CN100398861C - 滚动滑动件及滚动装置 - Google Patents

Abstract

一种滚动轴承包括：安装在一根轴上并支承该轴的内环；设置在内环的外周的外环；多个滚动件，这些滚动件滚动且其表面与外环的内周表面和内环的外周表面接触；以及支撑滚动件的保持架。在第一组和第二组中的至少一组上形成一层减小滑动阻力的薄膜，所述第一组为保持架的外周表面或外环的内周表面，所述第二组为保持架的内周表面或内环的外周表面。

Description

滚动滑动件及滚动装置

本申请是一项分案申请，相应母案的申请号为02124540.1，申请日为2002年4月12日，发明名称为“滚动滑动件及滚动装置”，申请人为日本精工株式会社。

技术领域

本发明涉及一种润滑性能优良的滚动滑动件以及带有这种滚动滑动件的滚动装置，尤其涉及在作用有较大的接触应力的情况下、能适用于无油情况或微油润滑情况的滚动滑动件和滚动装置。该滚动滑动件主要包括用于机床或类似机械中的滚动轴承、适用于汽车引擎部件的滚动件，用于真空吸尘器的无油轴承，以及线性导向机械部件，例如线性导向器或滚珠丝杠。

背景技术

在如加工中心或高速车床的机床中，滚动轴承，如滚珠轴承或滚柱轴承被用作支承转轴的轴承。这类滚动轴承包括：内环、外环、多个滚动元件以及保持架。内环安装在被支承的主轴如转轴上，而外环设置在内环的外周表面内。这些滚动件位于内环和外环之间，且在内环与转轴一起相对旋转时，滚动件滚动，同时其表面与内环的外周面和外环的内周面接触。保持架保持滚动件并沿着内环和外环的圆周方向旋转。因此，在这种滚动轴承中，会在内外环和滚动件之间的接触部分产生摩擦热，并且会造成咬合，因此通过在轴承内部填充润滑剂，例如油脂或类似物而进行润滑酯润滑，或者采用例如一种油气进行微油润滑，因此可以防止这种情况发生。

不过，油气润滑会在高速旋转的轴承的内部产生一种气帘。这种气帘将妨碍润滑剂进入内环和外环的滚动表面，这样带来润滑剂供给不足的问题。润滑酯润滑仅仅对轴承润滑有用，但是油脂具有较大的搅动阻力，且在高速旋转条件下其摩擦热的发热量较大，这会引起导致咬合的问题。

此外，当主轴高速旋转时，润滑剂由于离心力而散开，产生易于造成润滑不足的边界润滑问题。在这种情况下，不仅在轴承环的滚道表面和滚动件之间的接触部分上出现同样的问题，而且在保持架的外径和外环的内径之间，以及保持架的内径和内环的外径之间的接触部分上也产生相同的问题。

而且，最近，机床都强调要求主轴高速旋转，以便提高加工效率，并且，根据这种情况，滚子轴承的旋转速度已经得到提高。与此同时，要求轴承降低产生的热量以便提高加工精度。

通常，当向心推力球轴承高速旋转时，在滚动件(滚珠)和滚道表面之间的接触部分处，由于旋转运动或回转运动而产生较大滑动。而且在滚珠和滚道表面之间的接触表面处的压力，由于作用在内环或滚珠上的离心力而增加，内环和外环之间的温差造成轴承内部空间降低。接触部分处的滑动或接触表面处的压力的增加，导致温度的上升或者由于热量的产生而咬合，并进一步产生各种麻烦，例如造成提前过度磨损。

作为抑制这些麻烦的方法，在实践中可以通过减小滚珠的直径或采用重量较轻的陶瓷，使离心力所产生的表面压力的增加程度得到减轻。JP-A-62-24025公开了一种方法，使得内环材料的线性热膨胀系数小于外环材料的线性膨胀系数，以便控制轴承内部的空间的变化。

JP-A-2000-145749以及JP-A-11-270564公开了一些方法，使得轴承的内部元件的结构优化，以便使轴承获得极高的速度，较高的刚性以及产生的热量较低。

如果在机床的主轴上采用这种加工过的滚柱轴承，运转可达到大约3500000DmN值(其中Dm：滚动件的节圆直径mm，而N：旋转速度min-1)所显示的可获得旋转速度。

不过，滚柱轴承的旋转速度增加的趋势是越来越高，采用上述技术，很难实现在较高的速度下产生较低的热量。

特别的是，机床轴承的目的是为了减小力矩和产生的热量，并在微油润滑条件下起作用，该微油润滑例如为油脂润滑、油气润滑、油雾润滑或直接喷射微油润滑。也就是说，可以在高速旋转条件下采用微量润滑剂进行润滑。因此，在DmN值超过2000000时的较高旋转速度下，在滚珠和滚道表面之间的接触部分处的油膜破裂，并且滚珠和滚道表面易于彼此接触，从而造成易于产生的象咬合或磨损的这样损坏的问题。特别是与油气润滑或油雾润滑相比，由于油脂润滑难以形成油膜，因此容许的旋转速度较低。

另一方面，在滚动滑动件例如轴承或线性导向件在无油条件如真空、干净空气、高或低温度下起作用时，润滑方式成为一个问题。

通常，在真空或洁净的环境下，已经采用了固态润滑剂如Au、Ag、Pb软金属，MoS2以及PTFE(聚四氟乙烯)进行润滑。而且，在无油条件下，可以在内外环的滚道表面或滚动件的表面上形成如CrN或TiN一样的硬膜，以便提高磨损阻力和防止咬合阻力。

然而，固态润滑剂的问题在于固态润滑剂自身的磨损较大，因为固态润滑剂是自我牺牲。当采用传统的硬膜时，由于在润滑特性方面所显示的问题会极大地缩短寿命。

为了解决这些问题，可以采用这样一种技术，即在一种金属上形成一层类金刚石碳膜(以下称之为DLC)，该DLC具有较低的摩擦，且具有优良的耐磨损性以及抗咬合性。

该DLC的表面硬度与金刚石相同，由于其摩擦系数小于0.2，与二氧化钼或含氟树脂相似，因此其滑动阻力较小。所以DLC已经被采用作为一种新型润滑材料。

例如，在磁盘装置中，如果在磁性元件或磁盘的表面形成一层几十埃的DLC薄膜，那么就会提高磁性元件和磁盘之间的润滑性能，从而对磁盘的表面起保护作用。

另一方面，由于其特有的表面特性，人们已经注意到可以将DLC用作滚动滑动件的一种新型润滑材料，并且近来已经采用DLC使得轴承具有这种润滑性能。

例如，JP-W-11-14512公开了一种滚动轴承，该轴承在轴承环的滚道表面或滚动件的表面上形成有一种含有金属的DLC膜。在这种滚动轴承中，接触应力由于DLC膜而得到缓和。

此外，还公开了一种滚动轴承的滚动装置，该轴承在轴承环的滚道表面或滚动件的表面上通过CVD、等离子CVD、离子束成形工艺或离子化汽相沉积方法形成有DLC膜(例如，在JP-A-9-144764，JP-A-2000-136828，JP-A-9-2000-205277，JP-A-2000-205279以及JP-A-2000-205280中)。

但是，在象上述传统的滚动轴承一样的滚动装置中，接触表面是点接触或线接触，其接触面积比较小，且由于作用在滚道环的滚道表面或滚动件表面上的接触应力较大，滚道环的滚道表面或DLC膜可能由于受到交变应力或剪切阻力而破裂。

由于会产生这样的损坏的原因，可以假设以下三点：

第一点，DLC层的特性使其在有应力作用时很难变形。DLC比较硬且具有较高的弹性，并且当其覆盖在一种弹性模数较小的金属材料例如不锈钢或轴承钢上时，DLC也不能随着底材的变形而变形，因为两者的弹性模数不同，因此，DLC膜可能会断裂。

第二点，尽管据称DLC具有润滑特性，但是与油脂或润滑油相比，这种特性也比较差，且DLC的抗剪切性能也比较弱。

第三点，为了提高铜和DLC膜之间的粘合性而插入的金属中间层的脆变问题。也就是说，由于构成金属中间层的金属和构成DLC膜的碳结合，形成具有脆度的金属碳化物，金属中间层变脆，且DLC膜易于破裂。在金属中间层由一种金属构成的情况下，金属碳化物的脆度较大，因此其也易于成为断裂因素。

此外，通常在对于轴承不适宜的蒸汽润滑剂的的环境下的润滑，或者用于一种制冷媒体中的滚动件和滑动件的润滑，已经采用了象氟基油脂或含氟树脂化合物一样的固体润滑剂。

例如，在已知的用于信息机械装置的润滑技术，是将滚动件通过对含氟聚醚或由具有官能团的含氟聚合物制成的含氟聚烷基聚合物进行加热，而干粘在在金属表面上(例如，JP-A-10-326468以及JP-A-10-326469)。

在这些公开文献中所描述的方法中，滚动件浸在全氟聚醚(PFPE)或其一种衍生物的稀释液体中，并粘在带有PFPE或其衍生物的金属表面上，并在200℃或较低的温度下进行加热而干粘。

还有一种已知的方法是将带有象官能团一样的异氰酸酯基的含氟衍生物，粘到滚动件或滑动件的表面并进行加热产生硬化反应。

另一方面，向用于制冷媒体如压缩机滚动件和滑动件或发动机部件，或用于发动机内部的滑动件提供充足的润滑剂比较困难，形成边界润滑且经常会产生咬合。顺便提一句，采用这种微量润滑剂的润滑其润滑剂的搅动阻力较小，且是一种在减少机床主轴轴承中热量的产生方面非常有用的润滑技术，但是这很难控制润滑剂的量，并且特别是在轴承高速运转的时候，由于旋转产生气帘(气帘会阻碍润滑剂进入滚动表面)，并形成边界润滑和经常造成咬合。

当提供充足的润滑剂有困难时，还有一种已知的方法是，通过在滚动件和滑动件的表面上形成一种由陶瓷、金属以及合金合成的材料制成的膜，可以延长轴承的寿命。例如这种方法公开在JP-A-9-133138中。此外，该公开文献披露了一种技术，即在滚动件和滑动件的表面上形成一层类金刚石碳(DLC)层，该DLC具有与滚动件和滑动件的基材良好的粘合性，从而赋予滚动件和滑动件的表面一种润滑特性。

在轴承的滚动件和滑动件中，接触部件的表面上的压力较高，且在接触部分产生滑动。通常，当由润滑剂形成油膜并形成液体润滑时，就可以避免金属与金属之间的接触。但是，液体润滑剂的问题是由于润滑剂存在搅动阻力，旋转力矩或滑动阻力比较大。因此，在采用上述固体润滑剂的方法中也会存在相似的问题。

由于含氟的油脂与金属之间的易粘性较低且形成油膜的能力较差，容易形成边界润滑。因此采用含氟油脂的滚动件和滑动件就有一个涉及寿命的问题。特别的是，采用象含氟化合物一样的固体润滑剂，在初始阶段对提高适应性比较有用，但是不适于进行长期润滑，其用途也限于具有非常轻的载重载荷的滑动件中。

在JP-A-10-326468和JP-A-10-326469中描述的技术，由于接触表面压力和滚动接触一样高的条件下难以形成液体润滑膜，因此易于形成边界润滑，并易于造成咬合和磨损。特别是，当金属表面上覆盖一层化学性质稳定的金属氧化物时，存在的问题就是含氟聚合物的官能团较少与金属结合，含氟聚合物与金属表面的粘合力就会显著地降低。

下面将对涉及上述润滑方法的问题进行阐述，该方法用于在滚动件和滑动件的表面上形成一种由陶瓷、金属以及合金合成的材料制成的薄膜，具体而言，是参考带有合金钢轴承环和陶瓷质滚珠的轴承进行阐述。

如果由化合物如TiN或CrN制成的薄膜形成于轴承环的滚道表面上，就会增加滚道表面的磨损阻力。但是，尽管这种化合物与合金钢具有较大的亲和性，但是这种化合物的硬度比构成轴承环的合金钢要硬，因此，在边界润滑条件下滚动件被损坏且预加载荷会消失。而且，由于由上述化合物构成的表面的滑动阻力较大，因此难以防止咬合。

另一个实例采用了较硬的碳来替代上述化合物。这种较硬的碳的硬度等于或高于如TiN的化合物，且其特征在于表面的动摩擦系数比较小。但是，由于其与金属表面的粘附性比较弱，因此通常在由W、Ti、Si或Cr制成的中间层上形成较硬的碳层，以便增加与作为基材的金属之间的粘附性。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决上述问题并提供一种滚动轴承，该轴承能够起到适当的作用而不会造成咬合，即使在易于产生边界润滑的环境下。

而且，本发明的第二目的是提供一种滚动滑动件，该滚动滑动件能够在用于较大接触应力时长期保证DLC薄膜的这种优良的润滑特性，而不会造成DLC薄膜的剥落。

此外，本发明的第三目的是提供一种用于高速旋转的滚动轴承，该轴承当然能够提供较低的力矩且降低热量的产生，并且能够在高速旋转条件下防止咬合和防止磨损。

而且，本发明的第四目的是提供一种滚动滑动件，以便在有较大接触应力作用的条件下或无油条件下起到适当的作用，并提供一种带有这种滚动滑动件的具有优良润滑特性的滚动装置。

此外，本发明的第五目的是提供一种带有具有较高粘附性的DLC薄膜的滚动滑动件，且该滚动滑动件在用于较大接触应力条件下，能够长期保证DLC薄膜具有这种优良的润滑特性，而不会造成DLC薄膜的剥落。

而且本发明的第六目的是提供一种滚动件，该滚动件即使在形成边界润滑的条件下也很难由于金属与金属间的接触而造成磨损或腐蚀，并且在边界润滑条件下也具有优良的防咬合性能。

此外，本发明的第七目的是提供一种滚动滑动件和一种滚动装置，该滚动装置能够在有较大接触应力的条件下或无油条件下，起到适当的作用。

为了实现本发明的目的，根据本发明第一方面提供了一种滚动滑动件，适于相对于一相对元件形成滚动接触或滑动接触，包括：

由钢制成的基材；

形成在与所述相对元件接触的表面上且具有润滑特性的类金刚石碳层，该类金刚石碳层包括：

金属层；

具有金属和碳的第一复合层；

由碳制成的碳层；以及

位于最上表面上的含氟复合层。

优选地，第一复合层中的碳的比例从金属层一侧向碳层一侧逐渐增加。

优选地，类金刚石碳层还包括具有氟化合物和碳的第二复合层。

优选地，从表面侧朝向基材，类金刚石碳层按照含氟复合层、第二复合层、碳层、第一复合层、金属层的顺序排布。

优选地，第一复合层中的碳的比例从金属层一侧向碳层一侧逐渐增加，以及

第二复合层中的碳的比例从碳层一侧向含氟复合层一侧逐渐减少。

优选地，类金刚石碳层的等效弹性模数设定为80-240Gpa。

优选地，类金刚石碳采用不平衡磁控管溅射形成。

优选地，所述金属层由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的至少一种金属制成。

根据本发明另一方面，提供了一种滚动装置，包括：

在外表面上具有滚道表面的内部元件；

外部元件，该外部元件在内表面上具有与内部元件的滚道表面相对的滚道表面，并位于内部元件的外侧；以及

可滚动地设置于两个滚道表面之间的滚动元件，

其中，所述内部元件、外部元件以及滚动元件中的至少一个是利用根据本发明第一方面的滚动滑动件形成的。

为了实现第一目的，根据本发明的第一方面，所提供的一种滚动轴承包括：

安装在一根轴上并支承该轴的内环；

设置在内环的外周的外环；

多个滚动件，这些滚动件滚动同时其表面与外环的内周表面和内环的外周表面接触；以及

支撑滚动件的保持架，

其中在第一组和第二组中的至少一组上形成一层减小滑动阻力的薄膜，所述第一组为保持架的外周表面或外环的内周表面，所述第二组为保持架的内周表面或内环的外周表面。

采用这种结构，在外环和保持架之间和/或内环和保持架之间的滑动部分产生的滑动阻力(摩擦阻力)，由于存在减小滑动阻力的薄膜而降低，因此就能够避免由于摩擦热导致的咬合，且滚动轴承就能起到适当的作用而不会导致咬合，即使在易于产生边界润滑的环境下。

在此，减小滑动阻力的薄膜是一层能够减小在外环和保持架之间和/或内环和保持架之间的滑动部分处的滑动阻力的薄膜，具体而言，这种滑动阻力的减小能通过在例如保持架的外周表面上形成一层硬质碳膜(类金刚石碳膜)，或一层含氟的树脂涂敷薄膜来实现。在这种情况下，保持架最好采用一种耐热树脂制成，该耐热树脂例如聚醚酮醚(PEEK，其线性热膨胀系数为：45×10^-6/℃)、聚苯撑硫(PPS，其线性热膨胀系数为：28×10^-6/℃)、热塑性聚酰亚胺树脂、苯酚树脂、聚酰胺66(尼龙，其线性热膨胀系数为：28×10^-6/℃)，或者为一种比重小于3的轻金属(例如，镁合金)。如果保持架由耐热树脂、比重低于3的轻金属或钛合金制成，那么与由例如轴承钢制成的保持架相比，就能够防止保持架受到由摩擦热产生的热损坏，且与此同时，能够在外周表面上形成象硬质碳薄膜(这在后面将称之为“DLC薄膜”)一样的具有良好的减小滑动阻力的的薄膜。

而且，如果保持架由象镁合金一样的轻金属制成，与由铸铁或铜合金制成的保持架相比，那么其重量就能减轻且其强度就能得到提高。

构成保持架的材料采用复合材料就足够了，该复合材料包括如PEEK一样的耐热树脂以及如玻璃纤维或碳纤维一样的加强纤维，如果采用这些复合材料就能够增加保持架的机械强度。当在保持架的外周表面上形成DLC薄膜时，可以预先在保持架的外周表面和DLC薄膜之间形成一层由Ti或Si制成的中间层，由此能够在保持架的外周表面上理想地形成该DLC薄膜。

如果DLC薄膜的厚度超过10μm，其内部应力就会增加，且由于产生自毁作用而导致减小滑动阻力的功能下降，且如果薄膜的厚度小于0.5μm，那么保持架的表面就会部分暴露，其减小滑动阻力的功能也会下降。由于这些原因，DLC薄膜的厚度在0.5-10μm之内的范围内比较理想，优选为1-5μm。从薄膜的成形时间或气体压力的控制方面来考虑，该厚度在1-3μm比较理想。

由于如果含氟树脂涂敷薄膜的厚度超过30μm时，在薄膜厚度方面会易于产生不均匀，而如果厚度小于2μm时减小滑动阻力的效果又会显著降低，因此其厚度在2-30μm的范围内比较理想，最好在5-20μm之间。

