Proses metalurgi dan kegagalan kejuruteraan roda keretapi

Disiarkan dalam Majalah Dewan Kosmik Mei 2010

Proses metalurgi dan kegagalan kejuruteraan roda keretapi

Muhammad Nuruddin Bashah

Bc Hons (Material Eng) Universiti Malaya

Tidak banyak makalah atau tulisan khusus membahaskan kejuruteraan roda keretapi dalam bahasa melayu. Malah kekurangan makalah atau tulisan berkaitan topik ini menyebabkan ilmu kejuruteraan lokomatif ini terisolisasi dan terpinggir dari pengetahuan masyarakat umum. Tulisan ini adalah sebahagian daripada perbahasan pokok dalam ilmu analisa kegagalan kejuruteraan lokomatif iaitu kegagalan yang melibatkan roda keretapi.

Kegagalan akibat roda keretapi juga pernah menjadi isu di Malaysia, misalnya kes saman yang difailkan pada 2003, terhadap Monorail Technology, KL Monorail Systems Sdn Bhd dan Ketua Pengarah Jabatan Keretapi berhubung kejadian roda keselamatan tren monorel yang sedang dipandu uji tercabut, melayang dan mengenai individu yang sedang menyeberangi Jalan Sultan Ismail pada 16 Ogos, 2002. Secara ad hoc beberapa cadangan penyelesaian jangka pendek dilakukan untuk menyelesaikan insiden tersebut. Antara yang disyorkan jawatankuasa yang ditubuhkan pada 28 Ogos 2002 bagi menyiasat kejadian itu, demi memastikan sistem monorel lebih selamat pada masa depan ialah:

1) kaedah pemasangan roda keselamatan kepada hab serta peralatan-peralatan lain di bawah tren hendaklah dikaji semula untuk mengadakan ciri pasti selamat agar tidak berlaku kejatuhan apa-apa alat daripada tren walaupun berlaku kegagalan pengikatan,

2) prosedur pemeriksaan tren sebelum menjalani setiap ujian di landasan Kuala Lumpur hendaklah dikaji semula bagi memastikan tren benar-benar selamat untuk digunakan dengan mengadakan prosedur kerja bertulis. Setiap kerja pemeriksaan yang dijalankan hendaklah disahkan pegawai berkenaan,

3) prosedur pembuatan yang lebih mantap dan lengkap hendaklah diwujudkan yang perlu mengambil kira semua kehendak yang dinyatakan dalam reka bentuk. Pemeriksaan kerja yang dijalankan oleh kontraktor kepada pengeluar hendaklah diperincikan serta disahkan oleh kakitangan yang sesuai oleh kedua-dua pihak kontraktor dan pengeluar yang menerima hasil kerja kontraktor berkenaan sebelum kerja diluluskan dan diterima.

Pada masa ini, pengilang keretapi, para penyelenggara, dan operator lokomotif aktif memikirkan cara untuk meningkatkan kos total hayat (total life cycle costs) dan keselamatan set roda keretapi. Dalam kejuruteraan lokomatif, masalah RCF iaitu singkatan kepada keletihan kitaran guling (rolling cycle fatigue) adalah masalah utama yang melibatkan roda serta rel keretapi. Ia akan menjurus kepada keretakan terma, kegagalan keletihan (fatigue failure), keretakan menyeluruh, kehausan melampau dan sebagainya. Puncanya RCF adalah disebabkan oleh bebanan (load) pada roda keretapi serta jangka masa penggunaan yang terlalu lama secara berterusan. Selain itu aspek pemilihan bahan (material selection) oleh para metalurgis juga perlu tepat untuk memastikan bahan atau unsur dalam keluli roda sesuai dengan aplikasinya mengikut lokasi dan iklim.

Pada tahun 1992 semasa tinjauan metallurgi dijalankan oleh BR Research, sekitar 80% roda keretapi rosak dan haus kerana kerosakan terma (haba) berpunca dari kelemahan sistem perlindungan WSP (wheel slide protection). Sistem ini bolehlah dikatakan sebagai sistem otomatik yang digunakan untuk mengesan dan mencegah tergelinciran roda semasa brek atau semasa pecutan berlaku.

Kini di seluruh dunia banyak negara telah menjadi pengeluar roda keretapi berpiawai. Jumlah ini tidak termasuk kilang atau syarikat yang melakukan proses foundri penuangan besi roda berkenaan. Antara yang terbanyak ialah syarikat ;

• BVV - Jerman sebanyak 85,000 roda setahun.

