転がり摺動部材及び鋼管成形ロール用軸受
【課題】転がり摺動強度に優れた転がり摺動部材及び鋼管成型ロール軸受を提供する。
【解決手段】転がり軸受の外輪外径面に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を被覆し、１）ＤＬＣ層は外輪外径面の母材に被覆され、２）母材のＤＬＣ層が被覆される部分の表面粗さＲａが０．００６μｍ以上０．４μｍ以下で、３）ＤＬＣ層は、表面側から、主に炭素（Ｃ）からなるカーボン層（Ｄ５）、複合カーボン層（Ｄ４）、中間層（Ｄ３）、複合金属層（Ｄ２）、主にクロム（Ｃｒ）からなる金属層（Ｄ１）の５つの層を順に積層してなり、４）ＤＬＣ層のカーボン層（Ｄ５）の厚さが０．５μｍ以上３．０μｍ以下で、５）ＤＬＣ層の等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下である。
【解決手段】転がり軸受の外輪外径面に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を被覆し、１）ＤＬＣ層は外輪外径面の母材に被覆され、２）母材のＤＬＣ層が被覆される部分の表面粗さＲａが０．００６μｍ以上０．４μｍ以下で、３）ＤＬＣ層は、表面側から、主に炭素（Ｃ）からなるカーボン層（Ｄ５）、複合カーボン層（Ｄ４）、中間層（Ｄ３）、複合金属層（Ｄ２）、主にクロム（Ｃｒ）からなる金属層（Ｄ１）の５つの層を順に積層してなり、４）ＤＬＣ層のカーボン層（Ｄ５）の厚さが０．５μｍ以上３．０μｍ以下で、５）ＤＬＣ層の等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり摺動部材及び鋼管成形ロール用軸受に関するものであり、特に鋼板を曲げて鋼管を成型する際に軸受の外輪外径を直接案内面として用いる転がり摺動部材及び鋼管成形ロール用軸受に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
このような鋼管成形ロールには、鋼板或いは鋼管の通板に伴う回転（転がり）と鋼板の曲げ変形に伴う摺動とが同時に発生するため、その外周面には転がり摺動部材としての強度が必要となる。このような転がり摺動強度を要求される鋼管成形ロールとしては、例えば下記特許文献１に記載されるように、工具鋼を基材とする鋼管成形ロールの表面にセラミックス被膜を成膜することで、当該鋼管成形ロールの表面強度を向上する先行技術がある。
【特許文献１】特許第３０９１８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、近年の鋼管成形速度の増加に伴い、より一層、転がり摺動強度に優れる鋼管成形ロールが要求されている。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、転がり摺動強度に優れた転がり摺動部材及び鋼管成形ロール用軸受を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、本発明の転がり摺動部材は、外輪外径面に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されていることを特徴とするものである。
また、本発明の転がり摺動部材は、下記の５つの条件を満足することを特徴とするものである。
条件１：外輪外径面の母材に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されている。
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０．００６μｍ以上０．４μｍ以下である。
【０００５】
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン被膜は、表面側から、主に炭素（Ｃ）からなるカーボン層（Ｄ５）、主にタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはシリコン（Ｓｉ）のうち何れか一種以上の元素と炭素（Ｃ）とからなる複合カーボン層（Ｄ４）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）のうち何れか一種以上の元素からなる中間層（Ｄ３）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはチタン（Ｔｉ）のうち何れか一種以上の元素とクロム（Ｃｒ）とからなる複合金属層（Ｄ２）、主にクロム（Ｃｒ）からなる金属層（Ｄ１）の５つの層を順に積層してなる。
【０００６】
条件４：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さが、０．５μｍ以上３．０μｍ以下である。
条件５：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２８０ＧＰａ以下である。
また、本発明の転がり摺動部材は、前記複合カーボン層（Ｄ４）中の炭素の割合が、前記金属層（Ｄ１）側から前記カーボン層（Ｄ５）に向かって徐々に増加していることを特徴とするものである。
また、本発明の転がり摺動部材は、更に下記の条件６を満足することを特徴とするものである。
【０００７】
条件６：前記母材の等価弾性定数ｅに対する、前記ダイヤモンドライクカーボン層の各層の等価弾性定数（カーボン層（Ｄ５：ｅ５）、カーボン複合層（Ｄ４：ｅ４）、中間層（Ｄ３：ｅ３）、金属複合層（Ｄ２：ｅ２）、金属層（Ｄ１：ｅ１）との間には、以下の関係が成り立つ。
０．６≦ｅ５／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ４／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ３／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ２／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ１／ｅ≦１．５
【０００８】
また、本発明の転がり摺動部材は、更に下記の条件７を満足することを特徴とするものである。
条件７：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５に対する、前記複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、前記中間層（Ｄ３）の厚さｔ３と、前記複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２と、前記金属層（Ｄ１）の厚さｔ１との間には、以下の関係が成り立つ。
０．１≦ｔ４／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ３／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ２／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ１／ｔ５≦０．３
【０００９】
また、本発明の転がり摺動部材は、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ものである。
また、本発明の転がり摺動部材は、前記ダイヤモンドライクカーボン層は、その最表面の表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とするものである。
また、本発明の転がり摺動部材は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の等価弾性定数は、前記母材の等価弾性定数の０．６以上１．５倍以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の転がり摺動部材は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、金属層（Ｄ１）の厚さｔ１の比ｔ４／ｔ１は、０．２５以上１．０以下の範囲であることを特徴とするものである。
また、本発明の鋼管成形ロール軸受は、鋼板から鋼管を成型する際に軸受の外輪外径を直接案内面として用いる転がり軸受において、その外輪を前記本発明の転がり摺動部材から形成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
而して、本発明の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受によれば、より一層、転がり摺動強度に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受を用いた鋼管製造ラインの概略構成図であり、コイル２から引き出された鋼板１はエッジミラー３で端面処理された後、フォーミングゾーン５で鋼管１０に成形され、高周波電縫溶接機６で突き合わせた端面同士を溶接した後、サイジングロール７で寸法調整される。図２には、フォーミングゾーン５の詳細を示す。フォーミングゾーン５には、鋼板１を送給するブレークダウンロール８、鋼板１の端部を折り曲げてあらまし鋼管１０の形状に成形するケージロール４、鋼管１０の形状を整えるフィンパスロール９を備えており、本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受はケージロール４にそのまま使用されている。このケージロール４は、鋼板１の端部を折り曲げる際、鋼板１又は鋼管１０の通板に伴って転がり且つ鋼板１の変形に伴って摺動する。
