油样铁谱分析技术解析

油样铁谱分析技术是目前使用最广泛的润滑油油样分析方法。 它的基本原理是将铁质磨粒用磁性方法从油样中分离出来,然后在显微镜下或肉眼直接观察,通过对磨料形貌、成分等的判断,确定机器零件的磨损程度。 铁谱分析技术包括两个方面:定性分析技术和定量分析技术。

油样中磨损颗粒的数量、尺寸大小、尺寸分布、成分以及形貌特征都直接反映了机械零件的磨损状态,其中磨粒大小、成分与形貌特征属定性分析范畴。 铁谱定性分析的方法有铁谱显微镜法、扫描电镜法和加热分析法。

在铁谱定性分析中,关键技术是对各类磨粒形貌的识别。 识别时,可参考我国有关轴承、齿轮、柴油机、液压系统等特定零件的相应标准。 系统和设备的磨粒图谱以及美国Dianel.P.Anderson 编著的《磨粒图谱》和英国国家煤炭局科技发展总部门(HQTD)编撰的图谱。

1)形貌分析

形貌分析是通过对磨粒形态的观察分析,来判断磨损的类型。 不同磨损状态下,形成的磨粒在显微镜下的形态如下:

①正常磨损微粒

正常磨损微粒是指设备的摩擦面经跑合后,进入稳定磨合阶段时所产生的磨损微粒。 对钢而言,是厚度为0.15 ～1 μm、长度为0.5 ～15 μm 的碎片。

②切削磨损磨粒

这种磨粒是由一个摩擦表面切入另一个摩擦表面或润滑油中夹杂的硬质颗粒、其他部件的磨损磨粒切削较软的摩擦表面形成的,磨粒形状如带状切屑,宽度为2 ～5 μm,长度为25 ～100 μm,厚度为0.25 μm。 当出现这种磨屑时,提示机器已进入正常的磨损阶段。

③滚动疲劳磨损微粒

这种微粒通常是由滚动轴承的疲劳点蚀或剥落产生的,它包括三种不同的形态:疲劳剥离磨屑、球状磨屑和层状磨屑。

a.疲劳剥离磨屑是在点蚀时从摩擦副表面以鳞片形式分离出的扁平形微粒,表面光滑,有不规则的周边。 其尺寸为10 ～100 μm,长轴尺寸与厚度之比为10∶1。 如果系统中大于10 μm的疲劳剥离微粒有明显的增加,就是轴承失效的预兆。

b.球状磨屑的出现是滚动轴承疲劳磨损的重要标志。 一般球状磨屑都比较小,大多数磨屑直径在1 ～5 μm。

c.层状磨屑被认为是因磨损微粒黏附于滚动元件的表面之后,又通过滚动接触碾压而成的。 它的特征是呈片状,四周不规则,表面有空洞。 其粒度为20 ～50 μm,长轴尺寸与厚度之比为30∶1。 层状磨屑在轴承的全部使用期内都会产生,特别是当疲劳剥落发生时,这种层状磨屑会大大增加,同时伴有大量球状磨屑产生。 因此,如果系统中发现大量层状磨屑和球状磨屑,而且数量还在增加,就意味着滚动轴承已存在导致疲劳剥离的显微疲劳裂纹。

④滚动-滑动复合磨损微粒

滚动-滑动复合磨损磨粒是齿轮啮合传动时由疲劳点蚀或胶合而产生的磨粒。 它是齿轮副、凸轮副等摩擦副损坏的主要原因。 这种磨屑与滚动轴承所产生的磨屑有许多共同之处,它们通常均具有光滑的表面和不规则的外形,磨屑的长轴尺寸与厚度之比为10∶1 ～4∶1。 滚动-滑动复合磨损微粒的特点是磨屑较厚(几个微米),长轴尺寸与厚度比例较高。

⑤严重滑动磨损磨粒

此类磨粒是在摩擦面的载荷过高或速度过高的情况下由于剪切混合层不稳定而形成的,一般为块状或片状,表面带有滑动的条痕,并具有整齐的刃口,尺寸在20 μm 以上,长厚比在10∶1左右。

以上介绍的五种主要磨屑是钢铁磨损微粒的主要形式,通过对谱片上磨屑形状、大小的识别就可以了解机械的磨损原因和所处状态。 一般机电设备通常出现小于5 μm 的小片形磨屑,表明机器处于正常磨损状态,当大于5 μm 的切削形、螺旋形、圈形和弯曲形微粒大量出现时,则是严重磨损的征兆。

