Comportement à l'oxydation des rails lors du processus de rectification
Lors de l'interaction entre les abrasifs et les rails, la déformation plastique de ces derniers génère de la chaleur, et le frottement entre les abrasifs et les matériaux des rails produit également de la chaleur de rectification. La rectification des rails en acier s'effectue à l'air libre, et durant ce processus, l'acier s'oxyde inévitablement sous l'effet de la chaleur. Il existe une relation étroite entre l'oxydation superficielle des rails et les brûlures qui peuvent en résulter. Il est donc nécessaire d'étudier le comportement à l'oxydation de la surface des rails pendant le processus de rectification.
Il a été rapporté que trois types de meules, présentant des résistances à la compression respectives de 68,90 MPa, 95,2 MPa et 122,7 MPa, ont été préparés. Ces trois groupes de meules sont désignés par ordre décroissant de résistance : GS-10, GS-12,5 et GS-15. Les échantillons de rails en acier rectifiés avec ces trois types de meules sont respectivement désignés RGS-10, RGS-12,5 et RGS-15. Des essais de rectification ont été menés dans les conditions suivantes : force de 700 N, vitesse de 600 tr/min et durée de 30 secondes. Afin d’obtenir des résultats expérimentaux plus pertinents, la meule a été utilisée en mode de contact disque-broche. L’oxydation de la surface du rail après rectification a ensuite été analysée.
La morphologie de surface du rail en acier rectifié a été observée et analysée par microscopie électronique à balayage (MEB) et par microscopie à balayage (SM), comme illustré sur la figure 1. Les résultats de la SM montrent que la couleur de la surface du rail rectifié évolue du bleu-jaune-brun vers sa couleur d'origine lorsque la résistance de la meule augmente. L'étude de Lin et al. a démontré qu'à une température de rectification inférieure à 471 °C, la surface du rail présente une couleur normale. Entre 471 et 600 °C, le rail présente des brûlures jaune clair, tandis qu'entre 600 et 735 °C, ces brûlures deviennent bleutées. Ainsi, l'évolution de la couleur de la surface du rail rectifié permet de déduire que la diminution de la résistance de la meule entraîne une augmentation progressive de la température de rectification et, par conséquent, une intensification des brûlures. La composition élémentaire de la surface du rail en acier rectifié et de la surface inférieure des débris a été analysée par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS). Les résultats ont montré qu'avec l'augmentation de la dureté de la meule, la teneur en oxygène à la surface du rail diminuait, indiquant une réduction de la liaison entre le fer et l'oxygène et une diminution du degré d'oxydation du rail, ce qui concorde avec l'évolution de sa couleur. Parallèlement, la teneur en oxygène sur la face inférieure des résidus de meulage diminue également avec l'augmentation de la dureté de la meule. Il est à noter que, pour une surface de rail en acier meulée avec la même meule, la teneur en oxygène sur la face inférieure des résidus est supérieure à celle de la surface du rail. Lors de la formation des résidus, une déformation plastique et un dégagement de chaleur se produisent par compression des abrasifs. Lors de l'évacuation des résidus, leur face inférieure frotte contre l'extrémité de la meule et génère de la chaleur. Ainsi, l'effet combiné de la déformation des résidus et de la chaleur de frottement entraîne un degré d'oxydation plus élevé sur leur face inférieure, d'où une teneur en oxygène plus importante.
(a) Surface de rail en acier rectifiée par une pierre à aiguiser à faible résistance (RGS-10)
(b) Surface du rail en acier rectifiée avec une meule de résistance moyenne (RGS-12.5)
(c) Surface de rail en acier rectifiée à la meule haute résistance (RGS-15)
Figure 1. Morphologie de surface, morphologie des débris et analyse EDS de rails en acier après meulage avec différentes intensités de pierres abrasives.
Afin d'étudier plus en détail les produits d'oxydation à la surface des rails en acier et leur variation en fonction du degré de brûlure de la surface, la spectroscopie photoélectronique X (XPS) a été utilisée pour déterminer l'état chimique des éléments dans la couche superficielle des rails rectifiés. Les résultats sont présentés sur la figure 2. L'analyse spectrale complète de la surface du rail après rectification avec des meules d'intensités différentes (figure 2(a)) révèle la présence des pics C1s, O1s et Fe2p. Le pourcentage d'atomes d'oxygène diminue avec le degré de brûlure, ce qui est cohérent avec les résultats de l'analyse EDS. La XPS détectant les états élémentaires proches de la surface (environ 5 nm), les types et les concentrations des éléments analysés diffèrent de ceux observés sur le substrat du rail. Le pic C1s (284,6 eV) sert principalement à calibrer les énergies de liaison des autres éléments. Le principal produit d'oxydation à la surface des rails en acier est l'oxyde de fer ; le spectre étroit du Fe2p est donc analysé en détail. Les figures 2 (b) à (d) présentent l'analyse spectrale du Fe2p à la surface des rails en acier RGS-10, RGS-12,5 et RGS-15, respectivement. Les résultats indiquent la présence de deux pics d'énergie de liaison à 710,1 eV et 712,4 eV, attribués au Fe2p3/2 ; des pics d'énergie de liaison du Fe2p1/2 sont observés à 723,7 eV et 726,1 eV. Le pic satellite du Fe2p3/2 se situe à 718,2 eV. Les deux pics à 710,1 eV et 723,7 eV peuvent être attribués à l'énergie de liaison Fe-O dans Fe₂O₃, tandis que les pics à 712,4 eV et 726,1 eV peuvent être attribués à l'énergie de liaison Fe-O dans FeO. Ces résultats indiquent la présence de Fe₃O₄ et Fe₂O₃. Par ailleurs, aucun pic analytique n'a été détecté à 706,8 eV, ce qui indique l'absence de fer élémentaire à la surface du rail de terre.
(a) Analyse spectrale complète
(b) RGS-10 (bleu)
(c) RGS-12.5 (jaune clair)
(d) RGS-15 (couleur d'origine du rail en acier)
Fig. 2. Analyse XPS des surfaces de rails présentant différents degrés de brûlures
Les pourcentages de surface des pics dans le spectre étroit Fe2p montrent que, de RGS-10 à RGS-12,5 puis à RGS-15, les pourcentages de surface des pics Fe²⁺2p₃/₂ et Fe²⁺2p₁/₂ augmentent, tandis que ceux des pics Fe³⁺2p₃/₂ et Fe³⁺2p₁/₂ diminuent. Ceci indique que, lorsque le degré de brûlure superficielle du rail diminue, la teneur en Fe²⁺ dans les produits d'oxydation de surface augmente, tandis que la teneur en Fe³⁺ diminue. Les différents composants des produits d'oxydation sont responsables des différentes couleurs du rail poncé. Plus le degré de brûlure superficielle est élevé (bleu), plus la teneur en Fe₂O₃ dans l'oxyde est importante ; moins le degré de brûlure superficielle est élevé, plus la teneur en FeO est importante.