【００１３】
図３には、ケージロール４に用いられている本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受の一例として、複列円錐ころ軸受を示す。この複列円錐ころ軸受は、外周外径で鋼板１又は鋼管１０をガイドする外輪１５と、その内側に配設された内輪１１と、外輪１５と内輪１１との間に配設された多数の円錐ころ１２と、それら円錐ころ１２を保持する保持器１３と、円錐ころ１２の軸方向外側に配設されたシール部材１３とを備えて構成され、本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受では、外輪１５の外周面に潤滑性に優れ且つ極めて高硬度なダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣとも記す）が被覆されている。
【００１４】
この軸受外輪外周面に被覆されたＤＬＣは、以下の条件を満たす。即ち、
条件１：外輪外径面の母材に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されている。
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０．００６μｍ以上０．４μｍ以下である。
【００１５】
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン被膜は、表面側から、主に炭素（Ｃ）からなるカーボン層（Ｄ５）、主にタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはシリコン（Ｓｉ）のうち何れか一種以上の元素と炭素（Ｃ）とからなる複合カーボン層（Ｄ４）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）のうち何れか一種以上の元素からなる中間層（Ｄ３）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはチタン（Ｔｉ）のうち何れか一種以上の元素とクロム（Ｃｒ）とからなる複合金属層（Ｄ２）、主にクロム（Ｃｒ）からなる金属層（Ｄ１）の５つの層を順に積層してなる。
【００１６】
条件４：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さが、０．５μｍ以上３．０μｍ以下である。
条件５：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２８０ＧＰａ以下である。
また、本実施形態の前記ＤＬＣは、前記複合カーボン層（Ｄ４）中の炭素の割合が、前記金属層（Ｄ１）側から前記カーボン層（Ｄ５）に向かって徐々に増加している。
【００１７】
また、本実施形態の前記ＤＬＣは、以下の条件を満たす。即ち、
条件６：前記母材の等価弾性定数ｅに対する、前記ダイヤモンドライクカーボン層の各層の等価弾性定数（カーボン層（Ｄ５：ｅ５）、カーボン複合層（Ｄ４：ｅ４）、中間層（Ｄ３：ｅ３）、金属複合層（Ｄ２：ｅ２）、金属層（Ｄ１：ｅ１）との間には、以下の関係が成り立つ。
０．６≦ｅ５／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ４／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ３／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ２／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ１／ｅ≦１．５
【００１８】
また、本実施形態の前記ＤＬＣは、以下の条件を満たす。即ち、 条件７：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５に対する、前記複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、前記中間層（Ｄ３）の厚さｔ３と、前記複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２と、前記金属層（Ｄ１）の厚さｔ１との間には、以下の関係が成り立つ。
０．１≦ｔ４／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ３／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ２／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ１／ｔ５≦０．３
【００１９】
また、本実施形態の前記ＤＬＣ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。
また、本発明実施形態の前記ＤＬＣは、その最表面の表面粗さＲａが０．２μｍ以下である。
また、本実施形態の前記ＤＬＣの等価弾性定数は、母材の等価弾性定数の０．６以上１．５倍以下である。
【００２０】
また、本実施形態の前記ＤＬＣの複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、金属層（Ｄ１）の厚さｔ１の比ｔ４／ｔ１は、０．２５以上１．０以下の範囲である。
ＤＬＣ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など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被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。
【００２１】
こ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、各種機械の軸受への潤滑性の付与に利用されている。例えば国際公開ＷＯ９９／１４５１２号公報では、軌道輪の軌道面や転動体の表面に金属を含有するＤＬＣ被膜を備えた転がり軸受が開示されており、前記ＤＬＣ被膜により接触応力が緩和されるようになっている。ＤＬＣ被膜の形成方法については、例えば特開平９−１４４７６４号公報、特開２０００−１３６８２８号公報、特開２０００−２０５２７７号公報、特開２０００−２０５２７９号公報、特開２０００−２０５２８０号公報、特開２００３−５６５７５号公報にあるように、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などが挙げられる。
【００２２】
このようなＤＬＣを用いた本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受では、前記条件１に示すように、相手部材である鋼板１又は鋼管１０との接触面において、母材に潤滑性を有するＤＬＣ層が被覆されていることから、低粘度の潤滑剤の環境下においても優れた潤滑性を発揮することができる。
また、前記条件２に示すように、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａが０．００６μｍ以上０．４μｍ以下であるため、母材とＤＬＣ層（金属層Ｄ１）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。
【００２３】
ここで、ＤＬＣ層が被覆される母材の表面粗さＲａを０．００６μｍ以上０．４μｍ以下と規定した理由は、表面粗さＲａが０．００６μｍ（６ｎｍ）未満であると、母材とＤＬＣ層の金属層（Ｄ１）との接触面積が小さすぎて十分な密着力が確保できなくなる恐れがあるからである。一方、表面粗さＲａが０．４μｍ（４００ｎｍ）を超えると、その影響を受けてＤＬＣ層の最表面までも粗くなり、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って、そのＤＬＣ層の剥離や音響の増大が生じる恐れがあるからである。
【００２４】
従って、このような不都合をより生じにくくするためには、前記条件２で規定するように母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａを０．００６μｍ以上０．４μｍ以下とする必要があり、更に好ましくは０．０５μｍ以上０．２μｍ以下、最も好ましくは０．０５μｍ以上０．１８μｍ以下である。そして、このような母材の粗さを決める加工方法としては、研削加工、切削加工、ショット加工、ラップ加工、バニシング加工、バレル加工、電解研磨加工、化学研磨加工などの加工法を単独若しくは適宜組み合わせて適用できる。
【００２５】
また、前記条件３の積層条件を満たすことにより、前記条件５のように、そのＤＬＣ層の等価弾性定数を１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下とすることができる。即ち、ＤＬＣ層の等価弾性定数を１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下とすることによって、母材である鋼の等価弾性定数との差が小さくなるため、母材の変形に追従してＤＬＣ層が変形し易くなる。この結果、母材とＤＬＣ層との密着性が向上し、容易に破損や剥離などが生じなくなる。
