転がり摺動部材及び転動装置
【課題】大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能な転がり摺動部材及び転動装置を提供する。
【解決手段】スラスト玉軸受の内輪１，外輪２と玉３との接触面においては、内輪１，外輪２，玉３の母材にＤＬＣ層Ｄが被覆されている。ＤＬＣ層Ｄは、炭素からなるカーボン層Ｃと、タングステン及び炭素からなる複合カーボン層ＦＣと、タングステンからなる第一金属層Ｍ１と、タングステン及びクロムからなる複合金属層ＦＭと、クロムからなる第二金属層Ｍ２と、で構成され、これら５層はＤＬＣ層Ｄの表面側から上記の順に配されている。母材のうちＤＬＣ層Ｄが被覆されている部分は、表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下とされている。
【解決手段】スラスト玉軸受の内輪１，外輪２と玉３との接触面においては、内輪１，外輪２，玉３の母材にＤＬＣ層Ｄが被覆されている。ＤＬＣ層Ｄは、炭素からなるカーボン層Ｃと、タングステン及び炭素からなる複合カーボン層ＦＣと、タングステンからなる第一金属層Ｍ１と、タングステン及びクロムからなる複合金属層ＦＭと、クロムからなる第二金属層Ｍ２と、で構成され、これら５層はＤＬＣ層Ｄの表面側から上記の順に配されている。母材のうちＤＬＣ層Ｄが被覆されている部分は、表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下とされている。
【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該転がり摺動部材で構成された転動装置に係り、特に、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能な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、その表面がダイヤモンドに準ずる硬さを有し、摺動抵抗も摩擦係数が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とから、従来から潤滑性材料として使用されている。
例えば、磁気ディスク装置においては、磁気素子又は磁気ディスクの表面に数十オングストロームのＤＬＣ膜を形成することにより、磁気素子と磁気ディスクとの間の潤滑性を高めて磁気ディスクの表面を保護している。
【０００３】
一方、上記のような特異な表面の性質から、ＤＬＣは転がり摺動部材の新たな潤滑性材料として注目されており、近年、軸受への潤滑性の付与に利用されている。
例えば、特許文献１には、軌道輪の軌道面や転動体の表面に金属を含有するＤＬＣ膜を備えた転がり軸受が開示されている。この転がり軸受においては、前記ＤＬＣ膜により接触応力が緩和される。
【０００４】
また、ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法，イオンビーム形成法，イオン化蒸着法，非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリング法等によって、軌道輪の軌道面や転動体の表面にＤＬＣ膜を形成した転がり軸受等の転動装置が知られている（例えば、特許文献２〜７を参照）。
【特許文献１】国際公開ＷＯ９９／１４５１２号公報
【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２００３−５６５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献７に記載の技術によれば、繰り返し応力によるＤＬＣ膜の破損や母材からのＤＬＣ膜の剥離が生じにくいので、転がり軸受等の転動装置は、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても使用可能であるが、さらに大きな接触応力が作用するような条件下での使用を考えると、さらなる改良が望まれる。
上記のような破損が起きる原因としては、以下の２点が考えられる。
【０００６】
まず、１点目は、鋼とＤＬＣ膜との密着性を向上させるために介在された金属中間層の脆性化の問題である。すなわち、金属中間層を構成する金属とＤＬＣ膜を構成する炭素とが結合して脆さを有する金属カーバイドが生成するため、金属中間層が脆性化して、ＤＬＣ膜が破損しやすくなるのである。そして、金属中間層が１種の金属で構成されている場合は金属カーバイドの脆さが大きいため、破損の要因となりやすい。
【０００７】
２点目は、ＤＬＣ膜は、応力が作用しても非常に変形しにくい性質を有しているという問題である。ＤＬＣは硬く高弾性であるので、ステンレス鋼や軸受鋼等のような等価弾性定数の小さい金属材料に被覆されていると、両者の等価弾性定数の違いから、母材の変形にＤＬＣが追従することができずに、ＤＬＣ膜が破損する場合がある。
また、母材とＤＬＣ膜の界面における密着力が不十分であると、ＤＬＣ膜全体が母材から剥離するおそれもある。
【０００８】
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、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能な転がり摺動部材を提供することを課題とする。また、このような転がり摺動部材を備える、潤滑性に優れた転動装置を提供することを併せて課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材において、下記の４つの条件を満足することを特徴とする。
条件１：前記相手部材との接触面においては、鋼製の母材に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている。
【００１０】
条件２：前記母材のうち前記ダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている部分は、表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下である。
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン層は、炭素からなるカーボン層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及び炭素からなる複合カーボン層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属からなる第一金属層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及びクロムからなる複合金属層と、クロムからなる第二金属層と、の５層で構成されている。
【００１１】
条件４：前記５層は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の表面側から前記カーボン層，前記複合カーボン層，前記第一金属層，前記複合金属層，前記第二金属層の順に配されている。
このような転がり摺動部材は、鋼製の母材と前記カーボン層との間に前記複合カーボン層，前記第一金属層，前記複合金属層，及び前記第二金属層が介在しているので、潤滑性に優れた前記ダイヤモンドライクカーボン層（以降においてはＤＬＣ層と記すこともある）と鋼製の母材との密着性が優れている。また、ＤＬＣ層を構成する前記５層同士の密着性も優れている。
【００１２】
また、複合金属層が２種の金属（シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及びクロム）で構成されているので、該金属と炭素とが結合して金属カーバイドが生成されたとしても、金属カーバイドの脆さが小さい。よって、繰り返し応力やせん断力が負荷されてもＤＬＣ層が破損しにくい。
【００１３】
さらに、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下であると、鋼製の母材と第二金属層とが十分な面積で接触できるので、ＤＬＣ層の剥離が生じにくくなる。表面粗さＲａが０．０３μｍ未満であると、母材と第二金属層との接触面積が小さくなるため、十分な密着力が確保できなくなるおそれがある。一方、表面粗さＲａが０．２μｍ超過であると、ＤＬＣ層の最表面の粗さが悪くなり相手部材との接触時にＤＬＣ層の表面に油膜が形成されにくくなるため、ＤＬＣ層の剥離や音響の増大が生じるおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａは０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
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、前記複合カーボン層中の炭素の割合が、前記第一金属層側から前記カーボン層側に向かって徐々に増加していることを特徴とする。
このような構成であれば、ＤＬＣ層と鋼製の母材との密着性がより優れているので、ＤＬＣ層の剥離がより生じにくい。
【００１５】
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層の等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２４０ＧＰａ以下であることを特徴とする。
このような構成であれば、母材である鋼よりもＤＬＣの方が小さい等価弾性定数を有することとなるので、繰り返し応力が作用した際にＤＬＣ層が変形することが可能となる。その結果、母材の変形にＤＬＣ層が追従することが可能となるので、ＤＬＣ層の破損が生じにくい。
【００１６】
ＤＬＣ層の等価弾性定数が２４０ＧＰａ超過であると、鋼よりもＤＬＣ層の方が大きい等価弾性定数を有することとなるので、繰り返し応力が作用した際の母材の変形にＤＬＣ層が追従することが困難となって、ＤＬＣ層の破損が生じやすくなる。一方、１００ＧＰａ未満であると、ＤＬＣ層の硬さが低くなって、摩耗が生じやすくなる。
なお、ＤＬＣ層のような薄膜については、通常の方法では弾性定数を測定することはできないため、本発明においては以下の方法により測定された、弾性定数に準拠する等価弾性定数を用いる。すなわち、押し込み深さを少なくともＤＬＣ層の厚さ内として微小硬度計による測定を行い、得られた荷重−除荷曲線により等価弾性定数を求める。
【００１７】
例えば、ＤＬＣ層の厚さが２μｍ以下である場合は、押し込み荷重を０．４〜５０ｍＮの間で適宜設定して測定を行う。本発明においては、エリオニクス社製の微小硬度計を使用し、押し込み荷重を５０ｍＮとして測定した等価弾性定数を用いる。
この他の等価弾性定数の測定方法としては、フィッシャー社製の微小硬度測定装置を用いる方法がある。この方法においては、（マイクロ）ビッカース硬度計は使用せず、静電容量で制御できる微小硬度計又はナノインデンテータを用いることが望ましい。なおかつ、押し込み深さはＤＬＣ層の厚さ内とする必要がある。そして、前記微小硬度計又はナノインデンテータにより得られた荷重−除荷曲線の弾性変形量から、等価弾性定数を求める。
【００１８】
なお、ＨＲＣ６０の高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）の表面の等価弾性定数を上記の方法により求めると２５０ＧＰａとなり、通常カタログ等に記載されている２１０ＧＰａよりも大きい結果となる。これは、上記の方法が微小な押し込み領域における測定であることから、ＳＵＪ２の表面の加工硬化層の影響を受けるためである。
さらに、本発明に係る請求項４の転がり摺動部材は、請求項１〜３のいずれか一項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層の表面粗さＲａが０．１μｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
このような構成であれば、ＤＬＣ層の最表面の粗さが良好であるため、ＤＬＣ層の潤滑性及び音響性能が良好となる。ＤＬＣ層の表面粗さＲａが０．１μｍ超過であると、相手部材との接触時にＤＬＣ層の表面に油膜が形成されにくくなるため、転がり摺動部材の耐久性が不十分となるおそれがある。
さらに、本発明に係る請求項５の転がり摺動部材は、請求項１〜４のいずれか一項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層は、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を特徴とする。
【００２０】
このような物理的成膜法は、ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法，イオンビーム形成法，イオン化蒸着法等と比較して、好適な等価弾性定数及び強度を有するＤＬＣ層が得られやすいので、転動装置のような大きな接触応力が作用する装置を構成する部品に対して好適である。
以上のように、本発明の転がり摺動部材は、大きな接触応力が作用しても破損しにくい潤滑膜（ＤＬＣ層）を備えているので、大きな接触応力が作用する装置（例えば、転がり軸受等のような転動装置）を構成する部材等に好適に適用することが可能である。また、優れた潤滑性を有しているので、無潤滑下においても好適に使用することが可能である。そして、摩耗や発熱が少ない上、繰り返し応力に対して強く長寿命である。
【００２１】
さらに、本発明に係る請求項６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内面に有して前記内方部材の外側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置された転動体と、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１〜５のいずれか一項に記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする。
【００２２】
このような構成であれば、転動装置を構成する転がり摺動部材のＤＬＣ層は大きな接触応力が作用しても破損しにくいので、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下において使用されても長寿命である。
なお、本発明の転動装置としては、転がり軸受，直動案内軸受（リニアガイド装置），ボールねじ，直動ベアリング等があげられる。
【００２３】
そして、前記内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は内輪、同じく直動案内軸受の場合は案内レール、同じくボールねじの場合はねじ軸、同じく直動ベアリングの場合は軸を、それぞれ意味する。また、前記外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は外輪、同じく直動案内軸受の場合はスライダ、同じくボールねじの場合はナット、同じく直動ベアリングの場合は外筒を、それぞれ意味する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の転がり摺動部材及び転動装置は、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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スラスト玉軸受の構成を示す縦断面図であり、図２は、図１のＡ部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
図１のスラスト玉軸受は、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玉３と、両軌道面１ａ，２ａ間に複数の玉３を軸受の円周方向にわたって等配に保持する保持器４と、を備えている。内輪１，外輪２，及び玉３は、ＳＵＪ２等の鋼製である。
【００２６】
また、内輪１，外輪２と玉３とは相互に転がり接触又はすべり接触し、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び玉３の転動面３ａがその接触面に相当する。これらの接触面においては、内輪１，外輪２，玉３の母材に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層Ｄが被覆されている。そして、母材のうちＤＬＣ層Ｄが被覆されている部分の表面粗さＲａは、０．０３μｍ以上０．２μｍ以下とされている。
【００２７】
さらに、このＤＬＣ層Ｄは、図２に示すように、炭素からなるカーボン層Ｃと、シリコン（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）のうちの１種の金属及び炭素からなる複合カーボン層ＦＣと、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属からなる第一金属層Ｍ１と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及びクロムからなる複合金属層ＦＭと、クロムからなる第二金属層Ｍ２と、の５層で構成されていて、該５層はＤＬＣ層Ｄの表面側からカーボン層Ｃ，複合カーボン層ＦＣ，第一金属層Ｍ１，複合金属層ＦＭ，第二金属層Ｍ２の順に配されている。
【００２８】
なお、ＤＬＣ層Ｄの等価弾性定数は、１００ＧＰａ以上２４０ＧＰａ以下であることが好ましい。また、ＤＬＣ層Ｄの表面粗さＲａ（すなわちカーボン層Ｃの表面粗さＲａ）は、０．１μｍ以下であることが好ましい。
ここで、ＤＬＣ層Ｄを形成する方法について、外輪２を例に説明する。なお、ＤＬＣ層Ｄは、外輪２のみならず、内輪１，玉３や保持器４に形成しても差し支えない。
【００２９】
