潤滑剤

潤滑剤（ルーブと略されることもある）は、相互に接触する表面間の摩擦を軽減し、最終的には表面が動くときに発生する熱を軽減する物質です。また、力を伝達したり、異物を輸送したり、表面を加熱または冷却したりする機能を持つこともあります。摩擦を軽減する特性は、潤滑性として知られています。

潤滑剤は工業用途以外にも、さまざまな用途に使用されています。その他の用途としては、調理（フライパンやベーキングで食品のくっつきを防ぐための油脂）、機械の錆びや摩擦の軽減、モーターオイルやグリースの使用、人体へのバイオ用途（人工関節の潤滑剤など）、超音波検査、健康診断、性交などがあります。主に摩擦を減らし、メカニズムの機能をより良く、より効率的にするために使用されています。

潤滑剤は何千年も前から使われてきました。紀元前1400年の戦車の車軸にはカルシウム石鹸が付着していたことが確認されています。ピラミッドの時代には、建築石材は油を染み込ませた木材の上を滑らされていました。ローマ時代には、潤滑剤はオリーブ油や菜種油、動物性脂肪をベースにしていました。潤滑剤の普及は産業革命とともに金属ベースの機械の使用とともに加速しました。当初は天然油に依存していましたが、1900年代初頭には、そのような機械のニーズは石油ベースの材料へと移行しました。画期的な進歩は、真空石油会社が説明したように、石油の真空蒸留の開発によってもたらされました。この技術により、多くの潤滑剤によく見られる非常に非揮発性の物質を精製できるようになりました。^[1]

優れた潤滑剤は、一般的に次のような特性を備えています。

• 沸点が高く凝固点が低い（幅広い温度範囲で液体のままであるため）
• 高い粘度指数
• 熱安定性
• 油圧安定性
• 抗乳化性
• 腐食防止
• 高い酸化耐性
• 流動点（規定の試験条件下で油が流れる最低温度）

通常、潤滑剤には 90% の基油 (ほとんどの場合、鉱油と呼ばれる石油留分) と 10% 未満の添加剤が含まれています。植物油または水素化ポリオレフィン、エステル、シリコーン、フルオロカーボンなどの合成液体が基油として使用されることもあります。添加剤により、摩擦と摩耗の低減、粘度の増加、粘度指数の改善、腐食と酸化、老化や汚染に対する耐性などが得られます。

非液体潤滑剤には、粉末（ドライグラファイト、PTFE、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなど）、配管に使用されるPTFEテープ、エアクッションなどが含まれます。グラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどのドライ潤滑剤は、液体および油性潤滑剤が機能できる温度よりも高い温度（最大350 °C）でも潤滑を提供します。金属スライドシステムで数百℃で形成される圧縮酸化物釉薬層の低摩擦特性には限られた関心が示されていますが、物理的に不安定な性質のため、実用化にはまだ何年もかかります。

潤滑油に性能特性を与えるために、多数の添加剤が使用されています。現代の自動車用潤滑油には、潤滑油の最大20％を占める10種類もの添加剤が含まれています。主な添加剤ファミリーは次のとおりです。^[1]

• 流動点降下剤はワックスの結晶化を防ぐ化合物です。長鎖アルキルベンゼンはワックスの小さな結晶に付着し、結晶の成長を防ぎます。
• 消泡剤は、通常、泡の形成を抑えるために表面張力を高めるシリコン化合物です。
• 粘度指数向上剤(VII) は、潤滑剤が高温でも粘性を維持できるようにする化合物です。代表的な VII は、ポリアクリレートとブタジエンです。
• 酸化防止剤は、潤滑剤内の炭化水素分子の酸化分解速度を抑制します。低温では、ヒンダードフェノール（例：ブチル化ヒドロキシトルエン）などのフリーラジカル阻害剤が使用されます。金属が酸化プロセスを触媒する90 °C を超える温度では、ジチオリン酸がより有用です。後者の用途では、添加剤は金属不活性化剤と呼ばれます。
• 洗浄剤は、高温での接触面の堆積物の形成を防ぎ、エンジン部品の清潔さを保ちます。
• 腐食防止剤（さび止め剤）は通常、金属部品を腐食させる酸を吸収するアルキルスルホン酸塩などのアルカリ性物質です。
• 耐摩耗添加剤は金属部品上に保護膜「トライボフィルム」を形成し、摩耗を抑制します。表面への結合の強さによって2つのクラスに分けられます。一般的な例としては、リン酸エステルとジチオリン酸亜鉛があります。^[2]
• 極圧（スカッフィング防止）添加剤は、金属の摺動部品に保護膜を形成します。これらの添加剤は、ジチオリン酸などの硫黄化合物であることが多いです。
• 摩擦調整剤は、特に表面が直接接触する境界潤滑領域において、摩擦と摩耗を低減します。^[3]

