktadır. Bu nedenle, oldukça pahalı olan bu rayları Türkiye kendi üretmek zorundadır [2].

Bunun da ötesinde, beynit içyapılı raylar da dünyanın çeşitli ülkelerinde denenmektedir. Beynitik çelikler üzerine en kapsamlı araştırmaları Bhadesia yapmıştır. Polonya’ da bir deneme hattında bu çelikler denenmeye başlanmıştır. Beynitik raylar düşük karbonlu ve düşük alaşımlı çeliklerden üretilmektedir. Bu nedenle kaynaklanabilirlikleri de daha yüksektir. Ayrıca, sıkı dizilimli perlit ile karşılaştırıldığında daha iyi sertliğe, akma dayancına, yorulma direncine ve aşınma direncine sahiptir. Sıkı dizilimli perlit içyapılı çelikler

9

(R350HT) ile beynitik çeliklerin kimyasal bileşimleri ve bazı mekanik özelliklerinin karşılaştırmaları aşağıdaki tablolarda gösterilmektedir [2].

Tablo 2.4. Sıkı dizilimli perlitik raylar ile beynitik rayların kimyasal bileşim karşılaştırmaları [2]

RAY C Si Mn Cr Mo Nb VR350HT 0.65-0.80 0.25-0.95 0.75-1.45 0-0.50 0 0 0-0.101400B 0.20-0.55 0.40-0.45 0.40-2.10 0-0.20 0-2.0 0-0.15 0-0.10

Tablo 2.4’te de görüldüğü gibi, beynitik raylar için karbon oranının düşük olması öngörülmüştür. Alaşım elementleri ekleyerek de beynit oluşumunda uygulanacak olan izotermal dönüşümün olabilirliği arttırılmıştır. Dünya da halen denenmekte olan beynitik ray çeliği üretiminde düşük karbonlu ve düşük alaşımlı çelik kullanımakta ve içyapısal olarak aşağı beynit oluşumuna yönelinerek aşınma direnci özelliği sağlanmaya çalışılmaktadır [2].

Tablo 2.5. Sıkı dizili perlitik ray çelikleri ile beynitik çeliklerin mekanik özelliklerinin karşılaştırılması [2]

ÇekmeDayanımı(MPa)

ÇekmeUzaması(%)

KırılmaTokluğu(MPa)

Çarpma Tokluğu(uçentiği)(J)

YorulmaDayanımı(Mpa)

R350HT Ray Çeliği

1300 13.5 43 20 750

1400B Ray Çeliği

1420 15.5 98 39 870

Tablo 2.5’te beynitik ray çeliklerinin özellikle çekme dayancının ve kırılma tokluluğunun sıkı dizili perlitik ray çeliğine göre çok daha iyi olduğu görülmektedir. Böylelikle, EN standart R350HT çeliğinin istenilen aşınma direnci sağlamasıyla birlikte, beynitik içyapıya sahip ray çeliğinin R350HT çeliğine alternatif kullanılabilir olduğu anlaşılmaktadır [2].

(a) (b)

Şekil 2.7. (a) 1000x büyütmede havada soğutulmuş R260 standardı çelik, (b) 4000x büyütmede R260 standart çeliklerinin içyapıları (SEM fotoğrafı) [2]

10

(a) (b)

Şekil 2.8. (a) 1000x büyütmede 6000C izotermal dönüşüm uygulanmış R260 standardı çelik, (b) 13170x büyütmede(600 derecede izotermal dönüşüm uygulanmış numune) R260 standart çeliklerinin içyapıları (SEM fotoğrafı) [2]

Şekil 2.8’de 3500C’de izotermal dönüşüm sonrasında AISI 1060 çeliğinin içyapıları görülmektedir. Bu içyapılardan da anlaşılacağı gibi içyapı %90-95 oranında alt beynit, geri kalanı ise kalan östenit ve martenzittir. Bunun muhtemel nedeni, beynit oluşturmak için 3500C’de uygulanan izotermal dönüşüm süresinin yeterli olmamasıdır [2].

Şekil 2.9. (a)500x büyütmede 3500C’de izotermal dönüşüm uygulanmış numune(b) 2710x büyütmede aynı çeliğin SEM fotoğrafı [2]

2.3.2.Türkiyede Hızlı Tren Rayları

TCDD 2003 yılında Ankara-Eskişehir illeri arasındaki hızlı tren ray hattının yapımını başlatmıştır. 23 Nisan 2007 tarihinde deneme seferlerine başlanmış, 13 Mart 2009 tarihinde de ilk yolcu seferi yapılmıştır. 245 km'lik Ankara-Eskişehir hattı yolculuk süresini 1 saat 25 dakikaya düşürmüştür. Hattın Eskişehir-İstanbul kısmının 2013'te tamamlanması öngörülmüştür. Hat 2013'te Marmaray'la bağlandığında Avrupa ve Asya arasında dünyanın ilk günlük sefer yapan hattı olacaktır. Ankara-Eskişehir hattında kullanılan TCDD HT65000 modelleri İspanyol “Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles(CAF)” şirketi tarafından

11

üretilmiştir ve standart olarak 6 vagondan oluşmaktadır. İki seti birleştirerek 12 vagonlu bir tren de elde edilebilmektedir [1].

