Новости
01
Окислительное поведение рельсов в процессе шлифования
2024-12-25
При взаимодействии абразивов с рельсами пластическая деформация рельсов генерирует тепло, а трение абразивов с материалами рельсов также генерирует тепло шлифования. Шлифование стальных рельсов осуществляется в естественной атмосфере, и в процессе шлифования материал стального рельса неизбежно окисляется под воздействием тепла шлифования. Существует тесная связь между поверхностным окислением стальных рельсов и прижогами рельсов. Поэтому необходимо изучить окислительное поведение поверхности рельса в процессе шлифования.
Сообщалось, что были подготовлены три типа шлифовальных камней с прочностью на сжатие, с прочностью 68,90 МПа, 95,2 МПа и 122,7 МПа соответственно. В соответствии с порядком прочности шлифовального камня, GS-10, GS-12.5 и GS-15 используются для представления этих трех групп шлифовальных камней. Для образцов стальных рельсов, шлифованных тремя наборами шлифовальных камней GS-10, GS-12.5 и GS-15, они соответственно представлены RGS-10, RGS-12.5 и RGS-15. Проведите испытания на шлифование в условиях шлифования 700 Н, 600 об/мин и 30 секунд. Для получения более наглядных экспериментальных результатов шлифовальный камень для рельсов использует режим контакта штифтового диска. Проанализируйте поведение окисления поверхности рельса после шлифования.
Морфология поверхности рельса из шлифованной стали наблюдалась и анализировалась с помощью SM и SEM, как показано на рис. 1. Результаты SM поверхности рельса из шлифованной стали показывают, что по мере увеличения прочности шлифовального камня цвет поверхности рельса из шлифованной стали меняется с синего и желто-коричневого на исходный цвет рельса. Исследование Лин и др. показало, что при температуре шлифования ниже 471 ℃ поверхность рельса выглядит нормального цвета. Когда температура шлифования составляет от 471 до 600 ℃, на рельсе появляются светло-желтые ожоги, в то время как при температуре шлифования от 600 до 735 ℃ поверхность рельса показывает синие ожоги. Таким образом, основываясь на изменении цвета поверхности рельса из шлифованной стали, можно сделать вывод, что по мере снижения прочности шлифовального камня температура шлифования постепенно увеличивается, а степень ожога рельса увеличивается. EDS использовался для анализа элементного состава поверхности рельса из шлифованной стали и поверхности основания из мусора. Результаты показали, что с увеличением прочности шлифовального камня содержание элемента O на поверхности рельса уменьшалось, что указывает на уменьшение связывания Fe и O на поверхности рельса и уменьшение степени окисления рельса, что согласуется с тенденцией изменения цвета на поверхности рельса. В то же время содержание элемента O на нижней поверхности шлифовальных отходов также уменьшается с увеличением прочности шлифовального камня. Стоит отметить, что для поверхности стального рельса, отшлифованной тем же шлифовальным камнем, и нижней поверхности шлифовальных отходов содержание элемента O на поверхности последнего выше, чем у первого. Во время образования отходов происходит пластическая деформация и выделяется тепло из-за сжатия абразивов; во время процесса истечения отходов нижняя поверхность отходов трется о переднюю торцевую поверхность абразива и выделяет тепло. Таким образом, совместное воздействие деформации отходов и фрикционного тепла приводит к более высокой степени окисления на нижней поверхности отходов, что приводит к более высокому содержанию элемента O.
(а) Низкопрочный шлифовальный камень, шлифующий стальную рельсовую поверхность (RGS-10)
(б) Поверхность стального рельса, отшлифованная шлифовальным камнем средней прочности (РГС-12,5)
(c) Высокопрочный шлифовальный камень, шлифованная стальная поверхность рельса (RGS-15)
Рис. 1. Морфология поверхности, морфология отходов и анализ EDS стальных рельсов после шлифования с различной интенсивностью шлифовальных камней
Для дальнейшего исследования продуктов окисления на поверхности стальных рельсов и изменения продуктов окисления в зависимости от степени обжига поверхности рельса была использована рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) для определения химического состояния элементов в приповерхностном слое шлифованных стальных рельсов. Результаты показаны на рис. 2. Результаты анализа полного спектра поверхности рельса после шлифования с различной интенсивностью шлифовальных камней (рис. 2 (а)) показывают, что на поверхности шлифованного рельса присутствуют пики C1s, O1s и Fe2p, а процентное содержание атомов O уменьшается со степенью обжига на поверхности рельса, что согласуется с картиной результатов анализа EDS на поверхности рельса. В связи с тем, что XPS обнаруживает элементарные состояния вблизи поверхностного слоя (около 5 нм) материала, существуют определенные различия в типах и содержании элементов, обнаруженных полным спектром XPS по сравнению с подложкой стального рельса. Пик C1s (284,6 эВ) в основном используется для калибровки энергий связи других элементов. Основным продуктом окисления на поверхности стальных рельсов является оксид Fe, поэтому подробно анализируется узкий спектр Fe2p. На рис. 2 (b) - (d) показан анализ узкого спектра Fe2p на поверхности стальных рельсов RGS-10, RGS-12.5 и RGS-15 соответственно. Результаты показывают, что имеются два пика энергии связи при 710,1 эВ и 712,4 эВ, приписываемых Fe2p3/2; имеются пики энергии связи Fe2p1/2 при 723,7 эВ и 726,1 эВ. Сателлитный пик Fe2p3/2 находится при 718,2 эВ. Два пика при 710,1 эВ и 723,7 эВ можно отнести к энергии связи Fe-O в Fe2O3, тогда как пики при 712,4 эВ и 726,1 эВ можно отнести к энергии связи Fe-O в FeO. Результаты показывают, что Fe3O4 Fe2O3. Между тем, аналитический пик при 706,8 эВ не был обнаружен, что указывает на отсутствие элементарного Fe на поверхности рельса.
(а) Полный спектральный анализ
(б) РГС-10 (синий)
(c) РГС-12,5 (светло-желтый)
(d) РГС-15 (исходный цвет стального рельса)
Рис.2. Анализ РФЭС поверхностей рельсов с различной степенью обгорания
Проценты площади пика в узком спектре Fe2p показывают, что от RGS-10, RGS-12.5 до RGS-15 проценты площади пика Fe2+2p3/2 и Fe2+2p1/2 увеличиваются, в то время как проценты площади пика Fe3+2p3/2 и Fe3+2p1/2 уменьшаются. Это указывает на то, что по мере уменьшения степени поверхностного обжига на рельсе содержание Fe2+ в продуктах окисления поверхности увеличивается, в то время как содержание Fe3+ уменьшается. Различные компоненты продуктов окисления приводят к различным цветам заземленного рельса. Чем выше степень поверхностного обжига (синий), тем выше содержание продуктов Fe2O3 в оксиде; Чем ниже степень поверхностного обжига, тем выше содержание продуктов FeO.