JP2016017101A - 潤滑剤、摺動部材および摺動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト増加を抑制でき、かつ低摩擦特性および防錆特性に優れた潤滑剤、摺動部材および摺動機構を提供する。【解決手段】摺動機構１は、摺動面２０を有する板状の摺動部材２と、摺動部材２の摺動面２０と摺動する対向面３０を有する筒状の相手部材３と、を備える。摺動部材２は、高力黄銅系合金等の金属で形成されたベース材４と、ベース材４に埋め込まれた潤滑剤５と、を備える。摺動部材２の摺動面２０を構成するベース材４の表面４０には、潤滑剤５を配置するための複数の挿入孔４１が相手部材３の対向面３０との摺接位置に等間隔で形成される。潤滑剤５は、多孔質体として形成された黒鉛であり、潤滑油およびイオン液体が含浸されている。相手部材３は、炭素鋼等の金属で形成され、軸心Ｏ回りに回転可能に取り付けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、潤滑剤に関し、特に軸受等の摺動部材への利用に好適な潤滑剤に関する。

近年、新たな材料としてイオン液体が注目されている。イオン液体は、有機カチオンとアニオンとがイオン結合して形成された化合物であり、ＮａＣｌ等のイオン結晶に比べてイオン分子構造が大きく、イオン間距離が長く、かつ電荷密度が小さいため、イオン同士の結合力が弱い。このため、融点が低く、常温下（１００度以下）において、液体状態で存在する。イオン液体は、熱的、化学的、および電気化学的に安定性に優れ、低揮発性、難燃性、高熱伝導性、高通電性等の特徴を備えており、電気二重層キャパシタ、燃料電池等の電解質、リチウムイオン電池等の添加剤、有機および無機合成の反応溶媒、潤滑剤等の様々な用途への適用が期待されている。例えば、特許文献１には、イオン液体を含む潤滑油が開示されている。

国際公開第２００５／０３５７０２号

イオン液体は、潤滑油に比べて非常に高価である。このため、イオン液体を潤滑剤として単体で使用したり、あるいは潤滑油にイオン液体を多量に含ませたりすると、その分コストが高くなる。また、イオン液体は、その多くがハロゲンを含むため、摺動面である金属表面に多量のイオン液体を含んだ潤滑油を塗布すると、イオン液体中のハロゲンを含むイオンが摩擦によって分解され、その影響により金属表面が短期間で錆びてしまう。したがって、イオン液体は、潤滑油に少量含ませることが好ましい。しかし、イオン液体は、油との親和性が低く、潤滑油に溶解（混合）しない。このため、摺動面に少量のイオン液体を含んだ潤滑油を塗布した場合、潤滑油から分離したイオン液体が摺動面上に一様に分布しないか、あるいは存在しない場合が生じ、イオン液体の効果を十分に発揮させることができない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト増加を抑制でき、かつ低摩擦特性および防錆特性に優れた潤滑剤、摺動部材および摺動機構を提供することにある。

本発明者は、イオン液体と黒鉛との親和性が高いことを見出した。これにより、イオン液体と黒鉛との混合物を、摺動面に潤滑油とともに存在させて、摺動面に良好に作用させることができた。また、潤滑油の使用量に比べて少量のイオン液体であっても、低摩擦特性の潤滑剤を実現できることを見出した。このため、イオン液体の使用量を抑えることで、コスト増加を抑制でき、かつ低摩擦特性、耐摩耗性および防錆特性に優れた潤滑剤を実現できた。

ここで、多孔質体として形成された黒鉛を用い、潤滑油およびイオン液体をこの黒鉛の多孔質体に含浸させてもよい。この場合、摺動面を備えたベース材にこの黒鉛の多孔質体を埋め込んで、多孔質体の一部を摺動面から露出させてもよい。なお、ベース材に高力黄銅系合金を用いる場合、このベース材の摺動面と摺動する対向面を備えた相手部材に炭素鋼を用いるとよい。

また、多孔質体の粉体として形成された黒鉛を用い、イオン液体をこの黒鉛の多孔質体の粉体に含浸させ、さらに、このイオン液体が含浸された黒鉛の多孔質体の粉体を潤滑油に添加してもよい。

本発明によれば、潤滑油およびイオン液体に黒鉛を加えることにより、潤滑油の量に比べて少量のイオン液体であっても、低摩擦特性を実現できるため、イオン液体の使用量を抑えることにより、コスト増加を抑制でき、かつ低摩擦特性、耐摩耗性および防錆特性に優れた潤滑剤、摺動部材および摺動機構を提供できる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る摺動機構１の概略構成図である。 図２は、表１に示す条件にて、化１〜化８に示すイオン液体をそれぞれ潤滑剤５に含浸させた試験体における摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摩擦係数の測定結果を示す図である。 図３は、図２に摩擦係数の測定結果を示した各試験体における摺動部材２の摺動面２０の比摩耗量を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る摺動機構１の概略構成図である。

