润滑油铁谱分析（Ferrograph）

一、基本概念

　　铁谱分析技术是20世纪70年代发明的一种新的机械磨损测试方法，它是利用铁谱仪从润滑油（脂）试样中，分离和检测出磨屑和碎屑，从而分析和判断机器运动副表面的磨损类型、磨损程度和磨损部位的技术。铁谱仪据其工作方式的不同，可分为直读式铁谱仪、分析式铁谱仪和旋转式铁谱仪。近年来，又研制成功了在线式铁谱仪，用于润滑油在线分析。本网站研发了润滑油铁谱智能识别系统，欢迎测试。

二、监测的意义

　　铁谱分析技术是利用高梯度的强磁场将润滑油中所含的机械磨损颗粒和污染杂质有序地分离出来， 再借助显微镜对分离出的微粒和杂质进行有关形貌、 尺寸、密度、 成分及分布的定性、 定量观测， 以判断机械设备的磨损状况， 预报零部件的失效。

三、分析方法

3.1 直读式铁谱分析仪

　　直读式铁谱仪由光伏探测器、磁铁、光导纤维、接油杯、放大电路、数显装置、压块、沉积管及其他辅助机构构成。其工作原理是油样在虹吸的作用下流入沉积管，在沉积管的下部有一高强度、高梯度磁场，油样中的铁磁颗粒受重力、浮力以及磁力三者的综合作用，在随着油样流过沉积管的过程中，将会在沉积管内有规律的沉积下来，其中的大颗粒沉积在入口处，而较小的颗粒则离入口处较远。传统的直读式铁谱仪在沉积管的入口处和离入口处5mm的地方各装有一个光伏探测器，分别作为大颗粒（DL）和小颗粒（DS）的光密度读数监测。光伏探测器的输出电压与其所受光强有关，而铁磁性颗粒在沉积管中的沉积将会削弱来自光导纤维的光强。由于光导纤维的匀光作用，使得光伏探测器所接收到的光强改变量与铁磁性颗粒的挡光面积成正品，在一定的条件下，挡光面积又与磨屑体积之间有某中较稳定的对应关系，即光伏探测器的输出与磨屑体积有关，这样，通过光伏探测器输出电压的变化就能感知油样中铁磁颗粒的体积。

直读式铁谱仪特点：

• 结构简单，价格便宜（约为分析式铁谱仪的1/4）;
• 制谱与读谱合二为一，分析过程简便快捷；
• 目前的直读式铁谱仪读数稳定性、重复性较差，随机因素干扰影响大；
• 只能提供关于磨屑体积的信息，不能提供关于磨屑形貌、磨屑来源的信息，因而信息量有限，常用作油样的快速分析和初步诊断。

三、分析式铁谱仪

　　分析式铁谱仪由制谱仪、双色显微镜（可选配光密度计）、摄像机、加热盘（可选）和图像采集软件组成。
　　工作原理是油液在自身重力下直接通过蓟型玻璃导管，匀速流过铁谱基片；油样中所有铁磁性颗粒在磁场作用下被沉积到铁谱基片上，经彻底冲洗、烘干后进行分析。制作好的普片可拿到双色显微镜或扫描电子显微镜（SEM）上进行形貌和成分的观察，还可将光密度读书器与双色显微镜相连，进行光密度测量，以判断磨损程度。传统的光密度测试方法是测离出口50mm和55mm两处的光密度读数，分别作为小颗粒（AS）和大颗粒（AL）的读数，并以AS和AL为基础，对谱片进行各种定量计算。
　　分析式铁谱实验方法详见：SH/T 0573和ASTM D7690，SH/T 0573对各种磨损颗粒的形态和特征有详细的描述。

分析式铁谱特点：

• 提供的信息丰富，不仅能提供关于磨损程度的信息，而且通过对磨屑形貌及其成份的观察，还能提供关于磨损发生机理及发生部位的信息，也就是说，分析式铁谱仪所提供的信息比直读式铁谱仪要丰富的多，常用作油样的精密分析。
• 直读式铁谱仪只能进行一次测量，不能将沉积管从磁场中取出后再放上去重新读数；而分析式铁谱仪制成的谱片可以保存起来，供以后观察分析用。
• 制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需半个小时，且制谱时要求较严格，故一般只能在实验室进行。

四、旋转式铁谱仪（RPD-Rotary Particle Depositor）

　　其工作原理是驱动轴带动永久磁铁和固定在其上方的圆形基片一起旋转，待测油样由输入管流出至基片的中心后随基片一起旋转，油样和非磁性杂质由于离心力的作用而被甩出基片经排油管排出，这样可消除非铁磁性物质的磨屑被磁化后，同时受到重力、浮力以及磁力和离心力的综合作用，而有规律地沉积在基片上。

