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Comportamento di ossidazione delle rotaie durante il processo di rettifica
25/12/2024
Durante l'interazione tra abrasivi e rotaie, la deformazione plastica delle rotaie genera calore, e l'attrito tra abrasivi e materiali delle rotaie genera anch'esso calore di rettifica. La rettifica delle rotaie in acciaio viene eseguita in atmosfera naturale e, durante il processo di rettifica, il materiale in acciaio delle rotaie viene inevitabilmente ossidato a causa del calore di rettifica. Esiste una stretta correlazione tra l'ossidazione superficiale delle rotaie in acciaio e le bruciature delle rotaie stesse. Pertanto, è necessario studiare il comportamento di ossidazione della superficie delle rotaie durante il processo di rettifica.
È stato riportato che sono stati preparati tre tipi di mole abrasive con resistenze a compressione, rispettivamente di 68,90 MPa, 95,2 MPa e 122,7 MPa. In base all'ordine di resistenza delle mole, vengono utilizzati GS-10, GS-12,5 e GS-15 per rappresentare questi tre gruppi di mole. Per i campioni di rotaie in acciaio rettificati con tre set di mole abrasive GS-10, GS-12,5 e GS-15, questi sono rispettivamente rappresentati da RGS-10, RGS-12,5 e RGS-15. Eseguire test di rettifica in condizioni di 700 N, 600 giri/min e 30 secondi. Per ottenere risultati sperimentali più intuitivi, la mola per rotaie adotta una modalità di contatto a disco a perno. Analizzare il comportamento di ossidazione della superficie della rotaia dopo la rettifica.
La morfologia superficiale della rotaia in acciaio rettificata è stata osservata e analizzata utilizzando spettroscopia a scansione di fase (SM) e microscopia elettronica a scansione (SEM), come mostrato in Fig. 1. I risultati ottenuti con l'analisi a scansione di fase (SM) della superficie della rotaia rettificata mostrano che, all'aumentare della resistenza della mola, il colore della superficie della rotaia rettificata cambia da blu e giallo-marrone al colore originale della rotaia. Lo studio di Lin et al. ha dimostrato che quando la temperatura di rettifica è inferiore a 471 °C, la superficie della rotaia appare di colore normale. Quando la temperatura di rettifica è compresa tra 471 e 600 °C, la rotaia mostra bruciature di colore giallo chiaro, mentre quando la temperatura di rettifica è compresa tra 600 e 735 °C, la superficie della rotaia mostra bruciature blu. Pertanto, in base al cambiamento di colore della superficie della rotaia rettificata, si può dedurre che, al diminuire della resistenza della mola, la temperatura di rettifica aumenta gradualmente e il grado di bruciatura della rotaia aumenta. L'EDS è stato utilizzato per analizzare la composizione elementare della superficie della rotaia in acciaio rettificata e della superficie inferiore dei detriti. I risultati hanno mostrato che con l'aumentare della resistenza della mola, il contenuto di O sulla superficie della rotaia diminuiva, indicando una riduzione del legame di Fe e O sulla superficie della rotaia e una diminuzione del grado di ossidazione della rotaia, coerente con la tendenza al cambiamento di colore sulla superficie della rotaia. Allo stesso tempo, anche il contenuto di O sulla superficie inferiore dei detriti di rettifica diminuiva con l'aumentare della resistenza della mola. È interessante notare che, sia per la superficie della rotaia in acciaio rettificata con la stessa mola, sia per la superficie inferiore dei detriti di rettifica, il contenuto di O sulla superficie di quest'ultima è maggiore rispetto a quello della prima. Durante la formazione dei detriti, si verifica una deformazione plastica e viene generato calore a causa della compressione degli abrasivi; durante il processo di deflusso dei detriti, la superficie inferiore dei detriti sfrega contro la superficie anteriore dell'abrasivo e genera calore. Pertanto, l'effetto combinato della deformazione dei detriti e del calore da attrito porta a un maggiore grado di ossidazione sulla superficie inferiore dei detriti, con conseguente aumento del contenuto di O.
