Perilaku oksidasi rel selama proses penggilingan
Selama interaksi antara bahan abrasif dan rel, deformasi plastis rel menghasilkan panas, dan gesekan antara bahan abrasif dan material rel juga menghasilkan panas penggerindaan. Penggerindaan rel baja dilakukan di atmosfer alami, dan selama proses penggerindaan, material rel baja pasti teroksidasi akibat panas penggerindaan. Terdapat hubungan erat antara oksidasi permukaan rel baja dan kerusakan rel akibat panas. Oleh karena itu, perlu untuk mempelajari perilaku oksidasi permukaan rel selama proses penggerindaan.
Telah dilaporkan bahwa tiga jenis batu gerinda dengan kekuatan tekan telah disiapkan, dengan kekuatan masing-masing 68,90 MPa, 95,2 MPa, dan 122,7 MPa. Sesuai urutan kekuatan batu gerinda, GS-10, GS-12,5, dan GS-15 digunakan untuk mewakili ketiga kelompok batu gerinda ini. Untuk sampel rel baja yang digerinda dengan tiga set batu gerinda GS-10, GS-12,5, dan GS-15, masing-masing diwakili oleh RGS-10, RGS-12,5, dan RGS-15. Lakukan uji gerinda pada kondisi gerinda 700 N, 600 rpm, dan 30 detik. Untuk mendapatkan hasil eksperimen yang lebih intuitif, batu gerinda rel menggunakan mode kontak pin-cakram. Analisis perilaku oksidasi permukaan rel setelah penggerindaan.
Morfologi permukaan rel baja yang digerinda diamati dan dianalisis menggunakan SM dan SEM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Hasil SM dari permukaan rel yang digerinda menunjukkan bahwa seiring peningkatan kekuatan batu gerinda, warna permukaan rel yang digerinda berubah dari biru dan coklat kekuningan menjadi warna asli rel. Studi oleh Lin dkk. menunjukkan bahwa ketika suhu penggerindaan di bawah 471 ℃, permukaan rel tampak berwarna normal. Ketika suhu penggerindaan antara 471-600 ℃, rel menunjukkan bekas terbakar berwarna kuning muda, sedangkan ketika suhu penggerindaan antara 600-735 ℃, permukaan rel menunjukkan bekas terbakar berwarna biru. Oleh karena itu, berdasarkan perubahan warna permukaan rel yang digerinda, dapat disimpulkan bahwa seiring penurunan kekuatan batu gerinda, suhu penggerindaan secara bertahap meningkat dan tingkat pembakaran rel meningkat. EDS digunakan untuk menganalisis komposisi unsur permukaan rel baja yang digerinda dan permukaan bawah puing. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan meningkatnya kekuatan batu gerinda, kandungan unsur O pada permukaan rel menurun, yang mengindikasikan penurunan ikatan Fe dan O pada permukaan rel, dan penurunan derajat oksidasi rel, sesuai dengan tren perubahan warna pada permukaan rel. Pada saat yang sama, kandungan unsur O pada permukaan bawah serpihan gerinda juga menurun seiring dengan meningkatnya kekuatan batu gerinda. Perlu dicatat bahwa untuk permukaan rel baja yang digerinda dengan batu gerinda yang sama dan permukaan bawah serpihan gerinda, kandungan unsur O pada permukaan yang terakhir lebih tinggi daripada yang pertama. Selama pembentukan serpihan, terjadi deformasi plastis dan panas dihasilkan karena kompresi abrasif; Selama proses pengeluaran serpihan, permukaan bawah serpihan bergesekan dengan permukaan ujung depan abrasif dan menghasilkan panas. Oleh karena itu, efek gabungan dari deformasi serpihan dan panas gesekan menyebabkan derajat oksidasi yang lebih tinggi pada permukaan bawah serpihan, sehingga menghasilkan kandungan unsur O yang lebih tinggi.
