JP2004060668A

JP2004060668A - Rolling device

Info

Publication number: JP2004060668A
Application number: JP2002215521A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Tomizuka; 冨塚　靖史
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rolling device with a DLC film formed on a raceway surface of a raceway groove and/or on the rolling surface of a rolling element, improving seizure resistance (lubrication property) and wear resistance. <P>SOLUTION: A foundation layer formed as a thin film containing chrome, an intermediate layer formed as a thin film containing chrome and carbon and a B-C-N layer formed as a DLC film containing boron and nitrogen are formed in sequence on the surfaces 20, 30 of the raceway grooves 21, 31 of an inner ring 2 and an outer ring 3 formed of SUJ 2 and on the whole surfaces of balls 3 formed of SUJ 2. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに対向配置される軌道溝を備えた部材（第１部材および第２部材）と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置、すなわち、転がり軸受、ボールねじ、およびリニアガイド等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前述の転動装置においては、転動体の転動面と軌道部材（第１部材および第２部材）の軌道溝と間での摩擦や摩耗が大きいと、寿命が低下する。そのため、通常は、摩擦抵抗の小さい潤滑剤を使用して摩擦面間に薄い潤滑油膜を形成することで、摩擦を低減している。
【０００３】
しかしながら、半導体素子や液晶装置の製造装置で使用する転動装置に液状の潤滑剤を使用すると、潤滑剤から揮発したガスが半導体素子や液晶装置の性能を低下させるという問題点がある。また、液状の潤滑剤は、超低温環境では流動性が低下し、高温環境では熱劣化や酸化劣化が生じる。そのため、これらの特殊な環境で使用される転動装置では、固体潤滑剤からなる被膜を乾燥状態で摩擦面に設けることが行われている。
【０００４】
固体潤滑剤としては、▲１▼グラファイト、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、二硫化タングステン（ＷＳ_２）等の層状の結晶構造を有する無機物、▲２▼ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ナイロン、ポリイミド、ポリエチレン等の合成樹脂、▲３▼金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）等の軟金属が挙げられる。
【０００５】
固体潤滑剤による潤滑は、固体潤滑剤の剪断滑りを利用するものである。例えば、上記▲１▼に示す層状の結晶構造を有する無機物では、層内の金属結合に比べて層間のファンデルワールス力が小さいため、摩擦により層間に滑りが生じる。そして、例えば二硫化モリブデンを固体潤滑剤として用いることにより、摩擦面の摩擦係数を０．１程度と非常に小さくすることができる。
【０００６】
しかしながら、固体潤滑剤を用いた潤滑方法では、固体潤滑剤自体の摩耗を小さくする目的で比較的硬質の固体潤滑剤を使用すると、十分な潤滑性能が得られない場合がある。また、十分な潤滑性能を得る目的で軟質の固体潤滑剤を使用すると、潤滑作用の得られる時間が短くなる。
これに対して、ダイヤモンドライクカーボン（以下「ＤＬＣ」と略称する。）膜は、その表面がダイヤモンドに準ずる硬さ（１０ＧＰａ以上の塑性変形硬さ）を有し、摺動抵抗に関しても、摩擦係数が０．２以下と、二硫化モリブデンやフッ素樹脂と同程度に小さい。そのため、ＤＬＣ膜は転動装置の軌道溝等に形成する新たな耐摩耗性被膜として注目されている。
【０００７】
転がり軸受の軌道輪の軌道溝または転動体の転動面にＤＬＣ膜を形成することは、例えば特開平９−１４４７６４号公報、特開２０００−１３６８２８号公報、特開２０００−２０５２７７号公報、特開２０００−２０５２７９号公報、特開２０００−２０５２８０号公報等に記載されている。
ここで、転がり軸受の軌道溝等に形成されたＤＬＣ膜は、高い接触応力によって軌道溝等から剥離し易いという問題点がある。国際公開ＷＯ９９／１４５１２（特表２００１−５１６８５７号公報）には、この問題点を解決するために、軸受鋼からなる軌道溝に、金属層、移行帯（金属カーバイド層と金属層との交互層）、金属混合ＤＬＣ膜をこの順に設けることが記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、軌道部材の軌道溝および／または転動体の転動面にＤＬＣ膜が形成されている転動装置には、ＤＬＣ膜の耐焼き付き性（潤滑性）および耐摩耗性の点で更なる改善の余地がある。
本発明は、上記従来技術の課題に着目してなされたものであり、軌道部材の軌道溝および／または転動体の転動面にＤＬＣ膜が形成されている転動装置において、耐焼き付き性（潤滑性）および耐摩耗性を改善することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、互いに対向配置される軌道溝を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置において、第１部材の金属で形成された軌道溝、第２部材の金属で形成された軌道溝、および転動体の金属で形成された転動面の少なくともいずれかに、ホウ素（Ｂ）と窒素（Ｎ）を含有するダイヤモンドライクカーボン膜からなるＢ−Ｃ−Ｎ層が形成されていることを特徴とする転動装置を提供する。
【００１０】
本発明の転動装置によれば、軌道部材（第１部材および／または第２部材）の軌道溝および／または転動体の転動面にＢ−Ｃ−Ｎ層（ホウ素（Ｂ）と窒素（Ｎ）を含有するＤＬＣ膜）が形成されていることにより、ホウ素（Ｂ）と窒素（Ｎ）を含有しないＤＬＣ膜が形成されている場合よりも耐焼き付き性（潤滑性）および耐摩耗性が高くなる。
【００１１】
前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層中のホウ素（Ｂ）と窒素（Ｎ）の含有率は、Ｂ−Ｃ−Ｎ層全体で、ホウ素（Ｂ）：４０原子％以下、窒素（Ｎ）：５８原子％以下、ホウ素（Ｂ）と窒素（Ｎ）の合計：８０原子％以下であることが好ましい。
また、前記金属は鉄鋼材料であり、前記軌道溝或いは転動面に、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、硅素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、および鉄（Ｆｅ）の少なくともいずれか一つまたは複数の元素を含む組成の下地層と、前記下地層の構成元素と炭素（Ｃ）とを含有する中間層と、前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層と、がこの順に形成されていることが好ましい。
【００１２】
前記下地層は、格子定数が鉄と類似の元素からなる膜であり、鉄鋼材料で形成された軌道溝或いは転動面との密着性に優れている。この下地層に前記構成の中間層を介して前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層を形成することにより、高い接触応力が付与されても前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層が剥離することが防止される。
