JP5820283B2

JP5820283B2 - 固体潤滑組成物及びこれを用いた潤滑剤組成物

Info

Publication number: JP5820283B2
Application number: JP2012005944A
Authority: JP
Inventors: 進藤　豊彦; 豊彦進藤
Original assignee: 有限会社コンタミネーション・コントロール・サービス
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: JP2013144758A

Description

本発明は、自動車を始めとする各種輸送用機械、建設用機械、工作機械などの摺動部分に用いられる固体潤滑組成物と、このような固体潤滑組成物を含む潤滑油などの潤滑剤組成物に関するものである。

各種機械装置における軸受面や案内面などの摺動部には、摩擦抵抗や摩耗を軽減させるために、潤滑油やグリースなどの潤滑剤が適用される。
最近では、温暖化など、地球規模での環境問題に対処するため、炭酸ガス排出量の低減を目的として、自動車の燃費向上に対する要求が高くなっており、エンジンや動力伝達機構などの効率向上が可能な潤滑剤の開発が求められている。

例えば、特許文献１には、無定形炭素で被覆されたダイヤモンド粒子の集合体であるダイヤモンド粒子クラスターが潤滑剤中に微細分散されて成る潤滑剤組成物が提案されている。

特開２００２−２６５９６８号公報

しかしながら、上記潤滑剤組成物の潤滑性能は必ずしも十分とは言えず、また、ダイヤモンド粒子クラスターの含有量が多いことと、その表面が無定形炭素で被覆してあることから、コスト上昇が避けられないという問題点があった。
本発明は、従来の潤滑技術や潤滑剤における上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、極めて優れた摩擦低減特性を示し、例えば、自動車用のエンジンオイルやトランスミッションオイルに適用することによって、大幅な燃費向上効果を発揮する固体潤滑組成物と、これを含む潤滑剤組成物を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系固体潤滑材と、二硫化タングステン（ＷＳ_２）のような六方晶固体潤滑材と、ナノダイヤのような硬質粒子とを混合したものを用いることによって上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の固体潤滑組成物は、平均粒径０．１〜６μｍのフッ素系固体潤滑材と、平均粒径０．１〜６μｍの六方晶固体潤滑材と、平均粒径０．０２〜０．１μｍのナノダイヤから成ることを特徴とする。

また、本発明の潤滑剤組成物は、本発明の上記固体潤滑組成物を含んでいることを特徴とし、本発明の潤滑油は、基油１Ｌ中に、本発明の上記固体潤滑組成物を０．５〜３０ｇの割合で含有していることを特徴とする。
そして、本発明の潤滑添加剤は、基油１Ｌ中に、本発明の上記固体潤滑組成物を１５〜１０００ｇの割合で含有していることを特徴としている。

本発明によれば、フッ素系固体潤滑材と六方晶固体潤滑材と硬質粒子から成る粒子を固体潤滑組成物としたため、このまま、あるいは各種潤滑剤組成物として、各種機械装置の摺動部位に適用することによって、極めて優れた摩擦低減性能が発揮され、大幅な省エネルギー効果が得られる。

以下に、本発明の固体潤滑組成物について、その実施形態と共に、さらに具体的かつ詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を意味するものとする。

本発明の固体潤滑組成物は、上記したように、平均粒径０．１〜６μｍのフッ素系固体潤滑材と、平均粒径０．１〜６μｍの六方晶固体潤滑材と、平均粒径０．０２〜０．５μｍの硬質粒子から成るものである。

ここで、上記フッ素系固体潤滑材の具体例としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体、エチレン・四フッ化エチレン共重合体、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体固体などを挙げることができる。

