Meninjau metalurgi pembinaan landasan keretapi

Disiar dalam Dewan Kosmik Februari 2010

Meninjau metalurgi pembinaan landasan keretapi

Muhammad Nuruddin Bin Bashah

Bc Hons (Material Engineering) Universiti Malaya

Keretapi dan landasannya bukan sekadar menjadi agen penghubung komuniti dan intersosial sesebuah negara, malah ia pernah menjadi lambang utama perluasan kuasa sesuatu empayar dan kerajaan. Lihat sahaja bagaimana Sultan Abdul Hamid II berusaha membina landasan mega yang terbentang antara Damsyik (Syria) dengan Amman (Jordan) hingga ke Madinah (Arab Saudi). Landasan kereta api ini merupakan sebahagian daripada landasan kereta api yang menghubungkan antara Istanbul (Turki) dengan Haifa (Israel) yang merupakan salah satu projek infrastruktur pemerintahan kekhalifahan Turki Uthmaniyah selain program telekomunikasi dengan memasang kabel telegraf di seluruh wilayah kekhalifahan Turki Uthmaniyah yang saat itu meliputi sebahagian wilayah Afrika Utara, Timur Tengah sampai Balkan.

Di Tanah Melayu suatu ketika dahulu, landasan keretapi menjadi sebab kepada permulaan pembangunan setempat seperti Ipoh, Tapah dan lain-lain. Landasan dan perkhidmatan keretapi di Malaysia hari ini dikenali sebagai Keretapi Tanah Melayu Berhad (KTMB) selepas kempen pengkorporatan yang diterajui kerajaan pada tahun 1992. Namun, KTM masih dimiliki sepenuhnya oleh kerajaan persekutuan. KTMB adalah lambang permulaan sebuah negara bangsa bernama Malaysia yang membina potensi ekonominya melalui kegiatan perlombongan dan pembalakan. Semestinya keretapi menjadi nadi utama kepada pertumbuhan ekonomi negara ini. Sejarah sistem gerabaknya bermula sewaktu zaman penjajahan British lagi, apabila laluan kereta api asalnya dibina untuk mengangkut timah. Walaupun selalu disinonimkan sebagai suatu perkhidmatan yang dirundung kerugian semata-mata namun industri KTMB ini adalah perlambangan pertumbuhan suatu negara yang berdaulat dan beridentiti.

Tulisan ini pula cuba menghargai jasa penggunaan khidmat lokomatif dunia tertua ini melalui kupasan isu pembinaan landasan keretapi serta pemerhatian aspek metalurgi pembinaannya. Landasan yang dimaksudkan adalah landasan kovensional yang digunakan oleh keretapi berkelajuan biasa. Rel landasan yang wujud di Malaysia kini adalah sepanjang 1,000 mm (3 kaki 3⅜ inci) sepanjang 1,699 km seluruh negara.

Sejarah pembinaan landasan keretapi dunia bermula sejak penggunaan besi tuang (cast iron) sehinggalah besi tempa (wrought iron) ditemui. Besi tuang adalah besi yang memiliki kandungan karbon tinggi iaitu sekitar 2% dan ia adalah suatu besi yang cukup keras dan rapuh. Besi tuang digunakan sebagai besi landasan bermula 1776 di England. Besi tempa akhirnya digantikan dengan penemuan keluli (steel) yang berkandungan karbon sekitar 0.2% hingga 1% bermula tahun 1860. Suatu ketika dahulu, banyak iklan dan hebahan di Barat dibuat untuk mempromosi penggunaan keluli berbanding besi tuang dalam usaha mengurangkan kegagalan landasan keretapi yang kerap mengalami kegagalan letih (fatigue failure).

Semua pakar pembinaan landasan keretapi telah mengkaji selama 140 tahun yang lalu untuk membaiki beberapa prinsip asas pembinaan landasan dari aspek metalurgi iaitu;

• Perlu pengawalan kimia yang ketat iaitu kandungan karbon dan mangan perlu pada tahap optimum.

• Elemen yang berpotensi menajdikan keluli rapuh perlu dikawal sebaiknya seperti sulfur, fosforus, nitrogen dan hidrogen pada tahap paling minima.

• Perlu proses memasak keluli yang paling bersih dan bebas daripada segala inklusi dan slag yang merosakan ciri mekanikal landasan.

