摘要：采用红外光谱（FT-IR）和旋转圆盘电极原子发射光谱（RED-AES）对汽车零部件中润滑脂进行分析鉴别。在汽车零部件运转过程中，对润滑脂氧化劣变、磨损及失效分析等方面进行研究和探讨。结果表明：1#试样为钙基脂，2#试样为锂基酯，3#试样为复合磺酸钙基脂，4#试样为脲基脂。汽车路试2-3万公里后，传动轴中的润滑脂未出现羟基、羰基等新的红外吸收峰，但出现了Si、Ti、V、Ni等新元素。Si元素表明润滑脂中混入了砂石，而Ti、V、Ni会加剧润滑脂变质。且Fe含量超过正常磨损量，P、Zn作为抗氧、抗磨添加剂也已被大量消耗掉，由此说明需要更换新脂。

关键词：汽车零部件；润滑脂；红外光谱；旋转圆盘电极原子发射光谱

中图分类号：TE626.4 文献标识码：B

Application of Spectrum Technique in Auto Parts Grease

Abstract:Infrared spectroscopy (FT-IR) and rotating disk electrode atomic emission spectroscopy (RED-AES) were used to analyze and identify the grease in auto parts.The oxidation deterioration of grease,wear and failure analysis were studied and discussed during the operation of auto parts.The results showed that the sample 1# was calcium lubricating grease,the sample 2# was lithium lubricating grease,the sample 3# was complex calcium sulfonate grease and the sample 4# was polyurea grease.The grease in the drive shaft did not appear new infrared absorption peaks such as hydroxyl and carbonyl after 20000-30000 kilometers of road test.But new elements such as Si,Ti,V and Ni appeared.Si indicated that the grease was mixed with sand,and Ti, V, Ni well aggravate the deterioration of the grease.In addition, the Fe content exceeded the normal wear amount,and P,Zn had also been consumed in large quantities as antioxidant and anti-wear additives.This meant that we must to change the grease.

Key words:Auto Parts;Grease;Infrared Spectroscopy;Atomic emission spectroscopy of rotating disk electrode

润滑脂是由基础油、稠化剂和添加剂混合而成的固体或半固体产品^[1]。基础油在润滑脂中占比高达75%以上，对润滑脂的润滑性起到主导作用。稠化剂是润滑脂的固相，含量约为10~20%，决定了润滑脂的种类。目前，按稠化剂类型，润滑脂主要分为皂基（锂皂、钙皂等金属皂基）、非皂基（脲基、聚烯烃等）及烃基类（地蜡、石蜡等）。而适量的添加剂能够提高润滑脂的抗极压、抗磨、抗氧化等性能。

润滑脂作为汽车不可缺少的零部件之一，能有效地减少摩擦、磨损、降低能耗，延长使用寿命等。车用润滑脂可分为轮毂轴承润滑脂、车身附件用润滑脂、底盘、操纵系统润滑脂和发动机及电器系统润滑脂四类^[2]。但是在汽车零部件中，润滑脂的注入量很少，通过锥入度、分油量、四球磨损等常规的、样本量需求大的物理方法研究其各项性能是十分困难地。而光谱技术具备制样简单，分析试样少，检测快、准确性高的特点。因此，特别适合对汽车零部件中润滑脂质量分析，以及在线监测使用过程产品质量或失效分析。

本文采用了红外光谱和旋转圆盘电极原子发射光谱对汽车零部件中量少的润滑脂进行分析鉴别，还对润滑脂在汽车零部件运转过程中质量发生变化、零部件磨损、失效分析等方面进行研究和探讨。

1 试验

1.1材料与仪器

润滑脂：封装在轮毂单元、万向节、传动轴等汽车零部件中的润滑脂。

试剂：分析纯石油醚（无锡市展望化工试剂有限公司），聚a烯烃PAO2基础油（雪佛龙）。

仪器：NICOLET IS20傅立叶变换红外光谱仪（赛默飞世尔科技有限公司），Spectro Q100型油料光谱分析仪（斯派超科技北京有限公司）

1.2 测试方法

1.2.1红外光谱（FT-IR）

从轮毂单元、万向节等汽车零部件中取出润滑脂，进行红外光谱分析。试样在受到连续变化的红外光照射下，分子选择性的吸收特定频率的红外线，引起转动和振动能级的跃迁，得到相应的红外吸收光谱。根据吸收峰的位置及相对强度，用于官能团定性，结构分析及定量分析。