Ankara-Konya hızlı tren hattının temeli 8 Temmuz 2006'da atılmış, ray döşenmesine Temmuz 2009'da başlanmıştır. Deneme seferlerine ise 17 Aralık 2010 tarihinde başlanmıştır. 24 Ağustos 2011 tarihinde ilk yolcu seferi yapılmıştır. Toplam 306 km'lik hattın 94 km'lik Ankara-Polatlı arasındaki kısmı, Ankara-Eskişehir projesi kapsamında yapılmıştır. 300 km/saat hıza uygun hat inşa edilmiştir [1]. Tükiye’de hızlı tren;

Ankara-İstanbul.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533km./3 saatAnkara-Eskişehir.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 km./1 saat 5 dakikaAnkara-Konya.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 km./1 saat 15 dakikaİstanbul-Konya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .641 km./3 saat 30 dakikaEskişehir-Konya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 km./1 saat 26 dakikaAnkara-Sivas.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 km./3 saatAnkara-İzmir.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624 km./3 saat 20 dakikaAnkara-Afyon.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 km./1 saat 20 dakikaBandırma-Bursa-Osmaneli.. . . . . . . . . . . . . . .190 km./60 dakikaAnkara-Kayseri.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..350 km./2 saatHalkalı-Bulgaristan.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 km./1 saatSivas-Erzincan-Erzurum-Kars.. . . . . . . . . . . . . 710 km./5 saat

Ülkemizde cumhuriyetten sonra demir çelik sanayiinin kurulması çalışmalarına başlanmıştır. 1937 yılında Karabük’te temeli atılan ve 1939 yılından itibaren kademeli olarak işletmeye alınan ilk entegre çelik fabrikamızın faaliyete geçirilmesiyle ülkemiz de çelik üreten ülkeler arasına girmiştir. Aşağıdaki tabloda 1996-2000 yılları arasında Türkiye’de yıllara göre çelik üretimi verilmiştir [4].

Tablo 2.6. Türkiye’de Ham Çelik Üretimi(1000 Ton) [4]

İŞLETMELER Kurulu Kapasite

1996 Yılı Üretimi

1997 Yılı Üretimi

1998 Yılı Üretimi

1999 Yılı Üretimi

2000 Yılı Üretimi

Kardemir 700 719 724 660 636 875İsdemir 2200 1848 1921 1951 1890 1965Erdemir 3000 2458 2711 2544 2611 2388

Entegre Tesis Toplamı

5900 5025 5356 5155 5137 5228

Ark Ocakları Tesis Toplamı

14035 8336 8918 8992 9171 9096

TOPLAM 19935 13361 14274 14147 14308 14324

Tablodan da görülebileceği gibi, 2000 yılı verileriyle yıllık çelik üretimi 14.324.000 tona yükselmiştir. Türkiye’de ray üretimi ile ilgili olarak Kardemir Demir Çelik firmasının bir tecrübesi bulunmaktadır. 1950’li yıllarda başlayan üretim çalışmaları sonucunda belirli uzunluk ve kalitede rayı üretimi gerçekleştirlmiş olmakla birlikte bu konuda daha sonra yeterli gayret gösterilmediği gibi talep de olmamıştır [4].

12

Ray tüketicileri;

Temiz (segregasyon, laminasyon vs. olmayacak) Tüm kesit boyunca kimyasal kompozisyonu homojen olarak dağılmış, Mekanik özellikleri istenilen değerler arasında ve homojen, Geometrisi ve profili düzgün, Yüzeyi istenilen değerlerde

olan raylar talep etmektedir.

Türkiye’de ray tüketicisi konumundaki en önemli kuruluş hiç kuşkusuz TCDD’dir. Ancak gelişen hafif raylı sistemler ve metrolar yeni ray tüketicileri yaratmaktadır. Bunun dışında, avrupa ray üreticilerine göre ray pazarlanması konusunda avantajlı sayılabilecek konumumuz Türkiye’de ray üretiminin sağlayabileceği faydaları açıklayabilecek niteliktedir [4].

Demiryolları konusunda gelişmiş Avrupa ve Dünya Ülkelerinde olduğu gibi ülkemizde de S49 tipi ray çeliği yerine UIC 60 tipi ray çeliği kullanımına geçilmiştir. Demiryolları konusunda gelişmiş olan ülkelerde yol yenilemelerinde UIC 60 kg/m‘lik ray kullanımına geçmesi ile birlikte ray üreten firmaların da S49 kg/m’lik ray üretimi yerine UIC 60 kg/m’lik ray üretimine yönelmesi neticesinde,

UIC 60 kg/m’lik rayın ekonomik ömrünün S49’luk raya göre daha uzun olması, 160 km/s ten fazla bir hıza geçişte daha büyük en kesitli raya ihtiyaç duyulmaması, Hattın dingil basıncının artırılması, UIC 60 kg/m’lik rayda kesit alan büyüdüğünden gelen yüklerin daha homojen olarak

iletilmesi sonucu altyapının stabilizesinin daha az bozulması, Balast ve altyapı bakım-onarım maliyetlerinin düşmesi

hususları göz önünde bulundurarak gereken trafiği yoğun olan ve gerekse de üzerinden geçen yük bakımından ana koridor sayılan hat kesimlerinde yapılacak yol yenilemelerinde UIC 60 tipi rayların kullanılması ve daha sonraki aşamalarda tüm şebekelerde UIC 60 çelik tipi raya geçilmesi planlanmıştır [8].

