Comportamento de oxidação dos trilhos durante o processo de retificação
Durante a interação entre abrasivos e trilhos, a deformação plástica dos trilhos gera calor, e o atrito entre os abrasivos e os materiais dos trilhos também gera calor de retificação. A retificação de trilhos de aço é realizada em atmosfera natural e, durante o processo de retificação, o material do trilho de aço inevitavelmente oxida devido ao calor gerado. Existe uma estreita relação entre a oxidação superficial dos trilhos de aço e a ocorrência de queimaduras nos trilhos. Portanto, é necessário estudar o comportamento da oxidação da superfície do trilho durante o processo de retificação.
Foi relatado que três tipos de rebolos com diferentes resistências à compressão foram preparados, com valores de 68,90 MPa, 95,2 MPa e 122,7 MPa, respectivamente. De acordo com a ordem de resistência dos rebolos, GS-10, GS-12,5 e GS-15 são utilizados para representar esses três grupos de rebolos. As amostras de trilhos de aço retificadas com os três conjuntos de rebolos (GS-10, GS-12,5 e GS-15) são representadas respectivamente por RGS-10, RGS-12,5 e RGS-15. Os testes de retificação foram realizados sob condições de 700 N, 600 rpm e 30 segundos. Para obter resultados experimentais mais intuitivos, o rebolo para trilhos foi utilizado em um modo de contato pino-disco. O comportamento de oxidação da superfície do trilho após a retificação foi analisado.
A morfologia da superfície do trilho de aço retificado foi observada e analisada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de espalhamento de luz (ML), conforme mostrado na Figura 1. Os resultados da ML da superfície do trilho retificado mostram que, à medida que a força da pedra de retificação aumenta, a cor da superfície do trilho retificado muda de azul e marrom-amarelado para a cor original do trilho. O estudo de Lin et al. mostrou que, quando a temperatura de retificação é inferior a 471 °C, a superfície do trilho apresenta cor normal. Quando a temperatura de retificação está entre 471 °C e 600 °C, o trilho apresenta queimaduras amarelo-claras, enquanto quando a temperatura de retificação está entre 600 °C e 735 °C, a superfície do trilho apresenta queimaduras azuladas. Portanto, com base na mudança de cor da superfície do trilho retificado, pode-se inferir que, à medida que a força da pedra de retificação diminui, a temperatura de retificação aumenta gradualmente e o grau de queimadura do trilho também aumenta. A espectroscopia de dispersão de energia de raios X (EDS) foi utilizada para analisar a composição elementar da superfície do trilho de aço retificado e da superfície inferior dos detritos. Os resultados mostraram que, com o aumento da abrasividade da pedra de esmeril, o teor de oxigênio (O) na superfície do trilho diminuiu, indicando uma redução na ligação entre ferro (Fe) e oxigênio na superfície do trilho e uma diminuição no grau de oxidação, consistente com a tendência de mudança de cor na superfície do trilho. Ao mesmo tempo, o teor de oxigênio na superfície inferior dos resíduos de esmeril também diminui com o aumento da abrasividade da pedra de esmeril. Vale ressaltar que, para a superfície do trilho de aço esmerilhado com a mesma pedra de esmeril e para a superfície inferior dos resíduos de esmeril, o teor de oxigênio na superfície inferior é maior do que na primeira. Durante a formação dos resíduos, ocorre deformação plástica e geração de calor devido à compressão dos abrasivos; durante o processo de ejeção dos resíduos, a superfície inferior dos resíduos fricciona contra a superfície frontal do abrasivo, gerando calor. Portanto, o efeito combinado da deformação dos resíduos e do calor friccional leva a um maior grau de oxidação na superfície inferior dos resíduos, resultando em um maior teor de oxigênio.
(a) Superfície de trilho de aço retificada com pedra de moagem de baixa resistência (RGS-10)
(b) Superfície do trilho de aço retificada com pedra de esmeril de média resistência (RGS-12.5)
(c) Superfície de trilho de aço retificada com pedra de moagem de alta resistência (RGS-15)
Figura 1. Morfologia da superfície, morfologia dos detritos e análise EDS de trilhos de aço após retificação com diferentes intensidades de pedras de retificação.
Para investigar mais a fundo os produtos de oxidação na superfície dos trilhos de aço e a variação desses produtos com o grau de queima da superfície do trilho, utilizou-se espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) para detectar o estado químico dos elementos na camada próxima à superfície dos trilhos de aço retificados. Os resultados são mostrados na Figura 2. Os resultados da análise do espectro completo da superfície do trilho após a retificação com diferentes intensidades de abrasivos (Figura 2(a)) mostram a presença de picos de C1s, O1s e Fe2p na superfície do trilho retificado, e a porcentagem de átomos de O diminui com o grau de queima na superfície do trilho, o que está de acordo com o padrão dos resultados da análise EDS na superfície do trilho. Devido ao fato de a XPS detectar os estados elementares próximos à camada superficial (cerca de 5 nm) do material, existem certas diferenças nos tipos e conteúdos de elementos detectados pelo espectro completo de XPS em comparação com o substrato do trilho de aço. O pico de C1s (284,6 eV) é usado principalmente para calibrar as energias de ligação de outros elementos. O principal produto de oxidação na superfície dos trilhos de aço é o óxido de ferro, portanto, o espectro de alta resolução do Fe2p é analisado em detalhes. As Figuras 2 (b) a (d) mostram a análise do espectro de alta resolução do Fe2p na superfície dos trilhos de aço RGS-10, RGS-12,5 e RGS-15, respectivamente. Os resultados indicam a presença de dois picos de energia de ligação em 710,1 eV e 712,4 eV, atribuídos ao Fe2p3/2; picos de energia de ligação do Fe2p1/2 em 723,7 eV e 726,1 eV. O pico satélite do Fe2p3/2 está em 718,2 eV. Os dois picos em 710,1 eV e 723,7 eV podem ser atribuídos à energia de ligação Fe-O no Fe2O3, enquanto os picos em 712,4 eV e 726,1 eV podem ser atribuídos à energia de ligação Fe-O no FeO. Os resultados indicam a presença de Fe3O4 e Fe2O3. Entretanto, nenhum pico analítico foi detectado em 706,8 eV, indicando a ausência de Fe elementar na superfície do trilho de aterramento.
(a) Análise de espectro completo
(b) RGS-10 (azul)
(c) RGS-12.5 (amarelo claro)
(d) RGS-15 (cor original do trilho de aço)
Figura 2. Análise XPS de superfícies de trilhos com diferentes graus de queimaduras.
As porcentagens das áreas dos picos no espectro estreito de Fe2p mostram que, de RGS-10, RGS-12,5 a RGS-15, as porcentagens das áreas dos picos de Fe2+2p3/2 e Fe2+2p1/2 aumentam, enquanto as porcentagens das áreas dos picos de Fe3+2p3/2 e Fe3+2p1/2 diminuem. Isso indica que, à medida que o grau de queima superficial no trilho diminui, o teor de Fe2+ nos produtos de oxidação superficial aumenta, enquanto o teor de Fe3+ diminui. Os diferentes componentes dos produtos de oxidação resultam em diferentes cores no trilho aterrado. Quanto maior o grau de queima superficial (azul), maior o teor de produtos de Fe2O3 no óxido; quanto menor o grau de queima superficial, maior o teor de produtos de FeO.