【００２６】
ここで、ＤＬＣ層の等価弾性定数を１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下と規定したのは、その等価弾性定数が２８０ＧＰａを超えると鋼からなる母材よりもＤＬＣ層の法が過大な等価弾性定数を有することになるため、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破損や剥離が生じ易くなるからである。また、判定に、その等価弾性定数が１００ＧＰａを下回ると、ＤＬＣ層の硬さが不十分となって摩耗が生じ易くなるからである。
【００２７】
また、条件３のＤＬＣ層のうちの複合金属層（Ｄ２）が、タングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはチタン（Ｔｉ）のうちの何れか１種以上の元素とクロム（Ｃｒ）で構成されているので、これらの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くなるため、繰り返し応力や剪断力が負荷されてもＤＬＣ層が破損しにくくなる。
【００２８】
また、このＤＬＣ層は条件４に示すように、カーボン層（Ｄ５）の厚さを０．５μｍ以上３．０μｍ以下としたため、その機能や摺動部材の材料特性を長期にわたって維持することができる。即ち、カーボン層（Ｄ５）の厚さが０．５μｍ未満であると、摩耗によりそのカーボン層（Ｄ５）が消失して機能を失ってしまい易くなり、反対に３．０μｍを超えると荷重負荷時に表面での変形量が増加してしまうなど、摺動部材の材料特性が変化してしまうからである。従って、このカーボン層（Ｄ５）の厚さは、好ましくは０．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、より好ましくは１．０μｍ以上２．２μｍ以下であり、更に好ましくは１．０μｍ以上２．０μｍ以下である。
【００２９】
また、本発明のＤＬＣ層のような薄膜については、通常の方法では、その弾性定数を測定することができないため、以下の方法により測定された弾性定数を用いる。即ち、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−除荷重曲線により等価弾性定数を求める。例えば、ＤＬＣ層の厚さが２μｍ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。
【００３０】
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−除荷重曲線の弾性変形量から等価弾性定数を求める。
【００３１】
なお、ＨＲＣ６０の鋼炭素クロム鋼（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、通常カタログなどに記載されている２１０ＧＰａよりも大きい結果となる。これは、上記農法法が微小な押し込み領域に置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。
また、ＤＬＣ層を構成する各層は、夫々前述した成分からなるものであるが、これら成分以外に、その製造過程などにおいて不可避的に混入する不純物を含むことは言うまでもない。
【００３２】
また、ＤＬＣは、複合カーボン層（Ｄ４）中の炭素の割合が、金属層（Ｄ１）側からカーボン層（Ｄ５）に向かって徐々に増加していることにより、ＤＬＣ層と鋼製の母材との密着性が向上し、ＤＬＣ層自体の剥離を防止することができる。
また、前記条件６を満たすことによって、ＤＬＣ層と鋼製の母材との密着性が向上し、ＤＬＣ層自体の剥離を防止することができる。
【００３３】
また、前記条件７を満たすことによって、ＤＬＣ層を構成する各層間の密着性がよくなり、高荷重が負荷された場合でも各層間で剥離が生じにくくなる。ここで、複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２がカーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５の０．１倍未満であると、急激に物性が変化することとなって上下各層との密着性が悪くなってしまうからであり、反対に０．３倍を超えると、これら各層が脆化し、その内部で内部起点による層間剥離が発生してしまう可能性が大きくなるからである。
【００３４】
更に、中間層（Ｄ３）の厚さｔ３と複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２がカーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５の０．１倍未満であると、複合金属層（Ｄ２）との密着が十分でなくなり、剥離が生じ易くなるからであり、反対に０．３倍を超えると、ＤＬＣ層全体が厚くなりすぎて摺動部材表面の材料特性が変化してしまうからである。
また、ＤＬＣ層を、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによって形成することにより、鋼製の母材上に前述したように５層からなるＤＬＣ層を容易且つ確実に形成することができる。
【００３５】
また、ＤＬＣ層の最表面の表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることにより、特に摺動時に生じ易い異音の発生を防止することができる。即ち、条件１のように鋼製の母材に潤滑性を有するＤＬＣ層を被覆することにより、低潤滑下や枯渇潤滑下であっても十分な潤滑作用を発揮することができるため、その表面粗さは、潤滑作用の面から特に問題とならないが、その粗さが大き過ぎると音響面で問題となる。そのため、最表面粗さＲａの上限値を０．２μｍ以下とした。また、表面粗さＲａの下限値は、特に限定はないが、おおむね、母材の表面粗さの１割程度である。これは、ＤＬＣ層の成膜能力・成膜条件・母材の粗さによって決まってくる。
【００３６】
また、ＤＬＣ層の等価弾性定数を、母材の等価弾性定数の０．６倍以上１．５倍以下とすることにより、更に母材とＤＬＣ層との密着性が向上し、容易に破損や剥離などが生じなくなる。より好ましくは母材の等価弾性定数の０．６倍以上１．４倍以下とする。更にＤＬＣ層を形成する前記５層の何れもが、母材の等価弾性定数の０．６倍以上１．５倍以下の等価弾性定数を有することが望ましく、より好ましくは０．６倍以上１．４倍以下である。
また、ＤＬＣ層の複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、金属層（Ｄ１）の厚さｔ１の比ｔ４／ｔ１を０．２５〜１．０の範囲とすることにより、低粘度の潤滑剤の環境下や異物混入の可能性が高い条件下においても優れた耐久性を示す。即ち、この範囲であれば、ＤＬＣ層の密着性にも、異物による表面の変形等に対する耐久性にも優れた被膜が得られる。
【００３７】
前記非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによるＤＬＣ層の被覆方法としては、例えば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を用い、この装置に油分を脱脂した外輪を設置し、アルゴンプラズマによるスパッタリングを用いて外輪を構成する鋼製の母材の表面のうち、外径外周面にボンバード処理を１５分間施す。 次いで、クロム（Ｃｒ）及びタングステン（Ｗ）或いはシリコン（Ｓｉ）をターゲットとして、母材の表面のうち外径外周面にクロム（Ｃｒ）をスパッタリングして成膜し、第１の層である金属層Ｄ１を厚さ１．０〜１．５μｍ程度に形成した後、引き続き更にタングステン（Ｗ）とシリコン（Ｓｉ）をスパッタリングして第２の層である複合金属層Ｄ２（Ｗ−Ｃｒ、Ｓｉ−Ｃｒ、Ｗ−Ｓｉ、Ｗ−Ｓｉ−Ｃｒ）を形成する。
【００３８】
次に、このターゲットの中からクロム（Ｃｒ）を除いてタングステン（Ｗ）或いはシリコン（Ｓｉ）のスパッタリングを続けて第３の層である中間層Ｄ３（Ｗ、Ｓｉ、Ｗ−Ｓｉ）を形成した後、更に炭素（Ｃ）とチタン（Ｔｉ）とモリブデン（Ｍｏ）をターゲットとしたスパッタリングを開始する。
このようなスパッタリングによって、前記２種類の金属（Ｗ、Ｓｉ）と新たな金属（Ｔｉ、Ｍｏ）と炭素（Ｃ）とが結合した金属カーバイドからなる複合カーボン層Ｄ４（Ｗ−Ｃ、Ｓｉ−Ｃ、Ｗ−Ｓｉ−Ｃ、Ｔｉ−Ｃ、Ｍｏ−Ｃ、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｃ、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ、Ｗ−Ｍｏ−Ｃ、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ、Ｓｉ−Ｍｏ−Ｃ、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｓｉ−Ｃ、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｗ−Ｃ、Ｓｉ−Ｍｏ−Ｗ−Ｃ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｗ−Ｃ、Ｍｏ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｗ−Ｃ）が中間層Ｄ３の上に形成される。なお、この複合カーボン層Ｄ４は、これら４種類の金属（Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ）と炭素（Ｃ）を用いることができるが、金属としてタングステン（Ｗ）とシリコン（Ｓｉ）の何れか或いは両方だけを用いてもよい。
