JP2003013960A

JP2003013960A - 高速回転用転がり軸受

Info

Publication number: JP2003013960A
Application number: JP2001195069A
Authority: JP
Inventors: Hirotsuna Nawamoto; 大綱縄本; Takeshi Saito; 剛齋藤; Masaru Konno; 大金野; Hirotoshi Aramaki; 宏敏荒牧
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-15

Abstract

(57)【要約】【課題】低トルク化および低発熱化を実現できるのは
勿論のこと、高速回転下での耐焼付性および耐摩耗性の
向上を図る。【解決手段】内輪１１と外輪１２との間に複数の玉１
３が保持器１４を介して配設されると共に、内輪軌道
面、外輪軌道面、玉１３および保持器１４の内の少なく
とも一つの母材表面が鋼で形成され、且つ、該母材の表
面上にＤＬＣ膜が形成された高速回転用アンギュラ玉軸
受であって、ＤＬＣ膜は、金属成分の中間層と炭素成分
の複合層と炭素層とを備え、前記複合層は、前記中間層
から前記炭素層に向けて連続的に組成が変化する傾斜層
であり、且つ、該ＤＬＣ膜の塑性変形硬さを８〜３５Ｇ
Ｐａとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の主軸等
に用いられる高速回転用転がり軸受に関し、特にグリー
ス潤滑、オイルエアー潤滑、オイルミスト潤滑又は直噴
式の微量油潤滑等の微量油潤滑環境下で使用するのに好
適な高速回転用転がり軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、工作機械は加工効率向上のために
主軸の高速化の要求が強く、これに伴い主軸用の転がり
軸受の使用回転速度も上昇しつつある。また同時に、加
工精度向上のために軸受の低発熱化が求められている。
一般に、アンギュラ玉軸受が高速回転すると、転動体
（玉）と軌道面の接触部において、スピン運動やジャイ
ロ運動による大きな滑りが生じる。また、内輪や玉に作
用する遠心力や、内外輪温度差に起因する軸受内部隙間
の減少によって、玉と軌道面との接触面圧が増加する。
このような接触部での滑りや面圧の増大は、発熱による
温度上昇や焼付き、さらに過大な摩耗の進行など種々の
不具合を生じさせる。

【０００３】上記不具合を抑える対策として、玉径を小
さくしたり、あるいは玉の材質を軽量のセラミックスに
したりして、玉の遠心力による面圧の増大を軽減するこ
とが行われている。また、特開昭６２−２４０２５号公
報には、内輪の材料を外輪の材料よりも線膨張係数の小
さい材料とすることにより、軸受内部隙間の変化を抑制
する方法が開示されている。

【０００４】更に、特開２０００−１４５７４９号公報
や特開平１１−２７０５６４号公報には、軸受内部諸元
を最適設計にすることによって、超高速・高剛性・低発
熱の軸受を実現する方法が開示されている。そして、こ
のような対策を施された転がり軸受を工作機械の主軸等
に適用すれば、許容回転速度を示すＤｍＮ値が（Ｄｍ：
転動体ピッチ径ｍｍ，Ｎ：回転速度ｍｉｎ^-1）が最大３
５０万程度まで運転可能とされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、転がり
軸受の使用回転速度はますます上昇する傾向にあり、上
記開示された技術のみでは更なる高速化、低発熱化は難
しい。特に工作機械用軸受は、低トルク化、低発熱化を
目的として、グリース潤滑、オイルエアー潤滑、オイル
ミスト潤滑或いは直噴式の微量油潤滑等の微量油潤滑で
使用される。すなわち、高速回転下でわずかな量の潤滑
油により潤滑する。そのため、ＤｍＮ値が約２００万を
超える高速回転の場合、玉と軌道面の接触部において油
膜が破断して玉と軌道面が直接接触し易く、焼付きや摩
耗などの損傷が生じ易くなるという問題が生じている。
特にグリース潤滑は、オイルエアー潤滑やオイルミスト
潤滑に比べて、油膜が形成されにくいため許容回転速度
は低くなる。

【０００６】本発明はこのような不都合を解消するため
になされたものであり、低トルク化および低発熱化を実
現できるのは勿論のこと、高速回転下での耐焼付性およ
び耐摩耗性の向上を図ることができる高速回転用転がり
軸受を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、内輪と外輪との間に複数の
転動体が保持器を介して配設されると共に、内輪軌道
面、外輪軌道面、転動体および保持器の内の少なくとも
一つの母材表面が鋼で形成され、且つ、該母材の表面上
にダイヤモンドライクカーボン膜が形成された高速回転
用転がり軸受であって、前記ダイヤモンドライクカーボ
ン膜は、金属成分の中間層と炭素成分の複合層と炭素層
とを備え、前記複合層は、前記中間層から前記炭素層に
向けて連続的に組成が変化する傾斜層であり、且つ、該
ダイヤモンドライクカーボン膜の塑性変形硬さが８〜３
５ＧＰａであることを特徴とする。

