転がり軸受
【課題】転がり軸受の内・外輪軌道面などに形成されたＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮することで、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる転がり軸受を提供する。
【解決手段】転がり軸受１は、外周に内輪軌道面２ａを有する内輪２と、内周に外輪軌道面３ａを有する外輪３と、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する複数の転動体４とを備え、曲面である内輪軌道面２ａや外輪軌道面３ａの表面に硬質膜８が成膜されてなり、この硬質膜８は、該表面に直接成膜されるＣｒを主体とする下地層と、該層の上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、混合層は、下地層側から表面層側へ向けて連続的または段階的に、ＷＣの含有率が小さくなり、ＤＬＣの含有率が高くなる層である。
【解決手段】転がり軸受１は、外周に内輪軌道面２ａを有する内輪２と、内周に外輪軌道面３ａを有する外輪３と、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する複数の転動体４とを備え、曲面である内輪軌道面２ａや外輪軌道面３ａの表面に硬質膜８が成膜されてなり、この硬質膜８は、該表面に直接成膜されるＣｒを主体とする下地層と、該層の上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、混合層は、下地層側から表面層側へ向けて連続的または段階的に、ＷＣの含有率が小さくなり、ＤＬＣの含有率が高くなる層である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内輪軌道面、外輪軌道面、転動体表面にダイヤモンドライクカーボンを含む硬質膜を成膜した転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬質カーボン膜は、一般にダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと記す。また、ＤＬＣを主体とする膜／層をＤＬＣ膜／層ともいう。）と呼ばれている硬質膜である。硬質カーボンはその他にも、硬質非晶質炭素、無定形炭素、硬質無定形型炭素、ｉ−カーボン、ダイヤモンド状炭素など、様々な呼称があるが、これらの用語は明確に区別されていない。
【０００３】
このような用語が用いられるＤＬＣの本質は、構造的にはダイヤモンドとグラファイトが混ざり合った両者の中間構造を有するものである。ダイヤモンドと同等に硬度が高く、耐摩耗性、固体潤滑性、熱伝導性、化学安定性、耐腐食性などに優れる。このため、例えば、金型・工具類、耐摩耗性機械部品、研磨材、摺動部材、磁気・光学部品などの保護膜として利用されつつある。こうしたＤＬＣ膜を形成する方法として、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理的蒸着（以下、ＰＶＤと記す）法、化学的蒸着（以下、ＣＶＤと記す）法、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング（以下、ＵＢＭＳと記す）法などが採用されている。
【０００４】
従来より、転がり軸受の軌道輪の軌道面や転動体の転動面に対し、ＤＬＣ膜を形成する試みがなされている。ＤＬＣ膜は、膜形成時に極めて大きな内部応力が発生し、また高い硬度およびヤング率を持つ反面、変形能が極めて小さいことから、基材との密着性が弱く、剥離しやすいなどの欠点を持っている。このため、転がり軸受の軌道輪の軌道面や転動体の転動面にＤＬＣ膜を成膜する場合には、密着性を改善する必要性がある。
【０００５】
例えば、中間層を設けてＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、鉄鋼材料で形成された軌道溝や転動体の転動面に、クロム（以下、Ｃｒと記す）、タングステン（以下、Ｗと記す）、チタン（以下、Ｔｉと記す）、珪素（以下、Ｓｉと記す）、ニッケル、および鉄の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、この下地層の構成元素と炭素とを含有し、炭素の含有率が下地層の反対側で下地層側より大きい中間層と、アルゴンと炭素とからなりアルゴンの含有率が０．０２質量％以上５質量％以下であるダイヤモンドライクカーボン層とが、この順に形成されてなる転動装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、アンカー効果によりＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、軌道面にイオン衝撃処理により１０〜１００ｎｍの高さで平均幅３００ｎｍ以下の凹凸を形成し、この軌道面上にＤＬＣ膜を形成した転がり軸受が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４１７８８２６号
【特許文献２】特許第３９６１７３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、転がり軸受において転動体を案内する内・外輪の軌道面は、その形状が平面ではなく曲面であり、主曲率と副曲率が組み合わさった形状等のものもある。また、転動体の転動面は、円筒ころの場合は円周面、玉の場合は球面となる。このような形状の面にＤＬＣ膜を成膜すると、その膜構造や成膜条件によっては、膜内の残留応力が大きくなり、成膜直後に剥離するおそれがある。また、成膜直後には剥離しなくとも、軸受使用時に転がり接触などの負荷を受けると剥離するおそれがある。
【０００９】
特許文献１や特許文献２の技術は、この問題の解決を図ったものであるが、得られた転がり軸受の実用性を向上させるべく、ＤＬＣ膜を適用する際の膜構造や成膜条件には更なる改善の余地がある。
【００１０】
本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、転がり軸受の内・外輪軌道面などに形成されたＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮することで、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる転がり軸受の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の転がり軸受は、外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、上記内輪軌道面と上記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体とを備え、上記内輪、上記外輪、および上記複数の転動体が鉄系材料からなる転がり軸受であって、上記内輪軌道面および上記外輪軌道面が、上記転動体を案内する曲面であり、該内輪軌道面、該外輪軌道面、および上記転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面に硬質膜が成膜されてなり、上記硬質膜は、上記面の上に直接成膜されるＣｒを主体とする下地層と、該下地層の上に成膜されるタングステンカーバイト（以下、ＷＣと記す）とＤＬＣとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、上記混合層は、上記下地層側から上記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中のＷＣの含有率が小さくなり、該混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる層であることを特徴とする。
【００１２】
上記転動体が玉であり、上記内輪軌道面および上記外輪軌道面が、上記転動体を案内する円曲面であることを特徴とする。
【００１３】
上記表面層は、上記混合層との隣接側に、上記混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有することを特徴とする。
【００１４】
上記表面層は、スパッタリングガスとしてアルゴン（以下、Ａｒと記す）ガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用して成膜した層であり、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、上記Ａｒガスの上記装置内への導入量１００に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合が１〜５であり、上記装置内の真空度が０．２〜０．８Ｐａであり、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧が７０〜１５０Ｖである条件下で、上記炭素供給源から生じる炭素原子を、上記混合層上に堆積させて成膜されたものであることを特徴とする。また、上記炭化水素系ガスが、メタンガスであることを特徴とする。
【００１５】
なお、基材となる軸受部材に対するバイアスの電位は、アース電位に対してマイナスとなるように印加しており、例えば、バイアス電圧１５０Ｖとは、アース電位に対して基材のバイアス電位が−１５０Ｖであることを示す。
【００１６】
上記表面層の傾斜層部分は、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧を連続的または段階的に上げながら成膜されたものであることを特徴とする。
【００１７】
上記下地層および上記混合層は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用して成膜した層であり、上記混合層は、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、ＷＣターゲットに印加する電力を下げながら成膜されたものであることを特徴とする。
【００１８】
上記硬質膜は、表面粗さＲａ：０．０１μｍ以下、ビッカース硬度Ｈｖ：７８０であるＳＵＪ２焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧０．５ＧＰａの荷重を印加して接触させ、０．０５ｍ／ｓの回転速度で３０分間、上記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が２００×１０−１０ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）未満であることを特徴とする。また、上記硬質膜は、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が２５〜４５ＧＰａであることを特徴とする。また、上記硬質膜は、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が５０Ｎ以上であることを特徴とする。
【００１９】
上記硬質膜の膜厚が０．５〜３μｍであり、かつ該硬質膜の膜厚に占める上記表面層の厚さの割合が０．８以下であることを特徴とする。
【００２０】
上記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼から選ばれることを特徴とする。また、上記硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ６５０以上であることを特徴とする。
【００２１】
上記硬質膜が形成される面において、上記硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることを特徴とする。特に、上記窒化処理が、プラズマ窒化処理であることを特徴とする。また、上記窒化処理後の表面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることを特徴とする。
【００２２】
上記硬質膜が形成される面の表面粗さＲａが、０．０５μｍ以下であることを特徴とする。
【００２３】
上記転がり軸受は、グリースが封入されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の転がり軸受は、鉄系材料製の内輪、外輪、転動体において、該内輪軌道面、該外輪軌道面、および上記転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面に、ＤＬＣを含む所定の膜構造を有する硬質膜が成膜されてなる。各面上に直接成膜されるＣｒからなる下地層は鉄系材料と相性がよく、ＷやＳｉと比較して密着性に優れる。また、混合層に用いるＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。さらに、ＷＣとＤＬＣとの混合層を傾斜組成とすることで、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっている。
