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润滑油分析

对于装配有内燃机或涡轮机的车辆、建筑机械、船舶、飞机等器械设备而言,发动机润滑油在润滑、冷却、清洁和防锈过程中起到十分重要的作用。由于润滑油会在使用过程中发生变质,从而造成润滑性能下降、发动机内部出现磨损,进而缩短发动机使用寿命并引发潜在故障。出于物理受压、高温应力、金属磨损颗粒及渗入燃料污染等影响,机油成分及其添加剂会分解或产生化学变化,从而导致润滑油变质。因此,建议对润滑油完全使用寿命实施分析,评估其质量、实用性和剩余使用期限。可使用多类仪器实现上述分析。



 
发动机润滑油变质常见原因

Typical causes of engine lubricant deterioration

分析技术

 
 

1. 润滑油变质分析及添加剂分析

 
润滑油的FTIR、GC和ICP-MS分析
 
分析项目(元素) 所需系统 标准
变质 氧化值 FTIR ASTM E2412
硝化值
磺化值类产物
污染物 FTIR ASTM E2412
烟炱
汽油 GC ASTM D3525
ASTM D7593
FTIR ASTM E2412
柴油 GC ASTM D3524
ASTM D7593
FTIR ASTM E2412
冷却剂(B、Na、K) ICP-AES ASTM D5185
FTIR ASTM E2412
防冻剂(Na) ICP-AES ASTM D5185
粉尘(Si)
密封材料(Si)
磨损 金属(Al、Fe、Cu、Cr、Ni、Zn等) ICP-AES ASTM D5185
添加剂 抗氧化剂(Zn、Cu、B) ICP-AES ASTM D4951
FTIR ASTM E2412
抗磨剂(B、Cu、K、S、Zn等) ICP-AES ASTM D4951
FTIR ASTM E2412
洗涤剂抑制剂(Ba、Mg、Ca等) ICP-AES ASTM D4951
缓蚀剂(Ba、Zn)
防锈剂(K、Ba)
摩擦改进剂添加剂(Mo)

使用紧凑型FTIR实施润滑油变质分析

IRSpirit Fourier Transform Infrared Spectrophotometer
FTIR分光光度计

适用方法

润滑油状态监测(ASTM E2412/D7418/D7414/D7415/D7412)





 

使用ICP-AES分析废旧润滑油中的添加剂元素、磨损金属和污染物

ICPE-9800 Simultaneous ICP Atomic Emission Spectrometers
ICP电感耦合等离子体发射光谱仪

适用方法

针对润滑油中元素的分析(ASTM D4951/D5185)

 海报下载 

可以下载一张海报,详细介绍润滑油劣化分析和添加剂分析的一些示例。

[摘要]
发动机润滑油在车辆、工程机械、船舶、飞机和其他内燃机或涡轮发动机设备的润滑、冷却、清洁和防锈方面发挥着重要作用。随着润滑油使用性能的恶化,其润滑性能将下降,发动机内部可能产生磨损,从而导致使用寿命缩短和潜在故障。由于物理和热反应引起的油组分和添加剂的分解和化学变化,以及金属磨损颗粒和混合燃料的污染,润滑油会变质。因此,建议在润滑油的整个使用寿命内对其进行分析,以评估其质量、效用和剩余使用寿命。这些分析可通过多种仪器完成,包括FTIR、GC和ICP-AES。

[标准]
ASTM E2412-10、 ASTM D7593-14、 ASTM D5185-18、 ASTM D4951-14
ASTM E2412-10、 ASTM D7593-14、 ASTM D5185-18、 ASTM D4951-14

2. 润滑油的分析应用



 

通过SPM实现润滑表面的可视化

发动机油等润滑油通过在基础油中添加添加剂来提高性能。添加剂在滑动部位的金属表面形成吸附膜(摩擦膜),减少摩擦和磨损,但是通常很难对润滑油形成的薄膜进行分析。因此,在润滑油开发时,为了确定添加剂的种类及其最佳浓度,有时需要反复进行实车试验和发动机试验等设备试验,时间和成本消耗成为一项重要课题。

高分辨率扫描探针显微镜SPM-8100FM仅需500μL润滑油,即可以分子分辨率分析与润滑油接触的金属表面。用实验室规模的材料试验代替开发初期的筛选,有望成为一种加快润滑油开发的新方法。



 
Diagram Showing the Behavior of the Additive

添加剂作用的示意图



 
Anticipated Benefits of SPM

对SPM的期望



 
SPM-8100FM
高分辨率扫描探针显微镜SPM-8100FM
  • 使用SPM-8100FM分析润滑油在氧化铁表面形成的磷酸酯吸附膜
  • 使用SPM-8100FM分析润滑油在氧化铁表面形成的油性添加剂吸附膜

分析示例-润滑油形成的磷酸酯吸附膜的结构分析-


分子结构 (a)PAO、(b)磷酸酯

使用扫描探针显微镜SPM-8100FM,获取表面形貌图像(XY)及Z-X截面的Δf映射图像,可以在分子水平上对润滑油中添加剂形成的吸附膜进行结构评价。

下面将介绍采用调频模式的新一代扫描探针显微镜SPM-8100FM,分析氧化铁基板上聚α烯烃基础油(PAO)中磷酸酯的吸附结构,并根据有无磷酸酯观察吸附层是否不同。

 
氧化铁膜界面的表面形状分析


 
PAO

表面没有被磷酸酯的吸附膜覆盖,颗粒的轮廓清晰。

PAO+磷酸酯(200 ppm)

表面被磷酸酯的吸附膜薄薄地覆盖,颗粒的轮廓不清晰。

 
 
润滑油-氧化铁膜界面的力学响应分析


 
PAO

可以观察层结构。

PAO + Phosphate Ester (200 ppm)

层状结构的消失表明PAO分子不与氧化铁膜表面直接接触,而是氧化铁膜表面被磷酸酯的吸附膜覆盖。

Expected molecular model 1

与氧化铁膜表面接触的PAO分子呈并列平行排列,形成多层结构。

Expected molecular model 2

PAO分子不与氧化铁膜表面直接接触,未形成层结构。

(来源: Tribology第64卷第11号(2019)森口、粉川、辻本、笹原、大西:基于调频原子力显微镜的固液界面结构分析]

 参考文献 
 

EDX用于润滑油的分析

 
 
 

相关标准

  • ASTM D6481(2019) Standard Test Method for Determination of Phosphorus, Sulfur, Calcium, and Zinc in Lubrication Oils by Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectroscopy
    (一种用能量色散X射线荧光分析仪测定润滑油中磷、硫、钙和锌的标准试验方法)
  • ASTMD7751 (2016) Standard Test Method for Determination of Additive Elements in Lubricating Oils by EDXRF Analysis
    (一种用EDXRF分析仪测定润滑油中添加剂元素的标准试验方法)

润滑油元素检测用途

  • 润滑油中残损金属元素的分析: 基于金属成分的组成及在油中的积聚速度可以判定机器组件的失效周期和磨损程度,可识别润滑油是否已经开始分解或机械组件如发动机是否出现磨损以及磨损的部位。零件磨损元素主要有:Fe,Cu,Cr,Al
  • 外来污染组分进行监控:灰尘和泥土中带入的元素:Si
  • 润滑油主要添加剂元素有:P,Zn
 

EDX在该应用领域的特点

  • 可同时测量多种元素,检测范围从Na~U,ppm~%
  • 可直接分析润滑油,几乎无需样品制备,倒入样品杯后即可开始测量
  • 测量速度快,几分钟内可得到结果
 

应用报告请见附件

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