【０００８】請求項２に係る発明は、請求項１におい
て、前記ダイヤモンドライクカーボン膜の等価弾性係数
が１００〜２８０ＧＰａであることを特徴とする。請求
項３に係る発明は、請求項１又は２において、前記ダイ
ヤモンドライクカーボン膜の膜厚が０．１〜５μｍであ
ることを特徴とする。請求項４に係る発明は、請求項１
〜３のいずれか一項において、グリース潤滑、オイルエ
アー潤滑、オイルミスト潤滑又は直噴式の微量油潤滑等
の微量油潤滑環境下で使用されることを特徴とする。

【０００９】請求項５に係る発明は、請求項１〜４のい
ずれか一項において、前記転動体の素材がセラミックス
であることを特徴とする。請求項６に係る発明は、請求
項１〜５のいずれか一項において、前記外輪及び／又は
内輪の母材が耐熱軸受用鋼であることを特徴とする。請
求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか一項にお
いて、工作機械の主軸に用いることを特徴とする。

【００１０】ここで、中間層の金属成分としては、母材
の鋼の含有成分や構成元素の原子半径が類似しているも
のであれば特に限定されないが、例えば、Ｃｒ、Ｗ、Ｔ
ｉ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏなどが挙げられる。その中
でも母材がステンレス鋼や軸受鋼の場合は、Ｃｒ，Ｎｉ
などが望ましく、鋼の含有成分によってはＳｉ、Ｗ、Ｃ
ｏなどを適宜選ぶことができる。

【００１１】ダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬ
Ｃという）の成膜法としては、非平衡型マグネトロンス
パッタリングやパルスレーザーアーク蒸着法、プラズマ
ＣＶＤなどが挙げられ、その中でも等価弾性係数および
塑性変形硬さを独立に制御しやすい非平衡型マグネトロ
ンスパッタリング法が望ましい。ＤＬＣ膜の塑性変形硬
さの測定は、（マイクロ）ビッカース硬度計ではなく、
静電容量型で制御できる微小硬度計およびナノインテン
データを用いるのが望ましい。なお、このときの押し込
み探さはＤＬＣ膜の膜厚範囲内とする必要がある。等価
弾性係数の測定も同様に微小硬度計およびナノインテン
データを使用し、荷重−除荷曲線の弾性変形量から等価
弾性係数を求めるのが望ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例で
あるアンギュラ玉軸受を説明するための説明的断面図、
図２はＤＬＣ膜の等価弾性係数と塑性変形硬さと破壊強
度との関係を示すグラフ図、図３は炭素、クロム、鉄の
元素比率とＤＬＣ膜厚との関係を示すグラフ図、図４は
ＤＬＣ膜の拡大断面図、図５は本発明の他の実施の形態
である円筒ころ軸受を説明するための説明的断面図、図
６〜図９は比較例および本発明例における軸回転速度と
外輪温度上昇との関係を示すグラフ図、図１０は軸受回
転試験機の概略図、図１１および図１２は比較例および
本発明例における軸回転速度と外輪温度上昇との関係を
示すグラフ図である。

【００１３】まず、図１を参照して、本発明の実施の形
態の一例であるアンギュラ玉軸受（高速回転用転がり軸
受）を説明すると、このアンギュラ玉軸受１０は、内輪
１１と外輪１２との間に複数のセラミック製玉（転動
体）１３が保持器１４を介して配設されており、内輪１
１および外輪１２共に鋼製とされて内輪１１が回転軸１
５に嵌着されている。そして、内輪１１の軌道面と外輪
１２の軌道面にＤＬＣ膜が形成されている。なお、保持
器１４は外輪案内方式とされている。

【００１４】このＤＬＣ膜は、図４を参照して、Ｃｒ，
Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ等の金属成分からなる中間層と炭素層と
の間の界面をなくして中間層と炭素層との間に中間層か
ら炭素層に向けて連続的に組成が変化する傾斜組成の複
合層（傾斜層）を形成し、且つ、塑性変形硬さを８〜３
５ＧＰａとしたものである。ＤＬＣ膜の成膜方法として
は、非平衡型スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法があ
り、例えば、神戸製鋼所社製のアンバランスドマグネト
ロンスパッタリング装置（ＵＢＭＳ装置５０４）、神港
精機社製の熱陰極プラズマＣＶＤ装置（ＰＩＧ式薄膜作
製装置）を用いてＤＬＣ膜を作成するのが好ましい。