在保持架的外周表面上形成DLC薄膜，可以根据等离子CVD(化学蒸汽沉积)、不平衡溅射工艺、真空弧光放电PVD(物理气相沉积)、离子束成形工艺、或离子化蒸汽沉积来进行，且DLC薄膜可以通过以碳基气体(乙炔、乙烯、甲烷、乙烷、或苯)或石墨为目标而形成在保持架的外周表面上。

当实际中在保持架的外周表面上形成含氟树脂涂敷薄膜时，提出了一种进行表面预处理的工艺，该工艺通过在保持架的外周表面上进行例如喷丸处理或采用喷丸滚筒，利用一种喷枪，采用一种如聚酰胺-酰亚胺或环氧树脂的热固性树脂粘合剂，在其上形成一种四氟乙烯和二硫化钼涂敷层，并焙干涂敷层。

二硫化钼和四氟乙烯可以独立使用。在进行表面预处理后覆盖上一层如Ag、Sn的金属固体润滑剂层，对提高防咬合性比较有用。

作为粘合剂的合成树脂不仅可以含有聚酰胺-酰亚胺，还可以含有如环氧树脂的热固性树脂。可以在外环和内环中的至少其中一个的保持架导向表面表面上而非保持架上，通过焙干用于减小摩擦的固体润滑剂来进行表面处理。

为了实现第二目的，根据本发明的第二方面，所提供的滚动滑动件包括：

在其外表面上具有滚道表面的内侧元件；

在与内侧元件的滚道表面的相对面具有滚道表面的外侧元件，且该元件位于内侧元件的外部；以及

可滚动地位于两滚道之间的滚动件，

其中，在内侧元件的滚道表面、外侧元件的滚道表面以及滚动件之中，至少有一个表面基材是由钢材制成的，且在钢质基材表面上形成有类金刚石碳膜，以及

其中，类金刚石碳膜至少含有一种中间层，该中间层具有金属元素和碳层，且等量弹性模数为80-240Gpa，塑性变形硬度为8-37Gpa。

而且滚动滑动件可以包括位于中间层和碳层之间的含有碳元素的复合层。

此外，在上述滚动滑动件中，复合层可为倾斜层，该倾斜层的成分从中间层向碳层连续改变。

而且，根据本发明的第三方面，所提供的滚动滑动件包括：

在其外表面上具有滚道表面的内侧元件；

在与内侧元件的滚道表面的相对面具有滚道表面的外侧元件，且该元件位于内侧元件的外部；以及

可滚动地位于两滚道表面之间的滚动件，

其中，在内侧元件的滚道表面、外侧元件的滚道表面以及滚动件之中，至少有一个的表面基材是由钢材制成的，且在钢质基材表面上形成有类金刚石碳膜，以及

其中，类金刚石碳膜具有一种含有金属元素的中间层、含有碳元素的复合层、以及碳层，

其中，复合层为倾斜层，该倾斜层的成分从中间层到碳层连续改变，以及

其中类金刚石碳膜的塑性变形硬度为8-37Gpa。

在普通的滚动滑动件中，形成于轴承钢或不锈钢质表面上的DLC薄膜，由于滚动件和滚道表面之间的接触应力而破裂，作为破裂的因素有两点，“DLC薄膜不能跟随基材的变形而变形”以及“中间层和碳层的物理特性(线性热膨胀系数)有差别”。

造成前者“DLC薄膜不能跟随基材的变形而变形”的原因是，因为基材的等效弹性模数小于DLC薄膜的，使得基材在加载应力时会先于DLC薄膜的变形而变形，从而使得DLC破裂。

因此，与基材相比，有必要使得DLC薄膜的塑性变形硬度较高，而等效弹性模数较低。因此，由于DLC薄膜自身易于随着基材变形，因此可以提高强度直到应力值达到塑性变形的范围，且DLC薄膜克服交变应力的断裂强度变强。

至于后者，由于中间层和碳层的物理特性有差别，因此中间层和碳层之间的交界处易于剥离，但是，如果使得中间层的成分的比例向碳层成分的比例连续地改变，并形成一个位于中间层和碳层之间的倾斜层(复合层)，就有可能制造出这样一种DLC薄膜，该薄膜在由于摩擦磨损产生的温度变化造成的膨胀和收缩方面比较强，且在机械强度方面比较高。

在此，中间层中的金属元素并不象在钢质基材中所含的元素那样受到特殊的限制，且合成元素的原子半径也不受限制，例如采了Cr、W、Ti、Si、Ni、Fe或Co。其中，在基材为不锈钢或轴承钢的情况下，采用Cr或Ni用作中间层比较理想，并根据钢的成分，选择Si、W或Co也比较合适。

作为形成DLC薄膜的工艺，列举了不平衡溅射工艺、脉冲激光弧沉积工艺、等离子CVD(化学蒸汽沉积)，比较理想的的是不平衡溅射工艺，该工艺易于独立地控制等效弹性模数和塑性变形硬度。

为了实现第三个目的，根据本发明的第四个方面，提供了一种用于高速旋转的滚动轴承，包括：

具有外滚道表面的内环；

具有内滚道表面的外环；

多个滚动件，这些滚动件位于内外环之间；以及

支撑着上述滚动件的保持架，

其中，内环的外滚道表面、外环的内滚道表面、滚动件和保持架中至少有一个在其基材表面由钢材形成，且在该基材表面上形成有一层类金刚石碳膜，

其中，象碳一样的金钢石薄膜具有含金属元素的中间层、含碳元素的复合层、以及碳层。

其中，复合层为倾斜层，该倾斜层的成分从中间层到碳层连续改变，以及

类金刚石碳膜的塑性变形硬度为8-35Gpa。

而且，根据第四方面的滚动轴承，类金刚石碳膜的等效弹性模数可以设置在80-280Gpa之间。此外，类金刚石碳膜的厚度可为0.1-5μm。而且，滚动轴承可以在一种微油润滑环境下起作用，该微油润滑环境例如为油脂润滑、油气润滑、油雾润滑或直接喷射微油润滑。

而且，在第四方面的滚动轴承中，滚动件的胚体材料由陶瓷制成。外环和/或内环的基材可以由用于做耐热轴承的钢材制成。此外滚动轴承起到机床主轴的作用。

另外，为了实现本发明的第四目的，根据本发明的第五方面，提供了一种滚动滑动件，该滚动滑动件适于相对于相对元件产生滚动接触或滑动接触，该滚动滑动件包括：

由钢材制成的基材；以及

在与相对元件相接触的接触表面上形成的具有润滑特性的类金刚石碳层，该类金刚石碳层包括：

由Cr、W、Ti、Si、Ni和Fe中的两种或多种金属构成的金属层；

由金属和碳制成的复合层；以及

由碳制成的碳层，

其中，类金刚石碳层按下列次序排列：从表面侧开始为，碳层，复合层和金属层。

这种滚动滑动件使得复合层和金属层夹在作为基材的钢材和碳层之间，使得具有优良润滑特性的类金刚石碳(DLC层)与作为基材的钢材之间的粘附性比较高。

特别的是，如果复合层的结构为从金属层侧向碳层侧碳的比例逐渐增加，使得粘附性更为优秀。

而且，由于复合层是由碳和Cr、W、Ti、Si、Ni和Fe中的两种或多种金属构成，由金属和碳构成的金属碳化物的脆性要比由一种金属和碳构成的复合层的脆性小。因此，由于复合层的脆性小，因此，DLC薄膜即使在有交变应力或剪切应力加载时也很少破裂。

比较好的是，确定DLC薄膜的等效弹性模数，使之设定为80-240Gpa，最好是100-240GPa。采用这种结构，DLC的等效弹性模数比作为基材的钢材的等效弹性模数要小，因此在有交变应力作用时DLC薄膜会变形。所以，DLC薄膜会随着基材而变形，且很难产生DLC薄膜破裂的情况。

如果DLC的等效弹性模数大于240Gpa时，DLC的等效弹性模数大于钢材的等效弹性模数，DLC在作用有交变应力时很难随着基材而变形，且DLC薄膜易于产生破裂。另一方面，若DLC的等效弹性模数小于80Gpa时，DLC薄膜的硬度较低且易于产生磨损。

采用不平衡磁控管溅射工艺通过溅射方式形成DLC薄膜比较好。与CVD、等离子CVD、离子束成形工艺或离子化蒸汽沉积工艺相比，这种物理薄膜成形工艺对于构成象滚动装置一样的其上作用有较大接触应力的单元的部件比较合适。

因此，由于根据第五方面的滚动滑动件的润滑薄膜(DLC薄膜)，即使在作用有较大接触应力时也很少破裂，因此适于在构成其上作用有较大接触应力的单元上采用(如滚动装置)。此外，由于具有优良的润滑特性，因此能够在无油条件下适当地起作用，且其较少产生磨损和热量，并具有克服交变应力的较强能力和寿命。

本发明的滚动装置具有：一内部元件，该内部元件在其外表面上具有滚道表面；外部元件，该外部元件在其内表面上具有滚道表面，并设置在内部元件的外侧，该滚道表面与所述内部元件的滚道表面相对；以及一些滚动元件，这些滚动元件可旋转地位于两个滚道表面之间，其中，在内部元件、外部元件以及滚动元件中，至少有其中一个是通过本发明的第五方面中所提出的滚动滑动件来实现的。

采用这种结构，构成滚动装置的滚动滑动元件上的DLC薄膜，在较大接触应力作用下也难以破裂，即使其在作用有较大接触应力的条件下或在无油条件下也会有较长的寿命。

附带一句，作为本发明的滚动装置，有滚动轴承、线性导向装置、滚珠丝杠或定向作用轴承。

该内部元件在在下列情况下分别为：在作为滚动装置的滚动轴承中为内环、在线性导向轴承中为导轨、在滚珠丝杠中为丝杠轴以及在定向作用轴承中为主轴。该外部元件在下列情况下分别为：在作为滚动装置的滚动轴承中为外环、在线性导向轴承中为滑动器、在滚珠丝杠中为螺母以及在定向作用轴承中为外圆筒。

本发明中的滚动件也可以用作滑动件，且该滑动件在此可以表示为具有防滑性能的表面上进行滑动的元件，以及在圆筒面、球面以及平面上进行接触运动的机械部件。也可以用于构成汽车发动机的凸轮和凸轮从动件、燃料喷射装置、摩擦盘、离合器部件以及轴承的保持架。

而且，为了实现第五目的，根据本发明的第六方面，所提供的滚动滑动件包括：

在其外表面上具有一滚道表面的内侧元件；

具有一内表面的外侧元件，该外侧元件具有一个与内侧元件的滚道表面相对的滚道表面，且该外侧元件位于该内侧元件的外侧；以及

多个可旋转地位于这两个滚道表面之间的滚动件，

其中，在内侧元件的滚道表面、外侧元件的滚道表面以及滚动件之中至少有一个其表面的基材是由钢材制成的，且在该基材表面上形成有一层类金刚石碳膜，以及

其中钢质基材的表面包括占体积百分比为0％-6％的残留奥氏体，其硬度为Hv600-740。

在第六方面的滚动滑动件中，类金刚石碳膜采用不平衡磁控管溅射方式形成。

因此，当存在于基材表面中形成有DLC薄膜的残余奥氏体较小时，即使形成DLC薄膜的温度较高，将要分解出的残余奥氏体的量会受到限制，从而固定所需的尺寸稳定性并增加所形成的DLC的粘附性。

将残余奥式体的体积百分比确定为0-6％的原因是，因为与残余奥式体的体积百分比大于6％的情况相比，如果限制在该范围内，就传统的DLC处理而言，该尺寸比较稳定，且DLC薄膜的寿命会得到进一步延长(见图29)。

也就是说，将残余奥式体的体积百分比确定为0-6％的原因是，如果该百分比大于6％，尺寸变化量会大于预定的变化量，且会导致DLC薄膜的粘附性或轴承的精度降低。残余奥式体的体积百分比最好为0％，但是硬度必须为Hv600或更高。

当基材表面的硬度较低时，就会对所形成的DLC薄膜的粘附性产生负面影响，但是本发明保证基材表面有充分的硬度，其为Hv600-740，使得所形成的DLC和基材之间具有粘附性。

在此，表面硬度的下限为Hv600，是因为经证明，在硬度大于Hv600时，可以保证获得理想的粘附性。表面硬度越高，粘附性越好，但是如果在使得表面硬度会超过Hv740的温度下实施热处理，残余奥氏体的体积百分比就可能超过6％，因此，将上限设定为Hv740，以确保就现有DLC处理工艺而言的尺寸安全。

顺带说一句，现在已经证明，如果硬度小于Hv600，DLC就易于从基材上剥落下来。

形成的DLC薄膜包括三层，一层由Cr、W、Ti、Si、Ni、Mo、V、Al、Mn、Nb以及Fe中的一种或几种金属构成的金属层，一层由金属和碳构成的复合层，以及一层由碳构成的碳层，这些层从DLC薄膜表面开始按碳层、复合层、金属层的顺序排列。因此，复合层和金属层夹在作为基材的钢材和作为表面的碳层之间，使得具有优良滑动性能的DLC薄膜表面与作为基材的轴承钢之间具有较高的粘附性。

特别的是，如果复合层的含碳比例从金属层这一侧向碳层这一侧逐渐增加，那么粘附性会更优秀。也就是说，由于中间层和碳层的物理特性不同，中间层和碳层之间的交界面易于剥离，但是如果中间层的成分相对于碳层的成分连续变化，从而在中间层和碳层之间形成一个倾斜的层(复合层)，就能够使得这种DLC薄膜在由于摩擦磨损而产生的温度变化而造成的膨胀和收缩方面有较强的性能，且在机械强度方面更高。

如果复合层由Cr、W、Ti、Si、Ni、Mo、V、Al、Mn、Nb以及Fe中的两种或几种金属以及碳构成，由金属和碳形成的金属碳化物的脆度，要小于由金属和碳组成的复合层的脆度。也就是说，由于复合层的脆度可以控制的比较小，因此，即使加载有交变应力或剪切力的情况下DLC薄膜也很少破裂。在此，作为中间层的金属成分，没有作出特别的限制，只要钢质基材中元素或原子半径相同就可以，且可以将Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe作为中间层的金属元素。如果基材为不锈钢或轴承钢，采用Cr和Ni比较理想，且根据所含钢的成分不同，可以适当地选择Si、W、Co。

如果DLC薄膜采用不平衡磁控管溅射工艺(以下称之为“UBMS”工艺)形成，该工艺温度相对低到150-250℃，由于薄膜热处理而导致的残余奥氏体的分解可以得到控制，并且可以改善所形成的DLC薄膜的粘附性。

就DLC薄膜的厚度而言，如果金属层-复合层-碳层的整体厚度范围在0.2-5μm，这对滚动滑动件比较有用。

为了将基材表面内的残余奥氏体的体积百分比控制在6％或更低，可以通过在200℃的高温或200℃以上但在280℃以下的温度下对钢进行回火来实现。

而且，为了实现第六目的，根据本发明的第七方面，所提供的滚动滑动件包括：

基材；以及

位于基材表面上具有润滑特性的润滑层，

其中，润滑层具有类金刚石碳层和氟化合物层，该氟化合物层位于最上面的表面上，以及

其中类金刚石碳层包括一层金属层，该金属层由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的至少一种金属制成，一层由金属和碳制成的复合层，以及一层由碳制成的碳层。

而且，根据本发明第七方面的滚动滑动件可以这样形成，即复合层中的含碳比例从金属层侧向碳层侧逐渐增加。

此外，类金刚石碳的等效弹性模数可以设置为80-240Gpa。

此外，类金刚石碳可以采用不平衡磁控管溅射工艺形成。

上述类金刚石碳层在滑动性方面的性能非常优秀，且其硬度与金刚石相等。氟化合物层具有赋予润滑性能的优秀效果。因此，由于类金刚石碳层和氟化合物层的协同作用，使得旋转力矩和滑动阻力较小，即使在滚动件的表面进入边界润滑状态，由于不存在金属与金属之间的接触，也能防止产生磨损和腐蚀。

类金刚石碳层含有作为主要元素的碳，且可以含有作为其它材料的金属或非金属元素。通过微针入度计(由Fisher公司制造)测量得出其硬度为15Gpa或更高，其厚度最好为0.8-8μm，优选为1-5μm。

如果类金刚石碳层的硬度为15Gpa或更高，即使润滑层消失，使得类金刚石碳层和金属制成的相对元件彼此接触，类金刚石碳层也很少磨损。如果硬度小于15Gpa，其就会由于相对元件的研磨而磨损。

而且，如果类金刚石碳层的厚度超出上述范围，就会造成咬合和产生自毁。

通过薄膜成形工艺例如溅射工艺、等离子CVD工艺或离子喷镀工艺，采用烃基气体、烧结碳或石墨作为碳的等离子源或气流源，在金属表面形成类金刚石碳层。

类金刚石碳层包括三层，一层由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的至少一种或几种金属构成的金属层，一层由金属和碳构成的复合层，以及一层由碳构成的碳层，这三层从中心部分开始按金属层、复合层、碳层的顺序排列。

作为构成氟化合物层的一种物质，采用了一种含有全氟烷基团的化合物。

类金刚石碳层赋予了滚动件表面优良的滑动性，且滚动表面很少破裂，因此在边界润滑条件下能够避免金属与金属之间的直接接触，并且能防止咬合和磨损产生。由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的一种金属构成的金属层与作为基材的金属具有较高的亲和性，使得和基材之间的粘附性得到提高。

为了形成含有金属和碳的合成薄膜，如果金属(钛为最好)和碳的化学计量比可以通过薄膜成形工艺进行控制，那么等效弹性模数为80-240Gpa的表面的物理特性，可以通过与类金刚石碳层结合在一起获得。在该合成中得到控制的化合物层非常适于作为类金刚石碳层的复合层。

由于复合层由金属和碳制成，在薄膜成形时将象氮一样的气体元素引入与金属元素反应，就足以产生金属与气体元素的化合物。

上述等效弹性模数难以直接测量，因为该薄膜较薄，且该等效弹性模数采用杨氏比例来表示，该杨氏比例通过计算微针入度计的压头被插入时产生的凹坑的深度、以及弹性变形量而获得。由象钛一样的金属和碳构成的复合层的等效弹性模数的特性可以通过薄膜成形条件得到改变。例如，如果化合物层通过溅射工艺形成，那么钛化合物层的特性就可以通过改变待加工材料的温度、氮气的流通量或处理时间来改变。

