Loading article…
ドライ潤滑剤または固体潤滑剤は、固体状態でありながら、液体の油媒体を必要とせずに互いに滑り合う2つの表面間の摩擦を低減できる材料である。 [ 1 ]
主な乾式潤滑剤はグラファイトと二硫化モリブデンです。これらは液体潤滑剤や油性潤滑剤よりも高い温度で潤滑作用を発揮します。乾式潤滑剤は、錠前や乾式潤滑ベアリングなどの用途でよく使用されます。これらの材料は、酸化性環境では350 ℃（662 °F）まで、還元性／非酸化性環境ではさらに高い温度（二硫化モリブデンは1100 ℃（2012 °F） まで）で使用できます。ほとんどの乾式潤滑剤の低摩擦特性は、分子レベルでの層状構造と、層間の弱い結合に起因しています。このような層は、最小限の力で互いに滑り合うことができ、その結果、低摩擦特性が得られます。
しかし、層状結晶構造だけでは必ずしも潤滑に十分とは限りません。実際、非層状構造の固体でも、用途によっては乾式潤滑剤としてうまく機能するものがあります。これには、特定の軟質金属（インジウム、鉛、銀、スズ）、ポリテトラフルオロエチレン、一部の固体酸化物、希土類フッ化物、さらにはダイヤモンドなどが含まれます。[ 2 ]
金属摺動系において、数百℃で形成された圧縮酸化物釉薬層の低摩擦特性への関心は限られている。しかし、その物理的不安定性のため、実用化にはまだ何年もかかるだろう。
最も一般的に使用されている固体潤滑剤は以下の4種類です。
グラファイトと二硫化モリブデンは、乾式潤滑剤として最も一般的に使用される材料である。
多くの固体潤滑剤の潤滑性は、層状構造に起因します。層状構造は運動方向に沿って表面に平行に配向し、互いに容易に滑り合うため、摩擦が少なく、高荷重下でも滑り合う部品同士の接触を防ぎます。大きな粒子は粗い表面で低速時に最も優れた性能を発揮し、より細かい粒子は滑らかな表面で高速時に優れた性能を発揮します。これらの材料は、液体潤滑剤の特性を変化させたり向上させたりするために、乾燥粉末の形で添加することができます。
固体潤滑剤として有用なその他の成分としては、窒化ホウ素、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、タルク、フッ化カルシウム、フッ化セリウム、二硫化タングステンなどが挙げられる。
固体潤滑剤は、従来の潤滑剤では不十分な状況、例えば以下のような場合に有効です。
グラファイトは、六角形に配列した多環式炭素原子の平面から構成される構造を持つ。平面間の炭素原子間の距離が長いため、結合は弱くなる。
グラファイトは空気中での潤滑に最適です。グラファイトの潤滑には水蒸気が必要です。水の吸着により、グラファイトの六角形の面間の結合エネルギーが、基板とグラファイト間の接着エネルギーよりも低いレベルに低下します。潤滑には水蒸気が必要なため、グラファイトは真空中では効果がありません。[ 5 ]グラファイトは電気伝導性があるため、ガルバニック腐食を 促進する可能性があります。酸化雰囲気では、グラファイトは450 ℃までの高温で連続的に効果を発揮し、さらに高い温度ピークにも耐えることができます。
グラファイトは、天然グラファイトと合成グラファイトの2つの主要なグループに分類される。
潤滑性がそれほど必要とされず、より断熱性の高いコーティングが求められる用途では、非晶質グラファイト（炭素含有量80%）が選択される。
MoS₂は硫化物に富む鉱床から採掘され、潤滑剤に適した純度になるまで精製されます。グラファイトと同様に、MoS₂は六方晶構造を持ち、せん断しやすいという固有の性質があります。MoS₂の潤滑性能はグラファイトを上回ることが多く、グラファイトとは異なり真空中でも有効です。MoS₂の耐熱温度は400 ℃ですが、これは酸化によって制限されます。粒子サイズと膜厚は、基板の表面粗さに合わせて調整すべき重要なパラメータです。粒子が大きいと、 MoS₂中 の不純物による摩耗で過度の摩耗が生じる可能性があり、粒子が小さいと酸化が促進される可能性があります。
