ニュース
研削工程におけるレールの酸化挙動
2024-12-25
研磨材とレールの相互作用中に、レールの塑性変形によって熱が発生し、研磨材とレール材料の摩擦によっても研削熱が発生します。鋼製レールの研削は自然雰囲気で行われ、研削プロセス中に、鋼製レール材料は研削熱によって必然的に酸化されます。鋼製レールの表面酸化とレール焼けには密接な関係があります。そのため、研削プロセス中のレール表面の酸化挙動を研究する必要があります。
圧縮強度がそれぞれ68.90MPa、95.2MPa、122.7MPaの3種類の砥石が用意されたことが報告されています。砥石の強度の順序に従って、GS-10、GS-12.5、GS-15を使用して、これらの3つのグループの砥石を表します。3組の砥石GS-10、GS-12.5、GS-15で研削された鋼レールサンプルについては、それぞれRGS-10、RGS-12.5、RGS-15で表されます。700N、600rpm、30秒の研削条件で研削試験を実施します。より直感的な実験結果を得るために、レール研削石はピンディスク接触モードを採用しています。研削後のレール表面の酸化挙動を分析します。
図1に示すように、研磨された鋼製レールの表面形態をSMとSEMを使用して観察および分析しました。研磨されたレール表面のSM結果によると、砥石の強度が増加するにつれて、研磨されたレール表面の色が青と黄褐色からレールの元の色に変化しています。 Linらの研究では、研磨温度が471℃未満のとき、レールの表面は正常な色に見えることが示されました。研磨温度が471〜600℃の場合、レールは淡黄色の焼けを示し、研磨温度が600〜735℃の場合、レールの表面は青い焼けを示します。したがって、研磨されたレール表面の色の変化に基づいて、砥石の強度が低下するにつれて、研磨温度が徐々に上昇し、レールの焼けの程度が増加すると推測できます。 EDSを使用して、研磨された鋼製レール表面とデブリの底面の元素組成を分析しました。結果は、砥石強度の増加に伴い、レール表面のO元素含有量が減少し、レール表面でのFeとOの結合が減少し、レールの酸化度が低下したことを示しており、レール表面の色の変化の傾向と一致しています。同時に、研削屑の下面のO元素含有量も、砥石強度の増加とともに減少しています。同じ砥石で研削された鋼製レールの表面と研削屑の底面については、後者の表面のO元素含有量が前者よりも高いことは注目に値します。破片の形成中に、塑性変形が発生し、研磨材の圧縮により熱が発生します。破片の流出の過程で、破片の底面が研磨材の前端面に擦れて熱が発生します。したがって、破片の変形と摩擦熱の複合効果により、破片の底面の酸化度が高くなり、O元素の含有量が高くなります。
（a）低強度砥石で鋼レール表面を研磨（RGS-10）
(b) 中強度砥石（RGS-12.5）で研磨した鋼製レールの表面
(c) 高強度砥石による鋼レール表面の研磨（RGS-15）
図1. 異なる研磨強度の砥石で研磨した後の鋼製レールの表面形態、破片形態、EDS分析
鋼レール表面の酸化生成物とレール表面の焼けの程度による酸化生成物の変化をさらに調査するために、X線光電子分光法（XPS）を使用して、研磨された鋼レールの表面近くの層の元素の化学状態を検出しました。結果を図2に示します。異なる強度の砥石で研磨した後のレール表面のフルスペクトル分析結果（図2（a））は、研磨されたレール表面にC1s、O1s、およびFe2pピークがあり、レール表面の焼けの程度とともにO原子の割合が減少することを示しています。これは、レール表面のEDS分析結果のパターンと一致しています。XPSは材料の表面層（約5nm）近くの元素状態を検出するという事実により、鋼レール基板と比較して、XPSフルスペクトルで検出される元素の種類と含有量に一定の違いがあります。C1sピーク（284.6eV）は、主に他の元素の結合エネルギーを較正するために使用されます。鋼レールの表面の主な酸化生成物は Fe 酸化物であるため、Fe2p の狭帯域スペクトルを詳細に分析します。図 2 (b) ～ (d) は、それぞれ鋼レール RGS-10、RGS-12.5、RGS-15 の表面における Fe2p の狭帯域スペクトル分析を示しています。結果は、710.1 eV と 712.4 eV に Fe2p3/2 に起因する 2 つの結合エネルギーピークがあることを示しています。723.7 eV と 726.1 eV に Fe2p1/2 の結合エネルギーピークがあります。Fe2p3/2 のサテライトピークは 718.2 eV にあります。 710.1 eV と 723.7 eV の 2 つのピークは、Fe2O3 内の Fe-O の結合エネルギーに起因する可能性があり、712.4 eV と 726.1 eV のピークは、FeO 内の Fe-O の結合エネルギーに起因する可能性があります。結果は、Fe3O4 Fe2O3 を示しています。一方、706.8 eV では分析ピークが検出されなかったため、接地レール表面に元素 Fe が存在しないことがわかります。
（a）フルスペクトル分析
(b) RGS-10（青）
(c) RGS-12.5（ライトイエロー）
(d) RGS-15（鋼製レールのオリジナルカラー）
図2. 異なる程度の焼け跡を持つレール表面のXPS分析
Fe2p 狭域スペクトルのピーク面積パーセンテージは、RGS-10、RGS-12.5、RGS-15 にかけて、Fe2+2p3/2 と Fe2+2p1/2 のピーク面積パーセンテージが増加し、Fe3+2p3/2 と Fe3+2p1/2 のピーク面積パーセンテージが減少することを示しています。これは、レールの表面焼けの程度が減少するにつれて、表面酸化生成物の Fe2+ 含有量が増加し、Fe3+ 含有量が減少することを示しています。酸化生成物の成分が異なると、接地レールの色が異なります。表面焼けの程度 (青) が高いほど、酸化物中の Fe2O3 生成物の含有量が多くなります。表面焼けの程度が低いほど、FeO 生成物の含有量が多くなります。