Nieuws
01
Oxidatiegedrag van rails tijdens het slijpproces
2024-12-25
Tijdens de interactie tussen schuurmiddel en rails genereert de plastische vervorming van de rails warmte, en de wrijving tussen schuurmiddel en railmateriaal genereert ook slijpwarmte. Het slijpen van stalen rails vindt plaats in een natuurlijke atmosfeer en tijdens het slijpproces oxideert het stalen railmateriaal onvermijdelijk onder invloed van de slijpwarmte. Er bestaat een nauw verband tussen oppervlakteoxidatie van stalen rails en verbranding van rails. Daarom is het noodzakelijk om het oxidatiegedrag van het railoppervlak tijdens het slijpproces te bestuderen.
Er is gerapporteerd dat er drie soorten slijpstenen met druksterktes werden geprepareerd, met sterktes van respectievelijk 68,90 MPa, 95,2 MPa en 122,7 MPa. Volgens de volgorde van de slijpsteensterkte worden GS-10, GS-12,5 en GS-15 gebruikt om deze drie groepen slijpstenen te vertegenwoordigen. Voor de stalen railmonsters die geslepen zijn met drie sets slijpstenen, GS-10, GS-12,5 en GS-15, worden deze respectievelijk vertegenwoordigd door RGS-10, RGS-12,5 en RGS-15. Voer slijptests uit onder slijpomstandigheden van 700 N, 600 tpm en 30 seconden. Om meer intuïtieve experimentele resultaten te verkrijgen, gebruikt de railslijpsteen een pen-schijfcontactmodus. Analyseer het oxidatiegedrag van het railoppervlak na het slijpen.
De oppervlaktemorfologie van de geslepen stalen rail werd geobserveerd en geanalyseerd met behulp van SM en SEM, zoals weergegeven in Fig. 1. De SM-resultaten van het geslepen railoppervlak laten zien dat naarmate de sterkte van de slijpsteen toeneemt, de kleur van het geslepen railoppervlak verandert van blauw en geelbruin naar de oorspronkelijke kleur van de rail. De studie van Lin et al. toonde aan dat wanneer de slijptemperatuur lager is dan 471 ℃, het oppervlak van de rail een normale kleur lijkt. Wanneer de slijptemperatuur tussen 471-600 ℃ ligt, vertoont de rail lichtgele brandwonden, terwijl wanneer de slijptemperatuur tussen 600-735 ℃ ligt, het oppervlak van de rail blauwe brandwonden vertoont. Daarom kan op basis van de kleurverandering van het geslepen railoppervlak worden afgeleid dat naarmate de sterkte van de slijpsteen afneemt, de slijptemperatuur geleidelijk toeneemt en de mate van railverbranding toeneemt. EDS werd gebruikt om de elementaire samenstelling van het geslepen stalen railoppervlak en het puinbodemoppervlak te analyseren. De resultaten toonden aan dat met toenemende sterkte van de slijpsteen het gehalte aan O-elementen op het oppervlak van de rail afnam. Dit duidt op een afname van de binding van Fe en O aan het oppervlak van de rail en een afname van de oxidatiegraad van de rail, wat consistent is met de trend van kleurverandering op het oppervlak van de rail. Tegelijkertijd neemt het gehalte aan O-elementen op het onderste oppervlak van het slijpafval ook af met toenemende sterkte van de slijpsteen. Het is vermeldenswaard dat voor het oppervlak van de stalen rail die met dezelfde slijpsteen is geslepen en het onderste oppervlak van het slijpafval, het gehalte aan O-elementen op het laatstgenoemde oppervlak hoger is dan dat van het eerste. Tijdens de vorming van afval vindt plastische vervorming plaats en wordt er warmte gegenereerd door de compressie van het schuurmiddel; tijdens het afvoeren van afval wrijft het onderste oppervlak van het afval tegen het voorste oppervlak van het schuurmiddel en genereert warmte. Daarom leidt het gecombineerde effect van afvalvervorming en wrijvingswarmte tot een hogere oxidatiegraad op het onderste oppervlak van het afval, wat resulteert in een hoger gehalte aan O-elementen.
