材料適合性：合成コンプレッサーオイルにおけるFKMの膨潤率

はじめに

高品質なFKMシールが早期に故障し、原因が特定できません。🔍 シールは膨張し柔らかくなり、数年持つはずが数ヶ月でシール力を失います。原因はシールの欠陥ではなく、お客様のシステム内の化学物質との相性不良です。 フッ素ゴム¹ シールと、空気圧システムを潤滑する合成コンプレッサーオイル。.

FKM（フッ素ゴム）の膨潤率は合成コンプレッサーオイルにおいて、オイルの化学組成によって劇的に異なる。 ポリアルファオレフィン（PAO）² 油種による体積膨張率：2-8%（許容範囲）、ポリアルキレングリコール（PAG）系油：8-15%（限界値）、特定エステル系合成油：15-30%（許容不可）—シール形状と密封力を破壊する。材料適合性試験は ASTM D471³ 油潤滑式空気圧システムにおいてFKMシールを指定する前に、この点を必ず考慮する必要があります。なぜなら、過度の膨潤はシールの押し出し、圧縮率の低下、そしてシール品質にかかわらず早期故障を引き起こすからです。.

先月、ミシガン州の自動車部品メーカーで信頼性エンジニアを務めるデイビッドから憂慮すべき連絡を受けた。同社の工場ではエネルギー効率向上とメンテナンス間隔延長を目的に、新たに合成コンプレッサーオイルへの切り替えを実施したばかりだった。ところが6ヶ月も経たないうちに、空気圧式ロッドレスシリンダーのFKMシールが通常時の10倍の速度で故障し始めた。シールは摩耗していたわけではなく、膨張が激しく圧縮性を失い、溝から押し出される状態に陥っていた。 当社では新油とシール材料の相性を試験した結果、18-22%の体積膨張を確認。信頼性あるシールに必要な最大膨張値10%を大幅に超えていた。そこで油の化学特性に適合する水素化ニトリルゴム（HNBR）シールへシステムを再設計したところ、現在は3～5年という通常のシール寿命に戻っている。.

目次

• なぜFKMは合成油中で膨潤するのか、そして許容範囲は何か？
• どの合成油タイプがFKMの膨潤を最も引き起こすか？
• システム障害発生前に材料の適合性をどのようにテストできますか？
• 問題のある油に対してより効果的な代替シール材は何か？

なぜFKMは合成油中で膨潤するのか、そして許容範囲は何か？

シール膨張は必ずしも悪いわけではないが、過剰になると性能を損なう。📊

FKMの膨潤は、合成油分子がポリマーマトリックスに浸透し、ポリマー鎖を押し離すことで材料体積が増加する現象である。2-10%の制御された膨潤は許容範囲であり、接触圧を維持することでシール性能を向上させる場合もある。しかし15%を超える膨潤は寸法歪みを引き起こし、硬度を低下させる（20-30%）。 岸辺A⁴ 損失）、減少した 圧縮永久歪み⁵ 耐性、および溝からのシール材の押し出し可能性。膨潤率はFKMのフッ素含有量（フッ素量が高いほど耐性が向上）、油の極性（極性油は膨潤を促進）、温度（10°C上昇ごとに浸透速度が倍増）、および暴露時間（作動温度で72～168時間で平衡状態に達する）に依存する。.

膨張メカニズム

分子レベルでは、エラストマーは架橋結合で連結された長いポリマー鎖のネットワークである。油に曝露されると、小さな油分子がポリマー鎖の間に浸透する。油がポリマーと化学的に類似している（互換性がある）場合、浸透は最小限に留まる。油が化学的に異なるがポリマーマトリックスに溶解できる場合、著しい膨潤が生じる。.

FKM（フッ素ゴム）ポリマーはフッ素原子を含み、ほとんどの石油系油に対して耐性を示す。ただし、化学構造が異なる合成油は、フッ素化ポリマー主鎖と異なる相互作用を示す可能性がある。.

許容範囲のうねりと問題のあるうねりの範囲

ボリュームスウェル %	硬度変化	パフォーマンスへの影響	シール信頼性	対応が必要です
0-5%	0-5 ショアA	最小限、シール性が向上する可能性がある	素晴らしい	なし—理想的な互換性
5-10%	5-10 ショアA	わずかな寸法変化	良い	サービス中の監視
10-15%	10-20 ショアA	顕著な軟化	限界的な	代替材料を検討する
15-25%	20-30 ショアA	著しい歪み	貧しい	シール材を直ちに取り替える
25%	ショアA硬度30以上	深刻な劣化	容認できない	完全な不適合

温度加速

膨張率は温度とともに指数関数的に増加する。23℃で8%の膨張を示すシールは、同じ油中で80℃では15～18%の膨張を示す可能性がある。このため、適合性試験は室温だけでなく実際の作動温度で実施しなければならない。.

