転がり摺動部材及び転動装置
【課題】高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有するとともに、優れた耐摩耗性及び耐久性を有する転がり摺動部材及び転動装置を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受の内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうち少なくとも１つは、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄで覆われている。このダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，及びＮｉのうち少なくとも１種の金属からなる金属層Ｍと、金属層Ｍを構成する金属と炭素との化合物からなる複合層Ｆと、炭素からなるカーボン層Ｃと、の３つの層で構成されていて、これらの３つの層は表面側からカーボン層Ｃ，複合層Ｆ，金属層Ｍの順に配されている。さらに、カーボン層Ｃには水素が含有され、カーボン層Ｃ中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下である。
【解決手段】深溝玉軸受の内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうち少なくとも１つは、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄで覆われている。このダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，及びＮｉのうち少なくとも１種の金属からなる金属層Ｍと、金属層Ｍを構成する金属と炭素との化合物からなる複合層Ｆと、炭素からなるカーボン層Ｃと、の３つの層で構成されていて、これらの３つの層は表面側からカーボン層Ｃ，複合層Ｆ，金属層Ｍの順に配されている。さらに、カーボン層Ｃには水素が含有され、カーボン層Ｃ中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潤滑性に優れる転がり摺動部材及び転動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドライクカーボン（以降はＤＬＣと記すこともある）は、その表面硬さがダイヤモンドに準じて高く、表面の摩擦係数は０．２以下と二硫化モリブデンやフッ素樹脂と同様に小さい。このように、ＤＬＣは特異な表面性質を有していることから、転がり摺動部材の新たな潤滑材料として注目されている。そして、化学蒸着法（ＣＶＤ），プラズマＣＶＤ，イオンビーム形成法，イオン蒸着法等によりＤＬＣを形成した軸受が、特許文献１〜６に開示されている。
【０００３】
ＤＬＣは、大気中の水分やガス等を表面に吸着することにより潤滑性が向上し、摩擦係数０．２以下の優れた潤滑性となる性質を備えている。また、その構造上、塑性変形硬さが２０ＧＰａ以上であるため、耐摩耗性に優れている。よって、境界潤滑環境下又は潤滑剤を使用できない環境下で且つ大気中で使用される部材の潤滑に好適である。
【０００４】
ただし、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下では、前述の吸着作用によるＤＬＣの潤滑性の向上が十分には期待できない。そこで、前述の吸着作用が生じなくても優れた潤滑性を有し、水分やガスが十分に存在しない高真空環境下においても潤滑剤として使用可能なＤＬＣが求められていた。
【特許文献１】国際公開第９９／１４５１２号パンフレット
【特許文献２】特開平９−１４４７６４号公報
【特許文献３】特開２０００−１３６８２８号公報
【特許文献４】特開２０００−２０５２７７号公報
【特許文献５】特開２０００−２０５２７９号公報
【特許文献６】特開２０００−２０５２８０号公報
【特許文献７】特開２００１−７２９８６号公報
【非特許文献１】Surface and Coating Technology120-121,p548-554(1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＤＬＣ中の炭素原子同士の結合には、ダイヤモンドの場合と同様のｓｐ2 結合と、グラファイトの場合と同様のｓｐ3 結合とがあり、ｓｐ3 結合は硬さに関係するのに対して、ｓｐ2 結合は大気中では摺動性に関係すると言われている。ただし、高真空環境下においては、ダングリングボンド（未結合手）が存在すると、接触表面が活性になり摩擦，摩耗が進行する。
【０００６】
ＤＬＣ膜中の水素の含有量は、ＤＬＣ膜の製法や成膜条件によって大きく変化し、電気的特性，機械的特性等のＤＬＣ膜の物性にも影響を与える。そして、水素はダングリングボンドのターミネーターとしても働くことから、前述の高真空環境下における摩擦，摩耗を抑制する作用がある。特許文献７には、水素の含有量が３０原子％未満であるＤＬＣ膜を摺動面に被覆した摺動部材が開示されている。
【０００７】
また、プラズマＣＶＤ等の手法を用いて、ダングリングボンドを有する炭素と水素とを結合させて不活性にすることが試みられている（非特許文献１を参照）。
しかしながら、このようなＤＬＣ膜は表面硬さが十分ではなく、摩耗が進行しやすく耐久性が不十分である場合があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有するとともに、優れた耐摩耗性及び耐久性を有する転がり摺動部材及び転動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり摺動部材は、他部材と転がり接触する転がり接触面がダイヤモンドライクカーボン膜で覆われており、前記転がり接触面が鋼で構成された転がり摺動部材において、前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，及びＮｉのうち少なくとも１種の金属からなる金属層と、前記金属層を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層と、炭素からなるカーボン層と、の３つの層で構成され、これらの３つの層は表面側からカーボン層，複合層，金属層の順に配されており、前記カーボン層には水素が含有され、前記カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る請求項２の転がり摺動部材は、請求項１に記載の転がり摺動部材において、前記カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃが、転がり接触面側から表面側に向かうに従って大きくなっていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の転がり摺動部材は、請求項１又は請求項２に記載の転がり摺動部材において、前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであり、前記複合層及び前記カーボン層の炭素供給源は固体状炭素及び炭化水素系ガスであることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る請求項４の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材，前記外方部材，及び前記転動体のうち少なくとも１つを、請求項１〜３のいずれかに記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする。
【００１１】
なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。
また、本発明における内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくボールねじの場合にはねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には案内レール、同じく直動ベアリングの場合には軸をそれぞれ意味する。また、外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同じくリニアガイド装置の場合にはスライダ、同じく直動ベアリングの場合には外筒をそれぞれ意味する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の転がり摺動部材及び転動装置は、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有するとともに、優れた耐摩耗性及び耐久性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る転がり摺動部材及び転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転動装置の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図であり、図２は、図１の深溝玉軸受のうち内輪の軌道面近傍部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
図１の深溝玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体３と、両軌道面１ａ，２ａ間に複数の転動体３を保持する保持器４と、を備えている。
【００１４】
内輪１，外輪２，及び転動体３はＳＵＪ２等の鋼製である。また、図２に示すように、他部材と転がり接触する転がり接触面である内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうち少なくとも１つは、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン膜Ｄで覆われている。そして、このダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、図２に示すように、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，及びＮｉのうち少なくとも１種の金属からなる金属層Ｍと、金属層Ｍを構成する金属と炭素との化合物からなる複合層Ｆと、炭素（ダイヤモンドライクカーボン）からなるカーボン層Ｃと、の３つの層で構成されていて、これらの３つの層は表面側からカーボン層Ｃ，複合層Ｆ，金属層Ｍの順に配されている。さらに、カーボン層Ｃには水素が含有され、カーボン層Ｃ中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下である。なお、図２においては、説明の便宜上、内輪１の軌道面１ａのみにダイヤモンドライクカーボン膜Ｄを設けた図を示してある。
【００１５】
軌道面１ａがダイヤモンドライクカーボン膜Ｄで覆われており、そのダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは水素を含有するカーボン層Ｃを備えているので、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有する。これは、水素によってカーボン層Ｃ（ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄ）の表面が不活性となり、摩擦，摩耗が抑制されるためである。このカーボン層Ｃの厚さは、１μｍ以上であることが好ましい。
【００１６】
また、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、複合層Ｆ及び金属層Ｍを備えている。これらカーボン層Ｃ，複合層Ｆ，金属層Ｍを、スパッタリング法等の手法により連続的に形成すれば、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄと軌道面１ａを構成する鋼とを強固に密着させることができる。なお、スパッタリング法において、カーボンターゲットのスパッタ効率を徐々に増加させるとともに、金属のスパッタ効率を徐々に減少させれば、３つの層を金属層Ｍ，複合層Ｆ，カーボン層Ｃの順に連続的に形成することが可能である。
【００１７】
カーボン層Ｃ中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下である必要があるが、０．２未満であるとカーボン層Ｃの硬さが高く剛性が大きくなるので、相手部材の摩耗を促進するとともに、転がり接触応力に対して変形しにくくなって、その結果剥離が生じやすくなる。一方、０．５超過であるとカーボン層Ｃの硬さが低くなるので、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄが摩耗しやすく耐久性が不十分となるおそれがある。