前記下地層の厚さは例えば４０ｎｍ〜５００ｎｍ、前記中間層の厚さは例えば４０ｎｍ〜５００ｎｍ、前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層の厚さは例えば０．２２μｍ〜４．０μｍ、３層合計の厚さは例えば０．３μｍ〜５．０μｍとする。
【００１３】
ここで、ＤＬＣ膜は、ダイヤモンド構造のＳＰ３結合とグラファイト構造のＳＰ２結合が混在しているアモルファス構造であり、ＳＰ３結合は硬さを付与し、ＳＰ２結合は摺動性（潤滑性）を付与する。そのため、ＳＰ３結合とＳＰ２結合の割合によってＤＬＣ膜の性質は変化する。すなわち、ＳＰ３結合が多いＤＬＣ膜は硬いが摺動性が低くなり、ＳＰ２結合が多いＤＬＣ膜は摺動性は高いが膜強度が低くなる傾向にある。
【００１４】
本発明では、炭素以外にホウ素（Ｂ）と窒素（Ｎ）を所定範囲で含有するＤＬＣ膜（Ｂ−Ｃ−Ｎ層）を形成することで、ＤＬＣ膜のＳＰ３結合とＳＰ２結合のバランスを良好にし、転動装置として好適な摺動性（潤滑性）と強度（耐摩耗性）を得ることができる。
Ｂ−Ｃ−Ｎ層の形成方法としては、マグネトロンスパッタリング、高周波スパッタリング、イオンビームアシストデポジション、イオンビームデポジション、イオンプレーティング、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲスパッタリング法等を採用することができる。特に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下「ＵＢＭＳ」と略称する。）法により形成することが好ましい。
【００１５】
ＵＢＭＳ法は、非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードを使用することにより、通常のマグネトロンスパッタリング法（バランスドマグネトロンスパッタリング法）と比較して基板（被成膜面）の近傍でのプラズマ密度を高くすることができるため、成膜時の基板温度を低くすることができる。また、基板に負の電力を印加して行うバイアススパッタリングにより、硬いＢ−Ｃ−Ｎ層が形成できるという利点もある。特に、ＵＢＭＳ法によるバイアススパッタリングは、ターゲット電力とバイアス電圧の制御および気体導入量の制御によって、Ｂ−Ｃ−Ｎ層の組成を制御し易いため、特に好ましい成膜法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
本発明の転動装置の第１実施形態として、図１に示す転がり軸受１を作製した。この転がり軸受１は、軸が固定される軌道部材である内輪（第１部材）２、ハウジング側に固定される軌道部材である外輪（第２部材）３、および玉（転動体）４からなる、保持器を用いない総ボール型のスラスト玉軸受である。内輪２、外輪３、および玉４は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼２種）で形成し、内輪２の軌道溝２１が形成されている面２０、外輪３の軌道溝３１が形成されている面３０、および玉４の表面全体に、下記の方法で薄膜を形成した。
【００１７】
成膜装置としては、（株）神戸製鋼所のＵＢＭＳ装置「５０４」を使用した。ターゲットとしてクロムとカーボン（炭素）と六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）をこの装置の所定位置に設置した。先ず、被成膜物である内輪２、外輪３、および玉４を溶剤により洗浄して、油分を除去した後に乾燥させた。
次に、これらを成膜装置のターンテーブルに載置して、被成膜物の表面をスパッタリングによりクリーンにして活性化する処理（ボンバード処理）を行った。このボンバード処理は、ターゲット電力０の状態でチャンバ内の圧力を１０^−２Ｐａ程度にし、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被成膜物に負の電力をかけ、１５分間アルゴンプラズマでスパッタリングすることにより行った。
【００１８】
次に、クロムのターゲット電力を「−」にし、被成膜物には、これより大きな負のバイアス電圧（−５０Ｖ〜−１００Ｖ）をかけて、チャンバ内にアルゴンガスを導入してＵＢＭＳを行った（下地層形成）。所定時間経過後に、クロムのターゲット電力を徐々に小さくするとともに、カーボンのターゲット電力を徐々に大きくしながら、アルゴンガスの導入をし続け、被成膜物のバイアス電圧はそのままでＵＢＭＳを継続した（中間層形成）。
【００１９】
所定時間経過後に、カーボンのターゲット電力を徐々に大きくすることは継続し、クロムのターゲット電力を０とし、六方晶窒化ホウ素のターゲット電力を印加し、これをカーボンのターゲット電力と同様に徐々に大きくした状態で、チャンバ内にアルゴンガスを導入し続けながらＵＢＭＳを継続した（Ｂ−Ｃ−Ｎ層形成）。
【００２０】
これにより、内輪２の軌道溝２１が形成されている面２０、外輪３の軌道溝３１が形成されている面３０、および玉４の表面全体に、クロムを含有する薄膜からなる下地層、クロムと炭素を含有し、炭素含有率が徐々に大きくなる薄膜からなる中間層、およびホウ素と窒素を含有するＤＬＣ膜からなるＢ−Ｃ−Ｎ層を、この順に形成した。
【００２１】
形成された膜をオージェ分光装置で深さ方向に分析したところ、図２に示すグラフが得られた。このグラフから分かるように、鉄（Ｆｅ）とクロム（Ｃｒ）とからなりクロムの含有率が徐々に大きくなる下地層が約０．３μｍの厚さで、この下地層の上に、クロムと炭素を含有し、炭素含有率が徐々に大きくなる中間層が約０．５５μｍの厚さで、この中間層の上にＢ−Ｃ−Ｎ層が約１．３５μｍの厚さで形成された。三層の合計厚さは約２．２μｍであった。
【００２２】
また、比較例用の内輪２、外輪３、および玉４として、ＳＵＪ２で形成し、内輪２の軌道溝２１が形成されている面２０、外輪３の軌道溝３１が形成されている面３０、および玉４の表面全体に、前述と同じ方法で下地層および中間層を形成した後、前述のＢ−Ｃ−Ｎ層に代えてホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜を、前述のＢ−Ｃ−Ｎ層と同じ膜厚で形成したものを用意した。
【００２３】
すなわち、六方晶窒化ホウ素のターゲットを使用せず、中間層形成後のＵＢＭＳを、クロムのターゲット電力を０とし、カーボンのターゲット電力を徐々に大きくすることを継続した状態で、チャンバ内にアルゴンガスを導入し続けながら行った。また、ＳＵＪ２で形成され、薄膜形成を一切行わない内輪２、外輪３、および玉４も用意した。
【００２４】
実施例として、前述の下地層、中間層、およびＢ−Ｃ−Ｎ層が形成された内輪２、外輪３、および玉４を用いて組み立てたスラスト軸受を３体用意した（実施例１−１〜１−３）。比較例として、前述のＢ−Ｃ−Ｎ層の代わりにホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜が形成された内輪２、外輪３、および玉４を用いて組み立てたスラスト軸受を３体（比較例１−１〜１−３）と、薄膜形成を一切行わない内輪２、外輪３、および玉４を用いて組み立てたスラスト軸受（比較例１−４）を１体用意した。
【００２５】
なお、実施例１−１〜１−３で形成した、前述の下地層、中間層、およびＢ−Ｃ−Ｎ層からなる三層構造の膜全体におけるホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）の含有率と、比較例１−１〜１−３で形成した、前述の下地層、中間層、およびホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜からなる三層構造の膜全体におけるホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）の含有率を下記の表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
そして、これらの実施例１−１〜１−３および比較例１−１〜１−４のスラスト軸受を、図３に示す試験機に取り付けて、耐焼付き性を調べる試験を行った。