复合层可以通过离子喷镀工艺或溅射工艺形成，且溅射工艺较为理想，因为表面物理特性可以通过钛层和碳层独立控制。

在不存在润滑剂的条件下，如果动摩擦系数为0.2或更小时，类金刚石碳层能够产生润滑作用，并且类金刚石碳层的硬度等于或大于上述复合层的硬度。

类金刚石碳层可以通过溅射工艺、离子喷镀工艺或CVD工艺形成，采用一种能够更多地降低表面上滑动阻力的工艺比较好。

对复合层和类金刚石碳层的厚度不必进行特别限定，但是为了延缓滚动件中疲劳破坏的进程，比较好的是使复合层的厚度为0.1-5μm，类金刚石碳层的厚度为0.8-8μm(最好为1-5μm)。

根据本发明的滚动装置包括一内部元件，该内部元件在其外表面上具有滚道表面；一外部元件，该外部元件在其内表面上具有与内部元件的滚道表面相对的滚道表面，且该外部元件位于该内部元件的外侧；以及一些滚动件，这些滚动件可转动地位于这两个滚道之间，其特征在于内部元件、外部元件以及滚动件中至少有一个元件将被作为第七方面中所提出的滚动滑动件。

为了实现第七目的，根据本发明的第八方面，所提供的滚动滑动件适于与相对元件产生滚动接触或滑动接触，该滚动滑动元件包括：

由钢制成的基材；

在与相对元件的接触表面上形成的类金刚石碳层，且该类金刚石碳层具有润滑特性，该类金刚石碳层包括：

一层由至少一种金属制成的金属层；

一层具有金属和碳的第一复合层；

一层由碳制成的碳层；

一层含有氟化合物和碳的第二复合层；以及

位于最上表面上的含氟复合层。

在此，Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe可用作金属层的金属元素，在这些元素中，可以根据基材的种类适当地选择两种或多种，优选的是Cr和W这两种。

构成类金刚石碳层(DLC层)的各层最好从表面侧向基材按照含氟复合层、第二复合层、碳层、第一复合层、金属层的顺序排列。

根据这样，DLC层布置在带有含氟化合物层的最上面表面上，由此能够形成这种优秀的DLC层，该DLC层具有较强的抗剪切性能，且极大地增加了润滑性能。此外，第一复合层和金属层夹在作为基材的钢材和碳层之间，使得具有优良润滑特性的DLC层和作为基材的钢材之间的粘附性比较高。

由此，能够形成具有润滑薄膜的DLC层以及最上面的润滑层，该润滑薄膜即使在有较大接触应力时也很少受到损坏，使得该DLC层可以适当地应用到构成这种承受有较大接触应力的装置(例如，滚动装置)的元件上。

而且，由于具有优秀的润滑性能，DLC层能够在无油条件下适当地起作用，且很少产生磨损或导致热量的产生，抗交变应力的能力较强，具有较长的寿命。

特别的是，如果第一复合层中的碳的比例从金属层一侧向碳层一侧逐渐增加，则DLC层和基材钢之间的粘附性能够变的更加优秀。如果第二复合层中的碳的比例从碳层一侧向含氟复合层一侧逐渐增加，则含氟复合层的粘附性能够变的更加优秀。

比较好的是，将类金刚石碳层的等效弹性模数设定为80-240Gpa。

由此，由于DLC的等效弹性模数小于基材钢的弹性模数，因此当作用有交变应力时DLC层能产生变形。结果，DLC层随着基材的变形而变形，且DLC层不易破裂。

如果DLC的等效弹性模数大于240Gpa，那么DLC薄膜的等效弹性模数就大于钢材，当作用交变应力时，DLC薄膜就难以随着基材的变形而变形，且易于导致DLC薄膜的破裂。另一方面，如果DLC的等效弹性模数小于80Gpa，那么DLC薄膜的硬度较低，易于产生磨损。

而且，采用不平衡磁控管工艺通过溅射方式形成DLC薄膜比较好。

UBMS装置上安装有一些将被用来进行溅射的目标物，由于各个目标物的溅射电源独立受控，由此，可以随意控制各个元件的溅射效率，该UBMS装置适于薄膜成形。

例如，在形成第一复合层和碳层的过程中，在降低金属目标物溅射源(DC源)的功率的同时，碳目标物的溅射源(DC源)的功率增加(此时，向滚动滑动件供给一个负偏压)。

在形成含氟化合物层和第二复合层的过程中，在降低碳目标物溅射源(DC源)的功率的同时，采用对氟化乙烯树脂作为赋予例如导电性的目标物可以增加溅射源(DC源)的功率(此时，向滚动滑动件供给一个负偏压)。

与CVD、等离子CVD、离子束成形工艺或离子化蒸汽沉积相比，这种物理薄膜成形工艺比较适于构成其上作用有较大接触应力的单元如滚动装置的部件。该工艺是用于在改变倾斜组份的同时制造多层结构的最合适的技术。

通过控制待处理材料的偏压，可以通过离子辅助效应控制薄膜的厚度，且弹性模数也可以得到控制。因此能够获得一种较低弹性和较大表面硬度的物理特性。

根据目标物的种类，还能够生产出具有最佳厚度、硬度以及弹性的功能复合层，该复合层由金属、碳以及润滑树脂制成。

附图说明

图1是将本发明应用到滚珠轴承上的第一实施例的视图；

图2是将本发明应用到滚柱轴承上的第二实施例的视图；

图3是用来对滚动轴承进行咬合测试的测试装置；

图4是形成于保持架外周表面上的DLC薄膜厚度和外环的温度之间的关系的图表；

图5是形成于保持架外周表面上的含氟树脂涂敷薄膜厚度和外环的温度之间的关系的图表；

图6是本发明的第三和第四实施例的推力疲劳试验机的示意图；

图7是DLC薄膜的等效弹性模数、塑性变形硬度以及疲劳强度之间关系的图表；

图8是压痕负载和压痕深度之间关系的图表；

图9是DLC薄膜硬度和碳、铬以及离子的比例之间关系的图表；

图10是复合层的比例和交变应力量之间关系的图表；

图11是用作进行轴承旋转测试的轴承的示意图；

图12是用作进行轴承旋转测试的轴承的示意图；

图13是DLC薄膜的剖视图；

图14是解释作为本发明的第五实施例的向心推力球轴承的剖视图；

图15是等效弹性模数、塑性变形硬度以及疲劳强度之间关系的图表；

图16是解释作为本发明的第六实施例的圆柱滚柱轴承的剖视图；

图17是对比例以及实例中主轴的旋转速度和外环上升温度之间关系的图表；

图18是对比实施例以及实例中主轴的旋转速度和外环上升温度之间关系的图表；

图19是对比例以及实例中主轴的旋转速度和外环上升温度之间关系的图表；

图20是对比例以及实例中主轴的旋转速度和外环的上升温度之间关系的图表；

图21是对比例以及实例中主轴的旋转速度和外环上升温度之间关系的图表；

图22是对比例以及该实例中主轴的旋转速度和外环上升温度之间关系的图表；

图23是作为本发明的滚动装置的一个实施例的止推滚珠轴承结构纵向剖视图；

图24是图23中的部件A的局部放大的剖视图；

图25是分析形成DLC层的元素的测试图表；

图26是用作复合层的金属种类和数目以及持续时间之间的相互关系的图表；

图27是DLC层的等效弹性模数和寿命之间的相互关系的图表；

图28是本发明的第八实施例的滚动轴承视图；

图29是覆有DLC的轴承的残余奥氏体量和耐久寿命之间的关系的图表；

图30是本发明第九实施例的深沟滚珠轴承的纵向剖视图；

图31是氟化合物的稀释率和旋转力矩之间的关系的图表；

图32A和32B所示的是解释不平衡溅射装置的示意图；

图33是形成有薄膜的滚珠的球形度和板的倾斜角之间关系的图表；

图34是解释在形成薄膜时用于旋转滚珠的旋转装置的结构示意图；

图35是形成有薄膜的滚珠的球形度和偏心率之间关系的图表；

图36是本发明第十实施例的深沟滚珠轴承的纵向剖视图；

图37是金属化合物的厚度和耐久时间之间的关系的图表；

图38是DLC层的厚度和耐久时间之间的关系的图表；

图39是DLC层的等效弹性模数和耐久时间之间的关系的图表；

图40是解释本发明的第十一实施例的如滚动装置的深沟滚珠轴承的纵向剖视图；

图41是图40中的X部分的局部放大剖视图；

图42是一种波动疲劳测试机的剖视图；

图43是一种推力轴承疲劳测试机的剖视图；

图44是DLC层的等效弹性模数与轴承的旋转的总转数(寿命)之间的关系的图表。

具体实施方式

下面将参考附图对实施本发明的实施例进行说明。

图1所示的是将本发明应用到滚珠轴承上的一个实施例，如该图中所示，所实施的滚珠轴承10包括：内环11，该内环安装在主轴上，由此支承该主轴；位于该内环11的外周面上的外环12；多个滚珠13，这些滚珠以其表面与外环12的内周表面和内环11的外周表面滚动接触；以及保持架14，该保持架沿着内环11和外环12的周边以均匀的间隔支承着这些滚珠。

在这些结构元件中，内环11、外环12、以及滚珠13由金属制成，例如轴承钢(线性热膨胀系数为：12.5×10-6/℃)或不锈钢(滚珠13可以由象氮化硅一样的陶瓷制成)，同时保持架14由象聚醚酮醚(PEEK)、聚苯撑硫(PPS)、热塑性聚酰亚胺树脂、苯酚树脂、聚酰胺或尼龙一样的耐热树脂制成。保持架14在外周表面上具有DLC薄膜15，该薄膜能减小滑动阻力。该DLC薄膜15通过例如等离子CVD(化学蒸汽沉积)、不平衡溅射工艺、真空弧光放电PVD(物理气相沉积)、离子束成形工艺、或离子化蒸汽沉积方式形成在外周表面上。其厚度为0.5-10μm，1-5μm比较好，1-3μm更好。此外，DLC薄膜15在20mN的压痕负载下的表面硬度为Hv800-3000，且摩擦系数小于0.2。

在这样构成的滚珠轴承10中，由于保持架14的外周表面上形成有DLC薄膜，因此相对于保持架14的外周表面上没有DLC薄膜的滚珠轴承，在外环12和保持架14之间的滑动部分上产生的滑动阻力(摩擦阻力)得到降低，即使在易于形成边界润滑的环境下滚珠轴承也能够起到适当的作用而不会造成咬合，且可以增加防咬合能力。

保持架14可以由象PEEK或PPS这样的耐热材料制成，比重要小于由例如轴承钢制成保持架的比重，该保持架14可以避免由于离心力造成的热损坏，同时由于保持架14的外周表面上形成有良好的DLC薄膜15，因此这种效果变得更显著。

顺便提一句，在上述实施例中，DLC薄膜15形成于保持架14的外周表面上以便增加防咬合性能，且也可以通过在外环12的内周表面上形成DLC薄膜15来获得相同的效果，而且，如果在保持架14的内周表面上或在内环11的外周表面上形成DLC薄膜，能够更进一步增加防咬合性能。形成DLC薄膜的位置并不限于保持架14的外周表面，还可以在保持架14的边缘表面、袋状表面上，或者在内周表面上。

在上述实施例中，保持架14由象PEEK或PPS这样的耐热材料制成，构成保持架的材料采用复合材料就足够了，该复合材料包括如PEEK一样的耐热树脂以及如玻璃纤维或碳纤维一样的加强纤维，如果采用这些复合材料就能够提高保持架的机械强度。此外，如果在由比重低于3的轻金属(如镁合金)制成的保持架14的外周表面上形成DLC薄膜15，那么也能获得象上述实施例一样相同的效果。

当在保持架14的外周表面上形成DLC薄膜时，可以在保持架14的外周表面和DLC薄膜15之间形成一层由Ti或Si制成的中间层。通过在保持架14的外周表面和DLC薄膜15之间形成由Ti或Si制成的中间层，就能够在保持架14的外周表面上形成理想的DLC薄膜15。

下面将参照图2对本发明的第二实施例进行解释。

图2所示的是将本发明应用到滚柱轴承上的一个实施例，如图中所示，实施的滚柱轴承20包括：内环21，该内环安装在主轴上，由此支承该主轴；位于该内环21的外周面上的外环22；多个滚柱23，这些滚柱以其表面与外环22的内周表面和内环21的外周表面接触；以及保持架24，该保持架沿着内环11和外环12的周边以均匀的间隔支承着这些滚珠。

在这些结构元件中，内环21、外环22、以及滚珠23由金属制成，例如轴承钢或不锈钢(滚珠23可以由象氮化硅一样的陶瓷制成)，同时保持架24由比重低于3的轻金属(如镁合金)制成。该保持架24在外周表面上具有象减小滑动阻力薄膜一样的含氟树脂涂敷薄膜25。该含氟树脂涂敷薄膜25通过这样形成，即在保持架24的外周表面上进行喷丸硬化表面预处理，随后在其上形成一层四氟乙烯(PTFE)和二硫化钼涂层，同时采用象聚酰胺-酰亚胺或环氧树脂一样的耐热树脂作为粘合剂，并在大约200-250℃的温度下对涂层进行加热，使得薄膜的厚度为2-30μm，最好为5-20μm。

在这样构成的滚柱轴承20中，由于保持架24的外周表面上形成有含氟树脂涂敷薄膜25，因此相对于保持架24的外周表面上没有含氟树脂涂敷薄膜的滚柱轴承，在外环22和保持架24之间的滑动部分上产生的滑动阻力(摩擦阻力)得到降低，即使在易于形成边界润滑的环境下滚柱轴承也能够起到适当的作用而不会造成咬合，且可以增加防咬合能力。

而且，由于保持架24由比重低于3的轻金属制成，其重量得到减轻，其在高速旋转时产生的离心力相对于由铸铁或铜合金制成的保持架也能得到减小。

顺便提一句，在上述实施例中，含氟树脂涂敷薄膜25形成于保持架24的外周表面上以便增加防咬合性能，也可以通过在外环22的内周表面上形成含氟树脂涂敷薄膜25来获得相同的效果，而且，如果在保持架24的内周表面上或在内环21的外周表面上形成含氟树脂涂敷薄膜25，能够更进一步增加防咬合性能。形成含氟树脂涂敷薄膜25的位置并不限于保持架24的外周表面，还可以在保持架24的边缘表面、袋状表面上，或者还可以在其内周表面上。

在上述实施例中，保持架24由比重低于3的轻金属制成，也可以由象PEEK或PPS这样的耐热树脂制成。当在保持架24的外周表面上形成含氟树脂涂敷薄膜25时，在保持架24的外周表面和含氟树脂涂敷薄膜25之间喷涂一层象Ag或Sn一样的金属固体润滑剂层。通过在保持架24的外周表面和含氟树脂涂敷薄膜25之间形成一层象Ag或Sn一样的金属固体润滑剂层，就能够进一步增加防咬合性能。

在图1所示的滚珠轴承中，针对是否在保持架14的外周表面上形成有DLC薄膜这种减小滑动阻力薄膜情况下的防咬合性能，采用图3中的测试机在内径为65mm外径为120mm宽度为23mm的向心推力球轴承上进行测试，测试结果列在表1和2中。表1表示的是在以下条件下测试所得的结果：油气润滑(0.08cc/12min，锭子油)，常压预加负载：147N，以及转速：15000rpm；而表2表示的是在以下条件下测试所得的结果：油脂润滑(Isoflex NBU15)，常压以及预加负载：196N，以及转速：12000rpm。图3中的标记31指的是作为测试样品的向心推力球轴承，标记32为转轴，33为皮带轮，而34为热电偶。

表1

	保持架质地	工艺	薄膜厚度(μm)	15000rpm下温度上升引起的Δd(℃)	转速极限(rpm)	保持架磨损破裂程度
							例1	PEEK	DLC	1	31	18000	部分磨损
例2	镁合金	DLC	3	25	19500	无
							例3	PEEK	含氟树脂	10	26	19000	部分磨损
例4	镁合金	含氟树脂	15	28	17500	无
							对比例1	PEEK	无	-	34	16000	破裂
对比例2	镁合金	无	-	36	16500	破裂

表2

	保持架质地	工艺	薄膜厚度(μm)	12000rpm下温度上升引起的Δd(℃)	转速极限(rpm)	保持架磨损破裂程度
							例1	PEEK	DLC	1	25	16000	部分磨损
例2	镁合金	DLC	3	23	17500	无
							例3	PEEK	含氟树脂	10	22	16000	部分磨损
例4	镁合金	含氟树脂	15	25	15500	部分磨损
							对比例1	PEEK	无	-	30	14000	破裂
对比例2	镁合金	无	-	34	12500	破裂

在表1和2中，例1采用滚珠轴承其保持架14的外周表面上形成有1μm厚的DLC薄膜，该保持架由聚醚酮醚(PEEK)制成。在PEEK中合成有30％的碳纤维以便提高保持架的强度。保持架的外周表面是必不可少的位置，由于该实施例没有采用掩饰处理，DLC薄膜形成在边缘表面、袋状表面、或者内周表面上。该DLC薄膜采用高真空电弧放电PVD装置形成，该装置由DIARC公司(芬兰)制造。薄膜形成工艺并没有进行特殊限制，且可以根据不同情况，采用例如一种能够在绝缘材料上形成DLC薄膜的带有脉冲源的热阴极等离子CVD装置。在这些通过高真空电弧放电PVD装置形成有DLC薄膜的例子中，采用针入计施以20mN的压痕负载进行测量所得的表面硬度为2600Hv，而在热阴极等离子CVD装置情况下表面硬度为2200Hv。

在该实例中，内环、外环、滚动件都由轴承钢制成，也可以采用如SUS440C的不锈钢来制造内环和外环，采用如氮化硅的陶瓷来制造滚动件。

例2所采用滚珠轴承在其由镁合金制成的保持架14的外周表面上采用等离子CVD形成有3μm厚的DLC薄膜。通过PVD工艺形成有一层大约0.4μm厚的Ti和Si中间层，且采用离子气体将甲烷气体变成一种等离子体而进行化学蒸汽沉积。通过针入计进行测量所得的表面硬度为2100Hv。

例3所采用的滚珠轴承在其由PEEK制成的保持架14的外周表面上形成有10μm厚的含氟树脂涂敷薄膜。通过喷丸硬化工艺预先对PEEK保持架14的表面进行粗糙化处理，加热到70℃，并在均匀旋转保持架的同时通过喷枪在保持架14的外周表面上形成一层如聚酰胺-酰亚胺粘合剂的氟化乙烯涂敷薄膜，并在220℃下加热1小时以便形成10μm厚的烧结薄膜。

