JP6875880B2 - 転がり軸受および硬質膜成膜方法 - Google Patents
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Description
本発明は、軸受部材である内輪、外輪、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と、この軸受部材への硬質膜の成膜方法に関する。
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。
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。
従来、転がり軸受の軌道輪の軌道面、転動体の転動面、保持器摺接面などに対し、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、転がり軸受における上記各面に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。
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ＤＬＣ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）。
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）。
しかしながら、転がり軸受において発生する高い接触面圧下では被膜の耐剥離性の確保は容易でなく、特に滑り摩擦により被膜に対して強いせん断力が発生し得るような潤滑・運転条件においては被膜の耐剥離性の確保はより困難となる。ＤＬＣ膜の適用が検討される摺動面は、潤滑状態が悪く、滑りを伴うといった状況であることが多く、一般的な転がり軸受における運転状況より厳しい場合が多い。
また、軸受においては転走面のみでなく外周面や端面における摩耗やシール溝での摺動抵抗などが問題となる場合もあり、転走面以外へのＤＬＣ処理も軸受の耐久性および機能性向上に有効な手段である。
上記した各特許文献の技術は、硬質膜の剥離防止などを図ったものであるが、得られた転がり軸受について、使用条件に応じた要求特性を満足させるべく、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。
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、軸受部材の摺動面などに硬質膜を有し、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でもこの硬質膜の耐剥離性に優れ、膜本来の特性を発揮して耐焼き付き性、耐摩耗性、耐腐食性にも優れ、軸受部材間の金属接触に起因する損傷などを防止できる転がり軸受を提供することを目的とする。また、上記特性の硬質膜を軸受部材に対して成膜するための成膜方法を提供することを目的とする。
本発明の硬質膜は、鉄系材料からなる、内輪と、外輪と、上記内輪と上記輪との間を転動する複数の転動体とを備えてなる転がり軸受であって、上記内輪、上記外輪、および上記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に硬質膜を有し、該転がり軸受は該硬質膜が他の軸受部材と境界潤滑で滑り接触する条件で使用される軸受であり、上記硬質膜は、上記表面の上に直接成膜された下地層と、該下地層の上に成膜された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た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、該混合層中の上記ＷＣの含有率が小さくなり、該混合層中の上記ＤＬＣの含有率が高くなる層であり、上記混合層における水素含有量が１０原子％未満であることを特徴とする。
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。
上記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする。
上記下地層が、ＣｒとＷＣとを主体とする層であることを特徴とする。
本発明の硬質膜の成膜方法は、上記本発明の転がり軸受における軸受部材に対して上記硬質膜を成膜するための方法であり、上記硬質膜において、少なくとも上記表面層と上記混合層が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、上記表面層は、上記ＤＬＣ用の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１〜１０であり、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し、上記混合層は、上記ＤＬＣ用の炭素供給源として少なくとも黒鉛ターゲットを使用し、該炭素供給源として炭化水素系ガスを併用する場合には上記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２．５未満であり、連続的または段階的に、上記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、上記ＷＣ用のＷＣターゲットに印加するスパッタ電力を下げながら成膜する、ことを特徴とする。特に、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。
本発明の転がり軸受は、鉄系材料からなる軸受部材の面に、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。中間層がＷＣとＤＬＣの混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）であり、傾斜組成とされているので、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。これに加えて、この混合層における水素含有量が１０原子％未満であるので、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも硬質膜の耐剥離性に優れる。
上記構造により、該硬質膜は、例えば、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。