【００１８】
また、カーボン層Ｃ中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、軌道面１ａ側から表面側に向かうに従って大きくなっていることが好ましい。このようなカーボン層Ｃは、摩擦特性や耐摩耗性がより優れている。
さらに、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであることが好ましい。そして、複合層Ｆ及びカーボン層Ｃの炭素供給源は固体状炭素及び炭化水素系ガスであることが好ましい。
【００１９】
ＤＬＣ中の水素の含有量を調整する方法としては、プラズマＣＶＤやプラズマソースイオン注入法が知られているが、この方法には、金属層を形成することが困難である、金属の量と炭素の量とを連続的に変化させて前述したスパッタリング法のように複合層及び金属層を形成することができないため下地である鋼に対する密着性が不十分である、カーボン層の硬さや弾性率を制御しにくい、というような問題点がある。
【００２０】
また、高真空イオンプレーティング法によるＤＬＣの形成は、炭化水素系ガスによって水素の供給を行うことが困難であるため、問題がある。
非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによれば、上記のような問題点がなく、カーボン層をスパッタリング法で形成する際に、例えば炭素供給源として固体状炭素と炭化水素系ガスとを併用すれば、カーボン層中の水素の含有量を制御することができる。炭化水素系ガスとしては、脂肪族炭化水素系ガス（例えばメタンのようなアルカン系炭化水素ガス）や芳香族炭化水素系ガスが使用可能である。
【００２１】
スパッタ電力を低下させ、炭化水素系ガスの量を増加させれば、水素の含有量の多いカーボン層が得られ、逆にスパッタ電力を増加させ、炭化水素系ガスの量を減少させれば、水素の含有量の少ないカーボン層が得られる。
このように、カーボン層の形成時にアシストガスの量を任意に調整可能であり、また、スパッタ電力及びバイアス電圧もそれぞれ独立に制御でき、しかも金属層及び複合層を形成可能であることから、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによりダイヤモンドライクカーボン膜を形成することが好ましい。
【００２２】
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
例えば、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、軌道面１ａ，軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうちの少なくとも一つに被覆すれば、深溝玉軸受の耐摩耗性及び耐久性を向上させることができる。また、保持器４の表面のうち、内輪１，外輪２，転動体３と接触して摺動する摺動面（例えば転動体３と接触して摺動するポケット面４ａ）に、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄを被覆してもよい。すなわち、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，転動体３の転動面３ａ，及び保持器４の摺動面のうちの少なくとも一つに、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄを被覆してもよい。さらに、深溝玉軸受は、保持器４を備えていない構成としてもよい。
【００２３】
さらに、本実施形態においては転動装置の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、本発明は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。
【００２４】
〔実施例〕
さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。
まず、ボールオンディスク摩擦摩耗試験により、ダイヤモンドライクカーボン膜を備える転がり摺動部材の耐摩耗性を評価した。以下に、試験方法を説明する。
水平にした軸受鋼ＳＵＪ２製の試験平板の上に軸受鋼ＳＵＪ２製の試験球を載置し、試験球に試験平板を押圧する方向の圧力（面圧０．７ＧＰａ）を負荷しながら、真空環境下（真空度４×１０-6Ｐａ）において、試験球を滑り速度０．６ｍ／ｓで水平方向に回転運動させた（回転運動時間は１０ｍｉｎである）。そして、試験平板及び試験球に生じた摩耗の量を測定した。試験平板の摩耗量は、表面粗さ計により測定した摩耗深さにより評価した。また、試験球の摩耗量は、円形の摩耗痕の大きさから算出した。
【００２５】
なお、試験平板は、直径６２ｍｍ，厚さ７ｍｍの円板状である。そして、試験平板の表面には厚さ３ｍｍのダイヤモンドライクカーボン膜が被覆されており、表面粗さは０．００４μｍＲａである。また、試験球は、直径９．５２ｍｍのボールである。さらに、該ボールオンディスク摩擦摩耗試験においては、グリース，潤滑油等の潤滑剤は使用しなかった。
【００２６】
ここで、試験平板の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を形成する方法について説明する。油分を脱脂した試験平板を株式会社神戸製鋼所製のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置５０４（以降はＵＢＭＳ装置と記す）に設置し、アルゴンプラズマによるスパッタリング法を用いて、表面にボンバード処理を１５分間施した。
【００２７】
そして、タングステン及びクロムをターゲットとして、表面にこの２種類の金属をスパッタリングして成膜し、金属層を形成した。次に、この２種類の金属のスパッタリングを続けながら、カーボンをターゲットとした炭素のスパッタリングを開始した。このようなスパッタリングによって、前記２種類の金属と炭素とが結合した金属カーバイドからなる複合層が、金属層の上に形成された。
【００２８】
