潤滑剤・潤滑油入門

「潤滑」とは、摩擦の小さい第3の物質を摩擦面に介在させて摩擦を低減することであり、この第3の物質のことを潤滑剤と呼びます。
下表に主な潤滑剤の例を挙げますが、これら以外にも様々な物質が使用されています。

鉱油は石油の蒸発留分を精製して得られ、パラフィン(イソパラフィン主体)系炭化水素、ナフテン(シクロパラフィン)系炭化水素、芳香族系炭化水素の混合物です。

鉱油は、幅広い成分の分布（炭素数：18～50、分子量：300～700、常圧換算沸点：400～700℃）をもっていますが、適当な留分の組み合わせで適度な粘度の潤滑油が得られます。精製度によっても異なりますが、ガソリン、灯油などの石油燃料の連産品として得られるので、最も安価で使用量が多い潤滑油です。

鉱油は、石油の原産地によって成分比率が異なり、パラフィンリッチなパラフィン系基油、ナフテンリッチなナフテン系基油に大別されます。
パラフィン系とナフテン系では、粘度指数、低温流動性などの性質が異なり、エンジンオイルには粘度指数が高いパラフィン系の基油が用いられます。

鉱油ベースでは基本的に能力不足な用途、あるいはベースオイルに特別な性能が求められる用途（ブレーキオイルなど）には、合成潤滑油が適用されます。

合成潤滑油に求められる特性
①粘度特性(粘度指数)　②低温流動性　③蒸発特性　④熱・酸安定性　⑤潤滑性(耐荷重能)
⑥難燃性　⑦耐薬品性　⑧耐放射線性　⑨加水分解安定性　⑩鉱油相溶性

合成潤滑油の大分類
・ポリマー型：ポリアルキレングリコール(PAG)
・非ポリマー型：ポリオールエステル　

ポリアルキレングリコール(PAG)型合成潤滑油の特徴
・重合度の調整により、様々な粘度をもつものができ、高分子量のものは耐荷重能が大きく、粘度指数も高くなる。
・EO/PO比率の変更により、水溶性～非水溶性を任意にコントロールでき、かつ低温流動性も良好である。
・エーテル結合は200℃前後で酸化分解を始めるため、耐熱性には劣るが、逆に細かく分解するので、加熱によるスラッジの発生がほとんどない。

ポリアルキレングリコール(PAG)型合成潤滑油の主な用途
・水・グリコール系難燃性作動液用

クーロンの法則：摩擦面に生ずる摩擦力は、みかけの設置面積には関係なく、摩擦面に垂直な荷重に比例する
F＝μW　（F:摩擦力、　W:垂直荷重、　μ：m札係数）

摩擦の原因：2つの固体の真実の接触面に生ずる凝着（金属結合、イオン結合、分子間力など）

図　クーロンの法則と接触面積　
引用：小西誠一、上田亮『潤滑油の基礎と応用』p40、コロナ社(1992)

摩擦は、大きく以下3つに分けることができます。

①固体摩擦（乾燥摩擦）
表面が清浄な固体と固体の摩擦のこと。一般的に固体面間に何の潤滑物質もない状態での摩擦のことを乾燥摩擦と呼びます。
乾燥摩擦の摩擦係数は、0.2～1.0と非常に高くなります。

②境界摩擦（境界潤滑）
固体表面に潤滑剤などがきわめて薄く吸着した状態での摩擦を境界摩擦と呼びます。
吸着膜の厚さは、数分子から数十分子程度で、部分的に固体どうしが接触しています。
境界摩擦での摩擦係数は0.01～0.1で乾燥摩擦よりも、1オーダー低くなります。

③流体摩擦（流体潤滑）
固体面間が潤滑剤などの流体膜によって隔てられている状態での摩擦のことを指します。
この場合の摩擦は、主に流体の内部摩擦（粘性）となり、固体どうしの接触がないので、
摩擦係数は、境界摩擦より、1オーダー低くなります。
 液体潤滑の効果は、固体面間に閉じ込められた潤滑剤分子の内部摩擦（粘性）によって生ずる圧力によります。


クーロンの法則は、境界摩擦と流体摩擦では成り立ちますが、流体摩擦では、流体膜の内部摩擦が摩擦を支配するので成り立ちません。

図　摩擦の種類と摩擦係数
引用：小西誠一、上田亮『潤滑油の基礎と応用』p37、コロナ社(1992)