すなわち、外輪３をハウジング５の台座５０上に、板状円環部材５１を介して固定するとともに、内輪２に軸６を固定し、台座５０および板状円環部材５１を介してスラスト軸受１に３９２０Ｎ（４００ｋｇｆ）のスラスト荷重Ｆを加えながら、軸６を回転速度７０００ｒｐｍで回転させた。そして、回転を開始してから焼き付きが発生するまでの回転時間（焼き付き発生時間）を測定した。なお、外輪３に予め熱電対を取り付けておき、この熱電対で回転中に外輪３の温度を常時測定し、この温度測定値が２００℃を超えた時点を焼き付きの発生時点とした。
【００２８】
次に、実施例１−１〜１−３および比較例１−１〜１−３の焼き付き発生時間を、比較例１−４の焼き付き発生時間で除算した。その各算出値を、耐焼き付き性の程度を示す相対値として図４に示した。
この結果から分かるように、実施例１−１〜１−３では、ＳＵＪ２で形成された内輪と外輪の軌道溝および玉の表面（転動体の転動面）全体に、比較例１−１〜１−３で成膜した「ホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜」に代えて、ホウ素と窒素を含有するＤＬＣ膜（Ｂ−Ｃ−Ｎ層）を形成することによって、焼き付き発生までの回転時間が１０倍以上となっている。すなわち、実施例１−１〜１−３の構成とすることにより、比較例１−１〜１−３の構成とした場合よりも、耐焼き付き性能が大幅に改善される。
【００２９】
また、この実施形態では、ＳＵＪ２で形成された内輪と外輪の軌道溝および玉の表面（転動体の転動面）全体に、クロムを含有する薄膜からなる下地層、クロムと炭素を含有し、炭素含有率が徐々に大きくなる薄膜からなる中間層、およびホウ素と窒素を含有するＤＬＣ膜からなるＢ−Ｃ−Ｎ層をこの順に形成しているため、軌道溝および転動面との密着性に優れており、高い接触応力が付与されても前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層が剥離することが防止される。
［第２実施形態］
本発明の転動装置の第２実施形態として、図５および６に示すリニアガイド装置１０を作製した。このリニアガイド装置１０は、案内レール（第１部材）１１とスライダ（第２部材）１２と玉（転動体）１３とからなる。案内レール１１の両側面に長手方向に平行に延びる軌道溝（転動体が転動する転動溝）１１ａが形成されている。
【００３０】
スライダ１２は、直動方向で本体１２Ａとエンドキャップ１２Ｂとに分割され、エンドキャップ１２Ｂが本体１２Ａの直動方向両端に配置されている。この本体１２Ａの両内側面に、案内レール１１の軌道溝１１ａと対向する軌道溝１２ａが形成されている。これらの軌道溝１１ａ，１２ａで玉１３が転動する転動通路２１が形成される。なお、上側の軌道溝１１ａは案内レール１１の角部に形成されているため、案内レール１１とスライダ１２との間に、玉１３を保持する合成樹脂製の保持器１７が設けてある。
【００３１】
スライダ１２の本体１２Ａには、軌道溝１２ａより外側に、直線状の戻し通路１５が形成されている。エンドキャップ１２Ｂには半円弧状の方向転換路が形成され、この方向転換路で転動通路２１と戻し通路１５とが連通され、これら各路で玉３を無限に循環させる循環経路が構成される。このリニアガイド装置は循環経路を四本（二対四列）備えており、各循環経路をボール３が転がることによって、スライダ２が案内レール１に沿ってスライドする。
【００３２】
案内レール１１の両側面（軌道溝１１ａが形成されている面全体）、スライダ１２の両内側面（軌道溝１２ａが形成されている面全体）、および玉１３の表面全体に、下記の方法で薄膜を形成した。
成膜装置としては、（株）神戸製鋼所のＵＢＭＳ装置「５０４」を使用した。ターゲットとして、クロムとカーボン（炭素）と六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）をこの装置の所定位置に設置した。先ず、被成膜物である案内レール１１、スライダ１２、および玉１３を溶剤により洗浄して、油分を除去した後に乾燥させた。
【００３３】
次に、これらを成膜装置のターンテーブルに載置して、被成膜物の表面をスパッタリングによりクリーンにして活性化する処理（ボンバード処理）を行った。このボンバード処理は、ターゲット電力０の状態でチャンバ内の圧力を１０^−２Ｐａ程度にし、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被成膜物に負の電力をかけ、１５分間アルゴンプラズマでスパッタリングすることにより行った。
【００３４】
次に、▲１▼クロムのターゲット電力を「−」にし、被成膜物には、これより大きな負のバイアス電圧（−５０Ｖ〜−１００Ｖ）をかけて、チャンバ内に、スパッタリングガス（加速してターゲットに入射させる粒子とするガス）であるアルゴンガスとともに窒素とメタンの混合ガスを導入してＵＢＭＳを行った（下地層形成）。
【００３５】
所定時間経過後に、▲２▼クロムのターゲット電力を徐々に小さくするとともに、六方晶窒化ホウ素のターゲット電力を徐々に大きくしながら、前記両ガスの導入を続け、被成膜物のバイアス電圧はそのままでＵＢＭＳを継続した。所定時間経過後（クロムのターゲット電力が０となった後）に、▲３▼カーボンのターゲット電力を徐々に大きくしながら、六方晶窒化ホウ素のターゲット電力を徐々に小さくして、チャンバ内に前記両ガスの導入を続けながらＵＢＭＳを継続した。
【００３６】
また、所定時間経過後に、▲４▼カーボンのターゲット電力を徐々に小さくしながら、六方晶窒化ホウ素のターゲット電力を徐々に大きくして、チャンバ内に前記両ガスの導入を続けながらＵＢＭＳを継続した。さらに、所定時間経過後に▲３▼と同じことを行った。この▲２▼→▲３▼→▲４▼→▲３▼の工程が中間層およびＢ−Ｃ−Ｎ層の形成工程である。
【００３７】
これにより、案内レール１１の両側面（軌道溝１１ａが形成されている面全体）、スライダ１２の両内側面（軌道溝１２ａが形成されている面全体）、および玉１３の表面全体に、クロムを含有する薄膜からなる下地層、クロムと炭素を含有する薄膜からなる中間層、組成が厚さ方向で変化するＢ−Ｃ−Ｎ層を、この順に形成した。
【００３８】
形成された膜をオージェ分光装置で深さ方向に分析したところ、図７に示すグラフが得られた。このグラフから分かるように、鉄（Ｆｅ）とクロム（Ｃｒ）と窒素（Ｎ）とからなりクロムの含有率が徐々に大きくなる下地層が約０．２７μｍの厚さで、この下地層の上に、クロムと炭素とホウ素と窒素を含有し、クロム以外の含有率が徐々に大きくなる中間層が約０．２２μｍの厚さで、この中間層の上にＢ−Ｃ−Ｎ層が約１．６６μｍの厚さで形成された。また、三層の合計厚さは約２．２μｍであった。
【００３９】
なお、Ｂ−Ｃ−Ｎ層は、中間層側から表面側に向けて、ＢとＮの含有率がＣの含有率より大きいＢＮリッチ層、ＢとＮの含有率がＣの含有率より小さいＣリッチ層の順に組成が変化し、最表面はＣリッチ層となっている。また、スパッタリング雰囲気に窒素とメタンの混合ガスを導入したため、下地層およ中間層にも窒素と炭素が含まれていた。
【００４０】
また、比較例用の案内レール１１、スライダ１２、および玉１３として、ＳＵＪ２で形成し、案内レール１１の両側面、スライダ１２の両内側面、および玉１３の表面全体に、前述と同じ方法で下地層および中間層を形成した後、前述のＢ−Ｃ−Ｎ層に代えてホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜を、前述のＢ−Ｃ−Ｎ層と同じ膜厚で形成したものを用意した。
【００４１】
すなわち、六方晶窒化ホウ素のターゲットを使用せず、下地層形成（前記▲１▼の工程）後のＵＢＭＳを、クロムのターゲット電力を０とし、カーボンのターゲット電力を徐々に大きくすることを継続した状態で、チャンバ内にアルゴンガスのみを導入し続けながら行った。また、ＳＵＪ２で形成され、薄膜形成を一切行わない案内レール１１、スライダ１２、および玉１３も用意した。
【００４２】