1999年には、世界中で推定37,300,000トンの潤滑油が消費されました。^[4]電気自動車を含む自動車用途が主流ですが^[5]、その他の工業、海洋、金属加工用途でも潤滑油が大量に消費されています。空気やその他のガスベースの潤滑油は知られていますが（例：流体軸受）、液体潤滑剤が市場を支配し、固体潤滑剤がそれに続きます。

潤滑剤は一般に、主成分がベースオイルで、望ましい特性を付与するためのさまざまな添加剤が配合されています。一般に潤滑剤は 1 種類のベースオイルをベースにしていますが、性能要件を満たすために複数のベースオイルを混合して使用することもあります。

「鉱油」という用語は、原油から得られる潤滑油基油を指すために使用されます。アメリカ石油協会（API）は、いくつかの種類の潤滑油基油を指定しています。^[6]

• グループI – 飽和度<90%および/または硫黄>0.03%、および自動車技術協会（SAE）粘度指数（VI）80～120

溶剤抽出、溶剤または触媒脱蝋、および水素化仕上げプロセスによって製造されます。一般的なグループ I ベースオイルは、150SN (溶剤中性)、500SN、および 150BS (ブライトストック) です。

• グループ II – 飽和度 > 90%、硫黄 < 0.03%、SAE 粘度指数 80 ～ 120

水素化分解および溶剤または触媒脱蝋プロセスによって製造されます。グループ II ベース オイルは、実質的にすべての炭化水素分子が飽和しているため、優れた抗酸化特性を備えています。色は無色です。

• グループIII – 飽和度90%以上、硫黄分0.03%未満、SAE粘度指数120以上

等水素化などの特殊なプロセスで製造されます。ベースオイルまたは脱蝋プロセスからのスラックスワックスから製造できます。

• グループ IV –ポリアルファオレフィン(PAO)
• グループ V – ナフテン系化合物、ポリアルキレングリコール (PAG)、ポリエステルなど、上記に含まれないその他すべて。

潤滑油業界では、このグループの用語を次のように拡張することが一般的です。

• 粘度指数103～108のグループI+
• 粘度指数113～119のグループII+
• 粘度指数が140以上のグループIII+

主な構成に応じて 3 つのカテゴリに分類することもできます。

• パラフィン
• ナフテン
• 芳香性

石油由来の潤滑剤は、合成炭化水素（最終的には石油から得られる）を使用して製造されることもあり、「合成油」と呼ばれます。

これらには以下が含まれます:

• ポリアルファオレフィン（PAO）
• 合成エステル
• ポリアルキレングリコール（PAG）
• リン酸エステル
• パーフルオロポリエーテル(PFP​​E)
• アルキル化ナフタレン（AN）
• ケイ酸エステル
• イオン流体
• 多重アルキル化シクロペンタン（MAC）

PTFE: ポリテトラフルオロエチレン(PTFE) は、通常、例えば調理器具の表面を焦げ付き防止するためのコーティング層として使用されます。 350 °C まで使用可能な温度範囲と化学的に不活性な性質により、特殊なグリースに添加すると増粘剤と潤滑剤の両方として機能します。 極度の圧力下では、PTFE の粉末または固体は柔らかく、接触領域から流れ落ちるため、ほとんど役に立ちません。その場合は、セラミック、金属、または合金の潤滑剤を使用する必要があります。^[7]

無機固体: グラファイト、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどが固体潤滑剤の例です。一部の潤滑剤は、非常に高い温度でも潤滑性を維持します。このような材料の中には、耐酸化性が低いために使用が制限されるものもあります (例: 二硫化モリブデンは空気中で 350 °C 以上で劣化しますが、還元環境では 1100 °C で劣化します)。

