在用润滑油会遇到空气、热、压力、腐蚀剂和导致油液发生化学变化的其他因素而发生化学变化。油液发生化学变化会影响其使用性能(比如,关键添加剂已经耗尽)。随着时间的推移,这些化学反应会产生有害副产物,如弱酸性有机酸。油液老化分析通常包括氧化,也可能包括硝化和硫化,因应用而异。在某些情况下,可以检测油液中特定添加剂的消耗,像ZDDP抗磨包。

硝化 — 硝化与发动机特别是天然气发动机的润滑油关系重大。热量可使大气中的氮气和氧气发生化学反应,生成氮氧化物(NOx)。这些氮氧化物通过与润滑油反应生成有机硝酸盐,或作为可溶性或不溶性的氮化合物。 硝化可使发动机润滑油过早稠化。硝化的常见原因包括:燃烧产物排出效率低、空燃比不适当、低温运转、活塞环泄漏。
 
氧化 — 油液在氧气和热力作用下会发生氧化。大气中的氧与润滑油中的碳氢化合物反应形成羧酸。虽然是弱酸,但如果时间够长,浓度可能会变得足够高,就会对设备零部件产生腐蚀。这也是油液监测程序中不可避免的。所以,为了保护润滑油,几乎所有的油液中都会填加抗氧化剂。与润滑油的主要成分相比,添加剂更容易产生氧化。一旦这些添加剂耗尽,润滑性能就会受到影响。氧化速度随温度变化很大,也受润滑油中污染物(特别是金属颗粒)的影响,因此解决润滑油氧化最好的方法是保持油液的清洁、干燥和冷却。
 
硫化 — 柴油或基础油中的硫,氧,热量和水会产生反应,生成包含硫酸在内的含硫化合物。大多数情况下,这些含硫化合物会以废气形式排出,但有些可能残留下来,进入发动机腔。进入发动机的酸性物质与油液中的添加剂或润滑油的基础油发生化学反应时,硫化就会产生。在温度较低的情况下,如在发动机启动过程中,酸可以冷凝,进而很容易与油接触。硫化会导致润滑油的粘度增加,以及清漆、油泥的形成沉淀。