【００３９】
更に、前記２種類の金属のスパッタ効率を徐々に減少しながら、炭素（Ｃ）のスパッタ効率を徐々に増加させる。そして、これら４種類の金属（Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ）のスパッタリングを終了し、炭素（Ｃ）のスパッタリングのみを継続して、その複合カーボン層Ｄ４の上に第５の層であるカーボン層Ｄ５を形成する。
なお、これら各層Ｄ１〜Ｄ５の膜圧調整は、スパッタリング時間を調整することで容易に行うことができる。また、各層の等価弾性定数は、バイアス電圧を調整することで容易に制御することができる。
【００４０】
そして、このようなスパッタリングによって形成されるＤＬＣ層にあっては、主にクロム（Ｃｒ）のみで構成された第１の層である金属層Ｄ１から主に炭素（Ｃ）のみで構成された第５の層であるカーボン層Ｄ５に向かって各層Ｄ１〜Ｄ５の組成が連続的に徐々に変化するようになる。従って、各層Ｄ１〜Ｄ５間の密着性が向上し、その結果、最表面に位置する潤滑製に優れたカーボン層Ｄ５と母材である鋼との密着性が大幅に向上することになる。
【００４１】
また、このようなＤＬＣ層を形成するための装置は、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、各成文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或る。例えば、前記複合カーボン層Ｄ４及びカーボン層Ｄ５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、外輪には負のバイアス電圧を印加する）。
【００４２】
このようにして成膜されたＤＬＣ層について、各層の元素を分析すると、最表面に位置するカーボン層Ｄ５については、その炭素（Ｃ）の含有量は、全体にわたってほぼ１００％に近いが、その下の層である複合カーボン層Ｄ４にあっては、その炭素（Ｃ）の割合が、深くなるに従って徐々に減少するような成分となっている。そして、この炭素（Ｃ）の割合が減少するのに反比例してタングステン（Ｗ）やシリコン（Ｓｉ）などの金属の割合が増え、その下の層である中間層Ｄ３で最大となる。更に、その下の層である複合金属層Ｄ２になると、このタングステン（Ｗ）やシリコン（Ｓｉ）などの金属の割合が深くなるに従って徐々に減少、それに伴ってクロム（Ｃｒ）の割合が徐々に増加し、その下の層である母材表面上の金属層Ｄ１に至っては、その組成の殆どがクロム（Ｃｒ）になっている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受を用いた鋼管製造ラインの位置実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１のフォーミングゾーンの詳細構成図である。
【図３】図２のフォーミングゾーンにおいてケージローラとして用いられた転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１は鋼板、２はコイル、３はエッジミラー、４はケージロール、５はフォーミングゾーン、６は高周波電縫溶接機、７はサイジングロール、８はブレークダウンロール、９はフィンパスロール、１０は鋼管、１１は内輪、１２は円錐ころ、１３は保持器、１４はシール部材、１５は外輪
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり摺動部材及び鋼管成形ロール用軸受に関するものであり、特に鋼板を曲げて鋼管を成型する際に軸受の外輪外径を直接案内面として用いる転がり摺動部材及び鋼管成形ロール用軸受に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
このような鋼管成形ロールには、鋼板或いは鋼管の通板に伴う回転（転がり）と鋼板の曲げ変形に伴う摺動とが同時に発生するため、その外周面には転がり摺動部材としての強度が必要となる。このような転がり摺動強度を要求される鋼管成形ロールとしては、例えば下記特許文献１に記載されるように、工具鋼を基材とする鋼管成形ロールの表面にセラミックス被膜を成膜することで、当該鋼管成形ロールの表面強度を向上する先行技術がある。
【特許文献１】特許第３０９１８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、近年の鋼管成形速度の増加に伴い、より一層、転がり摺動強度に優れる鋼管成形ロールが要求されている。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、転がり摺動強度に優れた転がり摺動部材及び鋼管成形ロール用軸受を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、本発明の転がり摺動部材は、外輪外径面に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されていることを特徴とするものである。
また、本発明の転がり摺動部材は、下記の５つの条件を満足することを特徴とするものである。
条件１：外輪外径面の母材に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されている。
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０．００６μｍ以上０．４μｍ以下である。
【０００５】
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン被膜は、表面側から、主に炭素（Ｃ）からなるカーボン層（Ｄ５）、主にタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはシリコン（Ｓｉ）のうち何れか一種以上の元素と炭素（Ｃ）とからなる複合カーボン層（Ｄ４）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）のうち何れか一種以上の元素からなる中間層（Ｄ３）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはチタン（Ｔｉ）のうち何れか一種以上の元素とクロム（Ｃｒ）とからなる複合金属層（Ｄ２）、主にクロム（Ｃｒ）からなる金属層（Ｄ１）の５つの層を順に積層してなる。
【０００６】
条件４：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さが、０．５μｍ以上３．０μｍ以下である。
条件５：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２８０ＧＰａ以下である。
また、本発明の転がり摺動部材は、前記複合カーボン層（Ｄ４）中の炭素の割合が、前記金属層（Ｄ１）側から前記カーボン層（Ｄ５）に向かって徐々に増加していることを特徴とするものである。
また、本発明の転がり摺動部材は、更に下記の条件６を満足することを特徴とするものである。
【０００７】
条件６：前記母材の等価弾性定数ｅに対する、前記ダイヤモンドライクカーボン層の各層の等価弾性定数（カーボン層（Ｄ５：ｅ５）、カーボン複合層（Ｄ４：ｅ４）、中間層（Ｄ３：ｅ３）、金属複合層（Ｄ２：ｅ２）、金属層（Ｄ１：ｅ１）との間には、以下の関係が成り立つ。
０．６≦ｅ５／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ４／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ３／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ２／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ１／ｅ≦１．５
【０００８】
また、本発明の転がり摺動部材は、更に下記の条件７を満足することを特徴とするものである。
条件７：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５に対する、前記複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、前記中間層（Ｄ３）の厚さｔ３と、前記複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２と、前記金属層（Ｄ１）の厚さｔ１との間には、以下の関係が成り立つ。