【００２５】
上記構造により、該硬質膜は、曲面である内・外輪軌道面や転動体の転動面に形成されながら耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本来の特性を発揮できる。この結果、本発明の転がり軸受は、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れ、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の転がり軸受の他の例を示す断面図である。
【図３】硬質膜の構造を示す模式断面図である。
【図４】ＵＢＭＳ法の成膜原理を示す模式図である。
【図５】ＡＩＰ機能を備えたＵＢＭＳ装置の模式図である。
【図６】摩擦試験機を示す図である。
【図７】スラスト型転動疲労試験機を示す図である。
【図８】軸受寿命試験に用いた試験機を示す図である。
【図９】実施例１の硬質膜を形成した軸受内輪の写真である。
【図１０】比較例１の硬質膜を形成した軸受内輪の写真である。
【図１１】比較例４の硬質膜を形成した軸受内輪の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
ＤＬＣ膜などの硬質膜は膜内に残留応力があり、残留応力は膜構造や成膜条件、基材形状の影響を受け大きく異なる。実験を重ねた結果、予想外に基材形状の影響が大きいことが判明した。例えば、平面では成膜直後の剥離もなくスクラッチテストでの臨界剥離荷重も大きい硬質膜が、転がり軸受の内・外輪軌道面のような曲面では成膜直後に剥離する場合や、成膜直後には剥離しなくとも、使用時に剥離しやすいものである場合がある。本発明者らは、鋭意検討の結果、曲面である転がり軸受の内・外輪軌道面、転動体の転動面に形成する硬質膜を、下地層（Ｃｒ）と混合層（ＷＣ／ＤＬＣの傾斜）と表面層（ＤＬＣ）とからなる所定の構造に限定することで、耐剥離性の大幅な向上が図れ、軸受の実使用条件においても、該硬質膜の剥離を防止できることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。
【００２８】
本発明の転がり軸受を図１および図２に基づいて説明する。図１は、内・外輪軌道面に後述の硬質膜を形成した転がり軸受（深溝玉軸受）の断面図を、図２は転動体の転動面に硬質膜を形成した転がり軸受（深溝玉軸受）の断面図をそれぞれ示す。転がり軸受１は、外周に内輪軌道面２ａを有する内輪２と、内周に外輪軌道面３ａを有する外輪３と、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する複数の転動体４とを備える。転動体４は保持器５により一定間隔で保持されている。シール部材６により、内・外輪の軸方向両端開口部がシールされ、軸受空間にグリース７が封入されている。グリース７としては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。
【００２９】
図１（ａ）の転がり軸受では、内輪２の外周面（内輪軌道面２ａを含む）に硬質膜８が形成されており、図１（ｂ）の転がり軸受では、外輪３の内周面（外輪軌道面３ａを含む）に硬質膜８が形成されている。該硬質膜８を内・外輪に形成する場合は、少なくともその軌道面に形成してあればよい。よって、各図に示すように内輪外周面全体、外輪外周面全体に形成する、または、内・外輪の全体に形成してもよい。
【００３０】
また、図２の転がり軸受では、転動体４の転動面に硬質膜８が形成されている。図２の転がり軸受は深溝玉軸受であることから、転動体４は玉であり、その転動面は球面全体である。図に示した態様以外の転がり軸受として、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受を用いる際に、該硬質膜８をその転動体に形成する場合は、少なくとも転動面（円筒外周など）に形成してあればよい。
【００３１】
図１および図２に示すように、深溝玉軸受の内輪軌道面２ａは、転動体４である玉を案内するため、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。同様に、外輪軌道面３ａも、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。この円弧溝の曲率半径は、一般的に鋼球径をｄｗとすると、０．５１〜０．５４ｄｗ程度である。また、図に示した態様以外の転がり軸受として、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受を用いる場合では、これらの軸受のころを案内するため、内輪軌道面および外輪軌道面は、少なくとも円周方向で曲面となる。その他、自動調心ころ軸受などの場合、転動体としてたる型ころを用いるので、内輪軌道面および外輪軌道面は、円周方向に加えて、軸方向についても曲面となる。本発明の転がり軸受は、内輪軌道面および外輪軌道面が、以上のいずれの形状であってもよい。
【００３２】
本発明の転がり軸受１において、硬質膜８の成膜対象となる軸受部材である内輪２、外輪３、および転動体４は、鉄系材料からなる。鉄系材料としては、軸受部材として一般的に用いられる任意の鋼材などを使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などが挙げられる。
【００３３】
これらの軸受部材において、硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ６５０以上であることが好ましい。Ｈｖ６５０以上とすることで、硬質膜（下地層）との硬度差を少なくし、密着性を向上させることができる。
【００３４】
上記硬質膜が形成される面において、硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることが好ましい。窒化処理としては、基材表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることが、硬質膜（下地層）との密着性をさらに向上させるために好ましい。
【００３５】
上記硬質膜が形成される面の表面粗さＲａは、０．０５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが０．０５μｍをこえると、粗さの突起先端に硬質膜が形成され難くなり、局所的に膜厚が小さくなる。
【００３６】
本発明における硬質膜の構造を図３に基づいて説明する。図３は、図１（ａ）の場合における硬質膜８の構造を示す模式断面図である。図３に示すように、該硬質膜８は、（１）内輪２の内輪軌道面２ａ上に直接成膜されるＣｒを主体とする下地層８ａと、（２）下地層８ａの上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層８ｂと、（３）混合層８ｂの上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層８ｃとからなる３層構造を有する。ここで、混合層８ｂは、下地層８ａ側から表面層８ｃ側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中のＷＣの含有率が小さくなり、かつ、該混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる層である。
【００３７】
下地層８ａがＣｒを主体とする層であることから、基材となる鉄系材料製の軸受部材との相性がよく、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉなどを用いる場合と比較して基材との密着性に優れる。特に、軸受軌道輪材料として使用される高炭素クロム軸受鋼との密着性に優れる。
【００３８】
混合層８ｂに用いるＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。後述の比較例５に示すように、下地層に合わせて混合層をＣｒとＤＬＣとを主体とする層とする場合では、軸受使用時における十分な密着性を得ることができない。このように、曲面である転がり軸受の内・外輪軌道面、転動体の転動面において、耐剥離性に優れたＤＬＣを含む硬質膜を形成しようとする場合では、その中間層（混合層８ｂ）における材料選定も重要な要素となる。
【００３９】
また、混合層８ｂが表面層８ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さく、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成であるので、下地層８ａと表面層８ｃとの両面での密着性に優れる。特に、該混合層内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となり、表面層８ｃ側ではＤＬＣ含有率が高められているので、表面層８ｃと混合層８ｂとの密着性に優れる。
【００４０】
表面層８ｃは、ＤＬＣを主体とする膜である。表面層８ｃにおいて、混合層８ｂとの隣接側に、混合層８ｂ側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分８ｄを有することが好ましい。これは、混合層８ｂと表面層８ｃとでバイアス電圧が異なる場合、バイアス電圧の急激な変化を避けるためにバイアス電圧を連続的または段階的に変化させる（上げる）ことで得られる部分である。傾斜層部分８ｄは、このようにバイアス電圧を変化させることで、結果として上記のように硬度が傾斜する。硬度が連続的または段階的に上昇するのは、ＤＬＣ構造におけるグラファイト構造（ｓｐ２）とダイヤモンド構造（ｓｐ３）との構成比率が、バイアス電圧の上昇により後者に偏っていくためである。これにより、混合層と表面層との急激な硬度差がなくなり、混合層８ｂと表面層８ｃとの密着性がさらに優れる。
【００４１】
硬質膜８の膜厚（３層の合計）は０．５〜３．０μｍとすることが好ましい。膜厚が０．５μｍ未満であれば、耐摩耗性および機械的強度に劣る場合があり、３．０μｍをこえると剥離し易くなる。さらに、該硬質膜８の膜厚に占める表面層８ｃの厚さの割合が０．８以下であることが好ましい。この割合が０．８をこえると、混合層８ｂにおけるＷＣとＤＬＣの物理結合するための傾斜組織が不連続な組織となるため、密着性が劣化する可能性が高い。
【００４２】
硬質膜８を以上のような組成の下地層８ａ、混合層８ｂ、表面層８ｃとの３層構造とすることで、耐剥離性に優れる。
【００４３】
硬質膜８の物性としては、表面粗さＲａ：０．０１μｍ以下、ビッカース硬度Ｈｖ：７８０であるＳＵＪ２焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧０．５ＧＰａの荷重を印加して接触させ、０．０５ｍ／ｓの回転速度で３０分間、上記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が２００×１０−１０ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）未満であることが好ましい。この摩擦摩耗試験の形態は、相手材表面粗さが小さいため、軸受内の摩耗形態に近い凝着摩耗形態であり、該試験で比摩耗量が２００×１０−１０ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）未満であれば、軌道面で発生する局所的なすべりに対しても摩耗低減に効果がある。
【００４４】
また、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が２５〜４５ＧＰａであることが好ましい。この範囲であると、軌道面内に硬質な異物が介入した場合に発生するアブレッシブ摩耗にも高い効果を発揮する。
【００４５】
また、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が５０Ｎ以上であることが好ましい。スクラッチテストにおける臨界剥離荷重の測定方法は、後述の実施例に示すとおりである。臨界剥離荷重が５０Ｎ未満である場合には、高荷重条件で軸受を使用した場合に硬質膜が剥離する可能性が高い。また、臨界剥離荷重が５０Ｎ以上であっても、本発明のような膜構造でなければ場合によっては容易に剥離することもある。
【００４６】
