冶金設備における二硫化モリブデンの高温潤滑
2026-10-04
冶金設備における二硫化モリブデンの高温潤滑
1. はじめに
連続鋳造、熱間圧延、焼結、熱処理などの冶金プロセスは、高温・重荷重・粉塵・酸化雰囲気下で長時間運転される。設備の軸受、すべり案内、伝動部品の潤滑信頼性は、生産の連続性に直接影響する。鉱物油系グリースは150 °Cを超えると酸化、分油、コークス化が進み、長周期の高温用途には不適切である。層状結晶構造、高荷重承受能力、優れた高温安定性を持つ二硫化モリブデン（MoS₂）は、冶金設備の高温潤滑体系において重要な固体潤滑添加剤となる。
2. 冶金設備の高温動作環境
代表的な高温潤滑シーン：
- **連続鋳造機**：矯正ロール軸受、セグメントローラーは200–400 °Cで、水蒸気と酸化スケールが共存する；
- **熱間圧延機**：作業ロール・バックアップロール軸受、圧下ねじは300–500 °Cに達し、衝撃荷重を受ける；
- **再加熱炉・熱処理炉**：炉扉昇降機構、台車車輪、シール材は500–800 °C以上に晒される；
- **焼結機**：パレットすべり板、風箱スライドは150–300 °Cで粉塵濃度が高い。
これらの条件に対し、潤滑材には以下が求められる：
- 高温下での摩擦係数の安定；
- 高い焼付き（咬み合い）抵抗；
- 酸化、コークス化、乳化に対する抵抗；
- 金属表面への良好な付着と被膜形成能力。
3. MoS₂の高温潤滑メカニズム
MoS₂は層状遷移金属硫属化合物で、層内は強いMo–S共有結合、層間はファンデルワールス力で結合している。層間の低いせん断強度により、摩擦面に配向転移被膜を形成しやすい。高温潤滑の利点：
- **高温摩擦安定性**：不活性・真空雰囲気では800 °C以上まで使用可能。大気中では約350–400 °CからMoO₃とSO₂への酸化が徐々に進むが、増ちょう剤と抗酸化剤の相乗効果により、実用上150–350 °C程度までカバーできる；
- **高荷重承受能力**：層状構造が高い接触圧力を支え、金属同士の直接接触を低減；
- **耐焼付き性**：油膜破壊時に緊急潤滑を提供し、擦り傷やガリングを抑制；
- **化学的惰性**：鋼、銅、アルミニウムなど多くの金属表面に対し腐食性が低い。
4. 主要性能指標と試験方法
MoS₂配合高温グリースの評価に用いる標準方法：
| 性能指標 | 試験規格 | 典型的要求値 |
|---------|---------|------------|
| 滴点 | GB/T 3498 / ASTM D2265 | ≥250 °C（複合リチウム/ポリ尿素系） |
| 焼付荷重（PD値） | GB/T 12583 / ASTM D2783 | ≥2500 N（4球法） |
| 摩擦摩耗特性 | ASTM D2266 / SH/T 0204 | 摩耗斑直径≤0.60 mm（392 N、60 min、75 °C） |
| 蒸発損失 | ASTM D972 / GB/T 7325 | ≤2.0%（99 °C、22 h） |
| 酸化安定性 | ASTM D942 / SH/T 0325 | 圧力降下≤70 kPa（100 h、99 °C） |
| 熱重量分析（TGA） | ASTM E1131 | 大気中5%重量減少温度≥350 °C |
MoS₂単体の高温挙動はTGAおよびDSCで評価可能。高純度MoS₂の大気中酸化開始温度は一般的に350 °C以上である。不純物相（MoO₃、遊離硫黄など）は熱安定性を低下させる。
5. 典型用途と配合指針
5.1 用途部位
| 設備 | 重要摩擦部位 | 推奨潤滑形態 |
|-----|------------|-----------|
| 連続鋳造機 | 矯正ロール軸受、セグメントローラー | MoS₂配合複合リチウム高温グリース |
| 熱間圧延機 | 作業/バックアップロール軸受、圧下ねじ | MoS₂配合極圧リチウム複合グリースまたはポリ尿素グリース |
| 再加熱炉 | 炉扉昇降軸受、台車車輪 | MoS₂配合高温開放歯車グリース |
| 焼結機 | パレットすべり板、風箱スライド | MoS₂配合重荷重スライドグリース |
| 熱処理炉 | コンベアチェーンローラー、炉内レール | MoS₂配合チェーン油またはドライフィルム潤滑剤 |
5.2 グリース配合の推奨
- **増ちょう剤**：複合リチウム石けん（滴点高、せん断安定性良好）またはポリ尿素（耐酸化性、長寿命）；
- **基油**：合成炭化水素（PAO）、エステル、ポリアルキレングリコールなど、回転速度と荷重に応じ粘度等級（例：ISO VG 100–460）を選択；
- **固体潤滑剤**：MoS₂ 2–5質量%、D₅₀ 1–5 μm、黒鉛やPTFEとの併用も可能；
- **機能添加剤**：抗酸化剤、防錆剤、金属不活化剤、極圧・抗摩耗剤。
6. MoS₂の選定と品質管理
冶金高温潤滑用MoS₂は以下を確認する：
- **純度**：MoS₂含量≥98%、MoO₃や石英などの硬質不純物が摩粒摩耗を増大させないよう注意；
- **粒度**：D₅₀ 1–5 μmが目安、過細は凝集しやすく、過粗は被膜均一性を損なう；
- **結晶性**：XRDで2H-MoS₂主相、d₀₀₂≈6.15 Åを示し、結晶性が高いほど層間滑りが容易；
- **熱安定性**：TGA 5%重量減少温度≥350 °C、実使用上限は配合評価で確認；
- **酸価・水分**：低酸価・低水分で金属腐食リスクを低減。
7. 使用上の注意
- **温度上限**：開放した大気中では、MoS₂配合グリースの継続使用温度は約350 °Cまでが目安。それ以上では固体潤滑コーティング、黒鉛系ドライフィルム、特殊セラミック潤滑剤を検討；
- **相溶性**：MoS₂は多くの金属石けん増ちょう剤と相溶するが、活性硫黄系極圧剤との共存で酸化が促進される場合があるため、相溶性試験を推奨；
- **再給油間隔**：粉塵・水分の多い冶金現場では、定期的なグリース補給と古いグリースの除去を行い、汚染物質による潤滑膜希釈を防ぐ；
- **保管**：MoS₂原料は密封し、乾燥した場所で保存し、酸化剤との混在を避ける。
8. 結論
MoS₂は層状構造に由来する低い層間せん断強度と高温荷重承受能力により、冶金設備の高温・重荷重潤滑シーンで有効な固体潤滑添加剤である。適切な増ちょう剤体系の選択、MoS₂の純度・粒度管理、抗酸化剤や極圧剤との組み合わせにより、連続鋳造機、熱間圧延機、再加熱炉などの軸受やすべり案内の寿命を大幅に延ばすことができる。ASTM/GB規格に基づくグリース性能評価体系を構築し、現場の運転状況を定期的にモニタリングすることが、冶金ラインの安定的な長期運転を確保する重要な措置である。
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