Συμπεριφορά οξείδωσης των σιδηροτροχιών κατά τη διαδικασία λείανσης
Κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης μεταξύ λειαντικών και σιδηροτροχιών, η πλαστική παραμόρφωση των σιδηροτροχιών παράγει θερμότητα και η τριβή μεταξύ λειαντικών και υλικών σιδηροτροχιάς δημιουργεί επίσης θερμότητα λείανσης. Η λείανση των χαλύβδινων σιδηροτροχιών πραγματοποιείται σε φυσική ατμόσφαιρα και κατά τη διαδικασία λείανσης, το υλικό σιδηροτροχιάς από χάλυβα αναπόφευκτα οξειδώνεται κάτω από τη θερμότητα της λείανσης. Υπάρχει στενή σχέση μεταξύ της επιφανειακής οξείδωσης των χαλύβδινων σιδηροτροχιών και των εγκαυμάτων σιδηροτροχιών. Επομένως, είναι απαραίτητο να μελετηθεί η συμπεριφορά οξείδωσης της επιφάνειας της σιδηροτροχιάς κατά τη διαδικασία λείανσης.
Έχει αναφερθεί ότι παρασκευάστηκαν τρεις τύποι λίθων λείανσης με αντοχή σε θλίψη, με αντοχές 68,90 MPa, 95,2 MPa και 122,7 MPa, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τη σειρά αντοχής της πέτρας λείανσης, τα GS-10, GS-12.5 και GS-15 χρησιμοποιούνται για να αντιπροσωπεύσουν αυτές τις τρεις ομάδες λίθων λείανσης. Για τα δείγματα σιδηροτροχιών χάλυβα αλεσμένα με τρία σετ λίθων λείανσης GS-10, GS-12.5 και GS-15, αντιπροσωπεύονται αντίστοιχα από τα RGS-10, RGS-12.5 και RGS-15. Πραγματοποιήστε δοκιμές λείανσης υπό συνθήκες λείανσης 700 N, 600 rpm και 30 δευτερολέπτων. Προκειμένου να επιτευχθούν πιο διαισθητικά πειραματικά αποτελέσματα, η πέτρα λείανσης σιδηροτροχιάς υιοθετεί μια λειτουργία επαφής δίσκου με καρφίτσα. Αναλύστε τη συμπεριφορά οξείδωσης της επιφάνειας της ράγας μετά την άλεση.
Η μορφολογία της επιφάνειας της σιδηροτροχιάς από χάλυβα εδάφους παρατηρήθηκε και αναλύθηκε χρησιμοποιώντας SM και SEM, όπως φαίνεται στο Σχ.1. Τα αποτελέσματα SM της επιφάνειας της ράγας εδάφους δείχνουν ότι καθώς αυξάνεται η αντοχή της πέτρας λείανσης, το χρώμα της επιφάνειας της ράγας εδάφους αλλάζει από μπλε και κίτρινο καφέ στο αρχικό χρώμα της ράγας. Η μελέτη των Lin et al. έδειξε ότι όταν η θερμοκρασία λείανσης είναι κάτω από 471 ℃, η επιφάνεια της ράγας εμφανίζεται κανονικό χρώμα. Όταν η θερμοκρασία λείανσης είναι μεταξύ 471-600 ℃, η ράγα δείχνει ανοιχτό κίτρινο έγκαυμα, ενώ όταν η θερμοκρασία λείανσης είναι μεταξύ 600-735 ℃, η επιφάνεια της ράγας δείχνει μπλε εγκαύματα. Επομένως, με βάση την αλλαγή χρώματος της επιφάνειας της ράγας εδάφους, μπορεί να συναχθεί ότι καθώς μειώνεται η αντοχή της πέτρας λείανσης, η θερμοκρασία λείανσης σταδιακά αυξάνεται και ο βαθμός καύσης της ράγας αυξάνεται. Το EDS χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση της στοιχειακής σύνθεσης της επιφάνειας της σιδηροτροχιάς από χάλυβα εδάφους και της επιφάνειας του πυθμένα των συντριμμιών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με την αύξηση της αντοχής της πέτρας λείανσης, η περιεκτικότητα σε στοιχείο Ο στην επιφάνεια της ράγας μειώθηκε, υποδεικνύοντας μείωση της δέσμευσης Fe και O στην επιφάνεια της ράγας και μείωση του βαθμού οξείδωσης της ράγας, σύμφωνα με την τάση αλλαγής χρώματος στην επιφάνεια της ράγας. Ταυτόχρονα, η περιεκτικότητα σε στοιχείο Ο στην κάτω επιφάνεια των υπολειμμάτων λείανσης μειώνεται επίσης με την αύξηση της αντοχής της πέτρας λείανσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι για την επιφάνεια της χαλύβδινης σιδηροτροχιάς γείωσης από την ίδια πέτρα λείανσης και την κάτω επιφάνεια των υπολειμμάτων λείανσης, η περιεκτικότητα σε στοιχείο Ο στην επιφάνεια της τελευταίας είναι μεγαλύτερη από αυτή της πρώτης. Κατά τη διάρκεια του σχηματισμού συντριμμιών, εμφανίζεται πλαστική παραμόρφωση και παράγεται θερμότητα λόγω της συμπίεσης των λειαντικών. Κατά τη διαδικασία της εκροής υπολειμμάτων, η κάτω επιφάνεια των υπολειμμάτων τρίβεται στην μπροστινή ακραία επιφάνεια του λειαντικού και παράγει θερμότητα. Επομένως, η συνδυασμένη επίδραση της παραμόρφωσης των συντριμμιών και της θερμότητας τριβής οδηγεί σε υψηλότερο βαθμό οξείδωσης στην κάτω επιφάνεια των συντριμμιών, με αποτέλεσμα υψηλότερη περιεκτικότητα σε στοιχείο Ο.