• CAF - Sepanyol 45,000 roda setahun.

• Lucchini – UK 120,000 roda setahun.

• Bonatrans – Republik Czech 170,000 roda setahun.

• Maanshan - China 900,000 roda setahun.

• SMR - Romania 70,000 roda setahun.

• Standard Steel - US 200,000 roda setahun.

• MWL - Brazil 50,000 roda setahun.

• Valdunes - Perancis 130,000 roda setahun.

Piawaian utama yang menjadi rujukan pengeluar roda keretapi sedunia ialah Standard Pertubuhan Landasan Keretapi Amerika (Association of American Railroads (AAR). Kajian daripada pihak AAR juga mendapati kegagalan RCF pada roda keretapi adalah berpunca daripada kadar mangan dan silikon. Maka dua elemen ini perlu dikawal dengan lebih teliti untuk mengelakkan kegagalan ini disamping beberapa faktor mekanikal lain.

Menurut United States Patent bertarikh 22 September 2009, keluli yang memiliki mikrostruktur pearlitik dan mengandungi 0.65 hingga 0.80 peratus karbon, 0.90 hingga 1.10 peratus silikon, 0.85 hingga 1.15 peratus mangan, 0.001 hingga 0.03 peratus fosforus, 0.05 hingga 0.15 nikel. 0.2 hingga 0.30 peratus molibdenum, 0.10 hingga 0.30 peratus vanadium serta 0.005 hingga 0.040 peratus sulfur adalah spesifikasi yang baik untuk memasak keluli roda keretapi. Spesifikasi ini mampu menahan keletihan kitaran guling RCF (rolling cyclic fatigue) dan masalah berkeruping (shelling).

Menurut Badan Standard dan Keselamatan Rel United Kingdom, jangka hayat roda adalah bergantung kepada ketahanan roda terhadap kehausan dan kegagalan akibat keretakan terma yang disebabkan haba serta masalah berkeruping (shelling) yang disebabkan oleh RCF yang teruk. Kehausan pada roda dan alur roda boleh diminimakan sekiranya penjajaran dan pelarasan roda dilakukan dengan baik, pelincir yang sesuai digunakan serta mengikut tempoh masa serta bahan yang digunakan untuk menghasilkan roda dipilih dengan betul. Masalah berkeruping dan keretakan terma banyak merosakan alur atau bunga roda besi keretapi. Kecuaian dalam penyelenggaraan adalah punca utama segala kegagalan di atas.

Masalah akibat RCF tidak boleh dipandang ringan. Laman http://danger-ahead.railfan.net ada menyiarkan berita kemalangan keretapi di Hatfield UK pada 17 October 2000 yang melibatkan 4 nyawa dan 30 orang cedera. Kemalangan ini dipercayai oleh pihak berkuasa Britain berpunca daripada kerosakan metalurgi roda keretapi tersebut. Banyak kemalangan keretapi adalah berikutan gejala RCF yang tidak ditangani oleh penyelenggara keretapi. Kemalangan keretapi di Ambala India pada Disember 2000 telah menarik minat jurutera India untuk mengkaji masalah ini dan Eropah telah menjadikan isu ini sebagai topik paranoid utama kejuruteraan lokomotif sejak 30 tahun yang lalu.

Jika dibincang dari aspek foundri, kehausan pada roda keretapi akibat RCF boleh diatasi dengan meningkatkan kandungan karbon dalam keluli roda semasa perleburan logam itu. Struktur peralitik juga perlu diperolehi melalui lindap kejut (quenching) yang sesuai.

Peranan bunga atau alur pada roda keretapi adalah menyediakan lapisan keras berstruktur mikro martensit pada permukaan roda. Martensit ini adalah lapisan yang kuat serta mampu menahan haba pada roda keretapi sehingga 1000°C. Namun begitu struktur ini wajib dikawal untuk mengelakkan penyebaran retakan yang mendadak kerana ia rapuh dan keras.