まず、外輪２の表面のうち軌道面２ａとなる部分の表面粗さＲａを、ショットブラスト処理により調整した。使用した装置は、株式会社不二製作所製のＦＤ−４ＬＤ−５０１型であり、投射材は粒径２０〜３０μｍのスチール製ビーズである。また、ショット条件は、投射圧力が０．４ＭＰａ、投射距離が１５０ｍｍである。そして、処理時間を適宜設定することによって、表面粗さＲａの調整を行った。
【００３０】
なお、投射材の種類，粒径やショット条件は、表面粗さＲａを０．０３μｍ以上０．２μｍ以下に調整可能であれば前述のものに限定されるものではない。また、表面粗さＲａを０．０３μｍ以上０．２μｍ以下に調整可能であれば、ショットブラスト処理に限らず、バレル処理等の他の方法を採用することも可能である。
次に、油分を脱脂した外輪２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を用いて、軌道面２ａにボンバード処理を１５分間施した。
【００３１】
そして、クロムをターゲットとして、母材の表面のうち軌道面２ａとなる部分にクロムをスパッタリングして成膜し、クロムからなる第二金属層Ｍ２を形成した。次に、クロムのスパッタリングを続けながら、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属（以降は、タングステンを使用した場合を例にして説明する）をターゲットとしたスパッタリングを開始した。
【００３２】
このようなスパッタリングによって、タングステン及びクロムからなる複合金属層ＦＭを第二金属層Ｍ２の上に形成した。このスパッタリングの際には、クロムのスパッタ効率を徐々に減少させながら、タングステンのスパッタ効率を徐々に増加させた。そして、クロムのスパッタリングを終了し、タングステンのスパッタリングのみとして、複合金属層ＦＭの上にタングステンからなる第一金属層Ｍ１を形成した。
【００３３】
次に、タングステン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、タングステンと炭素とが結合した金属カーバイドからなる複合カーボン層ＦＣを、第一金属層Ｍ１の上に形成した。さらに、タングステン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。そして、タングステン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、複合カーボン層ＦＣの上にカーボン層Ｃを形成した（ＤＬＣ層Ｄ全体の厚さは２．２μｍとした）。
【００３４】
なお、上記の説明においては、複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１，複合カーボン層ＦＣを構成する金属としてタングステンを使用した例を示したが、シリコン，チタン，又はモリブデンを使用してもよいことは勿論である。また、複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１，複合カーボン層ＦＣに全て同種の金属を使用する必要はなく、これらの層のうち１層に別の金属を使用してもよいし、３層にそれぞれ異なる金属を使用してもよい。
【００３５】
このようなスパッタリングにより成膜を行えば、第二金属層Ｍ２からカーボン層Ｃに向かって、層の組成が連続的に徐々に変化していくＤＬＣ層Ｄを形成することができる。このような構成のＤＬＣ層Ｄは、各層（第二金属層Ｍ２，複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１，複合カーボン層ＦＣ，及びカーボン層Ｃ）の間の密着性が非常に優れているとともに、潤滑性に優れたカーボン層Ｃと母材である鋼との密着性が非常に優れている。
【００３６】
ＵＢＭＳ装置は、スパッタリングに用いるターゲットを複数装着でき、各ターゲットのスパッタ電源を独立に制御することにより、各成分のスパッタ効率を任意に制御することができるので、上記のような成膜に好適である。例えば、上記の場合の複合カーボン層ＦＣ及びカーボン層Ｃを成膜する工程においては、金属ターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を低減させながら、同時にカーボンターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を増加させればよい（このとき、外輪２には負のバイアス電圧を印加する）。
【００３７】
ＤＬＣ層Ｄの等価弾性定数は、外輪２に印加するバイアス電圧を制御するか、又は導入するガスの分圧を制御することにより、変化させることができる。この導入するガス（アルゴン，水素，メタン等の炭化水素系ガス）の種類や分圧比を制御すれば、ＤＬＣ層Ｄの等価弾性定数とともに表面の摺動抵抗を自在にコントロールすることが可能であるので、前記ガスを単独又は混合して導入することにより、目的にあった所望のＤＬＣ層を形成することができる。さらに、ＤＬＣ層Ｄ及び各層（第二金属層Ｍ２，複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１，複合カーボン層ＦＣ，及びカーボン層Ｃ）の厚さは、スパッタ時間により精度よく制御することができる。
【００３８】
ここで、グロー放電発光分析装置（島津製作所株式会社製のＧＤＬＳ−９９５０）を使用して、ＤＬＣ層Ｄを形成する元素を分析した結果を、図３の測定チャートに示す。図３のチャートは、複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１を構成する金属としてタングステンを使用し、複合カーボン層ＦＣを構成する金属としてシリコンを使用したＤＬＣ層Ｄのチャートである。チャートの横軸は表面からの深さを示し、０μｍがＤＬＣ層の表面を意味している。また、縦軸は、その深さ位置における各元素の含有量を示している。
【００３９】
なお、アルゴンガスを使用した放電によって深さ方向の情報を得ているため、母材である鋼とＤＬＣ層Ｄとの界面において、各元素の含有量を示す曲線がブロードとなっている。また、鋼とＤＬＣ層Ｄとの界面が８０００ｎｍ付近に位置していることから、このチャートからはＤＬＣ層Ｄの厚さは約８μｍであることが読み取れるが、この分析法は直径２ｍｍの円形部分について放電発光により分析するため、深さ方向の精度上約８μｍとなって現れるものであって、実際のＤＬＣ層Ｄの厚さは２．２μｍである。
【００４０】
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、本実施形態においては、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによりＤＬＣ層を成膜したが、パルスレーザーアーク蒸着法やプラズマＣＶＤ法等を用いることもできる。ただし、等価弾性定数及び塑性変形硬さ等を独立に制御することが容易な非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングが最も好適である。
【００４１】
また、本実施形態においては、スラスト玉軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は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、深みぞ玉軸受，アンギュラ玉軸受，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、スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
さらに、本実施形態においては、転動装置として転がり軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は、他の様々な種類の転動装置に対して適用することができる。例えば、直動案内軸受，ボールねじ，直動ベアリング等の他の転動装置にも、好適に適用可能である。
【００４２】
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
まず、母材の表面粗さと母材に対するＤＬＣ層の密着性との関係を調査した。鋼製の平板状部材に、前述と同様のショットブラスト処理を施した。そして、処理時間を０〜９０ｓｅｃの間で種々変更することにより、種々の表面粗さＲａを有する平板状部材を製造した。この平板状部材に、ＵＢＭＳ装置を用いて前述と同様にしてＤＬＣ層を形成し、図４に示すようなスクラッチ試験によりＤＬＣ層の密着性を評価した。
【００４３】
スクラッチ試験は、等速度で水平方向に移動する試験片に、垂直荷重を連続負荷したロックウェルＣ型ダイヤモンド圧子を押し込む試験である。スクラッチ試験によりＤＬＣ層全体の剥離が生じたときの垂直荷重を臨界荷重Ｌｃ値とし、このＬｃ値によりＤＬＣ層の密着性を評価した。なお、本試験においては、ＤＬＣ層の剥離時に生じる摩擦力の変動により、ＤＬＣ層の剥離を検出した。
【００４４】