1.2.2 旋转圆盘电极原子发射光谱（RED-AES）

试样中的元素被旋转圆盘技术产生的可控电弧放电蒸发和激发，每个元素会发射出特定波长或颜色的光，产生线状光谱。可通过分析谱线来识别样品中包含的每个元素种类。另外，发射光的强度与样品中存在的元素的量成比例，因而也可以据此确定该元素的浓度。润滑脂中除大量含有C、H元素外，还含有Li、Ca、P、S等金属和非金属元素，一般浓度在几个ppm（mg/kg）到百分之几（重量百分比）范围内。通过测定润滑脂中元素及含量来分析润滑脂的性能，典型元素来源^[3]详见表1。
表1 润滑脂中典型元素来源

典型元素	代表性化合物	来源
Na、Mg、Ca、K、Ba	金属硫酸盐金属磷酸盐	清净剂
P、S、Cu、Zn、Mo	二硫代磷酸的金属盐二硫代氨基甲酸金属盐	抗氧剂和抗磨剂
P、S、Cl、Cu、Zn、Mo、Pb、B	环烷酸金属盐二硫化钼金属粉末石墨、卤代烯烃硼酸盐	极压和润滑性能改进剂
Si	硅	抗泡剂
Li、Na、Al、Ca	脂肪酸盐	增稠剂

2 结果与讨论

2.1 FT-IR分析

从传动轴中取出未知未使用的润滑脂试样1#、2#、3#、4#，分别进行红外光谱分析。由图1可知，2919 cm^-1为CH₂不对称伸缩振动吸收峰，2851 cm^-1是CH₂的对称伸缩振动吸收峰，1456 cm^-1对应于CH₃的不对称变形振动、1376 cm^-1对应于CH₃的对称变形振动、721 cm^-1则为CH₂的面内摇摆振动。上述吸收峰是烃类物质中普遍存在的吸收峰。1583 cm^-1、1540 cm^-1处吸收峰分别对应-COO^-的不对称和对称伸缩振动^[4-5]，这是因为-COOH中的氢离子被金属离子取代生成硬脂酸盐，使羰基上的C=O和C-O发生均化。

图2中的红外谱图近似图1，主要区别在于1579 cm^-1、1559 cm^-1处的吸收峰，同样归属为-COO^-的不对称、对称伸缩振动吸收峰，由此可知，1#、2#试样均为皂基脂。

图1 1#红外谱图

图2 2#红外谱图

图3 3#红外谱图

从图3可以看出可知，1576 cm^-1、1558 cm^-1、1540 cm^-1处吸收峰同样归属为-COO^-的不对称、对称伸缩振动吸收峰。在1406 cm^-1处出现的强吸收峰为磺酸盐基团的吸收峰。1190 cm^-1、1058 cm^-1是SO₃^-不对称、对称伸缩振动，882 cm^-1为方解石晶型碳酸钙^[6]的吸收峰，由此可判断3#试样可能为磺酸钙与皂基组合而成。

图4 4#红外谱图

分析图4可知，3289 cm^-1处吸收峰为氮氢伸缩振动吸收峰，1631 cm^-1处吸收峰为碳基伸缩振动吸收峰，1572 cm^-1为氮氢弯曲振动吸收峰，1230 cm^-1为碳氮伸缩振动吸收峰，故4#为脲基脂^[7]。

2.2 RED-AES分析

称取一定量的润滑脂分别放入烧杯，按1：50稀释比加入PAO2基础油，采用超声波使试样在PAO2种分散均匀后，移取适量的试样进行RED-AES测试，1#、2#、3#、4#试样的测试结果详见表2。
表2 润滑脂元素分析

元素/ppm	Al	Ca	Cd	K	Li	Mg	Na
PAO2	~0.00	~0.00	~0.00	2.41	~0.00	~0.00	~0.00
1#	~0.00	51.29	~0.00	~0.00	0.2	0.23	0.34
2#	~0.00	1.7	0.1	~0.00	26.06	0.45	0.02
3#	0.66	1467	~0.00	~0.00	0.02	4.85	1.18
4#	~0.00	52.61	~0.00	42.15	0.25	1.38	0.34