金属/合金:金属合金、複合材料、純金属は、グリース添加剤として、または摺動面やベアリングの単独の成分として使用できます。カドミウムと金は、優れた耐腐食性と摺動特性を与えるメッキ表面に使用されます。鉛、スズ、亜鉛合金、およびさまざまな青銅合金は、摺動ベアリングとして使用されます。また、それらの粉末は、摺動面の潤滑に単独で使用できます。

水性潤滑は、多くの技術的応用において興味深いものです。PEGなどの強く水和したブラシポリマーは、液体と固体の界面で潤滑剤として機能します。 ^[8]結合水と他の自由水分子との継続的な急速な交換により、これらのポリマーフィルムは表面を分離したまま、高圧縮時のブラシ-ブラシ界面での高い流動性を維持し、非常に低い摩擦係数をもたらします。

バイオ潤滑剤^[9]は、植物油やその他の再生可能な資源から作られています。通常はトリグリセリドエステル（植物や動物から得られる脂肪）です。潤滑油のベースオイルとして使用する場合は、植物由来の材料が好まれます。一般的なものとしては、植物由来の高オレイン酸キャノーラ油、ヒマシ油、パーム油、ヒマワリ種子油、菜種油、樹木由来のトール油などがあります。多くの植物油は、加水分解されて酸が生成され、その後、選択的に結合されて特殊な合成エステルが形成されます。その他の天然由来の潤滑剤には、ラノリン（ウールグリース、天然の撥水剤）があります。^[10]

鯨油は歴史的に重要な潤滑油であり、20世紀後半まで自動変速機油の摩擦調整添加剤として使用されていました。^[11]

2008年、バイオ潤滑剤市場は、年間84万トンの潤滑剤市場全体のうち、英国の潤滑剤売上高の約1％を占めました。^[12]

2020年現在、オーストラリアのCSIRO^{[アップデート]}の研究者らはエンジン潤滑剤としてのベニバナ油を研究しており、エンジン駆動の芝刈り機、チェーンソー、その他の農業機械などの用途において、石油系潤滑剤よりも優れた性能と低い排出量を発見した。この製品を試用している穀物生産者はこの革新を歓迎しており、ある生産者は、精製がほとんど必要なく、生分解性があり、バイオエネルギーおよびバイオ燃料であると述べた。科学者らは遺伝子サイレンシングを使用して植物を再設計し、最大93％の油を生産する品種を作り出した。これは現在どの植物からも得られる最高の油である。米国のモンタナ州立大学先進燃料センターの研究者らは、大型ディーゼルエンジンでの油の性能を従来の油と比較して研究し、その結果を「ゲームチェンジャー」と表現した。^[13]

液体潤滑剤に増粘剤を混ぜて作られる固体または半固体の潤滑剤です。グリースは通常、約 80% の潤滑油、約 5% ～ 10% の増粘剤、および約 10% ～ 15% の添加剤で構成されています。最も一般的なグリースでは、増粘剤は軽質またはアルカリ金属石鹸で、油滴を包み込むスポンジのような構造を形成します。潤滑以外に、グリースは一般に腐食防止の役割も果たすと考えられており、これは通常添加剤によって実現されます。高温での乾燥を防ぐために、乾式潤滑剤も追加されます。適切な油、増粘剤、および添加剤を選択することで、グリースの特性を幅広い用途に合わせて最適化できます。高温または極低温に適したグリース、真空用途、耐水性および耐候性グリース、高耐圧性またはクリープ性グリース、食品グレード、または非常に粘着性の高いグリースがあります。

^[14]

潤滑油の最大の用途の 1 つは、モーター オイルの形で、自動車や動力装置の 内燃機関を保護することです。

粘着防止コーティングは、特定の材料の接着状態 (粘着性) を低下させるように設計されています。ゴム、ホース、ワイヤー、ケーブル業界は粘着防止製品の最大の消費者ですが、実質的にすべての業界で何らかの粘着防止剤が使用されています。粘着防止剤は、特定の化合物の本来の粘着性を低減するように設計されているのに対し、潤滑剤は 2 つの表面間の摩擦を低減するように設計されている点で 潤滑剤とは異なります。