(α) Επιφάνεια σιδηροτροχιάς από αλεσμένο πέτρινο χάλυβα λείανσης χαμηλής αντοχής (RGS-10)

(β) Επιφάνεια εδάφους σιδηροτροχιάς από χάλυβα με πέτρα λείανσης μέσης αντοχής (RGS-12.5)
(γ) Επιφάνεια σιδηροτροχιάς από πέτρινο αλεσμένο χάλυβα λείανσης υψηλής αντοχής (RGS-15)
Εικ. 1. Μορφολογία επιφάνειας, μορφολογία συντριμμιών και ανάλυση EDS χαλύβδινων σιδηροτροχιών μετά από λείανση με διαφορετικές εντάσεις λείανσης λίθων
Προκειμένου να διερευνηθούν περαιτέρω τα προϊόντα οξείδωσης στην επιφάνεια των χαλύβδινων σιδηροτροχιών και η διακύμανση των προϊόντων οξείδωσης με τον βαθμό καύσης της επιφάνειας της σιδηροτροχιάς, χρησιμοποιήθηκε φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίου ακτίνων Χ (XPS) για την ανίχνευση της χημικής κατάστασης των στοιχείων στο κοντινό επιφανειακό στρώμα από εδαφικές σιδηροτροχιές από χάλυβα. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχ.2. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης πλήρους φάσματος της επιφάνειας της σιδηροτροχιάς μετά από λείανση με διαφορετικές εντάσεις λίθων λείανσης (Σχήμα 2 (α)) δείχνουν ότι υπάρχουν κορυφές C1s, O1s και Fe2p στην επιφάνεια της ράγας εδάφους και το ποσοστό των ατόμων Ο μειώνεται με ο βαθμός εγκαύματος στην επιφάνεια της ράγας, ο οποίος είναι συνεπής με το πρότυπο των αποτελεσμάτων της ανάλυσης EDS στην επιφάνεια της ράγας. Λόγω του γεγονότος ότι το XPS ανιχνεύει τις στοιχειακές καταστάσεις κοντά στο επιφανειακό στρώμα (περίπου 5 nm) του υλικού, υπάρχουν ορισμένες διαφορές στους τύπους και τα περιεχόμενα των στοιχείων που ανιχνεύονται από το πλήρες φάσμα XPS σε σύγκριση με το υπόστρωμα σιδηροτροχιάς από χάλυβα. Η κορυφή C1s (284,6 eV) χρησιμοποιείται κυρίως για τη βαθμονόμηση των ενεργειών δέσμευσης άλλων στοιχείων. Το κύριο προϊόν οξείδωσης στην επιφάνεια των σιδηροτροχιών χάλυβα είναι το οξείδιο του Fe, επομένως το στενό φάσμα του Fe2p αναλύεται λεπτομερώς. Τα σχήματα 2 (β) έως (δ) δείχνουν την ανάλυση στενού φάσματος του Fe2p στην επιφάνεια των χαλύβδινων σιδηροτροχιών RGS-10, RGS-12.5 και RGS-15, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι υπάρχουν δύο κορυφές ενέργειας δέσμευσης στα 710,1 eV και 712,4 eV, που αποδίδονται στο Fe2p3/2. Υπάρχουν κορυφές ενέργειας δέσμευσης Fe2p1/2 στα 723,7 eV και 726,1 eV. Η δορυφορική κορυφή του Fe2p3/2 είναι στα 718,2 eV. Οι δύο κορυφές στα 710,1 eV και 723,7 eV μπορεί να αποδοθούν στην ενέργεια δέσμευσης του Fe-O στο Fe2O3, ενώ οι κορυφές στα 712,4 eV και 726,1 eV μπορεί να αποδοθούν στην ενέργεια δέσμευσης του Fe-O στο FeO. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι Fe3O4 Fe2O3. Εν τω μεταξύ, καμία αναλυτική κορυφή δεν ανιχνεύθηκε στα 706,8 eV, υποδεικνύοντας την απουσία στοιχειακού Fe στην επιφάνεια του εδάφους.

(α) Ανάλυση πλήρους φάσματος

(β) RGS-10 (μπλε)

(γ) RGS-12.5 (ανοιχτό κίτρινο)

(δ) RGS-15 (πρωτότυπο χρώμα της σιδηροτροχιάς από χάλυβα)
Εικ.2. Ανάλυση XPS επιφανειών σιδηροτροχιάς με διαφορετικούς βαθμούς εγκαυμάτων
Τα ποσοστά εμβαδού κορυφής στο στενό φάσμα Fe2p δείχνουν ότι από τα RGS-10, RGS-12.5 έως RGS-15, τα ποσοστά εμβαδού κορυφής Fe2+2p3/2 και Fe2+2p1/2 αυξάνονται, ενώ τα ποσοστά επιφάνειας κορυφής του Fe3+ 2p3/2 και Fe3+2p1/2 μειώνονται. Αυτό δείχνει ότι καθώς μειώνεται ο βαθμός καύσης της επιφάνειας στη ράγα, η περιεκτικότητα σε Fe2+ στα προϊόντα οξείδωσης της επιφάνειας αυξάνεται, ενώ η περιεκτικότητα σε Fe3+ μειώνεται. Τα διαφορετικά συστατικά των προϊόντων οξείδωσης έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικά χρώματα του εδάφους. Όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός επιφανειακής καύσης (μπλε), τόσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα σε προϊόντα Fe2O3 στο οξείδιο. Όσο χαμηλότερος είναι ο βαθμός καύσης της επιφάνειας, τόσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα σε προϊόντα FeO.