０．１≦ｔ４／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ３／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ２／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ１／ｔ５≦０．３
【０００９】
また、本発明の転がり摺動部材は、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ものである。
また、本発明の転がり摺動部材は、前記ダイヤモンドライクカーボン層は、その最表面の表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とするものである。
また、本発明の転がり摺動部材は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の等価弾性定数は、前記母材の等価弾性定数の０．６以上１．５倍以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の転がり摺動部材は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、金属層（Ｄ１）の厚さｔ１の比ｔ４／ｔ１は、０．２５以上１．０以下の範囲であることを特徴とするものである。
また、本発明の鋼管成形ロール軸受は、鋼板から鋼管を成型する際に軸受の外輪外径を直接案内面として用いる転がり軸受において、その外輪を前記本発明の転がり摺動部材から形成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
而して、本発明の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受によれば、より一層、転がり摺動強度に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受を用いた鋼管製造ラインの概略構成図であり、コイル２から引き出された鋼板１はエッジミラー３で端面処理された後、フォーミングゾーン５で鋼管１０に成形され、高周波電縫溶接機６で突き合わせた端面同士を溶接した後、サイジングロール７で寸法調整される。図２には、フォーミングゾーン５の詳細を示す。フォーミングゾーン５には、鋼板１を送給するブレークダウンロール８、鋼板１の端部を折り曲げてあらまし鋼管１０の形状に成形するケージロール４、鋼管１０の形状を整えるフィンパスロール９を備えており、本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受はケージロール４にそのまま使用されている。このケージロール４は、鋼板１の端部を折り曲げる際、鋼板１又は鋼管１０の通板に伴って転がり且つ鋼板１の変形に伴って摺動する。
【００１３】
図３には、ケージロール４に用いられている本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受の一例として、複列円錐ころ軸受を示す。この複列円錐ころ軸受は、外周外径で鋼板１又は鋼管１０をガイドする外輪１５と、その内側に配設された内輪１１と、外輪１５と内輪１１との間に配設された多数の円錐ころ１２と、それら円錐ころ１２を保持する保持器１３と、円錐ころ１２の軸方向外側に配設されたシール部材１３とを備えて構成され、本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受では、外輪１５の外周面に潤滑性に優れ且つ極めて高硬度なダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣとも記す）が被覆されている。
【００１４】
この軸受外輪外周面に被覆されたＤＬＣは、以下の条件を満たす。即ち、
条件１：外輪外径面の母材に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されている。
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０．００６μｍ以上０．４μｍ以下である。
【００１５】
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン被膜は、表面側から、主に炭素（Ｃ）からなるカーボン層（Ｄ５）、主にタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはシリコン（Ｓｉ）のうち何れか一種以上の元素と炭素（Ｃ）とからなる複合カーボン層（Ｄ４）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）のうち何れか一種以上の元素からなる中間層（Ｄ３）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはチタン（Ｔｉ）のうち何れか一種以上の元素とクロム（Ｃｒ）とからなる複合金属層（Ｄ２）、主にクロム（Ｃｒ）からなる金属層（Ｄ１）の５つの層を順に積層してなる。
【００１６】
条件４：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さが、０．５μｍ以上３．０μｍ以下である。
条件５：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２８０ＧＰａ以下である。
また、本実施形態の前記ＤＬＣは、前記複合カーボン層（Ｄ４）中の炭素の割合が、前記金属層（Ｄ１）側から前記カーボン層（Ｄ５）に向かって徐々に増加している。
【００１７】
また、本実施形態の前記ＤＬＣは、以下の条件を満たす。即ち、
条件６：前記母材の等価弾性定数ｅに対する、前記ダイヤモンドライクカーボン層の各層の等価弾性定数（カーボン層（Ｄ５：ｅ５）、カーボン複合層（Ｄ４：ｅ４）、中間層（Ｄ３：ｅ３）、金属複合層（Ｄ２：ｅ２）、金属層（Ｄ１：ｅ１）との間には、以下の関係が成り立つ。
０．６≦ｅ５／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ４／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ３／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ２／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ１／ｅ≦１．５
【００１８】
また、本実施形態の前記ＤＬＣは、以下の条件を満たす。即ち、 条件７：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５に対する、前記複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、前記中間層（Ｄ３）の厚さｔ３と、前記複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２と、前記金属層（Ｄ１）の厚さｔ１との間には、以下の関係が成り立つ。
０．１≦ｔ４／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ３／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ２／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ１／ｔ５≦０．３
【００１９】
また、本実施形態の前記ＤＬＣ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。
また、本発明実施形態の前記ＤＬＣは、その最表面の表面粗さＲａが０．２μｍ以下である。
また、本実施形態の前記ＤＬＣの等価弾性定数は、母材の等価弾性定数の０．６以上１．５倍以下である。
【００２０】
また、本実施形態の前記ＤＬＣの複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、金属層（Ｄ１）の厚さｔ１の比ｔ４／ｔ１は、０．２５以上１．０以下の範囲である。
ＤＬＣ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など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被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。
【００２１】
こ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、各種機械の軸受への潤滑性の付与に利用されている。例えば国際公開ＷＯ９９／１４５１２号公報では、軌道輪の軌道面や転動体の表面に金属を含有するＤＬＣ被膜を備えた転がり軸受が開示されており、前記ＤＬＣ被膜により接触応力が緩和されるようになっている。ＤＬＣ被膜の形成方法については、例えば特開平９−１４４７６４号公報、特開２０００−１３６８２８号公報、特開２０００−２０５２７７号公報、特開２０００−２０５２７９号公報、特開２０００−２０５２８０号公報、特開２００３−５６５７５号公報にあるように、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などが挙げられる。
【００２２】