スクラッチ試験の結果を、表１及び図５のグラフに示す。このグラフから分かるように、平板状部材の表面粗さＲａが０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であると、ＤＬＣ層の密着力が大きく、０．０５μｍ以上０．１５μｍ以下であると、ＤＬＣ層の密着力がさらに大きかった。
【００４５】
【表１】
【００４６】
次に、軌道溝を有していない平板状部材を外輪の代わりに用いたことを除いては、図１のスラスト玉軸受とほぼ同様の構成の軸受（内輪の寸法は内径３０ｍｍ、外径６２ｍｍ、厚さ７ｍｍで、軌道面の横断面形状は、玉の直径の５２％の曲率半径を有する円弧状である）において、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａを種々変更したものを用意して、回転試験により表面粗さＲａとＤＬＣ層の耐久性との関係を調査した。なお、この試験においては、ＤＬＣ層は平板状部材の軌道部分（玉と接触する部分）のみに形成し、内輪及び玉には形成しなかった。また、内外輪間に配した玉の数は１１個とした。さらに、回転試験は鉱油中で行い、回転試験の条件は、アキシアル荷重が６００ｋＮ、回転速度が４０００ｒｐｍである。
【００４７】
そして、軸受の支持部に装着したエンデブコ社製の加速度センサーにより振動を測定し、この振動値の増加によりＤＬＣ層の破損を検知した。ＤＬＣ層に破損が生じるまでの軸受の総回転数によって、ＤＬＣ層の耐久性を評価した。
回転試験の結果を、表１及び図６のグラフに示す。なお、表１及び図６のグラフの耐久性の数値は、比較例１の耐久性を１とした場合の相対値で示してある。このグラフから分かるように、表面粗さＲａが０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であると、ＤＬＣ層の耐久性が優れていた。
【００４８】
次に、図１のスラスト玉軸受とほぼ同様の構成の軸受（内輪及び外輪の寸法は内径２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、厚さ１８ｍｍで、軌道面の横断面形状は、玉の直径の５４％の曲率半径を有する円弧状である）において、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａ及びＤＬＣ層の等価弾性定数を種々変更したものを用意して（表２を参照）、回転試験により表面粗さＲａとＤＬＣ層の耐久性（寿命）との関係を調査した。なお、この試験においては、ＤＬＣ層は内輪及び外輪の軌道面のみに形成し、玉の転動面には形成しなかった。
【００４９】
【表２】
【００５０】
２４時間毎に回転試験を中断してＤＬＣ層を観察し、ＤＬＣ層に剥離が生じていないか確認した。剥離が生じていない場合は回転試験を継続し、剥離が生じていた場合は寿命とした。なお、回転試験は、ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８であるタービン油中で行い、回転試験の条件は、アキシアル荷重が８８２０Ｎ、回転速度が１５００ｒｐｍである。
【００５１】
結果を表２及び図７のグラフに示す。なお、表２及び図７のグラフの寿命の数値は、比較例１１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。このグラフから、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下であると、ＤＬＣ層が長寿命であることが分かる。
【００５２】
次に、図１のスラスト玉軸受とほぼ同様の構成の軸受（内輪及び外輪の寸法は内径２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、厚さ１８ｍｍで、軌道面の横断面形状は、玉の直径の５４％の曲率半径を有する円弧状である）において、被覆されたＤＬＣ層の表面粗さＲａ及びＤＬＣ層の等価弾性定数を種々変更したものを用意して（表３を参照）、回転試験により表面粗さＲａと軸受の耐久性（寿命）との関係を調査した。なお、この試験においては、ＤＬＣ層は内輪及び外輪の軌道面のみに形成し、玉の転動面には形成しなかった。
【００５３】
【表３】
【００５４】
回転試験においては軸受の振動値を測定し、この振動値が回転初期の５倍以上となった時点で寿命とした。なお、回転試験は、ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８であるタービン油中で行い、回転試験の条件は、アキシアル荷重が１００００Ｎ、回転速度が１０００ｒｐｍである。
【００５５】
結果を表３及び図８のグラフに示す。なお、表３及び図８のグラフの寿命の数値は、比較例２１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。このグラフから、ＤＬＣ層の表面粗さＲａが０．１μｍ以下であると軸受が長寿命であり、ＤＬＣ層の表面粗さＲａが小さいほどより長寿命であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る転動装置の一実施形態であるスラスト玉軸受の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
【図３】ＤＬＣ層を形成する元素を分析した測定チャートである。
【図４】スクラッチ試験の方法を説明する図である。
【図５】表面粗さＲａと臨界荷重Ｌｃ値との関係を示すグラフである。
【図６】表面粗さＲａとＤＬＣ層の耐久性との関係を示すグラフである。
【図７】母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａとＤＬＣ層の寿命との関係を示すグラフである。
【図８】ＤＬＣ層の表面粗さＲａと軸受の寿命との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 玉
３ａ 転動面
Ｃ カーボン層
Ｄ ダイヤモンドライクカーボン層
ＦＣ 複合カーボン層
ＦＭ 複合金属層
Ｍ１ 第一金属層
Ｍ２ 第二金属層
【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該転がり摺動部材で構成された転動装置に係り、特に、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能な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、その表面がダイヤモンドに準ずる硬さを有し、摺動抵抗も摩擦係数が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とから、従来から潤滑性材料として使用されている。
例えば、磁気ディスク装置においては、磁気素子又は磁気ディスクの表面に数十オングストロームのＤＬＣ膜を形成することにより、磁気素子と磁気ディスクとの間の潤滑性を高めて磁気ディスクの表面を保護している。
【０００３】
一方、上記のような特異な表面の性質から、ＤＬＣは転がり摺動部材の新たな潤滑性材料として注目されており、近年、軸受への潤滑性の付与に利用されている。
例えば、特許文献１には、軌道輪の軌道面や転動体の表面に金属を含有するＤＬＣ膜を備えた転がり軸受が開示されている。この転がり軸受においては、前記ＤＬＣ膜により接触応力が緩和される。
【０００４】
また、ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法，イオンビーム形成法，イオン化蒸着法，非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリング法等によって、軌道輪の軌道面や転動体の表面にＤＬＣ膜を形成した転がり軸受等の転動装置が知られている（例えば、特許文献２〜７を参照）。
【特許文献１】国際公開ＷＯ９９／１４５１２号公報
【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２００３−５６５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献７に記載の技術によれば、繰り返し応力によるＤＬＣ膜の破損や母材からのＤＬＣ膜の剥離が生じにくいので、転がり軸受等の転動装置は、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても使用可能であるが、さらに大きな接触応力が作用するような条件下での使用を考えると、さらなる改良が望まれる。
上記のような破損が起きる原因としては、以下の２点が考えられる。
【０００６】
まず、１点目は、鋼とＤＬＣ膜との密着性を向上させるために介在された金属中間層の脆性化の問題である。すなわち、金属中間層を構成する金属とＤＬＣ膜を構成する炭素とが結合して脆さを有する金属カーバイドが生成するため、金属中間層が脆性化して、ＤＬＣ膜が破損しやすくなるのである。そして、金属中間層が１種の金属で構成されている場合は金属カーバイドの脆さが大きいため、破損の要因となりやすい。
