소식
연삭 공정 중 레일의 산화 거동
2024년 12월 25일
연삭재와 레일의 상호작용 과정에서 레일의 소성 변형으로 열이 발생하고, 연삭재와 레일 재료 사이의 마찰로 인해 연삭열이 발생합니다. 강철 레일의 연삭은 자연 환경에서 이루어지며, 연삭 과정에서 강철 레일 재료는 연삭열에 의해 필연적으로 산화됩니다. 강철 레일의 표면 산화와 레일 소손 사이에는 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 연삭 과정에서 레일 표면의 산화 거동을 연구할 필요가 있습니다.
압축 강도가 각각 68.90 MPa, 95.2 MPa, 122.7 MPa인 세 종류의 연삭석을 제조한 것으로 보고되었습니다. 연삭석 강도 순서에 따라 GS-10, GS-12.5, GS-15로 세 그룹의 연삭석을 대표합니다. 세 세트의 연삭석 GS-10, GS-12.5, GS-15로 연삭한 강철 레일 시편은 각각 RGS-10, RGS-12.5, RGS-15로 나타냅니다. 연삭 조건은 700 N, 600 rpm, 30초입니다. 더욱 직관적인 실험 결과를 얻기 위해 레일 연삭석은 핀 디스크 접촉 모드를 채택했습니다. 연삭 후 레일 표면의 산화 거동을 분석합니다.
그림 1과 같이 SM과 SEM을 사용하여 연삭된 강철 레일의 표면 형태를 관찰하고 분석했습니다.연삭된 레일 표면의 SM 결과는 연삭 숫돌의 강도가 증가함에 따라 연삭된 레일 표면의 색상이 파란색과 황갈색에서 레일의 원래 색상으로 변하는 것을 보여줍니다.Lin 등의 연구에 따르면 연삭 온도가 471℃ 미만일 때 레일 표면은 정상적인 색상을 나타냅니다.연삭 온도가 471~600℃일 때 레일은 밝은 노란색 화상을 보이고 연삭 온도가 600~735℃일 때 레일 표면은 파란색 화상을 보입니다.따라서 연삭된 레일 표면의 색상 변화를 바탕으로 연삭 숫돌의 강도가 감소함에 따라 연삭 온도가 점차 증가하고 레일 화상의 정도가 증가한다고 추론할 수 있습니다.EDS를 사용하여 연삭된 강철 레일 표면과 파편 바닥 표면의 원소 구성을 분석했습니다. 결과는 연삭석 강도가 증가함에 따라 레일 표면의 O 원소 함량이 감소하여 레일 표면의 Fe와 O 결합이 감소하고 레일의 산화도가 감소함을 나타내며, 이는 레일 표면의 색상 변화 추세와 일치합니다. 동시에 연삭 파편의 하부 표면의 O 원소 함량도 연삭석 강도가 증가함에 따라 감소합니다. 동일한 연삭석으로 연삭된 강철 레일 표면과 연삭 파편의 하부 표면의 경우 후자 표면의 O 원소 함량이 전자보다 높다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 파편이 형성되는 동안 소성 변형이 발생하고 연마재의 압축으로 인해 열이 발생합니다. 파편이 유출되는 과정에서 파편의 하부 표면이 연마재의 선단 표면에 마찰되어 열이 발생합니다. 따라서 파편 변형과 마찰열의 결합 효과로 인해 파편 하부 표면의 산화도가 높아져 O 원소 함량이 높아집니다.
(가) 저강도 연삭석 연삭철 레일면(RGS-10)
(b) 중강도 연삭숫돌(RGS-12.5)로 연삭한 강철 레일 표면
(c) 고강도 연삭석 연삭강 레일면(RGS-15)
그림 1. 연삭숫돌의 강도에 따른 연삭 후 강철레일의 표면형태, 파편형태 및 EDS 분석
강철 레일 표면의 산화 생성물과 레일 표면 화상 정도에 따른 산화 생성물의 변화를 더 자세히 조사하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하여 연삭된 강철 레일의 표면 근처 층에 있는 원소의 화학적 상태를 검출했습니다.결과는 그림 2에 나와 있습니다.연삭 숫돌의 강도를 다르게 하여 연삭한 후 레일 표면의 전체 스펙트럼 분석 결과(그림 2(a))는 연삭된 레일 표면에 C1s, O1s 및 Fe2p 피크가 있고 레일 표면의 화상 정도에 따라 O 원자의 백분율이 감소하는 것을 보여주는데, 이는 레일 표면의 EDS 분석 결과 패턴과 일치합니다.XPS가 재료의 표면층(약 5nm) 근처의 원소 상태를 검출한다는 사실로 인해 강철 레일 기판과 비교하여 XPS 전체 스펙트럼에서 검출된 원소의 종류와 함량에 특정한 차이가 있습니다.C1s 피크(284.6eV)는 주로 다른 원소의 결합 에너지를 보정하는 데 사용됩니다. 강철 레일 표면의 주요 산화 생성물은 산화철이므로 Fe2p의 좁은 스펙트럼을 자세히 분석했습니다. 그림 2(b)부터 (d)는 각각 RGS-10, RGS-12.5, RGS-15 강철 레일 표면에서 Fe2p의 좁은 스펙트럼 분석을 보여줍니다. 결과는 710.1 eV와 712.4 eV에 두 개의 결합 에너지 피크가 존재하며, 이는 Fe2p3/2에 기인함을 나타냅니다. Fe2p1/2의 결합 에너지 피크는 723.7 eV와 726.1 eV에 있으며, Fe2p3/2의 위성 피크는 718.2 eV에 있습니다. 710.1 eV와 723.7 eV의 두 피크는 Fe2O3에서 Fe-O의 결합 에너지에 기인하는 것으로 추정되며, 712.4 eV와 726.1 eV의 피크는 Fe2O3에서 Fe-O의 결합 에너지에 기인하는 것으로 추정됩니다. 결과는 Fe3O4가 Fe2O3임을 나타냅니다. 한편, 706.8 eV에서는 분석 피크가 검출되지 않았는데, 이는 접지 레일 표면에 Fe 원소가 존재하지 않음을 나타냅니다.
(a) 전체 스펙트럼 분석
(b) RGS-10(파란색)
(c) RGS-12.5 (밝은 노란색)
(d) RGS-15 (철제 레일의 원래 색상)
그림 2. 다양한 정도의 화상을 가진 레일 표면의 XPS 분석
Fe2p 협대역 스펙트럼에서 피크 면적 백분율은 RGS-10, RGS-12.5에서 RGS-15까지 Fe2+2p3/2와 Fe2+2p1/2의 피크 면적 백분율은 증가하는 반면, Fe3+2p3/2와 Fe3+2p1/2의 피크 면적 백분율은 감소함을 보여줍니다. 이는 레일 표면 연소도가 감소함에 따라 표면 산화 생성물의 Fe2+ 함량은 증가하는 반면 Fe3+ 함량은 감소함을 나타냅니다. 산화 생성물의 구성 성분에 따라 연삭 레일의 색상이 달라집니다. 표면 연소도(파란색)가 높을수록 산화물 내 Fe2O3 생성물 함량이 높습니다. 표면 연소도가 낮을수록 FeO 생성물 함량이 높습니다.