このようなＤＬＣを用いた本実施形態の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受では、前記条件１に示すように、相手部材である鋼板１又は鋼管１０との接触面において、母材に潤滑性を有するＤＬＣ層が被覆されていることから、低粘度の潤滑剤の環境下においても優れた潤滑性を発揮することができる。
また、前記条件２に示すように、母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａが０．００６μｍ以上０．４μｍ以下であるため、母材とＤＬＣ層（金属層Ｄ１）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。
【００２３】
ここで、ＤＬＣ層が被覆される母材の表面粗さＲａを０．００６μｍ以上０．４μｍ以下と規定した理由は、表面粗さＲａが０．００６μｍ（６ｎｍ）未満であると、母材とＤＬＣ層の金属層（Ｄ１）との接触面積が小さすぎて十分な密着力が確保できなくなる恐れがあるからである。一方、表面粗さＲａが０．４μｍ（４００ｎｍ）を超えると、その影響を受けてＤＬＣ層の最表面までも粗くなり、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って、そのＤＬＣ層の剥離や音響の増大が生じる恐れがあるからである。
【００２４】
従って、このような不都合をより生じにくくするためには、前記条件２で規定するように母材のうちＤＬＣ層が被覆されている部分の表面粗さＲａを０．００６μｍ以上０．４μｍ以下とする必要があり、更に好ましくは０．０５μｍ以上０．２μｍ以下、最も好ましくは０．０５μｍ以上０．１８μｍ以下である。そして、このような母材の粗さを決める加工方法としては、研削加工、切削加工、ショット加工、ラップ加工、バニシング加工、バレル加工、電解研磨加工、化学研磨加工などの加工法を単独若しくは適宜組み合わせて適用できる。
【００２５】
また、前記条件３の積層条件を満たすことにより、前記条件５のように、そのＤＬＣ層の等価弾性定数を１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下とすることができる。即ち、ＤＬＣ層の等価弾性定数を１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下とすることによって、母材である鋼の等価弾性定数との差が小さくなるため、母材の変形に追従してＤＬＣ層が変形し易くなる。この結果、母材とＤＬＣ層との密着性が向上し、容易に破損や剥離などが生じなくなる。
【００２６】
ここで、ＤＬＣ層の等価弾性定数を１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下と規定したのは、その等価弾性定数が２８０ＧＰａを超えると鋼からなる母材よりもＤＬＣ層の法が過大な等価弾性定数を有することになるため、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破損や剥離が生じ易くなるからである。また、判定に、その等価弾性定数が１００ＧＰａを下回ると、ＤＬＣ層の硬さが不十分となって摩耗が生じ易くなるからである。
【００２７】
また、条件３のＤＬＣ層のうちの複合金属層（Ｄ２）が、タングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはチタン（Ｔｉ）のうちの何れか１種以上の元素とクロム（Ｃｒ）で構成されているので、これらの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くなるため、繰り返し応力や剪断力が負荷されてもＤＬＣ層が破損しにくくなる。
【００２８】
また、このＤＬＣ層は条件４に示すように、カーボン層（Ｄ５）の厚さを０．５μｍ以上３．０μｍ以下としたため、その機能や摺動部材の材料特性を長期にわたって維持することができる。即ち、カーボン層（Ｄ５）の厚さが０．５μｍ未満であると、摩耗によりそのカーボン層（Ｄ５）が消失して機能を失ってしまい易くなり、反対に３．０μｍを超えると荷重負荷時に表面での変形量が増加してしまうなど、摺動部材の材料特性が変化してしまうからである。従って、このカーボン層（Ｄ５）の厚さは、好ましくは０．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、より好ましくは１．０μｍ以上２．２μｍ以下であり、更に好ましくは１．０μｍ以上２．０μｍ以下である。
【００２９】
また、本発明のＤＬＣ層のような薄膜については、通常の方法では、その弾性定数を測定することができないため、以下の方法により測定された弾性定数を用いる。即ち、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−除荷重曲線により等価弾性定数を求める。例えば、ＤＬＣ層の厚さが２μｍ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。
【００３０】
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−除荷重曲線の弾性変形量から等価弾性定数を求める。
【００３１】
なお、ＨＲＣ６０の鋼炭素クロム鋼（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、通常カタログなどに記載されている２１０ＧＰａよりも大きい結果となる。これは、上記農法法が微小な押し込み領域に置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。
また、ＤＬＣ層を構成する各層は、夫々前述した成分からなるものであるが、これら成分以外に、その製造過程などにおいて不可避的に混入する不純物を含むことは言うまでもない。
【００３２】
また、ＤＬＣは、複合カーボン層（Ｄ４）中の炭素の割合が、金属層（Ｄ１）側からカーボン層（Ｄ５）に向かって徐々に増加していることにより、ＤＬＣ層と鋼製の母材との密着性が向上し、ＤＬＣ層自体の剥離を防止することができる。
また、前記条件６を満たすことによって、ＤＬＣ層と鋼製の母材との密着性が向上し、ＤＬＣ層自体の剥離を防止することができる。
【００３３】
また、前記条件７を満たすことによって、ＤＬＣ層を構成する各層間の密着性がよくなり、高荷重が負荷された場合でも各層間で剥離が生じにくくなる。ここで、複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２がカーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５の０．１倍未満であると、急激に物性が変化することとなって上下各層との密着性が悪くなってしまうからであり、反対に０．３倍を超えると、これら各層が脆化し、その内部で内部起点による層間剥離が発生してしまう可能性が大きくなるからである。
【００３４】
更に、中間層（Ｄ３）の厚さｔ３と複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２がカーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５の０．１倍未満であると、複合金属層（Ｄ２）との密着が十分でなくなり、剥離が生じ易くなるからであり、反対に０．３倍を超えると、ＤＬＣ層全体が厚くなりすぎて摺動部材表面の材料特性が変化してしまうからである。
また、ＤＬＣ層を、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによって形成することにより、鋼製の母材上に前述したように５層からなるＤＬＣ層を容易且つ確実に形成することができる。
【００３５】
また、ＤＬＣ層の最表面の表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることにより、特に摺動時に生じ易い異音の発生を防止することができる。即ち、条件１のように鋼製の母材に潤滑性を有するＤＬＣ層を被覆することにより、低潤滑下や枯渇潤滑下であっても十分な潤滑作用を発揮することができるため、その表面粗さは、潤滑作用の面から特に問題とならないが、その粗さが大き過ぎると音響面で問題となる。そのため、最表面粗さＲａの上限値を０．２μｍ以下とした。また、表面粗さＲａの下限値は、特に限定はないが、おおむね、母材の表面粗さの１割程度である。これは、ＤＬＣ層の成膜能力・成膜条件・母材の粗さによって決まってくる。
【００３６】
また、ＤＬＣ層の等価弾性定数を、母材の等価弾性定数の０．６倍以上１．５倍以下とすることにより、更に母材とＤＬＣ層との密着性が向上し、容易に破損や剥離などが生じなくなる。より好ましくは母材の等価弾性定数の０．６倍以上１．４倍以下とする。更にＤＬＣ層を形成する前記５層の何れもが、母材の等価弾性定数の０．６倍以上１．５倍以下の等価弾性定数を有することが望ましく、より好ましくは０．６倍以上１．４倍以下である。
また、ＤＬＣ層の複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、金属層（Ｄ１）の厚さｔ１の比ｔ４／ｔ１を０．２５〜１．０の範囲とすることにより、低粘度の潤滑剤の環境下や異物混入の可能性が高い条件下においても優れた耐久性を示す。即ち、この範囲であれば、ＤＬＣ層の密着性にも、異物による表面の変形等に対する耐久性にも優れた被膜が得られる。