【００１５】例えば、ＵＢＭＳ装置５０４は、スパッタ
に用いるターゲットを複数装着し、中間層と炭素層のタ
ーゲットのスパッタ電源を独立に制御することによっ
て、中間層のスパッタ効率を連続的に減少させながら、
炭素層のターゲットのスパッタ効率を増加させて複合層
を形成する。ターゲットのスパッタ電源はＤＣ電源を用
いて制御し、母材にはバイアス電圧を印加してスパッタ
効率を同時に制御する。ＤＬＣ膜の膜厚はスパッタ時間
でコントロールでき、中間層および複合層の膜厚比率と
全膜厚を精度よく制御することができる。このＤＬＣ膜
の成膜時にアルゴン、水素あるいはＣＨ₄などの炭化水
素系ガスを導入すれば、ＤＬＣ膜表面の摺動抵抗をコン
トロールすることが可能で、混合ガスあるいはそれらを
単独で導入し、目的にあった膜組成を形成することがで
きる。

【００１６】図２にＤＬＣ膜の等価弾性係数と塑性変形
硬さと破壊強度との関係を示す。なお、破壊強度につい
ては、図示しないスラスト耐久試験機を用い、２ＧＰａ
のヘルツ接触応力を負荷した条件で総繰り返し応力の回
数が１０⁹に至った時点でのＤＬＣ膜の剥離の有無で評
価した。また、試験条件は、回転速度８０００ｍｉ
ｎ ^-1、グリース潤滑とした。

【００１７】図２から明らかなように、ＤＬＣ膜の塑性
変形硬さが８〜３５ＧＰａと母材より硬く、且つ、ＤＬ
Ｃ膜の等価弾性係数が１００〜２８０ＧＰａと母材の等
価弾性係数よりも小さい領域で高い破壊強度を得ること
ができた。ＤＬＣ膜の塑性変形硬さが８ＧＰａ未満では
摩耗が大きくなり、３５ＧＰａを超えると脆性破壊が起
こりやすくなる。また、ＤＬＣ膜の等価弾性係数が１０
０ＧＰａ未満ではＤＬＣ膜の表面硬さが低下して大きな
接触応力に対して摩耗が生じやすくなり、２８０ＧＰａ
を超えるとＤＬＣ膜の等価弾性係数が母材（鋼）の等価
弾性係数より大きくなって大きな接触応力に対して鋼が
ＤＬＣ膜より先に変形するため、繰返し応力によってＤ
ＬＣ膜が破壊される問題が生じる。

【００１８】なお、塑性変形硬さ（Ｈ）と等価弾性係数
（Ｅ）の比は（Ｈ／Ｅ）が０．０８〜０．１６が好まし
く、また、複合層はＤＬＣ膜の全膜厚の１〜９９％（よ
り望ましくは５〜５０％）であって、ＤＬＣ膜の最表面
は炭素元素比率が１００％である。等価弾性係数および
塑性変形硬さの測定はフィッシャー社製の微小硬度計を
用い、等価弾性係数については、押し込み荷重２０ｍ
Ｎ、押し込み深さ０．１５〜０．５μｍの条件で、荷重
−除荷曲線から求めることができる。なお、１μｍ以下
の薄膜を測定するときは、押し込み荷重を０．４〜２０
ｍＮに適宜設定し、押し込み深さが少なくともＤＬＣ膜
の範囲内とすることが望ましい。

【００１９】この他にエリオニクス社製の微小硬度測定
装置を用いても同様に等価弾性係数を求めることができ
る。また、複合層の厚さは、Ｘ線光電子分光分析機（以
下、ＸＰＳという）を用いて測定することができる。こ
れは試料表面にＸ線を照射し、試料の最外表面（約数オ
ングストローム）より放出される光電子のエネルギー解
析によって試料表面の元素の情報（定性，定量）及び結
合状態を得るが、更に高速アルゴンイオン銃を用いて試
料表面をスパッタしながら測定を行うことにより、元素
の深さ方向（即ち、試料表面下）の分布状態の解析を可
能としたものである。

【００２０】図３に炭素、クロム、鉄の元素比率とＤＬ
Ｃ膜厚との関係を示す。ＵＢＭＳ装置５０４によって成
膜されたＤＬＣ膜の複合層の厚み測定は、例えば、ＸＰ
Ｓを用いて試料のデプスプロファイルをとり、ＤＬＣ膜
中の炭素、クロム、鉄の光電子強度の変化を元素比率で
表して複合層を判別し、エッチング速度３０ｎｍ／ｍｉ
ｎで、エッチング速度とそれに要した時間から複合層の
厚みに換算する。

