JP7145487B2

JP7145487B2 - 潤滑剤組成物

Info

Publication number: JP7145487B2
Application number: JP2018149010A
Authority: JP
Inventors: 亮小池; 俊秋高久
Original assignee: 結・ハートプラザ株式会社
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2022-10-03
Anticipated expiration: 2038-08-08
Also published as: JP2020023413A

Description

本発明は、摩擦を低減することができる低摩擦カーボン材料及び潤滑剤組成物に関する。

内燃機関等の摺動部品では、高出力化、長寿命化、及び、燃費向上を図るために、摩擦損失の低減が求められている。摩擦を低減する方法としては、例えば、摺動部材の摺動面にダイヤモンドライクカーボンよりなる硬質炭素層を設けることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－６０９２１号公報特開２０１５－１３７３４５号公報特開２００８－２６６５０１号公報特開２００３－３１３５７１号公報特開２０１４－５１８９２７号公報

しかしながら、摺動面に硬質炭素層を設ける方法では、摺動部材の摺動面に硬質炭素層を予め成膜するので、コストが高くなってしまい、しかも、使用により硬質炭素層が摩耗してしまうと、摩擦低減の効果が失われてしまうという問題があった。更に、潤滑油には、摩擦調整剤としてＭｏＤＴＣなどの有機モリブデンを添加する場合があるが、摺動面に硬質炭素層を設けると、摩擦調整剤による低摩擦の効果が得られないうえに、ダイヤモンドライクカーボンの摩耗が進行するという問題もあった。

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、摺動面に対して安価かつ継続的にカーボン膜を形成することができる低摩擦カーボン材料及び潤滑剤組成物を提供することを目的とする。

なお、特許文献２には、潤滑油に対して、カーボンオニオン、カーボンナノチューブ又はフラーレンを添加した金属管の引抜加工用潤滑剤が記載されている。また、特許文献３には、潤滑基油に、ナノカーボン粒子であるフラーレン、有機溶媒、粘度指数向上剤、摩擦調整剤、清浄分散剤を配合したエンジンオイル用添加剤組成物が記載されている。特許文献４には、カーボンナノホーン集合体が分散媒に含有されているカーボンナノホーン固体潤滑剤が記載されている。特許文献５には、流動性潤滑剤にダイヤモンドナノ粒子又はカーボンナノチューブが分散されたナノ潤滑剤組成物が記載されている。

しかしながら、特許文献２から特許文献５で用いているのは、カーボンオニオン、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンナノホーン、又は、ダイヤモンドナノ粒子等のモース硬度が１０程度と非常に硬いものである。これらのカーボン材料は、摺動面を研磨することにより平滑化して、それにより摩擦の低減を図るものである。よって、本願発明とは、具体的な構成及び機能が全く異なっている。また、特許文献２から特許文献５のカーボン材料は、大量生産が難しいためにコストが高く、しかも、非常に硬いので摺動面が摩耗し、異音やオイル消費量が悪化してしまう場合も考えられるという問題がある。

本発明の低摩擦カーボン材料は、モース硬度が６以上８以下のカーボン粒子よりなるものである。

本発明の潤滑剤組成物は、潤滑油と、本発明の低摩擦カーボン材料とを含むものである。

本発明によれば、モース硬度が６以上８以下のカーボン粒子を用いるようにしたので、例えば、摺動部材を摺動させる際に潤滑油に添加することにより、カーボン粒子が摺動部で潰され、摺動面に付着してカーボン膜を形成することにより、摩擦を低減することができる。また、摺動部が金属材料よりなる場合、摺動部に傷がつきにくい硬さであるので、摺動部の摩耗を抑制することができる。更に、摺動時に継続的に潤滑油からカーボン粒子が供給されるので、カーボン膜が摩耗しても、継続的にカーボン膜を形成することができる。加えて、構成元素としてＭｏを含む添加剤等の他の添加剤と共に用いても、他の添加剤による反応膜と共存してカーボン膜を付着させることができ、他の添加剤による摩擦低減効果と、カーボン膜による摩擦低減効果とを共に得ることができる。

また、平均粒径を１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下としたので、カーボン膜をより容易に形成することができ、より高い効果を得ることができる。

更に、ラマンスペクトルにおけるカーボンのＧバンド（１５６０ｃｍ^－１）とＤバンド（１３５０ｃｍ^－１）の強度比である、ＩＤ／ＩＧ比が、０．６以上１．２以下であれば、より摩擦を低減することができる。