本発明の転がり軸受において、以上のような構造・物性の硬質膜を形成することで、軸受使用時に転がり接触などの負荷を受けた場合でも、該膜の摩耗や剥離を防止でき、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。また、グリースを封入した転がり軸受において、軌道輪などの損傷により金属新生面が露出すると、触媒作用によりグリース劣化を促進させるが、本発明の転がり軸受では、硬質膜により金属接触による軌道面や転動面の損傷を防止できるので、このグリース劣化も防止できる。
【００４７】
以下、硬質膜の形成方法について説明する。硬質膜は、軸受部材の成膜面に対して、下地層８ａ、混合層８ｂ、表面層８ｃをこの順に成膜して得られる。
【００４８】
下地層８ａおよび混合層８ｂの形成は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用してなされることが好ましい。ＵＢＭＳ装置を用いたＵＢＭＳ法の成膜原理を図４に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材１２は、成膜対象の軸受部材である内輪、外輪、または転動体であるが、模式的に平板で示してある。図４に示すように、丸形ターゲット１５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石１４ａ、外側磁石１４ｂが配置され、ターゲット１５付近で高密度プラズマ１９を形成しつつ、上記磁石１４ａ、１４ｂにより発生する磁力線１６の一部１６ａがバイアス電源１１に接続された基材１２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線１６ａに沿ってスパッタリング時に発生したＡｒプラズマが基材１２付近まで拡散する効果が得られる。このようなＵＢＭＳ法では、基材１２付近まで達する磁力線１６ａに沿って、Ａｒイオン１７および電子が、通常のスパッタリングに比べてイオン化されたターゲット１８をより多く基材１２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）１３を成膜できる。
【００４９】
ターゲット１５として、下地層８ａを形成する際にはＣｒターゲットを用い、混合層８ｂを形成する際にはＷＣターゲットおよび黒鉛ターゲットを併用する。各層の形成毎に、それぞれに用いるターゲットを逐次取り替える。
【００５０】
混合層８ｂは、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、ＷＣターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより表面層８ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さく、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成の層とできる。
【００５１】
表面層８ｃの形成も、上記のスパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用してなされることが好ましい。より詳細には、表面層８ｃは、この装置を利用して、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、上記Ａｒガスの上記装置内への導入量１００に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合を１〜５とし、上記装置内の真空度を０．２〜０．８Ｐａとし、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧を７０〜１５０Ｖでとした条件下で、上記炭素供給源から生じる炭素原子を、混合層８ｂ上に堆積させて成膜されたものとすることが好ましい。この好適条件について以下に説明する。
【００５２】
炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用することで、混合層８ｂとの密着性を向上させることができる。炭化水素系ガスとしては、メタンガス、アセチレンガス、ベンゼンなどが使用でき、特に限定されないが、コストおよび取り扱い性の点からメタンガスが好ましい。
【００５３】
上記炭化水素系ガスの導入量の割合を、ＡｒガスのＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）への導入量１００（体積部）に対して１〜５（体積部）とすることで、表面層８ｃの耐摩耗性などを悪化させずに、混合層８ｂとの密着性の向上が図れる。
【００５４】
ＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は上記のとおり０．２〜０．８Ｐａであることが好ましい。より好ましくは、０．２５〜０．８Ｐａである。真空度が０．２Ｐａ未満であると、チャンバー内のＡｒガス量が少ないため、Ａｒプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、真空度が０．８Ｐａより高いと、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。
【００５５】
基材である軸受部材に印加するバイアス電圧は上記のとおり７０〜１５０Ｖであることが好ましい。より好ましくは、１００〜１５０Ｖである。バイアス電圧が７０Ｖ未満であると、緻密化が進行せず、耐摩耗性が極端に悪化するので好ましくない。また、バイアス電圧が１５０Ｖをこえると、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。また、バイアス電圧が高すぎると、表面層が硬くなりすぎ、軸受使用時に剥離しやすくなるおそれがある。
【００５６】
また、スパッタリングガスであるＡｒガスの導入量は４０〜１５０ｍｌ／ｍｉｎであることが好ましい。より好ましくは５０〜１５０ｍｌ／ｍｉｎである。Ａｒガス流量が４０ｍｌ／ｍｉｎ未満であると、Ａｒプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、Ａｒガス流量が１５０ｍｌ／ｍｉｎよりも多いと、逆スパッタ現象が起こり易くなるため、耐摩耗性が悪化するおそれがある。Ａｒガス導入量が多いと、成膜チャンバー内でＡｒ原子と炭素原子の衝突確率が増す。その結果、膜表面に到達するＡｒ原子数が減少し、Ａｒ原子による膜の押し固め効果が低下し、膜の耐摩耗性が悪化する。
【００５７】
表面層８ｃの傾斜層部分８ｄは、上記のように、基材である軸受部材に印加するバイアス電圧を連続的または段階的に上げながら成膜することで得られる。
【実施例】
【００５８】
本発明の転がり軸受に形成する硬質膜として、所定の基材に対して硬質膜を形成し、該硬質膜の物性に関する評価した。また、同様の硬質膜を転がり軸受の内輪軌道面および外輪軌道面に実際に成膜し、該軸受の評価を行なった。これらを実施例、比較例、参考例として以下に説明する。
【００５９】
硬質膜の評価用に用いた基材、ＵＢＭＳ装置、スパッタリングガス、下地層および混合層の形成条件は以下のとおりである。
（１）基材材質：各表に示す基材
（２）基材寸法：鏡面（Ｒａ０．００５μｍ程度）の円板（φ４８ｍｍ×φ８ｍｍ×７ｍｍ）
（３）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２／ＡＩＰ複合装置
（４）スパッタリングガス：Ａｒガス
（５）下地層および混合層の形成条件
下地層：成膜チャンバー内を５×１０−３Ｐａ程度まで真空引きし、ヒータで基材をベーキングして、Ａｒプラズマにて基材表面をエッチング後、ＵＢＭＳ法にてＣｒターゲットを用いＣｒ層を形成した。なお、Ｃｒ以外の下地層とする場合は、対応するターゲットを用いる以外は、同条件で形成した。
混合層：成膜チャンバー内を５×１０−３Ｐａ程度まで真空引きし、ヒータで基材をベーキングして、Ａｒプラズマにて基材表面（または上記Ｃｒ層表面）をエッチング後、ＷＣターゲットと黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、ＷＣとＤＬＣの組成比を傾斜させた。なお、ＷＣ以外との混合層とする場合は、対応するターゲットを用いる以外は、同条件で形成した。
（６）表面層の形成条件は、各表に示す。
【００６０】
ＵＢＭＳ２０２／ＡＩＰ複合装置の概要を図５に示す。図５はアークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す）機能を備えたＵＢＭＳ装置の模式図である。図５に示すように、ＵＢＭＳ２０２／ＡＩＰ複合装置は、円盤２２上に配置された基材２３に対し、真空アーク放電を利用して、ＡＩＰ蒸発源材料２１を瞬間的に蒸気化・イオン化し、これを基材２３上に堆積させて被膜を成膜するＡＩＰ機能と、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）２４を非平衡な磁場により、基材２３近傍のプラズマ密度を上げてイオンアシスト効果を増大すること（図４参照）によって、基材上に堆積する被膜の特性を制御できるＵＢＭＳ機能を備える装置である。この装置により、基材上に、ＡＩＰ被膜および複数のＵＢＭＳ被膜（組成傾斜を含む）を任意に組合せた複合被膜を成膜することができる。この実施例では、基材とする軸受部材（内輪、外輪）に、下地層、混合層、表面層をＵＢＭＳ被膜として成膜している。なお、外輪軌道面は、外輪の内周に位置するが、イオン化されたターゲットが回り込むことで成膜される。
【００６１】
実施例１〜実施例８、実施例１０、比較例１〜比較例５、参考例１〜参考例８
表１〜表３に示す基材をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、基材をＵＢＭＳ／ＡＩＰ複合装置に取り付け、上述の形成条件にて各表に示す材質の下地層および混合層を形成した。その上に、各表に示す成膜条件にて表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。なお、各表における「真空度」は上記装置における成膜チャンバー内の真空度である。得られた試験片を以下に示す摩耗試験、硬度試験、膜厚試験、スクラッチテスト、およびスラスト型転動疲労試験に供した。結果を各表に併記する。
【００６２】
実施例９
日本電子工業社製：ラジカル窒化装置を用いてプラズマ窒素処理が施された基材（ビッカース硬さＨｖ１０００）をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、基材をＵＢＭＳ／ＡＩＰ複合装置に取り付け、上述の形成条件にて表１に示す材質の下地層（Ｃｒ）および混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）を形成した。その上に、表１に示す成膜条件にて表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。得られた試験片について、実施例１と同様の試験に供し、その結果を表１に併記する。
【００６３】
＜摩擦試験＞
得られた試験片を、図６に示す摩擦試験機用いて摩擦試験を行なった。図６（ａ）は正面図を、図６（ｂ）は側面図を、それぞれ表す。表面粗さＲａが０．０１μｍ以下であり、ビッカース硬度Ｈｖが７８０であるＳＵＪ２焼入れ鋼を相手材３２として回転軸に取り付け、試験片３１をアーム部３３に固定して所定の荷重３４を図面上方から印加して、ヘルツの最大接触面圧０．５ＧＰａ、室温（２５℃）下、０．０５ｍ／ｓの回転速度で３０分間、試験片３１と相手材３２との間に潤滑剤を介在させることなく、相手材３２を回転させたときに、相手材３２と試験片３１との間に発生する摩擦力をロードセル３５により検出した。これより、比摩耗量を算出した。
【００６４】
＜硬度試験＞
得られた試験片の押し込み硬さをアジレントテクノロジー社製：ナノインデンタ（Ｇ２００）を用いて測定した。なお、測定値は表面粗さの影響を受けない深さ（硬さが安定している箇所）の平均値を示しており、各試験片１０箇所ずつ測定している。
【００６５】
＜膜厚試験＞
得られた試験片の硬質膜の膜厚を表面形状・表面粗さ測定器（テーラーホブソン社製：フォーム・タリサーフＰＧＩ８３０）を用いて測定した。膜厚は成膜部の一部にマスキングを施し、非成膜部と成膜部の段差から膜厚を求めた。
【００６６】
＜スクラッチテスト＞
得られた試験片について、ナノテック社製：レベテストＲＳＴを用いてスクラッチテストを行ない臨界剥離荷重を測定した。具体的には、得られた試験片について、先端半径２００μｍのダイヤモンド圧子で、スクラッチ速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、荷重負荷速度１０Ｎ／ｍｍ（連続的に荷重を増加）で試験し、試験機画面で判定し、画面上の摩擦痕（摩擦方向長さ３７５μｍ、幅約１００μｍ）に対し露出した基材の面積が５０％に達する荷重を臨界剥離荷重として測定した。
