ドライ潤滑剤

乾式潤滑剤または固体潤滑剤は、固体相であるにもかかわらず、液体の油媒体を必要とせずに、互いに滑る2つの表面間の摩擦を低減できる材料です。 ^[1]

乾式潤滑剤の主な 2 つはグラファイトと二硫化モリブデンです。これらは、液体や油性潤滑剤よりも高い温度で潤滑します。乾式潤滑剤は、ロックや乾式潤滑ベアリングなどの用途でよく使用されます。このような材料は、酸化環境では最高 350 °C (662 °F) まで、還元/非酸化環境ではさらに高い温度で動作できます (二硫化モリブデンは最高 1100 °C、2012 °F)。ほとんどの乾式潤滑剤の低摩擦特性は、分子レベルの層状構造と層間の弱い結合によるものです。このような層は、最小限の力で互いに対してスライドできるため、低摩擦特性が得られます。

しかし、層状結晶構造だけでは潤滑には必ずしも十分ではありません。実際、非層状構造を持つ固体の中には、いくつかの用途で乾式潤滑剤として十分に機能するものがいくつかあります。これらには、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が含まれます。^[2]

金属摺動システムにおいて数百℃で形成される圧縮酸化物釉薬層の低摩擦特性には、限られた関心が寄せられてきました。しかし、その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るとされています。

最も一般的に使用される 4 つの固体潤滑剤は次のとおりです。

1. グラファイト。空気圧縮機、食品産業、鉄道の線路ジョイント、金管楽器のバルブ、ピアノのアクション、オープンギア、ボールベアリング、機械工場などで使用されます。また、液体潤滑剤を使用すると粒子がロックに詰まって問題を悪化させるため、ロックの潤滑にも非常によく使用されます。砂の多い環境では、銃器の内部可動部品を潤滑するためによく使用されます。
2. 二硫化モリブデン（MoS ₂）。CVジョイントや宇宙船に使用されています。^[3]真空中でも潤滑します。
3. 六方晶窒化ホウ素。宇宙船に使用されます。「ホワイトグラファイト」とも呼ばれます。
4. 二硫化タングステン。二硫化モリブデンと同様の用途がありますが、高価なため、一部の乾式潤滑ベアリングにのみ使用されています。

乾式潤滑剤として使用される主な材料はグラファイトと二硫化モリブデンです。

多くの固体の潤滑性は、ラメラ構造に起因します。ラメラは、運動方向の表面と平行に配向し、互いに容易に滑るため、摩擦が少なくなり、高負荷下でも摺動部品間の接触を防ぎます。大きな粒子は低速の粗い表面で最適に機能し、細かい粒子は高速の滑らかな表面で最適に機能します。これらの材料は、乾燥粉末の形で液体潤滑剤に添加され、特性を変更または強化することができます。

有用な固体潤滑剤となる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あります。

固体潤滑剤は、次のような従来の潤滑剤では不十分な状況で役立ちます。

• 往復運動。典型的な用途は、摩耗を最小限に抑えるために潤滑を必要とするスライドまたは往復運動です。たとえば、ギアやチェーンの潤滑などです。液体潤滑剤は漏れますが、固体潤滑剤は漏れないので、フレッティング、腐食、かじりを防止できます。
• セラミック。別の用途としては、ポリマーやセラミックなどの特定の表面に対して化学的に活性な潤滑剤添加剤が見つからない場合が挙げられます。
• 高温。グラファイトと MoS _{2 は}、高温および酸化雰囲気環境で潤滑剤として機能しますが、通常、液体潤滑剤は耐えられません。典型的な用途は、高温に長時間さらされた後でも簡単に締めたり緩めたりできる留め具です。
• 極度の接触圧力。ラメラ構造は滑り面と平行に配向し、低いせん断応力と組み合わされた高い支持荷重をもたらします。塑性変形を伴う金属成形のほとんどの用途では、固体潤滑剤が使用されます。

グラファイトは、構造的には六角形の配向を持つ多環式炭素原子の平面で構成されています。平面間の炭素原子の距離が長いため、結合は弱くなります。

グラファイトは空気中の潤滑に最適です。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まで低下します。水蒸気は潤滑の要件であるため、グラファイトは真空中では効果がありません。^[4]グラファイトは導電性があるため、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℃までの高温で継続的に効果を発揮し、はるか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、天然と合成の 2 つの主なグループに分けられます。

