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Oxidationsverhalten von Schienen beim Schleifprozess
25.12.2024
Bei der Wechselwirkung zwischen Schleifmitteln und Schienen entsteht durch die plastische Verformung der Schienen Wärme, und die Reibung zwischen Schleifmitteln und Schienenmaterial erzeugt ebenfalls Schleifwärme. Das Schleifen von Stahlschienen erfolgt in natürlicher Atmosphäre, und während des Schleifvorgangs oxidiert das Stahlschienenmaterial zwangsläufig unter der Schleifwärme. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Oberflächenoxidation von Stahlschienen und Schienenverbrennungen. Daher ist es notwendig, das Oxidationsverhalten der Schienenoberfläche während des Schleifvorgangs zu untersuchen.
Es wurde berichtet, dass drei Arten von Schleifsteinen mit Druckfestigkeiten von 68,90 MPa, 95,2 MPa bzw. 122,7 MPa hergestellt wurden. In der Reihenfolge der Schleifsteinfestigkeit werden GS-10, GS-12,5 und GS-15 verwendet, um diese drei Gruppen von Schleifsteinen darzustellen. Für die Stahlschienenproben, die mit drei Sätzen Schleifsteinen GS-10, GS-12,5 und GS-15 geschliffen wurden, werden sie jeweils durch RGS-10, RGS-12,5 und RGS-15 dargestellt. Führen Sie Schleiftests unter Schleifbedingungen von 700 N, 600 U/min und 30 Sekunden durch. Um intuitivere experimentelle Ergebnisse zu erhalten, verwendet der Schienenschleifstein einen Stiftscheibenkontaktmodus. Analysieren Sie das Oxidationsverhalten der Schienenoberfläche nach dem Schleifen.
Die Oberflächenmorphologie der geschliffenen Stahlschiene wurde mithilfe von SM und SEM beobachtet und analysiert, wie in Abb. 1 dargestellt. Die SM-Ergebnisse der geschliffenen Schienenoberfläche zeigen, dass sich die Farbe der geschliffenen Schienenoberfläche mit zunehmender Stärke des Schleifsteins von Blau und Gelbbraun zur ursprünglichen Farbe der Schiene ändert. Die Studie von Lin et al. hat ergeben, dass die Schienenoberfläche bei einer Schleiftemperatur unter 471 °C eine normale Farbe aufweist. Bei einer Schleiftemperatur zwischen 471 und 600 °C weist die Schiene hellgelbe Brandflecken auf, während bei einer Schleiftemperatur zwischen 600 und 735 °C die Schienenoberfläche blaue Brandflecken aufweist. Anhand der Farbänderung der geschliffenen Schienenoberfläche kann daher geschlossen werden, dass mit abnehmender Stärke des Schleifsteins die Schleiftemperatur allmählich zunimmt und der Grad der Schienenbrandflecke zunimmt. Mittels EDS wurde die elementare Zusammensetzung der geschliffenen Stahlschienenoberfläche und der Schuttunterseite analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmender Schleifsteinstärke der O-Elementgehalt auf der Schienenoberfläche abnahm, was auf eine Verringerung der Bindung von Fe und O auf der Schienenoberfläche und eine Verringerung des Oxidationsgrads der Schiene hindeutet, was mit der Tendenz zur Farbveränderung auf der Schienenoberfläche übereinstimmt. Gleichzeitig nimmt mit zunehmender Schleifsteinstärke auch der O-Elementgehalt auf der Unterseite des Schleifstaubs ab. Es ist anzumerken, dass bei der Oberfläche der Stahlschiene, die mit demselben Schleifstein geschliffen wurde, und der Unterseite des Schleifstaubs der O-Elementgehalt auf der Oberfläche des letzteren höher ist als der des ersteren. Während der Bildung des Staubs kommt es zu plastischer Verformung und Wärmeerzeugung durch die Kompression der Schleifmittel; während des Staubabflusses reibt die Unterseite des Staubs an der Vorderseite des Schleifmittels und erzeugt Wärme. Daher führt die kombinierte Wirkung von Staubverformung und Reibungswärme zu einem höheren Oxidationsgrad auf der Unterseite des Staubs, was zu einem höheren O-Elementgehalt führt.