【０００７】
２点目は、ＤＬＣ膜は、応力が作用しても非常に変形しにくい性質を有しているという問題である。ＤＬＣは硬く高弾性であるので、ステンレス鋼や軸受鋼等のような等価弾性定数の小さい金属材料に被覆されていると、両者の等価弾性定数の違いから、母材の変形にＤＬＣが追従することができずに、ＤＬＣ膜が破損する場合がある。
また、母材とＤＬＣ膜の界面における密着力が不十分であると、ＤＬＣ膜全体が母材から剥離するおそれもある。
【０００８】
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、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能な転がり摺動部材を提供することを課題とする。また、このような転がり摺動部材を備える、潤滑性に優れた転動装置を提供することを併せて課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材において、下記の４つの条件を満足することを特徴とする。
条件１：前記相手部材との接触面においては、鋼製の母材に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている。
【００１０】
条件２：前記母材のうち前記ダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている部分は、表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下である。
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン層は、炭素からなるカーボン層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及び炭素からなる複合カーボン層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属からなる第一金属層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及びクロムからなる複合金属層と、クロムからなる第二金属層と、の５層で構成されている。
【００１１】
条件４：前記５層は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の表面側から前記カーボン層，前記複合カーボン層，前記第一金属層，前記複合金属層，前記第二金属層の順に配されている。
このような転がり摺動部材は、鋼製の母材と前記カーボン層との間に前記複合カーボン層，前記第一金属層，前記複合金属層，及び前記第二金属層が介在しているので、潤滑性に優れた前記ダイヤモンドライクカーボン層（以降においてはＤＬＣ層と記すこともある）と鋼製の母材との密着性が優れている。また、ＤＬＣ層を構成する前記５層同士の密着性も優れている。
【００１２】
また、複合金属層が２種の金属（シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及びクロム）で構成されているので、該金属と炭素とが結合して金属カーバイドが生成されたとしても、金属カーバイドの脆さが小さい。よって、繰り返し応力やせん断力が負荷されてもＤＬＣ層が破損しにくい。
【００１３】
さらに、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下であると、鋼製の母材と第二金属層とが十分な面積で接触できるので、ＤＬＣ層の剥離が生じにくくなる。表面粗さＲａが０．０３μｍ未満であると、母材と第二金属層との接触面積が小さくなるため、十分な密着力が確保できなくなるおそれがある。一方、表面粗さＲａが０．２μｍ超過であると、ＤＬＣ層の最表面の粗さが悪くなり相手部材との接触時にＤＬＣ層の表面に油膜が形成されにくくなるため、ＤＬＣ層の剥離や音響の増大が生じるおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａは０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
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、前記複合カーボン層中の炭素の割合が、前記第一金属層側から前記カーボン層側に向かって徐々に増加していることを特徴とする。
このような構成であれば、ＤＬＣ層と鋼製の母材との密着性がより優れているので、ＤＬＣ層の剥離がより生じにくい。
【００１５】
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層の等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２４０ＧＰａ以下であることを特徴とする。
このような構成であれば、母材である鋼よりもＤＬＣの方が小さい等価弾性定数を有することとなるので、繰り返し応力が作用した際にＤＬＣ層が変形することが可能となる。その結果、母材の変形にＤＬＣ層が追従することが可能となるので、ＤＬＣ層の破損が生じにくい。
【００１６】
ＤＬＣ層の等価弾性定数が２４０ＧＰａ超過であると、鋼よりもＤＬＣ層の方が大きい等価弾性定数を有することとなるので、繰り返し応力が作用した際の母材の変形にＤＬＣ層が追従することが困難となって、ＤＬＣ層の破損が生じやすくなる。一方、１００ＧＰａ未満であると、ＤＬＣ層の硬さが低くなって、摩耗が生じやすくなる。
なお、ＤＬＣ層のような薄膜については、通常の方法では弾性定数を測定することはできないため、本発明においては以下の方法により測定された、弾性定数に準拠する等価弾性定数を用いる。すなわち、押し込み深さを少なくともＤＬＣ層の厚さ内として微小硬度計による測定を行い、得られた荷重−除荷曲線により等価弾性定数を求める。
【００１７】
例えば、ＤＬＣ層の厚さが２μｍ以下である場合は、押し込み荷重を０．４〜５０ｍＮの間で適宜設定して測定を行う。本発明においては、エリオニクス社製の微小硬度計を使用し、押し込み荷重を５０ｍＮとして測定した等価弾性定数を用いる。
この他の等価弾性定数の測定方法としては、フィッシャー社製の微小硬度測定装置を用いる方法がある。この方法においては、（マイクロ）ビッカース硬度計は使用せず、静電容量で制御できる微小硬度計又はナノインデンテータを用いることが望ましい。なおかつ、押し込み深さはＤＬＣ層の厚さ内とする必要がある。そして、前記微小硬度計又はナノインデンテータにより得られた荷重−除荷曲線の弾性変形量から、等価弾性定数を求める。
【００１８】
なお、ＨＲＣ６０の高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）の表面の等価弾性定数を上記の方法により求めると２５０ＧＰａとなり、通常カタログ等に記載されている２１０ＧＰａよりも大きい結果となる。これは、上記の方法が微小な押し込み領域における測定であることから、ＳＵＪ２の表面の加工硬化層の影響を受けるためである。
さらに、本発明に係る請求項４の転がり摺動部材は、請求項１〜３のいずれか一項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層の表面粗さＲａが０．１μｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
このような構成であれば、ＤＬＣ層の最表面の粗さが良好であるため、ＤＬＣ層の潤滑性及び音響性能が良好となる。ＤＬＣ層の表面粗さＲａが０．１μｍ超過であると、相手部材との接触時にＤＬＣ層の表面に油膜が形成されにくくなるため、転がり摺動部材の耐久性が不十分となるおそれがある。
さらに、本発明に係る請求項５の転がり摺動部材は、請求項１〜４のいずれか一項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層は、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を特徴とする。
【００２０】
このような物理的成膜法は、ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法，イオンビーム形成法，イオン化蒸着法等と比較して、好適な等価弾性定数及び強度を有するＤＬＣ層が得られやすいので、転動装置のような大きな接触応力が作用する装置を構成する部品に対して好適である。
以上のように、本発明の転がり摺動部材は、大きな接触応力が作用しても破損しにくい潤滑膜（ＤＬＣ層）を備えているので、大きな接触応力が作用する装置（例えば、転がり軸受等のような転動装置）を構成する部材等に好適に適用することが可能である。また、優れた潤滑性を有しているので、無潤滑下においても好適に使用することが可能である。そして、摩耗や発熱が少ない上、繰り返し応力に対して強く長寿命である。