図示するように、本実施の形態に係る摺動機構１は、摺動面２０を有する板状の摺動部材２と、摺動部材２の摺動面２０と摺動する対向面３０を有する筒状の相手部材３と、を備えている。

摺動部材２は、高力黄銅系合金（例えばＣＡＣ３０４）等の金属で形成されたベース材４と、ベース材４に埋め込まれた円柱形状の潤滑剤５と、を備えている。摺動部材２の摺動面２０を構成するベース材４の表面４０には、円柱形状の潤滑剤５を配置するための複数の挿入孔４１が相手部材３の対向面３０との摺接位置に等間隔で形成されている。

潤滑剤５は、一方の端面５０がベース材４の表面４０から露出するように、ベース材４の表面４０に形成された挿入孔４１に挿入されている。また、潤滑剤５は、多孔質体として円柱状に形成された黒鉛であり、潤滑油およびイオン液体が含浸されている。

相手部材３の対向面３０は、相手部材３の一方の端面３１に形成される。また、相手部材３は、炭素鋼（例えばＳ４５Ｃ）等の金属で形成され、軸心Ｏ回りに回転可能に取り付けられている。これにより、相手部材３は、対向面３０を摺動部材２の摺動面２０に接触させながら、摺動部材２に対して相対的に回転可能に配置される。

本発明者は、潤滑剤５に含浸させるイオン液体毎に、以下の表１に示す条件において、軸心Ｏ方向の荷重Ｎを相手部材３の他方の端面３２に加えて、相手部材３の対向面３０を摺動材２の摺動面２０に押し当てながら、軸心Ｏ回りの回転方向Ｒに相手部材３を回転させ、そのときの摺動部材２の回転方向Ｒにおけるトルクを、図示していないロードセルで検出し、この検出トルクから、摺動面２０および対向面３０間の摩擦係数を測定する試験を行った。また、試験後に、摺動面２０の矢印Ａにおける摩耗痕深さ（摩耗痕断面曲線）を測定した。なお、摺動部材２の摺動面２０は、フライス加工後、ハンドラッピングによる研磨仕上げとし、相手部材３の対向面３０は、研削加工仕上げとした。

なお、潤滑剤５に含浸させる潤滑油として、工業用潤滑油を用い、また、潤滑剤５に含浸させるイオン液体として、［Ｂｍｉｍ］［ＢＦ４］、［Ｂｍｉｍ］［ＰＦ６］、［Ｈｍｉｍ］［ＰＦ６］、［Ｂｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［Ｏｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］、［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］、［Ｃ_１０ｍｉｍ］［ＢＦ４］を用いた。

ここで、［Ｂｍｉｍ］［ＢＦ４］は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、テトラフルオロボラートをアニオンとするイオン液体であり、以下の化１に示す構造を有する。

［Ｂｍｉｍ］［ＰＦ６］は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ヘキサフルオロホスフェートをアニオンとするイオン液体であり、以下の化２に示す構造を有する。

［Ｈｍｉｍ］［ＰＦ６］は、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ヘキサフルオロホスフェートをアニオンとするイオン液体であり、以下の化３に示す構造を有する。

［Ｂｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化４に示す構造を有する。

［Ｏｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］は、１−オクチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化５に示す構造を有する。

［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］は、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化６に示す構造を有する。

［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］は、メチルトリオクチルアンモニウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化７に示す構造を有する。

［Ｃ_１０ｍｉｍ］［ＢＦ４］は、１−デチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、テトラフルオロボラートをアニオンとするイオン液体であり、以下の化８に示す構造を有する。

なお、化４〜化７において、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻は、以下の化９に示す構造を有している。

図２は、表１に示す条件にて、上述の化１〜化８に示すイオン液体をそれぞれ潤滑剤５に含浸させた試験体における摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摩擦係数の測定結果を示している。なお、比較対象として、潤滑剤５に潤滑油のみを含浸させた試験体における摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摩擦係数の測定結果も示している。