由表2可知，基础油PAO2中元素含量可忽略不计。鉴别润滑脂种类主要看Li、Na、Al、Ca等金属元素及含量。1#试样中含有51.29 mg/kg的Ca元素，红外分析结果为皂基脂，故该润滑脂为钙基脂。同理，2#试样为锂基脂。3#试样存在大量的Ca元素，含量高达1467 mg/kg，来源于脂肪酸钙和磺酸钙基，故该试样为复合磺酸钙基脂。4#试样虽然含有52.61 mg/kg的Ca元素，但是结合红外光谱，可知该试样为脲基，主要以C、H、N、O元素为主，Ca则作为增稠剂。

2.3 润滑脂失效分析

2.3.1 FT-IR分析

图5中谱图a为汽车行驶前传动轴中润滑脂试样4#（黄色）的红外谱图，谱图b为汽车路试2-3万公里后，从汽车上拆解下来此传动轴中润滑脂（部分变成黑色、未出现焦化）的红外谱图。从图5可以看出，除了脲基脂的特征吸收峰外，未出现新的吸收峰，即在3800~3000 cm^-1未出现羟基（OH）的宽吸收峰，在1700~1740 cm^-1附近未出现羰基C=O^[5]特征吸收峰，说明该润滑脂在汽车行驶过程中未发生明显的氧化劣化现象，且未混入水。

图5 传动轴中润滑脂红外谱图

2.3.2 RED-AES分析

通过RED-AES测定元素种类、含量来辨别钢材磨损情况和是否存在砂石、尘土等外来杂质，测试结果如下表3。
表3 润滑脂使用前后元素分析

元素/ppm	Cr	Cu	Fe	Mn	P	Si	Ti	V	Zn	Ni
PAO2	~0.00	~0.00	0.33	0.22	~0.00	~0.00	~0.00	0.02	0.38	~0.00
新脂	~0.00	~0.00	0.32	0.33	32.17	~0.00	~0.00	0.04	37.53	~0.00
使用后	0.76	0.3	345.2	1.87	8.77	11.52	0.06	0.07	6.48	0.13

从表3中可以看出，金属元素Fe、Mn、Cr、Mo多为传动轴内部零部件磨损产生，即花键轴（40Cr，表面喷涂含0.25-1%的氧化锌尼龙）与滑动叉（45#碳钢）磨损生成。Fe元素含量为345.2 mg/kg（约0.03%），超过正常运行Fe磨损量0~0.02%^[8]。P、Zn的急剧下降，说明P、Zn作为抗氧、抗磨添加剂已被大量消耗掉了。而Ti、V、Ni的增加也会加速润滑脂的变质，从而引起润滑脂变黑、稠度降低、润滑效果变差，加剧传动轴的磨损。另外，非金属元素Si的含量为11.52 mg/kg，说明混入了砂石，因砂石的结构多为硅酸盐结晶，硬度很高，易加速传动轴磨损，引起剥落，影响正常运行。由此表明需要及时更换传动轴中的润滑脂，从而减少传动轴内部的磨损，已达到延长使用寿命的目的。

3 结论

由上述试验结果及分析与讨论可以得到以下结论：

（1）通过红外光谱分析红外吸收特征峰的位置、强弱，可以有效鉴别和研究车用润滑脂种类。1#、2#试样为皂基脂，3#试样可能为磺酸钙与皂基组合而成，4#试样为脲基脂。

（2）通过旋转圆盘电极原子发射光谱可应用于润滑脂中元素种类及含量分析。1#试样为钙基脂，2#试样为锂基脂，3#试样为复合磺酸钙基，4#试样为脲基脂。

（3）汽车行驶2-3万公里后，封装在传动轴中的润滑脂未出现羟基（OH）、羰基（C=O）等新的红外吸收峰，即未发生明显的氧化劣化现象、未混入水。但出现了Si、Ti、V、Ni等新元素。Si元素表明润滑脂中混入了砂石，而Ti、V、Ni会加剧润滑脂变质。另外，Fe含量超过正常磨损量，P、Zn作为抗氧、抗磨添加剂也已被大量消耗掉，由此说明需要更换新脂。

参考文献

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