本発明の一実施の形態に係る低摩擦カーボン材料の作用を説明する模式図である。実施例１及び比較例１－１～１－３の摩擦係数を比較して表す特性図である。実施例２－１～２－３及び比較例２の摩擦係数を比較して表す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る低摩擦カーボン材料１１の作用を説明するためのものである。この低摩擦カーボン材料１１は、例えば、摺動部材２１，２２を摺動させる際に潤滑油１２に添加して用いられるものであり、潤滑油１２と共に潤滑剤組成物を構成するものである。

この低摩擦カーボン材料１１は、モース硬度が６以上８以下のカーボン粒子よりなる。モース硬度をこのように調整することにより、カーボン粒子が摺動部で潰され、摺動部材２１，２２の摺動面に伸ばされて付着し、カーボン膜１３が形成されて、摩擦を低減することができるからである。なお、モース硬度が軟らかいと、カーボン粒子は摺動面で潰されて付着するが、摩擦によりすぐに剥がれてしまうので、十分な摩擦低減効果を得ることができない。また、モース硬度が硬いと、カーボン粒子により摺動面が研磨されてしまい、摺動面が平滑となるので、摺動条件によっては十分な摩擦低減効果を得ることができない。

この低摩擦カーボン材料１１の平均粒径は、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であることが好ましい。平均粒径が小さすぎるとカーボン粒子が摺動部に挟まれず潰れないので、摺動面に十分なカーボン膜１３を形成することができず、平均粒径が大きすぎるとカーボン粒子が摺動部から掃き出されてしまい潰れないので、摺動面に十分なカーボン膜１１を形成することができないからである。低摩擦カーボン材料１１のより好ましい平均粒径は、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、更には、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。平均粒径が小さい方が、摺動面において潰されたカーボン粒子がより伸ばされて付着するからである。

また、この低摩擦カーボン材料１１は非晶質であることが好ましく、ラマンスペクトルにおけるカーボンのＧバンド（１５６０ｃｍ^－１）とＤバンド（１３５０ｃｍ^－１）の強度比である、ＩＤ／ＩＧ比が、０．６以上１．２以下であることが好ましい。非晶質カーボン材料は表面エネルギーが低く摩擦面同士が凝着することを防ぐため、摩擦をより低減することができるからである。

この低摩擦カーボン材料１１は、例えば、植物を炭化させた植物性カーボンにより構成される。例えば、植物をプラズマ処理などにより炭化したのち、ビーズミルなどにより粉砕し、粒度を調整することにより得ることができる。

なお、この低摩擦カーボン材料１１は、例えば、添加剤としてＭｏを含む潤滑油に添加して用いることもできる。すなわち、この低摩擦カーボン材料１１は、例えば、Ｍｏを含む潤滑油と共に潤滑剤組成物を構成してもよい。なお、Ｍｏを含む潤滑油というのは、構成元素としてＭｏを含む添加剤が添加された潤滑油を意味し、例えば、ＭｏＤＴＣなどの有機モリブデンが添加剤として添加された潤滑油を意味している。この構成元素としてＭｏを含む添加剤は、例えば、摩擦調整剤として用いられており、具体的には、摺動時に分解して、摺動面に低摩擦である二硫化モリブデンを含む反応膜を形成することにより、摩擦を低減することができるものである。

低摩擦カーボン材料１１は、このような他の添加剤と共に用いても、他の添加剤による反応膜と共存してカーボン膜１３を付着させることが可能であり、他の添加剤による効果とカーボン膜１３による効果が共に得られるものである。

このように本実施の形態によれば、モース硬度が６以上８以下のカーボン粒子を用いるようにしたので、例えば、摺動部材２１，２２を摺動させる際に潤滑油１２に添加することにより、カーボン粒子が摺動部で潰され、摺動面に付着してカーボン膜１３を形成することにより、摩擦を低減することができる。また、摺動部が金属材料よりなる場合、摺動部に傷がつきにくい硬さであるので、摺動部の摩耗を抑制することができる。更に、摺動時に継続的に潤滑油１２からカーボン粒子が供給されるので、カーボン膜１３が摩耗しても、継続的にカーボン膜１３を形成することができる。加えて、構成元素としてＭｏを含む添加剤等の他の添加剤と共に用いても、他の添加剤による反応膜と共存してカーボン膜１３を付着させることができ、他の添加剤による摩擦低減効果と、カーボン膜１３による摩擦低減効果とを共に得ることができる。

また、平均粒径を１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下としたので、カーボン膜１３をより容易に形成することができ、より高い効果を得ることができる。

（実施例１、比較例１－１～１－３）
実施例１として、ケナフから生成したカーボン粒子よりなる低摩擦カーボン材料１１を用意した。この低摩擦カーボン材料１１のモース硬度は６から８であり、粒度分布は１００ｎｍ～５００ｎｍとした。この低摩擦カーボン材料１１を潤滑油１２であるポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）に添加し、潤滑剤組成物を得た。また、軸受鋼（ＳＵＪ２）よりなるディスク状の試験片を用意し、作成した潤滑剤組成物中において、ボールオンディスク型の摩擦試験を行った。相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。潤滑剤組成物の温度は室温とし、荷重は１０Ｎ、摺動速度は０．５ｍ／ｓとし、安定後の摩擦係数を測定した。