これらフッ素系固体潤滑材は、単独でも、２種以上のものを混合して使用することも可能であるが、これらの中では、市場における価格や入手の容易さなどの点から、ポリテトラフルオロエチレンを好適に用いることができる。
なお、上記フッ素系固体潤滑材の平均粒径としては、上記したように０．１〜６μｍのものを用いることが必要であるが、０．１〜２μｍの範囲内であることがより望ましい。これは、０．１μｍ未満は製造が難しく、６μｍを超えると潤滑効果が低くなることによる。

また、本発明の固体潤滑組成物中の上記フッ素系固体潤滑材の含有量（質量％）としては、９〜９０％であることが望ましい。これは、当該フッ素系固体潤滑材の含有量がこの範囲を外れると、潤滑効果が低くなるという不具合が生じることがあることによる。

六方晶固体潤滑材としては、例えば、グラファイトや窒化ホウ素（ＢＮ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、二硫化錫（ＳｎＳ_２）などを挙げることができる。
これらについても、単独あるいは２種以上を混合して使用することができるが、これらの中では、二硫化モリブデンや二硫化タングステンを単独あるいは混合して用いることが望ましい。二硫化タングステンを単独、あるいは二硫化モリブデンと混合して用いることが特に望ましい。

これら六方晶固体潤滑材の平均粒径としては、０．１μｍ未満は製造が難しく、６μｍを超えると潤滑効果が低くなることから、上記したように０．１〜６μｍのものを用いる必要があるが、０．１〜２μｍの範囲内のものを用いることがより好ましい。

なお、本発明の固体潤滑組成物中に占める上記六方晶固体潤滑材の含有量については、９〜９０％であることが望ましい。これは、当該六方晶固体潤滑材の含有量がこの範囲を外れると、潤滑効果が低くなるという不具合が生じる傾向があることによる。

また、上記硬質粒子の具体例としては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２）などの酸化物粒子、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などのセラミックス粒子、タングステン（Ｗ）やケイ素（Ｓｉ）等の金属粒子、さらにはナノダイヤやカーボンフラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素系粒子を用いることができる。これらの中では、ナノダイヤが好適に用いられる。これら硬質粒子についても、単独あるいは２種以上を混ぜ合わせて使用することができる。

そして、これら硬質粒子の平均粒径としては、０．０２μｍ未満は製造が難しく、０．５μｍを超えると潤滑効果が低くなることから、上記のように０．０２〜０．５μｍのものを用いる必要があるが、０．０２〜０．１μｍの範囲内であることがより望ましい。

本発明の固体潤滑組成物中に占める上記硬質粒子の含有量については、０．１〜９％であることが望ましい。すなわち、これら硬質粒子の含有量がこの範囲を外れると、潤滑効果が低くなるという不具合が生じる可能性があることによる。

なお、本発明において用いるナノダイヤとしては、粒径が上記したように０．０２〜０．５μｍであれば、特殊なナノダイヤである必要はなく、高圧合成法、気相合成法など製法にかかわらず使用することができる。

また、本発明の固体潤滑組成物中に占める上記フッ素系固体潤滑材、六方晶固体潤滑材及び硬質粒子の割合としては、それぞれ質量比で、９〜９０％、９〜９０％及び０．１〜９％であることが望ましい。

本発明の固体潤滑組成物は、フッ素系固体潤滑材、六方晶固体潤滑材及び硬質粒子の３成分から成る混合粒子、すなわち粉体の状態でも使用することができるが、他の粉体や水、油などの分散媒に混合することにより、潤滑剤組成物として使用することができる。
例えば、基油に混合することによって潤滑油として使用することができる。また、このとき、基油を増稠剤で固化させればグリースとして使用することができる。

本発明の固体潤滑組成物を潤滑油として使用する場合には、基油１Ｌに対して、上記固体潤滑組成物を０．５〜３０ｇの割合で添加することが望ましい。
このような潤滑油の基油としては、鉱油、合成油、油脂及びこれらの混合物など、潤滑油組成物の基油として通常使用されるものであれば、特に限定されることなく使用することができる。なお、これらは単独でも、２種以上を混合したものでも使用することができる。

