Tin tức
01
Hành vi oxy hóa của đường ray trong quá trình mài
2024-12-25
Trong quá trình tương tác giữa vật liệu mài và ray, biến dạng dẻo của ray tạo ra nhiệt, và ma sát giữa vật liệu mài và vật liệu ray cũng tạo ra nhiệt mài. Quá trình mài ray thép được thực hiện trong môi trường tự nhiên, và trong quá trình mài, vật liệu ray thép không tránh khỏi bị oxy hóa dưới nhiệt độ mài. Có mối quan hệ chặt chẽ giữa quá trình oxy hóa bề mặt ray thép và cháy ray. Do đó, cần phải nghiên cứu hành vi oxy hóa của bề mặt ray trong quá trình mài.
Có báo cáo rằng ba loại đá mài có cường độ nén đã được chuẩn bị, với cường độ lần lượt là 68,90 MPa, 95,2 MPa và 122,7 MPa. Theo thứ tự cường độ đá mài, GS-10, GS-12,5 và GS-15 được sử dụng để đại diện cho ba nhóm đá mài này. Đối với các mẫu ray thép được mài bằng ba bộ đá mài GS-10, GS-12,5 và GS-15, chúng lần lượt được đại diện bởi RGS-10, RGS-12,5 và RGS-15. Tiến hành các thử nghiệm mài trong điều kiện mài 700 N, 600 vòng/phút và 30 giây. Để có được kết quả thực nghiệm trực quan hơn, đá mài ray áp dụng chế độ tiếp xúc đĩa chốt. Phân tích hành vi oxy hóa của bề mặt ray sau khi mài.
Hình thái bề mặt của ray thép nền được quan sát và phân tích bằng SM và SEM, như thể hiện trong Hình 1. Kết quả SM của bề mặt ray thép nền cho thấy khi cường độ đá mài tăng, màu sắc của bề mặt ray thép nền thay đổi từ xanh lam và vàng nâu sang màu ban đầu của ray. Nghiên cứu của Lin và cộng sự cho thấy khi nhiệt độ mài dưới 471 ℃, bề mặt ray có màu bình thường. Khi nhiệt độ mài nằm trong khoảng 471-600 ℃, ray có màu cháy vàng nhạt, trong khi khi nhiệt độ mài nằm trong khoảng 600-735 ℃, bề mặt ray có màu cháy xanh. Do đó, dựa trên sự thay đổi màu sắc của bề mặt ray thép nền, có thể suy ra rằng khi cường độ của đá mài giảm, nhiệt độ mài tăng dần và mức độ cháy ray tăng lên. EDS được sử dụng để phân tích thành phần nguyên tố của bề mặt ray thép nền và bề mặt đáy mảnh vụn. Kết quả cho thấy khi cường độ đá mài tăng, hàm lượng nguyên tố O trên bề mặt ray giảm, cho thấy sự liên kết của Fe và O trên bề mặt ray giảm, mức độ oxy hóa của ray giảm, phù hợp với xu hướng thay đổi màu sắc trên bề mặt ray. Đồng thời, hàm lượng nguyên tố O trên bề mặt dưới của mảnh vụn mài cũng giảm theo sự gia tăng của cường độ đá mài. Điều đáng chú ý là đối với bề mặt ray thép được mài bằng cùng một loại đá mài và bề mặt dưới của mảnh vụn mài, hàm lượng nguyên tố O trên bề mặt sau cao hơn bề mặt trước. Trong quá trình hình thành mảnh vụn, xảy ra biến dạng dẻo và sinh nhiệt do nén vật liệu mài; Trong quá trình mảnh vụn chảy ra, bề mặt dưới của mảnh vụn cọ xát với bề mặt đầu trước của vật liệu mài và sinh nhiệt. Do đó, tác động kết hợp của biến dạng mảnh vụn và nhiệt ma sát dẫn đến mức độ oxy hóa cao hơn trên bề mặt dưới của mảnh vụn, dẫn đến hàm lượng nguyên tố O cao hơn.