【００３７】
前記非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによるＤＬＣ層の被覆方法としては、例えば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を用い、この装置に油分を脱脂した外輪を設置し、アルゴンプラズマによるスパッタリングを用いて外輪を構成する鋼製の母材の表面のうち、外径外周面にボンバード処理を１５分間施す。 次いで、クロム（Ｃｒ）及びタングステン（Ｗ）或いはシリコン（Ｓｉ）をターゲットとして、母材の表面のうち外径外周面にクロム（Ｃｒ）をスパッタリングして成膜し、第１の層である金属層Ｄ１を厚さ１．０〜１．５μｍ程度に形成した後、引き続き更にタングステン（Ｗ）とシリコン（Ｓｉ）をスパッタリングして第２の層である複合金属層Ｄ２（Ｗ−Ｃｒ、Ｓｉ−Ｃｒ、Ｗ−Ｓｉ、Ｗ−Ｓｉ−Ｃｒ）を形成する。
【００３８】
次に、このターゲットの中からクロム（Ｃｒ）を除いてタングステン（Ｗ）或いはシリコン（Ｓｉ）のスパッタリングを続けて第３の層である中間層Ｄ３（Ｗ、Ｓｉ、Ｗ−Ｓｉ）を形成した後、更に炭素（Ｃ）とチタン（Ｔｉ）とモリブデン（Ｍｏ）をターゲットとしたスパッタリングを開始する。
このようなスパッタリングによって、前記２種類の金属（Ｗ、Ｓｉ）と新たな金属（Ｔｉ、Ｍｏ）と炭素（Ｃ）とが結合した金属カーバイドからなる複合カーボン層Ｄ４（Ｗ−Ｃ、Ｓｉ−Ｃ、Ｗ−Ｓｉ−Ｃ、Ｔｉ−Ｃ、Ｍｏ−Ｃ、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｃ、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ、Ｗ−Ｍｏ−Ｃ、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ、Ｓｉ−Ｍｏ−Ｃ、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｓｉ−Ｃ、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｗ−Ｃ、Ｓｉ−Ｍｏ−Ｗ−Ｃ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｗ−Ｃ、Ｍｏ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｗ−Ｃ）が中間層Ｄ３の上に形成される。なお、この複合カーボン層Ｄ４は、これら４種類の金属（Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ）と炭素（Ｃ）を用いることができるが、金属としてタングステン（Ｗ）とシリコン（Ｓｉ）の何れか或いは両方だけを用いてもよい。
【００３９】
更に、前記２種類の金属のスパッタ効率を徐々に減少しながら、炭素（Ｃ）のスパッタ効率を徐々に増加させる。そして、これら４種類の金属（Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ）のスパッタリングを終了し、炭素（Ｃ）のスパッタリングのみを継続して、その複合カーボン層Ｄ４の上に第５の層であるカーボン層Ｄ５を形成する。
なお、これら各層Ｄ１〜Ｄ５の膜圧調整は、スパッタリング時間を調整することで容易に行うことができる。また、各層の等価弾性定数は、バイアス電圧を調整することで容易に制御することができる。
【００４０】
そして、このようなスパッタリングによって形成されるＤＬＣ層にあっては、主にクロム（Ｃｒ）のみで構成された第１の層である金属層Ｄ１から主に炭素（Ｃ）のみで構成された第５の層であるカーボン層Ｄ５に向かって各層Ｄ１〜Ｄ５の組成が連続的に徐々に変化するようになる。従って、各層Ｄ１〜Ｄ５間の密着性が向上し、その結果、最表面に位置する潤滑製に優れたカーボン層Ｄ５と母材である鋼との密着性が大幅に向上することになる。
【００４１】
また、このようなＤＬＣ層を形成するための装置は、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、各成文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或る。例えば、前記複合カーボン層Ｄ４及びカーボン層Ｄ５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、外輪には負のバイアス電圧を印加する）。
【００４２】
このようにして成膜されたＤＬＣ層について、各層の元素を分析すると、最表面に位置するカーボン層Ｄ５については、その炭素（Ｃ）の含有量は、全体にわたってほぼ１００％に近いが、その下の層である複合カーボン層Ｄ４にあっては、その炭素（Ｃ）の割合が、深くなるに従って徐々に減少するような成分となっている。そして、この炭素（Ｃ）の割合が減少するのに反比例してタングステン（Ｗ）やシリコン（Ｓｉ）などの金属の割合が増え、その下の層である中間層Ｄ３で最大となる。更に、その下の層である複合金属層Ｄ２になると、このタングステン（Ｗ）やシリコン（Ｓｉ）などの金属の割合が深くなるに従って徐々に減少、それに伴ってクロム（Ｃｒ）の割合が徐々に増加し、その下の層である母材表面上の金属層Ｄ１に至っては、その組成の殆どがクロム（Ｃｒ）になっている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受を用いた鋼管製造ラインの位置実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１のフォーミングゾーンの詳細構成図である。
【図３】図２のフォーミングゾーンにおいてケージローラとして用いられた転がり摺動部材及び鋼管成形ロール軸受の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１は鋼板、２はコイル、３はエッジミラー、４はケージロール、５はフォーミングゾーン、６は高周波電縫溶接機、７はサイジングロール、８はブレークダウンロール、９はフィンパスロール、１０は鋼管、１１は内輪、１２は円錐ころ、１３は保持器、１４はシール部材、１５は外輪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪外径面に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されていることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項２】
請求項１に記載の転がり摺動部材において、下記の５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：外輪外径面の母材に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されている。
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０．００６μｍ以上０．４μｍ以下である。
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン被膜は、表面側から、主に炭素（Ｃ）からなるカーボン層（Ｄ５）、主にタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはシリコン（Ｓｉ）のうち何れか一種以上の元素と炭素（Ｃ）とからなる複合カーボン層（Ｄ４）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）のうち何れか一種以上の元素からなる中間層（Ｄ３）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはチタン（Ｔｉ）のうち何れか一種以上の元素とクロム（Ｃｒ）とからなる複合金属層（Ｄ２）、主にクロム（Ｃｒ）からなる金属層（Ｄ１）の５つの層を順に積層してなる。
条件４：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さが、０．５μｍ以上３．０μｍ以下である。
条件５：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２８０ＧＰａ以下である。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の転がり摺動部材において、
前記複合カーボン層（Ｄ４）中の炭素の割合が、前記金属層（Ｄ１）側から前記カーボン層（Ｄ５）に向かって徐々に増加していることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の転がり摺動部材において、更に下記の条件６を満足することを特徴とする転がり摺動部材。
条件６：前記母材の等価弾性定数ｅに対する、前記ダイヤモンドライクカーボン層の各層の等価弾性定数（カーボン層（Ｄ５：ｅ５）、カーボン複合層（Ｄ４：ｅ４）、中間層（Ｄ３：ｅ３）、金属複合層（Ｄ２：ｅ２）、金属層（Ｄ１：ｅ１）との間には、以下の関係が成り立つ。