さらに、前記２種類の金属のスパッタ効率を徐々に減少させながら、炭素のスパッタ効率を徐々に増加させた。この時、試験平板には負のバイアス電圧を印加した。そして、前記２種類の金属のスパッタリングを終了し、炭素のスパッタリングのみとして、複合層の上にダイヤモンドライクカーボンからなるカーボン層を形成した。
【００２９】
炭素のスパッタリングのみを行いカーボン層を形成する際には、カーボンターゲットとして固体状炭素とメタンガスとを使用し、メタンガスの分圧（メタンガスの量）を制御しながらスパッタリングを行った。このようなスパッタリングにおいて、スパッタ電力とメタンガスの量とを調節することにより、カーボン層に含有される水素の量を制御することができる。例えば、スパッタ電力を低下させ、メタンガスの量を増加させれば、水素の含有量の多いカーボン層が得られ、逆にスパッタ電力を増加させ、メタンガスの量を減少させれば、水素の含有量の少ないカーボン層が得られる。
【００３０】
ボールオンディスク摩擦摩耗試験の結果を、図３，４に示す。図３は、カーボン層中の水素の含有量と試験平板の摩耗深さとの関係を示すグラフであり、図４は、カーボン層中の水素の含有量と試験球の摩耗量との関係を示すグラフである。なお、両グラフに示したカーボン層中の水素の含有量とは、カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃである。
【００３１】
図３のグラフから、カーボン層中の水素の含有量が０．５以下であると、試験平板の摩耗深さが小さいことが分かる。また、図４のグラフから、カーボン層中の水素の含有量が０．２以上であると、試験球の摩耗量が小さいことが分かる。これらの結果から、カーボン層中の水素の含有量が０．２以上０．５以下であると、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても、転がり摺動部材の耐摩耗性が優れていることが分かる。
【００３２】
次に、転がり接触面にダイヤモンドライクカーボン膜を被覆した転がり軸受について、高真空環境下において回転試験を行い、耐久性を評価した。以下に、試験方法を説明する。
転がり軸受を高真空環境下（真空度４×１０-6Ｐａ）に配し、アキシアル荷重５０Ｎを負荷しながら回転速度３０００ｒｐｍで回転させた。そして、メータリレーによる負荷電流が過電流に至るまでの時間を寿命とした。
【００３３】
なお、この転がり軸受は内径３０ｍｍ，外径６２ｍｍの深溝玉軸受であり、内輪の軌道面，外輪の軌道面，及び保持器のポケット面に、それぞれ前述のようなダイヤモンドライクカーボン膜が被覆してある。
ダイヤモンドライクカーボン膜の形成は、ＵＢＭＳ装置を用いて、前述とほぼ同様にして行った。ただし、カーボン層の厚さは０．８μｍ、複合層の厚さは１．５μｍであり、金属層及び複合層の金属成分にはクロムを用いた。また、カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃが、転がり接触面側部分と表面側部分とで異なり、転がり接触面側部分のＨ／Ｃは０．２２以上０．３未満、表面側部分のＨ／Ｃは０．３以上０．５以下である。そして、カーボン層の転がり接触面側部分の硬さは２０ＧＰａ以上３０ＧＰａ以下であり、表面側部分の硬さは２ＧＰａ以上４ＧＰａ以下である。
【００３４】
転がり軸受の回転試験の結果を、表１に示す。実施例１〜４の結果から、Ｈ／Ｃが０．３以上０．５以下の部分の厚さが０．７μｍ以上であると、カーボン層の耐摩耗性が優れ、転がり軸受が長寿命であることが分かる。また、実施例５，６の結果から、Ｈ／Ｃが０．２２以上０．３未満の部分の厚さが０．４μｍ以上であると、カーボン層の耐摩耗性が優れ、転がり軸受が長寿命であることが分かる。
【００３５】
【表１】
【００３６】
なお、カーボン層の厚さと硬さは、スパッタリングによるダイヤモンドライクカーボン膜の成膜中に、成膜を一時中断して測定した。厚さは、マスキングにより生じた段差を表面形状測定器により測定した。また、硬さは、株式会社エリオニクス製の超微小押し込み硬さ試験機を用いて測定した。押し込み荷重２０ｍＮの条件で測定し、荷重−除荷曲線から硬さを求めることができる。ただし、厚さ１μｍ以下の薄膜の硬さを測定する場合には、押し込み荷重を０．４〜２０ｍＮに設定し、押し込み深さがカーボン層の厚さの範囲内とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る転動装置の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】図１の深溝玉軸受のうち内輪の軌道面近傍部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
【図３】カーボン層中の水素の含有量と試験平板の摩耗深さとの関係を示すグラフである。
【図４】カーボン層中の水素の含有量と試験球の摩耗量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 転動体
３ａ 転動面
Ｄ ダイヤモンドライクカーボン膜
Ｍ 金属層
Ｆ 複合層
Ｃ カーボン層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潤滑性に優れる転がり摺動部材及び転動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドライクカーボン（以降はＤＬＣと記すこともある）は、その表面硬さがダイヤモンドに準じて高く、表面の摩擦係数は０．２以下と二硫化モリブデンやフッ素樹脂と同様に小さい。このように、ＤＬＣは特異な表面性質を有していることから、転がり摺動部材の新たな潤滑材料として注目されている。そして、化学蒸着法（ＣＶＤ），プラズマＣＶＤ，イオンビーム形成法，イオン蒸着法等によりＤＬＣを形成した軸受が、特許文献１〜６に開示されている。
【０００３】
ＤＬＣは、大気中の水分やガス等を表面に吸着することにより潤滑性が向上し、摩擦係数０．２以下の優れた潤滑性となる性質を備えている。また、その構造上、塑性変形硬さが２０ＧＰａ以上であるため、耐摩耗性に優れている。よって、境界潤滑環境下又は潤滑剤を使用できない環境下で且つ大気中で使用される部材の潤滑に好適である。
【０００４】