图5.7、图5.8 所示为内燃机车发动机润滑油磨粒图片。 图5.7为正常磨损磨粒、切削磨损磨粒,少量的球状磨粒和黑色氧化物团粒。 图5.8 为切削磨损的磨粒,用X 射线能谱分析表明它是由铁、硅、镁元素构成的。 由于镁只有在球墨铸铁曲轴中存在,因此,这条磨粒可能是曲轴磨损产生的。 图5.9 为严重滑动磨损的磨粒,尺寸达150 μm ×70 μm,表面有明显的滑动摩擦划痕。

图5.7　初期磨损的磨粒形态

2)成分分析

①有色金属磨粒的识别

机电设备中,除钢铁类零件外,通常还有一些有色金属材料制成的零部件,因此,油样中也含有一些有色金属磨粒。 有色金属磨粒首先可以从它们非磁性沉积形式进行识别。 在铁谱片上有色金属微粒不按磁场方向排列,以不规则方式沉淀,大多数偏离铁磁性微粒链,或处在相邻两链之间,它们的尺寸沿谱片的分布与铁磁性微粒有根本的区别。

图5.8　切削磨损的磨粒形态(www.xing528.com)

图5.9　严重滑动磨损的磨粒形态

②白色有色金属识别

使用X 射线光谱法可以准确地确定磨屑成分。 用铁谱片加热处理方法配以酸碱侵蚀法也能区分如铝、银、铬、镉、镁、钼、钛和锌等。 识别方法见表5.7。

表5.7　有色金属的识别

注:“∗”表示在某些条件下可能比较明亮。

③铝、锡合金识别

铝、锡合金磨粒极软,熔点很低,没有清晰的边缘,易被氧化和腐蚀,表面总有一层氧化层,因此,在低倍显微镜下呈黑色。

④铁的氧化物识别

铁谱片上出现铁的红色氧化物,表明润滑系统中有水分存在,如果铁谱片上出现黑色氧化物,说明系统润滑不良,在磨屑生成过程中曾经有过高热阶段。

A.铁的红色氧化物

铁的红色氧化物磨屑有两类:一类是多晶体,在白色反射光下呈橘黄色,在反射偏振光下呈饱和的橘红色,如果铁谱片有大量此类磨屑存在(特别是大磨屑存在),说明油样中必定有水;另一类是扁平的滑动磨损微粒,在白色反射光下呈灰色,在白色透射光下呈无光的红棕色,因反光程度高,容易与金属磨屑相混淆。 如果仔细观察,则会发现这种磨屑不如金属颗粒明亮,在断面薄处有透射光。 若铁谱片中有此磨屑出现,说明润滑不良,应采取相应对策。

B.铁的黑色氧化物

铁的黑色氧化物微粒外缘为表面粗糙不平的堆积物,因含有Fe2O3,具有铁磁性,在铁谱片上以铁磁性微粒的方式沉积。 当铁谱显微镜的分辨率接近底限时,有蓝色和橘黄色小斑点。 铁谱片上存在大量黑色铁的氧化物微粒时,则说明润滑严重不良。

C.深色金属氧化物

局部氧化了的铁性磨屑属于这类深色金属氧化物,它与金属磨粒共存,呈暗灰色。 由于其表面已覆盖足够厚的氧化膜层,因此加热时颜色不再变化,这些微粒是严重缺油的表现。若有大块的深色金属氧化物出现,则是部件毁灭性失效的征兆。

D.润滑剂变质产物的识别

润滑剂在使用过程中会发生变质,其变质产物的识别方法如下:

a.摩擦聚合物的识别

润滑剂在摩擦副接触的高应力区受到超高的压力作用,其分子易发生聚合反应而生成大块凝聚物。 当细碎的金属磨损颗粒嵌在这些无定形的透明或半透明的凝聚物时,就形成了摩擦聚合物。 通常油中适当有一些摩擦聚合物可以防止胶合磨损,但摩擦聚合物过量会使润滑油黏度增加,堵塞油过滤器,使大的污染颗粒和磨屑进入机器的摩擦表面,造成严重的磨损。若是在通常不产生摩擦聚合物的油样中见到摩擦聚合物,则意味着已出现过载现象。

b.腐蚀磨损磨屑的识别

润滑剂中的腐蚀物质使Fe、Al、Pb 等金属产生的腐蚀磨屑非常细小,其尺寸在亚微米级,用放大镜很难分辨,但这种腐蚀磨屑的沉积使铁谱片出口端10 mm 处的覆盖面积读数值高于50 mm 处。

c.MoS2的识别

MoS2润滑剂,铁谱上的MoS2往往表现为片状,而且有带直角的直线棱边,具有金属光泽,颜色为灰紫色,具有反磁性,往往被磁场排斥。

d.污染颗粒的识别

污染颗粒包括新油中的污染、道路尘埃、煤尘、石棉屑以及过滤器材料等,应视摩擦副的具体情况和机器的运转环境进行分析判断,必要时可参考标准图谱识别。