潤滑油の分類と選択：総合ガイド

I.潤滑油の分類

潤滑剤は、その物理的状態から、液体潤滑剤、半固体潤滑剤、固体潤滑剤、気体潤滑剤の4種類に分類することができる。各カテゴリはユニークな特性を持ち、様々な産業および機械的プロセスにおける用途があります。

1.液体潤滑剤

液体潤滑剤は、産業用途で最も多様かつ広く利用されている潤滑材料のカテゴリーである。このグループには、鉱物性潤滑油、合成潤滑油、バイオベース油（動物性および植物性）、および水性液体が含まれる。

液体潤滑剤の特長は、粘度範囲が広いことで、さまざまな荷重、速度、温度で作動する機械部品に対して的確な選択が可能です。この汎用性により、さまざまな工業プロセスや機械に最適な潤滑を提供することができます。

(1) 鉱物潤滑油：現在市場を支配している鉱物油は、全潤滑油量の約90%を占めている。これらのオイルは、精製された石油ベースの基油に、性能を向上させる添加剤をブレンドして調合される。添加剤には通常、摩耗防止剤、酸化防止剤、腐食防止剤、粘度調整剤などが含まれ、オイルの特性を特定の用途に合わせて調整する。

(2) 合成潤滑油：化学合成によって設計された合成油は、鉱物油に比べて優れた性能を発揮します。熱安定性、耐酸化性、粘度指数が向上し、過酷な運転条件に最適です。一般的なタイプには、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）などがある。

(3) バイオベースオイル：動物性油脂や植物を原料とするこれらの環境に優しい潤滑油は、その生分解性と再生可能性により人気を集めている。菜種油、大豆油、パーム油は一般的な植物性潤滑油であり、マッコウクジラ油（現在はほぼ廃止）は歴史的に精密機器に使用されていた。

(4) 水性流体：水を主成分とする潤滑油で、冷却性や耐火性に優れている。主に2種類に分類される：

• 溶液の種類水に溶けた水溶性化合物（グリコール溶液など）
• エマルジョンタイプ水中油型(O/W)または油中水型(W/O)エマルションで、乳化剤により安定化されている。

2.半固形潤滑剤（グリース）

一般にグリースと呼ばれる半固体潤滑剤は、標準的な温度と圧力で、固体と液体の中間のユニークなコンシステンシーを示す。これらの潤滑剤は、そのコロイド構造によって特徴付けられ、典型的には、液体の潤滑油基油に分散した増ちょう剤で構成されています。

グリースは、様々な産業用途で貴重なものとなるいくつかの重要な特性を持っています：

1. 接着性：金属表面への接着能力は、摩耗や腐食に対する優れた保護を提供する。
2. 耐水性：多くの種類のグリースは耐水性に優れており、湿気や水洗いの環境にさらされる用途に最適です。
3. シーリング機能：グリースは汚染物質に対するバリアとして機能し、ベアリングやその他の機械部品を効果的に密封します。
4. 潤滑の延長：半固体であるため、グリースは液体潤滑剤よりも長くその場所に留まる傾向があり、再塗布の頻度を減らすことができます。
5. 温度安定性：配合にもよりますが、グリースは広い温度範囲で潤滑特性を維持することができます。

グリースのちょう度は、通常、NLGI（National Lubricating Grease Institute：米国潤滑グリース協会）等級システムで分類され、000（非常に軟らかい）から6（非常に硬い）までの等級があります。この分類は、エンジニアが使用温度、負荷、速度などの要因に基づいて特定の用途に適切なグリースを選択するのに役立ちます。

最近のグリース配合には、高負荷用途の極圧（EP）添加剤や寿命延長のための酸化防止剤など、性能特性を高めるための高度な添加剤が組み込まれていることが多い。増ちょう剤（リチウム、カルシウム、ポリウレアなど）と基油（鉱物油または合成油）の選択は、グリースの特性とさまざまな産業用途への適合性に大きく影響します。

3.固体潤滑剤

固体潤滑剤は3つの主なメカニズムで作動し、それぞれがユニークな材料特性を活用して機械システムの摩擦と摩耗を低減します。これらの潤滑剤は、従来の液体潤滑剤が故障する可能性のある過酷な条件下で特に価値を発揮します。

第一のカテゴリーは、境界潤滑を模倣して、摩擦面に粘着性のある低剪断強度の膜を形成する。この膜は基材に強く付着する一方で、摺動面間のせん断を容易にし、摩擦と摩耗を効果的に低減する。例えば、二硫化モリブデン（MoS2）や二硫化タングステン（WS2）などがある。