Pihak kerajaan Inggeris telah menerbitkan ‘British Standard’ untuk pembinaan landasan keretapi iaitu BS11 yang diisukan pada tahun 1903. BS11 memerlukan kekuatan terikan minimum sebanyak 618 N mm-2. Standard ini telah disemak dan diubah sebanyak 12 kali sehinggalah pada edisi terakhir pada 1985. Kekuatan yang diperlukan menurut standard terkini ialah 710 N mm-2 pada gred "Normal" serta 880 N mm-2 untuk gred ketahanan haus (Wear Resistant).

30 tahun lamanya kualiti landasan kian dimajukan untuk mengurangkan permasalahan kegagalan letih (fatigue failure) yang selalunya disebabkan oleh inklusi dalaman (internal inclusion) atau pengecutan gas hidrogen dalam besi landasan. Permasalahan ini kerap berlaku pada besi tuang (cast iron) berbanding keluli yang berkarbon lebih rendah.

Dalam dunia kejuruteraan metalurgi, kemajuan dan pembangunan landasan keretapi memerlukan pandangan dari aspek komposisi kimia, piawai besi yang digunakan, rawatan haba, ciri mekanikal serta mikrostruktur yang mempengaruhi ciri fizikal dan mekanikal. Pandangan ini mungkin agak berbeza dari kejuruteraan sivil dan mekanikal yang memerlukan perhatian dari segi aspek rekabentuk, ketahanan daya serta aspek dinamika keretapi.

Sejak pembangunan teknologi keluli iaitu sejak dapur Bessemmer, Relau Oksigen Alkali (Basic Oxygen Furnace) serta Relau Arka Elektrik (Elektric Arc Furnace) dicipta, keluli bermikrostruktur pearlite sering diguakan untuk membina landasan kerana kosnya yang lebih murah berbanding struktur lain. Kos yang dimaksudkan adalah berpunca daripada aloi tambahan yang digunakannya. Landasan yang baik memerlukan mikrostruktur bainite yang lebih sukar diperolehi berbanding microstruktur ferrite atau pearlite yang selalunya digunakan untuk membuat besi keluli landasan keretapi.

Rajah di atas adalah dua struktur bainite pada keluli landasan keretapi moden.

Dalam gambarajah CCT, jelas menunjukkan kesukaran untuk mendapat struktur bainite berbanding pearlite dan ferrite. Hal ini ditangani dengan menambahkan aloi mangan dan molibdenum untuk menghasilkan struktur ini. Dalam ilmu kejuruteraan, dua aloi ini berperanan menolak graf CCT ke kanan sejauh yang mungkin. Bagaimanapun adalah sukar untuk memperolehi landasan keretapi dengan 100% berstruktur bainite kerana tindakbalas struktur martensite tetap akan berlaku.

Jika ditinjau dari segi majoriti, kebanyakan landasan keretapi menggunakan keluli mangan perlite karbon sederhana (plain carbon-manganese pearlitic steels). Landasan keretapi pertama menggunakan keluli (bukan besi iron) adalah di Stesyen Keretapi Derby pada 1857. Pembangunan sejak itu telah mendorong penghasilan spesifikasi standard bagi landasan yang berasaskan kandungan karbon 0.8% bersama kandungan mangan sekitar 0.4% hingga 0.9%. Mikrostruktur bagi landasan ini jika diperhatikan melalui mikroskop elektron adalah berbentuk perlite iaitu mikrostruktur popular digunakan hari ini. Perlite ini terdiri daripada lapisan lamela besi lembut bersama lapisan cementite (FeC) yang keras. Struktur ini jika dilihat dari permukaan adalah seperti cacing atau alur-alur sungai. Kekerasan keluli landasan ini secara umumnya adalah sekeras 300 HB (Hardness Brinell).

Rajah menunjukkan mikrostruktur pearlite pada keluli landasan keretapi

Keluli landasan keretapi perlu lebih lembut daripada keluli roda keretapi untuk mengelakkan kegagalan haus yang teruk. Selalunya keluli roda menggunakan jenis keluli aloi rendah (low alloy steel).

Berbalik kepada jenis keluli Bainite yang dibincang tadi, ramai pengkaji metalurgi berhujah dengan alasan berbeza untuk memilih jenis keluli yang digunakan untuk landasan.

Ada kajian menunjukkan landasan dengan struktur pearlite memiliki ketahanan haus (wear resistence) yang baik berkali ganda berbanding keluli bainite pada kekerasan keluli yang sama. Bagaimanapun, apabila kekerasan keluli bainite maksimum melebihi kekerasan keluli pearlite, ketahanan haus Bainite meningkat melebihi keluli pearlite.