【００６７】
＜スラスト型転動疲労試験＞
得られた試験片について、図７に示す試験機を用いて、スラスト型転動疲労試験として、軸受の潤滑状態が苛酷な場合を想定した「低ラムダ条件」と、潤滑状態が良好な場合を想定した「高ラムダ条件」との２条件の試験を行い、硬質膜の転動疲労特性を評価した。「低ラムダ条件」は境界潤滑となるため、純粋な繰り返し転動疲労に加え接触による損傷が影響する。よって、硬質膜の耐摩耗性と密着性が要求される。各条件を以下に示す。
【００６８】
［低ラムダ条件］
潤滑油：ＶＧ２
ラムダ：０．６
最大接触面圧：２ＧＰａ
回転数：１０００ｒ／ｍｉｎ
軌道径：φ２０ｍｍ
転動体：サイズ７／３２”、個数３、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．００５μｍＲａ
油温度：７０℃
打ち切り時間：なし
（１１１１ｈで負荷回数８乗回）
［高ラムダ条件］
潤滑油：ＶＧ３２
ラムダ：９．５
最大接触面圧：３ＧＰａ
回転数：４５００ｒ／ｍｉｎ
軌道径：φ２０ｍｍ
転動体：サイズ７／３２”、個数３、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．００５μｍＲａ
油温度：７０℃
打ち切り時間：３００ｈ
（２４７ｈで負荷回数８乗回）
【００６９】
図７に示すように、試験機は、転動体４２が円板状の試験片４１と軌道盤４５との間で転動する構成であり、試験片４１は調芯用ボール４３を介して支持されている。また、図中４４は、予圧のためのロータリーボールスプライン、４６はヒータ、４７は熱電対である。本試験機は、試験片４１を取り付け直しても転走跡がずれない構造である。評価方法は、試験時間２０ｈ毎に試験片を取り外し、光学顕微鏡観察によって試験片からの硬質膜の剥離有無を確認する。例えば、２０ｈ確認時に剥離していれば寿命は２０ｈとなる。２０ｈ確認時に剥離していなければ、再度試験片を取り付けて試験を継続する。寿命時間を表１および表２に併記する。また、寿命判定として、低ラムダ条件では、寿命が１５００ｈ以上のものを「○」、１０００ｈ以上１５００ｈ未満のものを「△」、１０００ｈ未満のものを「×」として記録する。高ラムダ条件では、寿命が３００ｈ以上のものを「○」、３００ｈ未満のものを「×」として記録する。
【００７０】
＜軸受内外輪への成膜試験＞
実施例、比較例、参考例の各条件で、６２０６転がり軸受（深溝玉軸受）の以下の内輪軌道面および外輪軌道面に実際に成膜を行い、成膜直後の各部材からの硬質膜の剥離を確認した。成膜チャンバーから取り出したときに剥離していなかったものを「○」、剥離していたものを「×」として記録し、結果を各表に併記する。また、実施例１の試験後の写真を図９に、比較例１の試験後の写真を図１０に、比較例４の試験後の写真を図１１にそれぞれ示す。
内輪：軌道面に硬質膜を成膜、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．０３μｍＲａ
外輪：軌道面に硬質膜を成膜、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．０３μｍＲａ
【００７１】
＜軸受寿命試験＞
上記成膜試験で硬質膜が成膜された実施例１〜１０、比較例５の内外輪を用いて、試験用の６２０６転がり軸受（深溝玉軸受）を組み立て、この試験用軸受を用いて図８の試験機より寿命試験を行った。図８に示すように、試験機は、負荷用コイルバネ５３から負荷用玉軸受５２を介して荷重を負荷されつつ、駆動プーリ５４により回転する軸５５を、一対の試験用軸受５１で回転支持するものである。潤滑状態は良好な場合を想定している。試験条件を以下に示す。
【００７２】
内輪／外輪：上記成膜試験で硬質膜が成膜された内輪および外輪
転動体：サイズ３／８”、個数９、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．００５μｍＲａ
潤滑油：ＶＧ５６
ラムダ：３以上
最大接触面圧：３．３ＧＰａ
回転数：３０００ｒ／ｍｉｎ（内輪回転）
計算寿命：Ｌ１０寿命 １２７ｈ
打ち切り時間：２００ｈ
【００７３】
試験時間２０ｈと試験時間２００ｈの試験を行ない、試験後の軌道面を光学顕微鏡観察を用いて部材からの硬質膜の剥離の有無を確認した。例えば、２０ｈ試験後に剥離していれば寿命は２０ｈとなり、２００ｈ試験後に剥離していれば寿命は２００ｈとなる。よって、寿命水準としては、２０ｈ、２００ｈ、２００ｈ以上の３水準となる。寿命時間を表１および表２に併記する。また、寿命判定として、寿命が２００ｈ以上のものを「○」、２００ｈ未満のものを「×」として記録し、結果を表１および表２に併記する。
【００７４】
【表１】
【００７５】
【表２】
【００７６】
【表３】
【００７７】
表１に示すように各実施例の硬質膜は、耐摩耗性や密着性に優れ、軸受使用時においても硬質膜の剥離を防止できた。
【００７８】
また、所定の膜構造とした各実施例では内外輪軌道面への成膜状態が良好であるのに対し、下地層、中間層が本発明と異なる比較例１〜４では成膜が困難であった。例えば、実施例１（図９）では硬質膜が良好に形成されているのに対し、下地層を設けなかった比較例１（図１０）では大きく剥離し、下地層を設けたがＣｒではなくＴｉとした比較例４（図１１）でも剥離が見られた。また、比較例５では成膜自体はできたが、軸受使用時に剥離しやすかった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の転がり軸受は、内・外輪軌道面や転動体の転動面に形成されたＤＬＣを含む硬質膜の耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本体の特性を発揮できるので、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる。このため、本発明の転がり軸受は、苛酷な潤滑状態での用途を含め、各種用途に適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 転がり軸受（深溝玉軸受）
２ 内輪
３ 外輪
４ 転動体
５ 保持器
６ シール部材
７ グリース
８ 硬質膜
１１ バイアス電源
１２ 基材
１３ 膜（層）
１５ ターゲット
１６ 磁力線
１７ Ａｒイオン
１８ イオン化されたターゲット
１９ 高密度プラズマ
２１ ＡＩＰ蒸発源材料
２２ 円盤
２３ 基材
２４ スパッタ蒸発源材料（ターゲット）
３１ 試験片
３２ 相手材
３３ アーム部
３４ 荷重
３５ ロードセル
４１ 試験片
４２ 転動体
４３ 調芯用ボール
４４ ロータリーボールスプライン
４５ 軌道盤
４６ ヒータ
４７ 熱電対
５１ 試験用軸受
５２ 負荷用玉軸受
５３ 負荷用コイルバネ
５４ 駆動プーリ
５５ 軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内輪軌道面、外輪軌道面、転動体表面にダイヤモンドライクカーボンを含む硬質膜を成膜した転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬質カーボン膜は、一般にダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと記す。また、ＤＬＣを主体とする膜／層をＤＬＣ膜／層ともいう。）と呼ばれている硬質膜である。硬質カーボンはその他にも、硬質非晶質炭素、無定形炭素、硬質無定形型炭素、ｉ−カーボン、ダイヤモンド状炭素など、様々な呼称があるが、これらの用語は明確に区別されていない。
【０００３】
このような用語が用いられるＤＬＣの本質は、構造的にはダイヤモンドとグラファイトが混ざり合った両者の中間構造を有するものである。ダイヤモンドと同等に硬度が高く、耐摩耗性、固体潤滑性、熱伝導性、化学安定性、耐腐食性などに優れる。このため、例えば、金型・工具類、耐摩耗性機械部品、研磨材、摺動部材、磁気・光学部品などの保護膜として利用されつつある。こうしたＤＬＣ膜を形成する方法として、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理的蒸着（以下、ＰＶＤと記す）法、化学的蒸着（以下、ＣＶＤと記す）法、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング（以下、ＵＢＭＳと記す）法などが採用されている。
【０００４】
従来より、転がり軸受の軌道輪の軌道面や転動体の転動面に対し、ＤＬＣ膜を形成する試みがなされている。ＤＬＣ膜は、膜形成時に極めて大きな内部応力が発生し、また高い硬度およびヤング率を持つ反面、変形能が極めて小さいことから、基材との密着性が弱く、剥離しやすいなどの欠点を持っている。このため、転がり軸受の軌道輪の軌道面や転動体の転動面にＤＬＣ膜を成膜する場合には、密着性を改善する必要性がある。
【０００５】
例えば、中間層を設けてＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、鉄鋼材料で形成された軌道溝や転動体の転動面に、クロム（以下、Ｃｒと記す）、タングステン（以下、Ｗと記す）、チタン（以下、Ｔｉと記す）、珪素（以下、Ｓｉと記す）、ニッケル、および鉄の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、この下地層の構成元素と炭素とを含有し、炭素の含有率が下地層の反対側で下地層側より大きい中間層と、アルゴンと炭素とからなりアルゴンの含有率が０．０２質量％以上５質量％以下であるダイヤモンドライクカーボン層とが、この順に形成されてなる転動装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、アンカー効果によりＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、軌道面にイオン衝撃処理により１０〜１００ｎｍの高さで平均幅３００ｎｍ以下の凹凸を形成し、この軌道面上にＤＬＣ膜を形成した転がり軸受が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４１７８８２６号
【特許文献２】特許第３９６１７３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、転がり軸受において転動体を案内する内・外輪の軌道面は、その形状が平面ではなく曲面であり、主曲率と副曲率が組み合わさった形状等のものもある。また、転動体の転動面は、円筒ころの場合は円周面、玉の場合は球面となる。このような形状の面にＤＬＣ膜を成膜すると、その膜構造や成膜条件によっては、膜内の残留応力が大きくなり、成膜直後に剥離するおそれがある。また、成膜直後には剥離しなくとも、軸受使用時に転がり接触などの負荷を受けると剥離するおそれがある。
【０００９】
特許文献１や特許文献２の技術は、この問題の解決を図ったものであるが、得られた転がり軸受の実用性を向上させるべく、ＤＬＣ膜を適用する際の膜構造や成膜条件には更なる改善の余地がある。
【００１０】
本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、転がり軸受の内・外輪軌道面などに形成されたＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮することで、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる転がり軸受の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の転がり軸受は、外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、上記内輪軌道面と上記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体とを備え、上記内輪、上記外輪、および上記複数の転動体が鉄系材料からなる転がり軸受であって、上記内輪軌道面および上記外輪軌道面が、上記転動体を案内する曲面であり、該内輪軌道面、該外輪軌道面、および上記転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面に硬質膜が成膜されてなり、上記硬質膜は、上記面の上に直接成膜されるＣｒを主体とする下地層と、該下地層の上に成膜されるタングステンカーバイト（以下、ＷＣと記す）とＤＬＣとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、上記混合層は、上記下地層側から上記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中のＷＣの含有率が小さくなり、該混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる層であることを特徴とする。