(a) Superficie della rotaia in acciaio rettificata con pietra a bassa resistenza (RGS-10)
(b) Superficie della rotaia in acciaio rettificata con pietra abrasiva di media resistenza (RGS-12.5)
(c) Superficie della rotaia in acciaio rettificata con pietra ad alta resistenza (RGS-15)
Fig. 1. Morfologia superficiale, morfologia dei detriti e analisi EDS di rotaie in acciaio dopo la molatura con diverse intensità di pietre abrasive
Per approfondire lo studio dei prodotti di ossidazione sulla superficie delle rotaie in acciaio e della loro variazione in base al grado di bruciatura superficiale, è stata utilizzata la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per rilevare lo stato chimico degli elementi nello strato superficiale delle rotaie in acciaio rettificate. I risultati sono mostrati in Fig. 2. I risultati dell'analisi a spettro completo della superficie della rotaia dopo la rettifica con diverse intensità di mole (Fig. 2 (a)) mostrano la presenza di picchi di C1s, O1s e Fe2p sulla superficie della rotaia rettificata e la percentuale di atomi di O diminuisce con il grado di bruciatura superficiale, il che è coerente con l'andamento dei risultati dell'analisi EDS sulla superficie della rotaia. Poiché l'XPS rileva gli stati elementari in prossimità dello strato superficiale (circa 5 nm) del materiale, si riscontrano alcune differenze nei tipi e nei contenuti di elementi rilevati dall'XPS a spettro completo rispetto al substrato della rotaia in acciaio. Il picco di C1s (284,6 eV) viene utilizzato principalmente per calibrare le energie di legame di altri elementi. Il principale prodotto di ossidazione sulla superficie delle rotaie in acciaio è l'ossido di ferro, quindi lo spettro ristretto di Fe₂p viene analizzato in dettaglio. Le figure 2 (b) e (d) mostrano l'analisi dello spettro ristretto di Fe₂p sulla superficie delle rotaie in acciaio RGS-10, RGS-12.5 e RGS-15, rispettivamente. I risultati indicano la presenza di due picchi di energia di legame a 710,1 eV e 712,4 eV, attribuiti a Fe₂p₂; sono presenti picchi di energia di legame di Fe₂p₂/₂ a 723,7 eV e 726,1 eV. Il picco satellite di Fe₂p₂/₂ è a 718,2 eV. I due picchi a 710,1 eV e 723,7 eV possono essere attribuiti all'energia di legame di Fe-O in Fe₂O₂, mentre i picchi a 712,4 eV e 726,1 eV possono essere attribuiti all'energia di legame di Fe-O in FeO. I risultati indicano che Fe₂O₂Fe₂O₂. Nel frattempo, non è stato rilevato alcun picco analitico a 706,8 eV, a indicare l'assenza di Fe elementare sulla superficie della rotaia di terra.
(a) Analisi dello spettro completo
(b) RGS-10 (blu)
(c) RGS-12.5 (giallo chiaro)
(d) RGS-15 (colore originale della rotaia in acciaio)
Fig. 2. Analisi XPS delle superfici ferroviarie con diversi gradi di ustioni
Le percentuali di area di picco nello spettro ristretto di Fe2p mostrano che da RGS-10, RGS-12,5 a RGS-15, le percentuali di area di picco di Fe2+2p3/2 e Fe2+2p1/2 aumentano, mentre le percentuali di area di picco di Fe3+2p3/2 e Fe3+2p1/2 diminuiscono. Ciò indica che al diminuire del grado di bruciatura superficiale della rotaia, il contenuto di Fe2+ nei prodotti di ossidazione superficiale aumenta, mentre il contenuto di Fe3+ diminuisce. I diversi componenti dei prodotti di ossidazione determinano diverse colorazioni della rotaia di terra. Maggiore è il grado di bruciatura superficiale (blu), maggiore è il contenuto di prodotti di Fe2O3 nell'ossido; minore è il grado di bruciatura superficiale, maggiore è il contenuto di prodotti di FeO.