Tambahan pula, kajian makmal Eropah telah menyaksikan pembangunan dan kemajuan roda keretapi serta jangka hayat letih (fatigue life) besi roda keretapi dan landasan meningkat lebih panjang. Landasan keretapi selalunya mengalami Rolling Cycle Fatigue (RCF) iaitu kegagalan letih akibat kekerapan pengunaan laluan. Keluli Bainite jauh lebih rendah mengalami kegagalan ini berbanding keluli landasan martensite atau pearlite. Permulaan retak (crack initiation) yang diperhatikan pada landasan pearlite dan bainite juga menunjukkan bahawa landasan dengan keluli bainite bebas dari keretakan mudah selepas digunakan berjuta kali.

Jika sebentar tadi telah diceritakan sedikit spesifikasi keluli pearlite, mari kita tinjau pula spesifikasi kimia keluli Bainite yang sering digunakan untuk membina landasan. Kandungannya adalah karbon 0.26%, mangan 2%, silikon 1.81%, kromium 1.93%, molibdenum 0.49% dan boron 0.003%.

Fungsi mangan dan molibdenum yang dimasukkan dalam spesifikasi keluli ini adalah untuk mengurangkan pembentukan struktur ferrite dan pearlite sekaligus memperbanyakan struktur bainite. Akan tetapi kromium yang dimasukkan akan mengurangkan struktur bainite agar tidak terlampau pembentukannya sebaliknya membaiki ciri mekanikal keluli ini. Silikon pula memperbaiki kemuluran, ketahanan haus serta mengelakkan pembentukan besi karbida (Cementite/ FeC). Walaupun begitu, keluli dengan Bainite penuh sukar dicapai memandangkan potensi mendapat keluli martensite semasa rawatan haba dilakukan. Jadi boron ditambah untuk membantutkan pembentukan ferrite pada sempadan butir (grain boundary) austenite sekaligus menghalang pembentukan martensite.

Bagaimana pula dengan spesifikasi kimia bagi komponen lain landasan keretapi? Komponen yang menyambung landasan selalunya menggunakan keluli AMS iaitu Keluli Austenite Mangan (Austenitic Manganese Steel). Keluli ini didirikan dengan kandungan 11-14% mangan serta karbon sebanyak 1.2%. Keluli ini dicipta oleh seorang metalurgis tersohor dunia iaitu Robert A. Hadfield pada tahun 1882. Inilah keluli aloi yang pertama menunjukkan prestasi baik untuk penggunaan ekstrim dan memiliki ketahanan haus yang baik untuk pembinaan landasan keretapi.

Hari ini AMS digunakan untuk aplikasi landasan khusus pada bahagian lintasan (crossing rail) yang mengalami kehausan tinggi logam dengan logam (roda dengan landasan) dan impak berat yang tinggi. AMS memiliki ciri kekuatan yang tinggi, tinggi kemuluran serta ketahanan haus yang baik.

Rajah di atas ialah ‘vee crossing’ yang menggunakan keluli AMS

Disebabkan keluli austenite adalah bersifat tidak magnetik (non magnetic steel), ia akan mengalami penguatan kerja yang baik (work hardened) iaitu ia akan semakin baik kekerasannya selepas kerap digunakan. Ia mampu menyerap kuantiti tenaga yang besar serta amaun tenaga pada tahap ubahbentuk plastik pada keluli tanpa retak. Ubah bentuk plastik ialah tahap di mana keluli hilang sifat elastiknya akibat ditekan atau menerima ubah bentuk yang besar. Inilah kelebihan besi AMS. Kekuatan alah AMS adalah 350 Mpa manakala kekuatan terikan (tensile) ialah sekitar 800 hingga 1000 Mpa. Pemanjangannya adalah sekitar 35% hingga 50% serta memiliki kekerasan sebanyak sekitar 200 HB selepas dirawat haba secara sepuh (quenching) pada 1050 C.

Komposisi kimia AMS yang selalu digunakan adalah mangan pada 12-14 %, silikon 0.6% serta karbon sekitar 1-1.25% dan juga dikenali sebagai Mangalloy.

Hari ini kajian berkenaan peningkatan prestasi landasan keretapi dan komponennya masih berlaku dengan pesat. Malah teknologi ini seiring dengan pemesatan teknologi foundri dan keluli. Kelajuan keretapi yang semakin tinggi serta kekerapan trip perjalanan yang tinggi memerlukan inovasi segar daripada pakar metalurgi. Semestinya usaha ini memerlukan kerjasama erat antara metalurgis dengan pakar mekanikal serta pereka bentuk lokomatif yang terbabit.

Muhammad Nuruddin Bashah