4.4 Accelererad korrosionsprovning i klimatkammare
5.2.1 Mikrostrukturer
Borrning leder till plastisk deformation i materialet närmast hålets kanter. Det deformerade materialet får högre hårdhet än grundmaterialet. Tjockleken på den plastiskt deformerade zonen har mätts upp i mikroskop.
Tjocklek på deformerad struktur
0 20 40 60 80 100 120
Cembre 16 Dubuis R260 :14 Dubuis R320Cr :14
Tj oc kl ek ( µ m )
Diagram 17: Medelvärden av tjockleken på plastiskt deformerad struktur, 6 stycken mätningar har gjorts på varje prov.
1. Bakelit 2. Deformerad struktur 3. Intryck från hårdhetsmätning 4. Grundmaterial (perlit)
Bild 59: Tvärsnitt av borrat hål, Dubuis R260: 14, bild tagen i ljusoptiskt mikroskop vid 100x förstoring. Etsad i Nital 3 %.
Zonen med den plastiskt deformerade strukturern på bild 59 hade en tjocklek som mättes upp till 158 µm.
Borrprov Mätning 1 2 3 4 5 6
Cembre 16 Tjocklek (µm) 16 19 25 33 39 40
Dubuis R260:14 Tjocklek (µm) 43 82 72 139 153 158
Dubuis R320Cr:14 Tjocklek (µm) 18 19 20 18 20 16
Tabell 11: Tjocklek på zonen med plastiskt deformerat material.
Borrpov Antal Medel- Median Standard- Lägsta Högsta mätvärden värde avvikelse tjocklek tjocklek
Cembre 16 6 st 19 µm 19 µm 1,5 µm 16 µm 20 µm
Dubuis R260 :14 6 st 107 µm 110 µm 48 µm 43 µm 158 µm
Dubuis R320Cr :14 6 st 29 µm 29 µm 10 µm 16 µm 40 µm
Tabell 12: Statistik över tjocklek på zonen med plastiskt deformerat material.
Det verkar inte finnas något samband mellan tjockleken på den plastiskt deformerade zonen och hållfastheten på rälsstålet. Materialet i Cembreprovet var troligen R220, se bild 60 på nästa sida. R220 har lägre kolhalt och hållfasthet än R260.
1. Bakelit 2. Deformerad struktur 3. Intryck från hårdhetsmätning 4. Grundmaterial (perlit och korngränsferrit) 5. Korngränsferrit
Bild 60: Tvärsnitt av borrat hål på Cembreprov 16, bild tagen i ljusoptiskt mikroskop vid 200x förstoring. Etsad i Nital 3 %.
Det finns ganska mycket korngränsferrit i rälsstålet från Cembreprovet (bild 60). Materialet som Cembres anslutningar levererades på är troligen R220 som har en lägre kolhalt.
1. Bakelit 2. Deformerad struktur 3. Intryck från hårdhetsmätning 4. Grundmaterial (perlit)
Bild 61: Tvärsnitt av borrat hål på Dubuis R320Cr:14, bild tagen i ljusoptiskt mikroskop vid 100x förstoring. Prov etsat i Nital 3 %.
I mitten på bild 60 och 61 syns zoner med plastisk deformerad struktur med intryck från hårdhetsmätningar. Hos Cembre nr 16 (översta bilden) sågs en deformation som hade
Bild 62: Tvärsnitt genom kanten på borrat hål, Dubuis R320Cr, prov 15. Bild tagen i ljusoptiskt mikroskop vid 200x förstoring, polerat prov.
Bild 63: Tvärsnitt genom kanten på borrat hål, Dubuis R320Cr, prov 15. Bild tagen i ljusoptiskt mikroskop vid 500x förstoring, prov etsat i Nital 3 %.
På bild 62 och 63 syns små hack/flikar som bildats vid borrningen.
1. Små hack/flikar som bildats vid borrningen
2. Grundmaterial
1. Ett litet hack i borrytan 2. Grundmaterial (perlit)
5.2.2 Hårdhet
På varje prov som snittades tvärs över hålet gjordes 6 hårdhetsmätningar samt en
referensmätning (se bild 64). Provlasterna som användes var 300 gram och i några enstaka fall 100 gram. Hårdhetsvärden presenterades som HV 0.3 och HV 0.1. På borrprover som inte snittades gjordes 4 hårdhetsmätningar runt hålet (se bild 65). Hårdheten på den deformerade strukturen mättes också och visade sig vara hårdare än grundstrukturen (se tabell 15).