ここで、グラフ６１は、イオン液体に［Ｂｍｉｍ］［ＢＦ４］を用いた試験体の測定結果を示しており、グラフ６２は、イオン液体に［Ｂｍｉｍ］［ＰＦ６］を用いた試験体の測定結果を示しており、グラフ６３は、イオン液体に［Ｈｍｉｍ］［ＰＦ６］を用いた試験体の測定結果を示しており、グラフ６４は、イオン液体に［Ｂｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体の測定結果を示しており、グラフ６５は、イオン液体に［Ｏｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体の測定結果を示しており、グラフ６６は、イオン液体に［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体の測定結果を示しており、グラフ６７は、イオン液体に［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体の測定結果を示しており、グラフ６８は、イオン液体に［Ｃ_１０ｍｉｍ］［ＢＦ４］を用いた試験体の測定結果を示している。また、グラフ６９は、イオン液体なし（潤滑油のみ）の試験体の測定結果を示している。

なお、滑り距離が５７００ｍに到達するか、あるいは摩擦係数が１．８を超えた時点で試験を終了している。図示するように、［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］の試験体は、滑り距離２２００ｍ付近で摩擦係数が急激に上昇して１．８を超えたため試験を終了した（グラフ６６）。

図示するように、［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体を除き、いずれのイオン液体を用いた試験体も、潤滑剤５のイオン液体含浸量が潤滑油含浸量に比べて極めて少量にもかかわらず（潤滑油約０．０２５〜０．０３０ｇに対してイオン液体０．００４〜０．００７ｇ程度）、イオン液体なしの試験体に比べて摩擦係数の最大値が小さくなっており、また、滑り距離が５７００ｍに到達するまで摩擦係数が急激に変化することもなく、長期間に亘り良好な結果（低摩擦特性）を得られた。特に、［Ｏｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体は、長期間に亘り（滑り距離１０００ｍ付近から試験終了まで）、摩擦係数が０．０１以下となり、極めて優れた低摩擦特定を得ることができた。また、［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体も、試験終了の原因となる摩擦係数の急激な上昇が始まる前においては、イオン液体なしの試験体に比べて摩擦係数の最大値が小さく、かつその変化も小さくなっており、良好な結果を得られた。

図３は、図２に摩擦係数の測定結果を示した各試験体における摺動部材２の摺動面２０の比摩耗量を示している。各試験体の比摩耗量は、試験終了後に、摺動面２０の矢印Ａにおける摩耗痕深さを測定し、その平均値に摩耗痕面積（ベース部材４の表面４０と相手部材３の対向面３０との接触面積）を掛けて摩耗体積を求め、さらにこの摩耗体積を荷重Ｎおよび試験終了時における滑り距離で割ることにより求めた。

ここで、グラフ７１は、イオン液体に［Ｂｍｉｍ］［ＢＦ４］を用いた試験体の比摩耗量を示しており、グラフ７２は、イオン液体に［Ｂｍｉｍ］［ＰＦ６］を用いた試験体の比摩耗量を示しており、グラフ７３は、イオン液体に［Ｈｍｉｍ］［ＰＦ６］を用いた試験体の比摩耗量を示しており、グラフ７４は、イオン液体に［Ｂｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体の比摩耗量を示しており、グラフ７５は、イオン液体に［Ｏｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体の比摩耗量を示しており、グラフ７６は、イオン液体に［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体の比摩耗量を示しており、グラフ７７は、イオン液体に［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体の比摩耗量を示しており、グラフ７８は、イオン液体に［Ｃ_１０ｍｉｍ］［ＢＦ４］を用いた試験体の比摩耗量を示している。また、グラフ７９は、イオン液体なし（潤滑油のみ）の試験体の比摩耗量を示している。

図示するように、［Ｂｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体を除き、いずれのイオン液体を用いた試験体も、潤滑剤５のイオン液体含浸量が潤滑油含浸量に比べて極めて少量にもかかわらず（潤滑油約０．０２５〜０．０３０ｇに対してイオン液体０．００４〜０．００７ｇ程度）、イオン液体なしの試験体に比べて比摩耗量が小さくなっており、良好な結果（耐摩耗特性）を得られた。特に、摩擦係数が非常に低い［Ｏｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体は、比摩耗量も非常に小さくなっており、極めて優れた耐摩耗特性を呈していた。なお、［Ｂｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］を用いた試験体は、イオン液体なし（潤滑油のみ）の試験体と同程度の比摩耗量であり、潤滑油のみの場合と同程度の耐摩耗特性を得られた。

また、本発明者は、上述の化１〜化８に示すイオン液体をそれぞれ潤滑剤５に含浸させた試験体について、表１に示す条件にて試験を行った後、３〜４か月放置して観察したところ、いずれの試験体においても、摺動部材２の摺動面２０および相手部材３の対向面３０ともに腐食による錆びの発生は見られなかった。

以上説明したように、本実施の形態によれば、黒鉛を含む潤滑剤５に潤滑油およびイオン液体を含浸させることにより、潤滑油に比べて少量のイオン液体であっても、低摩擦特性および耐摩耗性を実現できた。また、イオン液体の使用量を抑えることにより、コスト増加を抑制しつつ優れた防錆特性を実現できた。

