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研削工程におけるレールの酸化挙動
2024年12月25日
研磨材とレールの相互作用により、レールの塑性変形によって発熱が発生し、また、研磨材とレール材料との摩擦によっても研削熱が発生します。鋼レールの研削は自然雰囲気下で行われるため、研削工程では、研削熱によって鋼レール材料が必然的に酸化されます。鋼レールの表面酸化とレール焼けには密接な関係があります。そのため、研削工程におけるレール表面の酸化挙動を研究する必要があります。
圧縮強度がそれぞれ68.90MPa、95.2MPa、122.7MPaの3種類の砥石が準備されたことが報告されています。砥石強度の順に、GS-10、GS-12.5、GS-15を使用して、これらの3つの砥石グループを表します。GS-10、GS-12.5、GS-15の3組の砥石で研削された鋼レールサンプルについては、それぞれRGS-10、RGS-12.5、RGS-15で表します。700N、600rpm、30秒の研削条件で研削試験を実施します。より直感的な実験結果を得るために、レール砥石はピンディスク接触モードを採用しています。研削後のレール表面の酸化挙動を分析します。
図1に示すように、研磨された鋼製レールの表面形態をSMおよびSEMを使用して観察および分析しました。研磨されたレール表面のSM結果によると、砥石の強度が増加するにつれて、研磨されたレール表面の色が青と黄褐色からレールの元の色に変化しています。 Linらの研究では、研削温度が471℃未満のとき、レールの表面は正常な色に見えることが示されました。 研削温度が471〜600℃の場合、レールは薄黄色の焼けを示し、研削温度が600〜735℃の場合、レールの表面は青い焼けを示します。 したがって、研磨されたレール表面の色の変化に基づいて、砥石の強度が低下するにつれて、研削温度が徐々に上昇し、レールの焼けの程度が増加すると推測できます。 EDSを使用して、研磨された鋼製レール表面と破片の底面の元素組成を分析しました。結果は、砥石強度の増加に伴い、レール表面のO元素含有量が減少したことを示しており、レール表面でのFeとOの結合が減少し、レールの酸化度が低下したことを示しており、レール表面の色の変化の傾向と一致しています。同時に、研削屑の下面のO元素含有量も砥石強度の増加とともに減少しています。同じ砥石で研削された鋼レールの表面と研削屑の底面について、後者の表面のO元素含有量が前者よりも高いことは注目に値します。破片の形成中に、塑性変形が発生し、研磨材の圧縮により熱が発生します。破片の流出過程で、破片の底面が研磨材の先端面に擦れて発熱します。したがって、破片の変形と摩擦熱の相乗効果により、破片の底面の酸化度が高まり、結果としてO元素含有量が高くなります。
（a）低強度砥石で鋼レール表面を研磨（RGS-10）
(b) 中強度砥石（RGS-12.5）で研磨した鋼レールの表面
(c) 高強度砥石による鋼レール表面研磨（RGS-15）
図1. 異なる研磨強度の砥石で研削した後の鋼レールの表面形態、破片形態、およびEDS分析
鋼レール表面の酸化物およびレール表面の焼けの程度による酸化物の変化をさらに調査するために、X線光電子分光法（XPS）を使用して、研磨された鋼レールの表面近くの層の元素の化学状態を検出しました。結果を図2に示します。異なる強度の砥石で研削した後のレール表面のフルスペクトル分析結果（図2（a））は、研磨されたレール表面にC1s、O1s、およびFe2pピークがあり、レール表面の焼けの程度とともにO原子の割合が減少することを示しており、これはレール表面のEDS分析結果のパターンと一致しています。XPSは材料の表面層（約5 nm）近くの元素の状態を検出するという事実により、鋼レール基板と比較して、XPSフルスペクトルで検出される元素の種類と含有量に一定の違いがあります。C1sピーク（284.6 eV）は主に他の元素の結合エネルギーを較正するために使用されます。鋼レール表面の主な酸化生成物はFe酸化物であるため、Fe2pの狭帯域スペクトルを詳細に分析します。図2(b)～(d)は、それぞれRGS-10、RGS-12.5、RGS-15鋼レール表面におけるFe2pの狭帯域スペクトル分析を示しています。結果は、710.1 eVと712.4 eVにFe2p3/2に起因する2つの結合エネルギーピークがあることを示しています。また、723.7 eVと726.1 eVにFe2p1/2の結合エネルギーピークがあります。Fe2p3/2のサテライトピークは718.2 eVです。 710.1 eVと723.7 eVの2つのピークは、Fe₂O₃中のFe-Oの結合エネルギーに起因する可能性があり、712.4 eVと726.1 eVのピークは、FeO中のFe-Oの結合エネルギーに起因する可能性があります。この結果は、Fe₂O₃がFe₂O₃であることを示しています。一方、706.8 eVの分析ピークは検出されず、接地レール表面に元素Feが存在しないことを示しています。
（a）フルスペクトル分析
(b) RGS-10（青）
(c) RGS-12.5（ライトイエロー）
(d) RGS-15（鋼製レールのオリジナルカラー）
図2. 異なる焼損度のレール表面のXPS分析
Fe2p狭帯域スペクトルのピーク面積パーセンテージは、RGS-10、RGS-12.5、RGS-15の順に、Fe2+2p3/2とFe2+2p1/2のピーク面積パーセンテージが増加し、Fe3+2p3/2とFe3+2p1/2のピーク面積パーセンテージが減少することを示しています。これは、レールの表面焼けの程度が減少するにつれて、表面酸化生成物中のFe2+含有量が増加し、Fe3+含有量が減少することを示しています。酸化生成物の成分の違いにより、研磨レールの色が異なります。表面焼け（青）の程度が高いほど、酸化物中のFe2O3生成物の含有量が多くなります。表面焼けの程度が低いほど、FeO生成物の含有量が多くなります。