Hårdhet, Cembre och Dubuis
0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 200 400 600 800 1000 Avstånd från hålet (µm) H å rd h e t (H V 0 .3 ) Cembre 16 Dubuis R260:14 Dubuis R320Cr:14
Diagram 18: Hårdhet i rälsmaterialet på olika avstånd från kanten på det borrade hålet.
Prov Mätning 1 2 3 4 5 6 7
Cembre 16 Avstånd (µm) 45 120 230 375 494 639 Ref
HV0.3 331 257 250 238 246 234 261
Dubuis R260:14 Avstånd (µm) 91 273 434 594 759 917 Ref
HV0.3 266 269 267 256 272 248 256
Dubuis R320Cr:14 Avstånd (µm) 124 262 400 553 707 868 Ref
HV0.3 326 297 334 315 329 301 329
Tabell 13: Hårdhet i rälsmaterialet på olika avstånd från kanten på det borrade hålet. 7: e mätningen är en referensmätning gjord på cirka 6-7 mm avstånd från borrkanten.
Mätningarna har gjorts på förhållandevis stora avstånd från borrkanten jämfört med tjockleken på den deformerade strukturen, det är alltså troligt att hårdheten är högre omedelbart i närheten av den borrade hålkanten.
Bild 64: Illustration över hårdhetsmätningen på borrade prover. Hårdhet, Dubuis 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 200 400 600 800 1000 Avstånd från hålet (µm) Hår d h et (HV 0 .3) Dubuis R260:15 Dubuis R320Cr:15
Diagram 19: Hårdhet i rälsmaterialet på olika avstånd från kanten på det borrade hålet. Mätningarna 1 till 4 är inte gjorda i en linje som tidigare utan ett i varje vädersträck i förhållande till hålets mittpunkt.
Prov Mätning 1 2 3 4
Dubuis R260:15 Avstånd (µm) 152 917 493 382
HV0.3 298 268 278 250
Dubuis R320Cr:15 Avstånd (µm) 120 240 116 280
HV0.3 385 362 348 340
Tabell 14: Hårdhet i rälsmaterialet på olika avstånd från kanten på det borrade hålet. Mätningarna 1 till 4 är inte gjorda i en linje som tidigare utan ett i varje vädersträck i förhållande till hålets mittpunkt.
Bild 65: Illustration över hårdhetsmätning nr 2 på borrade prover.
Hårdhet i deformerad struktur
0 100 200 300 400 500 600 700
Cembre 16 Dubuis R320Cr:14 Dubuis R260:14
H år d he t (H V 0 .1 )
Diagram 20: Hårdhet i den plastiskt deformerade strukturen vid borrytan/hålkanten.
Prov Mätning 1 2 3 4
Cembre 16 HV 0.1 585 548 606 340
Dubuis R320Cr:14 HV 0.1 560 642
Dubuis R260:14 HV 0.1 606 606
Tabell 15: Hårdhet i den plastiskt deformerade strukturen nära borrytan/hålkanten, mätningar har gjorts i områden som ligger i omedelbar närhet av hålkanten/borrytan. Avståndet ligger inom ca 5-50 µm avstånd från hålkanten/borrytan.
5.2.3 Korrosion
Resultaten av korrosionstesterna i klimatkammaren på borrade anslutningar visade att rosten trängde in längs ytterkanterna av hylsan på både Dubuis- och Cembreprover. Totalt utsattes fyra stycken borrprover av märket Cembre och två stycken borrprover av märket Dubuis för korrosionstest. Proverna från Cembre var demonstrationsexemplar och lackerade med svart färg. Färgen togs bort genom att provet lades i aceton i ett ultraljudsbad i cirka 10 min. Lacken hade troligen ingen inverkan på resultaten. De fyra proverna från Cembre sattes in i
klimatkammaren samtidigt som pinnlödningarna d.v.s. den 12 juni 2006 och togs ut den 3 juli 2006. De två proverna från Dubuis levererades senare och sattes in den 20 juni 2006 och togs sedan ut den 7 juli 2006 vilket betyder att de var inne 4 dygn mindre än Cembre proverna. Dubuisproverna var av R260-material och av R320Cr-material, alltså en av varje sort. Cembreproverna var demonstrationsexemplar och uppgift saknas om stålsorten, med de undersökningar av mikrostrukturen som har gjorts tyder på att det rör sig om ett rälsstål med lägre kolhalt, troligen R220.