【００１２】
上記転動体が玉であり、上記内輪軌道面および上記外輪軌道面が、上記転動体を案内する円曲面であることを特徴とする。
【００１３】
上記表面層は、上記混合層との隣接側に、上記混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有することを特徴とする。
【００１４】
上記表面層は、スパッタリングガスとしてアルゴン（以下、Ａｒと記す）ガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用して成膜した層であり、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、上記Ａｒガスの上記装置内への導入量１００に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合が１〜５であり、上記装置内の真空度が０．２〜０．８Ｐａであり、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧が７０〜１５０Ｖである条件下で、上記炭素供給源から生じる炭素原子を、上記混合層上に堆積させて成膜されたものであることを特徴とする。また、上記炭化水素系ガスが、メタンガスであることを特徴とする。
【００１５】
なお、基材となる軸受部材に対するバイアスの電位は、アース電位に対してマイナスとなるように印加しており、例えば、バイアス電圧１５０Ｖとは、アース電位に対して基材のバイアス電位が−１５０Ｖであることを示す。
【００１６】
上記表面層の傾斜層部分は、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧を連続的または段階的に上げながら成膜されたものであることを特徴とする。
【００１７】
上記下地層および上記混合層は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用して成膜した層であり、上記混合層は、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、ＷＣターゲットに印加する電力を下げながら成膜されたものであることを特徴とする。
【００１８】
上記硬質膜は、表面粗さＲａ：０．０１μｍ以下、ビッカース硬度Ｈｖ：７８０であるＳＵＪ２焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧０．５ＧＰａの荷重を印加して接触させ、０．０５ｍ／ｓの回転速度で３０分間、上記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が２００×１０−１０ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）未満であることを特徴とする。また、上記硬質膜は、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が２５〜４５ＧＰａであることを特徴とする。また、上記硬質膜は、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が５０Ｎ以上であることを特徴とする。
【００１９】
上記硬質膜の膜厚が０．５〜３μｍであり、かつ該硬質膜の膜厚に占める上記表面層の厚さの割合が０．８以下であることを特徴とする。
【００２０】
上記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼から選ばれることを特徴とする。また、上記硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ６５０以上であることを特徴とする。
【００２１】
上記硬質膜が形成される面において、上記硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることを特徴とする。特に、上記窒化処理が、プラズマ窒化処理であることを特徴とする。また、上記窒化処理後の表面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることを特徴とする。
【００２２】
上記硬質膜が形成される面の表面粗さＲａが、０．０５μｍ以下であることを特徴とする。
【００２３】
上記転がり軸受は、グリースが封入されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の転がり軸受は、鉄系材料製の内輪、外輪、転動体において、該内輪軌道面、該外輪軌道面、および上記転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面に、ＤＬＣを含む所定の膜構造を有する硬質膜が成膜されてなる。各面上に直接成膜されるＣｒからなる下地層は鉄系材料と相性がよく、ＷやＳｉと比較して密着性に優れる。また、混合層に用いるＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。さらに、ＷＣとＤＬＣとの混合層を傾斜組成とすることで、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっている。
【００２５】
上記構造により、該硬質膜は、曲面である内・外輪軌道面や転動体の転動面に形成されながら耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本来の特性を発揮できる。この結果、本発明の転がり軸受は、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れ、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の転がり軸受の他の例を示す断面図である。
【図３】硬質膜の構造を示す模式断面図である。
【図４】ＵＢＭＳ法の成膜原理を示す模式図である。
【図５】ＡＩＰ機能を備えたＵＢＭＳ装置の模式図である。
【図６】摩擦試験機を示す図である。
【図７】スラスト型転動疲労試験機を示す図である。
【図８】軸受寿命試験に用いた試験機を示す図である。
【図９】実施例１の硬質膜を形成した軸受内輪の写真である。
【図１０】比較例１の硬質膜を形成した軸受内輪の写真である。
【図１１】比較例４の硬質膜を形成した軸受内輪の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
ＤＬＣ膜などの硬質膜は膜内に残留応力があり、残留応力は膜構造や成膜条件、基材形状の影響を受け大きく異なる。実験を重ねた結果、予想外に基材形状の影響が大きいことが判明した。例えば、平面では成膜直後の剥離もなくスクラッチテストでの臨界剥離荷重も大きい硬質膜が、転がり軸受の内・外輪軌道面のような曲面では成膜直後に剥離する場合や、成膜直後には剥離しなくとも、使用時に剥離しやすいものである場合がある。本発明者らは、鋭意検討の結果、曲面である転がり軸受の内・外輪軌道面、転動体の転動面に形成する硬質膜を、下地層（Ｃｒ）と混合層（ＷＣ／ＤＬＣの傾斜）と表面層（ＤＬＣ）とからなる所定の構造に限定することで、耐剥離性の大幅な向上が図れ、軸受の実使用条件においても、該硬質膜の剥離を防止できることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。
【００２８】
本発明の転がり軸受を図１および図２に基づいて説明する。図１は、内・外輪軌道面に後述の硬質膜を形成した転がり軸受（深溝玉軸受）の断面図を、図２は転動体の転動面に硬質膜を形成した転がり軸受（深溝玉軸受）の断面図をそれぞれ示す。転がり軸受１は、外周に内輪軌道面２ａを有する内輪２と、内周に外輪軌道面３ａを有する外輪３と、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する複数の転動体４とを備える。転動体４は保持器５により一定間隔で保持されている。シール部材６により、内・外輪の軸方向両端開口部がシールされ、軸受空間にグリース７が封入されている。グリース７としては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。
【００２９】
図１（ａ）の転がり軸受では、内輪２の外周面（内輪軌道面２ａを含む）に硬質膜８が形成されており、図１（ｂ）の転がり軸受では、外輪３の内周面（外輪軌道面３ａを含む）に硬質膜８が形成されている。該硬質膜８を内・外輪に形成する場合は、少なくともその軌道面に形成してあればよい。よって、各図に示すように内輪外周面全体、外輪外周面全体に形成する、または、内・外輪の全体に形成してもよい。
【００３０】
また、図２の転がり軸受では、転動体４の転動面に硬質膜８が形成されている。図２の転がり軸受は深溝玉軸受であることから、転動体４は玉であり、その転動面は球面全体である。図に示した態様以外の転がり軸受として、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受を用いる際に、該硬質膜８をその転動体に形成する場合は、少なくとも転動面（円筒外周など）に形成してあればよい。
【００３１】
図１および図２に示すように、深溝玉軸受の内輪軌道面２ａは、転動体４である玉を案内するため、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。同様に、外輪軌道面３ａも、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。この円弧溝の曲率半径は、一般的に鋼球径をｄｗとすると、０．５１〜０．５４ｄｗ程度である。また、図に示した態様以外の転がり軸受として、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受を用いる場合では、これらの軸受のころを案内するため、内輪軌道面および外輪軌道面は、少なくとも円周方向で曲面となる。その他、自動調心ころ軸受などの場合、転動体としてたる型ころを用いるので、内輪軌道面および外輪軌道面は、円周方向に加えて、軸方向についても曲面となる。本発明の転がり軸受は、内輪軌道面および外輪軌道面が、以上のいずれの形状であってもよい。
【００３２】
本発明の転がり軸受１において、硬質膜８の成膜対象となる軸受部材である内輪２、外輪３、および転動体４は、鉄系材料からなる。鉄系材料としては、軸受部材として一般的に用いられる任意の鋼材などを使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などが挙げられる。
【００３３】
これらの軸受部材において、硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ６５０以上であることが好ましい。Ｈｖ６５０以上とすることで、硬質膜（下地層）との硬度差を少なくし、密着性を向上させることができる。
【００３４】
上記硬質膜が形成される面において、硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることが好ましい。窒化処理としては、基材表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることが、硬質膜（下地層）との密着性をさらに向上させるために好ましい。
【００３５】
上記硬質膜が形成される面の表面粗さＲａは、０．０５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが０．０５μｍをこえると、粗さの突起先端に硬質膜が形成され難くなり、局所的に膜厚が小さくなる。
【００３６】
本発明における硬質膜の構造を図３に基づいて説明する。図３は、図１（ａ）の場合における硬質膜８の構造を示す模式断面図である。図３に示すように、該硬質膜８は、（１）内輪２の内輪軌道面２ａ上に直接成膜されるＣｒを主体とする下地層８ａと、（２）下地層８ａの上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層８ｂと、（３）混合層８ｂの上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層８ｃとからなる３層構造を有する。ここで、混合層８ｂは、下地層８ａ側から表面層８ｃ側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中のＷＣの含有率が小さくなり、かつ、該混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる層である。