Namun begitu dalam usaha untuk mengurangkan kadar kerosakan pada bunga atau alur roda yang disebabkan masalah haba yang melampau pada roda, kadar kandungan karbon pada keluli roda perlu dikurangkan pula. Di sinilah peranan jurutera metalurgis membuat keputusan untuk melakukan sesuatu perubahan spesifikasi kimia keluli tersebut berdasarkan cuaca dan iklim roda kleretapi digunakan, geografi, kekerapan penggunaan, jumlah bebanan gerabak serta suhu rel keretapi tersebut.

RCF singkatan kepada keletihan sentuh guling (Rolling Contact Fatigue) juga boleh digelar sebagai keletihan kitaran guling pula adalah kegagalan pada bunga roda disebabkan keletihan kitaran roda (cyclic fatigue). Di Britain kajian dibuat terhadap masalah ini dalam beberapa keadaan. Secara umumnya keletihan pada permukaan bunga roda disebabkan oleh bebanan lampau akan menyebabkan masalah berkeruping (shelling). Namun masalah ini pasti tidak akan berlaku sekiranya roda tidak berputar walaupun menerima bebanan yang melampau.

Untuk mengelakkan masalah RCF pada roda juga memerlukan para jurutera memerhatikan masalah metalurgi rel keretapi. Inkulsi alumina, silika serta hidrogen terperangkap dalam keluli perlu dikurangkan seminima yang mungkin. Rel yang terlalu keras akibat kandungan karbon yang tinggi boleh menyumbang kepada masalah RCF dengan menghasilkan perebakan keretakan. Keluli rel juga boleh diubah dari penggunaan jenis pearlitik kepada bainitik yang lebih tahan dan kuat.

Antara faktor juga yang menyebabkan keletihan pada roda ialah bebenan gerabak yang melampau, keluli roda mengandungi inklusi yang tinggi, diameter roda yang kecil, jejari rel keretapi yang kecil serta sisa terikan tegangan (Tensile residual stresses).

Para jurutera lokomatif perlu mengambi berat segala aspek diatas selain memerhatikan aspek metalurginya. Di sini jurutera mekanikal keretapi boleh bekerjasama dengan jurutera metalurgis dari pihak pengilang foundri yang melebur keluli roda untuk dipastikan piwaian unsur yang digunakan seperti yang akan dibincang di bawah.

Unsur-unsur dalam roda keretapi dan fungsinya

Bahan untuk roda keretapi selalunya menggunakan jenis keluli karbon sederhana sebagai asasnya walaupun terdapat negara perlu menggunakan keluli berkarbon tinggi. Struktur mikro terbaik keluli roda adalah pearlitik iaitu sama dengan struktur mikro rel keretapi. Yang membezakannya hanya kekerasan di mana roda lebih keras daripada rel keretapi. Dengan meningkatkan kandungan karbon masalah kehausan boleh diselesaikan manakala kekerasan keluli juga dipertingkatkan.

Eropah kini mengamalkan kandungan karbon yang rendah untuk mengelakkan masalah kegagalan penuh (catastrophic failure) pada bunga roda serta pada cakera brek keretapi. Telah terbukti kandungan rendah karbon akan mengurangkan kemunculan struktur martensit pada keluli semasa lindap kejut (rawatan haba) dilakukan.

Mangan juga sama fungsinya dengan karbon iaitu meningkatkan kekuatan dan kekerasan. Akan tetapi mangan selalunya memberi masalah kepada roda kerana menyebabkan keretakan terma pada roda. Kelebihan lagi mangan mampu mengekalkan nilai mulur pada keluli agar tidak terlalu rapuh.

Silikon selalunya ditambah dalam keluli untuk menjadi agen nyakoksida yang baik sekali sekaliguss mengurangkan gelembung udara terperangkap dalam keluli roda. Namun begitu, kandungan silikon yang tinggi akan merapuhkan keluli dan merendahkan kemuluran keluli. Ia juga boleh menjadikan keluli retak semasa proses tempaan atau lindap kejut. Silikon juga bagus untuk memberi nilai tahan kepada keluli terhadap suhu yang tinggi.

Sulfur dikawal semasa perleburan keluli roda untuk mengelakkan keretakan hidrogen (hydrogen cracking) serta mengelakkan keluli menjadi rapuh. Dahulu sekitar tahun 1990 kadar sulfur hanya 0.030 hingga 0.047%. Hari ini kajian sains meletakkan hanya 0.005 hingga 0.015% sahaja sulfur yang sesuai menjadi amalan semua foundri.