ただし、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下では、前述の吸着作用によるＤＬＣの潤滑性の向上が十分には期待できない。そこで、前述の吸着作用が生じなくても優れた潤滑性を有し、水分やガスが十分に存在しない高真空環境下においても潤滑剤として使用可能なＤＬＣが求められていた。
【特許文献１】国際公開第９９／１４５１２号パンフレット
【特許文献２】特開平９−１４４７６４号公報
【特許文献３】特開２０００−１３６８２８号公報
【特許文献４】特開２０００−２０５２７７号公報
【特許文献５】特開２０００−２０５２７９号公報
【特許文献６】特開２０００−２０５２８０号公報
【特許文献７】特開２００１−７２９８６号公報
【非特許文献１】Surface and Coating Technology120-121,p548-554(1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＤＬＣ中の炭素原子同士の結合には、ダイヤモンドの場合と同様のｓｐ2 結合と、グラファイトの場合と同様のｓｐ3 結合とがあり、ｓｐ3 結合は硬さに関係するのに対して、ｓｐ2 結合は大気中では摺動性に関係すると言われている。ただし、高真空環境下においては、ダングリングボンド（未結合手）が存在すると、接触表面が活性になり摩擦，摩耗が進行する。
【０００６】
ＤＬＣ膜中の水素の含有量は、ＤＬＣ膜の製法や成膜条件によって大きく変化し、電気的特性，機械的特性等のＤＬＣ膜の物性にも影響を与える。そして、水素はダングリングボンドのターミネーターとしても働くことから、前述の高真空環境下における摩擦，摩耗を抑制する作用がある。特許文献７には、水素の含有量が３０原子％未満であるＤＬＣ膜を摺動面に被覆した摺動部材が開示されている。
【０００７】
また、プラズマＣＶＤ等の手法を用いて、ダングリングボンドを有する炭素と水素とを結合させて不活性にすることが試みられている（非特許文献１を参照）。
しかしながら、このようなＤＬＣ膜は表面硬さが十分ではなく、摩耗が進行しやすく耐久性が不十分である場合があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有するとともに、優れた耐摩耗性及び耐久性を有する転がり摺動部材及び転動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり摺動部材は、他部材と転がり接触する転がり接触面がダイヤモンドライクカーボン膜で覆われており、前記転がり接触面が鋼で構成された転がり摺動部材において、前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，及びＮｉのうち少なくとも１種の金属からなる金属層と、前記金属層を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層と、炭素からなるカーボン層と、の３つの層で構成され、これらの３つの層は表面側からカーボン層，複合層，金属層の順に配されており、前記カーボン層には水素が含有され、前記カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る請求項２の転がり摺動部材は、請求項１に記載の転がり摺動部材において、前記カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃが、転がり接触面側から表面側に向かうに従って大きくなっていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の転がり摺動部材は、請求項１又は請求項２に記載の転がり摺動部材において、前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであり、前記複合層及び前記カーボン層の炭素供給源は固体状炭素及び炭化水素系ガスであることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る請求項４の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材，前記外方部材，及び前記転動体のうち少なくとも１つを、請求項１〜３のいずれかに記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする。
【００１１】
なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。
また、本発明における内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくボールねじの場合にはねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には案内レール、同じく直動ベアリングの場合には軸をそれぞれ意味する。また、外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同じくリニアガイド装置の場合にはスライダ、同じく直動ベアリングの場合には外筒をそれぞれ意味する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の転がり摺動部材及び転動装置は、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有するとともに、優れた耐摩耗性及び耐久性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る転がり摺動部材及び転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転動装置の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図であり、図２は、図１の深溝玉軸受のうち内輪の軌道面近傍部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
図１の深溝玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体３と、両軌道面１ａ，２ａ間に複数の転動体３を保持する保持器４と、を備えている。
【００１４】