【００３７】
下地層８ａがＣｒを主体とする層であることから、基材となる鉄系材料製の軸受部材との相性がよく、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉなどを用いる場合と比較して基材との密着性に優れる。特に、軸受軌道輪材料として使用される高炭素クロム軸受鋼との密着性に優れる。
【００３８】
混合層８ｂに用いるＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。後述の比較例５に示すように、下地層に合わせて混合層をＣｒとＤＬＣとを主体とする層とする場合では、軸受使用時における十分な密着性を得ることができない。このように、曲面である転がり軸受の内・外輪軌道面、転動体の転動面において、耐剥離性に優れたＤＬＣを含む硬質膜を形成しようとする場合では、その中間層（混合層８ｂ）における材料選定も重要な要素となる。
【００３９】
また、混合層８ｂが表面層８ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さく、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成であるので、下地層８ａと表面層８ｃとの両面での密着性に優れる。特に、該混合層内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となり、表面層８ｃ側ではＤＬＣ含有率が高められているので、表面層８ｃと混合層８ｂとの密着性に優れる。
【００４０】
表面層８ｃは、ＤＬＣを主体とする膜である。表面層８ｃにおいて、混合層８ｂとの隣接側に、混合層８ｂ側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分８ｄを有することが好ましい。これは、混合層８ｂと表面層８ｃとでバイアス電圧が異なる場合、バイアス電圧の急激な変化を避けるためにバイアス電圧を連続的または段階的に変化させる（上げる）ことで得られる部分である。傾斜層部分８ｄは、このようにバイアス電圧を変化させることで、結果として上記のように硬度が傾斜する。硬度が連続的または段階的に上昇するのは、ＤＬＣ構造におけるグラファイト構造（ｓｐ２）とダイヤモンド構造（ｓｐ３）との構成比率が、バイアス電圧の上昇により後者に偏っていくためである。これにより、混合層と表面層との急激な硬度差がなくなり、混合層８ｂと表面層８ｃとの密着性がさらに優れる。
【００４１】
硬質膜８の膜厚（３層の合計）は０．５〜３．０μｍとすることが好ましい。膜厚が０．５μｍ未満であれば、耐摩耗性および機械的強度に劣る場合があり、３．０μｍをこえると剥離し易くなる。さらに、該硬質膜８の膜厚に占める表面層８ｃの厚さの割合が０．８以下であることが好ましい。この割合が０．８をこえると、混合層８ｂにおけるＷＣとＤＬＣの物理結合するための傾斜組織が不連続な組織となるため、密着性が劣化する可能性が高い。
【００４２】
硬質膜８を以上のような組成の下地層８ａ、混合層８ｂ、表面層８ｃとの３層構造とすることで、耐剥離性に優れる。
【００４３】
硬質膜８の物性としては、表面粗さＲａ：０．０１μｍ以下、ビッカース硬度Ｈｖ：７８０であるＳＵＪ２焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧０．５ＧＰａの荷重を印加して接触させ、０．０５ｍ／ｓの回転速度で３０分間、上記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が２００×１０−１０ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）未満であることが好ましい。この摩擦摩耗試験の形態は、相手材表面粗さが小さいため、軸受内の摩耗形態に近い凝着摩耗形態であり、該試験で比摩耗量が２００×１０−１０ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）未満であれば、軌道面で発生する局所的なすべりに対しても摩耗低減に効果がある。
【００４４】
また、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が２５〜４５ＧＰａであることが好ましい。この範囲であると、軌道面内に硬質な異物が介入した場合に発生するアブレッシブ摩耗にも高い効果を発揮する。
【００４５】
また、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が５０Ｎ以上であることが好ましい。スクラッチテストにおける臨界剥離荷重の測定方法は、後述の実施例に示すとおりである。臨界剥離荷重が５０Ｎ未満である場合には、高荷重条件で軸受を使用した場合に硬質膜が剥離する可能性が高い。また、臨界剥離荷重が５０Ｎ以上であっても、本発明のような膜構造でなければ場合によっては容易に剥離することもある。
【００４６】
本発明の転がり軸受において、以上のような構造・物性の硬質膜を形成することで、軸受使用時に転がり接触などの負荷を受けた場合でも、該膜の摩耗や剥離を防止でき、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。また、グリースを封入した転がり軸受において、軌道輪などの損傷により金属新生面が露出すると、触媒作用によりグリース劣化を促進させるが、本発明の転がり軸受では、硬質膜により金属接触による軌道面や転動面の損傷を防止できるので、このグリース劣化も防止できる。
【００４７】
以下、硬質膜の形成方法について説明する。硬質膜は、軸受部材の成膜面に対して、下地層８ａ、混合層８ｂ、表面層８ｃをこの順に成膜して得られる。
【００４８】
下地層８ａおよび混合層８ｂの形成は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用してなされることが好ましい。ＵＢＭＳ装置を用いたＵＢＭＳ法の成膜原理を図４に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材１２は、成膜対象の軸受部材である内輪、外輪、または転動体であるが、模式的に平板で示してある。図４に示すように、丸形ターゲット１５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石１４ａ、外側磁石１４ｂが配置され、ターゲット１５付近で高密度プラズマ１９を形成しつつ、上記磁石１４ａ、１４ｂにより発生する磁力線１６の一部１６ａがバイアス電源１１に接続された基材１２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線１６ａに沿ってスパッタリング時に発生したＡｒプラズマが基材１２付近まで拡散する効果が得られる。このようなＵＢＭＳ法では、基材１２付近まで達する磁力線１６ａに沿って、Ａｒイオン１７および電子が、通常のスパッタリングに比べてイオン化されたターゲット１８をより多く基材１２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）１３を成膜できる。
【００４９】
ターゲット１５として、下地層８ａを形成する際にはＣｒターゲットを用い、混合層８ｂを形成する際にはＷＣターゲットおよび黒鉛ターゲットを併用する。各層の形成毎に、それぞれに用いるターゲットを逐次取り替える。
【００５０】
混合層８ｂは、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、ＷＣターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより表面層８ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さく、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成の層とできる。
【００５１】
表面層８ｃの形成も、上記のスパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用してなされることが好ましい。より詳細には、表面層８ｃは、この装置を利用して、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、上記Ａｒガスの上記装置内への導入量１００に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合を１〜５とし、上記装置内の真空度を０．２〜０．８Ｐａとし、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧を７０〜１５０Ｖでとした条件下で、上記炭素供給源から生じる炭素原子を、混合層８ｂ上に堆積させて成膜されたものとすることが好ましい。この好適条件について以下に説明する。
【００５２】
炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用することで、混合層８ｂとの密着性を向上させることができる。炭化水素系ガスとしては、メタンガス、アセチレンガス、ベンゼンなどが使用でき、特に限定されないが、コストおよび取り扱い性の点からメタンガスが好ましい。
【００５３】
上記炭化水素系ガスの導入量の割合を、ＡｒガスのＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）への導入量１００（体積部）に対して１〜５（体積部）とすることで、表面層８ｃの耐摩耗性などを悪化させずに、混合層８ｂとの密着性の向上が図れる。
【００５４】
ＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は上記のとおり０．２〜０．８Ｐａであることが好ましい。より好ましくは、０．２５〜０．８Ｐａである。真空度が０．２Ｐａ未満であると、チャンバー内のＡｒガス量が少ないため、Ａｒプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、真空度が０．８Ｐａより高いと、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。
【００５５】
基材である軸受部材に印加するバイアス電圧は上記のとおり７０〜１５０Ｖであることが好ましい。より好ましくは、１００〜１５０Ｖである。バイアス電圧が７０Ｖ未満であると、緻密化が進行せず、耐摩耗性が極端に悪化するので好ましくない。また、バイアス電圧が１５０Ｖをこえると、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。また、バイアス電圧が高すぎると、表面層が硬くなりすぎ、軸受使用時に剥離しやすくなるおそれがある。
【００５６】
また、スパッタリングガスであるＡｒガスの導入量は４０〜１５０ｍｌ／ｍｉｎであることが好ましい。より好ましくは５０〜１５０ｍｌ／ｍｉｎである。Ａｒガス流量が４０ｍｌ／ｍｉｎ未満であると、Ａｒプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、Ａｒガス流量が１５０ｍｌ／ｍｉｎよりも多いと、逆スパッタ現象が起こり易くなるため、耐摩耗性が悪化するおそれがある。Ａｒガス導入量が多いと、成膜チャンバー内でＡｒ原子と炭素原子の衝突確率が増す。その結果、膜表面に到達するＡｒ原子数が減少し、Ａｒ原子による膜の押し固め効果が低下し、膜の耐摩耗性が悪化する。
【００５７】
表面層８ｃの傾斜層部分８ｄは、上記のように、基材である軸受部材に印加するバイアス電圧を連続的または段階的に上げながら成膜することで得られる。
【実施例】
【００５８】
本発明の転がり軸受に形成する硬質膜として、所定の基材に対して硬質膜を形成し、該硬質膜の物性に関する評価した。また、同様の硬質膜を転がり軸受の内輪軌道面および外輪軌道面に実際に成膜し、該軸受の評価を行なった。これらを実施例、比較例、参考例として以下に説明する。
【００５９】
硬質膜の評価用に用いた基材、ＵＢＭＳ装置、スパッタリングガス、下地層および混合層の形成条件は以下のとおりである。
（１）基材材質：各表に示す基材
（２）基材寸法：鏡面（Ｒａ０．００５μｍ程度）の円板（φ４８ｍｍ×φ８ｍｍ×７ｍｍ）
（３）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２／ＡＩＰ複合装置
