Окислительное поведение рельсов в процессе шлифовки
В процессе взаимодействия абразивных материалов с рельсами происходит пластическая деформация рельсов, генерирующая тепло, а трение между абразивными материалами и рельсами также генерирует тепло, выделяемое при шлифовании. Шлифовка стальных рельсов осуществляется в естественной атмосфере, и в процессе шлифовки материал стального рельса неизбежно окисляется под воздействием тепла. Существует тесная взаимосвязь между окислением поверхности стальных рельсов и пригоранием рельсов. Поэтому необходимо изучить поведение поверхности рельса при окислении в процессе шлифовки.
Сообщается, что были подготовлены три типа шлифовальных камней с прочностью на сжатие, составляющей 68,90 МПа, 95,2 МПа и 122,7 МПа соответственно. В порядке возрастания прочности шлифовальных камней используются обозначения GS-10, GS-12.5 и GS-15, представляющие эти три группы камней. Образцы стальных рельсов, отшлифованные тремя наборами шлифовальных камней GS-10, GS-12.5 и GS-15, соответственно обозначены как RGS-10, RGS-12.5 и RGS-15. Проведены испытания на шлифование при нагрузке 700 Н, скорости вращения 600 об/мин и времени шлифования 30 секунд. Для получения более наглядных результатов эксперимента использовался метод контакта шлифовального камня с диском. Проанализировано поведение поверхности рельса при окислении после шлифования.
Морфология поверхности шлифованного стального рельса была исследована и проанализирована с помощью СМ и СЭМ, как показано на рис. 1. Результаты СМ-анализа поверхности шлифованного рельса показывают, что с увеличением прочности шлифовального камня цвет поверхности шлифованного рельса меняется с синего и желто-коричневого на исходный цвет рельса. Исследование Лина и др. показало, что при температуре шлифовки ниже 471 ℃ поверхность рельса имеет нормальный цвет. При температуре шлифовки от 471 до 600 ℃ на рельсе появляются светло-желтые следы обгорания, а при температуре шлифовки от 600 до 735 ℃ — синие следы обгорания. Таким образом, на основе изменения цвета поверхности шлифованного рельса можно сделать вывод, что по мере снижения прочности шлифовального камня температура шлифовки постепенно увеличивается, а степень обгорания рельса возрастает. Для анализа элементного состава поверхности шлифованного стального рельса и поверхности остатков после шлифовки использовался ЭДС. Результаты показали, что с увеличением силы шлифовального камня содержание элемента O на поверхности рельса уменьшалось, что указывает на снижение связывания Fe и O на поверхности рельса и уменьшение степени окисления рельса, что согласуется с тенденцией изменения цвета поверхности рельса. Одновременно с этим содержание элемента O на нижней поверхности шлифовальных частиц также уменьшалось с увеличением силы шлифовального камня. Стоит отметить, что для поверхности стального рельса, отшлифованной одним и тем же шлифовальным камнем, и нижней поверхности шлифовальных частиц содержание элемента O на последней выше, чем на первой. В процессе образования частиц происходит пластическая деформация и выделяется тепло из-за сжатия абразива; в процессе выноса частиц нижняя поверхность частиц трется о переднюю поверхность абразива и выделяет тепло. Следовательно, комбинированное воздействие деформации частиц и тепла трения приводит к большей степени окисления на нижней поверхности частиц, что приводит к более высокому содержанию элемента O.
(а) Поверхность стального рельса, отшлифованная низкопрочным шлифовальным камнем (RGS-10)
(б) Поверхность стального рельса отшлифована шлифовальным камнем средней прочности (РГС-12.5)
(c) Поверхность стальных рельсов, отшлифованных высокопрочным шлифовальным камнем (RGS-15)
Рис. 1. Морфология поверхности, морфология обломков и результаты энергодисперсионного рентгеновского анализа стальных рельсов после шлифовки шлифовальными камнями различной интенсивности.
Для дальнейшего исследования продуктов окисления на поверхности стальных рельсов и изменения их состава в зависимости от степени обжига поверхности рельса, была использована рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) для определения химического состояния элементов в приповерхностном слое шлифованных стальных рельсов. Результаты показаны на рис. 2. Результаты анализа полного спектра поверхности рельса после шлифовки шлифовальными камнями различной интенсивности (рис. 2 (а)) показывают наличие пиков C1s, O1s и Fe2p на шлифованной поверхности рельса, при этом процентное содержание атомов кислорода уменьшается с увеличением степени обжига поверхности рельса, что согласуется с результатами анализа методом энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) поверхности рельса. В связи с тем, что РФЭС определяет состояние элементов вблизи поверхностного слоя (около 5 нм) материала, наблюдаются определенные различия в типах и содержании элементов, обнаруженных с помощью полного спектра РФЭС, по сравнению с подложкой стального рельса. Пик C1s (284,6 эВ) в основном используется для калибровки энергий связи других элементов. Основным продуктом окисления на поверхности стальных рельсов является оксид железа, поэтому узкий спектр Fe2p анализируется подробно. На рис. 2 (b) – (d) показан анализ узкого спектра Fe2p на поверхности стальных рельсов RGS-10, RGS-12.5 и RGS-15 соответственно. Результаты показывают наличие двух пиков энергии связи при 710,1 эВ и 712,4 эВ, соответствующих Fe2p3/2; также присутствуют пики энергии связи Fe2p1/2 при 723,7 эВ и 726,1 эВ. Сателлитный пик Fe2p3/2 находится при 718,2 эВ. Два пика при 710,1 эВ и 723,7 эВ могут быть отнесены к энергии связи Fe-O в Fe2O3, тогда как пики при 712,4 эВ и 726,1 эВ могут быть отнесены к энергии связи Fe-O в FeO. Результаты показывают, что Fe3O4 Fe2O3. При этом аналитический пик при 706,8 эВ не был обнаружен, что указывает на отсутствие элементарного Fe на поверхности шлифованного рельса.
(а) Анализ полного спектра
(б) RGS-10 (синий)
(c) RGS-12.5 (светло-желтый)
(d) RGS-15 (оригинальный цвет стального рельса)
Рис. 2. Рентгеноспектральный анализ (XPS) поверхностей рельсов с различной степенью ожогов.
Процентное содержание пиков в узком спектре Fe2p показывает, что от RGS-10, RGS-12.5 до RGS-15 процентное содержание пиков Fe2+2p3/2 и Fe2+2p1/2 увеличивается, в то время как процентное содержание пиков Fe3+2p3/2 и Fe3+2p1/2 уменьшается. Это указывает на то, что по мере уменьшения степени поверхностного обжига на рельсе содержание Fe2+ в продуктах поверхностного окисления увеличивается, а содержание Fe3+ уменьшается. Различные компоненты продуктов окисления приводят к разным цветам шлифованного рельса. Чем выше степень поверхностного обжига (синий), тем выше содержание продуктов Fe2O3 в оксиде; чем ниже степень поверхностного обжига, тем выше содержание продуктов FeO.