内輪１，外輪２，及び転動体３はＳＵＪ２等の鋼製である。また、図２に示すように、他部材と転がり接触する転がり接触面である内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうち少なくとも１つは、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン膜Ｄで覆われている。そして、このダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、図２に示すように、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，及びＮｉのうち少なくとも１種の金属からなる金属層Ｍと、金属層Ｍを構成する金属と炭素との化合物からなる複合層Ｆと、炭素（ダイヤモンドライクカーボン）からなるカーボン層Ｃと、の３つの層で構成されていて、これらの３つの層は表面側からカーボン層Ｃ，複合層Ｆ，金属層Ｍの順に配されている。さらに、カーボン層Ｃには水素が含有され、カーボン層Ｃ中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下である。なお、図２においては、説明の便宜上、内輪１の軌道面１ａのみにダイヤモンドライクカーボン膜Ｄを設けた図を示してある。
【００１５】
軌道面１ａがダイヤモンドライクカーボン膜Ｄで覆われており、そのダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは水素を含有するカーボン層Ｃを備えているので、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有する。これは、水素によってカーボン層Ｃ（ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄ）の表面が不活性となり、摩擦，摩耗が抑制されるためである。このカーボン層Ｃの厚さは、１μｍ以上であることが好ましい。
【００１６】
また、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、複合層Ｆ及び金属層Ｍを備えている。これらカーボン層Ｃ，複合層Ｆ，金属層Ｍを、スパッタリング法等の手法により連続的に形成すれば、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄと軌道面１ａを構成する鋼とを強固に密着させることができる。なお、スパッタリング法において、カーボンターゲットのスパッタ効率を徐々に増加させるとともに、金属のスパッタ効率を徐々に減少させれば、３つの層を金属層Ｍ，複合層Ｆ，カーボン層Ｃの順に連続的に形成することが可能である。
【００１７】
カーボン層Ｃ中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下である必要があるが、０．２未満であるとカーボン層Ｃの硬さが高く剛性が大きくなるので、相手部材の摩耗を促進するとともに、転がり接触応力に対して変形しにくくなって、その結果剥離が生じやすくなる。一方、０．５超過であるとカーボン層Ｃの硬さが低くなるので、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄが摩耗しやすく耐久性が不十分となるおそれがある。
【００１８】
また、カーボン層Ｃ中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、軌道面１ａ側から表面側に向かうに従って大きくなっていることが好ましい。このようなカーボン層Ｃは、摩擦特性や耐摩耗性がより優れている。
さらに、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであることが好ましい。そして、複合層Ｆ及びカーボン層Ｃの炭素供給源は固体状炭素及び炭化水素系ガスであることが好ましい。
【００１９】
ＤＬＣ中の水素の含有量を調整する方法としては、プラズマＣＶＤやプラズマソースイオン注入法が知られているが、この方法には、金属層を形成することが困難である、金属の量と炭素の量とを連続的に変化させて前述したスパッタリング法のように複合層及び金属層を形成することができないため下地である鋼に対する密着性が不十分である、カーボン層の硬さや弾性率を制御しにくい、というような問題点がある。
【００２０】
また、高真空イオンプレーティング法によるＤＬＣの形成は、炭化水素系ガスによって水素の供給を行うことが困難であるため、問題がある。
非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによれば、上記のような問題点がなく、カーボン層をスパッタリング法で形成する際に、例えば炭素供給源として固体状炭素と炭化水素系ガスとを併用すれば、カーボン層中の水素の含有量を制御することができる。炭化水素系ガスとしては、脂肪族炭化水素系ガス（例えばメタンのようなアルカン系炭化水素ガス）や芳香族炭化水素系ガスが使用可能である。
【００２１】
スパッタ電力を低下させ、炭化水素系ガスの量を増加させれば、水素の含有量の多いカーボン層が得られ、逆にスパッタ電力を増加させ、炭化水素系ガスの量を減少させれば、水素の含有量の少ないカーボン層が得られる。
このように、カーボン層の形成時にアシストガスの量を任意に調整可能であり、また、スパッタ電力及びバイアス電圧もそれぞれ独立に制御でき、しかも金属層及び複合層を形成可能であることから、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによりダイヤモンドライクカーボン膜を形成することが好ましい。
【００２２】
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
例えば、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄは、軌道面１ａ，軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうちの少なくとも一つに被覆すれば、深溝玉軸受の耐摩耗性及び耐久性を向上させることができる。また、保持器４の表面のうち、内輪１，外輪２，転動体３と接触して摺動する摺動面（例えば転動体３と接触して摺動するポケット面４ａ）に、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄを被覆してもよい。すなわち、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，転動体３の転動面３ａ，及び保持器４の摺動面のうちの少なくとも一つに、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｄを被覆してもよい。さらに、深溝玉軸受は、保持器４を備えていない構成としてもよい。