Bild 66 och bild 67 visar hur korrosionen påverkat proverna.
1. Korrosion 2. Kopparhylsa
3. Grundmaterial
Bild 66: Cembre R260 nr 16, korrosion i ytterkant på kontaktpressad hylsa, bild tagen i stereomikroskop vid 6,4x förstoring.
1. Kopparhylsa
2. Korrosion 3. Grundmaterial
Bild 67: Tvärsnitt av Cembre R260 nr 16, korrosion i ytterkant på kontaktpressad hylsa, bild tagen i stereomikroskop vid 6,4x förstoring.
1. Kopparhylsa 2. Korrosion 3. Grundmaterial
Bild 68: Tvärsnitt av Cembre R260 nr16, bild tagen i stereomikroskop i 40x förstoring.
Proven snittades på mitten efter klimattest och analyserades i stereomikroskop. På bilden ovan visas Cembre, R260 nr 16. Korrosion har endast trängt in under ytterkanten av
Bild 69: Borryta på Dubuis R260: 13, bild tagen i stereomikroskop i 6,4x förstoring.
Bild 70: Korroderad borryta på Dubuis R260: 13, bild tagen i stereomikroskop i 6,4x förstoring.
Bild 69 och 70 visar borrytan på Dubuisprov R260 nr 13. På bild 69 syns vänster sida av hålet där ingen korrosion bildats medan på andra sidan (bild 70) syns att ytan börjat korrodera.
Bild 71: Korroderad borryta på Dubuis R320Cr: 13, bild tagen i stereomikroskop vid 6,4x förstoring.
Bild 72: Korroderad borryta på Dubuis R320Cr: 13, bild tagen i stereomikroskop vid 6,4x förstoring.
Bild 71 och 72 visar borrytan på Dubuisprov R320Cr nr 13. På bild 71 syns att kanten börjat korrodera och på andra sidan av borrhålet (bild 72) syns även större spår av korrosion
6 SL: s erfarenheter av Cembres anslutningar
Bild 73. Två av Cembres anslutningar ute på ett av SL: s spår.
Alexander Santos som är materialansvarig på SL - Storstockholms Lokaltrafik berättade att de har använt Cembres anslutningar i huvudsak på SL i ca 5 år utan att det orsakat några problem på rälsmaterialet. Anders Liljegren är besiktningsman på elektroavdelningen och berättade om sina erfarenheter av besiktningar på Cembres anslutningar. När man införde Cembres borrade anslutningar för cirka 5 år sedan var det ibland något problem innan montörerna blivit vana vid att montera de borrade anslutningarna. Det hände någon gång att man inte satt i hylsan direkt efter hålet hade borrats och korrosion hade då direkt börjat bildas i hålet och en ny anslutning hade då fått göras om. Sedan dess har det inte varit några problem med Cembres anslutningar alls och det finns därför ingen statistik gjord på anslutningarna heller. Vid borrningen av hålet i rälen används en skärvätska för att inte borren ska slitas ut för snabbt. Cembres borrade
anslutningar används överallt förutom i växlar där man inte kunnat borra p.g.a. trånga utrymmen. Där används istället pinnlödningar. Nu har dock företagen som tillverkar växlar börjat kunna leverera växlar med färdiga hål borrade i rälsen där man kan sätta Cembres anslutningar, så numera sitter även Cembre anslutningar på nya växlar. På Roslagsbanan används emellertid pinnlödningar fortfarande på vissa sträckor där det finns gamla räler med udda rälsprofiler.
