スリーボンド・テクニカルニュース
昭和 59 年 7 月 1 日発行

9境界潤滑と潤滑剤
東京工業大学工学部

１．は じ め に清一郎

２．境界潤滑モード

トライボロジーという言葉が摩擦・摩耗および潤滑を総括する工学として用いられるようになって、はや 18年余になるが、トライボロジーとは 相対運動している
互いに作用し合う表面およびこれに関連する実際の諸問
題の科学と技術 と定義され、機械産業および少しでも機械に関係する分野において、重要な研究対象の一つとなっている。特に産業界では最近の著しい機械の発達および機械の高速化などにより、生産速度は増したが、その反面機械の損傷やエネルギー浪費により経費は膨大となり、トライボロジーがますます注目視されるようになっている。特にトライボロジー上の問題を解決することにより年間 8,000 億から 1 兆円もの金額の節約が期待される。
本稿では、特に摩擦面間接触が起こり、種々の複雑な問題が起きやすい境界潤滑を取り上げ、これに関連する基本的事項を解説すると共に、境界潤滑における潤滑剤の役割を概説する。

目
１． はじめに････････････････････････････････････1

広中Stribeck は軸受の摩擦実験から、摩擦係数（f）と潤滑油の粘度〔η〕、荷重〔FN〕および速度〔V〕との関係を、
Stribeck 曲線(図１)で示し、これによって〔I〕境界潤滑〔Boundary Lubrication〕、〔Ⅱ〕弾性流体潤滑〔Elastohydrodynamic Lubrication,EHL〕および混合潤滑〔MixedLubrication〕の潤滑領域をうまく整理している。
流体潤滑では摩擦面は流体によって完全に分離されており〔ｈ＞＞R〕、そのトライボロジー特性は流体の内部摩擦によって支配され、弾性流体潤滑〔ｈ ≈ R〕においては流体の粘性、粘度〜圧力係数、固体表面の弾性率などが主に関係している。これに対して境界潤滑モードは主に次の３点によって特徴づけられる。
(i)摩擦面は微小突起部間で互いに接触している。
(ii)トライボロジー特性は潤滑油の流体力学的効果やバルクのレオロジー特性の影響はあまり受けない。
(iii)トライボロジー特性は摩擦面同士の接触の相互作用お次
６． フリクション・モディフィケーション･････････････････6

２． 境界潤滑モード･･････････････････････････････1
３． 境界潤滑における摩耗････････････････････････3

ケミカルテクノロジーの結晶

４． 潤滑膜の形成････････････････････････････････4シリーズの商品紹介･･････････････････････････････････････7

５． 固体潤滑剤･･････････････････････････････････4

３Ｂグループの活動情報･･････････････････････････････････8

パンドー図１．Stribeck 曲線と潤滑領域

図２．摩擦面の接触モデル（A）

よび摩擦面と潤滑油〔添加剤を含めて〕との相互作用によって支配される。

2

小さいために各所で金属接触が起こっている。摩擦面は不連続な微小突起間接触部の面積〔Aｉ〕の総和〔Ａｉ、n:接すなわち、境界潤滑では図２に示すように、摩擦面間に介在触点の数〕である真実接触面積で接触しており、荷重は見かする潤滑油の油膜厚さ〔ｈ〕が摩擦面の表面粗さ〔R〕よりけの接触面積〔a×b〕よりかなり小さい面積で支えられていることになる。したがって高い摩擦による摩擦面温度の上金属結合部のせん断にも費やされる。したがって、Ｆは次式

昇や摩耗、焼付きなどが生じ、思わぬトラブルが引起こされで示される。

る境界潤滑では、この金属接触を防ぐことによる摩擦・磨耗の軽減が重要なポイントである。すなわち潤滑剤〔潤滑油、添加剤、固体潤滑剤〕による摩擦面での潤滑膜形成が重要と

Ｆ＝Ａ｛aSm + (1−α) Sｌ｝
ここで、Ａは荷重負担面積、αは金属接触の起こっている割合、
Sm は金属結合部のせん断強さ、Sｌは油膜のせん断強さ、なる。
図３〔図２の断面図〕に示すように、油膜破断により金属接触が起こると、摩擦力〔Ｆ〕は油膜のせん断だけでなくＳｌ′はＳｍより非常に小さいから、αを出来るだけ小さくすることが摩擦を減少させることになる。

図３．摩擦面の接触のモデル（Ｂ）

３．境界潤滑における摩耗
油温、雰囲気、摩擦熱の発生、エキソエレクトロン放射などによって、摩擦面では複雑な現象がいくつも起こり、境境界潤滑下で起こる摩耗のタイプは主なものに次のものが界潤滑を難しくしている。
図４に示すように、固体〔1〕と固体〔2〕とはある機械ある。
(i)接着〔凝着〕摩耗〔Adhesive wear〕：摩擦面の微小的条件〔荷重とすべり速度〕で相対運動している。この２固体間の接触部では接着と相手面への相互移着により接突起部の接着によって起こる。
(ⅱ)ざらつき摩耗〔Abrasive wear〕 ：油中の硬い異物粒子や摩耗粒子の切削作用によって起こる。