実施例として、前述の下地層、中間層、およびＢ−Ｃ−Ｎ層が形成された案内レール１１、スライダ１２、および玉１３を用いて組み立てたリニアガイド装置を３体用意した（実施例２−１〜２−３）。比較例として、前述のＢ−Ｃ−Ｎ層の代わりにホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜が形成された案内レール１１、スライダ１２、および玉１３を用いて組み立てたリニアガイド装置を３体（比較例２−１〜２−３）と、薄膜形成を一切行わない案内レール１１、スライダ１２、および玉１３を用いて組み立てたリニアガイド装置（比較例２−４）を１体用意した。
【００４３】
なお、実施例２−１〜２−３で形成した、前述の下地層、中間層、およびＢ−Ｃ−Ｎ層からなる三層構造の膜全体におけるホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）の含有率と、比較例２−１〜２−３で形成した、前述の下地層、中間層、およびホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜からなる三層構造の膜全体におけるホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）の含有率を下記の表２に示す。
【００４４】
【表２】

【００４５】
そして、これらの実施例２−１〜２−３および比較例２−１〜２−４のリニアガイド装置を、圧力１．０×１０^−６Ｐａの真空チャンバ内に入れ、玉１３の径を調節することで１．５ＧＰａの予圧を付与した状態で、スライダ１２を案内レール１１に対して延べ１０００ｋｍ往復移動させた後、軌道溝１１ａ，１２ａの摩耗量を測定した。
【００４６】
次に、実施例２−１〜２−３および比較例２−１〜２−３の摩耗量を、比較例２−４の摩耗量で除算した。その各算出値（摩耗量の相対値）を図８に示した。
この結果から分かるように、実施例２−１〜２−３のように、ホウ素と窒素を含有するＤＬＣ膜（Ｂ−Ｃ−Ｎ層）を、ＳＵＪ２で形成された案内レールおよびスライダの軌道溝と玉の表面（転動体の転動面）全体に形成することによって、膜形成を行わない場合（比較例２−４）よりも摩耗量を１／１０程度に小さくすることができる。これに対して、比較例２−１〜２−３のように、ホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜を形成した場合には、膜形成を行わない場合（比較例２−４）と比較した際の摩耗量の低減量は１／２程度である。
【００４７】
すなわち、ホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜に代えてホウ素と窒素を含有するＤＬＣ膜（Ｂ−Ｃ−Ｎ層）を、ＳＵＪ２で形成された案内レールおよびスライダの軌道溝と玉の表面（転動体の転動面）全体に形成することによって、摩耗量を１／５程度に改善することができる。したがって、この実施形態のリニアガイド装置によれば、ホウ素と窒素を含有しないＤＬＣ膜に代えてホウ素と窒素を含有するＤＬＣ膜（Ｂ−Ｃ−Ｎ層）を、ＳＵＪ２で形成された案内レールおよびスライダの軌道溝と玉の表面（転動体の転動面）全体に形成することにより、高い耐摩耗性が得られる。
【００４８】
また、この実施形態では、ＳＵＪ２で形成された案内レールおよびスライダの軌道溝と玉の表面（転動体の転動面）全体に、鉄とクロムと窒素とからなりクロムの含有率が徐々に大きくなる下地層、クロムと炭素とホウ素と窒素を含有し、クロム以外の含有率が徐々に大きくなる中間層、およびホウ素と窒素を含有するＤＬＣ膜からなるＢ−Ｃ−Ｎ層をこの順に形成しているため、軌道溝および転動面との密着性に優れており、高い接触応力が付与されても前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層が剥離することが防止される。
【００４９】
なお、本発明は、転がり軸受およびリニアガイド装置以外の転動装置（例えば、ボールねじ）にも適用できる。ボールねじでは、ねじ軸およびナットの一方が第１部材であって、他方が第２部材である。
また、上記各実施形態では、転動装置を構成する第１部材、第２部材、および転動体の材料としてＳＵＪ２を使用したが、これに限定されず、他の軸受鋼（ＳＵＪ３、ＳＵＪ４、ＳＵＪ５等）、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等）、浸炭鋼（ＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ等）、リニアガイド用鋼（Ｓ５３Ｃ相当、Ｓ５５Ｃ相当）を使用してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軌道溝の軌道面および／または転動体の転動面にＤＬＣ膜が形成されている転動装置において、前記ＤＬＣ膜としてホウ素（Ｂ）と窒素（Ｎ）を含有するＤＬＣ膜からなるＢ−Ｃ−Ｎ層を設けることにより、耐焼き付き性（潤滑性）および耐摩耗性を改善できる。
【００５１】
特に、請求項２に示すように、下地層、中間層、および前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層からなる三層構造とすることにより、前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層は、鉄鋼材料で形成された軌道溝および転動面との密着性に優れたものとなるため、高い接触応力が付与されても前記Ｂ−Ｃ−Ｎ層が剥離することが防止される。
したがって、本発明の転動装置は、半導体素子や液晶装置の製造装置に使用する転動装置、および超低温環境や高温環境で使用する転動装置として、好適なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転動装置の第１実施形態に相当する転がり軸受を示す断面図である。
【図２】第１実施形態で形成された膜をオージェ分光装置で深さ方向に分析して得られた、元素濃度と表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【図３】第１実施形態で耐焼付き性を調べるために使用した試験機を示す断面図である。
【図４】第１実施形態の実施例と比較例についての、耐焼き付き性試験の結果を示す棒グラフである。
【図５】本発明の転動装置の第２実施形態に相当するリニアガイド装置を示す斜視図である。
【図６】本発明の転動装置の第２実施形態に相当するリニアガイド装置を示す断面図である。
【図７】第２実施形態で形成された膜をオージェ分光装置で深さ方向に分析して得られた、元素濃度と表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【図８】第２実施形態の実施例と比較例についての、耐摩耗性試験の結果（摩耗量の相対値）を示す棒グラフである。
【符号の説明】
１　転がり軸受
２　内輪
２１　内輪の軌道溝
２０　内輪の軌道溝が形成されている面
３　外輪
３１　外輪の軌道溝
３０　外輪の軌道溝が形成されている面
４　玉（転動体）
５　ハウジング
５０　台座
５１　板状円環部材
１０　リニアガイド装置
１１　案内レール（第１部材）
１１ａ　軌道溝
１２　スライダ（第２部材）
１２Ａ　スライダの本体
１２Ｂ　エンドキャップ
１２ａ　軌道溝
１３　玉（転動体）
１５　戻し通路
１７　保持器
２１　転動通路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention includes at least a member having a track groove (a first member and a second member) that is arranged to face each other, and a plurality of rolling elements rotatably disposed between the track grooves of both members. The present invention relates to a rolling device in which one of a first member and a second member moves relative to the other as a rolling element rolls, that is, a rolling bearing, a ball screw, a linear guide, and the like.