第二のタイプは、鉛、インジウム、銀などの軟質金属固体潤滑剤である。これらの材料は、その本質的に低いせん断強度と高い可塑性を利用して、効果的な潤滑を提供する。負荷がかかると容易に変形し、可動部品間に薄い保護層を作り、最小限の抵抗で相対運動に対応する。

第3のメカニズムは、グラファイトや六方晶窒化ホウ素に代表される、特徴的な層状結晶構造を持つラメラ固体である。これらの材料は層間結合が弱いため、基底面に平行なせん断が容易である。この構造的特徴により、相手表面に転写膜が形成され、スムーズな相対運動が可能になる。

工業用途では、最も広く採用されている固体潤滑剤がある：

1. 二硫化モリブデン（MoS2）：優れた耐荷重性と低摩擦係数で知られ、特に真空中や不活性雰囲気での使用に適している。
2. グラファイト：水分をインターカレートし、潤滑特性を向上させる能力があるため、常温条件下で高い効果を発揮する。
3. ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）：化学的不活性、広い温度範囲、非常に低い摩擦係数が評価されている。

これらの固体潤滑剤は、航空宇宙、自動車、重工業分野で幅広く使用されており、極端な温度、圧力、環境条件下では液体潤滑剤よりも優れた性能を発揮することが多い。

4.ガス潤滑油

圧縮性流体であるガスは、流体力学と潤滑理論の原則に忠実であるため、液体と同様に特定の条件下で効果的な潤滑剤として機能する。

ガス潤滑剤の利点は多岐にわたる：

1. 摩擦係数が非常に低く、液体潤滑油よりも一桁低いことが多い。
2. 精密機械に不可欠な高速回転での摩擦熱の発生を最小限に抑えます。
3. 運転中の温度上昇はごくわずかで、熱安定性を維持
4. 幅広い環境条件下での柔軟な操作性
5. 極低温から超高温まで幅広い使用温度範囲
6. 汚染リスクゼロ、クリーンルームや食品加工アプリケーションに最適
7. ガスが微粒子を運び去るため、セルフクリーニング性がある。

しかし、ガス潤滑剤にも一定の限界がある：

1. 密度と粘度が低いため、液体潤滑油に比べて耐荷重性が低下する。
2. 限られた適用範囲：通常、30～70 kPaで作動する空気圧機器および100 kPaを超えない静圧軸受に適しています。
3. 薄いガス膜を維持するために、ベアリングの設計と製造に要求される精度が高くなる
4. 高速走行時や負荷変動時に不安定になる可能性

これらの特性により、気体潤滑は、精密計測機器、ターボ機械、特定の航空宇宙部品の空気軸受のような高速、低荷重のアプリケーションに特に適しています。気体潤滑と液体潤滑のどちらを選択するかは、最終的には、速度、負荷、温度、および環境の考慮事項を含むアプリケーションの特定の要件に依存します。

II.潤滑油の組成

1.ベースオイル

ベースオイルは潤滑油の基本成分であり、通常、全容量の80%から95%を占め、性能を向上させる添加剤の担体としての役割を果たす。ベースオイルは、鉱物油と合成油の2種類に大別される。

(1) ミネラルオイル

原油から精製工程を経て得られる鉱油は、わが国を含むほとんどの国で、その分子構造と性質に基づいて3つの主要カテゴリーに分類されている：

• パラフィン系ベースオイル：高い粘度指数、良好な酸化安定性、低い流動点が特徴。
• 中間基油：パラフィン系とナフテン系の中間の性質を持つ。
• ナフテン系ベースオイル：低温流動性に優れ、添加剤の溶解性が高い。

(2) 合成油

合成ベースオイルは、制御された化学反応によって設計され、特定の望ましい特性を持つ分子を生み出す。鉱物油に比べていくつかの利点がある：

• より高い化学純度と分子均一性
• 優れた熱安定性と酸化安定性
• 粘度-温度関係の改善
• 耐用年数の延長と過酷な条件下での性能向上

このような特性により、化学合成油は高性能用途に好まれる選択肢となっており、潤滑油技術の将来の軌跡を表している。

合成油は現在、航空宇宙用途では不可欠であり、産業機械でも急速に普及している。最も一般的な合成基油の種類は以下の通りである：

1. 合成炭化水素（例：ポリアルファオレフィン - PAOs）
2. 合成エステル
3. ポリイソブチレン（PIB）
4. ポリアルキレングリコール（PAG）
5. シリコーンオイル