（４）スパッタリングガス：Ａｒガス
（５）下地層および混合層の形成条件
下地層：成膜チャンバー内を５×１０−３Ｐａ程度まで真空引きし、ヒータで基材をベーキングして、Ａｒプラズマにて基材表面をエッチング後、ＵＢＭＳ法にてＣｒターゲットを用いＣｒ層を形成した。なお、Ｃｒ以外の下地層とする場合は、対応するターゲットを用いる以外は、同条件で形成した。
混合層：成膜チャンバー内を５×１０−３Ｐａ程度まで真空引きし、ヒータで基材をベーキングして、Ａｒプラズマにて基材表面（または上記Ｃｒ層表面）をエッチング後、ＷＣターゲットと黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、ＷＣとＤＬＣの組成比を傾斜させた。なお、ＷＣ以外との混合層とする場合は、対応するターゲットを用いる以外は、同条件で形成した。
（６）表面層の形成条件は、各表に示す。
【００６０】
ＵＢＭＳ２０２／ＡＩＰ複合装置の概要を図５に示す。図５はアークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す）機能を備えたＵＢＭＳ装置の模式図である。図５に示すように、ＵＢＭＳ２０２／ＡＩＰ複合装置は、円盤２２上に配置された基材２３に対し、真空アーク放電を利用して、ＡＩＰ蒸発源材料２１を瞬間的に蒸気化・イオン化し、これを基材２３上に堆積させて被膜を成膜するＡＩＰ機能と、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）２４を非平衡な磁場により、基材２３近傍のプラズマ密度を上げてイオンアシスト効果を増大すること（図４参照）によって、基材上に堆積する被膜の特性を制御できるＵＢＭＳ機能を備える装置である。この装置により、基材上に、ＡＩＰ被膜および複数のＵＢＭＳ被膜（組成傾斜を含む）を任意に組合せた複合被膜を成膜することができる。この実施例では、基材とする軸受部材（内輪、外輪）に、下地層、混合層、表面層をＵＢＭＳ被膜として成膜している。なお、外輪軌道面は、外輪の内周に位置するが、イオン化されたターゲットが回り込むことで成膜される。
【００６１】
実施例１〜実施例８、実施例１０、比較例１〜比較例５、参考例１〜参考例８
表１〜表３に示す基材をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、基材をＵＢＭＳ／ＡＩＰ複合装置に取り付け、上述の形成条件にて各表に示す材質の下地層および混合層を形成した。その上に、各表に示す成膜条件にて表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。なお、各表における「真空度」は上記装置における成膜チャンバー内の真空度である。得られた試験片を以下に示す摩耗試験、硬度試験、膜厚試験、スクラッチテスト、およびスラスト型転動疲労試験に供した。結果を各表に併記する。
【００６２】
実施例９
日本電子工業社製：ラジカル窒化装置を用いてプラズマ窒素処理が施された基材（ビッカース硬さＨｖ１０００）をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、基材をＵＢＭＳ／ＡＩＰ複合装置に取り付け、上述の形成条件にて表１に示す材質の下地層（Ｃｒ）および混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）を形成した。その上に、表１に示す成膜条件にて表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。得られた試験片について、実施例１と同様の試験に供し、その結果を表１に併記する。
【００６３】
＜摩擦試験＞
得られた試験片を、図６に示す摩擦試験機用いて摩擦試験を行なった。図６（ａ）は正面図を、図６（ｂ）は側面図を、それぞれ表す。表面粗さＲａが０．０１μｍ以下であり、ビッカース硬度Ｈｖが７８０であるＳＵＪ２焼入れ鋼を相手材３２として回転軸に取り付け、試験片３１をアーム部３３に固定して所定の荷重３４を図面上方から印加して、ヘルツの最大接触面圧０．５ＧＰａ、室温（２５℃）下、０．０５ｍ／ｓの回転速度で３０分間、試験片３１と相手材３２との間に潤滑剤を介在させることなく、相手材３２を回転させたときに、相手材３２と試験片３１との間に発生する摩擦力をロードセル３５により検出した。これより、比摩耗量を算出した。
【００６４】
＜硬度試験＞
得られた試験片の押し込み硬さをアジレントテクノロジー社製：ナノインデンタ（Ｇ２００）を用いて測定した。なお、測定値は表面粗さの影響を受けない深さ（硬さが安定している箇所）の平均値を示しており、各試験片１０箇所ずつ測定している。
【００６５】
＜膜厚試験＞
得られた試験片の硬質膜の膜厚を表面形状・表面粗さ測定器（テーラーホブソン社製：フォーム・タリサーフＰＧＩ８３０）を用いて測定した。膜厚は成膜部の一部にマスキングを施し、非成膜部と成膜部の段差から膜厚を求めた。
【００６６】
＜スクラッチテスト＞
得られた試験片について、ナノテック社製：レベテストＲＳＴを用いてスクラッチテストを行ない臨界剥離荷重を測定した。具体的には、得られた試験片について、先端半径２００μｍのダイヤモンド圧子で、スクラッチ速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、荷重負荷速度１０Ｎ／ｍｍ（連続的に荷重を増加）で試験し、試験機画面で判定し、画面上の摩擦痕（摩擦方向長さ３７５μｍ、幅約１００μｍ）に対し露出した基材の面積が５０％に達する荷重を臨界剥離荷重として測定した。
【００６７】
＜スラスト型転動疲労試験＞
得られた試験片について、図７に示す試験機を用いて、スラスト型転動疲労試験として、軸受の潤滑状態が苛酷な場合を想定した「低ラムダ条件」と、潤滑状態が良好な場合を想定した「高ラムダ条件」との２条件の試験を行い、硬質膜の転動疲労特性を評価した。「低ラムダ条件」は境界潤滑となるため、純粋な繰り返し転動疲労に加え接触による損傷が影響する。よって、硬質膜の耐摩耗性と密着性が要求される。各条件を以下に示す。
【００６８】
［低ラムダ条件］
潤滑油：ＶＧ２
ラムダ：０．６
最大接触面圧：２ＧＰａ
回転数：１０００ｒ／ｍｉｎ
軌道径：φ２０ｍｍ
転動体：サイズ７／３２”、個数３、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．００５μｍＲａ
油温度：７０℃
打ち切り時間：なし
（１１１１ｈで負荷回数８乗回）
［高ラムダ条件］
潤滑油：ＶＧ３２
ラムダ：９．５
最大接触面圧：３ＧＰａ
回転数：４５００ｒ／ｍｉｎ
軌道径：φ２０ｍｍ
転動体：サイズ７／３２”、個数３、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．００５μｍＲａ
油温度：７０℃
打ち切り時間：３００ｈ
（２４７ｈで負荷回数８乗回）
【００６９】
図７に示すように、試験機は、転動体４２が円板状の試験片４１と軌道盤４５との間で転動する構成であり、試験片４１は調芯用ボール４３を介して支持されている。また、図中４４は、予圧のためのロータリーボールスプライン、４６はヒータ、４７は熱電対である。本試験機は、試験片４１を取り付け直しても転走跡がずれない構造である。評価方法は、試験時間２０ｈ毎に試験片を取り外し、光学顕微鏡観察によって試験片からの硬質膜の剥離有無を確認する。例えば、２０ｈ確認時に剥離していれば寿命は２０ｈとなる。２０ｈ確認時に剥離していなければ、再度試験片を取り付けて試験を継続する。寿命時間を表１および表２に併記する。また、寿命判定として、低ラムダ条件では、寿命が１５００ｈ以上のものを「○」、１０００ｈ以上１５００ｈ未満のものを「△」、１０００ｈ未満のものを「×」として記録する。高ラムダ条件では、寿命が３００ｈ以上のものを「○」、３００ｈ未満のものを「×」として記録する。
【００７０】
＜軸受内外輪への成膜試験＞
実施例、比較例、参考例の各条件で、６２０６転がり軸受（深溝玉軸受）の以下の内輪軌道面および外輪軌道面に実際に成膜を行い、成膜直後の各部材からの硬質膜の剥離を確認した。成膜チャンバーから取り出したときに剥離していなかったものを「○」、剥離していたものを「×」として記録し、結果を各表に併記する。また、実施例１の試験後の写真を図９に、比較例１の試験後の写真を図１０に、比較例４の試験後の写真を図１１にそれぞれ示す。
内輪：軌道面に硬質膜を成膜、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．０３μｍＲａ
外輪：軌道面に硬質膜を成膜、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．０３μｍＲａ
【００７１】
＜軸受寿命試験＞
上記成膜試験で硬質膜が成膜された実施例１〜１０、比較例５の内外輪を用いて、試験用の６２０６転がり軸受（深溝玉軸受）を組み立て、この試験用軸受を用いて図８の試験機より寿命試験を行った。図８に示すように、試験機は、負荷用コイルバネ５３から負荷用玉軸受５２を介して荷重を負荷されつつ、駆動プーリ５４により回転する軸５５を、一対の試験用軸受５１で回転支持するものである。潤滑状態は良好な場合を想定している。試験条件を以下に示す。
【００７２】
内輪／外輪：上記成膜試験で硬質膜が成膜された内輪および外輪
転動体：サイズ３／８”、個数９、材質ＳＵＪ２、硬さＨｖ７５０、表面粗さ０．００５μｍＲａ
潤滑油：ＶＧ５６
ラムダ：３以上
最大接触面圧：３．３ＧＰａ
回転数：３０００ｒ／ｍｉｎ（内輪回転）
計算寿命：Ｌ１０寿命 １２７ｈ
打ち切り時間：２００ｈ
【００７３】
試験時間２０ｈと試験時間２００ｈの試験を行ない、試験後の軌道面を光学顕微鏡観察を用いて部材からの硬質膜の剥離の有無を確認した。例えば、２０ｈ試験後に剥離していれば寿命は２０ｈとなり、２００ｈ試験後に剥離していれば寿命は２００ｈとなる。よって、寿命水準としては、２０ｈ、２００ｈ、２００ｈ以上の３水準となる。寿命時間を表１および表２に併記する。また、寿命判定として、寿命が２００ｈ以上のものを「○」、２００ｈ未満のものを「×」として記録し、結果を表１および表２に併記する。
【００７４】
【表１】
【００７５】
【表２】
【００７６】
【表３】
【００７７】
表１に示すように各実施例の硬質膜は、耐摩耗性や密着性に優れ、軸受使用時においても硬質膜の剥離を防止できた。
【００７８】
また、所定の膜構造とした各実施例では内外輪軌道面への成膜状態が良好であるのに対し、下地層、中間層が本発明と異なる比較例１〜４では成膜が困難であった。例えば、実施例１（図９）では硬質膜が良好に形成されているのに対し、下地層を設けなかった比較例１（図１０）では大きく剥離し、下地層を設けたがＣｒではなくＴｉとした比較例４（図１１）でも剥離が見られた。また、比較例５では成膜自体はできたが、軸受使用時に剥離しやすかった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の転がり軸受は、内・外輪軌道面や転動体の転動面に形成されたＤＬＣを含む硬質膜の耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本体の特性を発揮できるので、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる。このため、本発明の転がり軸受は、苛酷な潤滑状態での用途を含め、各種用途に適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 転がり軸受（深溝玉軸受）
２ 内輪
３ 外輪
４ 転動体
５ 保持器
６ シール部材
７ グリース
８ 硬質膜
１１ バイアス電源
１２ 基材
１３ 膜（層）
１５ ターゲット
１６ 磁力線
１７ Ａｒイオン
１８ イオン化されたターゲット
１９ 高密度プラズマ
２１ ＡＩＰ蒸発源材料
２２ 円盤
２３ 基材
２４ スパッタ蒸発源材料（ターゲット）
３１ 試験片
３２ 相手材
３３ アーム部
３４ 荷重
３５ ロードセル
４１ 試験片
４２ 転動体
４３ 調芯用ボール
４４ ロータリーボールスプライン
４５ 軌道盤
４６ ヒータ
４７ 熱電対
５１ 試験用軸受
５２ 負荷用玉軸受
５３ 負荷用コイルバネ
５４ 駆動プーリ
５５ 軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体とを備え、前記内輪、前記外輪、および前記複数の転動体が鉄系材料からなる転がり軸受であって、
前記内輪軌道面および前記外輪軌道面が、前記転動体を案内する曲面であり、該内輪軌道面、該外輪軌道面、および前記転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面に硬質膜が成膜されてなり、