(a) Bề mặt ray thép mài đá có độ bền thấp (RGS-10)
(b) Bề mặt ray thép được mài bằng đá mài có độ bền trung bình (RGS-12.5)
(c) Bề mặt ray thép mài đá cường độ cao (RGS-15)
Hình 1. Hình thái bề mặt, hình thái mảnh vụn và phân tích EDS của thanh ray thép sau khi nghiền với cường độ đá mài khác nhau
Để nghiên cứu sâu hơn về các sản phẩm oxy hóa trên bề mặt ray thép và sự biến đổi của các sản phẩm oxy hóa theo mức độ cháy bề mặt ray, quang phổ điện tử quang điện tia X (XPS) đã được sử dụng để phát hiện trạng thái hóa học của các nguyên tố trong lớp gần bề mặt của ray thép nền. Kết quả được thể hiện trong Hình 2. Kết quả phân tích phổ đầy đủ của bề mặt ray sau khi mài với các cường độ đá mài khác nhau (Hình 2 (a)) cho thấy có các đỉnh C1s, O1s và Fe2p trên bề mặt ray nền và tỷ lệ phần trăm nguyên tử O giảm theo mức độ cháy trên bề mặt ray, điều này phù hợp với mô hình kết quả phân tích EDS trên bề mặt ray. Do thực tế là XPS phát hiện trạng thái nguyên tố gần lớp bề mặt (khoảng 5 nm) của vật liệu, nên có một số khác biệt nhất định về loại và hàm lượng các nguyên tố được phát hiện bởi phổ đầy đủ XPS so với nền ray thép. Đỉnh C1s (284,6 eV) chủ yếu được sử dụng để hiệu chuẩn năng lượng liên kết của các nguyên tố khác. Sản phẩm oxy hóa chính trên bề mặt ray thép là oxit Fe, do đó phổ hẹp của Fe2p được phân tích chi tiết. Hình 2 (b) đến (d) cho thấy phân tích phổ hẹp của Fe2p trên bề mặt ray thép RGS-10, RGS-12.5 và RGS-15 tương ứng. Kết quả chỉ ra rằng có hai đỉnh năng lượng liên kết tại 710,1 eV và 712,4 eV, được quy cho Fe2p3/2; Có các đỉnh năng lượng liên kết của Fe2p1/2 tại 723,7 eV và 726,1 eV. Đỉnh vệ tinh của Fe2p3/2 ở 718,2 eV. Hai đỉnh tại 710,1 eV và 723,7 eV có thể được quy cho năng lượng liên kết của Fe-O trong Fe2O3, trong khi các đỉnh tại 712,4 eV và 726,1 eV có thể được quy cho năng lượng liên kết của Fe-O trong FeO. Kết quả cho thấy Fe3O4 Fe2O3. Trong khi đó, không phát hiện thấy đỉnh phân tích nào ở 706,8 eV, cho thấy không có nguyên tố Fe trên bề mặt ray đất.
(a) Phân tích toàn phổ
(b) RGS-10 (màu xanh)
(c) RGS-12.5 (màu vàng nhạt)
(d) RGS-15 (màu gốc của thanh thép)
Hình 2. Phân tích XPS của bề mặt đường ray với các mức độ cháy khác nhau
Tỷ lệ phần trăm diện tích đỉnh trong phổ hẹp Fe2p cho thấy rằng từ RGS-10, RGS-12.5 đến RGS-15, tỷ lệ phần trăm diện tích đỉnh của Fe2+2p3/2 và Fe2+2p1/2 tăng lên, trong khi tỷ lệ phần trăm diện tích đỉnh của Fe3+2p3/2 và Fe3+2p1/2 giảm. Điều này chỉ ra rằng khi mức độ cháy bề mặt trên đường ray giảm, hàm lượng Fe2+ trong các sản phẩm oxy hóa bề mặt tăng lên, trong khi hàm lượng Fe3+ giảm. Các thành phần khác nhau của các sản phẩm oxy hóa dẫn đến các màu khác nhau của đường ray nền. Mức độ cháy bề mặt càng cao (màu xanh lam), thì hàm lượng sản phẩm Fe2O3 trong oxit càng cao; Mức độ cháy bề mặt càng thấp, thì hàm lượng sản phẩm FeO càng cao.