7 Diskussion
7.1 Lödda kontaktförbindningar
Vid undersökningarna av pinnlödningarnas hållfasthet visade det sig att lödningarna inte kunde dras loss från rälen med skjuvande last, vilket var något som antagits. Förväntningarna var att några lödningar skulle lossna. Proverna brast i kopparledningen och detta visar att vid
skjuvning med konstant draghastighet är lödningen generellt sett starkare än kopparledningen. Medelvärdet för brottkraften hos skjuvade lödningar som alla brast i kopparledningen,
beräknades till 3,9 kN och visar därmed hur stor belastning kopparledningen klarar. På 5 st pinnlödningar av 14 som fläktes skedde brottet i lödningen och medelvärdet för brottkraften beräknades då till 1,6 kN. På 9 st pinnlödningar av de 14 som fläktes skedde brottet i
kopparledningen/kabelskon med en medelbrottkraft på 4,0 kN. En av dessa 9 pinnlödningar utsattes för korrosionstest före dragprovning. I det fallet resulterade brottkraften i ett ovanligt högt värde på 4,5 kN vilket är högre än genomsnittet på samtliga 14 stycken fläkta
pinnlödningar. Men eftersom endast två pinnlödningar dragprovades efter klimattestet kan ingen slutsats bestämmas utifrån denna studie. Att vissa prover lossnade vid laster på 1,1-1,3 kN skulle kunna förklaras med små skillnader vid fastsättning i dragprovmaskinen, vilket ger en annan momentkraft. Andra förklaringar till låga brottlaster kan bero på hur lödningen utförts. Lodet kan ibland smälta ut i olika riktningar och resultatet blir olika stora lödfogar. Lödningar gjorda i -5ºC visade sig inte ha lägre hållfashet än genomsnittet. Att löda i
minusgrader rekommenderas inte men resultaten i undersökningarna säger att hållfastheten inte påverkas. Vid en jämförelse mellan resultaten från ultraljudprovningen av lödfogar och
resultaten från dragprovningen syntes inget tydligt samband. Som exempel kan nämnas att det prov som fick bäst resultat vid ultraljudundersökningen, pinnlödning R260 nr. 4, var ett av de prover som gick av vid lägst brottkraft vid fläkning. Mängden lod som smälter och fogar samman kabelskon med rälsmaterialet skulle teoretiskt kunna vara större men skulle förmodligen inte ge några större fördelar. Det krävs i snitt motsvarande 210 kg tyngd med konstant draghastighet för att fläka loss en nygjord pinnlödning. Det förekommer att nygjorda pinnlödningar lossnar En trolig orsak till att nya pinnlödningar lossnar efter en kort tid är att förarbetet inte utförts korrekt. Noggrann slipning av rälslivet (metallrent) och torra ytor innan lödningen görs är mycket viktigt för att lödningen ska fästa ordentligt.
Vid en jämförelse mellan den uppmätta arean hos lödfogen på fyra pinnlödningar som fläkts loss och deras brottkraft, sågs där inget tydligt samband. Vid en jämförelse mellan hur bra lodpinnen var fastlödd syntes däremot sambandet att ju bättre lodpinnen fastnat desto högre brottlast vid fläkning.
Resultaten från undersökningarna av mikrostrukturen ligger i stort sett i linje med de
antagandena som gjorts. Hos alla pinnlödningar påvisades martensit i form av en lins. Djupet av linsen mättes upp i till 0,56-0,83 mm. Medelvärdet beräknades till 0,73 mm. Linsdiametern varierade mellan 8,40-12,69 mm och medelvärdet beräknades till 10,69 mm. Största och minsta utbredning av linsen hittades på stålsortsort 350 LHT nr 6 respektive 7. Resultaten visade också vissa skillnader i hårdhet på martensitlinsen. Stålsort R320Cr var något hårdare i
martensitlinsen än R260. Ett av proverna löddes i -5ºC, prov R260 (900A) nr 12, men visade ingen större avvikelse från medlet i djup eller diameter.
I prov R320Cr nr 8 hittades en mikrospricka som sträcker sig från kabelskon och en bit genom lodpinnen. Alltså ingen påverkan i rälsmaterialet. På prov 370 LHT nr 9 hittades en mindre lodrät mikrospricka (5-10µm) i martensiten närmast kabelskon och hos prov R260 (900A) nr 12 (-5°) upptäcktes några mindre mikrosprickor, vilka breder ut sig på längden. Dessa är härdsprickor som bildas vid svalningen. Mikrosprickorna som hittats är i och för sig initialsprickor men är så små att de inte borde påverka rälsens hållfasthet.