13

Şekil 2.10. S49 Ray Çelik Profili [6]

Şekil 2.11. UIC 60 Çelik Tipi Ray Çeliği Profili [6]

14

Şekil 2.12. Yeni beynitik çelikten yapılmış S49 ray çeliğinin mikroyapısı [4]

Şekil 2.13. UIC60 Ray mantarından alınan numunenin yeni beynitik çelikle uygun oranlarda soğutulmasıyla elde edilen mikroyapı. %3 HNO3 le dağlanmıştır [4]

Ray üretiminin bir entegre tesiste yapılması gerekmektedir. Ülkemizde bu iş için en uygun tesis Kardemir olarak görülmüş ve bu nedenle ilk defa ray üretimi bu tesiste gerçekleştirilmiştir. Daha sonra teknolojik gelişmelere ayak uydurulamaması ve buna ilişkin talebin de bulunmamaması nedeniyle ray üretim çalışmaları kesintiye uğramıştır. Ancak söz konusu fabrikanın çeşitli yatırımlarla kendisini yenilediği ve çelik üretim kalitesini arttırdığı ayrıca belirli bir yatırımla TCDD’nin istediği kalitede rayın üretilebileceği, fabrika yetkililerince ifade edilmektedir [4].

15

Kardemir, yüksek hızlı tren için R260 tipi çelik yerine R350HT çeliği üretmeye başlamıştır.(Şekil 2.12)

Şekil 2.14. R350HT Çeliği [6]

Kardemir’de kuruluşundan itibaren hizmet veren 28”’lik Trio hadde ve 1959 yılından itibaren hizmete giren 34”’lük Blok ve 28”’lik Duo Hadde grupları devre dışı bırakılarak yerine Yeni Ray ve Profil Haddehanesi kurulmuştur.  Yapımına Ocak / 2006 tarihinde başlanılan Ray ve Profil Haddehanesini Mart / 2007’de tamamlanarak devreye almıştır. Günümüz teknolojisi ile donatılan 400.000 ton/yıl kapasiteli bu tesiste, 72 metre boya kadar her türlü rayın yanı sıra, 550 mm genişliğe kadar büyük boy profiller, 200 mm. genişliğe kadar köşebentler ve 200 mm çapa kadar her boyda kalın yuvarlak ve kaliteli imalat çelikleri üretebilmektedir [6].

Kardemir Ray ve Profil Haddehanesi, 100 ton/saat kapasiteli yürüyen krişli 22,3 m uzunluğunda ve 8.8 m genişliğinde, ürün çeşidine göre çift ve tek sıralı şarj imkanı veren bir tavlama fırınına sahiptir (Şekil2.15) [6].

16

Şekil 2.15. Tavlama Fırınından Çıkıp Haddelenmiş Ray Çeliği [6]

2.4.Ray Çelikleriyle İlgili Deneysel Çalışmalar

2.4.1.Yeni Beynitik Ray Çeliklerinin Özellikleri ve Mikroyapısı

Bu deneysel çalışmanın amacı; iki yeni beynitik ray çeliğinin mekanik özellikleri ve Sürekli Soğutma Geçiş(CCT) diyagramlarının sunumu. CCT diyagramları dilatometrik yönteme göre hazırlanmıştır. Kullanılan mekanik özellikler Avrupa Standartlarına göre hazırlanmıştır. Bu deneyde S49 veya UIC60 tipi beynitik raylar kullanılmıştır[11].

Bu çalışma iki tane yeni beynitik çelik sunmaktadır. Bunlardan birincisi, ticari ismi RB370 ve minimum mantar sertliği 370 HBW olan beynitik ray çeliği. Bu düşük karbonlu çeliğin iç yapısı Mn-Cr-Mo-V dur. Bu çelik 2003 yılında Polonya’da bulunan ArcelorMittal fabrikasında üretilmiştir. İkincisi ise; yine beynitik yapıda olan RB390 isimli çelik. Bunun da yapısında ise Mn-Cr-Mo-V nın yanında az miktarda eklenmiş Ni bulunmaktadır. İçindeki Nikelden dolayı bu çeliğin üretimi ilkine göre bir miktar daha pahalıdır. Bu yüzden tren yolundaki makas bölümleri gibi ağır yüklerin olduğu yerlerde kullanımı başarılı sonuçlar vermiştir. RB390 çeliğinin içine ufak bir miktar daha Ni katıldığı takdirde, nikelsiz RB370 çeliğinden bile daha iyi özelliklere sahip olduğu gözlenmiştir. Bugünlerde demiryolu ray makas için bunun çalışmaları sürmektedir[11].