鉱油は、石油の潤滑油留分を精製したものであり、パラフィン系又はナフテン系等の油やノルマルパラフィン等を使用することができる。
一方、合成油としては、例えば、ポリ−α−オレフィン、ポリ−α−オレフィンの水素化物、イソブテンオリゴマー、イソブテンオリゴマーの水素化物、イソパラフィン、アルキルベンゼン、アルキルナフタレン、ジエステル、ポリオールエステル、ポリブテン、ポリオキシアルキレングリコール、ジアルキルジフェニルエーテル、ポリフェニルエーテル等を挙げることができる。これらの中では、ポリ−α−オレフインや、その水素化物を用いることが好ましい。

また、潤滑油には、種々の添加剤、例えば酸化防止剤、腐食防止剤、防錆剤、極圧剤、清浄分散剤、粘度指数向上剤、流動点降下剤、摩耗防止剤、消泡剤などを必要に応じて添加することができる。

これら添加剤としては、特に限定されず、従来から用いられているものを広く適用することができる。
例えば、腐食防止剤としては、ベンゾトリアゾールやその誘導体、ジチオリン酸亜鉛など、防錆剤としては、カルボン酸、リン酸塩、アルコール、スルホネート、エステルなどを挙げることができる。

また、極圧剤としては、例えば有機硫黄、リン化合物、有機ハロゲン化合物など、清浄剤としては、バリウムスルフォネート、カルシウムスルフォネート、マグネシウムフェネート、カルシウムサリシレート、マグネシウムサリシレートなど、分散剤としては、コハク酸イミド、コハク酸エステル、ベンジルアミンなどをそれぞれ挙げることができる。

粘度指数向上剤としては、例えばポリメタクリレート、オレフィンコポリマー、スチレンオレフィンコポリマー、ポリイソブチレンなど、流動点降下剤としては、アルキル化芳香族化合物、アルキル化芳香族化合物、エチレン・酢酸ビニル共重合体、ポリメタクリレートなどが例示される。

そして、摩耗防止剤としては、リン酸エステル、ジチオリン酸亜鉛など、さらに消泡剤としては、ポリメチルジロキサン、金属石鹸、脂肪酸エステル、リン酸エステル、ポリアルキレングリコールなどを挙げることができる。

本発明の固体潤滑組成物は、既存の潤滑剤、例えばエンジンオイルや、ギヤオイル、トランスミッションオイル、機械油などに添加することもできる。この場合、他の添加物にもよるが、概ね上記の割合となるように混合することが望ましい。

また、このような既存潤滑剤への添加に際しては、上記固体潤滑組成物を粉体の状態で添加することも可能であるが、偏在させることなく、短時間でより良好な状態に分散させるには、基油中に当該固体潤滑組成物を予め高濃度に混合して分散させた状態の潤滑添加剤を混ぜ込むようにすることが望ましい。

このような潤滑添加剤における固体潤滑組成物の含有量としては、添加剤自体の混合量を調整することもできることから、特に限定されるものではないが、希釈率や混合作業の簡便性の観点から、基油１Ｌに対して、１５〜１０００ｇの程度の割合で添加することが望ましい。

以下、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明するが、本発明はこのような実施例によって何ら限定されないことは言うまでもない。

実施例１
〔固体潤滑剤組成物の調製〕
（１）発明例１〜９
フッ素系固体潤滑材として、株式会社喜多村製のポリフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、平均粒径：０．３μｍ及び５μｍ）、六方晶系固体潤滑材として、日本潤滑材株式会社製の二硫化タングステン（ＷＳ_２、平均粒径：０．２μｍ）及び株式会社ダイゾーが販売している二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２、平均粒径：０．２μｍ）、硬質粒子として、株式会社ニューメタルスエンドケミカルスコーポレーションが販売しているナノダイヤ（平均粒径：０．０４μｍ）をそれぞれ表１に示すような割合（質量％）に混合して、発明例１〜９の固体潤滑組成物を得た。