Eftersom det bildas martensit vid pinnlödning ska upprepad pinnlödning i samma område undvikas. Mellan två pinnlödningar ska det vara ett avstånd på minst 10 mm. I praktiken innebär det att två kabelskor kan pinnlödas fast bredvid varandra. Skulle man bli tvungen att göra en ny lödning på samma ställe där det tidigare funnits en pinnlödning ska underlaget först slipas ordentligt.
Resultaten från hårdhetsmätningarna ger god uppfattning om hårdheten i linsen men även i gränsområdet mellan martensit och perlit. Resultaten från hårdhetsmätningarna stämmer bra med de antaganden om att strukturernas hårdhet skulle skilja sig i betydande utsträckning. Undersökningarna av pinnlödningarna i SEM efter klimattestet visade tydligt att korrosion tränger in under kabelskon där det inte finns någon lödfog. Detta var också ett antagande även om omfattningen var mycket begränsad. Det påskyndande korrionstestet visar alltså att
lödningarna inte försämras av korrosionen. Effekterna på längre sikt är inte undersökta och måste i så fall göras med flera faktorer som påverkar lödningarna samtidigt. Troligen skulle sådana tester visa att förarbetet till lödningen är den viktigaste faktorn för att uppnå bra kvalitet. Generellt gäller samma resonemang kring hållfastheten på Safe Bond. Dragning med skjuvande last fick inte lödningarna att lossna. Brottet inträffade i kopparledningen vilket även här säger att kopparledningen är svagare än lödningen vid skjuvning med konstant draghastighet. Hållfasthetstesterna med fläkning visade att lödningarna kunde dras loss från lödstället. 350LHT nr 1 och 2 lossnade vid 0,7 respektive 2,9 kN. Båda drogs med en hastighet på 50 mm/min. Den stora skillnaden i brottlast tyder på att lodet hos nr 1 fäst extremt dåligt. Värdet för nr 2 är normalt. Tolkning av resultaten är baserade på ett färre antal prover än pinnlödningarna men de visar ändå att hållfastheten begränsas av kopparledningen. Tvärsnittsarean på kopparledningen är samma som pinnlödningarnas. Förekomsten av martensit hittades inte på något av Safe Bond proverna. Detta förklaras främst med den lägre temperaturen under lödningen. Undersökningarna i SEM påvisade emellertid vissa andra strukturförändringar men som inte ökar risken för sprickbildningar. Se bild 47 som visar tendenser till begynnande sfärodisering.
7.2 Kontaktförbindningar genom borrade hål
Hållfastheten testades inte på borrade prover på grund av antagandet att kontaktförbindning med bultförband ska klara mycket stora dragspänningar. Undersökningarna av strukturen i materialet runt hålkanterna visar inga större avvikelser från normalstrukturen.
Mikroskopanalyserna visade att strukturen mestadels var opåverkad med undantag av ställen där deformationer och hack/flikar hittades nära borrytan. Uppkomsten av dessa deformationer förklaras med borrningen i rälen. Mätningar gjordes på deformationerna för att fastställa både tjockleken och hårdheten. Inga samband mellan tjockleken på den plastiskt deformerade zonen och hållfastheten på rälsstålet kunde hittas.
Vid hårhetsmätningarna som gjordes på avstånd över 45 µm från borrkanten framkom värden som är normala för respektive stålsort. Hårdhetsmätningarna i de deformerade strukturerna som ligger precis på kanten till borrytan (mellan ungefär 0-50 µm från borrkanten) utförda på Dubuis R260 nr 14, R320Cr nr 14 och Cembre nr 16 visade värden mellan 548 till 642 HV0,1. Ett mätvärde visade hårdheten 340 HV0,1. Troligen är den mätningen gjord utanför den
deformerade strukturen. Medelvärdena för tjockleken av den deformerade strukturen hos de tre proverna varierade mellan 19-107 µm. Bild 59 visar tydligt hur en av deformationerna ser ut. Resultaten från mätvärdena visar följaktligen stora variationer i tjocklek. De största
deformerade strukturerna hittades på prov Dubuis R260 (900A) nr 14. Orsaken till detta kan troligen förklaras med utförandet av borrningen snarare än stålsorten. Proverna i den här undersökningen levererades av två olika leverantörer. Generellt verkar borrning i rälen inte påverka rälsmaterialet annat än de små deformationerna. Hårdheten i de deformerade strukturer som bildas ligger på ca 600 HV0,1 men är troligen inte orsaken till att sprickor uppkommer i rälen utan istället själva hålet som påverkar hållfastheten. Grader bildas vid borrning vilket kan initiera sprickor och är något som måste uppmärksammas vid montering av borrade
kontaktförbindningar.