• 合成黒鉛は高温焼結製品であり、炭素の純度が高い（99.5〜99.9%）のが特徴です。一次グレードの合成黒鉛は、高品質の天然黒鉛の優れた潤滑性に近づくことができます。
• 天然グラファイトは採掘によって得られます。天然グラファイトの品質は、鉱石の品質と採掘後の処理によって異なります。最終製品は、炭素（高級グラファイト 96〜98% 炭素）、硫黄、SiO _{2 、灰分を含むグラファイトです。炭素含有量が高く、}グラファイト化度が高いほど（高結晶性）、潤滑性と耐酸化性が向上します。

わずかな潤滑性のみが必要で、より断熱性の高いコーティングが必要な用途では、アモルファスグラファイト (炭素 80%) が選択されます。

MoS _{2 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精製されます。グラファイトと同様に、MoS _{2 は}六方晶構造を持ち、せん断されやすいという固有の特性を持っています。MoS _{2 の}潤滑性能はグラファイトを上回ることが多く、真空中でも効果的ですが、グラファイトはそうではありません。MoS _{2の温度限界は 400 °C で、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る必要がある重要なパラメータです。粒子が大きいと、MoS 2}内の不純物による摩耗で過度の磨耗が生じる可能性があり、粒子が小さいと酸化が加速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。潤滑剤の最も興味深い特徴は、酸化雰囲気での使用温度が 1200 °C という高温耐性です。さらに、窒化ホウ素は高い熱伝導率を持っています。(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、潤滑油やグリースの添加剤として広く使用されています。PTFEの表面エネルギーが低いため、油や水中で PTFE の安定した非凝集分散液を生成することができます。他の固体潤滑剤とは異なり、PTFE は層状構造ではありません。PTFE のマクロ分子は、ラメラ構造と同様に、互いに簡単に滑ります。PTFE は、静摩擦係数と動摩擦係数が最も小さく、0.04 までです。動作温度は約 260 °C に制限されています。

固体潤滑剤を添加剤として油、水、またはグリースに分散させるのが最も一般的に使用されます。組み立て後に潤滑できない部品には、ドライフィルム潤滑剤をスプレーすることができます。溶剤が蒸発した後、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、高負荷で動きの遅い部品の組み立てと潤滑に使用される、固体潤滑剤を高濃度に含むグリースのような潤滑剤です。黒色のペーストには、通常 MoS _{2 が}含まれています。500 °C を超える高温の場合、ペーストは金属粉末をベースにして構成され、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ぎます。^{[引用が必要]}

乾式粉末タンブリングは効果的な塗布方法です。基材を事前にリン酸処理することで、接着性を向上させることができます。自由粉末の使用には限界があります。これは、固体粒子の基材への接着​​力が、通常、連続塗布で耐用年数を確保するには不十分だからです。ただし、慣らし運転条件や金属成形プロセスを改善するには、改善されたスライド条件を短期間維持するだけで十分です。^{[引用が必要]}

アンチフリクション（AF）コーティングは、モリブデン二硫化物、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すると、これらの「滑りやすい」または乾式潤滑剤は金属表面に結合し、濃い灰色の固体フィルムを形成します。多くの乾式フィルム潤滑剤には、優れた腐食防止効果を発揮する特殊な防錆剤が含まれています。ほとんどの長持ちするフィルムは結合型ですが、それでもスライド距離がそれほど長くない用途に限定されています。AFコーティングは、フレッティングやかじりが問題となる場所（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）、動作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所、スムーズな動作が求められる場所（ピストン、カムシャフト）、クリーンな動作が求められる場所（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を集めません）、および部品を長期間保管する可能性がある場所に適用されます。^[5]

自己潤滑複合材: PTFE、グラファイト、MoS ₂などの固体潤滑剤、および他の摩擦防止および耐摩耗添加剤は、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よくあります。たとえば、 MoS _{2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ます。固体潤滑剤は、プラスチックに配合されて、「自己潤滑」または「内部潤滑」熱可塑性複合材を形成します。たとえば、プラスチックに配合された PTFE 粒子は、合わせ面上に PTFE フィルムを形成し、摩擦と摩耗を軽減します。ナイロンに配合されたMoS ₂は、摩耗、摩擦、およびスティック スリップを軽減します。さらに、非常に微細な結晶構造に影響を与える核形成剤として機能します。グラファイト潤滑熱可塑性樹脂の主な用途は、水性環境で動作するアプリケーションです。^{[引用が必要]}

• Sliney, Harnold E,固体潤滑剤、NASA 技術覚書 TM-103803、1991 年。hdl.handle.net/2060/19910013083 で入手可能。

^{[1] [2]}