Comportamiento de oxidación de los rieles durante el proceso de rectificado
Durante la interacción entre los abrasivos y los rieles, la deformación plástica de estos genera calor, y la fricción entre los abrasivos y los materiales del riel también genera calor de rectificado. El rectificado de rieles de acero se realiza en atmósfera natural, y durante el proceso, el material del riel de acero se oxida inevitablemente bajo el calor del rectificado. Existe una estrecha relación entre la oxidación superficial de los rieles de acero y las quemaduras en los rieles. Por lo tanto, es necesario estudiar el comportamiento oxidativo de la superficie del riel durante el proceso de rectificado.
Se ha informado que se prepararon tres tipos de piedras de amolar con resistencias a la compresión, con resistencias de 68,90 MPa, 95,2 MPa y 122,7 MPa, respectivamente. De acuerdo con el orden de resistencia de la piedra de amolar, se utilizan GS-10, GS-12,5 y GS-15 para representar estos tres grupos de piedras de amolar. Para las muestras de riel de acero rectificadas con tres juegos de piedras de amolar GS-10, GS-12,5 y GS-15, se representan respectivamente como RGS-10, RGS-12,5 y RGS-15. Realice pruebas de rectificado en condiciones de rectificado de 700 N, 600 rpm y 30 segundos. Para obtener resultados experimentales más intuitivos, la piedra de amolar riel adopta un modo de contacto de disco de pasador. Analice el comportamiento de oxidación de la superficie del riel después del rectificado.
La morfología de la superficie del riel de acero rectificado se observó y analizó mediante SM y SEM, como se muestra en la Fig. 1. Los resultados de SM de la superficie del riel rectificado muestran que a medida que aumenta la resistencia de la piedra de amolar, el color de la superficie del riel rectificado cambia de azul y marrón amarillento al color original del riel. El estudio de Lin et al. mostró que cuando la temperatura de rectificado es inferior a 471 ℃, la superficie del riel aparece de color normal. Cuando la temperatura de rectificado está entre 471-600 ℃, el riel muestra quemaduras de color amarillo claro, mientras que cuando la temperatura de rectificado está entre 600-735 ℃, la superficie del riel muestra quemaduras azules. Por lo tanto, con base en el cambio de color de la superficie del riel rectificado, se puede inferir que a medida que disminuye la resistencia de la piedra de amolar, la temperatura de rectificado aumenta gradualmente y el grado de quemadura del riel aumenta. Se utilizó EDS para analizar la composición elemental de la superficie del riel de acero rectificado y la superficie inferior de los escombros. Los resultados mostraron que con el aumento de la resistencia de la muela, el contenido de elemento O en la superficie del riel disminuyó, lo que indica una reducción en la unión de Fe y O en la superficie del riel, y una disminución en el grado de oxidación del riel, consistente con la tendencia de cambio de color en la superficie del riel. Al mismo tiempo, el contenido de elemento O en la superficie inferior de los residuos de pulido también disminuye con el aumento de la resistencia de la muela. Vale la pena señalar que para la superficie del riel de acero rectificado por la misma muela y la superficie inferior de los residuos de pulido, el contenido de elemento O en la superficie de este último es mayor que el del primero. Durante la formación de residuos, se produce deformación plástica y se genera calor debido a la compresión de los abrasivos; Durante el proceso de salida de los residuos, la superficie inferior de los residuos roza contra la superficie del extremo frontal del abrasivo y genera calor. Por lo tanto, el efecto combinado de la deformación de los escombros y el calor por fricción conduce a un mayor grado de oxidación en la superficie inferior de los escombros, lo que resulta en un mayor contenido del elemento O.
(a) Superficie de riel de acero rectificada con piedra de amolar de baja resistencia (RGS-10)
(b) Superficie del riel de acero rectificada con piedra de afilar de resistencia media (RGS-12.5)
(c) Superficie de riel de acero rectificado con piedra de amolar de alta resistencia (RGS-15)
Fig. 1. Morfología de la superficie, morfología de los escombros y análisis EDS de rieles de acero después del rectificado con diferentes intensidades de muelas.
Para investigar más a fondo los productos de oxidación en la superficie de los rieles de acero y su variación con el grado de quemado superficial, se utilizó la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) para detectar el estado químico de los elementos en la capa cercana a la superficie de los rieles de acero rectificados. Los resultados se muestran en la Fig. 2. Los resultados del análisis de espectro completo de la superficie del riel después del rectificado con diferentes intensidades de muelas (Fig. 2 (a)) muestran la presencia de picos de C1s, O1s y Fe2p en la superficie del riel rectificado, y la disminución del porcentaje de átomos de O con el grado de quemado superficial, lo cual concuerda con el patrón de los resultados del análisis EDS en la superficie del riel. Debido a que la XPS detecta los estados elementales cerca de la capa superficial (aproximadamente 5 nm) del material, existen ciertas diferencias en los tipos y contenidos de elementos detectados por el espectro completo de XPS en comparación con el sustrato del riel de acero. El pico de C1s (284,6 eV) se utiliza principalmente para calibrar las energías de enlace de otros elementos. El principal producto de oxidación en la superficie de los rieles de acero es el óxido de Fe, por lo que se analiza en detalle el espectro estrecho de Fe2p. Las figuras 2 (b) a (d) muestran el análisis del espectro estrecho de Fe2p en la superficie de los rieles de acero RGS-10, RGS-12.5 y RGS-15, respectivamente. Los resultados indican que hay dos picos de energía de enlace a 710,1 eV y 712,4 eV, atribuidos a Fe2p3/2; Hay picos de energía de enlace de Fe2p1/2 a 723,7 eV y 726,1 eV. El pico satélite de Fe2p3/2 está a 718,2 eV. Los dos picos a 710,1 eV y 723,7 eV pueden atribuirse a la energía de enlace de Fe-O en Fe2O3, mientras que los picos a 712,4 eV y 726,1 eV pueden atribuirse a la energía de enlace de Fe-O en FeO. Los resultados indican Fe₃O₄Fe₂O₃. Sin embargo, no se detectó ningún pico analítico a 706,8 eV, lo que indica la ausencia de Fe elemental en la superficie del riel de tierra.
(a) Análisis de espectro completo
(b) RGS-10 (azul)
(c) RGS-12.5 (amarillo claro)
(d) RGS-15 (color original del riel de acero)
Fig. 2. Análisis XPS de superficies de rieles con diferentes grados de quemaduras.
Los porcentajes de área de pico en el espectro estrecho de Fe₂p muestran que, de RGS-10, RGS-12.5 a RGS-15, los porcentajes de área de pico de Fe₂+2p₃/2 y Fe₂+2p₁/2 aumentan, mientras que los porcentajes de área de pico de Fe₂+2p₃/2 y Fe₂+2p₁/2 disminuyen. Esto indica que, a medida que disminuye el grado de quemado superficial del riel, aumenta el contenido de Fe₂+ en los productos de oxidación superficial, mientras que disminuye el contenido de Fe₂+. Los diferentes componentes de los productos de oxidación dan lugar a diferentes colores del riel de tierra. Cuanto mayor sea el grado de quemado superficial (azul), mayor será el contenido de productos de Fe₂O₃ en el óxido; cuanto menor sea el grado de quemado superficial, mayor será el contenido de productos de Fe₂O₃.