本発明の硬質膜の成膜方法は、上記硬質膜を転がり軸受部材に成膜するための方法であり、硬質膜において表面層と混合層を、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、特に混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）の成膜の際に、ＤＬＣ用の炭素供給源として少なくとも黒鉛ターゲットを使用し、該炭素供給源として炭化水素系ガスを併用する場合にはＡｒガスの装置内への導入量１００に対する炭化水素系ガスの導入量の割合を２．５未満とすることで、混合層における水素含有量が１０原子％未満に調整することができる。これにより、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも耐剥離性に優れる硬質膜を形成できる。
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の影響を受け大きく異なり、その結果、耐剥離性にも大きな影響を及ぼす。また、耐剥離性は硬質膜が使用される条件によっても変化する。本発明者らは、２円筒試験などにより、潤滑状態が悪い場合（境界潤滑条件）において転がり滑り接触するような条件下での検証を重ねた結果、該条件下となる軸受部材の表面に形成する硬質膜について、その膜構造を限定するとともに、特に水素含有量を所定範囲内とすることで、該条件での耐剥離性の向上が図れることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。
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。
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。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。一般的に、曲面に硬質膜を形成する場合では耐剥離性に劣るが、本発明では、上記膜構造と水素含有量の限定によりこれを改善している。
本発明の転がり軸受では、他の軸受部材と境界潤滑で滑り接触（特に、転がり滑り接触）する条件となる表面に硬質膜を形成している。転動体は 内外輪との間で転がりつつ滑りも生じている。図１と図２に示す硬質膜は、このような条件下で使用されるものである。また、該硬質膜の形成箇所は、図１と図２に示す箇所に限定されず、適用用途に応じて、上記条件となるような、内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の任意の表面に形成することができる。
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。
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。
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。
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。
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、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。本発明では、硬質膜の膜構造を上記のような３層構造とすることで、急激な物性（硬度・弾性率等）変化を避けるようにしている。
下地層８ａは、基材となる各軸受部材の表面に直接成膜される下地層である。材質や構造は、基材との密着性を確保できるものであれば特に限定されず、例えば材質としてＣｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉなどが使用できる。これらの中でも、基材となる軸受部材（例えば高炭素クロム軸受鋼）との密着性に優れることから、Ｃｒを含むことが好ましい。
また、下地層８ａは、混合層８ｂとの密着性も考慮して、ＣｒとＷＣとを主体とする層であることが好ましい。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が発生し難い。特に、内輪２側から混合層８ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さく、かつ、ＷＣの含有率が高くなる傾斜組成とすることが好ましい。これにより、内輪２と混合層８ｂとの両面での密着性に優れる。
混合層８ｂは、下地層と表面層との間に介在する中間層となる。混合層８ｂに用いるＷＣは、上述のように、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。混合層８ｂが、下地層８ａ側から表面層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。また、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っており、該混合層内での破損などを防止できる。さらに、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。
混合層８ｂは、非粘着性の高いＤＬＣをＷＣによって下地層８ａ側にアンカー効果で結合させる層である。後述の実施例に示すように、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合において耐剥離性を向上させるには、混合層中の水素含有量をある程度少なくすることが重要となる。
混合層における水素含有量は、１０原子％未満とする。この範囲とすることで、境界潤滑で転がり滑り接触する条件下でも硬質膜の剥離を防止できる。混合層の水素含有量が１０原子％をこえる場合、中間層となる混合層中に比較的軟質なＤＬＣが存在することとなり、上記のような条件下では剥離しやすくなるおそれがある。また、転がり接触時の疲労特性を向上させるため、ＤＬＣ用の炭素供給源として炭化水素系ガスは併用して水素を僅かに含有させつつ上記範囲内とすることが好ましい。
