Zachowanie się szyn podczas utleniania podczas procesu szlifowania
Podczas interakcji między materiałami ściernymi a szynami, odkształcenie plastyczne szyn generuje ciepło, a tarcie między materiałami ściernymi a materiałami szyn również generuje ciepło szlifowania. Szlifowanie stalowych szyn odbywa się w atmosferze naturalnej, a podczas procesu szlifowania materiał szyny stalowej ulega nieuchronnemu utlenianiu pod wpływem ciepła szlifowania. Istnieje ścisły związek między utlenianiem powierzchni szyn stalowych a przypaleniami szyn. Dlatego konieczne jest zbadanie reakcji utleniania powierzchni szyny podczas procesu szlifowania.
Doniesiono, że przygotowano trzy rodzaje kamieni szlifierskich o wytrzymałości na ściskanie, odpowiednio 68,90 MPa, 95,2 MPa i 122,7 MPa. Zgodnie z kolejnością wytrzymałości kamieni szlifierskich, GS-10, GS-12,5 i GS-15 są używane do reprezentowania tych trzech grup kamieni szlifierskich. W przypadku próbek stalowych szyn szlifowanych trzema zestawami kamieni szlifierskich GS-10, GS-12,5 i GS-15, są one odpowiednio reprezentowane przez RGS-10, RGS-12,5 i RGS-15. Przeprowadzono testy szlifowania w warunkach szlifowania 700 N, 600 obr./min i 30 sekund. Aby uzyskać bardziej intuicyjne wyniki eksperymentalne, kamień szlifierski szyn przyjmuje tryb kontaktu z tarczą trzpieniową. Przeanalizowano zachowanie powierzchni szyny podczas utleniania po szlifowaniu.
Morfologię powierzchni szlifowanej szyny stalowej obserwowano i analizowano za pomocą SM i SEM, jak pokazano na rys. 1. Wyniki SM szlifowanej powierzchni szyny pokazują, że wraz ze wzrostem wytrzymałości kamienia szlifierskiego, kolor szlifowanej powierzchni szyny zmienia się z niebieskiego i żółtobrązowego na oryginalny kolor szyny. Badanie Lin i in. wykazało, że gdy temperatura szlifowania jest niższa niż 471 ℃, powierzchnia szyny wydaje się mieć normalny kolor. Gdy temperatura szlifowania wynosi od 471 do 600 ℃, szyna wykazuje jasnożółte przypalenia, natomiast gdy temperatura szlifowania wynosi od 600 do 735 ℃, powierzchnia szyny wykazuje niebieskie przypalenia. Dlatego na podstawie zmiany koloru szlifowanej powierzchni szyny można wnioskować, że wraz ze spadkiem wytrzymałości kamienia szlifierskiego, temperatura szlifowania stopniowo wzrasta, a stopień przypalenia szyny wzrasta. Do analizy składu pierwiastkowego szlifowanej powierzchni szyny stalowej i dolnej powierzchni zanieczyszczeń zastosowano EDS. Wyniki pokazały, że wraz ze wzrostem wytrzymałości kamienia szlifierskiego, zawartość pierwiastka O na powierzchni szyny malała, co wskazywało na zmniejszenie wiązania Fe i O na powierzchni szyny oraz spadek stopnia utlenienia szyny, co było zgodne z tendencją do zmiany koloru na powierzchni szyny. Jednocześnie, zawartość pierwiastka O na dolnej powierzchni zanieczyszczeń powstałych w wyniku szlifowania również malała wraz ze wzrostem wytrzymałości kamienia szlifierskiego. Warto zauważyć, że dla powierzchni stalowej szyny szlifowanej tym samym kamieniem szlifierskim i dolnej powierzchni zanieczyszczeń, zawartość pierwiastka O na powierzchni tego drugiego jest wyższa niż pierwszego. Podczas formowania się zanieczyszczeń dochodzi do odkształcenia plastycznego i wydzielania ciepła w wyniku ściskania materiału ściernego. Podczas wypływu zanieczyszczeń, ich dolna powierzchnia ociera się o przednią powierzchnię materiału ściernego, wytwarzając ciepło. Zatem połączony efekt odkształcenia zanieczyszczeń i ciepła tarcia prowadzi do wyższego stopnia utlenienia dolnej powierzchni zanieczyszczeń, co skutkuje wyższą zawartością pierwiastka O.