六方晶窒化ホウ素はセラミック粉末潤滑剤です。この潤滑剤の最も興味深い特徴は、 酸化雰囲気下で1200℃という高い耐熱性です。さらに、窒化ホウ素は高い熱伝導率を有しています。（立方晶窒化ホウ素は非常に硬く、研磨材や切削工具の部品として使用されます。）
ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は、潤滑油やグリースへの添加剤として広く使用されています。PTFEは表面エネルギーが低いため、油や水中に安定した非凝集性のPTFE分散液を生成することができます。これまで述べてきた他の固体潤滑剤とは異なり、PTFEは層状構造を持ちません。PTFEの高分子は、層状構造と同様に、互いに容易に滑り合います。PTFEは、静摩擦係数と動摩擦係数が0.04と非常に小さい値を示します。使用温度範囲は約260 ℃です。
固体潤滑剤を油、水、またはグリースに添加剤として分散させる方法が最も一般的です。組み立て後に潤滑ができない部品には、乾燥膜潤滑剤をスプレーすることができます。溶剤が蒸発すると、コーティングは室温で硬化して固体潤滑剤を形成します。ペーストは、高負荷で低速で動く部品の組み立てと潤滑に使用される、高濃度の固体潤滑剤を含むグリース状の潤滑剤です。黒色のペーストには、一般的にMoS₂が含まれています。500 ℃を超える高温では 、ねじ接続部やその他のアセンブリの分解を容易にするために必要な金属部品の酸化を防ぐために、金属粉末をベースにペーストが構成されます。
乾式粉末研磨は効果的な塗布方法です。基材を事前にリン酸塩処理することで、接着性を向上させることができます。粉末をそのまま使用すると、固体粒子と基材との接着力が不十分になり、連続使用における耐用年数を確保できないという限界があります。しかし、初期摩耗状態の改善や金属成形プロセスにおいては、短時間の研磨で十分な場合もあります。
摩擦防止（AF）コーティングは、二硫化モリブデン、PTFE、グラファイトなどの潤滑顔料の微粒子をバインダーと混合した「潤滑塗料」です。塗布して適切に硬化させると、これらの「滑りやすい」または乾燥潤滑剤は金属表面に結合し、濃い灰色の固体膜を形成します。多くの乾燥膜潤滑剤には、優れた防錆効果を発揮する特殊な防錆剤が含まれています。ほとんどの長寿命膜は結合型ですが、滑り距離があまり長くない用途に限定されます。AFコーティングは、フレッティングや焼き付きが問題となる場合（スプライン、ユニバーサルジョイント、キー付きベアリングなど）、作動圧力が通常のオイルやグリースの耐荷重能力を超える場合、スムーズな慣らし運転が必要な場合（ピストン、カムシャフト）、クリーンな動作が求められる場合（AFコーティングはグリースやオイルのように汚れや破片が付着しない）、および部品を長期間保管する場合に適用されます。[ 6 ]
自己潤滑性複合材料：PTFE、グラファイト、MoS₂などの固体潤滑剤やその他の摩擦防止・耐摩耗添加剤は、ポリマーやあらゆる種類の焼結材料に配合されることが多い。例えば、MoS₂はスリーブベアリング、エラストマーOリング、カーボンブラシなどの材料に配合される。固体潤滑剤はプラスチックに配合され、「自己潤滑性」または「内部潤滑性」の熱可塑性複合材料を形成する。例えば、プラスチックに配合されたPTFE粒子は、接触面にPTFE膜を形成し、摩擦と摩耗を低減する。ナイロンに配合されたMoS₂は、摩耗、摩擦、スティックスリップを低減する。さらに、非常に微細な結晶構造を形成する核剤としても作用する。グラファイト潤滑熱可塑性樹脂の主な用途は、水環境下での用途である。