2.添加物

添加剤は、特定の特性を大幅に向上させたり、新しい特性を導入したりするために潤滑油に配合される、マイナーでありながら重要な成分である。その機能は以下の通りである：

(1) 洗剤。

主に内燃エンジンオイルに使用され、シリンダー壁やピストンリングに付着したラッカーやカーボンを除去する。また、オイル全体にガムやススの粒子を効果的に分散させ、凝集やより大きく有害な可能性のある微粒子の形成を防ぎます。

(2) 抗酸化物質。

これらの化合物は、潤滑油の酸化プロセスを抑制することで、耐用年数を延ばし、長期にわたってその性能特性を維持する。フリーラジカルを中和し、過酸化化合物を分解することによって作用する。

(3) 摩耗防止剤。

これらの添加剤は、金属表面に保護膜を形成することで、オイルの耐摩耗性と耐擦り傷性を向上させる。機器の摩耗を減らし、焼き付きやシンタリングを防止し、高圧・高温用途では特に重要である。

(4）油性剤。

摩擦調整剤としても知られるこれらの添加剤は、金属表面に粘着性のある吸着膜を形成することで、摩擦係数を低減し、潤滑性能を高めます。この膜は、過酷な使用条件下で境界潤滑を提供する。

(5) 金属不活性化剤。

金属表面に不動態皮膜を形成し、オイルが金属に与える腐食性の影響を最小限に抑え、金属イオンによるオイルの触媒酸化を抑制する。これは、銅やその合金を含むシステムでは特に重要である。

(6) 粘度指数向上剤。

これらの高分子添加剤は、オイルの粘度指数を高め、粘熱性能を向上させます。高温で膨張し、オイルが薄くなる自然な傾向を打ち消すため、広い温度範囲にわたって適切な潤滑を維持します。

(7) 防錆剤。

これらの添加剤は金属表面に作用し、水との接触による錆や腐食を防ぐ。水をはじき、金属表面との相互作用を防ぐ保護バリアを形成する。

(8) 流出点降下剤。

低温でのワックス粒子の結晶化を変化させることでオイルの流動点を下げ、オイルの低温流動性とポンプ性能を向上させる。これは、コールドスタート性能や低温環境での運転に不可欠である。

(9) 消泡剤。

これらの添加剤は、表面張力を低下させ、表面の気泡を素早く破裂させることで、オイルの泡立ち傾向を変化させる。これによって空気の巻き込みが防止され、潤滑油の効果が低下したり、酸化が進んだりする。

(10) 乳化剤と抗乳化剤。

乳化剤は、金属加工油のような特定の潤滑油用途に不可欠な、水と均一で安定したエマルジョンを形成するための乳化油に使用される。逆に、抗乳化剤または脱乳化剤は、水と油の迅速な分離を促進し、潤滑油の完全性を維持し、腐食を防止するために、一般的な潤滑油に使用されます。

3.増粘剤

増ちょう剤は潤滑グリースの重要な成分であり、潤滑オイルと根本的に異なります。潤滑グリースは、基油に分散された増ちょう剤と性能を向上させる添加剤からなる複雑なコロイド系です。このユニークな組成により、粘弾性特性を持つ固体または半固体の物質となり、高荷重に耐え、せん断応力下でもその構造を維持することができます。

増ちょう剤は、グリース配合において多面的な役割を果たし、いくつかの重要な特性に大きな影響を与えます：

1. 一貫性：一般的にNLGI（National Lubricating Grease Institute）等級で測定されます。
2. 滴点：グリースが半固体状態から液体状態に移行する温度で、高温用途では非常に重要。
3. 耐水性：増粘剤は、グリースが水をはじき、湿った環境でもその構造を維持する能力に寄与します。
4. 負荷能力：ある種の増ちょう剤、特に石鹸ベースの増ちょう剤は、グリースの高荷重と高圧に耐える能力を高めることができます。
5. せん断安定性：増ちょう剤は、機械的ストレスの下でグリースの粘度を維持する能力に影響を与えます。
6. オイル放出とブリード：増粘剤ネットワークは、潤滑効率に影響を与えるベースオイルの放出速度を制御する。

適切な増ちょう剤の選択は、高速ベアリングから厳しい環境で作動する重工業機械に至るまで、特定の用途に合わせてグリースの特性を調整する上で非常に重要です。

III.潤滑油の選択

1.潤滑油の選択要因

潤滑油の選択は、3つの主な要因によって支配される：機器の実際の運転条件、メーカーの仕様または推奨、およびオイル・サプライヤーのガイドライン。メーカーの推奨は通常、潤滑油選択の基礎となるが、実際の用途における機器固有の負荷、速度、温度条件を考慮することが極めて重要である。