[0002]
[Prior art]
In the above-mentioned rolling device, if the friction or wear between the rolling surface of the rolling element and the raceway grooves of the raceway members (the first member and the second member) is large, the life is shortened. Therefore, the friction is reduced by forming a thin lubricating oil film between the friction surfaces using a lubricant having a small frictional resistance.
[0003]
However, when a liquid lubricant is used in a rolling device used in a semiconductor device or liquid crystal device manufacturing apparatus, there is a problem that gas volatilized from the lubricant deteriorates the performance of the semiconductor device or the liquid crystal device. In addition, the fluidity of a liquid lubricant is reduced in an ultra-low temperature environment, and is deteriorated by heat or oxidation in a high temperature environment. Therefore, in a rolling device used in such a special environment, a coating made of a solid lubricant is provided on a friction surface in a dry state.
[0004]
Solid lubricants include (1) graphite, molybdenum disulfide (MoS ₂ ), Tungsten disulfide (WS ₂ ), A synthetic resin such as PTFE (polytetrafluoroethylene), nylon, polyimide, polyethylene, etc., and (3) gold (Au), silver (Ag), lead (Pb), Soft metals such as tin (Sn), indium (In), and zinc (Zn) can be used.
[0005]
Lubrication with a solid lubricant utilizes the shear sliding of the solid lubricant. For example, in the case of the inorganic substance having the layered crystal structure shown in the above (1), since the van der Waals force between the layers is smaller than the metal bond in the layer, slippage occurs between the layers due to friction. Then, for example, by using molybdenum disulfide as a solid lubricant, the friction coefficient of the friction surface can be made very small, about 0.1.
[0006]
However, in a lubrication method using a solid lubricant, if a relatively hard solid lubricant is used in order to reduce wear of the solid lubricant itself, sufficient lubrication performance may not be obtained. Further, when a soft solid lubricant is used for the purpose of obtaining sufficient lubrication performance, the time during which the lubrication action is obtained is shortened.
On the other hand, a diamond-like carbon (hereinafter abbreviated as “DLC”) film has a surface having a hardness equivalent to that of diamond (plastic deformation hardness of 10 GPa or more). Is 0.2 or less, which is as small as molybdenum disulfide or fluororesin. For this reason, the DLC film has attracted attention as a new wear-resistant film formed in a raceway groove or the like of a rolling device.
[0007]
Forming a DLC film on a raceway groove of a raceway ring of a rolling bearing or a rolling surface of a rolling element is disclosed in, for example, JP-A-9-114464, JP-A-2000-136828, JP-A-2000-205277, and It is described in JP-A-2000-205279, JP-A-2000-205280, and the like.
Here, there is a problem that the DLC film formed in the raceway groove or the like of the rolling bearing is easily separated from the raceway groove or the like due to high contact stress. In order to solve this problem, International Publication WO99 / 14512 (Japanese Patent Application Publication No. 2001-516857) discloses that a metal layer and a transition zone (alternate layers of a metal carbide layer and a metal layer) are provided in a raceway groove made of bearing steel. ) And providing a metal-mixed DLC film in this order.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the rolling device in which the DLC film is formed on the raceway groove of the raceway member and / or the rolling surface of the rolling element further improves the seizure resistance (lubricity) and wear resistance of the DLC film. There is room for
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the related art. In a rolling device in which a DLC film is formed on a raceway groove of a raceway member and / or a rolling surface of a rolling element, seizure resistance ( Lubricity) and abrasion resistance.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a first member and a second member having track grooves arranged to face each other, and a plurality of rolling members rotatably disposed between the track grooves of both members. A rolling element, wherein at least one of the first member and the second member moves relative to the other by rolling of the rolling element, wherein a raceway groove formed of metal of the first member; BC comprising a diamond-like carbon film containing boron (B) and nitrogen (N) on at least one of the raceway groove formed of two members of metal and the rolling surface formed of metal of the rolling element. A rolling device characterized in that a -N layer is formed.
[0010]
According to the rolling device of the present invention, the BCN layer (boron (B) and nitrogen (B) are formed on the raceway groove of the raceway member (the first member and / or the second member) and / or the rolling surface of the rolling element. (D) film containing N) has a higher seizure resistance (lubricity) and abrasion resistance than a DLC film containing neither boron (B) nor nitrogen (N). Get higher.
[0011]
The content of boron (B) and nitrogen (N) in the BCN layer is as follows: boron (B): 40 atomic% or less, nitrogen (N): 58 atomic% in the entire BCN layer. Hereinafter, it is preferable that the total content of boron (B) and nitrogen (N): 80 atomic% or less.
Further, the metal is a steel material, and chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), silicon (Si), nickel (Ni), and iron (Fe) are formed on the raceway groove or the rolling surface. An underlayer having a composition containing at least one or a plurality of elements, an intermediate layer containing the constituent elements of the underlayer and carbon (C), and the BCN layer are formed in this order. Is preferred.
[0012]
The underlayer is a film having a lattice constant made of an element similar to iron, and has excellent adhesion to a raceway groove or a rolling surface formed of a steel material. By forming the BCN layer on the underlayer via the intermediate layer having the above configuration, the BCN layer is prevented from peeling even when a high contact stress is applied.
The thickness of the underlayer is, for example, 40 nm to 500 nm, the thickness of the intermediate layer is, for example, 40 nm to 500 nm, and the thickness of the BCN layer is, for example, 0.22 μm to 4.0 μm. Is, for example, 0.3 μm to 5.0 μm.
[0013]
Here, the DLC film has an amorphous structure in which an SP3 bond having a diamond structure and an SP2 bond having a graphite structure are mixed. The SP3 bond imparts hardness, and the SP2 bond imparts slidability (lubricity). . Therefore, the properties of the DLC film change depending on the ratio between the SP3 bond and the SP2 bond. That is, the DLC film having a large number of SP3 bonds tends to be hard but has low slidability, and the DLC film having a large number of SP2 bonds tends to have high slidability but low film strength.