(a) Permukaan rel baja yang digiling dengan batu gerinda berkekuatan rendah (RGS-10)
(b) Permukaan rel baja dihaluskan dengan batu gerinda kekuatan sedang (RGS-12.5)
(c) Permukaan rel baja yang digiling dengan batu gerinda berkekuatan tinggi (RGS-15)
Gambar 1. Morfologi permukaan, morfologi serpihan, dan analisis EDS rel baja setelah penggerindaan dengan intensitas batu gerinda yang berbeda.
Untuk menyelidiki lebih lanjut produk oksidasi pada permukaan rel baja dan variasi produk oksidasi dengan tingkat pembakaran permukaan rel, spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) digunakan untuk mendeteksi keadaan kimia unsur-unsur di lapisan dekat permukaan rel baja yang telah digerinda. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 2. Hasil analisis spektrum penuh permukaan rel setelah digerinda dengan intensitas batu gerinda yang berbeda (Gambar 2 (a)) menunjukkan bahwa terdapat puncak C1s, O1s, dan Fe2p pada permukaan rel yang telah digerinda, dan persentase atom O menurun seiring dengan tingkat pembakaran pada permukaan rel, yang konsisten dengan pola hasil analisis EDS pada permukaan rel. Karena XPS mendeteksi keadaan unsur di dekat lapisan permukaan (sekitar 5 nm) material, terdapat perbedaan tertentu dalam jenis dan kandungan unsur yang terdeteksi oleh spektrum penuh XPS dibandingkan dengan substrat rel baja. Puncak C1s (284,6 eV) terutama digunakan untuk mengkalibrasi energi ikatan unsur-unsur lain. Produk oksidasi utama pada permukaan rel baja adalah oksida Fe, sehingga spektrum sempit Fe2p dianalisis secara detail. Gambar 2 (b) hingga (d) menunjukkan analisis spektrum sempit Fe2p pada permukaan rel baja RGS-10, RGS-12.5, dan RGS-15, masing-masing. Hasilnya menunjukkan bahwa terdapat dua puncak energi ikat pada 710,1 eV dan 712,4 eV, yang dikaitkan dengan Fe2p3/2; Terdapat puncak energi ikat Fe2p1/2 pada 723,7 eV dan 726,1 eV. Puncak satelit Fe2p3/2 berada pada 718,2 eV. Dua puncak pada 710,1 eV dan 723,7 eV dapat dikaitkan dengan energi ikat Fe-O dalam Fe2O3, sedangkan puncak pada 712,4 eV dan 726,1 eV dapat dikaitkan dengan energi ikat Fe-O dalam FeO. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Fe3O4 adalah Fe2O3. Sementara itu, tidak terdeteksi puncak analitik pada 706,8 eV, yang mengindikasikan tidak adanya unsur Fe pada permukaan rel tanah.
(a) Analisis spektrum penuh
(b) RGS-10 (biru)
(c) RGS-12.5 (kuning muda)
(d) RGS-15 (warna asli rel baja)
Gambar 2. Analisis XPS permukaan rel dengan berbagai tingkat kerusakan akibat terbakar.
Persentase luas puncak pada spektrum sempit Fe2p menunjukkan bahwa dari RGS-10, RGS-12.5 hingga RGS-15, persentase luas puncak Fe2+2p3/2 dan Fe2+2p1/2 meningkat, sedangkan persentase luas puncak Fe3+2p3/2 dan Fe3+2p1/2 menurun. Hal ini menunjukkan bahwa seiring dengan penurunan tingkat pembakaran permukaan pada rel, kandungan Fe2+ dalam produk oksidasi permukaan meningkat, sedangkan kandungan Fe3+ menurun. Komponen produk oksidasi yang berbeda menghasilkan warna rel tanah yang berbeda. Semakin tinggi tingkat pembakaran permukaan (biru), semakin tinggi kandungan produk Fe2O3 dalam oksida; semakin rendah tingkat pembakaran permukaan, semakin tinggi kandungan produk FeO.