【００２３】
さらに、本実施形態においては転動装置の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、本発明は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。
【００２４】
〔実施例〕
さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。
まず、ボールオンディスク摩擦摩耗試験により、ダイヤモンドライクカーボン膜を備える転がり摺動部材の耐摩耗性を評価した。以下に、試験方法を説明する。
水平にした軸受鋼ＳＵＪ２製の試験平板の上に軸受鋼ＳＵＪ２製の試験球を載置し、試験球に試験平板を押圧する方向の圧力（面圧０．７ＧＰａ）を負荷しながら、真空環境下（真空度４×１０-6Ｐａ）において、試験球を滑り速度０．６ｍ／ｓで水平方向に回転運動させた（回転運動時間は１０ｍｉｎである）。そして、試験平板及び試験球に生じた摩耗の量を測定した。試験平板の摩耗量は、表面粗さ計により測定した摩耗深さにより評価した。また、試験球の摩耗量は、円形の摩耗痕の大きさから算出した。
【００２５】
なお、試験平板は、直径６２ｍｍ，厚さ７ｍｍの円板状である。そして、試験平板の表面には厚さ３ｍｍのダイヤモンドライクカーボン膜が被覆されており、表面粗さは０．００４μｍＲａである。また、試験球は、直径９．５２ｍｍのボールである。さらに、該ボールオンディスク摩擦摩耗試験においては、グリース，潤滑油等の潤滑剤は使用しなかった。
【００２６】
ここで、試験平板の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を形成する方法について説明する。油分を脱脂した試験平板を株式会社神戸製鋼所製のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置５０４（以降はＵＢＭＳ装置と記す）に設置し、アルゴンプラズマによるスパッタリング法を用いて、表面にボンバード処理を１５分間施した。
【００２７】
そして、タングステン及びクロムをターゲットとして、表面にこの２種類の金属をスパッタリングして成膜し、金属層を形成した。次に、この２種類の金属のスパッタリングを続けながら、カーボンをターゲットとした炭素のスパッタリングを開始した。このようなスパッタリングによって、前記２種類の金属と炭素とが結合した金属カーバイドからなる複合層が、金属層の上に形成された。
【００２８】
さらに、前記２種類の金属のスパッタ効率を徐々に減少させながら、炭素のスパッタ効率を徐々に増加させた。この時、試験平板には負のバイアス電圧を印加した。そして、前記２種類の金属のスパッタリングを終了し、炭素のスパッタリングのみとして、複合層の上にダイヤモンドライクカーボンからなるカーボン層を形成した。
【００２９】
炭素のスパッタリングのみを行いカーボン層を形成する際には、カーボンターゲットとして固体状炭素とメタンガスとを使用し、メタンガスの分圧（メタンガスの量）を制御しながらスパッタリングを行った。このようなスパッタリングにおいて、スパッタ電力とメタンガスの量とを調節することにより、カーボン層に含有される水素の量を制御することができる。例えば、スパッタ電力を低下させ、メタンガスの量を増加させれば、水素の含有量の多いカーボン層が得られ、逆にスパッタ電力を増加させ、メタンガスの量を減少させれば、水素の含有量の少ないカーボン層が得られる。
【００３０】
ボールオンディスク摩擦摩耗試験の結果を、図３，４に示す。図３は、カーボン層中の水素の含有量と試験平板の摩耗深さとの関係を示すグラフであり、図４は、カーボン層中の水素の含有量と試験球の摩耗量との関係を示すグラフである。なお、両グラフに示したカーボン層中の水素の含有量とは、カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃである。
【００３１】
図３のグラフから、カーボン層中の水素の含有量が０．５以下であると、試験平板の摩耗深さが小さいことが分かる。また、図４のグラフから、カーボン層中の水素の含有量が０．２以上であると、試験球の摩耗量が小さいことが分かる。これらの結果から、カーボン層中の水素の含有量が０．２以上０．５以下であると、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても、転がり摺動部材の耐摩耗性が優れていることが分かる。
【００３２】
次に、転がり接触面にダイヤモンドライクカーボン膜を被覆した転がり軸受について、高真空環境下において回転試験を行い、耐久性を評価した。以下に、試験方法を説明する。
転がり軸受を高真空環境下（真空度４×１０-6Ｐａ）に配し、アキシアル荷重５０Ｎを負荷しながら回転速度３０００ｒｐｍで回転させた。そして、メータリレーによる負荷電流が過電流に至るまでの時間を寿命とした。
【００３３】
なお、この転がり軸受は内径３０ｍｍ，外径６２ｍｍの深溝玉軸受であり、内輪の軌道面，外輪の軌道面，及び保持器のポケット面に、それぞれ前述のようなダイヤモンドライクカーボン膜が被覆してある。
ダイヤモンドライクカーボン膜の形成は、ＵＢＭＳ装置を用いて、前述とほぼ同様にして行った。ただし、カーボン層の厚さは０．８μｍ、複合層の厚さは１．５μｍであり、金属層及び複合層の金属成分にはクロムを用いた。また、カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃが、転がり接触面側部分と表面側部分とで異なり、転がり接触面側部分のＨ／Ｃは０．２２以上０．３未満、表面側部分のＨ／Ｃは０．３以上０．５以下である。そして、カーボン層の転がり接触面側部分の硬さは２０ＧＰａ以上３０ＧＰａ以下であり、表面側部分の硬さは２ＧＰａ以上４ＧＰａ以下である。
【００３４】
