Nachricht
01
Oxidationsverhalten von Schienen beim Schleifprozess
25.12.2024
Bei der Interaktion 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. Während des Schleifprozesses oxidiert das Stahlschienenmaterial zwangsläufig durch die Schleifwärme. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Oberflächenoxidation von Stahlschienen und Schienenverbrennungen. Daher ist es notwendig, das Oxidationsverhalten der Schienenoberfläche während des Schleifprozesses 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. Entsprechend der Reihenfolge der Schleifsteinfestigkeit werden GS-10, GS-12,5 und GS-15 verwendet, um diese drei Gruppen von Schleifsteinen darzustellen. Die mit drei Schleifsteinsätzen GS-10, GS-12,5 und GS-15 geschliffenen Stahlschienenproben werden 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 Stift-Scheiben-Kontaktmodus. 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 Festigkeit des Schleifsteins von Blau und Gelbbraun zur ursprünglichen Farbe der Schiene ändert. Die Studie von Lin et al. ergab, dass die Schienenoberfläche bei einer Schleiftemperatur unter 471 °C eine normale Farbe aufweist. Bei Schleiftemperaturen zwischen 471 und 600 °C weist die Schiene hellgelbe Verbrennungen auf, während bei Schleiftemperaturen zwischen 600 und 735 °C blaue Verbrennungen auftreten. Daher kann anhand der Farbänderung der geschliffenen Schienenoberfläche geschlussfolgert werden, dass mit abnehmender Festigkeit des Schleifsteins die Schleiftemperatur allmählich zunimmt und der Grad der Schienenverbrennung zunimmt. Mittels EDS wurde die elementare Zusammensetzung der geschliffenen Stahlschienenoberfläche und der Schuttunterseite analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmender Schleifsteinstärke der O-Gehalt auf der Schienenoberfläche abnahm. Dies deutet auf eine geringere Bindung von Fe und O an der Schienenoberfläche und einen geringeren Oxidationsgrad hin, was mit der Tendenz zur Farbveränderung auf der Schienenoberfläche übereinstimmt. Gleichzeitig nahm der O-Gehalt an der Unterseite des Schleifstaubs mit zunehmender Schleifsteinstärke ab. Bemerkenswert ist, dass sowohl die mit demselben Schleifstein geschliffene Stahlschienenoberfläche als auch die Unterseite des Schleifstaubs einen höheren O-Gehalt aufweisen als die Oberfläche des Schleifstaubs. Bei der Bildung des Staubs kommt es zu plastischer Verformung und Wärmeentwicklung durch die Kompression des Schleifmittels. Beim Abfließen des Staubs reibt die Unterseite des Staubs an der Vorderseite des Schleifmittels und erzeugt dabei Wärme. Die kombinierte Wirkung von Staubverformung und Reibungswärme führt daher zu einer höheren Oxidation der Unterseite des Staubs und damit zu einem höheren O-Gehalt.
(a) Mit Schleifsteinen geringer Festigkeit geschliffene Stahlschienenoberfläche (RGS-10)
(b) Oberfläche der Stahlschiene mit Schleifstein mittlerer Stärke (RGS-12.5) geschliffen
(c) Hochfeste, mit Schleifstein geschliffene Stahlschienenoberfläche (RGS-15)
Abb. 1. Oberflächenmorphologie, Abriebmorphologie 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 geschliffener Stahlschienen zu bestimmen. 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 es auf der geschliffenen Schienenoberfläche C1s-, O1s- und Fe2p-Spitzen gibt 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. Da XPS die Elementzustände nahe der Oberflächenschicht (ca. 5 nm) des Materials erkennt, gibt es gewisse Unterschiede in den Arten und Inhalten der durch das Vollspektrum-XPS erkannten Elemente im Vergleich zum Stahlschienensubstrat. Der C1s-Peak (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 detailliert analysiert. Abb. 2 (b) bis (d) zeigen die schmale Spektrumanalyse von Fe2p auf der Oberfläche der Stahlschienen RGS-10, RGS-12,5 und RGS-15. Die Ergebnisse zeigen zwei Bindungsenergiespitzen bei 710,1 eV und 712,4 eV, die Fe2p3/2 zugeordnet werden; Bindungsenergiespitzen von Fe2p1/2 liegen bei 723,7 eV und 726,1 eV. Die Satellitenspitze von Fe2p3/2 liegt bei 718,2 eV. Die beiden Peaks bei 710,1 eV und 723,7 eV können der Bindungsenergie von Fe-O in Fe2O3 zugeordnet werden, während die Peaks bei 712,4 eV und 726,1 eV der Bindungsenergie von Fe-O in FeO zugeordnet werden können. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Fe3O4 Fe2O3 ist. Bei 706,8 eV wurde kein analytischer Peak 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 über 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 Oberflächenbrand der Schiene der Fe2+-Gehalt in den Oberflächenoxidationsprodukten steigt, während der Fe3+-Gehalt sinkt. Die unterschiedlichen Komponenten der Oxidationsprodukte führen zu unterschiedlichen Farben der geschliffenen Schiene. Je höher der Oberflächenbrand (blau), desto höher der Gehalt an Fe2O3-Produkten im Oxid; je geringer der Oberflächenbrand, desto höher der Gehalt an FeO-Produkten.