17

2.4.1.1.Yeni Beynitik Ray Çeliklerinin İçindeki Aşırı Soğutulmuş Östenitin Faz Geçişinin Kinetiği

Şekil 2.16’da RB370 tipi beynitik çeliğin CCT diyagramı gösterilmiştir. Deneysel içeriği belirlenmiş CCT diyagramındaki taralı alan, UIC60 ray çeliğinin soğuma eğrisi aralığını göstermektedir. Benzer CCT diyagramı(Şekil 2.17) ikinci çelik tipi olan RB390 çeliğinden alınmıştır. İlk çelikten farkı bir miktar Ni eklenmesidir. Yine burda da taralı alan çeliğin soğuma eğrisi aralığını göstermektedir[11].

Çok az miktarda yüksek kararlılığı sayesinde aşırı soğutulmuş östenitin beynite geçme süresi 200 sn civarındadır. Bu belirtiler ray çeliği içindeki düşük beynit miktarının artırılmasını gösterir. Ayrıca sertlik te artar. Sonuçlar bir miktar Ni içeren RB390 çeliğini Ni içermeyen RB370 çeliğine kıyaslamaktadır[11].

Şekil 2.16. Düşük karbonlu Mn-Cr-Mo-V beynitik çeliğin CCT diyagramı. Taralı alan UIC60 çeliği için hava ile soğutma eğrisi [11].

Şekil 2.17. Düşük karbonlu Mn-Cr-Mo-V + Ni beynitik ray çeliği. Taralı alan UIC60 çeliği için havayla soğuma eğrisi [11].

18

2.4.1.2.Tren Raylarında Beynitik Çeliklerin Mikroyapısı

Eski diyagramların aksine soğutma oranlarının aralığını durumu ağır rayların arakesitlerinde beynit içeriği homojen olmalıdır [11].

Şekil 2.18. RB370 tipi beynitik çeliğinden yapılmış S49 ray çeliğinin mikroyapısı. %3 HNO3 ile dağlanmış [11].

Şekil 2.19. Soğutulmuş beynitik RB390 çeliğinden yapılmış, soğutulmuş UIC60 ray mantarının mikroyapısı. %3 HNO3 ile dağlanmıştır [11].

19

2.4.2.Ray Çeliğinin Kuru Yuvarlanma-Kayma Aşınma Davranışının İncelenmesi

Bu çalışmada, TCDD tarafından kullanılan ray çeliğinin kuru yuvarlanma-kayma aşınma davranışı incelenmiştir. 40 mm çapında ve 10 mm genişliğinde, rayın mantar kısmından hazırlanan numune paslanmaz çelik rulman’a karşı 50N ve 75N yükler altında 0,55 m/s hızda aşınma deneyine tabi tutulmuştur. Her 50 000 çevrimde aşınma kaybı ölçülerek aşınma hızı hesaplanmış ve aşınma hızı-çevrim sayısı grafiği elde edilmiştir. Aşınma numunelerinin aşınma yüzeyi, yuvarlanma yönüne paralel kesitlerdeki SEM incelemeleri yapılarak aşınma karakteristikleri belirlenmeye çalışılmıştır.Aşınma deneyleri sonucunda, düşük çevrimlerde, yükün düşük olması aşınma hızını artırırken, belirli bir çevrim sayısından sonra yükün aşınma hızına çok bariz bir etkisinin olmadığı gözlemlenmiştir. İki silindir arasında oluşan ara yüzey basıncı ve yuvarlanmanın etkisiyle plastik deformasyonun olduğu ve aşınmanın adezyon türünde gerçekleştiği sonucuna ulaşılmıştır[3].Deneylerde kullanılan aşınma numunesi ve karşı numunenin (kaymalı yatak) kimyasal bileşimi aşağıdaki tabloda verilmiştir[3].

Tablo 2.7. Deneysel numunenin kimyasal bileşimi [3]

Element%

Fe C Si Mn P S Cr Ni Cu

Aşınma Numunes

i

Kalan 0.502 0.124 1.12 0.034 0.031 0.031 0.046 0.042

Karşı Numune

Kalan 0.4 0.2 0.7 0.0019 0.0246 0.507 0.02 0.02

Çekme deneyi sonucunda numunenin akma mukavemetinin 445-690 MPa, çekme mukavemetinin 797-1020 MPa, ve % uzamasının 5,5-11aralığında olduğu tespit edilmiştir.Sertlik deneyi sonucunda Aşınma numunesi ve karşı numunenin sertlikleri 5’er ölçüm yapılarak ortalamaları alınmıştır. Aşınma numunesinin sertliği 23 HRc (243 HB), karşı numunenin sertliği ise 60 HRc olarak tespit edilmiştir[3].Aşınma deneyi sonucunda 50 ve 75 N yükler için 450.000 cevrime kadar gerçekleştirilen aşınma deneyleri sonucu elde edilen aşınma hızları ve aşınma hızı-çevrim sayısı grafiği aşağıda verilmiştir[3].