旋转式铁谱仪特点：

• RPD不需对油样进行稀释等特殊处理；
• 操作简单，不需专门技术；
• 对不同粘度的润滑油可选用不同的转速，因而使用范围更广；
• 仪器附有清洗液系统，以最大限度地减小污染；
• 在整个操作过程中，不会使磨屑产生附加的机械变形，克服了分析式铁谱仪在制谱中微量泵对磨屑的碾压效应。
• 分析油样的效率高；
• 制片成本低；
• 分析式铁谱仪的谱片只有60mm长，在入口区的沉积面积内，磨屑可能大量重叠，而RPD谱片上三道环沉积区面积大，磨屑能充分的彼此分离，避免重叠。

四、评定标准

4.1 新油监测

　　监测在用油磨损状态，新油无需进行检测。

4.2 运行监测/报警、严重

　　微粒描述与评价见ASTM D7684表一：

　　SH/T 0573《在用润滑油磨损颗粒试验法 分析式铁谱法》对微粒特征描述如下：

• 正常磨损颗粒的特征是薄片状、表面光滑，颗粒细小均匀，长轴尺寸为0.5~15 um，厚度为0.15~1um。在机械磨合阶段，还产生一些长条状、扁平状的颗粒，这种颗粒也属于正常磨损颗粒。
• 切削磨损颗粒的特征是线状、卷曲状、弧状、车屑状、长条状，当硬摩擦面有锐边时，产生较粗大的切削磨损颗粒，长度为25~100 um，宽度为2~5 pm；当两个摩擦面之间存在一个硬的夹杂物时，产生较细小的切削磨损颗粒，长度为5~10 um，厚度约为0.25mm；
• 滚动疲劳磨损颗粒有三种形态：疲劳剥落碎片、球状和层状颗粒。(1)、疲劳剥落碎片长轴尺寸一般大于10 um，最大可达100 um ，形状因子小于5:1，有一个光滑的表面和不规则的周边。(2)、球状颗粒直径一般为1~3um,最大可达10um；(3)、层状颗粒是扁平的薄片、长轴尺寸为20~50 um、形状因子大于30 :1、颗粒表面有一些空洞。
• 严重滑动磨损颗粒的特性是长轴尺寸在20um以上，形状因子大于5:1、小于30 :1、表面有明显的滑动条纹、有时出现高温引起的色彩。
• 有色金属的磨损颗粒特征是颗粒不按磁场方向排列。而以随机方式沉淀，它们大多偏离铁磁性磨损颗粒链或处在相邻两链之间，并往往带有有色金属本身的特征颜色。
• 铁的氧化物中红色氧化物颗粒在白色偏振光下呈红棕色多晶体团状，主要成分是aFe₂O₃，而黑色氧化物颗粒在白色反射光下呈黑色，表面有蓝色和桔黄色的小斑点,主要成分是不成固定比例的Fe₃O₄、a Fe₃O₄ ，和FeO的混和物；
• 摩擦聚合物特征是在双色光下可观察到无定形的胶体中嵌有金属磨损颗粒，金属磨损颗粒呈红色，而胶体呈透明的绿色。
• 腐蚀磨损颗粒的特征是颗粒非常细小，即使在放大倍数为1000的情况下，单个颗粒也不容易区别开来，颗粒在谱片出口区两侧有堆积，并在整个谱片上都能观察到。
• 切削磨损颗粒、疲劳磨损颗粒、严重滑动磨损颗粒、腐蚀磨损颗粒、金属氧化物都属于不正常磨损颗粒，它们的大量出现意味着机械的磨损严重。
• 谱片的加热分析：(1)调节谱片加热器，使温度达到330±10℃。(2)将谱片置于谱片加热器上，加热90s，(3)在铁谱显微镜下观察磨损颗粒表面生成的氧化层的特征回火色，通常在白色反射光下，铸铁磨损颗粒呈草黄色，低合金钢磨损颗粒呈蓝色。
• 疲劳磨损颗粒、切削磨损颗粒、滑动磨粒以及氧化物颗粒特征见下图：

五、变化的原因

1. 磨损。
2. 油品氧化降解。

六、治理措施

确定原因并采取措施：磨损严重时需要结合机器振动和温度变化情况，判断是否停机。

七、相关知识点

1. 　　铁谱分析技术是将机械磨损颗粒和污染杂质有序地分离出来， 再借助显微镜对分离出的微粒和杂质进行有关形貌、 尺寸、密度、 成分及分布的定性、 定量观测， 以判断机械设备的磨损状况。但由于材质缺陷或冲击造成的剥落，可能监测不到，例如下图减速机轴承出现的剥落。

八、更多请参见润滑油分析项目汇总表。