(a) Powierzchnia szyny stalowej szlifowana kamieniem o niskiej wytrzymałości (RGS-10)
(b) Powierzchnia szyny stalowej szlifowana kamieniem szlifierskim o średniej wytrzymałości (RGS-12,5)
(c) Powierzchnia szyny stalowej szlifowana kamieniem o wysokiej wytrzymałości (RGS-15)
Rys. 1. Morfologia powierzchni, morfologia zanieczyszczeń i analiza EDS szyn stalowych po szlifowaniu kamieniami szlifierskimi o różnej intensywności
W celu dalszego zbadania produktów utleniania na powierzchni stalowych szyn i zmienności produktów utleniania wraz ze stopniem wypalenia powierzchni szyny, zastosowano rentgenowską spektroskopię fotoelektronów (XPS) do detekcji stanu chemicznego pierwiastków w warstwie przypowierzchniowej szlifowanych stalowych szyn. Wyniki przedstawiono na rys. 2. Pełne wyniki analizy widmowej powierzchni szyny po szlifowaniu kamieniami szlifierskimi o różnej intensywności (rys. 2 (a)) pokazują, że na szlifowanej powierzchni szyny występują piki C1s, O1s i Fe2p, a procentowa zawartość atomów O maleje wraz ze stopniem wypalenia na powierzchni szyny, co jest zgodne z wynikami analizy EDS na powierzchni szyny. Ze względu na fakt, że XPS wykrywa stany pierwiastków w pobliżu warstwy powierzchniowej (około 5 nm) materiału, istnieją pewne różnice w rodzajach i zawartościach pierwiastków wykrytych pełnym widmem XPS w porównaniu z podłożem stalowej szyny. Pik C1s (284,6 eV) jest wykorzystywany głównie do kalibracji energii wiązania innych pierwiastków. Głównym produktem utleniania na powierzchni stalowych szyn jest tlenek żelaza (Fe), dlatego też szczegółowo przeanalizowano wąskie widmo Fe2p. Rys. 2 (b) do (d) przedstawiają analizę wąskiego widma Fe2p na powierzchni stalowych szyn RGS-10, RGS-12,5 i RGS-15. Wyniki wskazują na obecność dwóch pików energii wiązania przy 710,1 eV i 712,4 eV, przypisanych do Fe2p3/2; występują piki energii wiązania Fe2p1/2 przy 723,7 eV i 726,1 eV. Szczyt satelitarny Fe2p3/2 wynosi 718,2 eV. Dwa piki przy 710,1 eV i 723,7 eV można przypisać energii wiązania Fe-O w Fe2O3, natomiast piki przy 712,4 eV i 726,1 eV można przypisać energii wiązania Fe-O w FeO. Wyniki wskazują, że Fe3O4 Fe2O3. Jednocześnie nie wykryto piku analitycznego przy 706,8 eV, co wskazuje na brak pierwiastkowego Fe na powierzchni szyny uziemiającej.
(a) Analiza pełnego widma
(b) RGS-10 (niebieski)
(c) RGS-12,5 (jasnożółty)
(d) RGS-15 (oryginalny kolor szyny stalowej)
Rys. 2. Analiza XPS powierzchni szyn o różnym stopniu przepalenia
Procent powierzchni pików w wąskim widmie Fe2p pokazuje, że od RGS-10, RGS-12,5 do RGS-15 procent powierzchni pików Fe2+2p3/2 i Fe2+2p1/2 wzrasta, podczas gdy procent powierzchni pików Fe3+2p3/2 i Fe3+2p1/2 maleje. Oznacza to, że wraz ze spalaniem powierzchni szyny, zawartość Fe2+ w produktach utleniania powierzchni wzrasta, podczas gdy zawartość Fe3+ maleje. Różne składniki produktów utleniania powodują różne kolory szyny szlifowanej. Im wyższy stopień spalenia powierzchni (niebieski), tym wyższa zawartość produktów Fe2O3 w tlenku; im niższy stopień spalenia powierzchni, tym wyższa zawartość produktów FeO.