潤滑剤は、通常、システム内の可動部品を分離するために使用されます。この分離には、摩擦、摩耗、表面疲労を軽減するとともに、発熱、動作音、振動を軽減するという利点があります。潤滑剤は、いくつかの方法でこれを実現します。最も一般的な方法は、物理的な障壁を形成することです。つまり、潤滑剤の薄い層で可動部品を分離します。これは、ハイドロプレーニング現象、つまり、車のタイヤが水たまりの中を移動して路面から離れるときに見られる摩擦損失に似ています。これは、流体潤滑と呼ばれます。表面圧力または温度が高い場合、流体膜ははるかに薄くなり、一部の力は潤滑剤を介して表面間で伝達されます。

通常、潤滑剤と表面の摩擦は、潤滑剤のないシステムの表面と表面の摩擦よりもはるかに小さくなります。したがって、潤滑剤を使用すると、システム全体の摩擦が軽減されます。摩擦が軽減されると、熱の発生が減り、摩耗粒子の形成が減り、効率が向上するという利点があります。潤滑剤には、摩擦調整剤と呼ばれる極性 添加剤が含まれている場合があります。これは、流体潤滑に十分なバルク潤滑剤がない場合でも、金属表面に化学的に結合して表面摩擦を軽減します。たとえば、自動車エンジンの始動時にバルブ トレインを保護します。ベース オイル自体も極性があり、その結果、ポリオールエステルオイルのように金属表面に本質的に結合する可能性があります。

ガス潤滑剤と液体潤滑剤はどちらも熱を伝達できます。ただし、液体潤滑剤は比熱容量が高いため、はるかに効果的です。通常、液体潤滑剤はシステムのより冷たい部分との間で絶えず循環しますが、温度調節が必要な場合は、潤滑剤を温めるだけでなく冷やすためにも使用できます。この循環流量によって、任意の時間単位に持ち去られる熱量も決まります。高流量システムは大量の熱を持ち去ることができ、潤滑剤への熱応力を軽減するという追加の利点もあります。したがって、より安価な液体潤滑剤を使用できます。主な欠点は、高流量では通常、より大きなサンプと大きな冷却ユニットが必要になることです。2 番目の欠点は、潤滑剤を熱応力から保護するために流量に依存する高流量システムは、突然のシステム停止時に壊滅的な故障を起こしやすいことです。自動車のオイル冷却ターボチャージャーは典型的な例です。ターボチャージャーは動作中に赤熱し、ターボチャージャーを冷却するオイルは、システム内での滞留時間が非常に短い (つまり、高流量) 場合にのみ生き残ります。システムが突然シャットダウンすると（高速走行後にサービスエリアに車を停めてエンジンを停止する）、ターボチャージャー内のオイルはすぐに酸化し、オイル経路が堆積物で詰まってしまいます。時間が経つと、これらの堆積物がオイル経路を完全に塞いで冷却効果が低下し、その結果、ターボチャージャーが完全に故障し、通常はベアリングが固着します。グリースやペーストなどの非流動性潤滑剤は、そもそも熱の発生を減らすことで貢献しますが、熱伝達には効果的ではありません。

潤滑油循環システムには、システム内に入り込んだ内部で発生した破片や外部の汚染物質をフィルターに運び、除去できるという利点があります。自動車のエンジンなど、定期的に破片や汚染物質が発生する機械の潤滑油には、破片や汚染物質をフィルターに運び、除去するのを助ける洗浄剤や分散剤の添加剤が通常含まれています。時間が経つとフィルターが詰まり、洗浄や交換が必要になるため、車のオイルフィルターはオイル交換と同時に交換することが推奨されています。ギアボックスなどの閉鎖システムでは、フィルターに磁石を追加して、鉄粉を吸着させることもあります。

循環システムでは、オイルはフィルターで浄化できる程度しかきれいにならないことは明らかです。そのため、消費者がさまざまな自動車用フィルターの濾過能力を容易に評価できる業界標準がないのは残念です。自動車用フィルターの品質が悪いと、機械 (エンジン) の寿命が大幅に短くなるだけでなく、システムの効率も低下します。