着摩耗が起こり、また生成摩耗粒子や硬い異物粒子によりざらつき摩耗などが起こる。これに対して〔１〕、〔２〕と(iii)表面疲れ摩耗〔Surface fatigue wear〕 ：くり返し応

潤滑剤〔３〕または雰囲気〔４〕との相互作用〔例えば吸力とトライボ化学作用による表面疲れが原因で起こる。

着、化学反応など〕によって潤滑膜を形成し、摩擦・摩耗(ⅳ)科学磨耗〔Chemical wear〕：摩擦面と潤滑剤分子との科学反応が支配的である。
ほとんどの場合、これらの摩耗は多かれ少なかれ併行して起を軽減し、焼付きを防止する。また一方では化学反応生成物がせん断や溶解によって油中に除去され、科学摩耗が起こる場合がある。

こっているが、機械的条件、潤滑剤や金属材料の種類、3

図４．境界潤滑下における磨耗

４．潤滑膜の形成できない。これに対して耐摩耗剤〔Antiwear agent〕〔例えば金属ジチオホスフェート塩やりん酸エステルなど〕は低〜中荷重、高温条件で、摩擦面との反応膜により摩耗を減潤滑剤が摩擦面に潤滑膜を形成して摩擦・摩耗を軽減し、少させる。高荷重条件では摩擦面の表面凸部が油膜を突き焼付きを防止する、いわゆる境界潤滑性を示す膜形成要因

破って金属接触が起こり、これによる摩擦面温度の上昇、に次のようなものがある。

さらには強いせん断によって、油膜は摩擦面から脱離また(i)粘性油膜の形成。

は除去され、摩擦・摩耗が増大し、ついには焼付きに至り、(ii)物理吸着膜および化学吸着膜の形成。

潤滑不能となる。この極圧潤滑条件において、摩擦〔金属〕(iii)In−situ 潤滑膜の形成。

表面と反応して、その金属よりせん断強度の小さい反応被摩擦面スポットにおける重合体の膜〔例えばフリ膜 を 形 成 し て 、 焼 付 き を 防 止 す る の が 極 圧 剤 〔 Extrem

クション・ポリマー、Friction polymer〕の形成。

pressure agent,EP agent〕である。極圧潤滑で形成される固体潤滑剤膜の形成。

膜は一般には無機の反応膜で、この代表例として有機硫黄(iv)無機反応生成物膜の形成。

化合物による硫化鉄〔酸化鉄も含まれる〕被膜がある。ま(v)固体潤滑剤被膜の形成。

た二硫化モリブデン、グラファイトなどの固体潤滑剤によこれらの潤滑膜は厚さ 20〜30Åの吸着分子膜からμｍ程る被膜も有効である。

(a)(b)度の反応膜まである。油性剤〔Oiliness improver〕は分子中に長い炭化水素鎖と末端に強い極性基をもつ化合物で、摩擦面に物理吸着ないしは化学吸着して潤滑膜を形成し、５．固体潤滑剤金属接触を防止し、摩擦・摩耗を軽減する。代表的なものにステアリン酸などの長鎖脂肪酸や長鎖の脂肪族アルコー
ル、アミンなどがある。油性剤は低〜中荷重条件に適しており、高荷重、高温の厳しい条件ではもはや潤滑性は期待

固体潤滑剤とは摩擦面に付与されて、摩擦や摩耗を軽減したり、表面損傷を防止する目的で、粉末、薄膜または複合材料として使用される固体をいう。固体潤滑剤を大別す
ると表１のようになる。これらのうちで特に多用されている

4のは層状構造〔代表例として、図５にグラファイトの結晶構いずれの方法にしても、固体潤滑剤は油の使用をきらう場造を示す〕を持つ二硫化モリブデンやグラファイトなどがあ合や油に混合しても油が流出した場合でも、摩擦面に被膜る。これらの固体潤滑剤は異方性が強く、特定の結晶面またを形成して固体潤滑を行なう。

は分子間の結合力が弱く、小さい摩擦係数を与える自己潤滑性を持っている。

二硫化モリブデンやグラファイトは、熱安定性に優れた極圧剤として多用されているが〔二硫化モリブデンは空気固体潤滑剤の主な利用法として、次のようなものがあげら

中で約 350℃、真空中で 1200℃、グラファイトは空気中で約 500℃、真空中で 3600℃まで安定〕、これらの添加剤の潤滑れる。
〔１〕油脂類との混合。

性は物理的に固体被膜を形成することによって発揮される(a)

油中分散または懸濁液。

ので、有機硫黄化合物のような化学反応型の極圧剤と異な(b)