図　潤滑の整理

粘度指数向上剤、酸化防止剤、摩擦低減剤(油性向上剤)、極圧添加剤、　流動点降下剤、清浄分散剤、腐食防止剤、さび止め剤、消泡剤、着色剤

エンジンオイルの主成分は鉱油であるが、鉱油単独ではマルチグレードは得られません。
そこで、マルチグレードオイルにするため粘度指数向上剤(VI I=Viscosity Index Improver)と呼ばれる薬剤が添加されています。

粘度指数とは温度による粘度変化の度合を表す数値で、40℃と100℃の動粘度から標準油を基準として指数表示され、粘度指数が高いほど粘度変化が小さくなります。

境界潤滑で活躍する添加剤はまとめて耐荷重能添加剤と呼ばれており、油性剤、耐摩耗剤、極圧剤の3種類に分類可能です。

　油性剤は、分子中に長鎖の炭化水素基と極性基（ーCOOH、ーOH、ーNH2など）を有する一種の界面活性剤のような化合物で、極性基部分が金属表面に吸着し、表面に炭化水素の膜（吸着膜）を形成します。この吸着膜が金属面どうしの直接接触を防ぎ、摩擦や摩耗を低減します。

油性剤では通用しない、より過酷な境界潤滑領域では、耐摩耗剤や極圧剤が活躍します。
耐摩耗剤としてよく使用されるのは、トリクレジルホスフェート（TCP）やジアルキルジチオリン酸亜鉛(ZnDTP)であり、これらは金属面に吸着しやすく、高温、高荷重下で分解して皮膜を形成し摩耗を防止します。

極圧剤としては、硫化油やサルファイドなどの硫黄系の化合物が多く、これらは最も厳しい境界潤滑状態（金属面どうしが融着する直前の状態）で金属面（鉄）と反応して硫化鉄などの柔らかい被膜となって焼き付きや吸着を防止します。

図　まとめ：境界潤滑下の諸問題と添加剤の効果範囲

図　耐荷重性向上剤のイメージ

エネルギー(動力、圧力)の伝達の目的で各種の油圧装置に使用される潤滑油を作動液と呼びます。自動車のブレーキオイルも一種の作動液です。

作動液の分類
難燃性タイプ（含水型）：　水・グリコール系、　鉱油のエマルション系
難燃性タイプ（非含水型）：　リン酸エステル系、　脂肪酸エステル系
可燃性タイプ：　鉱油系、　合成炭化水素系、　グリコールエーテル系

金属加工は切削加工と塑性加工に大別され、塑性加工はさらに圧延、プレス、引き抜き、鍛造、転造などに分類されます。
いずれの加工においても、工具と材料の金属面どうしが厳しく摩擦、摩耗するため潤滑油が不可欠です。

非水溶性の切削油は、潤滑作用に優れた切削油で、鉱油に脂肪油(油性向上剤)を添加したもの(1種)やさらに極圧添加剤を添加したもの(2種)があります。脂肪油としては、菜種油、米ぬか油、豚脂、オレイン酸などが、極圧添加剤としては塩素化パラフィンや硫化脂肪油などが使用されています。

水溶性の切削油は、界面活性剤が配合されており、水で数十倍に希釈して使用されるため冷却作用に優れます。水に希釈したときの外観によりエマルション型(W1種)、ソリュブル型(W2種)、ソリューション型に分類されます。

近年は、高速加工性、作業環境改善、安全性の向上などのニーズから水溶性切削油が増えてきています。水溶性切削油は水に希釈して使用されるため、切削・潤滑性能が非水溶性切削油よりは劣るほか、最近の繁殖による腐敗、加工材料のさび、泡立ち発生などの懸念があります。
このため抗菌性の強い界面活性剤や水系でも油性と極圧性に優れた添加剤が配合されている例もあります。

トライボロジー(Tribology)とは、ギリシャ語のtribs(擦る)に由来する造語で、
「相対運動をして相互に影響し合う2表面、ならびにそれらに関する諸問題と実際についての化学と技術」と定義されています。

潤滑（Lubrication）が西欧で「油をさす」という狭い意味で使用されていた経緯があり、
これと区分し「摩擦にかかわる諸問題の解決による経済効果を目的とした学問・技術」という意味で使用されています。