【００２１】また、ＤＬＣ膜の厚さは、０．１〜５μｍ
が望ましく、好適には０．５〜３μｍである。ＤＬＣ膜
が０．１μｍより薄い膜厚では母材表面の露出が大きく
なってＤＬＣ膜の性能が低減される結果、摺動性および
耐摩耗性の向上効果が小さくなる。一方、ＤＬＣ膜の膜
厚が５μｍより厚いと、被膜内の内部応力が大きくなり
母材との密着性が損なわれる。

【００２２】ＤＬＣ膜が施される母材となる軌道輪の金
属材料、すなわち軸受用鋼としては、２次硬化析出型の
共晶炭化物を形成した材料（例えば高速度鋼、セミハイ
ス、マルテンサイト系ステンレス鋼）、および構成元素
成分によって焼き戻し抵抗性を向上させて寸法を安定化
させた材料（高炭素クロム鋼に準ずる材料）が好適であ
る。例えば前者では、ＳＫＤ、ＳＫＨ、ＳＵＳ４４０Ｃ
材などがあり、後者では耐熱仕様軸受用鋼として、例え
ば、少なくともＳｉ：０．７〜１．５重量％、Ｃｒ：
０．５〜２．０重量％、Ｍｏ：０．５〜２．０重量％を
含有し、表面に浸炭窒化処理を予め施した材料の他Ｍ５
０，Ｍ５０ＮＩＬ材が具体的に挙げられる。

【００２３】なお、軌道輪の金属材料に、一般的な軸受
鋼（ＳＵＪ２）を用いることも可能であり、その場合、
焼き戻し温度を１２０〜４００°Ｃ、望ましくは１８０
〜３３０°Ｃ、さらに望ましくは１８０〜２６０°Ｃに
する。焼き戻し温度が１２０°Ｃより低いとＤＬＣ膜処
理温度（１２０〜１３０°Ｃ）によって、軸受が変形
し、４００°Ｃより高いと著しく表面硬さが低下する。
したがって、ＤＬＣ膜の成膜処理によって軸受が変形せ
ず、ＨＲＣ５０以上の表面硬さを付与するためには、前
述の焼き戻し温度範囲であることが望ましい。

【００２４】ＤＬＣ膜が形成される母材の下地処理とし
ては、窒化処理の中でもガス窒化、イオン窒化、イオン
注入などが好適であり、窒素の含有量を適宜にコントロ
ールすることが望ましい。例えば、これらの窒化物層の
厚さは、拡散層として0 ．1〜６０μｍが望ましく、さ
らに窒素濃度として0 ．1 〜0 ．８％が好適である。0
．1 ％未満では表層部の摺動性に乏しく、一方、0 ．8
％より多いと表面の窒素濃度が高いため、反応析出物
の下地との密着性が損なわれる。

【００２５】上記構成のＤＬＣ膜が有効な理由は、転動
体に使用される窒化珪素などのセラミックスと同等表面
硬さを有しており、軌道輪の母材の金属より耐焼付性お
よび耐摩耗性に優れ、また、潤滑特性に優れ、摩擦係数
が低く、破壊強度が高いためである。更に、低トルクお
よび低発熱の性能が要求される転がり軸受に上記ＤＬＣ
膜を形成することにより、該性能の向上を図ることがで
きる。

【００２６】そして、内外軌道輪に上記ＤＬＣ膜が形成
されたアンギュラ玉軸受を工作機械の主軸等に装着し、
潤滑油のせん断抵抗や攪拌抵抗を小さくして高速回転下
での低トルク化および低発熱化を実現すべく、グリース
潤滑、オイルエアー潤滑、オイルミスト潤滑又は直噴式
の微量油潤滑等の微量油潤滑環境下で使用した場合に、
玉と軌道面の接触部において油膜が破断して玉と軌道面
が直接接触しても、ＤＬＣ膜自体による低トルクおよび
低発熱特性と耐焼付性および耐摩耗性の向上効果とが相
まって焼付きや摩耗などの損傷が発生するのを良好に防
止することができる。

【００２７】なお、上記実施の形態では、内外輪１１，
１２の軌道面にＤＬＣ膜を形成した場合を例に採った
が、必要に応じて内輪１１の外径面の全面、外輪１２の
内径面の全面にＤＬＣ膜を形成してもよく、内輪１１、
外輪１２の一方のみにＤＬＣ膜を形成してもよい。ま
た、内輪１１の全面、外輪１２の全面にＤＬＣ膜を形成
してもよく、保持器１４にＤＬＣ膜を形成してもよい。
更には、鋼製の転動体１３を使用して、その全面にＤＬ
Ｃ膜を形成するようにしてもよい。