油圧流体として知られる潤滑剤は、油圧動力伝達における作動流体として使用されます。油圧流体は、世界で生産されるすべての潤滑剤の大部分を占めています。自動変速機のトルク コンバーターは、潤滑剤を使用した動力伝達のもう 1 つの重要な用途です。

潤滑剤は、2 つの部品間の摩擦を減らすことで摩耗を防ぎます。潤滑剤には、摩耗や疲労に対する性能を高めるために、耐摩耗添加剤や極圧添加剤が含まれている場合もあります。

多くの潤滑剤は、腐食や錆を防ぐために、表面と化学結合したり、水分を排除したりする添加剤を使用して配合されています。これにより、2 つの金属表面間の腐食が軽減され、これらの表面間の接触が回避されて浸漬腐食が防止されます。

潤滑剤は毛細管力によって可動部品間の隙間を埋め、隙間を密閉します。この効果を利用してピストンとシャフトを密閉することができます。

• 自動車
  • エンジンオイル
    • ガソリン（ガソリン）エンジンオイル
    • ディーゼルエンジンオイル
  • オートマチックトランスミッションオイル
  • ギアボックスオイル
  • ブレーキフルード
  • 油圧作動油
  • エアコンコンプレッサーオイル
• トラクター（全システムで1つの潤滑剤）
  • ユニバーサルトラクタートランスミッションオイル – UTTO
  • スーパートラクターオイルユニバーサル – STOU – エンジンオイルを含む
• その他のモーター
  • 2ストロークエンジンオイル
• 産業
  • 油圧オイル
  • エアコンプレッサーオイル
  • 食品グレードの潤滑剤
  • ガスコンプレッサーオイル
  • ギアオイル
  • ベアリングおよび循環システムオイル
  • 冷蔵庫コンプレッサーオイル
  • 蒸気およびガスタービン油
• 航空
  • ガスタービンエンジンオイル
  • ピストンエンジンオイル
• 海洋
  • クロスヘッドシリンダーオイル
  • クロスヘッドクランクケースオイル
  • トランクピストンエンジンオイル
  • 船尾管潤滑剤

高温摩耗防止および潤滑に関連して調査されたさらなる現象は、圧縮酸化物層釉薬の形成です。このような釉薬は、圧縮酸化物層を焼結することによって生成されます。このような釉薬は、陶器に見られる非晶質釉薬とは対照的に、結晶性です。必要な高温は、金属表面が互いに滑ることによって生じます (または金属表面がセラミック表面に対して滑ることによって生じます)。酸化物の生成によって金属の接触と付着がなくなるため、摩擦と摩耗が軽減されます。事実上、このような表面は自己潤滑性です。

「釉薬」は酸化物であるため、空気中または酸化環境中の非常に高い温度に耐えることができます。ただし、十分な酸化物の破片を生成するには、まずベースメタル（またはセラミック）が摩耗する必要があるという欠点があります。

潤滑油の約 50% が環境に放出されていると推定されています。^[要出典]一般的な廃棄方法には、リサイクル、焼却、埋め立て、水中への排出などがありますが、少量の潤滑油でも大量の水を汚染する可能性があるため、埋め立てや水中への排出はほとんどの国で厳しく規制されています。ほとんどの規制では、廃棄物に含まれる潤滑油の閾値レベルが認められており、企業は廃水を許容レベルまで処理するために毎年数億ドルを費やしています。^[要出典]

潤滑油を燃料として燃やすことは、通常は発電を目的としていますが、添加物が比較的多く含まれていることを主因として、規制の対象となっています。燃焼により、空気中の汚染物質と、主に重金属化合物などの有毒物質を多く含む灰が発生します。そのため、潤滑油の燃焼は、空気中の汚染物質を除去するための特殊なスクラバーを組み込んだ専門施設で行われ、有毒な灰を処理する許可を得て埋立地にアクセスできます。

残念ながら、潤滑油が直接環境中に排出される原因のほとんどは、一般の人々が潤滑油を地面や排水溝に排出し、ゴミとして直接埋め立て地に捨てることです。その他の直接的な汚染源としては、道路からの流出、事故による流出、自然災害や人為的災害、パイプラインの漏れなどがあります。