例4所采用的滚珠轴承在其由镁合金制成的保持架14的外周表面上形成有15μm厚的含氟树脂涂敷薄膜。通过喷丸硬化工艺预先对镁合金保持架14的表面进行粗糙化处理，加热到70℃，并在均匀旋转保持架的同时，采用喷枪通过使聚酰胺-酰亚胺做成粘合剂在保持架的外周表面上形成一层氟化乙烯涂敷薄膜，并在220℃下加热1.5小时以便形成15μm厚的烧结薄膜。

对比例1是一种通常的滚珠轴承的例子，其中保持架14由PEEK制成，而对比例2是一种通常的滚珠轴承的例子，其中保持架14由镁合金制成。

如表1和2中所示，将在保持架14的外周表面上形成有减小滑动阻力DLC薄膜的情况(例1-4)，和没有形成减小滑动阻力薄膜情况(对比例1和2)进行比较，外环12的温度没有上升那么多。与对比例1和2相比，造成咬合的极限旋转速度上升了大约10-20％。因此，与在其上没有形成DLC薄膜情况相比，由于在保持架14的外周表面上形成有减小滑动阻力薄膜的DLC薄膜，轴承的旋转速度极限会上升，因此可以试图提高防咬合性能。

在图2所示的滚柱轴承中，针对是否在保持架24的外周表面上形成有DLC薄膜这种减小滑动阻力薄膜情况下的防咬合性能，采用标记为N1014的圆柱滚柱轴承(内径为70mm外径为110mm宽度为20mm)进行测试。测试结果列在表3和4中。对图3中的测试机进行重新改造以便适于高速旋转。表3表示的是在以下条件下测试所得的结果：油气润滑(0.08cc/12min，锭子油)，常压预加负载：147N，以及转速：25000rpm；而表4表示的是在以下条件下测试所得的结果：油脂润滑(Isoflex NBU15)，常压预加负载：196N，以及转速：15000rpm。

表3

	保持架质地	工艺	润滑剂	薄膜厚度(μm)	温度上升引起的Δd(℃)
						例5	PEEK	DLC	油气	1	29
例6	镁合金	DLC	油气	3	27
						例7	PEEK	含氟树脂	油气	10	26
例8	镁合金	含氟树脂	油气	15	26
						对比例3	PEEK	无	油气	-	34
对比例4	镁合金	无	油气	-	不可能转动

表4

	保持架质地	工艺	润滑剂	薄膜厚度(μm)	温度上升引起的Δd(℃)
						例5	PEEK	DLC	油脂	1	34
例6	镁合金	DLC	油脂	3	30
						例7	PEEK	含氟树脂	油脂	10	29
例8	镁合金	含氟树脂	油脂	15	33
						对比例3	PEEK	无	油脂	-	36
对比例4	镁合金	无	油脂	-	40

在表3和4中，例5所采用的滚柱轴承其保持架24的外周表面上形成有1μm厚的DLC薄膜，该保持架由聚醚酮醚(PEEK)制成。例6所采用的滚柱轴承其保持架24的外周表面上形成有3μm厚的DLC薄膜，该保持架由镁合金制成。例7所采用滚柱轴承在其由PEEK制成的保持架24的外周表面上形成有10μm厚的含氟树脂涂敷薄膜。例8所采用的滚柱轴承在其由镁合金制成的保持架24的外周表面上形成有15μm厚的含氟树脂涂敷薄膜。对比例3是一种通常的滚柱轴承的例子，其中保持架24由PEEK制成，而对比例4是一种通常的滚柱轴承的例子，其中保持架24由镁合金制成。

如表3和4所示，将在保持架24的外周表面上形成有减小滑动阻力薄膜的DLC薄膜的情况(例5-8)，和其上没有形成减小滑动阻力薄膜情况(对比例3和4)进行比较，外环22的温度没有上升那么多。与对比例3和4相比，造成咬合的极限旋转速度上升了大约10-20％。因此，与在其上没有形成DLC薄膜情况相比，由于在保持架24的外周表面上形成有减小滑动阻力薄膜的DLC薄膜，轴承的旋转速度极限会上升，因此可以试图提高防咬合性能。

图4所示的是在改变形成于例2中的保持架外周表面上的DLC薄膜厚度的同时，薄膜厚度和外环的上升温度之间的关系的图表。如该图中所示，如果DLC薄膜的厚度大于10μm，其内应力就会增加并产生自我损坏，且外环的温度会迅速上升。如果其厚度小于0.5μm，那么保持架的金属表面就会部分暴露出来，使得DLC薄膜在边界润滑条件下的减小滑动阻力的功能下降，且外环的温度会迅速上升。因此形成于保持架外周表面上的DLC薄膜的厚度位于0.5-10μm的范围内比较理想，最好为1-5μm。从薄膜形成的时间或气压的控制方面看，该厚度为1-3μm比较理想。

图5所示的是在改变形成于例3中的保持架外周表面上的含氟树脂涂敷薄膜厚度的同时，薄膜厚度和外环的上升温度之间的关系的图表。如该图中所示，如果含氟树脂涂敷薄膜的厚度薄于2μm，就会使得含氟树脂涂敷薄膜的减小滑动阻力的功能显著下降，且外环的温度会迅速上升。如果其厚度厚于30μm，那么提高性能的效果就会较小，且在薄膜厚度方面易于产生不均匀性。因此，形成于保持架外周表面上的含氟树脂涂敷薄膜的厚度位于2-30μm的范围内比较理想，最好为5-20μm。

按照上面的解释，本发明的第一和第二实施例的滚动轴承在其保持架外周表面上或在其外环的内周表面上，和/或在其保持架内周表面上或在其内环的外周表面上，形成有减小滑动阻力的薄膜，由此在其外环和保持架之间和/或内环和保持架之间的滑动部分处产生的滑动阻力，由于存在减小滑动阻力的薄膜而得到降低，因此能避免由于摩擦热而产生的咬合，且滚动轴承能够起到适当的作用且即使在易于产生边界润滑的环境下也不会造成咬合。

下面，将参考图6-13给出第三实施例的说明。

首先，参考图6中所示的推力疲劳试验机，对DLC薄膜的滚动疲劳强度的评估结果进行解释。

推力疲劳试验机具有：SUJ2制成的止推轴承101-a，该轴承内径为30mm，外径为62mm，厚度为7mm，且滚道表面的弯曲部分为滚动件直径的52％；SUJ2制成的滚动件101-b，该滚动件有11个；钢质保持架101-c，该保持架沿着周向以均匀的间隔承载着上述滚动件101-b；以及SUJ2制成的测试件101-d，该测试件能够通过滚动件加载应力。

平板测试件(基材)101-d其表面上以下述方式形成有总厚度量为0.3-5.2μm的DLC薄膜。

即，采用由Kobe钢铁工程有限公司(Kobe Steel Works，Ltd.)生产的不平衡磁控管溅射装置(unbalanced magnetron sputtering apparatuss)504(以下称之为“UBMS”)，对平板测试件101-d进行冲洗以便去掉含油量，接着通过氩等离子溅射工艺进行15分钟的轰击处理，然后在平板测试件101-d的表面上采用铬目标物制成的含有铬成分的中间层。

随后，碳目标物的溅射效率得到增加，同时向平板测试件101-d输送一个负偏压，该碳层形成为第二层，而DLC薄膜形成于平板测试件101-d的表面上。

DLC薄膜的等效弹性模数通过控制输送给平板测试件101-d上的偏压，或控制待引入的气体的分压力就能很容易地得到改变，且DLC薄膜的厚度可以通过控制溅射时间进行精确地控制。

顺带说一句，此时，如果控制待引入的气体(Ar、H2或如CH4的烃基气体)的分压力的种类或比例，DLC薄膜的等效弹性模数和滑动阻力能够得到进一步控制，因此就能够通过引入一种混合气体或单纯气体形成一种满足某种目的的薄膜组合物。

就通过上述薄膜成形工艺制成的一些平板测试件101-d而言，每个DLC薄膜的等效弹性模数和塑性变形硬度都可以测出，且DLC薄膜的抵抗交变应力的破裂强度，可以采用图6中所示的推力测试机对每个平板测试件101-d进行评估。图7所示的是DLC薄膜的等效弹性模数、塑性变形硬度以及破裂强度之间关系的图表。该破裂强度是在加载有2Gpa的Hertz接触应力的条件下在交变应力的次数达到109这一时刻时，以DLC薄膜是否存在剥离来进行评估的。测试条件为旋转速度6000rpm、接触应力2Gpa以及矿物油润滑。

从图7中可以清楚地看出，DLC薄膜的塑性变形硬度为8-37Gpa，要比基材的硬度硬，DLC薄膜的等效弹性模数为80-240Gpa，要比基材的小，因此能获得较高的破裂强度。因此，如果在轴承的内环、外环以及滚动件中的其中一个的基材上形成这种结构的DLC薄膜，就能够提供一种能够确保DLC薄膜的优良的润滑特性，持续较长的一段时间而不会在用于较大应力时使得DLC薄膜剥离。

如果DLC薄膜的塑性变形硬度小于8Gpa，则磨损就会变大，如果DLC薄膜的塑性变形硬度超过37Gpa，就会出现脆性断裂。如果DLC薄膜的等效弹性模数小于80Gpa，DLC薄膜的表面硬度就会下降且抵抗较大接触应力的磨损也就易于上升，如果DLC薄膜的等效弹性模数超过240Gpa时，DLC薄膜的等效弹性模数就会变得大于基材(钢材)的等效弹性模数，并且由于钢材会先于DLC薄膜随着较大的接触应力变形，因此就会产生DLC薄膜由于受到交变应力而破裂的问题。

DLC薄膜的塑性变形硬度和等效弹性模数可以采用由ELIONIX公司制造的微针入计来进行测量，等效弹性模数是在压痕为20mN的条件下根据加载-卸载曲线得出的(参照图8)。当所测量薄膜的厚度小于1μm时，那么将压痕负载适当地设置为0.4-20mN，并且将压痕深度设定为至少在DLC薄膜的厚度之内是比较理想的。

而且，当薄膜的厚度为2μm时，可将压痕负载适当地设置为0.4-50mN进行测量。在下面的实施例，采用50mN的压痕负载进行测量。

另一种测量等效弹性模数的方法采用了由Fisher公司制造的微针入计。该方法没有采用一种(微)Vichers针入计，但是比较好的是采用一种能够利用一种电容方式进行控制的微针入计或毫微压头。接着，将压痕深度设定在DLC薄膜的厚度之内是必要的，并且同样采用微针入计或毫微压头也对等效弹性模数进行测量，以便根据加载-卸载曲线的弹性变形量得出等效弹性模数。

顺便提一句，如果通过上述方法来获得HRC60的碳铬钢(SUJ2)的表面上的等效弹性模数，那么所获得的250Gpa要大于通常在手册或类似物中介绍的210Gpa。这就是为什么上述方法由于要在微小的压入范围内进行测量而对SUJ2的表面内的工作硬化层有影响。

下面将对本发明的第四实施例进行阐述。

该实施例的滚动滑动件是一个适于在由于摩擦磨损而附带有温度变化的环境下起作用的实例，且该实例在中间层和碳层之间没有交界面，形成一个复合层(倾斜层)，该复合层的成分从中间层向碳层连续改变，从而提高与基材的粘附性，将DLC薄膜的塑性变形硬度设定为8-37Gpa。

下面将进行详细的阐述。和第三实施例一样采用平板测试件101-d作为测试件，且DLC薄膜形成于平板测试件101-d的表面上。

在平板测试件101-d的表面上形成DLC薄膜之前，采用Ar气在平板测试件101-d的表面上进行轰击处理，且中间层是在原子量级的水平上与平板测试件101-d的构成元素一起形成的一层混合层。

在UBMS装置上安装有一些目标物，中间层Cr目标物以及碳层C目标物的溅射电源都独立进行控制，由此可以连续降低形成中间层的Cr的溅射效率，同时增加C目标物的溅射效率，因此Cr和C的复合层形成于中间层和碳层之间(见图13)。目标物的溅射电源是DC电源，平板测试件101-d上供应有偏压。该复合层是一层其C与Cr的组成比例连续变化的倾斜层。

在形成中间层后，在降低中间层的目标物的电源功率的同时，C目标物的DC溅射器的功率同步上升。在向平板测试件101-d输送偏压的同时，通过计算机控制来进行这些操作，并且能够在中间层和碳层之间形成为C和Cr倾斜层的复合层。通过控制作为目标物的溅射电源的DC电源，可以连续地改变Ar离子的溅射效率。

该复合层的厚度可以采用X射线光电子频谱分析仪(以下称之为“XPS”)测出。

这就意味着，X射线辐射到测试样本的表面上，以便通过分析从样本的最外表面(大约几埃)发出的光电子的能量，来获取测试样本的表面上的一些元素的信息(质量上的和确定性的)以及一种组合条件，并在采用一种高速氩离子枪溅射样本的表面时进一步测量样本的表面，由此就能分析该元素在深度方向上(即在样本的表面下)的分布状况。

图9所示的是DLC薄膜硬度和碳、铬以及离子的比例之间关系的图表。采用UBMS装置形成的DLC薄膜复合层的厚度可以通过采用XPS获取样本的深度断面轮廓来进行测量，以元素比例方式显示DLC薄膜中C、Cr以及离子的光电子强度方面的变化，以便辨识出复合层，并根据因此而获得的蚀刻速度30nm/min和一个时间来计算复合层的厚度。

通过上述薄膜成形工艺，平板测试件101-d在表面上形成有DLC薄膜，该薄膜在中间层和碳层之间具有复合层(倾斜层)，且DLC薄膜的强度可以通过向其上施加交变应力来进行评估。测试方式采用一个加热器从一壳体向DLC薄膜施加60-180℃的加热循环，并且该测试方法是采用交变应力的次数来对DLC薄膜进行评估，该交变应力的次数是在对具有不同线性热膨胀系数的涂敷层施加加热循环条件下进行记数，直到DLC薄膜破裂为止。就交变应力的次数而言，可以在壳体上设置一个振动传感器，可以检测到振动的增加，当DLC薄膜破裂时就使马达停下来，并根据停止的时间和转数就能计算出交变应力的次数。

图10所示的是复合层(倾斜层)与DLC薄膜的比例和交变应力次数之间的关系。在此，复合层对DLC薄膜的比例表示图9中的复合层的厚度A与DLC薄膜的总厚度B之间的比例A/B。

如图10所示，复合层的比例A/B为0.01-0.95，尤其是在0.05-0.2时比较好。因此，如果在轴承的内环、外环以及滚动件中的其中一个的基材上形成这种结构的DLC薄膜，就能够确保DLC薄膜的优良的润滑特性，即使在由于摩擦磨损而附带有温度变化的环境下和用于较大应力时，也能持续较长的一段时间而不会剥离。

顺带一句，如果比例A/B小于0.01，复合层起的作用就很少，使得所给定加热循环的持续时间就会下降，同时，如果比例A/B大于0.95，那么DLC薄膜的滑动特性就会反而变坏，且摩擦系数也会上升，从而易于加快DLC薄膜自身磨损的进程。

而且如果DLC薄膜的等效弹性模数设定在80-240Gpa范围之内，那么机械强度就能得到进一步提高。

对第三和第四实施例的实际滚动轴承进行旋转测试，以便评估轴承温度上升情况和DLC薄膜的剥离情况。

图11所示的是一个深沟滚珠轴承，该轴承的内径为30mm，外径为62mm，该轴承包括外环106-a、内环106-b、滚动件106-c以及保持架106-d，由高碳铬钢制成。在制造例9时，其中对轴承的内环106-b的滚道表面采用UBMS装置进行了DLC处理(具有倾斜层)，对比例9A中的轴承的内环106-b的滚道表面上没有进行DLC处理，对比例9B中的轴承的内环106-b的滚道表面上采用等离子CVD进行了DLC处理，至于这些各个例子而言，可以在如下条件下测量出由于热量的产生而导致的温度的上升，即轴向负载：2.5kN，转数：12000rpm，并进行油脂润滑。该结果列于表5中。

至于温度，在轴承的外环上安装有热电偶，且在24小时后，在处于较高温度的室内可以测量到稳定的温度。至于等离子CVD，采用离子喷度方式在中间层镀上一层Cr，通过高频电源采用原材料甲烷气体在中间层上形成等离子体，并且在向内环106-b供应偏压的同时由甲烷气体形成DLC薄膜。因此，在对比例9B中，在中间层和碳层之间存在交界面。

表5

正如表5中所清楚显示的那样，例9满足了本发明的两个实施例，其塑性变形硬度为14Gpa，等效弹性模数为130Gpa，且在中间层和碳层之间有复合层(倾斜层)。因此，由于DLC薄膜的摩擦系数小于钢质基材的摩擦系数，所以即使在和现有例子一样的边界润滑条件下其产生的热量也较小，且外环温度上升的幅度也较低。此外，由于DLC薄膜的等效弹性模数要小于钢质基材的值，所以DLC薄膜易于随着应力而变形，从而不会产生剥离现象。此外，由于倾斜复合物形成象中间层和碳层之间的复合层，因此DLC薄膜的强度即使由于热量的产生而加载有热循环时也会较高。

对比例9A是一个没有进行DLC处理的轴承，因此在边界润滑条件下会出现金属与金属之间的直接接触，并且在滚动件和滚道表面之间会产生大量的热量。

对比例9B的DLC薄膜等效弹性模数要大于钢材的值，因此DLC薄膜会由于存在应力而容易剥离，并且由于其中间层和碳层之间没有倾斜层，DLC薄膜的强度就极度脆弱。因此，DLC薄膜会在运转的初始阶段就会剥离，并且外环温度上升的幅度几乎等于那些没有经过处理的轴承，且不能达到DLC薄膜的预期润滑效果。

图12所示的是一个向心接触球轴承，该轴承的内径为65mm，外径为100mm，该轴承包括由高碳铬钢制成的外环107-a和内环107-b、由氮化硅制成的滚动件107-c以及由高碳铬钢制成的保持架107-d。在制造例10A时，其中对轴承的内环107-b采用UBMS装置进行了DLC处理，使得其等效弹性模数为170Gpa，对比例10B中的轴承的内环107-b进行DLC处理，以便在中间层和碳层之间形成倾斜层，对比例10中的轴承的内环107-b采用离子喷度进行了DLC处理，至于这些各个例子而言，可以测量出在如下条件下外环中温度上升的幅度，即作用在表面上的压力：2.2Gpa，每分钟的转数：32000rpm，并进行油气(VG22)润滑。该结果列于表6中。

