철도 레일의 변천 및 재질

□ 레일종류의 변천

⑴ 30kg레일, 37kg레일

미국토목학회(American Society of Civil Engineers：A.S.C.E)가 1893년에 제정한 것으로 형식의 특징은 레일높이와 저폭이 같다. 각부의 단면비율은 어느 것도 두부 42%, 복부 21%, 저부 37%로 되어 있다.

⑵ 50kg레일

미국의 펜실바니아 철도가 1910년항 제정한 P.S(Pennsylvania Section)형이다. 두부가 크고 저단부가 두꺼워 마모, 부식에 대해 유리한 단면이다.

⑶ 40kg N레일, 50kg N레일, 50kg T레일

40kgN레일, 50kgN레일은 그때까지 사용된 37kg 레일 50kg레일의 개량단면이다. 이 신레일 단면형상의 특징은, 두부형상이 2심원으로부터 3심원으로 되었고, 상수부 하수부의 곡률이 크게 되었고, 저부경사가 2단으로되어 종방향 단면 2차 Moment가 크게 되어 있다.

⑷ 60kg레일

일본의 신간선건설에 맞춰 장래의 통과 ton수의 증가 250km/h 운전을 예상, 보수작업의 경감 및 레일수명의 연장을 위해 1967년 제정되었다. 50kg T레일에 비해 종방향 횡방향의 단면2차 Moment가 35%크고, 두부높이가 차륜 flange 높이 5mm 증가를 예상해서 높였다. 50kg T레일은 1972년부터 생산을 중지했고, 60kg레일로 교환되었다. 1974년부터 재래선에도 60kg레일이 쓰여지고 있다. 우리나라도 같은 해부터 경부선, 경인선 등 주요선에 교환되었다.

 

 

□ 레일의 기호

평저레일의 측면은 각국마다 여러가지가 사용되고 있으나 국철에서는 미국과 일본의 레일단면을 채택하고 있으며 표준단면과 기호는 다음과 같다.

⑴ A.S.C.E or A.S형 레일

미국토목학회(American Society of Civil Engineering)가 설계하여 1893년 결정한 기호

⑵ A.R.A or R.A형 레일

미국철도협회(American Railway Association)가 1905년 설계했고 1908년 A형과 B형으로 나누어졌다.

⑶ A.R.E.A or R.E형 레일

미국철도기술협회(American Railway Engneering Association)에서 결정한 단면

⑷ P.S형 레일

미국의 Pennsylvania 철도에서 1907년 설계한 Pennsylvania section의 기호이며 50kg레일이 대표적인 기호이다.

⑸ N형 레일

일본 국철에서 1961년 규격화한 것으로 다른 레일보다 높이가 커서 단면2차 모멘트(moment of inertia)를 효율화한 것으로 레일의 강도 증대에는 효과적이었으나 두부와 복부에 살이 적어 내마모성과 내부식성에 불리하다.

 

 

□ 특수레일(special steel rail)

레일은 궤도재료 중 가장 값비싼 재료로 마모에 의한 갱환레일의 비용은 선로보수비의 큰 부분을 차지하고 있다. 이에 대비하여 종래보다 내마모성이 강한 레일을 고안하였다. 보통레일보다 고가이나 선로의 중요한 부분이나 마모가 심한 개소에 사용된다.

⑴ 고탄소강레일

탄소강레일의 탄소함유량을 증가시켜, 내마모성을 증가시킨 것으로, 탄소함유량을 0.85%정도까지 쓰여지고 있다.

⑵ 쏠바이트레일(sorbite rail, 소입레일 또는 경두레일)

레일의 두면 약 20mm를 소입시켜 쏠바이트 조직으로 한 것이며, 일명 경두레일이라고도 한다. 강인하고 내마모성이 크며 1910연경 영국에서 레일을 압연할 때 적열상태에서 레일에 냉수를 분사시켜 급냉하여 제작하였다. 그 후 미국에서는 공냉으로 일본에서는 가스바이너(gas burner) 또는 고주파전류로 가열 후 분사수로 급냉시켜 제작하였다. 소입후 굽힘(bending)도 적고 보통레일의 약3배의 내구력이 있으며 망간 레일보다 염가이다. 이음매부의 끝닳음을 예방하기 위하여 보통레일의 단부를 10~20cm정도 표면을 소입하여 이것을 레일단부소입(railend hardening)이라 한다.

⑶ 망간레일(manganese rail)

미국에서 1882년 고안되었으며 망간을 11~14%를 함유하여 내마모성이 크다. 또한 인장강도는 100kg/㎟(보통레일은 80kg/㎟)이며 신율도 40%나 된다. 망간량이 높은 것은 압연이 곤란하며 주조되는 경우가 많고 가격과 내구연한이 모두 보통레일의 약6배나 되므로 분기기, 곡선부, 기타마모가 심한 개소에 사용된다.

⑷ 복합(합성) 레일(compound rail)

레일 두부에 한하여 내마모성이 큰 특수강(강)을 사용한 것으로 독일의 Osnabluck레일공장에서 제조되었다. 이 레일은 두부에 고탄소, 크롬강(강)을, 복부, 저부에는 저탄소강을 사용한 것으로 내마모레일로 보통레일의 약6배의 내구력이 있다.

 

 

□ 레일의 재질(quality of rail)

레일강은 탄소 함유량을 따라 성질이 좌우된다. 그외 규소, 망간(manganese), 인, 유황등의 함유량에는 영향을 받는다. 탄소, 망간, 규소는 적량 함유로서 강질을 좋게 하나, 인과 유황은 소량이라 할지라도 큰 영향을 미친다. 이상을 탄소강의 5원소라 하며 레일의 제작시방서에 규정되어 있다.

⑴ 탄 소(carbon)

함유량이 1.0%까지는 증가할수록 결정이 미세해지고 강도가 커지는 반면에 연성이 감퇴된다.

⑵ 규 소(silicon)

적량이 있으면 탄소강의 조직을 치밀하게 하고 항장력을 증가시키나, 지나치게 많으면 약해진다.

⑶ 망 간(manganese)

제작 시의 탈산제로 사용하므로 강재 중에 반드시 다소 함유된다. 그러나 일반적으로 그 양을 증가시킴에 따라 경도와 항장력을 증대시키나 연성이 감소된다. 유황과 인의 유해성을 제거하는데 효과적이다. 1% 이상이면 특수강으로 된다.

⑷ 인(phosphorus)

인은 탄소강을 취약하게 하여 충격에 대하여 저항력을 약화시키므로 가능한 한 제거해야 한다.

⑸ 유 황(sulphur)

유황은 강재에 가장 유해로운 성분으로 적열상태에서 압연작업 중에 균열(crack)을 발생시키고 레일에 유황이 함유되면 사용 중에 충격에 의한 파손을 조장하여 강질을 불균일하게 한다.