【００２８】更に、上記実施の形態では、高速回転用転
がり軸受としてアンギュラ玉軸受を例に採ったが、これ
に代えて、図５に示すような円筒ころ軸受に本発明を適
用してもよい。この円筒ころ軸受（高速回転用転がり軸
受）２０は、内輪２１と外輪２２との間に複数のころ
（転動体）２３が保持器２４を介して配設されており、
内輪２１、外輪２２、ころ２３及び保持器２４がいずれ
も鋼製とされて内輪２１が回転軸（図示せず）に嵌着さ
れるようになっている。そして、内輪２１の外径面に設
けられている軌道面と鍔部２５端面、外輪２２の内径面
に設けられている軌道面と保持器２４の案内面、ころ２
３の全面および保持器２４の外径面にＤＬＣ膜が形成さ
れている。なお、保持器２４は外輪案内方式とされてい
る。

【００２９】かかる構成の円筒ころ軸受２０を工作機械
の主軸等に装着し、潤滑油のせん断抵抗や攪拌抵抗を小
さくして高速回転下での低トルク化および低発熱化を実
現すべく、グリース潤滑、オイルエアー潤滑、オイルミ
スト潤滑又は直噴式の微量油潤滑等の微量油潤滑環境下
で使用した場合に、ころ２３と鍔部２５端面との接触
部、保持器２４と外輪２２の案内面との接触部、ころ２
３と軌道面との接触部において油膜が破断してころ２
３、保持器２４と軌道輪が直接接触しても、上記実施の
形態と同様に、ＤＬＣ膜自体による低トルクおよび低発
熱特性と耐焼付性および耐摩耗性の向上効果とが相まっ
て焼付きや摩耗などの損傷が発生するのを良好に防止す
ることができる。なお、その他の構成および作用効果は
上記実施の形態と略同様であるので、その説明を省略す
る。

【００３０】

【実施例】図６〜図８は本発明の上記ＤＬＣ膜の効果を
確認するために、オイルエアー潤滑におけるアンギュラ
玉軸受の温度上昇（外輪温度上昇）と焼き付き限界を測
定した実験結果を示している。また、表１にこの実験に
使用した供試体（軸受仕様）を示している。なお、温度
上昇はアンギュラ玉軸受全体が発生する発熱量に対応す
る。

【００３１】

【表１】

【００３２】この実験においては、ＳＵＪ２からなりか
つ内径が１００ｍｍの内輪と、ＳＵＪ２からなり且つ外
径が１６０ｍｍの外輪と、Ｓｉ₃Ｎ₄からなるセラミッ
クス転動体（転動体ピッチ径：１３２．５ｍｍ）とをそ
れぞれ備えた複数のアンギュラ玉軸受を供試体として用
いている。なお、保持器は外輪案内方式を採用してい
る。図１０に試験装置の概略を示す。図１０において符
号３１は供試体としての高速回転用転がり軸受であり、
左側がアンギュラ玉軸受、右側が円筒ころ軸受（後述す
る）である。また、符号３２は主軸、３３は駆動力伝達
用のプーリ、３４は測温用の熱電対である。

【００３３】図６〜図８に示す実験においては、供試体
としてそれぞれのアンギュラ玉軸受に軸方向に沿って１
４７０Ｎの荷重を作用させているとともに、アンギュラ
玉軸受の潤滑方法としてＶＧ２２オイルを潤滑材とした
オイルエアー潤滑を用いている。なお、ＶＧ２２オイル
はＪＩＳ（日本工業規格）Ｋ２２１１などに定義されて
いる潤滑油である。また、図６〜図８の縦軸の外輪温度
上昇の値は、外輪外径面に熱電対３４を接触させて外輪
温度を計測した結果を外輪温度上昇（外輪温度−外気温
度）に換算して示している。潤滑条件に関しては、０．
１ｃｃ／時間（図６）、０．６７５ｃｃ／時間（図
７）、５．４ｃｃ／時間（図８）の３種類についてそれ
ぞれの発明品および従来品（比較例）を使用して実験し
た。

【００３４】図６〜図８中に示す本発明Ｎ１は、アンギ
ュラ玉軸受の内輪軌道面のみに神戸製鋼所社製のＵＢＭ
Ｓ装置５０４を用いてＤＬＣ膜を成膜したものである。
図６〜図８中に示す本発明Ｏ１は、アンギュラ玉軸受の
内輪軌道面および外輪軌道面に神戸製鋼所社製のＵＢＭ
Ｓ装置５０４を用いてＤＬＣ膜を成膜したものである。

【００３５】図６〜図８中に示す本発明Ｐ１は、アンギ
ュラ玉軸受の内輪軌道面のみに神港精機社製のＰＩＧ式
薄膜作製装置を用いてＤＬＣ膜を成膜したものである。
図６〜図８中に示す本発明Ｑ１は、アンギュラ玉軸受の
内輪軌道面および外輪軌道面に神港精機社製のＰＩＧ式
薄膜作製装置を用いてＤＬＣ膜を成膜したものである。