至于温度，在轴承的外环上安装有热电偶，且在48小时后，在处于较高温度的室内可以测量到稳定的温度。至于离子喷镀，在中间层镀上一层钨，并且在向内环107-d供应偏压的同时，利用弧光放电采用原材料石墨在内环107-d的滚道表面上形成DLC薄膜。

表6

正如表6中所清楚显示的那样，在例10A中，尽管中间层的组合是单层的，但是，DLC薄膜的等效弹性模数为210Gpa，要小于钢材，且塑性变形硬度为20Gpa，要大于钢材，因此，在轴承旋转时DLC薄膜不会剥离。在例10B中，尽管DLC薄膜的等效弹性模数为245Gpa，要大于钢材的230Gpa(图8中的毫微针入计的测量值；压痕负载为20mN)，但是由于中间层和碳层之间的复合层是倾斜的，因此DLC薄膜不会剥离。因此，轴承受到的热量很小，且外环的温度上升幅度较小。

在对比例10中，由于DLC薄膜的等效弹性模数为245Gpa，要大于钢材的230Gpa(图8中的毫微针入计的测量值；压痕负载为20mN)，且中间层的组合是单层的，DLC薄膜会产生剥离，且轴承产生的热量较大。

等效弹性模数小于基材的等效弹性模数的DLC薄膜，对于象轴承这种具有较大接触应力的机械部件都有较高的疲劳强度，因此本发明的滚动滑动件在象边界润滑一样的面对面接触的条件下，在要求产生较低热量、抗咬合以及防磨损方面具有非常好的效果。

如上所述，根据本发明的第三和第四实施例，所获得的效果使得DLC薄膜即使在用于较大接触应力情况下也不会剥离，并确保DLC薄膜的这种优良的润滑特性。

下面将参照图14-22对本发明的第五和第六实施例进行说明。

首先，参照图14对象本发明的第五实施例一样的向心推力球轴承(用于高速旋转的滚柱轴承)进行阐述。该向心推力球轴承210是这样的，即有多个陶瓷制成的滚珠(滚动件)213，借助于保持架214位于内环211和外环212之间，该内环211和外环212由钢材制成，内环211安装在旋转轴215上。DLC薄膜形成在内环211的滚道表面和外环212的滚道表面上。保持架214为外环导向型。

如图13所示，DLC薄膜还可以在中间层和含有如Cr、W、Ti、Si的金属元素的碳层之间不形成交界面，并在其间形成组成成分从中间层向碳层连续变化的复合层(倾斜层)。而且，DLC薄膜的塑性变形硬度设定为8-35Gpa。

形成DLC薄膜的工艺包括不平衡溅射工艺或等离子CVD，举例来说，采用由科比钢铁工程有限公司(Kobe Steel Works，Ltd.)生产的不平衡磁控管溅射装置(UBMS504)，或由Shinko Seiki有限公司制造的热电极等离子CVD装置来形成DLC薄膜比较好。

图15所示的是DLC薄膜的等效弹性模数、塑性变形硬度以及疲劳强度之间关系的图表。该疲劳强度是采用止推耐久试验机(未示出)在加载有2Gpa的Hertz接触应力的条件下，在交变应力的次数达到10⁹时，以DLC薄膜是否存在剥离来进行评估的。测试条件是8000min-1的转数以及采用油脂润滑。

从图15中可以清楚地看出，DLC薄膜的塑性变形硬度为8-35Gpa，高于基材的塑性变形硬度；DLC薄膜的等效弹性模数最好为80-280Gpa，要小于基材的等效弹性模数，以便获得较高的疲劳强度。

如果DLC薄膜的塑性变形硬度小于8Gpa，则磨损就会变大，如果DLC薄膜的塑性变形硬度超过35Gpa，就会出现脆性断裂。如果DLC薄膜的等效弹性模数小于100Gpa，DLC薄膜的表面硬度就会下降且抵抗较大接触应力的磨损也就易于上升，如果DLC薄膜的等效弹性模数超过280Gpa时，DLC薄膜的等效弹性模数就会变得大于基材(钢材)的等效弹性模数，并且由于钢材会先于DLC薄膜随着较大的接触应力而变形，因此就产生DLC薄膜由于受到交变应力而破裂的问题。

塑性变形硬度(H)与等效弹性模数(E)的比例(H/E)在0.08-0.16之间比较好，且复合层为DLC薄膜的总厚度的1-99％(5-50％更好)，DLC薄膜的最外表面的碳元素的含量为100％。

在第五实施例中，碳元素、铬元素以及离子的比例之间的关系以及DLC薄膜厚度，与图9中所示的第四实施的情况相同。

DLC薄膜的厚度在0.1-5μm比较好，最好为0.5-3μm。如果厚度小于0.1μm，基材表面会大量地暴露出来，且DLC薄膜的特性就降低，结果滑动特性和防磨损的改进效果比较小。另一方面，如果厚度大于5μm，则薄膜内的应力变大，以至于损坏与基材之间的粘附性。

作为其上形成有DLC薄膜的基材的滚道表面的金属材料，也就是说，作为轴承钢，比较合适的是，其中要存在一种材料，该材料形成有次级硬化沉淀的共晶碳化物(例如，高速钢，半高速钢或马氏体基不锈钢)；一种通过构成元素得到提高回火稳定性以便稳定尺寸的材料(等同于高碳铬钢的材料)。前者包括例如SKD、SKH、SUS440，而后者不仅包括耐热的特殊轴承钢，这种钢含有例如Si：0.7-1.5wt％、Cr：0.5-2.0wt％、Mo：0.5-2.0wt％，还包括例如M50、M50NIL材料。

可以在用一种通用轴承钢(SUJ2)作为滚道表面的金属材料，在这种情况下，回火温度确定为120-400℃，但是在180-330℃比较好，在180-260℃之间更好。如果回火温度低于120℃，则轴承就会在DLC薄膜的形成温度(120-130℃)下变形；如果回火温度高于400℃，则会显著地降低表面硬度。因此，为了使得轴承不在DLC薄膜的形成温度(120-130℃)下变形并且使得其表面硬度为HRC50或更硬，使得回火温度落在上述温度范围比较好。

作为将要在其上形成DLC薄膜的基材的表面预处理，合适的是在氮化处理、气体氮化、离子氮化或离子注入技术之中，适当地控制氮的含量是比较理想的。例如，氮化层的厚度在0.1-60μm之间比较理想，如同一个扩散层，氮的密度为0.1-0.8％比较好，如果其密度小于0.1％，则表面部分的滑动性能较短(short)，而另一方面，如果密度大于0.8％，则氮在表面的密度较高，基材与反应所得的沉淀之间的粘附性就变坏。

上述结构的DLC薄膜为什么有用的原因是，因为DLC薄膜的表面硬度与象氮化硅这样的用到滚动件中的陶瓷的表面硬度相等，DLC薄膜的防咬合性能和防磨损性能，比轴承环的基材更为优秀，且该DLC薄膜具有优良的润滑特性、较低的摩擦系数以及较高的疲劳强度。而且通过在要求力矩特性较低和发热性能较低的滚动轴承上形成DLC薄膜，这些性能都得到提高。

在具有内外轴承环且该轴承环上形成有DLC薄膜的向心推力球轴承，安装到机床的主轴上，在象油脂润滑、油气润滑、油雾润滑一样的微油润滑或者在直接进行喷射的微油润滑条件下使用该轴承，降低润滑剂的抗剪切度或抗搅动性能并实现低力矩和低发热量时，尽管油膜会在滚珠和滚道表面之间的接触部分处破裂，且滚珠和滚道表面彼此接触，但是能够通过DLC薄膜自身所导致的较低力矩和较低的发热量，有利地避免象咬合或磨损这种损坏的发生，并提高防咬合和抗磨损效果。

顺带一句，上述实施例采用的是在内外环211、212的滚道表面上形成DLC薄膜的例子，但是如果有必要，在内环211的外径表面的整个表面上、在外环212的内径表面的整个表面上，或者在内环211和外环212的其中一个上形成DLC薄膜就足够了。

此外，在内环211的整个表面上、在外环212的整个表面上或者保持架214上形成DLC薄膜也足够了。此外，在钢材制成的滚动件213的整个表面上形成有DLC薄膜。

该实施例采用了向心推力球轴承作为用于高速旋转的滚动轴承，除此之外，可以将图16所示的圆柱滚柱轴承用于本发明。

该圆柱滚珠轴承(用于高速旋转的滚动轴承)220是这样的，即有多个滚柱(滚动件)223借助于保持架224位于内环221和外环222之间，该内环221和外环222由钢材制成，内环221安装在旋转轴(未示出)上。DLC薄膜形成于位于内环221外径表面上的滚道表面上、在环225边缘上、和位于外环222内径表面上的滚道表面上、保持架的引导表面以及在滚柱223的整个表面上，和保持架224的外径表面上。保持架224为外环导向型。

在将这种结构的圆柱滚柱轴承安装到机床的主轴上，在象油脂润滑、油气润滑、油雾润滑一样的微油润滑条件下或者在直接进行喷射的微油润滑条件下使用该轴承，降低润滑剂的抗剪切度或抗搅动性能，并实现低力矩和低发热量，尽管油膜会在滚柱和环225的边缘之间的接触部分、在保持架224和外环222的引导表面之间的接触部分、以及在滚柱223和滚道表面等处破裂，使得保持架224直接与滚道环接触，但是能够通过DLC薄膜自身所导致的较低力矩和较低的发热量，而有利地避免象咬合或磨损这种损坏的发生，并和上述实施例一样提高防咬合和抗磨损效果。其它结构和工作效果几乎相同，因此将其解释省掉。

图17-19所示的是试验结果，其中采用图3所示的试验机测量出向心推力球轴承在油气润滑条件下的温度上升幅度(在外环中温度的上升幅度)和咬合极限，以便证实本发明的效果。表7所示的是该测试中所用的样本(轴承的描述)。温度上升的幅度与整个向心推力球轴承中所产生的热量一致。

该试验采用一些向心推力球轴承作为样本，该轴承包括：由SUJ2制成的内径为100mm的内环，由SUJ2制成的外径为160mm的外环，以及由Si3N4制成的陶瓷滚动件(节圆直径为132.5mm)。保持架为外环导向型。

在图17-19所示的试验中，施加在向心推力球轴承上的轴向负载为1470N，采用以VG22油作为润滑剂的油气润滑作为该向心推力球轴承的润滑方式。VG22为JIS(日本工业标准)K2211所定义的一种润滑剂。在图17-19中的纵坐标轴上的外环的温度上升幅度值，表示通过安装在外环的外径表面上的热电偶34，根据外环中温度上升情况(外环中的温度-外部空气的温度)测量出的外环温度的结果。至于润滑条件，本发明的产品(实例)和普通产品(对比例)在试验中经受了三种，即0.1cc/小时(图17)、0.675cc/小时(图18)以及5.4cc/小时(图19)。

在图17-19的例N1中，仅仅在向心推力球轴承的内环滚道表面上采用Kobe Steel Works有限公司制造的UBMS装置形成有DLC薄膜。

在图17-19的例O1中，在向心推力球轴承的内环滚道表面和外环滚道表面上采用Kobe Steel Works有限公司制造的UBMS装置形成有DLC薄膜。

在图17-19的例P1中，仅仅在向心推力球轴承的内环滚道表面上采用Shinko Seiki有限公司制造的PIG系统薄膜成形装置形成有DLC薄膜。

在图17-19的例Q1中，在向心推力球轴承的内环滚道表面和外环滚道表面上采用Shinko Seiki有限公司制造的PIG系统薄膜成形装置形成有DLC薄膜。

在图17-19中的对比例A1为形成有DLC薄膜普通向心推力球轴承。

正如在图17-19中所看到的那样，实例N1、O1、P1以及Q1显示出基本相等的性能，与对比例A1相比在温度上升幅度(外环中的温度)方面较低而咬合极限方面较高。因此，本发明的产品明显对向心推力球轴承的高速和温度的缓慢上升有用。实例和对比例之间的差别在DmN值超过2000000的范围内会更明显。

图20所示的是在油脂润滑条件下测量出的向心推力球轴承的温度上升幅度(在外环中温度的上升幅度)和咬合极限的试验结果。表8所示的是该测试中所用的样本。温度上升的幅度与整个向心推力球轴承中所产生的热量一致。

该试验采用一些向心推力球轴承作为样本，该轴承包括：由SUJ2制成的内径为65mm的内环，由SUJ2制成的外径为100mm的外环，以及由Si3N4制成的陶瓷滚动件(节圆直径为81.65mm)。保持架为外环导向型。

在图20所示的试验中，在安装作为样本的各个向心推力球轴承时，施加一个恒定位置预加负载的设定预加负载量(轴承在安装时的轴向刚度：98N/μm)，作为向心推力球轴承的润滑方式，在此采用油脂润滑，其中油脂为NOK Kluber公司制造的Isoflex NBU(密封量：轴承空间容积的15％)。

在图20中，外环的温度上升幅度值表示通过安装在外环的外径表面上的热电偶，根据外环中温度上升情况(外环中的温度-外部空气的温度)测量出的外环温度的结果。

图20中的例R1仅仅在向心推力球轴承的内环滚道表面上采用Kobe SteelWorks有限公司制造的UBMS装置504形成有DLC薄膜。

图20中的例S1在向心推力球轴承的内环滚道表面和外环滚道表面上采用Kobe Steel Works有限公司制造的UBMS装置504形成有DLC薄膜。

图20中的例T1仅仅在向心推力球轴承的内环滚道表面上采用ShinkoSeiki有限公司制造的PIG系统薄膜成形装置形成有DLC薄膜。

图20中的例U1在向心推力球轴承的内环滚道表面和外环滚道表面上采用Shinko Seiki有限公司制造的PIG系统薄膜成形装置形成有DLC薄膜。

图20中的对比例B1为没有形成DLC薄膜普通向心推力球轴承。

从图20中可以看到，与对比例B1相比，本发明的产品R1、S1、T1以及U1在温度上升幅度(外环中的温度)方面较低而咬合极限方面较高，并显示出基本相同的性能，因此可以看出，即使只内环滚道表面上形成DLC薄膜，本发明的产品也会对向心推力球轴承的高速和温度的缓慢上升有用。

图21所示的是在油气润滑条件下测量出的圆柱滚柱轴承的温度上升幅度(在外环中温度的上升幅度)和咬合极限的试验结果。表9所示的是该测试中所用的样本。温度上升的幅度与整个圆柱滚柱轴承中所产生的热量一致。

该试验采用一些圆柱滚柱轴承作为样本，该轴承包括：由含有例如Si：0.7-1.5wt％、Cr：0.5-2.0wt％、Mo：0.5-2.0wt％的耐热的特殊轴承钢制成的、其表面采用氮化碳预先进行处理的内径为70mm的内环，由与内环相同的材料制成的外径为100mm的外环，以及由与内环相同的材料制成的滚动件(节圆直径为91mm)。保持架为外环导向型。

在图21所示的试验中，可以将径向空间调节成0μm，以便安装作为样本的圆柱滚柱轴承。采用以VG22油作为润滑剂的油气润滑作为润滑方式。VG22为JIS(日本工业标准)K2211所定义的一种润滑剂。在图21中的纵坐标轴上的外环的温度上升幅度值，表示通过安装在外环的外径表面上的热电偶34，根据外环中温度上升情况(外环中的温度-外部空气的温度)测量出的外环温度的结果。至于润滑条件，本发明的产品(实例)和现有产品(对比例)都经受0.0375cc/小时的试验。

图21中的例N2在圆柱滚柱轴承的环边缘和内环滚道表面上采用KobeSteel Works有限公司制造的UBMS装置504形成有DLC薄膜。

图21中的例O2在圆柱滚柱轴承的内环滚道表面、环边缘以及外环滚道表面上采用Kobe Steel Works有限公司制造的UBMS装置504形成有DLC薄膜。

图21中的例P2在圆柱滚柱轴承的环边缘和内环滚道表面上采用ShinkoSeiki有限公司制造的PIG系统薄膜成形装置形成有DLC薄膜。

图21中的例Q2在圆柱滚柱轴承的内环滚道表面、环边缘以及外环滚道表面上采用Shinko Seiki有限公司制造的PIG系统薄膜成形装置形成有DLC薄膜。

图21中的对比例A2为没有形成DLC薄膜普通圆柱滚柱轴承。

从图21中可以看到，，本发明的产品N2、O2、P2以及Q2显示出基本相同的性能，并且与对比例A2相比在温度上升幅度(外环中的温度)方面较低，咬合极限方面较高。因此很清楚，本发明的产品明显对圆柱滚柱轴承的高速和温度的缓慢上升有用。

图22所示的是在油脂润滑条件下测量出的圆柱滚柱轴承的温度上升幅度(在外环中温度的上升幅度)和咬合极限的试验结果。表10所示的是该测试中所用的样本。温度上升的幅度与整个圆柱滚柱轴承中所产生的热量一致。

该试验采用一些圆柱滚柱轴承作为样本，该轴承包括：由含有例如Si：0.7-1.5wt％、Cr：0.5-2.0wt％、Mo：0.5-2.0wt％的耐热的特殊轴承钢制成的，其表面采用氮化碳预先进行处理的内径为70mm的内环，由与内环相同的材料制成的外径为100mm的外环，以及由与内环相同的材料制成制成的滚动件(节圆直径为91mm)。保持架为外环导向型。

在图22所示的试验中，可以将径向空间调节成0μm，以便安装作为样本的圆柱滚柱轴承。采用以VG22油作为润滑剂的油气润滑作为润滑方式，其中润滑剂为Isoflex NBU15(密封量：轴承空间容积的15％)。在图22中的纵坐标轴上的外环的温度上升幅度值，表示通过安装在外环的外径表面上的热电偶34，根据外环中温度上升情况(外环中的温度-外部空气的温度)测量出的外环温度的结果。

图22中的例R2在圆柱滚柱轴承的环边缘和内环滚道表面上采用KobeSteel Works有限公司制造的UBMS装置504形成有DLC薄膜。

图22中的例S2在圆柱滚柱轴承的内环滚道表面、环边缘以及外环滚道表面上采用Kobe Steel Works有限公司制造的UBMS装置504形成有DLC薄膜。

图22中的例T2在圆柱滚柱轴承的环边缘和内环滚道表面上采用ShinkoSeiki有限公司制造的PIG系统薄膜成形装置形成有DLC薄膜。

图22中的例U2在圆柱滚柱轴承的内环滚道表面、环边缘以及外环滚道表面上采用Shinko Seiki有限公司制造的PIG系统薄膜成形装置形成有DLC薄膜。

图22中的对比例B2为没有形成DLC薄膜普通圆柱滚柱轴承。

从图22中可以看到，本发明的产品R2、S2、T2以及U2与对比例B2相比在温度上升幅度(外环中的温度)方面较低，咬合极限方面较高。因此很清楚，本发明的产品R2、S2、T2以及U2显示出基本相同的性能，并且即使只内环(内环滚道表面以及环边缘)上形成DLC薄膜，本发明的产品也会对圆柱滚柱轴承的高速和温度的缓慢上升有用。