グリースへの添加。

り、下地金属を腐食するようなことはない。しかし二硫化〔２〕乾燥被膜(a)(b)

モリブデンは条件によっては、分解して硫黄を放出して腐ビヒクルに分散させた固体潤滑剤を固体表面に食摩耗を引起こしたり、潤滑作用機構が硫黄による硫化鉄コーティングまたはスプレーした後、乾燥する。

被膜形成と考えられる場合もある。

スパッタリング〔Sputtering〕：真空中で二硫化固体潤滑剤の適用法として、もう一つ反応生成被膜があモリブデンなど固体潤滑剤を陰極にし、不活ガスる。これは金属表面にあらかじめ化学反応によって被膜をイオンの衝撃により陰極からたたき出された粒形成する場合と潤滑中に摩擦熱などによって被膜、いわゆる in-situ 膜を形成する方法がある。前者の例としては金子を固体表面に堆積被覆する。
(ｃ)イオンプレーティング〔Ion plating〕：真空中にお属表面を硫化水素で処理し、硫化鉄膜を形成する。

いてめっき材〔金、銀など〕をイオン化し、電場

この表面には脂肪酸などの油性剤が良く吸着し、耐摩耗性で加速して固体表面に金属被覆を蒸着する。

が向上する。後者には硫黄を含む有機モリブデン化合物が〔３〕複合材料：樹脂やセラミックスなどに充填する。

ある。この化合物は摩擦熱によって分解し、摩擦面に二硫〔４〕固体潤滑剤をそのまま摺動面に適用。

化モリブデンの被膜を形成して極圧性を発揮する。

表１．固体潤滑剤の分類

種類

例〔Ⅰ〕金属および無機化合物(b)非層状化合物

二硫化モリブデン、グラファイト、窒化ほう素
PbO, CaF2(c）軟質金属

Pb, Sn, Au Ag, Cu(a)層状構造化合物〔Ⅱ〕有機化合物(a)脂肪、石けん、ワックス類

牛脂、ステアリン酸リチウム、蜜ろう(b)高分子

ポリテトラフロロエチレン（PTFE），ポリイミド(c）属性物質

フタロシアニン

図５．グラファイトの結晶構造

5６．フリクション・モディフィケーション（Friction modification）

ン・モディファイヤーとしては脂肪酸などの油性剤や極圧 剤 、 固 体 潤 滑 剤 (二 硫 化 モ リ ブ デ ン や グ ラ フ ァ イ ト など)があげられる。フリクション・モディフィケーションの一例としてエンジン油への二硫化モリブデン、グラフ石油危機による省資源、省エネルギーが注目されるようになってから久しくなるが、潤滑分野においても省エネルギーの観点から、潤滑剤の改良による低摩擦、低摩耗の研究が盛んに行なわれている。特に石油資源を多量に消費する自動車でも燃費節減に世界的関心が寄せられている。すなわちエンジン油の改良によって、摩擦を低減し、省エネルギーをはかることである。
エンジン油の基油として従来の油より低粘度のものを用いた場合、粘性抵抗が下がることによって動力損失が軽減され、粘度低下による粘性油膜の形成能力の低下はフリクション・モディファイヤ
ー〔Friction modifier、摩擦調整剤：潤滑油を望ましい摩擦特性に調整する添加剤〕の添加によって改善される。フリクショ

ァイトまたは二硫化モリブデン／グラファイトの添加による省燃費、脂肪酸と有機硫黄化合物の併用による低摩擦、低摩耗などがある。
図６は Stribeck 曲線とフリクション・モディフィケーションとの関係を示す。荷重、速度の機械的条件を一定にした場合、流体潤滑領域では粘度低下とともに摩擦係数は減少するが、その反面粘性油膜の形成能力が低下するため、摩擦面接触が起こる高摩擦の境界潤滑状態に陥る危険がある。これをフリクション・モディフィケーシ
ョンで改善すると、図中の点線領域の潤滑が可能となり、低摩擦が維持される。

図６．Stribeck 曲線とフリクション・モディフィケーションとの関係

6ケミカルテクノロジーの結晶

パンドー商品紹介
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パンドーシリーズは、57 年 7 月より発売を開始したルート販売商品です。これで 100 商品になりました。今後とも(1)接着剤(2)シール剤(3)潤滑剤(4)防錆剤(5)洗浄剤(6)コーティング剤(7)補修剤などを主力に、広い分野の商品を用途別に最高の性能と品質を追求しながら商品化を進め、市場のニーズにお応えしてまいりたいと考えております。
パンドーシリーズについてのお問い合わせは当社営業技術員にご用命ください。

ＰＡＮＤＯ２５８Ａ
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パンドー軽油用水分除去・燃費向上剤
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ＰＡＮＤＯ６１４Ｃ

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３Ｂグループの活動情報

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