【００２１】
さらに、本発明に係る請求項６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内面に有して前記内方部材の外側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置された転動体と、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１〜５のいずれか一項に記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする。
【００２２】
このような構成であれば、転動装置を構成する転がり摺動部材のＤＬＣ層は大きな接触応力が作用しても破損しにくいので、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下において使用されても長寿命である。
なお、本発明の転動装置としては、転がり軸受，直動案内軸受（リニアガイド装置），ボールねじ，直動ベアリング等があげられる。
【００２３】
そして、前記内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は内輪、同じく直動案内軸受の場合は案内レール、同じくボールねじの場合はねじ軸、同じく直動ベアリングの場合は軸を、それぞれ意味する。また、前記外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は外輪、同じく直動案内軸受の場合はスライダ、同じくボールねじの場合はナット、同じく直動ベアリングの場合は外筒を、それぞれ意味する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の転がり摺動部材及び転動装置は、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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スラスト玉軸受の構成を示す縦断面図であり、図２は、図１のＡ部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
図１のスラスト玉軸受は、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玉３と、両軌道面１ａ，２ａ間に複数の玉３を軸受の円周方向にわたって等配に保持する保持器４と、を備えている。内輪１，外輪２，及び玉３は、ＳＵＪ２等の鋼製である。
【００２６】
また、内輪１，外輪２と玉３とは相互に転がり接触又はすべり接触し、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び玉３の転動面３ａがその接触面に相当する。これらの接触面においては、内輪１，外輪２，玉３の母材に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層Ｄが被覆されている。そして、母材のうちＤＬＣ層Ｄが被覆されている部分の表面粗さＲａは、０．０３μｍ以上０．２μｍ以下とされている。
【００２７】
さらに、このＤＬＣ層Ｄは、図２に示すように、炭素からなるカーボン層Ｃと、シリコン（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）のうちの１種の金属及び炭素からなる複合カーボン層ＦＣと、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属からなる第一金属層Ｍ１と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及びクロムからなる複合金属層ＦＭと、クロムからなる第二金属層Ｍ２と、の５層で構成されていて、該５層はＤＬＣ層Ｄの表面側からカーボン層Ｃ，複合カーボン層ＦＣ，第一金属層Ｍ１，複合金属層ＦＭ，第二金属層Ｍ２の順に配されている。
【００２８】
なお、ＤＬＣ層Ｄの等価弾性定数は、１００ＧＰａ以上２４０ＧＰａ以下であることが好ましい。また、ＤＬＣ層Ｄの表面粗さＲａ（すなわちカーボン層Ｃの表面粗さＲａ）は、０．１μｍ以下であることが好ましい。
ここで、ＤＬＣ層Ｄを形成する方法について、外輪２を例に説明する。なお、ＤＬＣ層Ｄは、外輪２のみならず、内輪１，玉３や保持器４に形成しても差し支えない。
【００２９】
まず、外輪２の表面のうち軌道面２ａとなる部分の表面粗さＲａを、ショットブラスト処理により調整した。使用した装置は、株式会社不二製作所製のＦＤ−４ＬＤ−５０１型であり、投射材は粒径２０〜３０μｍのスチール製ビーズである。また、ショット条件は、投射圧力が０．４ＭＰａ、投射距離が１５０ｍｍである。そして、処理時間を適宜設定することによって、表面粗さＲａの調整を行った。
【００３０】
なお、投射材の種類，粒径やショット条件は、表面粗さＲａを０．０３μｍ以上０．２μｍ以下に調整可能であれば前述のものに限定されるものではない。また、表面粗さＲａを０．０３μｍ以上０．２μｍ以下に調整可能であれば、ショットブラスト処理に限らず、バレル処理等の他の方法を採用することも可能である。
次に、油分を脱脂した外輪２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を用いて、軌道面２ａにボンバード処理を１５分間施した。
【００３１】
そして、クロムをターゲットとして、母材の表面のうち軌道面２ａとなる部分にクロムをスパッタリングして成膜し、クロムからなる第二金属層Ｍ２を形成した。次に、クロムのスパッタリングを続けながら、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属（以降は、タングステンを使用した場合を例にして説明する）をターゲットとしたスパッタリングを開始した。
【００３２】
このようなスパッタリングによって、タングステン及びクロムからなる複合金属層ＦＭを第二金属層Ｍ２の上に形成した。このスパッタリングの際には、クロムのスパッタ効率を徐々に減少させながら、タングステンのスパッタ効率を徐々に増加させた。そして、クロムのスパッタリングを終了し、タングステンのスパッタリングのみとして、複合金属層ＦＭの上にタングステンからなる第一金属層Ｍ１を形成した。
【００３３】
次に、タングステン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、タングステンと炭素とが結合した金属カーバイドからなる複合カーボン層ＦＣを、第一金属層Ｍ１の上に形成した。さらに、タングステン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。そして、タングステン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、複合カーボン層ＦＣの上にカーボン層Ｃを形成した（ＤＬＣ層Ｄ全体の厚さは２．２μｍとした）。
【００３４】
なお、上記の説明においては、複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１，複合カーボン層ＦＣを構成する金属としてタングステンを使用した例を示したが、シリコン，チタン，又はモリブデンを使用してもよいことは勿論である。また、複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１，複合カーボン層ＦＣに全て同種の金属を使用する必要はなく、これらの層のうち１層に別の金属を使用してもよいし、３層にそれぞれ異なる金属を使用してもよい。
【００３５】
このようなスパッタリングにより成膜を行えば、第二金属層Ｍ２からカーボン層Ｃに向かって、層の組成が連続的に徐々に変化していくＤＬＣ層Ｄを形成することができる。このような構成のＤＬＣ層Ｄは、各層（第二金属層Ｍ２，複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１，複合カーボン層ＦＣ，及びカーボン層Ｃ）の間の密着性が非常に優れているとともに、潤滑性に優れたカーボン層Ｃと母材である鋼との密着性が非常に優れている。
【００３６】
ＵＢＭＳ装置は、スパッタリングに用いるターゲットを複数装着でき、各ターゲットのスパッタ電源を独立に制御することにより、各成分のスパッタ効率を任意に制御することができるので、上記のような成膜に好適である。例えば、上記の場合の複合カーボン層ＦＣ及びカーボン層Ｃを成膜する工程においては、金属ターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を低減させながら、同時にカーボンターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を増加させればよい（このとき、外輪２には負のバイアス電圧を印加する）。
【００３７】
