分析式铁谱仪：在磁场上把磨损颗粒“拍成显微镜下的一张张照片”

在一台关键设备真正“坏掉”之前，油液里早就悄悄出现了各式各样的磨损颗粒：细小的正常磨屑、逐渐长大的疲劳片、严重滑动产生的长条状颗粒，甚至轴承失效前夕的大块剥落物。分析式铁谱仪（Analytical Ferrograph）利用高梯度磁场，把这些铁磁性及部分非铁磁性磨损颗粒从油中分离出来，在显微镜载玻片上按尺寸排列成“铁谱图”，再通过光学/电子显微镜观测其形貌、尺寸、颜色与数量，从而“像破案一样”判断磨损机理、严重程度与潜在故障源。

一、铁谱技术的来由：弥补光谱油液分析对“大颗粒”的盲区

原子发射光谱（ICP/OES）、原子吸收光谱（AAS）等元素分析对小颗粒非常灵敏，却对大尺寸磨损颗粒（几十微米甚至更大）的代表性不足；

20世纪70年代提出的铁谱技术，正是为了“补上”这最后一公里——它通过高梯度磁场从油样中沉积出磨损颗粒，再进行微观形态观察，可以高效检测1～几百µm甚至更大的颗粒。

分析式铁谱仪与直读式铁谱（DR）的区别在于：

直读式铁谱给出的是“铁磁性颗粒总体覆盖面积”的定量指标，适合快速筛查；

分析式铁谱则制备“铁谱图（ferrogram）”，可在显微镜下进行形貌分析与颗粒计数，提供更深入的机理判断。

二、分析式铁谱仪的基本原理：磁场+重力+显微镜

典型分析式铁谱仪的工作流程如下：

1）油样输送

样品瓶置于自动采样位，经蠕动泵或压力自动抽取1～3 mL典型体积；

对高粘油样可适当预热或稀释，确保颗粒不聚集在管路中。

2）磁场沉积（制谱）

一片处理过的玻璃显微镜载玻片以约1°～5°小倾角安装在磁铁上方；

油液沿玻片表面缓慢流过，玻片背面紧贴高梯度磁铁（通常磁感应强度可达到1.5 T以上）；

铁磁性颗粒在磁场力与流体曳力共同作用下，按“先大后小”的规则排列并沉积成颗粒链；大颗粒多沉积在入口区，小颗粒沉积在更远处；

非磁性颗粒（如铝、铜、brass等）也会部分随流携带沉积，但位置不按尺寸严格排序，往往随机分布。

3）固定与清洗

油液流完后，用溶剂（通常为四氯乙烯等）冲洗载玻片，去除残余油与可溶物；

待溶剂挥发后，铁谱图即可用于观察。

4）显微镜观察与分析

使用双目显微镜或数字显微镜在反射光或偏振光下观察铁谱图；

一般选择100×、200×、500×等多个物镜，兼顾大颗粒形貌与小颗粒分辨；

借助“磨损颗粒图谱”（WPA）或专业软件，将现场颗粒与标准形貌对照，分类为正常磨损、切削磨损、疲劳剥落、腐蚀磨损等。

5）定量与定性结合

定量：测量颗粒覆盖面积、长度分布与计数，可换算为“磨损量指数”；

定性：观察颗粒形状、表面纹理、颜色（是否氧化、是否回火色等），推断磨损机理与部件材质。

三、仪器构成：从磁路到光路与软件

以LAFG‑A10这类分析式铁谱仪为例，其主要构成包括：

磁铁组件：通常可提供最大磁通量密度1.5 T左右，梯度控制良好，保证0～800µm颗粒都可有效沉积；

谱片输送与倾角调节机构：保证谱片安装位置可复现，倾角一般在1°～5°；

自动注样与清洗：支持自动注入油样与溶剂清洗，同时提供手动清洗选项；

光源与显微光路：LED或卤素光源+双目光学系统，有的机型配备图像采集相机与数字图像分析软件；

控制与显示：OLED或LCD屏幕，实时显示注样速度、磁场状态与运行阶段；

软件与数据库：支持颗粒统计、尺寸分布、趋势图、报告生成，并可与企业资产管理系统或LIMS对接。

某些系统还支持“热回火”或“氧化显色”工艺：通过在可控气氛中加热谱片，使不同合金钢的磨损颗粒氧化成不同颜色，帮助区分材质——例如低碳钢倾向蓝紫色，高合金钢倾向橙红色。

四、能看出什么？典型磨损颗粒与机理对应关系

根据大量实验与应用总结，不同工况和磨损机理会生成特征性颗粒：

1）正常磨粒与轻微滑动磨损

细小片状或块状，边缘较圆润，尺寸稳定，数量缓慢上升；

通常对应设备磨合期与稳态运行工况。

2）严重滑动磨损

颗粒变大、表面拉毛或呈现“拉丝”形貌，伴随明显氧化色；

常意味着润滑不良或载荷/温度过高。

3）切削磨损

类似于机加工切屑的螺旋状、圈状、弯曲线状颗粒，有时可见切削纹路；

提示系统中存在硬质颗粒污染或严重对磨（如齿轮咬合不良）。

4）疲劳剥落与滚动接触疲劳

大薄片状或“鱼鳞片”层状颗粒，边缘较规整；

典型于轴承、齿轮滚动表面发生点蚀与剥落时。

5）腐蚀磨损与水污染

细小颗粒与大量红色/橙色氧化颗粒，表面粗糙、多孔；

若同时可见结晶状盐类颗粒，很可能意味着水分侵入与腐蚀环境。

6）非铁金属与外部污染物

铜、铝、黄铜等非铁磁性颗粒往往随机分布，可能来自散热器、油冷却器或密封件磨损；

纤维、密封碎片、沙尘等非金属污染物也可在显微镜下识别。

五、操作与质控要点：从采样到显微镜判读的全程关键环节

1）采样要有代表性与规范

从流动油路、回油管、或专用取样阀采样；

避免从油箱底部沉积层取样，优先采用“在线取样器”或运行中取样。

2）样品预处理与均匀化

充分摇匀或超声分散，避免颗粒沉积在瓶底；

对高粘度或严重污染油可稀释，保证进样流畅。

3）仪器校准与标样

使用标准磨损颗粒样品或标定谱片定期检查磁场沉积特性与图像测量精度；

控制软件中的长度/面积标尺，确保尺寸测量不漂移。

4）显微镜与光路维护

定期清洁物镜与光路，保证图像清晰；

若使用数字成像，注意像素标尺与镜头畸变校正。

5）分析与报告规范

建议统一报告模板，涵盖取样信息、设备信息、测试条件、关键结论与建议；

颗粒照片与分类结果最好与标准图谱（WPA）或企业自建案例库对照。

6）人员经验与交叉验证

铁谱分析是一门“经验+科学”的交叉学科，最好由经过专门培训的工程师进行判读；

关键结论尽可能与现场检查、其他油液数据及振动/温度监测相互印证。

分析式铁谱仪本质上是一套“磨损颗粒取证装置”：它利用高梯度磁场从油液中把颗粒“沉积在显微镜玻片上”，再通过光学观察与图像分析，给出颗粒数量、尺寸分布与形貌特征。这些信息与元素分析、颗粒计数以及振动数据一起，构成了现代油液监测与设备健康管理的重要基础。