転がり軸受の回転試験の結果を、表１に示す。実施例１〜４の結果から、Ｈ／Ｃが０．３以上０．５以下の部分の厚さが０．７μｍ以上であると、カーボン層の耐摩耗性が優れ、転がり軸受が長寿命であることが分かる。また、実施例５，６の結果から、Ｈ／Ｃが０．２２以上０．３未満の部分の厚さが０．４μｍ以上であると、カーボン層の耐摩耗性が優れ、転がり軸受が長寿命であることが分かる。
【００３５】
【表１】
【００３６】
なお、カーボン層の厚さと硬さは、スパッタリングによるダイヤモンドライクカーボン膜の成膜中に、成膜を一時中断して測定した。厚さは、マスキングにより生じた段差を表面形状測定器により測定した。また、硬さは、株式会社エリオニクス製の超微小押し込み硬さ試験機を用いて測定した。押し込み荷重２０ｍＮの条件で測定し、荷重−除荷曲線から硬さを求めることができる。ただし、厚さ１μｍ以下の薄膜の硬さを測定する場合には、押し込み荷重を０．４〜２０ｍＮに設定し、押し込み深さがカーボン層の厚さの範囲内とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る転動装置の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】図１の深溝玉軸受のうち内輪の軌道面近傍部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
【図３】カーボン層中の水素の含有量と試験平板の摩耗深さとの関係を示すグラフである。
【図４】カーボン層中の水素の含有量と試験球の摩耗量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 転動体
３ａ 転動面
Ｄ ダイヤモンドライクカーボン膜
Ｍ 金属層
Ｆ 複合層
Ｃ カーボン層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
他部材と転がり接触する転がり接触面がダイヤモンドライクカーボン膜で覆われており、前記転がり接触面が鋼で構成された転がり摺動部材において、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，及びＮｉのうち少なくとも１種の金属からなる金属層と、前記金属層を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層と、炭素からなるカーボン層と、の３つの層で構成され、これらの３つの層は表面側からカーボン層，複合層，金属層の順に配されており、
前記カーボン層には水素が含有され、前記カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下であることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項２】
前記カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃが、転がり接触面側から表面側に向かうに従って大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の転がり摺動部材。
【請求項３】
前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであり、前記複合層及び前記カーボン層の炭素供給源は固体状炭素及び炭化水素系ガスであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の転がり摺動部材。
【請求項４】
外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材，前記外方部材，及び前記転動体のうち少なくとも１つを、請求項１〜３のいずれかに記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする転動装置。
【請求項１】
他部材と転がり接触する転がり接触面がダイヤモンドライクカーボン膜で覆われており、前記転がり接触面が鋼で構成された転がり摺動部材において、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，及びＮｉのうち少なくとも１種の金属からなる金属層と、前記金属層を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層と、炭素からなるカーボン層と、の３つの層で構成され、これらの３つの層は表面側からカーボン層，複合層，金属層の順に配されており、
前記カーボン層には水素が含有され、前記カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃは、０．２以上０．５以下であることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項２】
前記カーボン層中の炭素原子の数Ｃと水素原子の数Ｈとの比Ｈ／Ｃが、転がり接触面側から表面側に向かうに従って大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の転がり摺動部材。
【請求項３】
前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであり、前記複合層及び前記カーボン層の炭素供給源は固体状炭素及び炭化水素系ガスであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の転がり摺動部材。
【請求項４】
外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材，前記外方部材，及び前記転動体のうち少なくとも１つを、請求項１〜３のいずれかに記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする転動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−９７８７１（Ｐ２００６−９７８７１Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８７７７６（Ｐ２００４−２８７７７６）
【出願日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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