比較例１－１として、低摩擦カーボン材料１１に変えて、土状黒鉛を潤滑油に添加したこと除き、他は実施例１と同様にして摩擦試験を行った。比較例１－２として、低摩擦カーボン材料１１に変えて、ナノダイヤを潤滑油に添加したこと除き、他は実施例１と同様にして摩擦試験を行った。比較例１－３として、低摩擦カーボン材料１１を潤滑油に添加しないことを除き、他は実施例１と同様にして摩擦試験を行った。なお、比較例１－１で用いた土状黒鉛のモース硬度は０．５～１であり、粒度分布は１００ｎｍ～５００ｎｍとした。比較例１－２で用いたナノダイヤのモース硬度は１０であり、粒度分布は５ｎｍ～１００ｎｍとした。

実施例１及び比較例１－１～１－３で得られた結果を図２に示す。図２に示したように、実施例１によれば、潤滑油のみの比較例１－３に比べて摩擦係数を３９％も低下させることができた。また、モース硬度が軟らかい土状黒鉛を用いた比較例１－１、及び、モース硬度が硬いナノダイヤを用いた比較例１－２よりも大幅に摩擦係数を低下させることができた。すなわち、モース硬度を６～８の低摩擦カーボン材料１１を用いれば、摩擦を低減できることが分かった。

（実施例２－１～２－３、比較例２）
実施例２－１～２－３として、ケナフから生成したカーボン粒子よりなる低摩擦カーボン材料１１を用意した。これらの低摩擦カーボン材料１１のモース硬度は６から８であり、粒度分布は実施例２－１～２－３で変化させた。実施例２－１の粒度分布は１００ｎｍ～５００ｎｍ、平均粒度は３００ｎｍであり、実施例２－２の粒度分布は５００ｎｍ～２μｍ、平均粒度は１μｍであり、実施例２－３の粒度分布は５００ｎｍ～５μｍ、平均粒度は３μｍである。

この低摩擦カーボン材料１１を潤滑油１２に添加し、潤滑剤組成物を得た。潤滑油１２には、ＭｏＤＴＣを添加したポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）を用いた。また、軸受鋼（ＳＵＪ２）よりなるディスク状の試験片を用意し、作成した潤滑剤組成物中において、ボールオンディスク型の摩擦試験を行った。相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。潤滑剤組成物の温度は８０℃とし、荷重は１０Ｎ、摺動速度は０．５ｍ／ｓとし、安定後の摩擦係数を測定した。

比較例２として、低摩擦カーボン材料１１を潤滑油に添加しないことを除き、他は実施例２―１～２－３と同様にして摩擦試験を行った。実施例２－１～２－３及び比較例２で得られた結果を図３に示す。図３に示したように、本実施例によれば、いずれも比較例２に比べて摩擦係数を小さくすることができた。また、実施例２－１、実施例２－２、実施例２－３の順に、平均粒径を小さくするほど摩擦係数を小さくすることができた。すなわち、低摩擦カーボン材料１１の平均粒径は１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることが好ましく、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、更には、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすればより好ましいことが分かった。なお、植物性カーボンは、一般に、ビーズミル等で粒径を小さくするので、平均粒径の下限は１００ｎｍ程度が現実的な値である。

更に、実施例２－１と実施例１（図２参照）とを比較すれば分かるように、潤滑油１２にＭｏＤＴＣを添加した実施例２－１の方が添加していない実施例１に比べて、より摩擦係数を小さくすることができた。すなわち、低摩擦カーボン材料１１によれば、構成元素としてＭｏを含む添加剤等の他の添加剤による摩擦低減効果と共に、カーボン膜１３による摩擦低減効果も得ることができることが分かった。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

１１…低摩擦カーボン材料、１２…潤滑油、１３…カーボン膜、２１，２２…摺動部材

Claims

モース硬度が６以上８以下のカーボン粒子よりなる低摩擦カーボン材料と、添加剤としてＭｏを含む潤滑油とを含むことを特徴とする潤滑剤組成物。
前記低摩擦カーボン材料の平均粒径は１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の潤滑剤組成物。
前記低摩擦カーボン材料は、ラマンスペクトルにおけるカーボンのＧバンド（１５６０ｃｍ^－１）とＤバンド（１３５０ｃｍ^－１）の強度比である、ＩＤ／ＩＧ比が、０．６以上１．２以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の潤滑剤組成物。