ここで、本発明における「混合層における水素含有量（原子％）」は、公知の分析法により算出できる。例えば、ＧＤＳ分析（グロー放電発光分光分析）で求めることができる。ＧＤＳ分析は深さ方向と元素量の関係を調べることができる分析であり、各元素の検量線を用意すれば定量が可能である。水素量検量線は、水素の絶対量測定が可能なＥＲＤＡ分析（弾性反跳粒子検出法）を用いて作成できる。ＧＤＳ分析における水素量出力値は、試験片材質の違いによって異なるため、混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）を構成しているＤＬＣとＷＣそれぞれについて水素量検量線を作成する必要がある。ＤＬＣ単層膜試験片およびＷＣ単層膜試験片について、混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）の成膜条件に合わせた条件で炭化水素系ガス導入量を調整することで水素含有量の異なる試験片を作製し、ＥＲＤＡ分析とＧＤＳ分析を行ない、ＧＤＳ分析における水素量出力値とＥＲＤＡ分析で測定した水素量（原子％）の関係（検量線）を調べる。上記ＤＬＣ水素量検量線で求めた水素含有量と、上記ＷＣ水素量検量線で求めた水素含有量とは異なるため、これら両方の検量線で求めた水素含有量の平均をとることで、任意の水素量出力値に対応する水素含有量（原子％）が算出できる。
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、緩和層部分８ｄを有することが好ましい。これは、混合層８ｂと表面層８ｃとで成膜条件パラメータ（炭化水素系ガス導入量、真空度、バイアス電圧）が異なる場合、これらパラメータの急激な変化を避けるために、該パラメータの少なくとも１つを連続的または段階的に変化させることで得られる緩和層部分である。より詳細には、混合層８ｂの最表層形成時の成膜条件パラメータを始点とし、表面層８ｃの最終的な成膜条件パラメータを終点として、各パラメータをこの範囲内で連続的または段階的に変化させる。これにより、混合層８ｂと表面層８ｃとの急激な物性（硬度・弾性率等）の差がなくなり、混合層８ｂと表面層８ｃとの密着性がさらに優れる。なお、バイアス電圧を連続的または段階的に上昇させることで、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）との構成比率が後者に偏っていき、硬度が傾斜（上昇）する。
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りやすく、密着性が劣化するおそれがある。
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からなる３層構造とすることで、耐剥離性に優れる。
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滑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。
以下、本発明の硬質膜の形成方法について説明する。上記硬質膜は、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。
表面層８ｃ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、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。
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、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１〜１０とし、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。また、併せて、装置内の真空度を０．２〜０．８Ｐａ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。
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、ＤＬＣ膜の硬度および弾性率を調整できる。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。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１〜１０（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。
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。
基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は５０〜１５０Ｖであることが好ましい。なお、基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１００Ｖとは、アース電位に対して基材のバイアス電位が−１００Ｖであることを示す。
下地層８ａおよび混合層８ｂ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。下地層８ａがＣｒとＷＣとを主体とする層である場合は、ターゲット１５としてＣｒターゲットおよびＷＣターゲットを併用する。また、混合層８ｂを形成する際には、（１）ＷＣターゲット、および、（２）黒鉛ターゲットと必要に応じて炭化水素系ガスを用いる。
下地層８ａにおいて、上述のようなＣｒとＷＣの傾斜組成とする場合は、連続的または段階的に、ＷＣターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、Ｃｒターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより混合層８ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さく、かつ、ＷＣの含有率が高くなる構造の層とできる。
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。
混合層８ｂ中の水素含有量を上記範囲（１０原子％未満）とするため、炭素供給源として黒鉛ターゲットを単独か、黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用して該炭化水素系ガスの導入量の割合を少なくする。具体的には、黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用する場合、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２．５（体積部）未満とする。好ましくは０．５〜２（体積部）であり、より好ましくは１〜１．６（体積部）である。