温度が膨張速度に及ぼす影響：

• 23°C（室温）：ベースライン膨張率
• 40°C: 基準値の1.5～2倍
• 60°C: 基準値の2.5～3倍
• 80°C: 基準値の4～5倍
• 100°C: 基準値の6～8倍

現実世界の結果

ベプトでは、油潤滑式空気圧システムから回収した数百の破損シールを分析しました。過剰な膨張は予測可能な故障モードを引き起こします：

シール押出膨張したシールは溝に対して大きくなりすぎて、クリアランス隙間に押し出され、裂けや急速な破損を引き起こす。.

圧縮の喪失シールが膨張し軟化すると、シール面に対する接触圧力を維持するために必要な圧縮力を失う。.

パーマネントセット膨張したシールは永久的な変形を起こし、油への曝露が終了した後でも元の寸法に戻らない。.

加速摩耗軟化したシール材は摩擦により摩耗が早まり、耐用年数が60～80％減少する。.

どの合成油タイプがFKMの膨潤を最も引き起こすか？

FKMとの適合性に関しては、すべての合成油が同じように作られているわけではありません。🧪

ポリアルファオレフィン（PAO）合成油は、鉱物油と同様の炭化水素構造を持つため、FKMの膨潤を最小限に抑えます（典型的な値：2-6%）。この特性から、FKMシールにとって最も安全な選択肢となります。ポリアルキレングリコール（PAG）油は中程度の膨潤（8-15%）を引き起こすため、慎重な試験が必要です。 エステル系合成油（ジエステル、ポリオールエステル、リン酸エステルを含む）はFKMに深刻な膨潤（15-35%）を引き起こし、一般的に不適合である。極性化合物を含む油添加剤パッケージは、基油の影響に加えてさらに3-8%の膨潤を増加させる可能性があるため、完全な配合油を用いた実際の適合性試験が不可欠である。.

合成油化学比較

オイルタイプ	化学構造	典型的なFKMの膨潤率 @ 100°C	互換性評価	一般的な用途
鉱物油	石油炭化水素	2-5%	素晴らしい	一般産業
PAO（ポリアルファオレフィン）	合成炭化水素	3-7%	素晴らしい	高性能コンプレッサー
PAG（ポリアルキレングリコール）	エーテル結合グリコール	10-18%	普通～やや劣る	冷凍、一部のコンプレッサー
ディエスター	有機エステル	18-28%	貧しい	航空、高温用途
ポリオールエステル	複合エステル	20-35%	非常に悪い	タービン油、冷凍機油
シリコーン	ポリシロキサン	5-12%	良～普通	食品グレード、極限温度
リン酸エステル	有機リン化合物	25-40%	容認できない	耐火油圧装置

PAOオイルが最も効果的な理由

PAO合成油は、α-オレフィン（エチレン誘導体）を重合させてより大きな炭化水素分子に製造されます。その結果得られる構造は、化学的に鉱物油と類似していますが、より均一で純度が高いものです。この類似性により、PAO油はFKMと鉱物油と同様に反応し、膨潤を最小限に抑えます。.

カリフォルニア州の食品加工施設でプラントエンジニアを務めるレベッカと共同作業を行った。彼女の担当工程では、優れた酸化安定性と延長された交換間隔を理由に合成コンプレッサーオイルが必要とされていた。当初、彼女は優れた高温特性を理由にポリオールエステル系合成油を指定した。しかし8ヶ月以内に、空気圧システム全体のFKMシールが故障し始めた。.

当社では彼女のオイルを標準的なFKM化合物と比較試験し、動作温度70°Cにおいて24-28%の体積膨張を測定しました。これは完全に適合しない結果です。当社は同等の性能特性を有する食品グレードのPAO合成油への切り替えを推奨しました。オイル交換とシール交換後、彼女のシステムはシール関連の故障なく3年以上稼働しています。.

付加パッケージ問題

基油との適合性は考慮すべき要素の一部に過ぎない。現代のコンプレッサーオイルには、以下を含む5～15%添加剤パッケージが配合されている：

• 抗酸化物質通常FKMと互換性があります
• 耐磨耗添加剤亜鉛ジアルキルジチオホスフェート（ZDDP）は膨張率を2～51％増加させることがある。
• 洗剤カルシウムまたはマグネシウムスルホン酸塩、適度な膨潤増加
• 分散剤ポリイソブチレンサクシニミドは、膨潤性を著しく増加させることができる
• 流動点降下剤: 可変互換性
• 発泡抑制剤通常はシリコーン系で、環境への影響が最小限

これが、ベースオイルの種類だけでは適合性を予測できない理由です。完全な配合オイルをテストする必要があります。.