(a) Mit Schleifstein geschliffene Schienenoberfläche aus Stahl mit geringer Festigkeit (RGS-10)
(b) Oberfläche der Stahlschiene mit Schleifstein mittlerer Festigkeit (RGS-12,5) geschliffen
(c) Hochfeste, mit Schleifstein geschliffene Stahlschienenoberfläche (RGS-15)
Abb. 1. Oberflächenmorphologie, Partikelmorphologie und EDS-Analyse von Stahlschienen nach dem Schleifen mit Schleifsteinen unterschiedlicher Intensität
Um die Oxidationsprodukte auf der Oberfläche von Stahlschienen und die Variation der Oxidationsprodukte mit dem Grad der Verbrennung der Schienenoberfläche weiter zu untersuchen, wurde Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) verwendet, um den chemischen Zustand der Elemente in der oberflächennahen Schicht von geschliffenen Stahlschienen zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Die Ergebnisse der Vollspektrumanalyse der Schienenoberfläche nach dem Schleifen mit Schleifsteinen unterschiedlicher Intensität (Abb. 2 (a)) zeigen, dass sich auf der geschliffenen Schienenoberfläche C1s-, O1s- und Fe2p-Spitzen befinden und der Prozentsatz der O-Atome mit dem Grad der Verbrennung auf der Schienenoberfläche abnimmt, was mit dem Muster der EDS-Analyseergebnisse auf der Schienenoberfläche übereinstimmt. Aufgrund der Tatsache, dass XPS die Elementzustände in der Nähe der Oberflächenschicht (ca. 5 nm) des Materials erkennt, gibt es gewisse Unterschiede in den Arten und Inhalten der Elemente, die durch das Vollspektrum von XPS erkannt werden, im Vergleich zum Stahlschienensubstrat. Die C1s-Spitze (284,6 eV) wird hauptsächlich verwendet, um die Bindungsenergien anderer Elemente zu kalibrieren. Das Hauptoxidationsprodukt auf der Oberfläche von Stahlschienen ist Fe-Oxid, daher wird das schmale Spektrum von Fe2p im Detail analysiert. Abb. 2 (b) bis (d) zeigen die schmale Spektralanalyse von Fe2p auf der Oberfläche der Stahlschienen RGS-10, RGS-12,5 bzw. RGS-15. Die Ergebnisse zeigen, dass es zwei Bindungsenergiespitzen bei 710,1 eV und 712,4 eV gibt, die Fe2p3/2 zugeschrieben werden; es gibt Bindungsenergiespitzen von Fe2p1/2 bei 723,7 eV und 726,1 eV. Die Satellitenspitze von Fe2p3/2 liegt bei 718,2 eV. Die beiden Spitzen bei 710,1 eV und 723,7 eV können der Bindungsenergie von Fe-O in Fe2O3 zugeschrieben werden, während die Spitzen bei 712,4 eV und 726,1 eV der Bindungsenergie von Fe-O in FeO zugeschrieben werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass Fe3O4 Fe2O3 ist. Unterdessen wurde bei 706,8 eV keine analytische Spitze festgestellt, was auf das Fehlen von elementarem Fe auf der Oberfläche der geschliffenen Schiene hinweist.
(a) Vollspektrumanalyse
(b) RGS-10 (blau)
(c) RGS-12,5 (hellgelb)
(d) RGS-15 (Originalfarbe der Stahlschiene)
Abb. 2. XPS-Analyse von Schienenoberflächen mit unterschiedlichem Verbrennungsgrad
Die Peakflächenanteile im schmalen Fe2p-Spektrum zeigen, dass von RGS-10, RGS-12,5 bis RGS-15 die Peakflächenanteile von Fe2+2p3/2 und Fe2+2p1/2 zunehmen, während die Peakflächenanteile von Fe3+2p3/2 und Fe3+2p1/2 abnehmen. Dies deutet darauf hin, dass mit abnehmendem Oberflächenbrandgrad auf der Schiene der Fe2+-Gehalt in den Oberflächenoxidationsprodukten zunimmt, während der Fe3+-Gehalt abnimmt. Die verschiedenen Komponenten der Oxidationsprodukte führen zu unterschiedlichen Farben der geschliffenen Schiene. Je höher der Oberflächenbrandgrad (blau), desto höher der Gehalt an Fe2O3-Produkten im Oxid; je geringer der Oberflächenbrandgrad, desto höher der Gehalt an FeO-Produkten.