ＤＬＣ層Ｄの等価弾性定数は、外輪２に印加するバイアス電圧を制御するか、又は導入するガスの分圧を制御することにより、変化させることができる。この導入するガス（アルゴン，水素，メタン等の炭化水素系ガス）の種類や分圧比を制御すれば、ＤＬＣ層Ｄの等価弾性定数とともに表面の摺動抵抗を自在にコントロールすることが可能であるので、前記ガスを単独又は混合して導入することにより、目的にあった所望のＤＬＣ層を形成することができる。さらに、ＤＬＣ層Ｄ及び各層（第二金属層Ｍ２，複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１，複合カーボン層ＦＣ，及びカーボン層Ｃ）の厚さは、スパッタ時間により精度よく制御することができる。
【００３８】
ここで、グロー放電発光分析装置（島津製作所株式会社製のＧＤＬＳ−９９５０）を使用して、ＤＬＣ層Ｄを形成する元素を分析した結果を、図３の測定チャートに示す。図３のチャートは、複合金属層ＦＭ，第一金属層Ｍ１を構成する金属としてタングステンを使用し、複合カーボン層ＦＣを構成する金属としてシリコンを使用したＤＬＣ層Ｄのチャートである。チャートの横軸は表面からの深さを示し、０μｍがＤＬＣ層の表面を意味している。また、縦軸は、その深さ位置における各元素の含有量を示している。
【００３９】
なお、アルゴンガスを使用した放電によって深さ方向の情報を得ているため、母材である鋼とＤＬＣ層Ｄとの界面において、各元素の含有量を示す曲線がブロードとなっている。また、鋼とＤＬＣ層Ｄとの界面が８０００ｎｍ付近に位置していることから、このチャートからはＤＬＣ層Ｄの厚さは約８μｍであることが読み取れるが、この分析法は直径２ｍｍの円形部分について放電発光により分析するため、深さ方向の精度上約８μｍとなって現れるものであって、実際のＤＬＣ層Ｄの厚さは２．２μｍである。
【００４０】
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、本実施形態においては、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによりＤＬＣ層を成膜したが、パルスレーザーアーク蒸着法やプラズマＣＶＤ法等を用いることもできる。ただし、等価弾性定数及び塑性変形硬さ等を独立に制御することが容易な非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングが最も好適である。
【００４１】
また、本実施形態においては、スラスト玉軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は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、深みぞ玉軸受，アンギュラ玉軸受，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、スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
さらに、本実施形態においては、転動装置として転がり軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は、他の様々な種類の転動装置に対して適用することができる。例えば、直動案内軸受，ボールねじ，直動ベアリング等の他の転動装置にも、好適に適用可能である。
【００４２】
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
まず、母材の表面粗さと母材に対するＤＬＣ層の密着性との関係を調査した。鋼製の平板状部材に、前述と同様のショットブラスト処理を施した。そして、処理時間を０〜９０ｓｅｃの間で種々変更することにより、種々の表面粗さＲａを有する平板状部材を製造した。この平板状部材に、ＵＢＭＳ装置を用いて前述と同様にしてＤＬＣ層を形成し、図４に示すようなスクラッチ試験によりＤＬＣ層の密着性を評価した。
【００４３】
スクラッチ試験は、等速度で水平方向に移動する試験片に、垂直荷重を連続負荷したロックウェルＣ型ダイヤモンド圧子を押し込む試験である。スクラッチ試験によりＤＬＣ層全体の剥離が生じたときの垂直荷重を臨界荷重Ｌｃ値とし、このＬｃ値によりＤＬＣ層の密着性を評価した。なお、本試験においては、ＤＬＣ層の剥離時に生じる摩擦力の変動により、ＤＬＣ層の剥離を検出した。
【００４４】
スクラッチ試験の結果を、表１及び図５のグラフに示す。このグラフから分かるように、平板状部材の表面粗さＲａが０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であると、ＤＬＣ層の密着力が大きく、０．０５μｍ以上０．１５μｍ以下であると、ＤＬＣ層の密着力がさらに大きかった。
【００４５】
【表１】
【００４６】
次に、軌道溝を有していない平板状部材を外輪の代わりに用いたことを除いては、図１のスラスト玉軸受とほぼ同様の構成の軸受（内輪の寸法は内径３０ｍｍ、外径６２ｍｍ、厚さ７ｍｍで、軌道面の横断面形状は、玉の直径の５２％の曲率半径を有する円弧状である）において、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａを種々変更したものを用意して、回転試験により表面粗さＲａとＤＬＣ層の耐久性との関係を調査した。なお、この試験においては、ＤＬＣ層は平板状部材の軌道部分（玉と接触する部分）のみに形成し、内輪及び玉には形成しなかった。また、内外輪間に配した玉の数は１１個とした。さらに、回転試験は鉱油中で行い、回転試験の条件は、アキシアル荷重が６００ｋＮ、回転速度が４０００ｒｐｍである。
【００４７】
そして、軸受の支持部に装着したエンデブコ社製の加速度センサーにより振動を測定し、この振動値の増加によりＤＬＣ層の破損を検知した。ＤＬＣ層に破損が生じるまでの軸受の総回転数によって、ＤＬＣ層の耐久性を評価した。
回転試験の結果を、表１及び図６のグラフに示す。なお、表１及び図６のグラフの耐久性の数値は、比較例１の耐久性を１とした場合の相対値で示してある。このグラフから分かるように、表面粗さＲａが０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であると、ＤＬＣ層の耐久性が優れていた。
【００４８】
次に、図１のスラスト玉軸受とほぼ同様の構成の軸受（内輪及び外輪の寸法は内径２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、厚さ１８ｍｍで、軌道面の横断面形状は、玉の直径の５４％の曲率半径を有する円弧状である）において、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａ及びＤＬＣ層の等価弾性定数を種々変更したものを用意して（表２を参照）、回転試験により表面粗さＲａとＤＬＣ層の耐久性（寿命）との関係を調査した。なお、この試験においては、ＤＬＣ層は内輪及び外輪の軌道面のみに形成し、玉の転動面には形成しなかった。
【００４９】
【表２】
【００５０】
２４時間毎に回転試験を中断してＤＬＣ層を観察し、ＤＬＣ層に剥離が生じていないか確認した。剥離が生じていない場合は回転試験を継続し、剥離が生じていた場合は寿命とした。なお、回転試験は、ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８であるタービン油中で行い、回転試験の条件は、アキシアル荷重が８８２０Ｎ、回転速度が１５００ｒｐｍである。
【００５１】
結果を表２及び図７のグラフに示す。なお、表２及び図７のグラフの寿命の数値は、比較例１１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。このグラフから、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下であると、ＤＬＣ層が長寿命であることが分かる。
【００５２】
次に、図１のスラスト玉軸受とほぼ同様の構成の軸受（内輪及び外輪の寸法は内径２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、厚さ１８ｍｍで、軌道面の横断面形状は、玉の直径の５４％の曲率半径を有する円弧状である）において、被覆されたＤＬＣ層の表面粗さＲａ及びＤＬＣ層の等価弾性定数を種々変更したものを用意して（表３を参照）、回転試験により表面粗さＲａと軸受の耐久性（寿命）との関係を調査した。なお、この試験においては、ＤＬＣ層は内輪及び外輪の軌道面のみに形成し、玉の転動面には形成しなかった。
【００５３】
【表３】
【００５４】
回転試験においては軸受の振動値を測定し、この振動値が回転初期の５倍以上となった時点で寿命とした。なお、回転試験は、ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８であるタービン油中で行い、回転試験の条件は、アキシアル荷重が１００００Ｎ、回転速度が１０００ｒｐｍである。