地域およびブランドによる差異

同じ一般名称（例：「PAO合成コンプレッサー油」）で販売されているオイルであっても、製造元や地域によって配合が異なる場合があります。欧州、アジア、北米のオイル配合は、地域の規制や性能基準を満たすため、添加剤の化学組成がしばしば異なります。.

ベプトでは、世界中の主要メーカーが製造する150種類以上の一般的なコンプレッサーオイルを対象とした互換性テストデータベースを管理しています。お客様が使用するオイルのブランドとグレードを指定いただければ、当社のシール材に対する互換性ガイダンスを即座に提供できる場合が多くあります。.

システム障害発生前に材料の適合性をどのようにテストできますか？

予防には推測ではなく検査が必要です。🔬

ASTM D471に基づく材料適合性試験では、シール試料を実際のコンプレッサーオイルに最大作動温度で70時間（最低）浸漬した後、体積膨潤、硬度変化、引張強度保持率を測定する。専門試験はオイル/材料の組み合わせごとに$200-500の費用がかかるが、システム故障とダウンタイムによる$10,000-50,000+の損失を防止する。 簡易な現場試験としては、予備シールを加熱した油サンプルに168時間浸漬し寸法変化を測定する方法がある。ただし重要用途では、実験室試験の方がより正確で法的根拠のある結果が得られる。.

ASTM D471 標準試験方法

業界標準の互換性テストは、以下の手順に従います：

1. サンプル調製

• シール材から標準化された試験片を切り出す
• 初期寸法、重量、硬度を測定する
• ベースラインプロパティを記録する

2. 浸漬試験

• サンプルを最高作動温度の試験油に浸漬する
• 標準期間：最低70時間（168時間が望ましい）
• 試験全体を通じて温度を±2°C以内に維持する

3. 浸漬後の測定

• サンプルを除去し、表面の油分を拭き取る
• 取り外してから30分以内に測定してください
• 体積変化、重量変化、硬度変化を記録する
• オプション：引張強度、伸び試験

4. 結果の解釈

• 体積膨張率を計算する
• 硬度変化の評価（ショアA硬度計）
• 物理的状態（ひび割れ、軟化、粘着性）を評価する

代替案のフィールドテスト

実験室費用をかけずに迅速な回答が必要なお客様には、この簡易フィールドテストをお勧めします：

必要な材料：

• 試験対象の各材料につき予備シールを3～5個用意する
• 実際のコンプレッサーオイルのサンプル（最低500ml）
• 試験温度を維持する熱源（オーブン、温度調節機能付きホットプレート）
• 蓋付きのガラス容器
• キャリパーまたはマイクロメーター
• デュロメーター（ショアA硬度計）

手順：

1. 初期シール寸法と硬度を測定し記録する
2. シールを加熱した油に168時間（1週間）浸漬する
3. 取り外し、水気を拭き取り、直ちに寸法と硬度を測定する
4. パーセンテージの変化を計算する

受入基準：

• 音量増幅 <10%: 許容範囲
• 硬度低下＜10ショアA：許容範囲
• 目に見えるひび割れ、べたつき、または著しい軟化がない

テストを実施するタイミング

システム設計の前設計段階で、すべての候補シール材料を指定された油に対して試験すること。.

オイル交換後コンプレッサーオイルのブランドや種類を変更するたびに、たとえ新しいオイルが「同等品」であっても、互換性を再テストしてください。“

シール故障後原因不明のシール故障が発生した場合、実際の現場油サンプルを試験してください。油の劣化や汚染により、時間の経過とともに適合性が変化する可能性があります。.

新規サプライヤーの資格審査新規シールサプライヤーを選定する際には、その材料が御社の特定オイルとの適合性要件を満たしていることを確認してください。.

ベプトでは、油潤滑システムに当社のロッドレスシリンダーをご指定いただくお客様向けに、無料の適合性試験を提供しております。油サンプルとご使用条件の詳細をお送りいただければ、当社のシール材との適合性を試験し、2週間以内に詳細な適合性レポートをご提供いたします。.