从上面的阐述可以看到，根据本发明的第五和第六实施例，必然能实现较低力矩和较低的发热量，并获得高速旋转条件下的抗咬合性能和防磨损性能。

下面将参照图23-27对滚动滑动件和滚动装置第七实施例进行阐述

图23中的推力滚珠轴承包括：具有滚道表面301a的内环301；具有与滚道表面301a相对的滚道表面302a的外环302；一些滚珠303，这些滚珠可转动地位于两滚道表面301a和302a之间；以及保持架304，该保持架沿着轴承的周边以均匀的间隔保持着两滚道表面301a和302a之间的这些滚珠。

内环301、外环302、以及滚珠303由SUJ2的钢材制成。就内环301和外环302的尺寸而言，内径为30mm，外径为62mm，厚度为7mm，且滚道表面301a和302a的横向剖面构成弧形，该弧形的曲率半径为滚珠303直径的52％。

内环301的滚道表面301a、外环302的滚道表面302a以及滚珠303的滚动表面上带有类金刚石碳层(DLC)D，该DLC层D具有润滑特性，其等效弹性模数为100-240Gpa。如图24所示，该DLC层D包括三层，一层由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的一种或几种金属构成的金属层M，一层由金属和碳构成的复合层F，以及一层由碳构成的碳层C，这三层从表面一侧开始按碳层C、复合层F、金属层M的顺序排列。

下面以外环302为例对DLC薄膜的形成工艺进行说明。

将脱油脂后的外环302安装到Kobe Steel Works有限公司制造的不平衡磁控管溅射装置(UBMS504)上，并采用氩等离子体通过溅射工艺进行15分钟的轰击处理。

将钨和铬作为目标物，这两种金属在滚道表面302a上受到溅射，从而形成金属层M。随后，在连续溅射这两种金属时，开始溅射碳，以碳作为目标。通过这种溅射工艺，就在金属层M上形成这两种金属与碳的碳化物复合层F。

逐渐降低这两种金属的溅射效率，并缓慢增加碳的溅射效率。结束这两种金属的溅射，并且仅仅进行碳的溅射，从而在复合层F上形成碳层(DLC薄膜的整体厚度：2.2μm)C。

如果通过溅射形成该薄膜，那么就能够连续地形成DLC薄膜，并能够使得该层的组成成分从含有两种金属的一层(金属层M)向另一层(碳层C)缓慢地改变。具有这种结构的DLC薄膜D在各个层(金属层M、复合层F以及碳层C)之间具有非常优良的粘附性，而且在具有优良润滑特性的碳层和作为基材的钢材之间也具有非常优良的粘附性。

在UBMS装置上安装有一些目标物，由于各个目标物的溅射电源都独立进行控制，由此可以随意地进行控制，该UBMS装置适用于形成薄膜。例如，在形成复合层F和碳层C的过程中，在连续降低金属目标物的溅射源(DC电源)的电功率的同时，增加C目标物的溅射源(DC电源)的电功率，(此时向外环302供应负偏压)。

在此，将参照图25中的测量图表，对采用一种辉光放电发射分析仪(Shimadzu公司制造的的GDLS-9950)对形成DLC薄膜的元素进行分析所得到结果进行解释。

图表的横坐标轴表示距离表面的深度，即0nm就是DLC薄膜的表面。纵坐标轴表示各种元素在某深度位置的含量。

由于深度方向的信息可以通过采用氩气的放电来获得，表示各种元素含量的曲线主要位于作为基材的钢材和DLC薄膜D之间的交界面中。由于作为基材的钢材和DLC薄膜D之间的交界面位于8000nm的附近，从该图表中可以得出，DLC薄膜的厚度大约为8μm，但是该方法采用放电发射对直径为2mm的圆形部分进行分析，因此DLC薄膜在深度方向上精确地讲大约为8μm，但是DLC薄膜的实际厚度为2.2μm。

就与推力滚珠轴承结构一样的轴承而言，可以制备出各种测试轴承，其金属层和复合层中可改变采用各种金属，可以进行疲劳试验以便评估DLC薄膜的滚动疲劳强度。在测试中，仅仅在外环的滚道表面上形成DLC薄膜，且在内环的滚道表面之间布置有三个滚珠。将涂上0.5ml的用己烷稀释到3％的矿物油来润滑外环的滚道表面。

旋转测试条件为，轴向负载为6kN，旋转速度为6000rpm。在内部插入热电偶以便测量温度，并且，在达到200℃时，DLC薄膜破裂且基材暴露，因此将达到200℃时的时间确定为持续时间。

测试金属的种类和测试结果都表示在图26的曲线中。例11-15采用两种金属，通过离子辅助效果控制金属碳化物的产生，因此持续时间比较长。特别的是，在例11中铬和钨组合在持续时间方面非常优秀。其它组合例如钛和钨或者钛-铬-钨尤其比较好。

因此，如铬一样具有低熔点的金属和象钨一样具有高熔点的金属进行组合是比较理想的，由于金属碳化物的脆度变小，如果高熔点的金属多于低熔点的金属，那么这种效果就会比较大。

另一方面，具有一种金属的对比例1-3其金属碳化物的脆度比较大，因此DLC薄膜易于遭到破坏，不能获得足够的持续时间。

对比例14采用两种金属(钛和铬)，并通过全阴极式离子喷镀工艺形成金属层薄膜，并通过等离子CVD工艺在该金属层上形成碳层。因此，由于没有复合层，DLC薄膜和作为基材的钢材之间的粘附性不足，因此持续时间就比较短。

就与图23中的推力球轴承结构一样的轴承而言，可以制备出各种测试轴承，其DLC薄膜的等效弹性模数可以有各种改变，可以进行旋转测试以便评估DLC薄膜的寿命和等效弹性模数之间的相互关系。在测试中，外环是一个没有滚道沟槽的平面元件，而与滚珠接触的滚道部分形成有DLC薄膜，有11个滚珠位于内外环的滚道表面之间。

DLC薄膜采用与上述装置相同的UMBS装置形成，在金属层和复合层中采用铬和钨这两种金属。可以通过控制供给到外环上的偏压或者通过控制待引入气体的分压力，来改变DLC薄膜的等效弹性模数。

如果控制待引入气体(Ar、H2或如CH4一样的烃基气体)的种类或分压力的比例，DLC薄膜的等效弹性模数和滑动阻力就能够随意地进行控制，因此就能够通过引入一种混合气体或单纯气体形成一种满足某种目的的理想DLC薄膜。

而且，可以通过控制溅射时间来精确地控制DLC薄膜的厚度。

在矿物油条件下进行旋转测试，测试条件(轴向负载和旋转速度)与上述测试条件相同。采用安装到轴承支承部分上的由Endebuko公司制造的加速传感器可以测量振动，DLC薄膜的破裂由于振动值的增加而检测到。通过记录轴承到DLC薄膜破裂为止时的转数，来评估DLC薄膜的寿命。测试结果表示在图27的曲线中。

从该曲线可以看出，如果DLC薄膜的等效弹性模数位于100-240Gpa中，则DLC薄膜的寿命就比较长。

第七实施例表示的是本发明的一个实例，本发明并不受该实例的限制。

在第七实施例中，以推力滚珠轴承为例进行解释，但是本发明的滚动装置可以用于各种滚动轴承上，例如深沟滚珠轴承、向心推力球轴承、圆柱滚柱轴承、锥形滚柱轴承、滚针轴承、象自位滚柱轴承一样的径向型滚动装置、象推力滚柱轴承一样的推力型滚动装置。

在第七实施例中，以滚动轴承作为滚动装置的例子进行解释，但是本发明的滚动装置可以应用到各种滚动装置上，例如，可以应用到线性导向轴承、滚珠丝杠、或其它的象直接作用轴承的滚动装置上。

此外，DLC薄膜可以采用不平衡磁控管通过溅射方式形成，但是也可以根据脉冲激光弧光喷镀工艺(pulse laser arc deposition process)或等离子DVC工艺进行。溅射方式尤其合适，该溅射方式采用不平衡磁控管易于独立控制等效弹性模数和塑性变形硬度。

如上所述，带有由两种或多种金属和碳构成的复合层的DLC薄膜的粘附性较为优良且脆度较小。因此，本发明的滚动滑动件和滚动装置能够在作用有较大接触应力的条件下或在无油状态下适当工作。

由于等效弹性模数为100-240Gpa，优选为80-240GPa，因此DLC薄膜即使在受到交变应力时也难以破裂。

下面进一步参照图28和29对本发明的第八实施例进行说明。

在第八实施例中，以图28中所示的深沟滚珠轴承作为滚动滑动件的例子进行说明。

在该滚动轴承中，作为滚动件403的滚珠位于内环401和外环402的滚动表面之间，该滚动轴承还包括一个波形保持架404。

内环401、外环402以及滚动件403这样处理，即以轴承钢作为基材，在内环401的滚动表面和外环402的滚动表面上形成DLC薄膜405。

构成内环401、外环402以及滚动件403的基材在200℃-280℃的高温下经过回火处理，使得残余奥氏体的体积百分比为6％或更低，且表面硬度在Hv600-Hv740这一范围内。

DLC薄膜405采用在第三和第四实施例中描述的那种不平衡磁控管溅射装置(UBMS)形成，从基材表面这一侧开始按照金属层、复合层以及碳层的顺序排列。

在上述结构的滚动轴承中，尽管形成有DLC薄膜405，但是轴承部件的尺寸稳定性得到提高，DLC薄膜405的粘附性得到改善，即使在承受交变应力时也能防止其在使用的前期阶段产生剥离。

上述轴承以在表11中所示的JIS这一栏所描述的SUJ1-5来举例进行说明。

表11

JIS	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
								SUJ1	0.95～1.10	0.15～0.35	＜0.50	＜0.025	＜0.025	0.90～1.20	-
SUJ2	0.95～1.10	0.15～0.35	＜0.50	＜0.025	＜0.025	1.30～1.60	-
								SUJ3	0.95～1.10	0.40～0.70	0.90～1.15	＜0.025	＜0.025	0.90～1.20	-
SUJ4	0.95～1.10	0.15～0.35	＜0.50	＜0.025	＜0.025	1.20～1.60	0.10～0.25
								SUJ5	0.95～1.10	0.40～0.70	0.90～1.15	＜0.025	＜0.025	0.90～1.20	0.10～0.25

第八实施例以在外环402和内环401上形成DLC薄膜405这种情况进行举例说明，DLC薄膜405可以形成于滚动元件403这一侧。顺带一句，在与相对元件接触的部分上存在DLC薄膜就足够了。

在第八实施例中，以深沟滚珠轴承为例进行解释，但是，本发明可以应用到各种滚动轴承上，例如向心推力球轴承、圆柱滚柱轴承、锥形滚柱轴承、滚针轴承、象自位滚柱轴承一样的径向型滚动装置、象推力滚柱轴承一眼的推力型滚动装置。

在第八实施例中，以滚动轴承为例进行解释，但是本发明的滚动滑动件可以应用到各种滚动装置上，例如，可以应用到线性导向轴承、滚珠丝杠、或其它的例如直接作用轴承的滚动装置上。

而且以采用UBMS工艺形成DLC薄膜的情况为例进行说明，其它薄膜成形工艺也可以，例如CVD、等离子CVD、离子束成形工艺、或离子化蒸汽沉积工艺。根据UBMS工艺，DLC薄膜的粘附性可以适当地提高。

在此，制造出了采用本发明第八实施例的深沟滚珠轴承的实例16-19，以及用作对比的深沟滚珠轴承的对比例16-19。

内环401、外环402以及滚动件403由轴承钢SUJ2制成，该轴承钢SUJ2由JIS规定，就实例17来说，在240℃下进行回火获得硬度为Hv694。

就对比例16-18而言，在60℃下进行回火获得硬度为Hv765。

如表11所示，实例16通过UBMS工艺在内外环401、402上形成有DLC薄膜，该薄膜有三层，一层是由Cr和Fe制成的金属层，一层是由金属和碳构成的复合层，以及一层由碳构成的碳层。

而且，实例17通过离子喷镀工艺在内外环401、402上形成有DLC薄膜，该薄膜有三层，一层是由Cr和Fe构成的金属层，一层是由金属和碳构成的复合层，以及一层由碳构成的碳层。

至于对比例16-19，如表12中所示，DLC薄膜采用等离子CVD工艺、离子喷镀工艺、或UBMS工艺中的任何一种工艺形成。

在基材表面存在的残余奥氏体的量也列在此。

表12

	薄膜形成工艺	回火温度(℃)	薄膜形成前的硬度(Hv)	残余奥氏体的量(vol％)	中间层	薄膜厚度(μm)	寿命(h)
								对比例16	等离子CVD	160	765	11	钛	2	1.2
对比例17	离子喷镀	160	763	8	钨	2	2.8
								对比例18	UBMS	160	760	9	铬	2	4.5
例16	UBMS	200	740	6	铬	2	10
								例17	UBMS	240	694	1	铬	2	10
例18	UBMS	260	640	0	铬	2	10
								例19	UBMS	290	610	0	铬	2	10
对比例19	UBMS	320	590	0	铬	2	4.8

测试轴承：6206

表面压力：1.6Gpa

每分钟转数：8000rpm

环境：大气

润滑条件：矿物油，0.01(cc/10分钟)

在测试时，将热电偶插入轴承外环的壳体内，以温度从静态温度开始上升20℃时的时间点来判断轴承的寿命。该测试经过10小时后停止。

如表12中所示，实例16-19中的每一个所达到的寿命都是对比例的两倍。

也就是说，对比例16-18中的残余奥氏体的量都超出了本发明范围，因此其寿命要比实例的寿命短。

在对比例19中的残余奥氏体的量位于本发明范围内，因此其寿命要长于对比例16-18，但是，由于其回火温度为320℃，基材的硬度小于Hv600，且寿命要短于本发明的实例。

由于以下原因，实例16-19的寿命比较长。

这些实例在形成薄膜的过程中通过提高温度分解了少量的残余奥氏体，且由于没有产生尺寸变化，因此DLC薄膜的粘附性较好。也就是说，通过将回火温度确定为200℃或更高，获得了一种特别是能够延长其上形成有DLC薄膜的轴承寿命的效果。

如果在260℃或更高温度下进行回火，残余奥氏体的量会变成体积百分比为0％，但是表面硬度会下降。因此，在形成具有较大硬度的DLC薄膜时寿命依赖于基材的硬度。

按照本发明获得的表面硬度位于Hv600-740比较好。在此所称的表面硬度指的是DLC薄膜形成之前的表面硬度。

图29所示的是涂有DLC的轴承的残余奥氏体量和寿命之间的关系。

如果残余奥式体的体积百分大于6％，由于DLC处理在轴承内造成尺寸变化，且粘附性或轴承的精度变坏，使得耐久性变差。因此残余奥式体量为6％体积百分比或更少比较好。

尤其是，残余奥式体量为0％的体积百分比是合适的，表面硬度为Hv600或更高对本发明更合适。

这些条件可以通过具有在200-290℃下经过回火的高碳铬钢的轴承来实现

如上所述，根据本发明的第八实施例，能够确保DLC薄膜的优良的润滑特性持续较长的一段时间，即使在用于较大接触应力条件下DLC薄膜也不会剥离。

下面将参照图30-39对滚动件的第九和第十实施例进行说明。

第九实施例

图30所示的是作为本发明第九实施例的滚动件的一个例子的、一种单列深沟滚珠轴承501的结构的纵向剖视图。该深沟滚珠轴承501包括外环502、内环503、一些可旋转地位于外环502和内环503之间的滚珠504、以及一个钢质非接触密封件(Z形，未示出)。其尺寸为，内径8mm，外径22mm，以及宽度7mm。

外环502、内环503以及滚珠504由马氏体不锈钢(0.45C-13Cr-0.13N)制成，并在1050℃淬火30分钟，在-80℃下低温处理1小时，在460℃下回火2小时。滚珠504上形成有润滑层L，该润滑层L使其表面具有润滑特性。润滑层L具有氟化合物层F和类金刚石碳层C。F和C中这两层从表面侧开始按氟化合物层F和类金刚石碳层C的顺序形成。

氟化合物层F包括氟化合物，该氟化合物含有例如全氟烷基团和烃基团。类金刚石碳层C包括三层，一层由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的至少一种金属构成的金属层，一层由金属和碳构成的复合层，以及一层由碳构成的碳层，这三层从中心部分开始按金属层、复合层、碳层的顺序排列。

下面对在滚珠504的表面上形成氟化合物层F和类金刚石碳层C的方法进行说明。

将脱油脂后的滚珠504安装到Kobe Steel Works有限公司制造的不平衡磁控管溅射装置(UBMS504)上，并采用氩等离子体通过溅射工艺进行15分钟的轰击处理。然后在滚珠504的表面上形成由钛制成的金属层(中间层)作为含钛的目标物。

随后，在向滚珠504输送负偏压的同时，增加碳目标物的溅射效率，形成复合层和碳层，并形成类金刚石碳层。采用行星球磨机，将滚珠504精加工到Ra0.004μm，并进行冲洗和干燥。

至于薄膜成形工艺，采用不平衡磁控管通过溅射方式、脉冲激光弧光喷镀工艺(pulse laser arc deposition process)或等离子DVC工艺形成比较好，并且在它们之间，采用不平衡磁控管的溅射方式尤其合适于滚动滑动件，因为它易于独立控制等效弹性模数和塑性变形硬度。

尤其是，在基材为金属层的情况下，如果类金刚石碳层C的内部结构形成一层其内部组成成分逐渐变化的倾斜层，就不会在其间形成交界面，由此使得类金刚石碳层C和基材之间的粘附性提高。

此外，由于构成类金刚石碳层C的碳原子之间的相互结合力比较强，因此类金刚石碳层C自身很少被磨损或损坏。而且类金刚石碳层C加工得象上面所述的那样坚硬且表面光滑，因此滚珠504的滚动阻力减轻，且滚动作用变得非常光滑，而类金刚石碳层C也难以被磨损。类金刚石碳层C的粗糙度和硬度，可以通过调节类金刚石碳层C在形成时薄膜形成环境的压力或温度及气体种类或供给电压而得到改变。