Banverkets databas för rapportering från besiktningar med oförstörande provning (BESSY) säger att under år 2005 hittades totalt 2574 defekter vid kontroller med ultraljud. Från
statistiken hos borrade hål rapporterades 142 stycken defekter eller sprickor (feltyper UIC 135 och UIC 235). Troligen initieras sprickorna av grader när materialet avverkas i samband med borrning i rälen. Statistiken fram till 1:a september 2006 säger att det totala antalet defekter blev 1851. Antalet defekter/sprickor från borrade hål (med feltyper UIC 135 och UIC 235) var 122 stycken. Motsvarande antal defekter/sprickor från elektriska kontaktförbindningar gjorda genom pinnlödning var 0 (UIC 481). Borrning i rälen har alltså en negativ inverkan på
hållfastheten. Vid ett eventuellt val av borrade förbindningar som standard istället för lödningar skulle det förmodligen resultera i färre lossade anslutningar och många gånger fler borrade hål i Banverkets spår. Troligen skulle hållfastheten i rälerna påverkas och antalet sprickor från borrade hål öka.
Utveckling av korrosionsprodukter upptäcktes i ytterkanterna på samtliga anslutningar genom borrade hål. Spår av korrosion upptäcktes också innanför hylsorna vilket stämmer väl överens med att rosten breder ut sig även på ställen som förväntas vara täta och inneslutna. Resultatet är därmed rimligt. På bild 66 syns ett snittat borrprov med korrosion i ytterkanten. På längre sikt är det troligt att korrosionen skulle tränga in under hela förbindningshylsan och påverka rälens grundmaterial.
8 Slutsatser
Slutsatserna som presenteras är baserade på resultaten av undersökningarna i rälsmaterialet efter pinnlödning, lödning med Saft Bond och anslutning genom borrning och gäller för den utrustning leverantörerna använt vid monteringarna.
• Pinnlödning leder martensitbildning i form av en lins vilken har en genomsnittlig utbredning på 10,69 mm i diameter och 0,73 mm i djup. Safe Bond orsakade ingen martensitomvandling.
• Lödningens hållfasthet är starkare än kopparledningens hållfasthet vid skjuvande dragning. Vid fläkande dragning inträffade brott i lödningen på cirka hälften av proverna.
• Pinnlödningar ska sättas på ett avstånd av minst 10 mm ifrån varandra. I praktiken innebär det att två pinnlödningar kan sättas bredvid varandra.
• Borrning i rälen ger deformationer och högre hårdhet i materialet kring borrhålet. • Korrosion tränger in under kabelskon på pinnlödningar i områden där ingen lödfog
finns. Detta påverkar inte hållfastheten i anslutningarna. På kontaktförbindningar via borrade hål tränger korrosion in mellan kopparhylsan och det borrade hålet.
9 Referenser
Banverket. (2005). Katalog över rälsfel. Handbok: BVH524.100. Banverket. (1999). Signalteknisk information. BT 95088.
Dahlberg, T. (2001). Teknisk hållfasthetslära. Studentlitteratur: Lund.
Frennelius, A. (2002). Sannolikhetslära och statistisk inferens för tekniska utbildningar. Västerås Statistikutbildning: Västerås.
KTH, Institutionen för metallografi. (1986). Materiallärans grunder. KTH: Stockholm. Lundh, H. (1998) Grundläggande hållfasthetslära. KTH: Stockholm
SS 11 25 17. (1983). Metalliska material – Hårdhetsprovning – Vickersprovning. Metallnormcentralen: Stockholm.
SS-EN 13674-1. (2002). Järnvägar -Spår -Räls-Del 1: Vignolräls fr o m 46 kg/m. Ullman, E. (2003). Karlebo Materiallära. Liber: Värnamo.