[0014]
In the present invention, by forming a DLC film (B-C-N layer) containing boron (B) and nitrogen (N) in a predetermined range in addition to carbon, a good balance between SP3 bond and SP2 bond of the DLC film is obtained. In addition, it is possible to obtain suitable sliding properties (lubricity) and strength (wear resistance) as a rolling device.
As a method of forming the BCN layer, magnetron sputtering, high-frequency sputtering, ion beam assisted deposition, ion beam deposition, ion plating, ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma CVD, ECR sputtering, or the like is employed. be able to. In particular, it is preferably formed by an unbalanced magnetron sputtering (hereinafter abbreviated as “UBMS”) method.
[0015]
The UBMS method uses a magnetron cathode having a non-equilibrium magnetic field distribution to increase the plasma density in the vicinity of the substrate (film formation surface) as compared with a normal magnetron sputtering method (balanced magnetron sputtering method). Therefore, the substrate temperature during film formation can be lowered. Another advantage is that a hard BCN layer can be formed by bias sputtering performed by applying negative power to the substrate. In particular, bias sputtering by the UBMS method is a particularly preferable film forming method because the composition of the BCN layer is easily controlled by controlling the target power and the bias voltage and controlling the gas introduction amount.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[First Embodiment]
As a first embodiment of the rolling device of the present invention, a rolling bearing 1 shown in FIG. 1 was manufactured. The rolling bearing 1 includes an inner ring (first member) 2 which is a track member to which a shaft is fixed, an outer ring (second member) 3 which is a track member fixed to the housing side, and a ball (rolling element) 4. This is a total ball type thrust ball bearing that does not use a cage. The inner ring 2, the outer ring 3, and the ball 4 are formed of SUJ2 (two types of high carbon chromium bearing steel), and the surface 20 of the inner ring 2 where the raceway groove 21 is formed, and the raceway groove 31 of the outer ring 3 are formed. A thin film was formed on the surface 30 and the entire surface of the ball 4 by the following method.
[0017]
As a film forming apparatus, a UBMS apparatus “504” of Kobe Steel Ltd. was used. Chromium, carbon (carbon), and hexagonal boron nitride (h-BN) were set as targets at predetermined positions of the apparatus. First, the inner ring 2, outer ring 3, and balls 4, which are the film-forming objects, were washed with a solvent to remove oil, and then dried.
Next, these were placed on a turntable of a film forming apparatus, and a process of cleaning and activating the surface of a film-forming object by sputtering (bombarding) was performed. In this bombardment process, the pressure in the chamber is set to 10 when the target power is 0. ^-2 The pressure was set to about Pa, argon gas was introduced into the chamber, negative power was applied to the film-forming object, and sputtering was performed by argon plasma for 15 minutes.
[0018]
Next, the target power of chromium is set to “−”, a negative bias voltage (−50 V to −100 V) higher than this is applied to the film formation object, and argon gas is introduced into the chamber to perform UBMS. (Underlayer formation). After a lapse of a predetermined time, while gradually reducing the target power of chromium and gradually increasing the target power of carbon, the introduction of argon gas was continued, and the UBMS was continued with the bias voltage of the object to be deposited unchanged ( Intermediate layer formation).
[0019]
After a lapse of a predetermined time, the target power of carbon is gradually increased, the target power of chromium is set to 0, the target power of hexagonal boron nitride is applied, and this is gradually increased similarly to the target power of carbon. In this state, UBMS was continued while the argon gas was continuously introduced into the chamber (BCN layer formation).
[0020]
As a result, the surface 20, on which the raceway grooves 21 of the inner race 2 are formed, the surface 30, on which the raceway grooves 31 of the outer race 3 are formed, and the entire surface of the ball 4, the base layer made of a thin film containing chromium, And an intermediate layer formed of a thin film containing carbon and a carbon content gradually increased, and a BCN layer formed of a DLC film containing boron and nitrogen were formed in this order.
[0021]
When the formed film was analyzed in the depth direction with an Auger spectrometer, a graph shown in FIG. 2 was obtained. As can be seen from this graph, the underlayer composed of iron (Fe) and chromium (Cr) and having a gradually increasing chromium content has a thickness of about 0.3 μm. And the intermediate layer having a gradually increasing carbon content was about 0.55 μm thick, and a BCN layer was formed on this intermediate layer with a thickness of about 1.35 μm. The total thickness of the three layers was about 2.2 μm.
[0022]
Further, the inner ring 2, the outer ring 3, and the ball 4 for the comparative example are formed of SUJ2, the surface 20 on which the raceway groove 21 of the inner race 2 is formed, the surface 30 on which the raceway groove 31 of the outer race 3 is formed, After forming an underlayer and an intermediate layer on the entire surface of the ball 4 in the same manner as described above, a DLC film containing no boron and nitrogen is replaced with the above-described B-C- One formed with the same thickness as the N layer was prepared.
[0023]
That is, without using the target of hexagonal boron nitride, the UBMS after the formation of the intermediate layer was subjected to argon gas in the chamber in a state where the target power of chromium was set to 0 and the target power of carbon was gradually increased. We went while introducing. Further, an inner ring 2, an outer ring 3, and a ball 4, which are formed of SUJ2 and do not form any thin film, were also prepared.
[0024]
As an example, three thrust bearings were prepared using the inner ring 2, the outer ring 3, and the ball 4 on which the above-described underlayer, intermediate layer, and BCN layer were formed (Example 1-1). ~ 1-3). As a comparative example, three thrust bearings assembled using the inner ring 2, the outer ring 3, and the ball 4 on which a DLC film containing no boron and nitrogen was formed instead of the BCN layer described above (Comparative Example 1) -1 to 1-3) and one thrust bearing (Comparative Example 1-4) assembled using the inner ring 2, the outer ring 3, and the ball 4 in which no thin film is formed.
[0025]
Note that boron (B), nitrogen (N), and carbon (B) in the entire three-layer structure film including the underlayer, the intermediate layer, and the BCN layer formed in Examples 1-1 to 1-3. The content of (C) and boron (B) in the entire three-layer structure film including the underlayer, the intermediate layer, and the DLC film containing no boron and nitrogen formed in Comparative Examples 1-1 to 1-3. ), Nitrogen (N) and carbon (C) are shown in Table 1 below.
[0026]
[Table 1]

[0027]
Then, the thrust bearings of Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 to 1-4 were attached to a test machine shown in FIG. 3 to perform a test for examining seizure resistance.
That is, the outer ring 3 is fixed on the pedestal 50 of the housing 5 via the plate-shaped annular member 51, the shaft 6 is fixed on the inner ring 2, and the thrust bearing 1 is fixed via the pedestal 50 and the plate-shaped annular member 51. The shaft 6 was rotated at a rotation speed of 7000 rpm while applying a thrust load F of 3920 N (400 kgf) to the shaft 6. Then, the rotation time from the start of rotation to the occurrence of image sticking (image sticking occurrence time) was measured. A thermocouple was attached to the outer ring 3 in advance, and the temperature of the outer ring 3 was constantly measured while rotating with the thermocouple, and a point in time when the measured temperature value exceeded 200 ° C. was defined as a point in time when seizure occurred.