（２）比較例１〜３
上記フッ素系固体潤滑材、六方晶系固体潤滑材及び硬質粒子のうち、表１に併せて示すように、それぞれ１種を除いた２成分系の組成物を調整し、比較例１〜３の固体潤滑組成物とした。

〔潤滑油の調製〕
潤滑油基油として、ポリ−α−オレフィン（ＰＡＯ）を使用し、この基油１００ｍＬに、上記により調製した発明例１〜９、比較例１〜３の固体潤滑組成物をそれぞれ０．３８５ｇ添加（基油１Ｌに対しては、３．８５ｇ）し、よく攪拌することによって、それぞれ発明例及び比較例の潤滑油を得た。

〔潤滑性の評価〕
摩擦係数試験装置（ＣＳＭ社製トライボメーター）を使用した。
そして、基材（Ｓ４５Ｃ材製、２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ厚）のラップ研磨面に、マイクロピペットにより、上記により調製した潤滑油をそれぞれ１０μＬ滴下し、ＳＵＪ２材から成る９ｍｍ径の鋼球を相手材として、半径１．５ｍｍ、摩擦速度８．８５ｍｍ／ｓ、荷重５Ｎ、測定環境１３０℃、基材温度８０℃の条件化で、それぞれ摩擦係数を測定した。その結果を表１に合わせて示す。

なお、表中における評価基準は次のとおりである。
◎：９００秒経過した時の摩擦係数が０．１以下のもの
○：９００秒経過した時の摩擦係数が０．１を超え、０．３以下のもの
×：１２０秒以内に摩擦係数が０．５以上のもの

実施例２（実車による燃費試験１）
富士重工業株式会社製スバルステーションワゴンの燃費を調査したところ、納車時から１００ｋｍ走行したときの平均燃費は６．９ｋｍ／Ｌであった。

次に、上記車両の燃費計をリセットしたのち、エンジンオイル４Ｌに対して、上記実施例１で調製した発明例１の固体潤滑組成物を９．２１ｇ添加（１Ｌに対しては２．３０ｇ）し、２５００ｋｍ走行した時の平均燃費は１０．４ｋｍ／Ｌであり、大幅に改善されることが確認された。

実施例３（実車による燃費試験２）
トヨタ自動車工業株式会社製プリウスの燃費を調査したところ、納車時から１００ｋｍ走行したときの平均燃費は１９．５ｋｍ／Ｌであった。

次に、上記車両の燃費計をリセットしたのち、エンジンオイル４Ｌに対して、上記実施例１で調製した発明例１の固体潤滑組成物を１５．３５ｇ添加（１Ｌに対しては３．８４ｇ）し、２５００ｋｍ走行した時の平均燃費は２２．５ｋｍ／Ｌであった。

Claims

平均粒径０．１〜６μｍのフッ素系固体潤滑材と、平均粒径０．１〜６μｍの六方晶固体潤滑材と、平均粒径０．０２〜０．１μｍのナノダイヤから成ることを特徴とする固体潤滑組成物。
フッ素系固体潤滑材がポリテトラフルオロエチレン、六方晶固体潤滑材が二硫化モリブデン及び／又は二硫化タングステンであることを特徴とする請求項１に記載の固体潤滑組成物。
質量比で、フッ素系固体潤滑材を９〜９０％、六方晶固体潤滑材を９〜９０％、ナノダイヤを０．１〜９％含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体潤滑組成物。
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の固体潤滑組成物を含有することを特徴とする潤滑剤組成物。
基油１Ｌに対して、請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の固体潤滑組成物を０．５〜３０ｇの割合で含有することを特徴とする潤滑油。
基油１Ｌに対して、請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の固体潤滑組成物を１５〜１０００ｇの割合で含有することを特徴とする潤滑添加剤。