０．６≦ｅ５／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ４／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ３／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ２／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ１／ｅ≦１．５
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の転がり摺動部材において、更に下記の条件７を満足することを特徴とする転がり摺動部材。
条件７：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５に対する、前記複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、前記中間層（Ｄ３）の厚さｔ３と、前記複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２と、前記金属層（Ｄ１）の厚さｔ１との間には、以下の関係が成り立つ。
０．１≦ｔ４／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ３／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ２／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ１／ｔ５≦０．３
【請求項６】
請求項１〜５の何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転がり摺動部材。
【請求項７】
請求項１〜６の何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、その最表面の表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項８】
請求項１〜７の何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等価弾性定数は、前記母材の等価弾性定数の０．６以上１．５倍以下であることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項９】
請求項１〜８の何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複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、金属層（Ｄ１）の厚さｔ１の比ｔ４／ｔ１は、０．２５以上１．０以下の範囲であることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項１０】
鋼板から鋼管を成型する際に軸受の外輪外径を直接案内面として用いる転がり軸受において、その外輪を請求項１〜９の何れか一項に記載の転がり摺動部材から形成したことを特徴とする鋼管成形ロール用軸受。
【請求項１】
外輪外径面に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されていることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項２】
請求項１に記載の転がり摺動部材において、下記の５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：外輪外径面の母材に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されている。
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０．００６μｍ以上０．４μｍ以下である。
条件３：前記ダイヤモンドライクカーボン被膜は、表面側から、主に炭素（Ｃ）からなるカーボン層（Ｄ５）、主にタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはシリコン（Ｓｉ）のうち何れか一種以上の元素と炭素（Ｃ）とからなる複合カーボン層（Ｄ４）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）のうち何れか一種以上の元素からなる中間層（Ｄ３）、主にタングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはチタン（Ｔｉ）のうち何れか一種以上の元素とクロム（Ｃｒ）とからなる複合金属層（Ｄ２）、主にクロム（Ｃｒ）からなる金属層（Ｄ１）の５つの層を順に積層してなる。
条件４：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さが、０．５μｍ以上３．０μｍ以下である。
条件５：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２８０ＧＰａ以下である。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の転がり摺動部材において、
前記複合カーボン層（Ｄ４）中の炭素の割合が、前記金属層（Ｄ１）側から前記カーボン層（Ｄ５）に向かって徐々に増加していることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の転がり摺動部材において、更に下記の条件６を満足することを特徴とする転がり摺動部材。
条件６：前記母材の等価弾性定数ｅに対する、前記ダイヤモンドライクカーボン層の各層の等価弾性定数（カーボン層（Ｄ５：ｅ５）、カーボン複合層（Ｄ４：ｅ４）、中間層（Ｄ３：ｅ３）、金属複合層（Ｄ２：ｅ２）、金属層（Ｄ１：ｅ１）との間には、以下の関係が成り立つ。
０．６≦ｅ５／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ４／ｅ≦１．４且つ
０．６≦ｅ３／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ２／ｅ≦１．５且つ
０．６≦ｅ１／ｅ≦１．５
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の転がり摺動部材において、更に下記の条件７を満足することを特徴とする転がり摺動部材。
条件７：前記カーボン層（Ｄ５）の厚さｔ５に対する、前記複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、前記中間層（Ｄ３）の厚さｔ３と、前記複合金属層（Ｄ２）の厚さｔ２と、前記金属層（Ｄ１）の厚さｔ１との間には、以下の関係が成り立つ。
０．１≦ｔ４／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ３／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ２／ｔ５≦０．３且つ
０．１≦ｔ１／ｔ５≦０．３
【請求項６】
請求項１〜５の何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転がり摺動部材。
【請求項７】
請求項１〜６の何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、その最表面の表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項８】
請求項１〜７の何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等価弾性定数は、前記母材の等価弾性定数の０．６以上１．５倍以下であることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項９】
請求項１〜８の何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複合カーボン層（Ｄ４）の厚さｔ４と、金属層（Ｄ１）の厚さｔ１の比ｔ４／ｔ１は、０．２５以上１．０以下の範囲であることを特徴とする転がり摺動部材。
【請求項１０】
鋼板から鋼管を成型する際に軸受の外輪外径を直接案内面として用いる転がり軸受において、その外輪を請求項１〜９の何れか一項に記載の転がり摺動部材から形成したことを特徴とする鋼管成形ロール用軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２４３６１９（Ｐ２００９−２４３６１９Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９２５０４（Ｐ２００８−９２５０４）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【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２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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