[0028]
Next, the burning time of Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 to 1-3 was divided by the burning time of Comparative Example 1-4. Each calculated value is shown in FIG. 4 as a relative value indicating the degree of image sticking resistance.
As can be seen from the results, in Examples 1-1 to 1-3, the comparative example 1-1 to the entire raceway grooves of the inner ring and the outer ring and the entire surface of the ball (the rolling surface of the rolling element) formed of SUJ2. By forming a DLC film (BCN layer) containing boron and nitrogen instead of the “DLC film containing no boron and nitrogen” formed in 1-3, the rotation time until the occurrence of image sticking is increased. 10 times or more. That is, with the configuration of Examples 1-1 to 1-3, the anti-seizure performance is significantly improved as compared with the configuration of Comparative Examples 1-1 to 1-3.
[0029]
Further, in this embodiment, the entire surface of the raceway grooves of the inner ring and the outer ring formed of SUJ2 and the surface of the ball (the rolling surface of the rolling element) contains an underlayer made of a thin film containing chromium, and contains chromium and carbon; Since an intermediate layer composed of a thin film having a gradually increasing carbon content and a BCN layer composed of a DLC film containing boron and nitrogen are formed in this order, adhesion to the raceway groove and the rolling surface is improved. And the BCN layer is prevented from peeling off even when a high contact stress is applied.
[Second embodiment]
As a second embodiment of the rolling device of the present invention, a linear guide device 10 shown in FIGS. 5 and 6 was manufactured. The linear guide device 10 includes a guide rail (first member) 11, a slider (second member) 12, and a ball (rolling element) 13. On both side surfaces of the guide rail 11, track grooves (rolling grooves on which rolling elements roll) 11a extending in parallel with the longitudinal direction are formed.
[0030]
The slider 12 is divided into a main body 12A and an end cap 12B in the linear motion direction, and the end caps 12B are arranged at both ends in the linear motion direction of the main body 12A. A track groove 12a facing the track groove 11a of the guide rail 11 is formed on both inner side surfaces of the main body 12A. Rolling passages 21 in which the balls 13 roll are formed by these

raceway grooves

11a and 12a. Since the upper raceway groove 11 a is formed at a corner of the guide rail 11, a synthetic resin retainer 17 for holding the ball 13 is provided between the guide rail 11 and the slider 12.
[0031]
A linear return passage 15 is formed in the main body 12A of the slider 12 outside the track groove 12a. The end cap 12B is formed with a semi-arc-shaped turning path, and the rolling path 21 and the return path 15 communicate with each other through the turning path. Each of these paths forms a circulation path for circulating the balls 3 indefinitely. You. This linear guide device has four circulation paths (two to four rows), and the slider 2 slides along the guide rail 1 as the ball 3 rolls on each circulation path.
[0032]
The following method is applied to both side surfaces of the guide rail 11 (the entire surface on which the raceway groove 11a is formed), both inner side surfaces of the slider 12 (the entire surface on which the raceway groove 12a is formed), and the entire surface of the ball 13. A thin film was formed.
As a film forming apparatus, a UBMS apparatus “504” of Kobe Steel Ltd. was used. As targets, chromium, carbon (carbon), and hexagonal boron nitride (h-BN) were set at predetermined positions of the apparatus. First, the guide rail 11, the slider 12, and the ball 13, which are the objects to be formed, were washed with a solvent to remove oil, and then dried.
[0033]
Next, these were placed on a turntable of a film forming apparatus, and a process of cleaning and activating the surface of a film-forming object by sputtering (bombarding) was performed. In this bombardment process, the pressure in the chamber is set to 10 when the target power is 0 ^-2 The pressure was set to about Pa, argon gas was introduced into the chamber, negative power was applied to the film-forming object, and sputtering was performed by argon plasma for 15 minutes.
[0034]
Next, (1) the target power of chromium is set to “−”, a larger negative bias voltage (−50 V to −100 V) is applied to the film formation object, and a sputtering gas (accelerated by UBMS was performed by introducing a mixed gas of nitrogen and methane together with argon gas, which is a gas used as particles to be incident on the target.
[0035]
After a lapse of a predetermined time, (2) while gradually reducing the target power of chromium and gradually increasing the target power of hexagonal boron nitride, the introduction of the two gases is continued, and the bias voltage of the object to be film-formed remains unchanged. Continued UBMS. After a lapse of a predetermined time (after the chromium target power becomes 0), (3) the target power of hexagonal boron nitride is gradually reduced while the target power of carbon is gradually increased, and The UBMS was continued while introducing both gases.
[0036]
After a lapse of a predetermined time, (4) the target power of carbon was gradually reduced while the target power of hexagonal boron nitride was gradually increased, and the UBMS was continued while introducing both gases into the chamber. . Further, after the elapse of a predetermined time, the same operation as in (3) was performed. Steps (2) → (3) → (4) → (3) are steps for forming the intermediate layer and the BCN layer.
[0037]
Thus, both sides of the guide rail 11 (the entire surface on which the raceway groove 11a is formed), both inner side surfaces of the slider 12 (the entire surface on which the raceway groove 12a is formed), and the entire surface of the ball 13 have chrome. , A base layer consisting of a thin film containing chromium and carbon, an intermediate layer consisting of a thin film containing chromium and carbon, and a BCN layer whose composition changes in the thickness direction.
[0038]
When the formed film was analyzed in the depth direction using an Auger spectrometer, a graph shown in FIG. 7 was obtained. As can be seen from this graph, the underlayer composed of iron (Fe), chromium (Cr), and nitrogen (N) and having a gradually increasing chromium content has a thickness of about 0.27 μm. An intermediate layer containing chromium, carbon, boron, and nitrogen and having a gradually increasing content other than chromium has a thickness of about 0.22 μm, and a BCN layer on this intermediate layer has a thickness of about 1 μm. It was formed with a thickness of .66 μm. The total thickness of the three layers was about 2.2 μm.
[0039]
The BCN layer is a BN-rich layer in which the content of B and N is larger than the content of C, and the content of B and N is smaller than the content of C from the intermediate layer side to the surface side. The composition changes in the order of the C-rich layer, and the outermost surface is a C-rich layer. Further, since a mixed gas of nitrogen and methane was introduced into the sputtering atmosphere, the underlayer and the intermediate layer also contained nitrogen and carbon.
[0040]
Further, the guide rail 11, slider 12 and ball 13 for the comparative example are formed of SUJ2, and both sides of the guide rail 11, both inner side surfaces of the slider 12, and the entire surface of the ball 13 are formed in the same manner as described above. After the formation of the underlayer and the intermediate layer, a DLC film containing no boron and nitrogen was formed in the same thickness as the BCN layer in place of the BCN layer. .
[0041]
That is, without using the hexagonal boron nitride target, the UBMS after the formation of the underlayer (step (1) above) was continued with the chromium target power set to 0 and the carbon target power gradually increased. In this state, the test was performed while continuously introducing only argon gas into the chamber. Further, a guide rail 11, a slider 12, and a ball 13 formed of SUJ2 and not performing any thin film formation were also prepared.