【００５５】
結果を表３及び図８のグラフに示す。なお、表３及び図８のグラフの寿命の数値は、比較例２１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。このグラフから、ＤＬＣ層の表面粗さＲａが０．１μｍ以下であると軸受が長寿命であり、ＤＬＣ層の表面粗さＲａが小さいほどより長寿命であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る転動装置の一実施形態であるスラスト玉軸受の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
【図３】ＤＬＣ層を形成する元素を分析した測定チャートである。
【図４】スクラッチ試験の方法を説明する図である。
【図５】表面粗さＲａと臨界荷重Ｌｃ値との関係を示すグラフである。
【図６】表面粗さＲａとＤＬＣ層の耐久性との関係を示すグラフである。
【図７】母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａとＤＬＣ層の寿命との関係を示すグラフである。
【図８】ＤＬＣ層の表面粗さＲａと軸受の寿命との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 玉
３ａ 転動面
Ｃ カーボン層
Ｄ ダイヤモンドライクカーボン層
ＦＣ 複合カーボン層
ＦＭ 複合金属層
Ｍ１ 第一金属層
Ｍ２ 第二金属層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材において、下記の４つの条件を満足することを特徴とする転がり摺動部材。
条件１：前記相手部材との接触面においては、鋼製の母材に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている。
条件２：前記母材のうち前記ダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている部分は、表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下である。
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン層は、炭素からなるカーボン層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及び炭素からなる複合カーボン層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属からなる第一金属層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及びクロムからなる複合金属層と、クロムからなる第二金属層と、の５層で構成されている。
条件４：前記５層は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の表面側から前記カーボン層，前記複合カーボン層，前記第一金属層，前記複合金属層，前記第二金属層の順に配されている。
【請求項２】
前記複合カーボン層中の炭素の割合が、前記第一金属層側から前記カーボン層側に向かって徐々に増加し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層の等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２４０ＧＰａ以下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】
前記ダイヤモンドライクカーボン層の表面粗さＲａが０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の転がり摺動部材。
【請求項５】
前記ダイヤモンドライクカーボン層は、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を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の転がり摺動部材。
【請求項６】
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内面に有して前記内方部材の外側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置された転動体と、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１〜５のいずれか一項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】
相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材において、下記の４つの条件を満足することを特徴とする転がり摺動部材。
条件１：前記相手部材との接触面においては、鋼製の母材に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている。
条件２：前記母材のうち前記ダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている部分は、表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．２μｍ以下である。
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン層は、炭素からなるカーボン層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及び炭素からなる複合カーボン層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属からなる第一金属層と、シリコン，チタン，タングステン，モリブデンのうちの１種の金属及びクロムからなる複合金属層と、クロムからなる第二金属層と、の５層で構成されている。
条件４：前記５層は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の表面側から前記カーボン層，前記複合カーボン層，前記第一金属層，前記複合金属層，前記第二金属層の順に配されている。
【請求項２】
前記複合カーボン層中の炭素の割合が、前記第一金属層側から前記カーボン層側に向かって徐々に増加し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層の等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２４０ＧＰａ以下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】
前記ダイヤモンドライクカーボン層の表面粗さＲａが０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の転がり摺動部材。
【請求項５】
前記ダイヤモンドライクカーボン層は、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を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の転がり摺動部材。
【請求項６】
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内面に有して前記内方部材の外側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置された転動体と、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１〜５のいずれか一項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５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−８２４２７（Ｐ２００８−８２４２７Ａ）
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６２５７４（Ｐ２００６−２６２５７４）
【出願日】平成１８年９月２７日（２００６．９．２７）
【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２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２７日（２００６．９．２７）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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