【００３６】図６〜図８中に示す比較例Ａ１は、ＤＬＣ
膜を施してない従来のアンギュラ玉軸受である。図６〜
図８から明らかなように、本発明品Ｎ１、Ｏ１、Ｐ１、
Ｑ１はいずれも略同等の性能を示しており、比較例Ａ１
に比べて温度上昇（外輪温度上昇）が低く、且つ、焼付
き限界も高くなっていることが分かる。したがって、本
発明品は、アンギュラ玉軸受の高速化、低温度上昇化に
対して有効であることが明らかである。そして、特にＤ
ｍＮ値が２００万を超えるような領域ではその差は明確
となる。

【００３７】図９はグリース潤滑におけるアンギュラ玉
軸受の温度上昇（外輪温度上昇）と焼付き限界を測定し
た実験結果を示している。また、このとき使用した供試
体を表２に示している。なお、温度上昇はアンギュラ玉
軸受全体が発生する発熱量に対応する。

【００３８】

【表２】

【００３９】この実験においては、ＳＵＪ２からなりか
つ内径が６５ｍｍの内輪と、ＳＵＪ２からなりかつ外径
が１００ｍｍの外輪と、Ｓｉ₃Ｎ₄からなるセラミック
ス転動体（転動体ピッチ径：８１．６５ｍｍ）とをそれ
ぞれ備えた複数のアンギュラ玉軸受を供試体として用い
ている。なお保持器は外輪案内方式を採用している。図
９に示す実験においては、供試体としてのそれぞれのア
ンギュラ玉軸受の組合せ時の定位置予圧の予圧設定量に
よって荷重を作用させている（組込み時軸受アキシアル
剛性：９８Ｎ／μｍ）とともに、アンギュラ玉軸受の潤
滑方法としてＮＯＫクリューバ社製のイソフレックスＮ
ＢＵ１５（封入量：軸受空間容積の１５％）を潤滑材と
したグリース潤滑を用いている。

【００４０】また、図９において、外輪外径面に熱電対
を接触させて外輪温度を計測した結果を外輪温度上昇
（外輪温度一外気温度）に換算して示している。図９に
示す本発明Ｒ１は、アンギュラ玉軸受の内輪軌道面のみ
に神戸製鋼所社製のＵＢＭＳ装置５０４を用いてＤＬＣ
膜を成膜したものである。図９に示す本発明Ｓ１は、ア
ンギュラ玉軸受の内輪軌道面および外輪軌道面に神戸製
鋼所社製のＵＢＭＳ装置５０４を用いてＤＬＣ膜を成膜
したものである。

【００４１】図９に示す本発明Ｔ１は、アンギュラ玉軸
受の内輪軌道面のみに神港精機社製のＰＩＧ式薄膜作製
装置用いてＤＬＣ膜を成膜したものである。図９に示す
本発明Ｕ１は、アンギュラ玉軸受の内輪軌道面および外
輪軌道面に神港精機社製のＰＩＧ式薄膜作製装置を用い
てＤＬＣ膜を成膜したものである。図９に示す比較例Ｂ
１は、ＤＬＣ膜を施してない従来のアンギュラ玉軸受で
ある。

【００４２】図９から、本発明品Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１、Ｕ
１は比較例Ｂ１に比べて温度上昇（外輪温度上昇）が低
く、且つ、焼付き限界も高くなっていることが分かる。
また本発明品Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１、Ｕ１はいずれも略同等
の性能を示しており、内輪軌道面のみにＤＬＣ膜を施し
てもアンギュラ玉軸受の高速化、低温度上昇化に対して
は有効であることが分かる。

【００４３】図１１はオイルエアー潤滑における円筒こ
ろ軸受の温度上昇（外輪温度上昇）と焼き付き限界を測
定した実験結果を示している。また、このとき使用した
供試体（軸受仕様）を表３に示している。なお、温度上
昇は円筒ころ軸受全体が発生する発熱量に対応する。

【００４４】

【表３】

【００４５】この実験においては、Ｓｉ：０．７〜１．
５重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％、Ｍｏ：０．５
〜２．０重量％を含有し、表面に浸炭窒化処理を予め施
した耐熱仕様軸受用鋼からなりかつ内径が７０ｍｍの内
輪と、内輪と同一材料で外径が１１０ｍｍの外輪と、内
輪と同一材料の転動体（転動体ピッチ径：９１ｍｍ）と
をそれぞれ備えた複数の円筒ころ軸受を供試体として用
いている。なお、保持器は外輪案内方式を採用してい
る。

