潤滑油：種類、用途、性能

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背景

ローマ時代以来、水を含むさまざまな液体が、接触する機械部品間の摩擦、熱、摩耗を最小限に抑える潤滑剤として使用されてきました。今日、潤滑油（ルブ油）は、その幅広い用途ゆえに最も一般的に使用される潤滑剤です。ルブ油の2大カテゴリーは鉱物油と合成油です。鉱物油は天然の石油（原油）から精製されます。合成油は、ポリアルファオレフィン、炭化水素系ポリグリコール、エステル油などの製造された化合物です。

多くの種類のルブ油から選べますが、原油の供給により安価であること、またその特性と用途に関する膨大なデータが蓄積されていることから、鉱物油が最も一般的に使用されています。鉱物系ルブ油のもう一つの利点は、多様な用途に対応できる幅広い粘度で生産できることです。粘度とは物質の流動抵抗を指します。分子量200amu（原子質量単位）程度の水素-炭素鎖からなる低粘度油から、分子量1000amuに達する高粘度潤滑剤まであります。異なる粘度の鉱物油をブレンドして、特定用途での性能を向上させることも可能です。一般的な10W-30モーターオイルは、低温始動性に優れる低粘度油と、通常運転温度でのエンジン保護に優れる高粘度油をブレンドしたものです。

航空宇宙産業で最初に使用された合成潤滑剤は、鉱物油が不向きな特定用途向けに処方されることが多いです。例えば、極めて高い作動温度が想定される環境や、難燃性が求められる場合に合成油が使用されます。本記事では鉱物系ルブ油に焦点を当てます。

原材料

ルブ油は、油井から産出する黄色から黒色の可燃性液体混合物である原油から得られる多くの分画（成分）の一つです。原油は、約4億年前に生息していた微小な動植物が分解されて形成されたもので、当時の気候や地理的変化により分解速度が地域ごとに異なったため、生成される炭化水素の性質と割合は大きく異なります。その結果、異なる産地から採掘される原油の物理的・化学的特性も大きく異なります。例えば、カリフォルニア産原油の比重は0.92g/mLであるのに対し、より軽いペンシルベニア産原油は0.81g/mLです。（比重とは、物質の重量と同体積の水の重量の比を指し、原油の重要な特性です。）全体として、原油の比重は0.80〜0.97g/mLの範囲にあります。

用途に応じて、 添加剤と呼ばれる化学物質が精製油に混合され、所望の物理的特性が付与されます。一般的な添加剤には、鉛や硫化金属などの金属があり、金属表面が極めて高圧で接触する際の焼き付きやスコアリング（傷つき）を防ぐ能力を高めます。高分子量ポリマーも一般的な添加剤で、粘度を改善し、高温での油の軟化傾向を抑制します。ニトロソアミンは抗酸化剤と腐食防止剤として使用され、酸を中和し、金属表面に保護膜を形成します。

製造工程

ルブ油は原油から抽出され、予備精製工程（沈殿）を経て分留塔に送られます。典型的な高効率分留塔は直径25〜35フィート（7.6〜10.6メートル）、高さ最大400フィート（122メートル）で、原油に含まれる腐食性化合物に耐える高級鋼で構築され、内部には段階的に配置された凝縮液回収トレイが設置されています。塔内では、原油に含まれる数千種類の炭化水素が分留と呼ばれる工程で分離されます。蒸気が塔内を上昇するにつれ、各分画はそれぞれの沸点（沸点が低い分画ほど高い位置まで上昇して凝縮）に応じて冷却・凝縮・液化します。天然ガス、ガソリン、灯油、重油、潤滑油、タールの順に沸点に達します。

沈殿

• 1 原油はパイプラインまたはタンカーで油井から精製所へ輸送されます。精製所では、懸濁している水分や砂、岩石などの固形異物を除去するために沈殿処理が行われます。この工程では、原油を大型貯蔵タンクに汲み入れ、水と油を分離させ、異物を沈殿させます。

分留

• 2 次に、原油を約700°F（371°C）まで加熱します。この温度で熱蒸気と液体の混合物に分解され、最初の分留塔の底部へ送られます。ここで熱炭化水素蒸気が上昇し、冷却されると塔内のさまざまな高さに設置されたトレイで凝縮・回収されます。この塔では常圧が維持され、原油の約80%が気化します。
• 3 残り20%の油は再加熱され、第2の塔へ送られます。ここでは減圧により残留油の沸点が下がり、より低温で気化させることができます。タールや無機化合物など、沸点の高い重質化合物はさらなる処理のために残されます。

ろ過と溶媒抽出

• 4 不要化合物を除去するさらなる処理の後、2基の分留塔で回収されたルブ油は複数の超微細フィルターを通過し、残留不純物が除去されます。芳香族化合物はそのような汚染物質の一つで、六員環構造を持ち、除去されないとルブ油の粘度に影響を与えます。これは溶媒抽出と呼ばれる工程で除去されます。芳香族化合物はルブ油分画よりも溶媒に溶けやすい性質を利用します。ルブ油を溶媒で処理すると芳香族化合物が溶解し、後で溶媒を除去する際に芳香族化合物を回収できます。

添加剤混合、検査、包装

• 5 最後に、所望の物理的特性（低温耐性など）を付与するため添加剤を混合します。この時点で、粘度、比重、色、引火点、発火点などを評価する多様な品質管理試験が実施されます。品質基準を満たした油は包装され、販売・流通されます。

品質管理

ほとんどのルブ油用途では、非樹脂性、淡色、無臭、耐酸化性が求められます。十数種類の物理・化学試験により潤滑油の分類とグレードが決定されます。一般的な物理試験には粘度、比重、色の測定があり、化学試験には引火点と発火点の測定が含まれます。

すべての特性の中で、粘度（特定温度・圧力におけるルブ油の流動抵抗）はおそらく単一で最も重要な特性です。用途と作動温度範囲が、油に適した粘度を決める鍵となります。例えば、粘度が高すぎると相対運動する金属部品に過大な抵抗を与え、逆に低すぎると摺動面から押し出されて十分な潤滑ができません。セイボルト標準万能粘度計は、70〜210°F（21〜99°C）の石油系潤滑剤の粘度測定における標準器です。粘度はセイボルト万能秒で表され、これは所定温度で50mLの油がセイボルト粘度計カップから校正済みオリフィスを通って流れ出るのに要する秒数です。

油の比重は精製方法と、鉛などの添加剤の種類に依存します。鉛は摺動面の極限圧力と低温に対する耐性を付与します。ルブ油の色は、特定グレードやブランドの均一性を示します。油の引火点と発火点は原油の産地によって異なります。引火点は、油を加熱して十分な可燃性蒸気を放出させ、炎を近づけた際に閃火する温度です。発火点は、着火した油蒸気が燃焼を継続するより高い温度です。

一般的なエンジンオイルは、自動車技術者協会（SAE）が定めた仕様に基づき、粘度と性能で分類されます。性能要素には摩耗防止、オイルスラッジ堆積、油の増粘などが含まれます。

将来展望

鉱物系潤滑油の将来は限られています。天然石油埋蔵量は有限かつ非再生可能だからです。専門家は回収可能な軽質・中質石油埋蔵量を1.6兆バレルと推定し、そのうち3分の1がすでに消費されています。したがって、天然埋蔵量が枯渇するにつれ、合成油の重要性がますます高まるでしょう。これは潤滑油だけでなく、石油精製から得られる他の製品にも当てはまります。