潤滑油を選択する場合、以下の性能指標が重要である：

1. 粘度：

粘度は、潤滑油の分類と等級付けの主要な基準であり、品質の識別と性能の決定において決定的な役割を果たします。機器の潤滑に最適な粘度は、設計仕様または計算データに基づいて決定され、多くの場合、業界標準の粘度チャートと運転条件が参照されます。

2. 注ぎ口：

流動点は、潤滑油の低温流動性を示す間接的な尺度であり、低温環境での保管、輸送、使用に不可欠である。業界のベストプラクティスでは、十分な流動性と潤滑性を確保するために、使用温度を流動点より5～10℃高くするよう定めています。

3. 引火点：

重要な安全指標として、引火点は潤滑油の安全な保管、輸送、使用にとって極めて重要です。一般的な経験則では、引火点を予想される最高使用温度より少なくとも50%高く設定する。例えば、ボトムシェルのオイル温度が120℃を超えない内燃エンジンでは、エンジンオイルの最低引火点は180℃に設定する必要があります。

4. 酸化安定性：

この特性は、高温や酸素の存在下でのオイルの劣化に対する耐性を示し、オイルの耐用年数や長期にわたる性能に影響を与える。

5. 添加物のパッケージ：

最近の潤滑油には、耐摩耗性、耐腐食性、洗浄性など、特定の特性を向上させるための添加剤が含まれていることが多い。適切な添加剤パッケージを選択することは、特定の用途における性能を最適化するために極めて重要である。

6. 互換性：

選択した潤滑剤が、劣化や化学反応を防ぐために、シール、ガスケット、金属表面を含む装置の材料と適合することを確認してください。

潤滑油の性能指標は複雑であり、種類によって大きな違いがあるため、最終的な選択は、機器の運転条件、メーカーの要求事項、およびオイル製品の仕様を合理的に分析して行う必要がある。特に重要な用途や、運転条件が標準的なパラメーターから大きく逸脱している場合には、最終的な決定を下す際に、装置メーカーと潤滑油メーカーの両方に相談することが望ましい。

2.潤滑油の代替

適切な潤滑油の選択は、最適な機器の性能と寿命のために非常に重要です。各潤滑油には、特定の用途に合わせた独自の特性があり、直接の代替は困難です。代替が避けられない場合、潜在的なリスクを最小化するために、以下の包括的なガイドラインを遵守してください：

(1) 同じ潤滑油ファミリーから、または性能特性が密接に一致する代替品を選択する。これにより，シール，ベアリング，その他のシステム構成部品との適合性が確保される。ベースオイルのタイプ、添加剤パッケージ、性能定格（API、ISO、DIN規格など）に特に注意してください。

(2) 粘度の均一性を狭い範囲に保つこと。代替オイルの動粘度は、使用温度において、元のオイルから±15%以上の乖離があってはならない。特に境界潤滑条件下では、十分な膜厚と負荷容量を確保するために、わずかに高い粘度の選択肢を優先すべきである。

(3) 可能であれば，より高品質の代替品を選ぶこと。優れたベースストック（例えば，グループIIIや合成油）や高度な添加剤技術は，酸化安定性の向上，摩耗保護性能の改善，サービス間隔の延長を提供できる。ただし，完全なオイル交換が不可能な場合は，システ ム材料や既存の潤滑油との適合性を確保すること。

(4) 装置の動作環境を総合的に考慮する。周囲温度範囲、潜在的な汚染物質、湿度レベル、負荷変動などの要因は、代替品の選択に影響を及ぼすはずである。極端な温度の用途では、より広い温度範囲にわたって適切な粘度を維持するために、粘度指数（VI）の高い合成潤滑油が望ましい場合がある。

(5) 具体的な推奨事項については、装置製造業者や潤滑油供給業者に相談すること。彼らは、潜在的な適合性の問題、性能のトレードオフ、潤滑油の代替に伴うメンテナンス・スケジュールや手順の必要な修正について、貴重な洞察を提供することができる。

(6) 互換性のない潤滑油の切り替え時には、有害反応や堆積物の形成を防ぐため、徹底したフラッシング手順を実施すること。新しい潤滑油がシステム要件に適合していることを確認するため、交換後は、短い間隔でオイル分析を行うなど、装置の性能を注意深く監視すること。

3.潤滑油の混合

異なるタイプ，ブランド，製造元，状態の潤滑油（新品または中古）を混合することは，不適合や性能劣化の可能性があるため，可能な限り避けるべきである。以下の組み合わせは厳禁である：