(a) Slijpoppervlak van staalrail met lage sterkte (RGS-10)
(b) Oppervlak van stalen rail geslepen met middelsterke slijpsteen (RGS-12.5)
(c) Hoogwaardig geslepen stalen railoppervlak met stenen slijping (RGS-15)
Figuur 1. Oppervlaktemorfologie, puinmorfologie en EDS-analyse van stalen rails na slijpen met verschillende intensiteiten van slijpstenen
Om de oxidatieproducten op het oppervlak van stalen rails en de variatie van oxidatieproducten met de mate van verbranding van het railoppervlak verder te onderzoeken, werd röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) gebruikt om de chemische toestand van elementen in de laag nabij het oppervlak van geslepen stalen rails te detecteren. De resultaten worden weergegeven in figuur 2. De resultaten van de volledige spectrumanalyse van het railoppervlak na slijpen met verschillende intensiteiten van slijpstenen (figuur 2 (a)) laten zien dat er C1s-, O1s- en Fe2p-pieken op het geslepen railoppervlak aanwezig zijn, en dat het percentage O-atomen afneemt met de mate van verbranding op het railoppervlak, wat consistent is met het patroon van EDS-analyseresultaten op het railoppervlak. Omdat XPS de elementaire toestanden nabij de oppervlaktelaag (ongeveer 5 nm) van het materiaal detecteert, zijn er bepaalde verschillen in de soorten en gehaltes van elementen die door XPS met volledig spectrum worden gedetecteerd in vergelijking met het stalen railsubstraat. De C1s-piek (284,6 eV) wordt voornamelijk gebruikt om de bindingsenergieën van andere elementen te kalibreren. Het belangrijkste oxidatieproduct op het oppervlak van stalen rails is Fe-oxide, dus het smalle spectrum van Fe2p wordt gedetailleerd geanalyseerd. Figuur 2 (b) tot en met (d) tonen de smalle spectrumanalyse van Fe2p op het oppervlak van stalen rails RGS-10, RGS-12.5 en RGS-15. De resultaten geven aan dat er twee bindingsenergiepieken zijn bij 710,1 eV en 712,4 eV, toegeschreven aan Fe2p3/2; er zijn bindingsenergiepieken van Fe2p1/2 bij 723,7 eV en 726,1 eV. De satellietpiek van Fe2p3/2 bevindt zich bij 718,2 eV. De twee pieken bij 710,1 eV en 723,7 eV kunnen worden toegeschreven aan de bindingsenergie van Fe-O in Fe2O3, terwijl de pieken bij 712,4 eV en 726,1 eV kunnen worden toegeschreven aan de bindingsenergie van Fe-O in FeO. De resultaten wijzen erop dat Fe3O4 Fe2O3 is. Er werd echter geen analytische piek gedetecteerd bij 706,8 eV, wat wijst op de afwezigheid van elementair Fe op het oppervlak van de grondrail.
(a) Volledige spectrumanalyse
(b) RGS-10 (blauw)
(c) RGS-12.5 (lichtgeel)
(d) RGS-15 (originele kleur van de stalen rail)
Figuur 2. XPS-analyse van spooroppervlakken met verschillende gradaties van verbranding
De piekoppervlaktepercentages in het smalle Fe2p-spectrum laten zien dat van RGS-10, RGS-12.5 tot RGS-15 de piekoppervlaktepercentages van Fe2+2p3/2 en Fe2+2p1/2 toenemen, terwijl de piekoppervlaktepercentages van Fe3+2p3/2 en Fe3+2p1/2 afnemen. Dit geeft aan dat naarmate de oppervlakteverbranding van de rail afneemt, het Fe2+-gehalte in de oppervlakteoxidatieproducten toeneemt, terwijl het Fe3+-gehalte afneemt. De verschillende componenten van de oxidatieproducten resulteren in verschillende kleuren van de grondrail. Hoe hoger de oppervlakteverbranding (blauw), hoe hoger het gehalte aan Fe2O3-producten in het oxide; hoe lager de oppervlakteverbranding, hoe hoger het gehalte aan FeO-producten.