Aluminum ditambah dalam keluli roda untuk mendapatkan struktur butir yang baik dalam struktur mikronya. Butir yang halus dan baik akan meningkatkan kekuatan, ketahanan serta tahan letih yang baik. Skala kandungan aluminum yang sesuai adalah 0.018 hingga 0.050%, dan ia perlu dikawal agar tidak terlalu banyak. Untuk mengelakkan inklusi alumina (aluminum oksida) yang terlalu banyak.

Kromium dan molibdenum ditambah dalam spesifikasi keluli roda untuk meningkatkan ketahanan kehausan serta menyediakan sebatian karbida yang kuat dalam struktur mikronya. Roda dengan kandungan kromium lebih 0.30% dan molibdenum melebihi 0.08% mampu menyediakan roda untuk tahan bebenan lampau serta penggunaan brek mengejut yang kerap. Hal ini pelru untuk landasan keretapi yang banyak halangan haiwan liar seperti di Kelantan dan Perlis. Cakera brek keretapi juga banyak mengandungi dua unsur ini untuk mengelakkan gurisan calar pada cakera selepas kegunaan kerap. Kombinasi dua unsur ini meningkatkan ketahanan suhu tinggi pada roda keretapi.

Bagaimana mendapat nilai mekanikal?

Nilai mekanikal perlu dicapai oleh roda sebelum ia dipasarkan dan digunakan dalam sebarang perkhidmatan sama ada monorel, komuter atau keretapi antarabandar. Kemampuan untuk mencapai ciri mekanikal pada setiap gred roda keretapi hanya melalui analisa kimia yang menuruti piawai. Namun begitu banyak pengeluar roda terutama dari pihak foundri membuat banyak ubahsuai terhadap kandungan karbon, mangan dan kromium untuk menyesuaikan penggunaan roda di rel kawasan sejuk lampau seperti negara bersalji atau Alaska misalannya serta pastinya ia berbeza dengan kandungan kimia bagi roda yang digunakan di kawasan gurun atau padang pasir.

Roda selalunya mengandungi tekanan sisa komprehensif akibat proses tempaan (rawatan haba) semasa dihasilkan. Kesan ini mampu mencapai sehingga 300 N/mm². Tekanan sisa ini boleh merebak dan menghasilkan keretakan yang merebak sehingga roda boleh rosak dengan teruk sekali.

Sebenarnya selepas roda dikeluarkan dari acuan (selepas teknik penuangan), ia akan mengalami proses pengerasan (hardening) melalui celupan pantas ke dalam air. Proses ini pasti akan mengeraskan roda disamping menyimpan sisa tekanan (stress) dalamnya. Tekanan ini perlu dilegakan melalui pemanasan semula dan celupan semula ke dalam air iaitu proses tempaan (tempering). Semakin tinggi suhu tempaan semakin kurang sisa tekanan dalamnya. Namun begitu tidak wajar juga suhu tinggi tempaan diutamakan kerana semakin tinggi suhu tempaan juga akan mengakibatkan roda menjadi lembut, mulur (ductile) dan boleh mengakibatkan kehausan melampau pula.

Kesimpulan

Secara kesimpulannya dapatlah kita nyatakan bahawa kajian kejuruteraan roda keretapi masih berjalan dalam usaha semua pihak untuk mengelakkan kemalangan melibatkan keretapi. Untuk mengelakkan masalah RCF (rolling cyclic fatigue) secara umumnya, keluli yang berkekuatan tegangan yang tinggi diperlukan. Selalunya kekerasan besi akan tinggi jika kekuatan tegangan tinggi (high tensile strengh). Manakala untuk mengelakkan kerosakan akibat haba, maka kandungan karbon dalam keluli roda perlu dikurangkan. Bagi tujuan mengelakkan kehausan melampau pula, kandungan karbon boleh dinaikkan sedikit, dibaiki rawatan haba seperti diubahsuai suhu dan jangkamasa tempaan serta memerlukan juga pelincir yang sesuai dengan tahap kegunaan keretapi tersebut. Penyelenggaraan dan pemeriksaan berkala wajib dilakukan terutama melibatkan teknik ultrasonik demi mengesan sebarang kegagalan mekanikal pada roda dan rel keretapi. Penyelia keretapi juga perlu mengawal berat bebanan yang dibawa ke dalam gerabak keretapi untuk mengelakkan bebanan lampau.

Muhammad Nuruddin Bashah