問題のある油に対してより効果的な代替シール材は何か？

FKMが互換性がない場合、他の選択肢が存在します。🔧

水素化ニトリルゴム（HNBR）は、PAGや多くのエステルを含むほとんどの合成油に対して優れた適合性を示し、幅広い油化学組成において典型的な膨潤率が5-12%であるため、FKMに代わる最良の汎用代替品となる。 パーフルオロエラストマー（FFKM）は、ほぼ全ての油類において3%未満の膨潤率で普遍的な耐薬品性を提供しますが、FKMの10～15倍のコストがかかります。 ポリウレタンシールは、PAO および鉱物油（3～8% の膨潤率）で良好に機能し、優れた耐摩耗性を提供しますが、FKM の 200°C の定格と比較して、高温での使用能力は限られています（90°C 未満）。.

代替材料比較

シール材	温度範囲	油との適合性	典型的なスウェル（PAO/PAG/エステル）	耐摩耗性	相対的コスト	ベプトの入手可能性
FKM（バイトン）	-20～200℃	優秀／不良／不良	5% / 15% / 25%	良い	$$$	標準
HNBR	-40～150℃	優秀/良好/良好	6% / 10% / 12%	非常に良い	$$	標準
FFKM（カルレズ）	-15～300℃	ユニバーサル	2% / 3% / 3%	良い	$$$$$	特注品
ポリウレタン	-40～90℃	優秀/普通/不良	4% / 12% / 18%	傑出した	$$	標準
NBR（ニトリル）	-40～100℃	優秀／不良／不良	5% / 15% / 20%	素晴らしい	$	標準

HNBR：万能ソリューション

水素化ニトリルゴム（HNBR）は、標準的なニトリルゴムを水素化処理することで生成される。この処理によりポリマー主鎖が飽和され、耐熱性、耐オゾン性、および化学的適合性が劇的に向上する。HNBRはニトリルの優れた耐油性を維持しつつ、より攻撃的な合成油との適合性を付加する。.

HNBRの利点：

• 幅広い油との互換性（PAO、PAG、多くのエステル類）
• 優れた温度範囲（-40～150℃）
• 優れた機械的特性
• 適正なコスト（NBRより20-40%高い）
• 複数の硬度グレードで提供

HNBRの制限事項：

• 極端な温度（150℃以上）には適しません
• 中程度の耐薬品性（FFKMのような万能性はない）
• ポリウレタンよりもわずかに低い耐摩耗性

材料選定決定木

FKMを選択すべき場合：

• PAOまたは鉱物油ベースの潤滑剤を使用する
• 高温動作（100℃以上）が必要
• 優れた耐薬品性が必要
• テストにより互換性が確認されました

以下の場合にHNBRを選択してください：

• PAGまたはエステル系合成油の使用
• 温度範囲 -40～150℃ 対応可能
• 幅広い油類との互換性が求められる
• 費用対効果の高い解決策が必要

FFKMを選択すべき場合：

• 普遍的な化学的適合性が要求される
• 遭遇した極端な温度（200℃以上）
• シール故障に対するゼロトレランス
• 予算はFKM比10～15倍のプレミアムを許容する

ポリウレタンを選ぶべき場合：

• PAOまたは鉱物油の使用
• 最大耐摩耗性優先
• 動作温度 <90°C
• 研磨環境が存在

ベプト材料選定プロセス

お客様から油潤滑式空気圧システムについてお問い合わせをいただいた場合、当社は体系的なアプローチを実践します：

1. 油を特定する: コンプレッサーオイルのブランド、種類、およびグレード
2. 運転条件を決定する温度範囲、圧力、サイクル速度
3. データベースを確認する当社の150件以上のオイル互換性記録と比較してください
4. 推奨材料互換性のある選択肢を2～3つ提示し、それぞれのトレードオフを説明してください
5. オファーテスト当社データベースに該当オイルがない場合、無料互換性テストを実施します
6. 供給書類テストデータと材料の認証書を提供してください

この相談型アプローチにより、当社の顧客は汎用OEM交換品と比較して40～60%長いシール寿命を達成しています。単に「標準」シールを供給するのではなく、実際の作動条件に適合したシール化学をマッチングさせているからです。.

結論

FKMシールと合成コンプレッサーオイルの適合性は化学的性質に依存するため、仮定ではなく試験による検証が必須である。適合しないオイルとシールの組み合わせは、シールの品質や取り付け方法にかかわらず急速な故障を引き起こす。🎯

FKMと合成油の適合性に関するよくある質問

1. フッ素ゴム（FKM）の化学構造と産業用途について詳しく知る。. ↩

2. 産業システムにおけるPAO合成潤滑油の技術的特性と利点を探る。. ↩

3. 油などの液体がゴム材料の特性に与える影響を試験するための公式規格を参照してください。. ↩

4. ショアA硬度エラストマー製シールの柔軟性と耐性を測定するために用いられる硬度スケール。. ↩

5. 圧縮永久歪みが工業用ガスケットの長期性能とシール能力に与える影響を明らかにする。. ↩