Tablo 2.8. Aşınma deneyi sonuçları [3]

Çevrim

sayısı x103

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Yük 50N

6,533 7,962 7,350 7,450 6,700 5,784 5,366 4,849 4,945

Yük 75N

2,178 3,402 4,537 5,512 5,989 6,034 6,377 5,580 5,081

20

Şekil 2.20. Aşınma hızı-çevrim sayısı ilişkisi [3]

Şekil 2.21. a) 50 N ve b) 75 N yük uygulanmış numunelerin aşınma yüzeylerinin SEM fotoğrafları [3]

21

Şekil 2.22. a) 50N ve b) 75 N yük uygulanmış numunelerin yuvarlanma yönüne paralel kesitten alınmış SEM fotoğrafları [3]

Bu çalışmada, aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır.

1) 40 mm çapında ve 10 mm genişliğindeki ray çeliği numunenin paslanmaz çelik rulman’a karşı 50 ve 75 N yükler altındaki kuru yuvarlanma-kayma aşınması sonucunda aşınma hızı (her iki yük içinde) çevrim sayısıyla önce artmış daha sonra düşme eğilimi göstermiştir.

2) Düşük çevrim sayılarında, düşük yük (50 N) için daha yüksek aşınma hızı gözlenmiştir. 300.000 çevrim ve üzerinde ise, her iki yük için birbirine yakın aşınma hızları tespit edilmiştir.

3) SEM fotoğrafları incelendiğinde, aşınma yüzeylerinin arayüzey basıncı ve kaymanın etkisiyle büyük bir alanın plastik deformasyona uğradığı ve pullanma ile aşınmanın gerçekleştiği görülmüştür [3].

22

3.TREN TEKERLEKLERİ

Tren tekerlekleri üretimi konusunda literatürde neredeyse hiç bilgi yok denecek kadar azdır ve bulunanlar da genelde reklam mahiyetindedir. Fabrikaların soğuk savaş döneminde yapılmış olmaları ve dolayısıyla bilginin saklanmış olabileceği ilk akla gelen nedenlerden biri olabilir. Son yıllarda yapılan çalışmalar ise daha çok ses, titreşim, sıcaklık dağılımının modellenmesi gibi konular üzerinde yoğunlaşmıştır. Söz konusu çalışma için gerekli literatür bilgileri merkezi Paris’te bulunan Uluslararası Demir Yolu Birliğinin (UIC) denetimi altındadır. Yayınlanan birkaç üretim çalışmaları da patent olarak karşımıza çıkmaktadır. Halen mevcut tekerlek üretiminde dövme veya doğrudan döküm yöntemleri kullanılmaktadır. Dövme yönteminde ingot veya kütük halinde dökülen çelik, ardından presle dövülerek şekillendirilir. Dövme için çok yüksek kapasiteli (8.000-10.000 ton) preslere ihtiyaç vardır ki bu ülkemizde mevcut değildir. Son şekillendirme ise kenar haddeleme veya şahmerdanla dövülerek yapılmaktadır. Dövme ve haddeleme ara işlemlerinde tekerlekler gerilim giderme işlemine tabi tutulurlar. Döküm yönteminde ise tekerlek dökümü hemen her üreticide karbon kalıplarda yapılmaktadır Döküm işlemi için alçak basınç kontrollü veya gravity prosesleri tercih edilen yöntemlerdir [10].

3.1.Üretim Şekli

Tren tekerlekleri, geleneksel olarak çelik ingotlardan dövme olarak üretilmektedir. Ancak, dövme işlemi için 8.000-10.000 ton gibi çok büyük dövme preslerine ve hadde aparatlarına ihtiyaç oılduğundan yatırım ve işletim maliyetleri çok yüksektir. Son yıllarda, metalurji alanındaki gelişmelere bağlı olarak ABD, Hindistan ve Güney Afrika’da tren tekerleği doğrudan döküm olarak üretilmektedir [9].

Şekil 3.1. Tren Tekerleği Modeli

Dökümü yapılacak olan tren tekrlerğinin 1/16’lık kısmı modellendikten sonra Şekil 3.2 ’de gösterildiği gibi döküm kalıbı tasarlanmıştır [10].

23

Şekil 3.2. Döküm Kalıbı [10]

Ergitme işleminde 25 kg kapasiteli indüksiyon ocağı kullanılmıştır. Döküm işlemi için tasarlanan kimyasal analiz doğrultusunda ergime esnasında ergiyik metale FeSi, FeMn ve FeV ilaveleri yapılmıştır [10].

Döküm işleminin ardından elde edilen tren tekerleği dilimine bileşim farklılıklarını gidermek amacıyla difüzyon tavlamasına ve ardından normalleştirme tavlaması yapılmıştır. Şekil 3.3’te gösterilen kesitlerinden su verme işlemi için numuneler çıkarılmıştır. Çıkarılan numune boyutları 120mm x 30mm x 10mm dir [10].