前記硬質膜は、前記面の上に直接成膜されるクロムを主体とする下地層と、該下地層の上に成膜されるタングステンカーバイトとダイヤモンドライクカーボンとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるダイヤモンドライクカーボンを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、
前記混合層は、前記下地層側から前記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の前記タングステンカーバイトの含有率が小さくなり、該混合層中の前記ダイヤモンドライクカーボンの含有率が高くなる層であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記転動体が玉であり、前記内輪軌道面および前記外輪軌道面が、前記転動体を案内する円曲面であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記表面層は、前記混合層との隣接側に、前記混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記表面層は、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用して成膜した層であり、
炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、前記アルゴンガスの前記装置内への導入量１００に対する前記炭化水素系ガスの導入量の割合が１〜５であり、前記装置内の真空度が０．２〜０．８Ｐａであり、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧が７０〜１５０Ｖである条件下で、前記炭素供給源から生じる炭素原子を、前記混合層上に堆積させて成膜されたものであることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の転がり軸受。
【請求項５】
前記炭化水素系ガスが、メタンガスであることを特徴とする請求項４記載の転がり軸受。
【請求項６】
前記表面層の傾斜層部分は、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧を連続的または段階的に上げながら成膜されたものであることを特徴とする請求項３、請求項４または請求項５記載の転がり軸受。
【請求項７】
前記下地層および前記混合層は、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用して成膜した層であり、
前記混合層は、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、タングステンカーバイトターゲットに印加する電力を下げながら成膜されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項８】
前記硬質膜は、表面粗さＲａ：０．０１μｍ以下、ビッカース硬度Ｈｖ：７８０であるＳＵＪ２焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧０．５ＧＰａの荷重を印加して接触させ、０．０５ｍ／ｓの回転速度で３０分間、前記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が２００×１０−１０ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）未満であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項９】
前記硬質膜は、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が２５〜４５ＧＰａであることを特徴とする請求項８記載の転がり軸受。
【請求項１０】
前記硬質膜は、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が５０Ｎ以上であることを特徴とする請求項８または請求項９記載の転がり軸受。
【請求項１１】
前記硬質膜の膜厚が０．５〜３μｍであり、かつ該硬質膜の膜厚に占める前記表面層の厚さの割合が０．８以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１２】
前記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼から選ばれることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１３】
前記硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ６５０以上であることを特徴とする請求項１２記載の転がり軸受。
【請求項１４】
前記硬質膜が形成される面において、前記硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１５】
前記窒化処理が、プラズマ窒化処理であることを特徴とする請求項１４記載の転がり軸受。
【請求項１６】
前記窒化処理後の表面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の転がり軸受。
【請求項１７】
前記硬質膜が形成される面の表面粗さＲａが、０．０５μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１８】
前記転がり軸受は、グリースが封入されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１】
外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体とを備え、前記内輪、前記外輪、および前記複数の転動体が鉄系材料からなる転がり軸受であって、
前記内輪軌道面および前記外輪軌道面が、前記転動体を案内する曲面であり、該内輪軌道面、該外輪軌道面、および前記転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面に硬質膜が成膜されてなり、
前記硬質膜は、前記面の上に直接成膜されるクロムを主体とする下地層と、該下地層の上に成膜されるタングステンカーバイトとダイヤモンドライクカーボンとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるダイヤモンドライクカーボンを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、
前記混合層は、前記下地層側から前記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の前記タングステンカーバイトの含有率が小さくなり、該混合層中の前記ダイヤモンドライクカーボンの含有率が高くなる層であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記転動体が玉であり、前記内輪軌道面および前記外輪軌道面が、前記転動体を案内する円曲面であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記表面層は、前記混合層との隣接側に、前記混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記表面層は、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用して成膜した層であり、
炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、前記アルゴンガスの前記装置内への導入量１００に対する前記炭化水素系ガスの導入量の割合が１〜５であり、前記装置内の真空度が０．２〜０．８Ｐａであり、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧が７０〜１５０Ｖである条件下で、前記炭素供給源から生じる炭素原子を、前記混合層上に堆積させて成膜されたものであることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の転がり軸受。
【請求項５】
前記炭化水素系ガスが、メタンガスであることを特徴とする請求項４記載の転がり軸受。
【請求項６】
前記表面層の傾斜層部分は、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧を連続的または段階的に上げながら成膜されたものであることを特徴とする請求項３、請求項４または請求項５記載の転がり軸受。
【請求項７】
前記下地層および前記混合層は、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用して成膜した層であり、
前記混合層は、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、タングステンカーバイトターゲットに印加する電力を下げながら成膜されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項８】
前記硬質膜は、表面粗さＲａ：０．０１μｍ以下、ビッカース硬度Ｈｖ：７８０であるＳＵＪ２焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧０．５ＧＰａの荷重を印加して接触させ、０．０５ｍ／ｓの回転速度で３０分間、前記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が２００×１０−１０ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）未満であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項９】
前記硬質膜は、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が２５〜４５ＧＰａであることを特徴とする請求項８記載の転がり軸受。
【請求項１０】
前記硬質膜は、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が５０Ｎ以上であることを特徴とする請求項８または請求項９記載の転がり軸受。
【請求項１１】
前記硬質膜の膜厚が０．５〜３μｍであり、かつ該硬質膜の膜厚に占める前記表面層の厚さの割合が０．８以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１２】
前記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼から選ばれることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１３】
前記硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ６５０以上であることを特徴とする請求項１２記載の転がり軸受。
【請求項１４】
前記硬質膜が形成される面において、前記硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１５】
前記窒化処理が、プラズマ窒化処理であることを特徴とする請求項１４記載の転がり軸受。
【請求項１６】
前記窒化処理後の表面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の転がり軸受。
【請求項１７】
前記硬質膜が形成される面の表面粗さＲａが、０．０５μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１８】
前記転がり軸受は、グリースが封入されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれか一項記載の転がり軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２２６６３８（Ｐ２０１１−２２６６３８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３５６７（Ｐ２０１１−５３５６７）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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