رفتار اکسیداسیون ریلها در طول فرآیند سنگزنی
در طول تعامل بین مواد ساینده و ریل، تغییر شکل پلاستیکی ریلها گرما تولید میکند و اصطکاک بین مواد ساینده و مواد ریل نیز گرمای سنگزنی ایجاد میکند. سنگزنی ریلهای فولادی در یک اتمسفر طبیعی انجام میشود و در طول فرآیند سنگزنی، مواد ریل فولادی به ناچار تحت گرمای سنگزنی اکسید میشوند. رابطه نزدیکی بین اکسیداسیون سطحی ریلهای فولادی و سوختگی ریل وجود دارد. بنابراین، مطالعه رفتار اکسیداسیون سطح ریل در طول فرآیند سنگزنی ضروری است.
گزارش شده است که سه نوع سنگ آسیاب با مقاومت فشاری تهیه شده است که به ترتیب دارای مقاومتهای ۶۸.۹۰ مگاپاسکال، ۹۵.۲ مگاپاسکال و ۱۲۲.۷ مگاپاسکال هستند. بر اساس ترتیب مقاومت سنگ آسیاب، از GS-10، GS-12.5 و GS-15 برای نشان دادن این سه گروه از سنگهای آسیاب استفاده شده است. برای نمونههای ریل فولادی که توسط سه مجموعه سنگ آسیاب GS-10، GS-12.5 و GS-15 آسیاب شدهاند، به ترتیب با RGS-10، RGS-12.5 و RGS-15 نشان داده شدهاند. آزمایشهای سنگزنی را تحت شرایط سنگزنی ۷۰۰ نیوتن، ۶۰۰ دور در دقیقه و ۳۰ ثانیه انجام دهید. برای به دست آوردن نتایج تجربی شهودیتر، سنگ آسیاب ریل از حالت تماس دیسک پین استفاده میکند. رفتار اکسیداسیون سطح ریل را پس از سنگزنی تجزیه و تحلیل کنید.
مورفولوژی سطح ریل فولادی سنگزنی شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (SM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (SEM) مشاهده و تجزیه و تحلیل شد، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. نتایج میکروسکوپ الکترونی عبوری از سطح ریل نشان میدهد که با افزایش مقاومت سنگ آسیاب، رنگ سطح ریل از آبی و قهوهای مایل به زرد به رنگ اصلی ریل تغییر میکند. مطالعه لین و همکارانش نشان داد که وقتی دمای سنگزنی کمتر از 471 درجه سانتیگراد باشد، سطح ریل به رنگ طبیعی خود ظاهر میشود. هنگامی که دمای سنگزنی بین 471 تا 600 درجه سانتیگراد باشد، ریل سوختگیهای زرد روشن نشان میدهد، در حالی که وقتی دمای سنگزنی بین 600 تا 735 درجه سانتیگراد باشد، سطح ریل سوختگیهای آبی رنگ نشان میدهد. بنابراین، بر اساس تغییر رنگ سطح ریل سنگزنی شده، میتوان استنباط کرد که با کاهش مقاومت سنگ آسیاب، دمای سنگزنی به تدریج افزایش مییابد و درجه سوختگی ریل افزایش مییابد. از EDS برای تجزیه و تحلیل ترکیب عنصری سطح ریل فولادی سنگزنی شده و سطح زیرین آوار استفاده شد. نتایج نشان داد که با افزایش استحکام سنگ آسیاب، مقدار عنصر O روی سطح ریل کاهش مییابد که نشاندهنده کاهش اتصال Fe و O روی سطح ریل و کاهش درجه اکسیداسیون ریل است که با روند تغییر رنگ روی سطح ریل سازگار است. در عین حال، مقدار عنصر O روی سطح زیرین خردههای آسیاب نیز با افزایش استحکام سنگ آسیاب کاهش مییابد. شایان ذکر است که برای سطح ریل فولادی که توسط سنگ آسیاب یکسان و سطح زیرین خردههای آسیاب سنگزنی شده است، مقدار عنصر O روی سطح دومی بیشتر از اولی است. در طول تشکیل خردهها، تغییر شکل پلاستیکی رخ میدهد و به دلیل فشردهسازی مواد ساینده، گرما تولید میشود. در طول فرآیند خروج خردهها، سطح زیرین خردهها به سطح جلویی مواد ساینده ساییده میشود و گرما تولید میکند. بنابراین، اثر ترکیبی تغییر شکل خردهها و گرمای اصطکاکی منجر به درجه اکسیداسیون بالاتر روی سطح زیرین خردهها میشود که در نتیجه مقدار عنصر O بیشتری ایجاد میشود.