Şekil 3.3. Dökümü ve ön ısıl işlemi yapılan tekerlek diliminin ıslah işlemi öncesi testere ile keserek dilimlere ayrılması [10]

24

A ve B gruplarına yapılan işlemler tablo 3.1’de verilmiştir.

Tablo 3.1. : Şekil 3.3’te gösterilen ve döküm parçadan alınan numunelerine yapılan işlemler [10]

Numune Sayısı A Grubu B Grubu Yapılan İşlem3 A0 B0 İşlem Yapılmamış3 A1 B1 1 defa su verilip

menevişlenmiş3 A3 B3 3 defa su verilip

menevişlenmiş3 A5 B5 5 defa su verilip

menevişlenmiş

Döküm sonrası elde edilen tekerlek diliminin kimyasal analiz sonuçlarına göre Andrew formülü kullanılarak AC1 ve AC3 sıcaklıkları tespit edilmiş ve su verme sıcaklığı 8650C olarak seçilmiştir [10].

Su verme işlemi için numuneler 865°C’de 30 dakika bekletilip yağda su verilmiştir. Su verme işleminden sonra 550°C’de 1 saat menevişlenmiştir. 5’inci su verme işlemine kadar bu sıra takip edilmiştir. Yapılan işlemler grafiksel olarak Şekil 3.4’te gösterilmektedir [10].

Şekil 3.4. Yapılan Isıl İşlemlerin Şekil Olarak Gösterilmesi [10]

25

Şekil 3.5. Dökülen Tren Tekerleği Diliminin a) Döküm Hali ve b) 1 Defa Su Verilip Menevişlenmiş Halindeki Mikroyapıları [10]

Şekil 3.6. Dökülen Tren Tekerleğinin c) 3 Defa d) 5 Defa Su Verilmiş ve Menevişlenmiş Halindeki Mikroyapıları [10]

Sonuç olarak; döküm yöntemiyle tren tekerleğinin üretilebilirliği çalışmaları sonuçları; döküm yöntemi ile elde edilen tren tekerleğine uygulanan tekrarlı su verme ısıl işlemi ile çekme-akma dayanımı ve sertlik değerlerinde yükselme, % uzamada ise bir miktar düşüş göstermiştir. Mikroyapı sonuçları, su verme tekrarı arttıkça döküm sonrası elde edilen mikroyapıya nazaran daha ince taneli bir mikroyapı oluştuğunu göstermiştir. Deneysel sonuçlar, dökülmüş ve ardından uygulanan tekrarlı su verme ısıl işlemi sonrasında orijinal tren tekerleğinin mukavemet değerlerine oldukça yakın değerlerde mekanik özellikler elde edilebileceğini göstermektedir [10].

26

3.2.Çelik Tipleri

Döküm yoluyla elde edilen alaşımın bileşenleri; C(Karbon): 0.4 - 0.7, Si(Silisyum): 0.4 - 1.2, Mn(Mangan): 0.6-1.2 aralıklarındadır [10].

Döküm işlemi için Ankara TCDD Genel Müdürlüğü’nden temin edilen Tablo 3.2’de kimyasal analizi verilen tren tekerleği hurda malzemesi olarak kullanılmıştır. Önceden tespit edilen miktarlarda ayarlanan alaşım elemanları şarja uygun zamanlarda ilave edilmiştir [10].

Tablo 3.2. TCDD’den Temin Edilen Tren Tekerleğinin Kimyasal Analizi [10]

Alaşım Elemanı

C Si Mn Cr Cu Mo Ni

% 0.52 0.40 0.80 0.30 0.30 0.08 0.30

Şekil 3.7. Orijinal tren tekerleği üzerinden çıkarılmış dilimin mikroyapıları resimleri ve sertlik değerleri [10]

27

Tren yolu vagon tekerlekleri çok yüksek miktarda yorulma ve aşınma kırılmasına maruz kalmaktadır. Tren tekerleklerinde baskın olarak ferrit-perlit alaşımları kullanılmaktadır.Güney Afrika’da üretilen tren tekerlekleri ağırlıkça %0.57-0.77 karbon içeren, ferritik-perlitik mikroyapıya sahip çeliklerdir. Bu çelikler her nasılsa düşük akma dayanımına(~680MPa) ve yuvarlanma temas yorulma dayanımına sahip çeliklerdir. Bu alaşımların normal çekme dayanım oranı 900-1072 Mpa arasındadır ve kimyasal oranına bağlı olmakla beraber uzama oranı da %7-17 arasındadır. Sertlik değerleri ise 255-363 BHN(Brinell Sertlik Numarası) dir [12].