これは以下の理由によると考えられる。すなわち、潤滑剤５中の黒鉛は、潤滑油と親和性が高く潤滑油中に分散する。また、潤滑剤５は、多孔質体であるため、物理的にイオン液体を保持することができる。また、イオン液体は、イオン液体中の有機カチオンにより黒鉛に電気的に引き寄せられて、黒鉛に付着するものと考えられる。このため、摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摺動によって潤滑剤５から分離した黒鉛の多孔質体（摩耗粉）が、潤滑剤５から滲み出た潤滑油中に混入して、潤滑油中に一様に分散するとともに、この黒鉛の多孔質体がイオン液体を物理的に保持し、さらにこの黒鉛の多孔質体がイオン液体と電気的に付着することにより、この潤滑油が介在する摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との間にイオン液体が一様に分布したためと考えられる。また、イオン液体の使用量を抑えることにより、イオン液体中のハロゲンの影響を非常に小さくできたためと考えられる。

また、本実施の形態によれば、上述の化１〜化８に示すイオン液体のなかで［Ｏｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］が最も優れた低摩擦特性および耐摩耗特性を示したが、これは、有機カチオンが長鎖の炭化水素基（Ｃ_８Ｈ_１７）を含むため、分子構造的に黒鉛端部に付着しやすく、油性効果を発揮しやすいためと考えられる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

例えば、上記の実施の形態では、円柱状の多孔質体として形成された黒鉛である潤滑剤５にイオン液体および潤滑油を含浸させ、この潤滑剤５を摺動部材２の摺動面２０に埋設している。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明の潤滑剤は、粉状の多孔質体として形成された黒鉛にイオン液体を含浸させ、この粉状の黒鉛を潤滑油に添加することにより、イオン液体が粉状の黒鉛を媒介として潤滑油中に分散されたものでもよい。

また、上記の実施の形態では、相手部材３の対向面３０を、摺動部材２の摺動面２０で支持する構造を採用しているが、本発明はこれに限定されない。本発明の潤滑剤は、様々な摺動部材およびこの摺動部材を用いた摺動機構に適用可能である。

１：摺動機構、 ２：摺動部材、３：相手部材、４：ベース材、５：潤滑剤、２０：摺動面、 ３０：対向面、 ３１：相手部材３の一方の端面、 ３２：相手部材３の他方の端面、 ４０：ベース材４の表面、 ４１：挿入孔、 ５０：潤滑剤５の端面

Claims (9)

1. 黒鉛と、イオン液体と、潤滑油と、を有する
   ことを特徴とする潤滑剤。
2. 請求項１に記載の潤滑剤であって、
   前記イオン液体は、［Ｂｍｉｍ］［ＢＦ４］、［Ｂｍｉｍ］［ＰＦ６］、［Ｈｍｉｍ］［ＰＦ６］、［Ｂｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［Ｏｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］、［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］、および［Ｃ_１０ｍｉｍ］［ＢＦ４］のいずれかである
   ことを特徴とする潤滑剤。
3. 請求項１に記載の潤滑剤であって、
   前記イオン液体は、長鎖の炭化水素基を含む有機カチオンを有する
   ことを特徴とする潤滑剤。
4. 請求項３に記載の潤滑剤であって、
   前記長鎖の炭化水素基は、Ｃ_８Ｈ_１７である
   ことを特徴とする潤滑剤。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の潤滑剤であって、
   前記黒鉛は、多孔質体として形成されており、
   前記イオン液体および前記潤滑油は、前記黒鉛の多孔質体に保持されている
   ことを特徴とする潤滑剤。
6. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の潤滑剤であって、
   前記黒鉛は、粉状の多孔質体として形成されており、
   前記イオン液体は、前記黒鉛の粉状の多孔質体に保持されており、
   前記潤滑油には、前記イオン液体を保持した前記黒鉛の粉状の多孔質体が添加されている
   ことを特徴とする潤滑剤。
7. 摺動面を備えたベース材と、
   前記ベース材に埋め込まれ、一部を前記摺動面に露出させた請求項５に記載の潤滑剤と、を有する
   ことを特徴とする摺動部材。
8. 請求項７に記載の摺動部材であって、
   前記ベース材は、高力黄銅系合金を用いて形成されている
   ことを特徴とする摺動部材。
9. 請求項８に記載の摺動部材と、
   前記摺動部材の摺動面と摺動する対向面を備えた相手部材と、を有し、
   前記相手部材は、炭素鋼を用いて形成されている
   ことを特徴とする摺動機構。

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