(الف) سنگ زنی کم مقاومت سطح ریل فولادی (RGS-10)
(ب) سطح ریل فولادی با سنگ سنباده با مقاومت متوسط (RGS-12.5)
(ج) سطح ریل فولادی با سنگ سنباده با مقاومت بالا (RGS-15)
شکل 1. مورفولوژی سطح، مورفولوژی خردهها و آنالیز EDS ریلهای فولادی پس از سنگزنی با شدتهای مختلف سنگهای سنگزنی
به منظور بررسی بیشتر محصولات اکسیداسیون روی سطح ریلهای فولادی و تغییر محصولات اکسیداسیون با درجه سوختگی سطح ریل، از طیفسنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) برای تشخیص حالت شیمیایی عناصر در لایه نزدیک سطح ریلهای فولادی سنگزنی شده استفاده شد. نتایج در شکل 2 نشان داده شده است. نتایج آنالیز طیف کامل سطح ریل پس از سنگزنی با شدتهای مختلف سنگهای سنگزنی (شکل 2 (الف)) نشان میدهد که پیکهای C1s، O1s و Fe2p روی سطح ریل سنگزنی شده وجود دارد و درصد اتمهای O با درجه سوختگی روی سطح ریل کاهش مییابد که با الگوی نتایج آنالیز EDS روی سطح ریل سازگار است. با توجه به اینکه XPS حالتهای عنصری نزدیک لایه سطحی (حدود 5 نانومتر) ماده را تشخیص میدهد، تفاوتهای خاصی در نوع و محتوای عناصر شناسایی شده توسط طیف کامل XPS در مقایسه با زیرلایه ریل فولادی وجود دارد. پیک C1s (284.6 eV) عمدتاً برای کالیبراسیون انرژیهای اتصال سایر عناصر استفاده میشود. محصول اصلی اکسیداسیون روی سطح ریلهای فولادی، اکسید آهن است، بنابراین طیف باریک Fe2p به تفصیل تجزیه و تحلیل میشود. شکلهای 2 (b) تا (d) تجزیه و تحلیل طیف باریک Fe2p را روی سطح ریلهای فولادی RGS-10، RGS-12.5 و RGS-15 به ترتیب نشان میدهند. نتایج نشان میدهد که دو پیک انرژی پیوند در 710.1 eV و 712.4 eV وجود دارد که به Fe2p3/2 نسبت داده میشوند. پیکهای انرژی پیوند Fe2p1/2 در 723.7 eV و 726.1 eV وجود دارد. پیک ماهوارهای Fe2p3/2 در 718.2 eV است. دو پیک در 710.1 eV و 723.7 eV ممکن است به انرژی پیوند Fe-O در Fe2O3 نسبت داده شوند، در حالی که پیکهای 712.4 eV و 726.1 eV ممکن است به انرژی پیوند Fe-O در FeO نسبت داده شوند. نتایج نشان میدهد که Fe3O4 Fe2O3. در همین حال، هیچ پیک تحلیلی در 706.8 eV شناسایی نشد که نشاندهنده عدم وجود عنصر آهن در سطح ریل زمینی است.
(الف) تحلیل طیف کامل
(ب) RGS-10 (آبی)
(ج) RGS-12.5 (زرد روشن)
(د) RGS-15 (رنگ اصلی ریل فولادی)
شکل 2. تحلیل XPS سطوح ریل با درجات مختلف سوختگی
درصد مساحت پیک در طیف باریک Fe2p نشان میدهد که از RGS-10، RGS-12.5 تا RGS-15، درصد مساحت پیک Fe2+2p3/2 و Fe2+2p1/2 افزایش مییابد، در حالی که درصد مساحت پیک Fe3+2p3/2 و Fe3+2p1/2 کاهش مییابد. این نشان میدهد که با کاهش درجه سوختگی سطحی روی ریل، محتوای Fe2+ در محصولات اکسیداسیون سطحی افزایش مییابد، در حالی که محتوای Fe3+ کاهش مییابد. اجزای مختلف محصولات اکسیداسیون منجر به رنگهای مختلف ریل زمین میشوند. هرچه درجه سوختگی سطحی (آبی) بالاتر باشد، محتوای محصولات Fe2O3 در اکسید بیشتر است. هرچه درجه سوختگی سطحی کمتر باشد، محتوای محصولات FeO بیشتر است.