[0042]
As an example, three linear guide devices were prepared using the guide rail 11, the slider 12, and the ball 13 on which the above-described underlayer, intermediate layer, and BCN layer were formed (Example 2). -1 to 2-3). As a comparative example, three linear guide devices assembled using a guide rail 11, a slider 12, and a ball 13 on which a DLC film containing no boron and nitrogen was formed instead of the BCN layer described above (comparison) Examples 2-1 to 2-3) and one linear guide device (Comparative Example 2-4) assembled using a guide rail 11, a slider 12, and a ball 13 in which no thin film was formed were prepared.
[0043]
Note that boron (B), nitrogen (N), and carbon (B) in the entire three-layer structure film including the above-described underlayer, intermediate layer, and BCN layer formed in Examples 2-1 to 2-3. The content of (C) and boron (B) in the entire three-layer structure film including the underlayer, the intermediate layer, and the DLC film containing no boron and nitrogen formed in Comparative Examples 2-1 to 2-3. ), Nitrogen (N) and carbon (C) are shown in Table 2 below.
[0044]
[Table 2]

[0045]
Then, the linear guide devices of Examples 2-1 to 2-3 and Comparative Examples 2-1 to 2-4 were set to a pressure of 1.0 × 10 ^-6 After the slider 12 is reciprocated 1000 km with respect to the guide rail 11 in a state in which the ball 12 is placed in a vacuum chamber and a preload of 1.5 GPa is applied by adjusting the diameter of the ball 13, the

track grooves

11 a, 12 a Was measured for the amount of wear.
[0046]
Next, the wear amount of Examples 2-1 to 2-3 and Comparative Examples 2-1 to 2-3 was divided by the wear amount of Comparative Example 2-4. FIG. 8 shows the calculated values (relative values of the amount of wear).
As can be seen from this result, as in Examples 2-1 to 2-3, the DLC film (BCN layer) containing boron and nitrogen was coated with the guide rail and the track groove of the slider formed of SUJ2. And the entire surface of the ball (the rolling surface of the rolling element), the wear amount can be reduced to about 1/10 compared to the case where no film is formed (Comparative Example 2-4). On the other hand, when a DLC film containing neither boron nor nitrogen was formed, as in Comparative Examples 2-1 to 2-3, when the film was not formed (Comparative Example 2-4), The amount of reduction in the amount of wear is about 1/2.
[0047]
That is, a DLC film containing boron and nitrogen (BCN layer) is replaced with a DLC film containing boron and nitrogen (BCN layer) instead of a DLC film containing boron and nitrogen. The wear amount can be reduced to about ５ by forming the entire rolling surface. Therefore, according to the linear guide device of this embodiment, a DLC film containing boron and nitrogen (BCN layer) is replaced with a DLC film containing boron and nitrogen instead of the DLC film containing no boron and nitrogen. High abrasion resistance can be obtained by forming the raceway groove of the slider and the entire surface of the ball (the rolling surface of the rolling element).
[0048]
Further, in this embodiment, the entire surface of the raceway grooves and balls of the guide rail and the slider formed of SUJ2 (the rolling surface of the rolling element) is composed of iron, chromium, and nitrogen, and the chromium content is gradually increased. An underlayer containing chromium, carbon, boron and nitrogen, and an intermediate layer in which the content other than chromium gradually increases, and a BCN layer composed of a DLC film containing boron and nitrogen. Therefore, the adhesiveness between the raceway groove and the rolling surface is excellent, and the BCN layer is prevented from peeling off even when a high contact stress is applied.
[0049]
The present invention can be applied to a rolling device (for example, a ball screw) other than the rolling bearing and the linear guide device. In the ball screw, one of the screw shaft and the nut is a first member, and the other is a second member.
Further, in each of the above embodiments, SUJ2 is used as the material of the first member, the second member, and the rolling element that constitute the rolling device. However, the present invention is not limited thereto. Etc.), stainless steel (SUS440C etc.), carburized steel (SCr420H, SCM420H etc.), and linear guide steel (S53C equivalent, S55C equivalent) may be used.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a rolling device in which a DLC film is formed on a raceway surface of a raceway groove and / or a rolling surface of a rolling element, boron (B) and nitrogen ( By providing a BCN layer comprising a DLC film containing N), seizure resistance (lubricity) and wear resistance can be improved.
[0051]
In particular, by having a three-layer structure including a base layer, an intermediate layer, and the BCN layer, the BCN layer is formed of a track formed of a steel material. Since the adhesiveness between the groove and the rolling surface is excellent, the BCN layer is prevented from peeling off even when a high contact stress is applied.
Therefore, the rolling device of the present invention is suitable as a rolling device used for a manufacturing device of a semiconductor element or a liquid crystal device, and a rolling device used in an ultra-low temperature environment or a high temperature environment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a rolling bearing corresponding to a first embodiment of a rolling device of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between an element concentration and a depth from a surface obtained by analyzing a film formed in the first embodiment in a depth direction by an Auger spectrometer.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a tester used for examining seizure resistance in the first embodiment.
FIG. 4 is a bar graph showing the results of a seizure resistance test for the example of the first embodiment and a comparative example.
FIG. 5 is a perspective view showing a linear guide device corresponding to a second embodiment of the rolling device of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing a linear guide device corresponding to a second embodiment of the rolling device of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the element concentration and the depth from the surface, obtained by analyzing the film formed in the second embodiment in the depth direction using an Auger spectrometer.
FIG. 8 is a bar graph showing a result of a wear resistance test (relative value of a wear amount) for an example of the second embodiment and a comparative example.
[Explanation of symbols]
1 Rolling bearing
2 inner ring
21 Inner ring raceway groove
20 Surface where the raceway groove of the inner ring is formed
3 Outer ring
31 Outer ring raceway groove
30 Surface with raceway groove of outer ring
4 balls (rolling element)
5 Housing
50 pedestals
51 Plate-shaped annular member
10 Linear guide device
11 guide rail (first member)
11a Track groove
12 Slider (second member)
12A Slider body
12B End cap
12a Track groove
13 balls (rolling element)
15 Return passage
17 Cage
21 Rolling passage

Claims

At least a first member and a second member having a raceway groove opposed to each other, and a plurality of rolling elements rotatably disposed between the raceway grooves of both members, wherein the rolling elements roll. In the rolling device in which one of the first member and the second member moves relative to the other,
Boron (B) and nitrogen (N) are formed on at least one of the raceway groove formed of the metal of the first member, the raceway groove formed of the metal of the second member, and the rolling surface formed of the metal of the rolling element. ) Comprising a BCN layer formed of a diamond-like carbon film containing

The metal is a steel material, and in the raceway groove or the rolling surface,
An underlayer having a composition containing at least one or more of chromium (Cr), tungsten (W), titanium (Ti), silicon (Si), nickel (Ni), and iron (Fe);
An intermediate layer containing a constituent element of the underlayer and carbon (C);
Said BCN layer;
Are formed in this order.