混合層８ｂの成膜時におけるＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は０．２〜１．２Ｐａであることが好ましい。また、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は２０〜１００Ｖであることが好ましい。このような範囲とすることで、耐剥離性の向上が図れる。
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、２円筒試験機を用いた転がり滑り試験にて耐剥離性の評価を行なった。
硬質膜の評価用に用いた試験片、ＵＢＭＳ装置、およびスパッタリングガスなどは以下のとおりである。
（１）試験片物性：ＳＵＪ２ 焼き入れ焼き戻し品 硬さ７８０Ｈｖ
（２）試験片：鏡面研磨された（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率なし）の摺動表面に対して各条件にてＤＬＣ膜を成膜したもの
（３）相手材：研削仕上げ（０．７μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）
（４）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２
（５）スパッタリングガス：Ａｒガス
（１）試験片物性：ＳＵＪ２ 焼き入れ焼き戻し品 硬さ７８０Ｈｖ
（２）試験片：鏡面研磨された（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率なし）の摺動表面に対して各条件にてＤＬＣ膜を成膜したもの
（３）相手材：研削仕上げ（０．７μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）
（４）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２
（５）スパッタリングガス：Ａｒガス
下地層の形成条件を以下に説明する。成膜チャンバー内を５×１０−３Ｐａ程度まで真空引きし、ヒータで基材となる試験片をベーキングして、Ａｒプラズマにて基材表面をエッチング後、ＵＢＭＳ法にてＣｒターゲットとＷＣ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、基材側でＣｒが多く表面側でＷＣが多いＣｒ／ＷＣ傾斜層を形成した。
混合層の形成条件を以下に説明する。下地層と同様にＵＢＭＳ法にて成膜した。ここで、該混合層については、炭化水素系ガスであるメタンガスを供給しながら、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、下地層側でＷＣが多く表面層側でＤＬＣが多いＷＣ／ＤＬＣ傾斜層を形成した。混合層の具体的な成膜条件を表１に示す。なお、混合層における水素含有量（原子％）は、ＧＤＳ分析（グロー放電発光分光分析）により上述の方法で求めた。結果を表１に併記する。
表面層の形成条件は、各表に示すとおりである。
図５はＵＢＭＳ装置の模式図である。図５に示すように、円盤２０上に配置された基材２１に対し、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）２２を非平衡な磁場により、基材２１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、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、基材とするリングに、下地層、混合層、表面層をＵＢＭＳ被膜として成膜している。
実施例１〜３、比較例１〜５
表１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、これをＵＢＭＳ装置に取り付け、上述の形成条件にて下地層および混合層を形成した。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。なお、表１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。得られた試験片を下記に示す２円筒試験機を用いた転がり滑り試験に供した。結果を表１に併記する。
表１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、これをＵＢＭＳ装置に取り付け、上述の形成条件にて下地層および混合層を形成した。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。なお、表１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。得られた試験片を下記に示す２円筒試験機を用いた転がり滑り試験に供した。結果を表１に併記する。
＜２円筒試験機による転がり滑り試験＞
得られた試験片について図６に示す２円筒試験機を用いて転がり滑りによる耐剥離性の試験を行なった。この２円筒試験機は、駆動側試験片２３と転がり滑り接触する従動側試験片２４とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受２６で支持されており、負荷用バネ２７により荷重が負荷されている。また、図中の２５は駆動用プーリ、２８は非接触回転計である。硬質膜の剥離を助長するために相手材粗さを大きくし、潤滑油粘度を下げ境界潤滑とし、回転差をつけて滑りを発生させ、被膜の剥離が発生するまでの時間（ｈ）を剥離寿命として評価を行った。具体的な試験条件は以下のとおりである。
（試験条件）
潤滑油：ＶＧ１．５相当油(添加剤含有) 滴下給油
油温：４０〜５０℃
最大接触面圧：２．７ＧＰａ
回転数：（試験片側）２７０ ｍｉｎ−１
（相手材側）３００ ｍｉｎ−１
相対滑り速度：０．０６ ｍ／ｓ
油膜パラメータ：０．００６
打ち切り時間：４８ｈ