濾過技術とプロセスの改善により、リサイクルは実行可能な選択肢になりました（ベースストックと原油の価格が上昇しているため）。通常、さまざまな濾過システムにより、微粒子、添加剤、酸化生成物が除去され、ベースオイルが回収されます。オイルはプロセス中に精製される場合があります。このベースオイルは、バージンベースオイルとほぼ同じように処理されますが、リサイクルオイルは一般に品質が劣っていると考えられているため、使用にはかなりの抵抗があります。使用済み潤滑油から分別真空蒸留されたベースストックは、オールナチュラルオイルよりも優れた特性を備えていますが、費用対効果は多くの要因によって異なります。使用済み潤滑油は、精製所の原料として使用して原油の一部にすることもできます。この場合も、添加剤、すす、摩耗金属がプロセスの重要な触媒を深刻に汚染/不活性化するため、この使用にはかなりの抵抗があります。コストの面から、濾過（すす、添加物の除去）と再精製（蒸留、異性化、水素化分解など）の両方を行うことはできませんが、製油所では貯水槽や鉄道タンクで測定された量の継続的な供給が必要なため、リサイクルの最大の障害は依然として液体の収集です。

場合によっては、使用しなかった潤滑剤を廃棄する必要があります。そのような場合の最善の処置は、潤滑剤を製造元に返却し、新しいバッチの一部として処理してもらうことです。

環境:新品および使用済みの潤滑剤は、主に深刻な水質汚染を引き起こす可能性が高いため、環境に多大な損害を与える可能性があります。さらに、潤滑剤に通常含まれる添加剤は、動植物に有毒である可能性があります。使用済みの液体では、酸化生成物も有毒である可能性があります。潤滑剤の環境への持続性は、ベースとなる液体に大きく依存しますが、非常に有毒な添加剤を使用すると、持続性に悪影響を与える可能性があります。ラノリン潤滑剤は無毒であるため、ユーザーと環境の両方にとって安全な環境に優しい代替品です。

• アメリカ石油協会(API)
• トライボロジストおよび潤滑技術者協会(STLE)
• 国立潤滑グリース協会(NLGI)
• 自動車技術協会(SAE)
• 独立潤滑油製造業者協会(ILMA)
• 欧州自動車工業会(ACEA)
• 日本自動車技術協会（JASO）
• 石油包装協議会（PPC）

• 査読済み
  • ASME トライボロジージャーナル
  • トライボロジーインターナショナル
  • トライボロジートランザクション
  • 合成潤滑剤ジャーナル
  • トライボロジーレター
  • 潤滑科学
• 業界誌
  • トライボロジーと潤滑技術
  • 燃料・潤滑油インターナショナル
  • オイルトレンド
  • 潤滑油とグリース
  • 配合
  • 化学品市場レビュー
  • 機械の潤滑

ウィキメディア・コモンズには、潤滑剤に関連するメディアがあります。

• 潤滑 – 2 つの表面間の摩擦を減らす材料の存在。
• エンジンオイル – 内燃機関の潤滑に使用される潤滑剤
• オイル分析 – オイルベースの潤滑剤の特性と汚染物質の実験室分析
• 浸透性オイル - 低粘度オイル
• トライボロジー – 相対運動する表面の相互作用に関する科学と工学

• API 1509、エンジンオイルライセンスおよび認証システム、第 15 版、2002 年。付録 E、乗用車用モーターオイルおよびディーゼルエンジンオイルの API ベースオイル互換性ガイドライン (改訂版)
• Boughton and Horvath、2003、「使用済み油管理方法の環境評価」、環境科学技術、V38
• IA インマン。超合金の高温滑り摩耗時の摩耗界面における限られた破片保持条件下での圧縮酸化物層の形成、博士論文 (2003)、ノーサンブリア大学ISBN 1-58112-321-3 
• 工場マニュアルと個人的な調査から抽出したメルセデスベンツのオイル推奨事項
• 予備アルカリ度の測定と摩耗依存性の評価
• 使用済みオイルの品質テスト、可能な測定のリスト
• レスリー・R・ラドニック（2003年）。潤滑油添加剤：化学と応用。CRC Press。ISBN 978-0-8247-4740-4。

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• SAE-ISO-AGMA粘度変換チャート
• API 比重と比重のチャート