类金刚石碳的等效弹性模数可以为80-240Gpa。如果等效弹性模数大于240Gpa，那么等效弹性模数就大于钢材，且钢材会先于类金刚石碳C变形，因此，类金刚石碳C由于受到交变应力而易于破裂。如果等效弹性模数小于80Gpa，那么类金刚石碳C的表面硬度就会降低，由于接触应力而易于产生磨损，类金刚石碳C的功能就变坏。

构成中间层的材料并不受到特别限制，就作为基材的钢材中的合金元素或原子半径几乎等于钢材的这样的元素而言，可以采用例如Cr、W、Ti、Si、Ni、Fe或Co。其中，在基材为不锈钢或轴承钢的情况下，采用Ti、Cr或Ni用作中间层比较理想，并根据钢的合金成分，也可以适当地选择Si、W或Co。

接着，在类金刚石碳层C上形成氟化合物层F。由Asahi Glass有限公司制造的Surflon SC-101(商品名)可以起到氟化合物的作用，因为该氟化合物具有全氟烷基团和烃基团。该化合物采用一种象乙酸乙酯的溶剂进行稀释从而产生一种溶液(稀释率为10％)，并将该溶液涂抹到滚珠504的表面并进行热处理，这样就形成了氟化合物层F。特别地是，将滚珠504浸入该溶液中，并经干燥和在250℃下进行热处理。经过这样处理后，就在滚珠504的最上表面形成氟化合物层F。

由于氟化合物与金属之间的亲和力非常低，因此其附着在金属表面上的粘附力很弱。例如，JP-A-62-246621公开了一种在金属表面上形成一层化合物薄膜的方法，该化合物含有全氟烷基团，但是由于具有润滑特性的化合物和金属的相关性非常弱，因此，粘附性较低，且难以赋予金属表面充分的润滑特性。

但是，在第九实施例中，在滚珠504的金属表面和氟化合物层F之间存在一层类金刚石碳层C。由于氟化合物中的烃基团与象DLC的碳具有亲和力，烃基团朝向类金刚石碳层C这一侧，因此其一部分被引入类金刚石碳层C中。因此氟化合物层和类金刚石碳层C之间的粘附性得到极大地增加。

由于氟化合物的全氟烷基团排列在滚珠504的最上表面，因此就赋予了滚珠504的表面充分的润滑特性。因此，滚珠504具有优良的润滑特性，即使在边界润滑条件下，其在耐磨损性能和耐腐蚀性能方面都非常优秀。

下面就深沟滚珠轴承501对波动耐久性测试的结果进行解释。通过轴承在下述条件下反复进行波动运动后的旋转力矩来评估其波动耐久性。内环在作用有49N的轴向负载的条件下以2rpm旋转，测量在旋转的初始阶段所承受的旋转力矩。

波动运动的条件

波动频率：20Hz

外环的波动角度：8°

轴向负载：49N

反复波动的次数：5000000

环境温度：室温

除了上述深沟滚珠轴承501外，可以对具有不同厚度的氟化合物层F的深沟滚珠轴承(其它结构相同)进行波动耐久性测试。图31中的曲线图显示了测试结果。氟化合物层F的厚度可以通过在氟化合物中采用乙酸乙酯进行稀释的比例进行控制。稀释比例指的是氟化合物的量对氟化合物与乙酸乙酯的总量的比例。例如，10％的稀释比例指的是将10份的氟化合物采用90份的乙酸乙酯进行稀释。

从曲线图中可以看出，如果稀释比例为1％或更低，则在波动测试时就易于产生侵蚀，造成旋转力矩在波动测试后变大的问题。这是因为氟化合物层F薄膜的厚度太薄，且在波动时润滑缩短。因此使得稀释比例大于1％比较好。

如果稀释比例大于30％，旋转力矩就会变得较好，但是易于产生成本上升、可加工性能变坏以及薄膜厚度不均匀。

为了稳定耐侵蚀性能，稀释比例为15％或更低一些比较好，为了获得稳定的润滑效果，稀释比例为高于2％则更好。

作为对比例，在下述两种深沟滚珠轴承上进行相同的波动耐久性测试。

对比例20中的深沟滚珠轴承在滚珠表面上具有类金刚石碳层，其表面上没有中间层，该对比例除了没有形成氟化合物层和构成外环、内环以及滚珠的材料不同外，其结构与第九实施例中的深沟滚珠轴承相同。

对比例21中的深沟滚珠轴承在滚珠表面上具有全氟聚醚(氟化合物层)，除了没有形成氟化合物层和构成外环、内环以及滚珠的材料不同外，其结构与第九实施例中的深沟滚珠轴承相同。

构成对比例20和21的外环、内环以及滚珠的材料质地是经过淬火和回火后的轴承钢(SUJ2)，其杨氏模量为220Gpa和表面硬度为7.5Gpa。

作为波动耐久性测试结果，对比例20的深沟滚珠轴承的旋转力矩大约为30mN·cm，而对比例21的深沟滚珠轴承的旋转力矩大约为27mN·cm。经确证对比例20和21的深沟滚珠轴承由于反复的波动运动而在滚珠表面造成损坏。由于表面的粗糙度和磨损，因此在反复进行波动运动之前和之后旋转力矩增加。

产品实例

在第九实施例中，通过溅射工艺在滚珠504的表面上形成有类金刚石碳层C。关于在滚珠表面上均匀地形成薄膜的工艺，将参照图32A和32B进行解释。该工艺涉及在轴承的滚珠(滚动件)的球形表面上均匀地形成薄膜的工艺。

在使得气体变成等离子体以便在金属表面上形成薄膜的CVD薄膜形成工艺中，在适当蒸汽状物质离子化以便在金属表面上形成薄膜的PVD薄膜形成工艺中，现有的方法有，一种方法是对待加工的材料进行处理，同时使材料绕其轴线旋转以便提高形成薄膜时的粘附性和薄膜形成精度(JP-A-63-62875)；或者一种方法是对待加工的材料进行处理，同时使材料自动旋转并使位于一空腔内的含有待处理材料的模具公转(JP-B-7-94711)。这些薄膜形成工艺能够形成厚度均匀的薄膜，对工业机床比较有用。

在上述传统的薄膜成形工艺中，待处理的材料通常为该工具所表示的杆形部件或环形部件，薄膜主要形成于该材料的周边表面上。这些部件通过上述旋转或公转能够面对等离子体或离子的辐射方向，因此能够形成厚度均匀的薄膜。

不过，在待处理材料为象滚珠一样的用于轴承中的球形体时，就比较难以支承该材料，且非常难以形成象上述机床一样的均匀厚度的薄膜。例如，一种方法是将一些滚珠放进象桶一样的金属筐中，并在旋转该桶的同时，由等离子体源或离子源供给形成薄膜的成分以便形成薄膜，但是滚珠的尺寸受到限制或者易于导致薄膜厚度的不均匀。

因此，本发明的方法解决了与现有技术相关的上述问题，其目的是提供一种方法，该方法能够在象轴承滚珠一样的球体上形成厚度均匀的薄膜。

为了实现上述目的，该方法具有下述结构。该方法向待处理的球形材料发射出一种薄膜形成物质(例如，将一种由金属生成的化合物变成等离子体或离子化气体)以便在待处理的球形材料表面形成薄膜，接着将待处理的球形材料安装到由非金属材料构成的可动板上，并向待处理的球形材料发射物质，同时旋转可动板上的球形材料。

采用这样的结构，能够使待处理的球形材料具有均匀的旋转运动，由此使整个球形材料均匀地面对薄膜形成物质所发射的方向。因此，球形材料上形成有均匀的薄膜。处理后的材料具有优良的球形度。

该薄膜形成方法不仅仅能应用到象轴承滚珠一样的球形体上，而且能应用到其它形状的元件上，例如轴承的外环或内环。

下面参照附图给出两个在轴承滚珠上形成薄膜的实例。

参照图32A和32B，将给出第一产品实例的说明，该产品采用Kobe SteelWorks有限公司制造的UBMS装置，通过溅射氩等离子体的溅射工艺，在滚珠540(样本)的表面上形成薄膜。图32A是UBMS装置530的平面视图，而图32B是UBMS装置530的侧视图。

UBMS装置530上设有板541，该板上一个由SUS304制成的盘，其直径为300mm，包括位于外周边上高度为12mm的外壁(也就是说，是一个杯状)。将8000枚滚珠540安装在该板541上，每枚都由SUS440制成且直径为2mm。另外，SUS304是一种非磁性材料。

首先，在滚珠540的表面进行轰击处理(干燥清洁)。接着采用钛目标物在其上形成一层向中间层一样的钛金属层。

接着，采用氩气在表面(中间层)上进行轰击处理，以便通过使滚珠540的构成元素和钛在原子量级上进行混合从而形成复合层。

随后，在向滚珠540供给负偏压的同时，增加碳目标物的溅射效率，以便形成复合层和碳层，从而形成类金刚石碳。

在这种方式中，UBMS装置530上安装有一些将被用来进行溅射的目标物532，并独立控制Ti和C目标物的溅射源，使得Ti的溅射效率连续降低，而C的溅射效率连续上升，由此形成具有Ti和C的复合层。通过将DC电源施加到目标物的溅射源，氩离子的溅射效率就能够进行连续地变化。

该复合层为C和Ti的成分逐渐变化的倾斜层，并可以形成成分比例能够连续改变的类金刚石碳C。在形成中间层后，在降低中间层的目标物的溅射电源的功率的同时，C目标物的溅射电源的功率同步增加。被施加到样本上的功率和偏压通过计算机控制进行，因此能形成含C和Ti的中间层，该中间层为倾斜层。

在形成上述薄膜的同时，板541相对于水平方向以预定角度倾斜(以下称之为“倾斜角”)地安装。此时，借助于马达以10rpm旋转(该旋转是以穿过板541的中心的垂线作为旋转轴)倾斜板541的同时实施薄膜成形。板541旋转使得滚珠540在板541上以恒定的速度旋转，且滚珠540的所有表面都可以均匀地面对等离子体。因此能够将滚珠540的所有表面上形成厚度均匀的薄膜，加工后的滚珠540的球形度比较优秀。

而且，由于板541是倾斜安装的，滚珠540在旋转时强烈地运动，滚珠540在板541上的位置移动量较大，从而在许多滚珠540上形成厚度均匀的薄膜。

板541相对于水平方向的倾斜角在1-45°之间比较好。表示板541的倾斜角和形成有薄膜的滚珠540的球形度之间关系的曲线示于图33中。从该图中可以看出，如果倾斜角小于2°，板541的旋转的离心力就不充足，且滚珠旋转也不均匀，薄膜厚度容易不均匀。结果薄膜厚度的变化较大，因此球形度变坏。

如果倾斜角大于45°，则滚珠540覆盖在另一个上或从板541B上坠落，从而球形度就变坏。

板541的倾斜角位于上述范围之内较为理想，从而能够提供较好的球形度，尽管该球形度与滚珠540的尺寸和数量有关。

下面将参照图32和34给出另一个实例(第二产品实例)说明，该实例通过不同于上述第一产品实例的装置在旋转滚珠的同时形成厚度均匀的薄膜。

图34是用来解释在形成薄膜时用于旋转滚珠540的旋转装置结构的示意图。

除了旋转滚珠540的方法和机构不同外，第二产品实例和第一产品实例几乎相同，因此仅仅解释不同点，相同点将省掉。在图34中，与图32中的那些部件相同或相似的部件赋予相同的标号。

与第一产品实例中的板541和马达不同的是，图34中的旋转装置安装在UBMS装置530中。该旋转装置包括：承载滚珠540的板541，使板旋转的轴550和马达552。轴550有一个弯U形(曲柄)部分550a，板541以其中心部分连接在该曲柄部分上。板541和轴550都是由非磁性SUS304材料构成。

采用这种结构，当轴550在马达552的作用下旋转时，板541作圆周运动，该圆的半径为U形部分550a的凸出宽度，即轴的偏心宽度551，滚珠547在板541B上旋转。

安装在板541的上方大约45°的位置处的钛目标物(未示出)通过溅射器生成等离子体，从而形成钛微粒并与钛微粒和氮气起反应生成氮化钛。氮化钛被射向转动的滚珠540，从而在滚珠540的表面上形成氮化钛薄膜。

由于滚珠540在旋转装置的作用下旋转，滚珠540的所有表面都能够面对射来的氮化钛。因此能够在整个滚珠540上形成厚度均匀的薄膜，加工后的滚珠540具有优良的球形度。

对轴550的偏心宽度551和形成有薄膜的滚珠540的球形度之间的关系进行评估，并将评估结果显示在图35中。在图35中的曲线中横轴上的偏心率指的是偏心宽度551与圆盘板541的半径之间的比值。例如，偏心率10％指的是板541的半径为100mm，而偏心宽度551为10mm。

为了使滚珠547充分旋转以便获得厚度均匀的薄膜，偏心率最好为2-50％。如果该偏心率小于2％，滚珠547的旋转就易于停下来，且薄膜的厚度易于不均匀。如果偏心率大于50％，则板541的圆周运动产生的离心力太大，滚珠540易于聚集在板541的外壁侧面，薄膜厚度易于不均匀。

在第一和第二产品实例中的板541和轴550的材料理想的是采用很少被磁化的材料，非磁性材料适合于板541和轴550。尤其是，可采用奥氏体基不锈钢，例如SUS304和SUS316。

接着，作为与第一和第二产品实例的对比例，将给出一个例子的说明，其中滚珠装在金属制成的筐(桶)中，在旋转整个桶时，由等离子体源或离子源供应构成薄膜的成分，以便形成薄膜。

该对比产品实例除了使滚珠547旋转的方法和机构不同外，几乎与第一产品实例相同，因此仅仅解释不同点，相同点将省掉。与图31中的那些部件相同或相似的部件采用相同的标号进行解释。桶上的网眼为1.8mm，而滚珠547的数量为3000枚。

对采用上述方法形成有薄膜的滚珠进行球形度测量，结果为0.8μm。类金刚石碳薄膜厚度不均匀，且球形度较差。

如上所述，根据上述方法(第一和第二产品实例)，由于在使待加工的球形材料旋转的同时形成薄膜，因此没有相对于薄膜形成成分的发射被遮住的部分，因此能够形成厚度均匀的薄膜。这样，形成薄膜后的滚珠的球形度比较好。

第十实施例

图36所示的是作为本发明第十实施例的滚动件的一种单列深沟滚珠轴承501的结构的纵向剖视图。该深沟滚珠轴承511包括外环512、内环513、一些可旋转地位于外环512和内环513之间的滚珠514。其尺寸为，内径30mm，外径62mm，以及宽度16mm。

外环512、内环513以及滚珠504由高碳铬钢(SUJ2)制成，并在830℃淬火1小时，在260℃下回火1小时。

外环512和内环513的滚道表面上有具有润滑特性的润滑层，在润滑层L的表面侧上形成有类金刚石碳层C。

类金刚石碳层C包括三层，一层由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的至少一种金属构成的金属层，一层由金属和碳构成的复合层，以及一层由碳构成的碳层，这三层从中心部分开始按金属层、复合层、碳层的顺序排列。具有润滑层L的滚道表面的基材的杨氏模量为220Gpa，表面硬度为7.5Gpa。以下，金属层和复合层的结合部分将被称之为金属复合层T。

滚珠514由陶瓷(Si3N4)制成，也可以向外环512和内环513一样由轴承钢或不锈钢构成，并同时在该表面上形成类金刚石碳层C。

下面对在外环512和内环513的滚道表面上形成类金刚石碳层C的方法进行说明。

样本(外环512和内环513)被置于减压腔中。在向样本提供偏压的同时，通过溅射方法采用金属目标物(Ti较好)和氮气，在样本的滚道表面上形成含有金属氮化物(TiN)的中间层(金属层)。根据加工时间，可以控制中间层的厚度。金属氮化物的化学计量比和等效弹性模数可以根据氮气的分压力进行控制。形成中间层的金属化合物并不限于TiN，采用其它金属化合物也可以。

接着，采用氩气对样本的表面进行轰击处理，以便通过使滚珠540的构成元素和中间层在原子量级上进行混合从而形成复合层。

随后，在向样本供给负偏压的同时，增加碳目标物的溅射效率，以便形成复合层和碳层，从而形成类金刚石碳C。

因此，在连续降低构成金属化合物层T的溅射效率的同时，增加C的溅射效率，由此形成含有金属的复合层和类金刚石碳。

该复合层为倾斜层，其中金属和C的成分逐渐变化，可以形成成分比例能够连续改变的类金刚石碳C。在形成中间层后，在降低中间层的目标物的溅射源的电源功率的同时，同步增加C目标物的溅射源的功率。施加到样本上的功率和偏压通过计算机进行控制，因此能形成含有金属和C的复合层，该复合层为倾斜层。

同时，通过控制目标物的溅射源的DC源，能连续改变氩离子的溅射效率。通过使金属溅射停止和只进行碳溅射，可以形成碳层。这样构成的类金刚石碳C的厚度能通过加工时间进行控制。

在形成类金刚石碳C时，可以采用和上面一样的溅射工艺，但是如采用具有烧结碳的目标物的离子喷度工艺的其它工艺也就足够了。类金刚石碳C可以添加一些金属元素，例如硅、钛或铬。

金属复合层T在润滑特性方面比较差，但是与作为样本基材的金属之间的粘附性比较好，该金属复合层T夹在碳层E和金属(样本的基材)之间，该碳层E的润滑特性好而与作为样本基材的金属之间的粘附性较差，由此形成加强的多层结构，且赋予样本(外环512和内环513)的滚道表面良好的润滑特性。

金属化合层T的厚度为0.2-5μm。如果小于0.2μm，类金刚石碳层C的弹性模数和金属的弹性模数之间的差别太大，因此类金刚石碳层易于破裂。另一方面如果厚度大于5μm，金属化合物层T的内应力较大而造成自毁，且这些物质明显地与金属表面剥离开。

类金刚石碳层C的厚度为0.8-8μm。如果小于0.8μm，则金属化合物层T和相对元件彼此相互接触从而易于造成咬合。另一方面，如果厚度大于8μm，类金刚石碳层C的内应力较大而造成自毁，这些物质会明显地与金属复合层剥离开。类金刚石碳层C的厚度在1-5μm之间更好。

而且，类金刚石碳层C的等效弹性模数可以为80-240Gpa。由此，样本(外环512和内环513)作为滚动件在抗咬合性能和抗损坏方面具有令人满意的性能。如果等效弹性模数小于80Gpa，那么硬度就会降低，易于产生磨损。如果等效弹性模数大于240Gpa，那么其弹性高于金属(样本的基材)，难以随着金属的弹性变形而变形，导致易于产生自损。为了更好地确保这样的效果，使等效弹性模数位于130-200Gpa会更好。