【００４６】図１１に示す実験においては、供試体とし
てそれぞれの円筒ころ軸受の組み付け時のラジアルすき
間を０μｍに調整した。また、潤滑方法はＶＧ２２オイ
ルを潤滑材としたオイルエアー潤滑を用いている。な
お、ＶＧ２２オイルはＪＩＳ（日本工業規格）Ｋ２２１
１などに定義されている潤滑油である。また、図１１に
縦軸の外輪温度上昇は、外輪外径面に熱電対３４を接触
させて外輪温度を計測した結果を外輪温度上昇（外輪温
度−外気温度）に換算して示している。また、潤滑条件
に関しては、０．０３７５ｃｃ／時間についてそれぞれ
の発明品および従来品（比較例）を使用して実験した。

【００４７】図１１中に示す本発明Ｎ２は、円筒ころ軸
受の内輪軌道面および鍔部端面に神戸製鋼所社製のＵＢ
ＭＳ装置５０４を用いてＤＬＣ膜を成膜したものであ
る。図１１中に示す本発明Ｏ２は、円筒ころ軸受の内輪
軌道面、鍔部端面および外輪軌道面に神戸製鋼所社製の
ＵＢＭＳ装置５０４を用いてＤＬＣ膜を成膜したもので
ある。

【００４８】図１１中に示す本発明Ｐ２は、円筒ころ軸
受の内輪軌道面および鍔部端面に神港精機社製のＰＩＧ
式薄膜作製装置を用いてＤＬＣ膜を成膜したものであ
る。図１１中に示す本発明Ｑ２は、円筒ころ軸受の内輪
軌道面、鍔部端面および外輪軌道面に神港精機社製のＰ
ＩＧ式薄膜作製装置を用いてＤＬＣ膜を成膜したもので
ある。

【００４９】図１１中に示す比較例Ａ２は、ＤＬＣ膜を
施してない従来の円筒ころ軸受である。図１１から、本
発明品Ｎ２、Ｏ２、Ｐ２、Ｑ２はいずれも略同等の性能
を示しており、比較品Ａ２に比べて温度上昇（外輪温度
上昇）が低く、且つ、焼付き限界も高くなっていること
が分かる。したがって、本発明品は、円筒ころ軸受の高
速化、低温度上昇化に対して有効であることが明らかで
ある。

【００５０】図１２はグリース潤滑における円筒ころ軸
受の温度上昇（外輪温度上昇）と焼付き限界を測定した
実験結果を示している。また、このとき使用した供試体
（軸受仕様）を表４に示している。なお、温度上昇は円
筒ころ軸受全体が発生する発熱量に対応する。

【００５１】

【表４】

【００５２】この実験においては、Ｓｉ：０．７〜１．
５重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％、Ｍｏ：０．５
〜２．０重量％を含有し、表面に浸炭窒化処理を予め施
した耐熱仕様軸受用鋼からなりかつ内径が７０ｍｍの内
輪と、内輪と同一材料で外径が１１０ｍｍの外輪と、内
輪と同一材料の転動体（転動体ピッチ径：９１ｍｍ）と
をそれぞれ備えた複数の円筒ころ軸受を供試体として用
いている。なお、保持器は外輪案内方式を採用してい
る。

【００５３】図１２に示す実験においては、供試体とし
てのそれぞれの円筒ころ軸受の組込み時のラジアルすき
間を０μｍとしてた。潤滑方法はＮＯＫクリューバ社製
のイソフレックスＮＢＵ１５（封入量：軸受空間容積の
１０％）を潤滑材としたグリース潤滑を用いている。ま
た、図１２の縦軸の外輪温度上昇は、外輪外径面に熱電
対３４を接触させて外輪温度を計測した結果を外輪温度
上昇（外輪温度一外気温度）に換算して示している。

【００５４】図１２に示す本発明Ｒ２は、円筒ころ軸
受の内輪軌道面および鍔部端面に神戸製鋼所社製のＵＢ
ＭＳ装置５０４を用いてＤＬＣ膜を成膜したものであ
る。図１２に示す本発明Ｓ２は、円筒ころ軸受の内輪軌
道面、鍔部端面および外輪軌道面に神戸製鋼所社製のＵ
ＢＭＳ装置５０４を用いてＤＬＣ膜を成膜したものであ
る。

【００５５】図１２に示す本発明Ｔ２は、円筒ころ軸受
の内輪軌道面および鍔部端面に神港精機社製のＰＩＧ式
薄膜作製装置を用いてＤＬＣ膜を成膜したものである。
図１２に示す本発明Ｕ２は、円筒ころ軸受の内輪軌道
面、鍔部端面および外輪軌道面に神港精機社製のＰＩＧ
式薄膜作製装置を用いてＤＬＣ膜を成膜したものであ
る。