Bu ferrit-perlit çeliğini geliştirme girişimlerinde çeliğin, sertliğini, aşınma dayanımını ve çalışma ömrünü geliştirmeye odaklanılmıştır. Bu tip çeliklerde lamellar arası mesafeyi düşürmek(~0.3μm) için kullanılan mikroalaşımlı V ve Nb başarılı sonuçlar vermiştir. Ray çeliklerinin gelişiminde olduğu gibi, tekerlek çeliklerinde de daha yüksek sertlik değerine ulaşmak için beynit kullanılmıştır. Beynitin kullanılmasının sebebi ise, daha düşük karbon miktarına rağmen daha iyi mikroyapı eldesi ve daha yüksek dayanım, sertlik, tokluk ve kaynaklanabilirlilik değerlerine sahip olmasıdır. Beynit, perlit gibi ferrit ve sementit karışımından oluşur ancak lamelli olmayan bir yapıdır sahiptir. Genel olarak iki tip beynit vardır, alt ve üst beynit. Üst beynit formu 400-5000C sıcaklığı arasında ve iğnesel yapıdaki ferritten oluşur. Karbürler iğnelerin arasındadır. Alt beynit ise 250-4000C sıcaklığı arasındadır. Bu form da iğnesel yapıdaki ferritten oluşur ancak bu kez karbürler iğnelerin içinde yer alır [12].

3.3.Beynitik Alaşımlı Tekerlek Çelik Uygulamalarının Geliştirilmesi

3.3.1.Deneysel Alaşımın Üretimi ve Isıl İşlemi

Klasik B sınıfı ferrit-perlit alaşımı olarak adlandırılan ve beynitik V1 ve V2 alaşımı olarak bilinen bu üç alaşım, aşağıdaki tabloda hedef kompozisyonda gösterildiği gibi atmosfere açık indüksiyon fırınında ergitilmiştir. Alaşımlar için aşağıdaki eşitliklerde hesaplanan kritik ısıl işlem sıcaklıkları belirtilmiştir [12].

Ac1 = 723 - 20.7Mn - 16.9Ni + 29.1Si + 16.9Cr + 290As + 6.38 W

Ac3 = 910 - 203√C - 15.2Ni + 44.7Si + 104V + 31.5Mo + 13.1W

Ms = 539 - 423C - 30.4Mn - 17.7Ni - 12.1Cr - 11.0Si - 7.0Mo

Bs = 630 - 45Mn - 40V - 35Si - 30Cr - 25Mo - 20Ni - 15W [12]

Yukarıdaki kritik sıcaklık değerleri; ferritin östenit sıcaklığına dönmeye başladığı sıcaklık(Ac1), tamamen östenitik yapıya dönüştüğü sıcaklık(Ac3), martenzitin başlama sıcaklığı(Ms) ve beynitin başlama sıcaklığı(Bs). Bu sıcaklıklar, tavlama, temperleme, homojenleştirme ve tuz banyosunda kullanılan sıcaklıklardır [12].

Döküm sonrası, B Sınıfı alaşıma 870°C’de çözelti tavlaması yapılmış ve ardından iki saat boyunca sprey suyla çelik soğutulmuştur. Daha sonra 580°C’de temperlenmeden önce havada normal soğutulmasına izin verilmiştir [12].

28

Tablo 3.3. Deneydeki alaşımın hedef kompozisyonu [12]

Numune Element (Kütlece%)C Mn Si Al Cr B

B Sınıfı 0.57-0.67 0.60-0.90 Min 0.15 Maks 0.08 Maks 0.3 -V1 0.3-0.4 1.5-2 2-3 0.02-0.03 0.5-0.6 0.0015-

0.003V2 0.3-0.4 1.5-2 0.5-1 0.02-0.03 0.5-0.6 0.0015-

0.002

Tablo 3.4. Deneydeki alaşımın gerçek kompozisyonu [12]

Numune Element (Kütlece%)C Mn Si Al Cr B

B Sınıfı 0.59 0.72 0.4 0.07 0.3 -V1 0.41 1.99 2.8 0.02 0.5 0.003V2 0.40 1.79 0.8 0.02 0.5 0.002

V1 ve V2 alaşımları, döküm işleminden sonra 2 saat boyunca 10000C’de homojenize edildikten sonra soğutulmuştur. Bu alaşım palkaları daha sonra, 10000C’de 300mm x 70mm x 15mm boyutlarına dövülüp, sıcak haddelenmiştir. Bu plakalar daha sonra da, östenitlenip(Ac3+500C) ve hızlı su verilerek 1 saat boyunca 4000C de tuz banyosu yaptırılarak beynite geçmesine izin verilmiştir [12].

Tablo 3.4’te V1 ve V2 alaşımlarının içindeki Si içeriğinin beynit formundaki etkisi saptanmıştır. Magnezyum(Mn) ve Krom(Cr) sertleşebilirlik artması için eklenmiştir. Beynitin sertliğinin artmasını ve allotromorfik ferrit formunu önlemek için Bor(B) eklenmiştir [12].

Döküm, homojenleştirme ve ısıl işlem durumlarıyla üretilen alaşımın mikroyapıları aşağıdaki resimlerde gösterilmiştir. Resim 3.3.1.1’de B Sınıfı alaşımının ve sırasıyla resim 3.3.1.2 ve resim 3.3.1.3’te V1 ve V2 alaşımlarının mikroyapıları gösterilmektedir. Mikroyapılar B Sınıfı alaşımın ham dökümle ve çözelti işlemleri sonrasındaki ferrit-perlit fazlarını göstermektedir. Çözelti tavlaması ve temperlemesi perlitik yapıyı iyileştirmektedir [12].