下面将对深沟滚珠轴承511的耐久性测试结果进行说明。该轴承在边界润滑状况下以下述条件旋转，通过直到发生咬合为止所持续的时间来评估该耐久性测试。

(耐久性测试条件)

转速：12000rpm

轴向负载：2000N

润滑条件：将Nippon Oil有限公司生产的作为锭子油的Spinox(商品名)用己烷稀释到5％，并通过微型油缸将该0.3ml的稀释后的Spinox注入轴承中。

环境温度：室温

在该深沟滚珠轴承511中，通过对金属化合物层T的厚度、类金刚石碳层C的厚度以及类金刚石碳层C的等效弹性模数进行各种变化来实施耐久性测试。测试结果示于图37-39的曲线图中。

图37所示的是金属化合物层T的厚度和耐久时间之间的关系的图表，图38所示的是类金刚石碳层C的厚度和耐久时间之间的关系的图表，图39所示的是等效弹性模数和耐久时间之间的关系的图表，金属化合物层T的厚度均匀地设置为2μm，而类金刚石碳层C的厚度均匀地设置为2.5μm。

如图37中所示，如果金属化合物层T的厚度为0.2-5μm，可以获较好的耐久特性。如果厚度小于0.2μm，则金属化合物层T中没有足够的缓冲力，类金刚石碳层C就会被破坏且耐久性变差。如果厚度大于5μm，金属化合物层T就会造成自毁，且该金属化合物层T从金属表面上剥离下来，耐久性变差。

如图38中所示，如果类金刚石碳层C的厚度为0.8-8μm，可以获较好的耐久特性。如果厚度小于0.8μm，则金属化合物层T与相对元件彼此接触从而造成咬合，耐久时间缩短。如果厚度大于8μm，类金刚石碳层C会造成自毁，该类金刚石碳层C从金属化合物层T上剥离下来，耐久性变差。此外，如果类金刚石碳层C的厚度为1-5μm，可以获更好的耐久特性。

还有，如图39中所示，类金刚石碳层C的等效弹性模数为80-240Gpa比较好，但是在130-200Gpa之间更好。如果等效弹性模数小于80Gpa，则硬度降低且类金刚石碳层C易于被破坏。如果等效弹性模数大于240Gpa，那么其弹性就高于金属(样本的基材)，难以随着金属的弹性变形而变形，导致易于产生自损。因此，耐久时间就会变差。

作为对比例，对下述两种深沟滚珠轴承上进行相似的耐久性测试。

对比例22和23中的深沟滚珠轴承在外环和内环的滚道表面上只形成有金属化合物层(厚度为0.05-0.1μm)，该对比例除了没有形成碳层外，其结构与第十实施例中的深沟滚珠轴承511相同。

根据耐久性测试结果，金属化合物层厚度为0.05μm的对比例22的深沟滚珠轴承的耐久时间为55分钟，而金属化合物层厚度为0.1μm的对比例23的深沟滚珠轴承的耐久时间为70分钟，这是不够的。此外，经过耐久性测试后，经证实对比例22和23中的深沟滚珠轴承在滚道表面上产生剥离。

第九和第十实施例仅仅是本发明的实例，本发明并不限于这些实施例，但是本发明可以应用到例如外环、内环以及滚珠的材质上，应用到构成氟化合物层F的化合物种类以及类金刚石碳层C上，应用到形成这些层的方法上。

第九和第十实施例已经以深沟滚珠轴承的轴承环和滚动件作为滚动件的例子进行了解释，但是，本发明也能够应用到构成其它类滚动轴承如滚柱轴承的滚动件上，或应用到构成其它类滚动装置如滚珠丝杠或线性导向轴承的滚动件上。本发明还能用作滑动件。

根据上面已作出的解释，本发明的滚动件和滚动装置其表面上有润滑层，该润滑层具有类金刚石碳层和氟化合物层，且类金刚石碳层包括三层，一层由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的至少一种金属构成的金属层，一层由金属和碳构成的复合层，以及一层由碳构成的碳层。

而且，氟化合物层形成于最上表面，即使滚动件的表面出现边界润滑，由于不存在金属与金属之间的接触，因此能够防止磨损和侵蚀情况的发生。

下面参照图40-44给出本发明的第十一实施例的说明。

如图40所示，深沟滚珠轴承(滚动装置)包括，内环601(内侧元件：滚动滑动件)，其具有位于外周表面上的滚道表面601a；外环602(外侧元件：滚动滑动件)，其具有位于内周表面上的与滚道表面601a相对的滚道表面602a；一些滚珠603(滚动元件：滚动滑动件)，其可转动地位于两滚道601a、602a之间；以及保持架604，该保持架沿着圆周方向等距地保持着这些滚珠603。

内环601、外环602、以及滚珠603由SUJ2制成。该轴承的尺寸为，内径7.94mm，外径12.7mm，以及宽度3.97mm.在轴承的外环的两端(尽管图中未示出)安装有一个钢质非接触密封件(Z形)。

内环601的滚道表面601a和外环602的滚道表面602a有类金刚石碳层(DLC)605，该DLC层具有润滑特性且其等效弹性模数为80-240Gpa。

如图41所示，DLC层605包括五层，一层金属层A，该层具有Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的两种金属；一层具有所述金属和碳的第一复合层B；由碳制成的碳层；一层含有氟化合物和碳的第二复合层D；以及含氟复合层E。这五层从表面这一侧向基材一侧(滚道表面侧)按照氟复合层、第二复合层、碳层、第一复合层、金属层的顺序排列。

在第十一实施例中，由于第一复合层B由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的两种金属和碳构成，与只有一种金属和碳的结构相比，由金属和碳的组合产生的金属碳化物的脆度得到降低，结果，第一复合层B的脆度降低。当然，第一复合层B也可以由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的一种金属和碳构成，不用说，这种实施例也落入本发明的范围。

根据第一复合层B是由一种Cr(铬)和碳构成以及由Cr(铬)和W(钨)以及碳构成，对在外环602的一个实例上形成DLC层的方法进行解释。

在第一复合层B是由一种Cr(铬)和碳构成的情况下，将脱油脂后的外环602安装到Kobe Steel Works有限公司制造的不平衡磁控管溅射装置(UBMS504)上，并采用氩等离子体通过溅射工艺在滚道表面602a上进行15分钟的轰击处理。

将铬作为目标物，通过溅射方式在滚道表面602a上形成金属层A。随后，在连续溅射铬时，以碳作为目标开始溅射碳。通过这种溅射工艺，在金属层A上形成含有一种金属和碳的第一复合层B。

在逐渐降低这种金属的溅射效率的同时，缓慢增加碳的溅射效率。结束这种金属的溅射，并且仅仅进行碳的溅射，从而在复合层上形成碳层C。

由此继续，在逐渐降低碳的溅射效率的同时，缓慢增加氟化乙烯树脂的溅射效率，从而形成含有碳和氟化合物第二复合层D。接着，结束碳的溅射，并且仅仅进行氟化乙烯树脂(ethylene terefluoride resin)的溅射，从而在第二复合层D上形成含氟复合层E。(整个DLC层的厚度为2.μm)

由此，就能够形成一层倾斜层(第一复合层B)，该层的组成成分从含有一种金属的一层(金属层A)向另一层(碳层C)连续而逐渐地改变。而且进一步持续到倾斜层，就能形成碳层、含碳的第二复合层D以及含氟复合层。具有这种结构的DLC605在各个层(金属层A、第一复合层B、碳层C、第二复合层D以及含氟复合层E)之间具有非常优良的粘附性和优良的润滑特性。

接着，对于由Cr(铬)和W(钨)这两种金属以及碳构成第一复合层的情况，同样地，将脱油脂后的外环602安装到Kobe Steel Works有限公司制造的不平衡磁控管溅射装置(UBMS504)上，并采用氩等离子体通过溅射工艺在滚道表面602a上进行15分钟的轰击处理。

将铬和钨作为目标物，将这两种金属溅射到滚道表面602a上形成金属层A。随后，在连续溅射这两种金属时，以碳作为目标开始溅射碳。通过这种溅射工艺，在金属层A上形成含有这两种金属和碳的金属碳化物的第一复合层B。

在逐渐降低这两种金属的溅射效率的同时，缓慢增加碳的溅射效率。接着结束这两种金属的溅射，并且仅仅进行碳的溅射，从而在第一复合层B上形成碳层C。第二复合层D和氟化合物层E的薄膜形成方法和上述方法一样，DLC薄膜的整体厚度为2.2μm。

采用上述方法，就能够形成一个倾斜层(第一复合层B)，该层的组成成分从含有两种金属的一层(金属层A)向另一层(碳层C)连续而逐渐地改变，碳层C连续倾斜层、含碳的第二复合层D以及氟化合物层。具有这种结构的DLC605在各个层(金属层A、第一复合层B、碳层C、第二复合层D以及含氟复合层E)之间具有非常优良的粘附性和优良的润滑特性。

采用一种辉光放电发射分析仪(Shimadzu公司制造的GDLS-9950)，对在第一复合层B由Cr(铬)和W(钨)两种金属构成的情况下形成DLC薄膜的元素进行分析，所得的结果与图25中结果相同。

在UBMS装置上安装有一些用作溅射的目标物，各个目标物的溅射电源都独立进行控制，由此可以随意地进行控制各个元素的溅射效率。因此，该UBMS装置适用于形成含有倾斜层的的复合层的薄膜。

例如，在形成第一复合层B和第二复合层D的过程中，在降低各个目标物的溅射源(DC电源)的电功率的同时，同步增加其它成分的溅射源(DC电源)的功率(此时向外环602供应负偏压)。

采用图42所示的是一种波动耐久测试机，在实例24、对比例24和25的测试轴承上进行耐久性测试。

在该波动耐久测试机中，带有垫片和预加载弹簧的轴向偏压单元610，安装在由旋转止动件612固定的轴611上。壳体616在下部由支承轴承614支承并与AC伺服马达617相连，以预定角度和转速波动旋转。620指的是四个测试轴承，620A为滚动件。

在各个测试轴承620中，将外环620-1安装在壳体616的内径中，同时内环620-2套在轴611中，与轴611分隔开套621A、621B交替地堆叠起来，壳体616和外环620-1可旋转地支承着，同时轴611和内环620-2不可旋转地支承着。

套621A、621B被轴向偏压单元610的碟簧622轴向加压，从而向测试轴承620的内环620-2、外环620-1以及滚动件620A施加预加负载。

在下述条件下进行波动耐久性测试，并测量测试轴承的旋转力矩。在旋转的开始的时候开始测量在力矩和力矩变动的力矩特性。测试轴承：内径：7.94mm，外径：12.7mm，宽度：3.97mm

波动频率：30Hz

外环的波动角度：8°

轴向负载：29.4N

反复波动的次数：5000000

在波动测试之前和之后确认力矩有变动。在测试之前旋转内环的力矩大约为19.6mN·cm.

在测试对比例24的轴承时，通过全阴极式离子喷镀工艺在内外环的滚道表面上形成钛金属层薄膜，并通过等离子CVD工艺在该金属层上形成碳层。在对比例25的测试轴承中，采用UMBS装置在内外环的滚道表面上形成具有最上表面碳层的DLC层(不含有氟化合物层)，且实例24的测试轴承上形成有与图41中的DLC层(第一复合层B由一种Cr(铬)金属和碳构成)一样的DLC层(最上表面含有氟化合物层)。

测试结果列于表13中

表13

	形成薄膜的工艺	薄膜厚度(μm)	氟化合物	碳层交界面	力矩变化
						实例24	UBMS	2	有	倾斜层	103％
对比例24	等离子CVD	2	无	不连续的交界面	180％
						对比例25	UBMS	2	无	倾斜层	150％

通过在上述测试条件下进行波动耐久性测试，对比例24和25的测试轴承经证实，其滚道表面的面上存在损坏。也就是说，对比例24和25的测试轴承与轴承测试之前相比产生了粗糙度和磨损，在测试后力矩有不正常的上升。

伴随有这种波动的使用条件多见于支承信息机器的磁性读入装置或丝焊机的滚动轴承中，力矩变化为不是启动的初始阶段力矩成为了一个问题。

根据表13中的结果，在对比例24的测试轴承中，由于中间层和碳层之间包括交界面，DLC薄膜的强度变弱，滚道表面的面上被磨损，造成力矩在测试后不正常地上升(180％)。

在对比例25的测试轴承中，DLC薄膜的强度上升，但是由于其表面的润滑特性较差，滚道表面的面上被磨损，造成力矩在测试后不正常地上升(150％)。

另一方面，实例24所示的是采用UBMS制成薄膜的第十一实施例，薄膜直到形成DLC薄膜的最上表面(具有氟化乙烯(ethylene terefluoride)的氟化合物层E)为止。由于倾斜层形成有从金属层A开始的碳层C的变化部分(第一复合层B)、从碳层C开始的氟化合物层E的变化部分(第二复合层D)，因此DLC层的薄膜强度得到增加。

DLC层的最上表面的氟化合物层E具有优秀的润滑特性，且构成了抵抗如侵蚀的波动的较强抗磨损表面，因此在经过测试后，力矩上升很小(103％)。

接着在配备有和图40中的深沟滚珠轴承上的DLC层基本一样的DLC层的推力轴承中，预制出DLC层的等效弹性模数有各种变化的测试轴承，采用图43中所示的推力轴承的耐久性测试机，进行旋转测试，以便评估DLC层的等效弹性模数和耐久性之间的关系。

在该测试中，外环是一个没有滚道沟槽的平面元件，而与滚珠接触的滚道部分形成有DLC薄膜，有11个滚珠位于内外环的滚道表面之间。

DLC薄膜采用与上述装置相同的UMBS装置形成，在金属层和复合层中采用的金属，例如Cr和W，对金属种类没有作出特别的限制，只要原子半径与轴承基材元素的原子半径接近就可以。

可以通过控制供给到外环上的偏压、或者通过控制待引入气体的分压力来改变DLC薄膜的等效弹性模数。

如果控制待引入气体(Ar、H2或如CH4一样的烃基气体)的种类或分压力的比例，DLC薄膜的等效弹性模数和滑动阻力就能够随意地进行控制，因此能通过引入一种混合气体或单纯气体形成一种满足某种目的的理想DLC薄膜。

而且，可以通过控制溅射时间来精确地控制DLC薄膜的厚度。

旋转测试条件为，推力负载为3.5kN，转速为6000rpm，润滑油为全氟聚醚油。

采用安装到轴承支承部分上的由Endebuko公司制造的加速传感器可以测量振动，通过振动值的增加检测DLC薄膜的破裂情况。通过统计轴承到DLC薄膜破裂为止时的转数来评估DLC薄膜的耐久性。

图44所示的是等效弹性模数和总转数(耐久性)之间的关系的示图。

如图44所示，等效弹性模数在大于或等于80Gpa和小于等于240Gpa，就会发现DLC层的耐久性比较优秀。如果小于80Gpa，则DLC的表面硬度较低，因此易于由于接触应力而产生磨损。

另一方面，如果等效弹性模数大于240Gpa，由于如轴承钢的基材表面的等效弹性模数比较小，DLC层的等效弹性模数大于轴承钢，因此基材先于DLC变形，所以薄膜在交变应力作用下易于破裂。

本发明并不限于上述实施例，只要不脱离本发明的目的，可以进行适当的改动。

例如，在该实施例中，以深沟滚珠轴承为例进行解释，但是，本发明并不限于此，可以应用到向心推力球轴承、圆柱滚柱轴承、锥形滚柱轴承、滚针轴承、如自位滚柱轴承一样的径向型滚动装置、如推力滚柱轴承一样的推力型滚动装置。

在该实施例中，以滚动轴承作为滚动装置的例子进行解释，但是，本发明并不限于此，本发明的滚动装置可以应用到其它滚动装置上，例如，直接作用轴承、滚珠丝杠、或导向轴承。

此外，DLC薄膜可以采用不平衡磁控管通过溅射方式形成，但是也可以根据脉冲激光弧光喷镀工艺(pulse laser arc deposition process)或等离子DVC工艺进行。溅射方式尤其适合采用不平衡磁控管，易于独立控制等效弹性模数和塑性变形硬度。

如上所述，根据第十一实施例，类金刚石碳层包括：一层由至少一种金属制成的金属层；一层具有金属和碳的第一复合层；由碳制成的碳层；一层含有氟化合物和碳的第二复合层D；以及位于最上表面的含氟复合层。因此，能形成具有润滑性薄膜的、即使在作用有较大接触应力时也难以破裂的DLC层，且润滑层位于最上表面，本发明可适于应用到产生较大接触应力的组成单元的元件上(例如，滚动装置)。

另外由于具有优良的润滑特性，DLC层能够在无油状态下适当工作，并极少造成磨损或产生热量，具有较强的抵抗交变应力的能力，并具有较长的寿命。

尽管仅仅在此对本发明的某些实施例进行了专门的描述，但是很明显，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况对其进行各种改型。

Claims (9)

1.一种滚动滑动件，适于相对于一相对元件形成滚动接触或滑动接触，包括：

由钢制成的基材；

形成在与所述相对元件接触的表面上且具有润滑特性的类金刚石碳层，该类金刚石碳层包括：

金属层；

具有金属和碳的第一复合层；

由碳制成的碳层；以及

位于最上表面上的含氟复合层。

2.根据权利要求1所述的滚动滑动件，其中第一复合层中的碳的比例从金属层一侧向碳层一侧逐渐增加。

3.根据权利要求1所述的滚动滑动件，其中类金刚石碳层还包括具有氟化合物和碳的第二复合层。

4.根据权利要求3所述的滚动滑动件，其中从表面侧朝向基材，类金刚石碳层按照含氟复合层、第二复合层、碳层、第一复合层、金属层的顺序排布。

5.根据权利要求3或4所述的滚动滑动件，其中第一复合层中的碳的比例从金属层一侧向碳层一侧逐渐增加，以及

第二复合层中的碳的比例从碳层一侧向含氟复合层一侧逐渐减少。

6.根据权利要求1所述的滚动滑动件，其中类金刚石碳层的等效弹性模数设定为80-240Gpa。

7.根据权利要求1所述的滚动滑动件，其中类金刚石碳层采用不平衡磁控管溅射形成。

8.根据权利要求1所述的滚动滑动件，其中所述金属层由Cr、W、Ti、Si、Ni以及Fe中的至少一种金属制成。

9.一种滚动装置，包括：

在外表面上具有滚道表面的内部元件；

外部元件，该外部元件在内表面上具有与内部元件的滚道表面相对的滚道表面，并位于内部元件的外侧；以及

可滚动地设置于两个滚道表面之间的滚动元件，

其中，所述内部元件、外部元件以及滚动元件中的至少一个是利用权利要求1所述的滚动滑动件形成的。

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