(1) 特殊なオイルや用途に特化したオイルは，他の種類のオイルと混合してはならない。

(2) 耐エマルジョン用に調合されたオイルは、非耐エマルジョン用と組み合わせてはならない。

(3) 耐アンモニアタービンオイルは、標準タービンオイルとは別に保管しなければならない。

(4) 亜鉛含有摩耗防止作動油は、シルバーセーフ作動油とは相容れない。

(5) 従来のギヤオイルは、添加剤のパッケージや粘度要件が異なるため、ウォームギヤ潤滑油と混合してはならない。

ただし、特定の状況下では、特定のオイルの組み合わせが許容される場合がある：

(1)同等の品質評価と仕様を有する同一メーカーの製品。

(2)ベースストックおよび添加剤の化学的性質が類似している場合に限り、単一メーカーの異なるブランド製品。

(3) 添加剤を含まない処方で混合された場合、異なるタイプの基油（ただし、最近の潤滑油ではまれである）。

(4) 厳密な混合試験と安定性試験により適合性が実証された油種。

(5) 内燃機関用オイルは、さまざまな添加剤が含まれているが、緊急時に混合される可能性がある。

IV.潤滑グリースの選択

潤滑グリースを選択する場合，その機能，すなわち潤滑，摩擦低減，保護，シールの役割を第一に考慮する必要がある。

摩擦低減グリースの主な要因には、高温・低温に対する耐性、荷重、回転速度などがある。

保護グリースについては，接触する媒体と材料，特に金属と非金属に対する保護特性と安定性に重点を置く。シール用グリースについては，接触する材料と媒体，グリースと材料（特にゴム）との適合性を考慮し，適切な潤滑グリースを選定する。

潤滑グリースの選択は，機械の運転温度，回転速度，負荷の大きさ，使用環境，グリースの供給方法などを考慮する必要がある。一般的な考慮事項としては，次のようなものがある：

(1) 温度。

温度が潤滑グリースに与える影響は大きい。

一般に、潤滑点の使用温度がグリース温度の上限を超えると、グリースの基油の蒸発損失、酸化劣化、コロイド収縮が促進されると考えられている。

温度が10～15℃上昇するごとにグリースの酸化速度は1.5～2倍になり、寿命は半減します。また、潤滑箇所の使用温度も周囲温度によって変化します。

さらに、負荷、速度、連続運転、グリースの過充填などの要因も、潤滑箇所の動作温度に影響を与える可能性がある。

周囲温度が高い環境や高温で使用する機械には、耐熱性の高いグリースを使用する。一般グリースは降下点（温度）より20℃～30℃低い温度で使用してください。

(2) 回転速度。

被潤滑部品の作動速度が速いほど、潤滑グリースが受けるせん断応力は大きくなり、増ちょう剤によって形成された繊維状構造へのダメージが大きくなるため、グリースの寿命が短くなる。

装置の運転速度が2倍になると、潤滑グリースの寿命は元の10分の1になる。

高速で作動する部品は、より多くの熱をより速い速度で発生させるため、潤滑グリースを薄め、グリース漏れを引き起こす可能性があります。したがって、そのような状況では、より厚い潤滑グリースを使用する必要があります。

(3) 負荷。

負荷に応じて適切な潤滑グリースを選択することは、効果的な潤滑を確保するための重要なポイントです。

高負荷の潤滑箇所には，高粘度の基油を使用し，増ちょう剤を多く含み，極圧性と耐摩耗性に優れた潤滑グリースを選ぶ必要がある。潤滑グリースのコーン浸透性は，使用中に扱える荷重に直接関係する。

高負荷条件では、コーン浸透性の小さい（粘度の高い）潤滑グリースを選択する必要があります。

重荷重と衝撃荷重の両方を伴う用途の場合は、二硫化モリブデンを含むような極圧添加剤を含む潤滑グリースを使用する必要があります。

(4) 環境条件。

環境条件とは、空気中の湿度、ほこり、腐食性物質の存在など、潤滑ポイントの作業環境と周囲の媒体を指す。

湿気の多い場所や水と接触する場所では、カルシウム系、リチウム系、複合カルシウム系、複合スルホン酸カルシウム系などの耐水性のある潤滑グリースを選定する必要があります。過酷な条件下では、耐水性の低いナトリウム系グリースではなく、防錆潤滑グリースを使用する。

強い化学媒体が存在する環境では、フッ素系グリースのような化学媒体に強い合成グリースを使用すべきである。

(5) その他の要因。

潤滑グリースを選択する際には，上記の点に加え，費用対効果も考慮する必要がある。

これには、グリースを使用することで潤滑サイクルが延びるかどうか、グリースの追加回数、グリースの消費量、ベアリングの故障率、メンテナンスコストなどを総合的に分析する必要があります。

(6) グリース粘度と用途の関係。

表．グリース粘度に対する適用範囲。

グリース不良の参考指標