Resim 3.8.(a)’da ham dökülmüş V1 mikroyapısındaki ferrit-perlit gözükmektedir. Homojenizasyon işlemi sonrasında perlitin iyileştiği resim 3.8.(b)’de gösterilmketedir. Son mikroyapı ise ısıl işlem sonrası üst beynit ve temperlenmemiş martenziti göstermektedir. Gösterilen V2 alaşımı mikroyapısında (a) ham dökülmüş perlit, (b) homojenize yöntemle iyileştirilmiş perlit ve (c) ısıl işlem uygulanmış üst beynit görmek mümkündür [12].

29

Resim 3.8. (a) ham dökülmüş ferrit-perlit ve (b) çözelti işlemleriyle temperleme uygulanmış B Sınıfı alaşımın mikroyapısı [12]

Resim 3.9. V1 alaşımındaki (a) ham dökülmüş perlit, (b) homojenizasyonla iyiletirilmiş perlit fazı ve (c) ısıl işlem uygulanmış durumdaki üst beynit ve martenzit yapısı [12]

30

Resim 3.10. V2 alaşımının mikroyapısı, (a) ham dökülmüş perlit fazı, (b) homojenize yöntemle iyileştirilmiş perlit fazı, (c) ısıl işlem uygulanmış üst beynit [12]

31

4.SONUÇLAR VE İRDELEME

Ray üretiminde bilgisayarlı tekniklere geçiş yüksek hızlı tren için gerekli olan kaliteyi yakalamasını sağlamıştır. Sürekli döküm de ray çeliğinin kalitesinin artmasında önemli bir rol oynamıştır. Tren ray çelikleri perlitik yapıdadır. Ancak bu perlitik yapının sertliği yüksek hızlı trenler için yetersiz kaldığı görülmüştür. Yapılan araştırmalar ray çeliklerinin kaba taneli perlitik iç yapıdan sıkı dizili perlitik içyapıya yönlenmeye sebep olmuştur. Ayrıca, uluslararası standartlar, mantar içyapısının sıkı dizili ya da ince perlit diye bilinen, sementitin katmanlararası uzaklığının çok düşük olduğu bir perlit oluşumu gerekmektedir. Öte yandan beynit içyapılı ray çelikleri de dünyanın çeşitli ülkelerinde denenmektedir. Dünyada raylar için UIC60 tipi ray çeliğine geçilmiştir. Ülkemizde ray çeliği üretimine başlamış ve bu konuda dışa bağımlılığını ortadan kaldırmıştır.

Tren tekerlek üretiminde kullanılan pres sistemleri çok pahalı olduğundan çok fazla ülkede üretilmemektedir. Bu konuda Türkiye de yurtdışına bağımlılığını sürdürmektedir. Dünyada önde gelen tekerlek çelik üretici ülkeler genel olarak döküm yöntemiyle üretmektedirler. Tren yolu tekerlekleri çok fazla yorulma ve aşınma kırılmasına maruz kalmaktadır. Bu sebeple tren tekerleklerinde baskın olarak ferrit-perlit alaşımları kullanılmaktadır. Ray çeliklerinde olduğu gibi, daha yüksek sertlik değerine ulaşmak için, daha düşük karbon miktarına rağmen daha iyi mikroyapı eldesi ve daha yüksek dayanım, sertlik, tokluk ve kaynaklanabilirlik değerlerini verdiği için beynit kullanılmıştır.

32

KAYNAKÇA 1. http://tr.wikipedia.org/wiki/Hızlı_tren

2.http://iiss12.karabuk.edu.tr/papers/HEAT%20TREATMENT/YKSEK%20HIZLI%20TREN%20OLGUSU.pdf

3. http://teknolojikarastirmalar.com/pdf/tr/01_020105_cakmak_i_tr.pdf

4. http://www.e-kutuphane.imo.org.tr/pdf/12073.pdf

5. http://hizlitren.tcdd.gov.tr/home/detail/?id=6

6. http://www.kardemir.com/frmTesis.aspx?id=4&SectionID=tesis

7. http://www.forumacil.com/forumda-basligi-olmiyan-konular/391199-tren-raylari-dosenirken-raylarin-arasinda-neden-bosluk-birakilir.html

8. http://www.tcdd.gov.tr/upload/Files/ContentFiles/2007/60kgray.pdf

9. http://tez2.yok.gov.tr/

10. http://iats09.karabuk.edu.tr/press/bildiriler_pdf/IATS09_04-01_1603.pdf

11. Al. Mickiewicza, “ The microstructure and properties of the new bainitic rail steels”, 2008, p. 19-22

12. A. Kapito, W. Stumpf, M.J. Papo, “ On the development of Bainitic Alloys for railway wheel applications”, 2012, p. 539-544

33