【００５６】図１２に示す比較例Ｂ２は、ＤＬＣ膜硬質
被膜を施してない従来の円筒ころ軸受である。図１２か
ら、本発明品Ｒ２、Ｓ２、Ｔ２、Ｕ２は比較例Ｂ２に比
べて温度上昇（外輪温度上昇）が低く、且つ、焼付き限
界も高くなっていることが分かる。また本発明品Ｒ２、
Ｓ２、Ｔ２、Ｕ２はいずれも略同等の性能を示してお
り、内輪（内輪軌道面と鍔部端面）のみにＤＬＣ膜の被
膜処理を施しても円筒ころ軸受の高速化、低温度上昇化
に対しては有効であることが分かる。

【００５７】

【発明の効果】上記の説明から明らかなように、本発明
によれば、低トルク化および低発熱化を実現できるのは
勿論のこと、高速回転下での耐焼付性および耐摩耗性の
向上を図ることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例であるアンギュラ玉
軸受を説明するための説明的断面図である。

【図２】ＤＬＣ膜の等価弾性係数と塑性変形硬さと破壊
強度との関係を示すグラフ図である。

【図３】炭素、クロム、鉄の元素比率とＤＬＣ膜厚との
関係を示すグラフ図である。

【図４】ＤＬＣ膜の拡大断面図である。

【図５】本発明の他の実施の形態である円筒ころ軸受を
説明するための説明的断面図である。

【図６】比較例および本発明例における軸回転速度と外
輪温度上昇との関係を示すグラフ図である。

【図７】比較例および本発明例における軸回転速度と外
輪温度上昇との関係を示すグラフ図である。

【図８】比較例および本発明例における軸回転速度と外
輪温度上昇との関係を示すグラフ図である。

【図９】比較例および本発明例における軸回転速度と外
輪温度上昇との関係を示すグラフ図である。

【図１０】軸受回転試験機の概略図である。

【図１１】比較例および本発明例における軸回転速度と
外輪温度上昇との関係を示すグラフ図である。

【図１２】比較例および本発明例における軸回転速度と
外輪温度上昇との関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１０…アンギュラ玉軸受（高速回転用転がり軸受）２０…円筒ころ軸受（高速回転用転がり軸受）１１，２１…内輪１２，２２…外輪１３…玉（転動体）１４，２４…保持器２３…ころ（転動体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｂ２３Ｂ 19/02 Ｂ２３Ｑ 1/26 Ｄ (72)発明者金野大神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号日本精工株式会社内 (72)発明者荒牧宏敏神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号日本精工株式会社内Ｆターム(参考） 3C011 FF06 3C045 FD12 FD18 3C048 BB14 CC04 DD13 EE02 3J101 AA02 AA32 AA54 AA62 BA10 BA50 BA70 DA05 EA03 EA44 EA63 EA78 FA31 FA33 FA60 GA31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内輪と外輪との間に複数の転動体が保持
器を介して配設されると共に、内輪軌道面、外輪軌道
面、転動体および保持器の内の少なくとも一つの母材表
面が鋼で形成され、且つ、該母材の表面上にダイヤモン
ドライクカーボン膜が形成された高速回転用転がり軸受
であって、前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、金属成分の中間
層と炭素成分の複合層と炭素層とを備え、前記複合層
は、前記中間層から前記炭素層に向けて連続的に組成が
変化する傾斜層であり、且つ、該ダイヤモンドライクカ
ーボン膜の塑性変形硬さが８〜３５ＧＰａであることを
特徴とする高速回転用転がり軸受。
【請求項２】前記ダイヤモンドライクカーボン膜の等
価弾性係数が１００〜２８０ＧＰａであることを特徴と
する請求項１記載の高速回転用転がり軸受。
【請求項３】前記ダイヤモンドライクカーボン膜の膜
厚が０．１〜５μｍであることを特徴とする請求項１又
は２に記載の高速回転用転がり軸受。
【請求項４】グリース潤滑、オイルエアー潤滑、オイ
ルミスト潤滑又は直噴式の微量油潤滑等の微量油潤滑環
境下で使用されることを特徴とする請求項１〜３のいず
れか一項に記載の高速回転用転がり軸受。
【請求項５】前記転動体の素材がセラミックスである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の
高速回転用転がり軸受。
【請求項６】前記外輪及び／又は内輪の母材が耐熱軸
受用鋼であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか
一項に記載の高速回転用転がり軸受。
【請求項７】工作機械の主軸に用いることを特徴とす
る請求項１〜６のいずれか一項に記載の高速回転用転が
り軸受。