得られた試験片について図６に示す２円筒試験機を用いて転がり滑りによる耐剥離性の試験を行なった。この２円筒試験機は、駆動側試験片２３と転がり滑り接触する従動側試験片２４とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受２６で支持されており、負荷用バネ２７により荷重が負荷されている。また、図中の２５は駆動用プーリ、２８は非接触回転計である。硬質膜の剥離を助長するために相手材粗さを大きくし、潤滑油粘度を下げ境界潤滑とし、回転差をつけて滑りを発生させ、被膜の剥離が発生するまでの時間（ｈ）を剥離寿命として評価を行った。具体的な試験条件は以下のとおりである。
（試験条件）
潤滑油：ＶＧ１．５相当油(添加剤含有) 滴下給油
油温：４０〜５０℃
最大接触面圧：２．７ＧＰａ
回転数：（試験片側）２７０ ｍｉｎ−１
（相手材側）３００ ｍｉｎ−１
相対滑り速度：０．０６ ｍ／ｓ
油膜パラメータ：０．００６
打ち切り時間：４８ｈ
各実施例と各比較例は、使用する基材および表面層の成膜条件が同一であり、表面層の硬度は平均値で約２９ＧＰａである。表１に示すように、混合層を形成する際のメタンガス導入比を変化させた場合、メタンガス導入比が高い場合において２円筒転がり滑り試験における剥離寿命が短い傾向があり、メタンガス導入比が２．５であり、水素含有量が１０．８原子％の時点で劇的に短寿命化した。メタンガス導入比が２．５以上の場合、１ｈ前後の剥離寿命となっており、混合層内の水素含有量の高い比較的軟質なＤＬＣの存在が被膜の耐剥離性に悪影響を及ぼしていると考えられる。
ＤＬＣの適用が検討される摺動面・転動面は潤滑が希薄または滑り速度が速いなど苛酷な潤滑状態であることが多い。本発明の転がり軸受は、例えば、内・外輪軌道面や転動体の転動面にＤＬＣ膜が形成され、苛酷な潤滑状態で運転した場合においてもこのＤＬ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。
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
２０ 円盤
２１ 基材
２２ スパッタ蒸発源材料（ターゲット）
２３ 駆動側試験片
２４ 従動側試験片
２５ 駆動用プーリ
２６ 支持軸受
２７ 負荷用ばね
２８ 非接触回転計
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
２０ 円盤
２１ 基材
２２ スパッタ蒸発源材料（ターゲット）
２３ 駆動側試験片
２４ 従動側試験片
２５ 駆動用プーリ
２６ 支持軸受
２７ 負荷用ばね
２８ 非接触回転計
Claims (7)
- 鉄系材料からなる、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間を転動する複数の転動体とを備えてなる転がり軸受であって、
前記内輪、前記外輪、および前記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に硬質膜を有し、該転がり軸受は該硬質膜が他の軸受部材と境界潤滑で転がり滑り接触する条件で使用される軸受であり、
前記硬質膜は、前記表面の上に直接成膜された下地層と、該下地層の上に成膜された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た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り、前記混合層における水素含有量が１０原子％未満であることを特徴とする転がり軸受。 - 前記硬質膜が摺動表面に形成された試験片（鏡面研磨された（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率なし））と、該試験片と転がり接触する相手材（研削仕上げ（０．７μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０））とを備える２円筒試験機を用いた下記の試験条件の転がり滑り試験において、前記硬質膜の剥離が発生するまでの時間が１７．６時間以上であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
（試験条件）
潤滑油：ＶＧ１．５相当油(添加剤含有) 滴下給油
油温：４０〜５０℃
最大接触面圧：２．７ＧＰａ
回転数：（試験片側）２７０ ｍｉｎ −１
（相手材側）３００ ｍｉｎ −１
相対滑り速度：０．０６ ｍ／ｓ
油膜パラメータ：０．００６ - 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。
- 前記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の転がり軸受。
- 前記下地層が、クロムとタングステンカーバイトとを主体とする層であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の転がり軸受。
- 請求項１から請求項５までのいずれか１項記載の転がり軸受における軸受部材への前記硬質膜の成膜方法であって、
前記硬質膜において、少なくとも前記表面層と前記混合層が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、
前記表面層は、前記ダイヤモンドライクカーボン用の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１〜１０であり、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し、
前記混合層は、前記ダイヤモンドライクカーボン用の炭素供給源として少なくとも黒鉛ターゲットを使用し、該炭素供給源として炭化水素系ガスを併用する場合には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２．５未満であり、連続的または段階的に、前記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、前記タングステンカーバイト用のタングステンカーバイトターゲットに印加するスパッタ電力を下げながら成膜する、ことを特徴とする硬質膜の成膜方法。 - 前記炭化水素系ガスが、メタンガスであり、前記混合層の成膜において、前記炭素供給源として前記メタンガスを併用する場合、前記アルゴンガスの前記装置内への導入量１００に対する前記メタンガスの導入量の割合が１〜１．６であることを特徴とする請求項６記載の硬質膜の成膜方法。
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