JP2006097871A - Rolling sliding member and rolling device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rolling sliding member and a rolling device having superior lubricating property even under environments not having sufficient moisture and gas such as high vacuum environment, and having superior abrasion resistance and durability. <P>SOLUTION: At least one of a raceway surface 1a of an inner ring 1, a raceway surface 2a of an outer ring 2 and a rolling face 3a of a rolling element 3 of a deep groove ball bearing is coated with a diamond-like carbon film D. The diamond-like carbon film D is composed of three layers, that is, a metallic layer M composed of at least one kind of metals of Cr, W, Ti, Si and Ni, a composite layer F composed of a compound of the metal composing the metallic layer M and carbon, and a carbon layer C composed of carbon, and these three layers are successively arranged in order of the carbon layer C, the composite layer F and the metallic layer M from a surface side. Further hydrogen is included in the carbon layer C, and a ratio (H/C) of the number of carbon atoms C and the number of hydrogen atoms H in the carbon layer C is 0.2-0.5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、潤滑性に優れる転がり摺動部材及び転動装置に関する。   The present invention relates to a rolling sliding member and a rolling device that are excellent in lubricity.

ダイヤモンドライクカーボン(以降はDLCと記すこともある)は、その表面硬さがダイヤモンドに準じて高く、表面の摩擦係数は0.2以下と二硫化モリブデンやフッ素樹脂と同様に小さい。このように、DLCは特異な表面性質を有していることから、転がり摺動部材の新たな潤滑材料として注目されている。そして、化学蒸着法(CVD),プラズマCVD,イオンビーム形成法,イオン蒸着法等によりDLCを形成した軸受が、特許文献1〜6に開示されている。   Diamond-like carbon (hereinafter sometimes referred to as DLC) has a surface hardness as high as that of diamond, and a surface friction coefficient of 0.2 or less, which is as small as molybdenum disulfide and fluororesin. Thus, since DLC has a peculiar surface property, it attracts attention as a new lubricating material for rolling and sliding members. Patent Documents 1 to 6 disclose bearings in which DLC is formed by chemical vapor deposition (CVD), plasma CVD, ion beam forming, ion vapor deposition, or the like.

DLCは、大気中の水分やガス等を表面に吸着することにより潤滑性が向上し、摩擦係数0.2以下の優れた潤滑性となる性質を備えている。また、その構造上、塑性変形硬さが20GPa以上であるため、耐摩耗性に優れている。よって、境界潤滑環境下又は潤滑剤を使用できない環境下で且つ大気中で使用される部材の潤滑に好適である。   DLC has the property of improving lubricity by adsorbing moisture, gas, etc. in the atmosphere to the surface, and having excellent lubricity with a friction coefficient of 0.2 or less. Moreover, because of its structure, the plastic deformation hardness is 20 GPa or more, it is excellent in wear resistance. Therefore, it is suitable for lubrication of members used in the atmosphere under the boundary lubrication environment or the environment where the lubricant cannot be used.

ただし、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下では、前述の吸着作用によるDLCの潤滑性の向上が十分には期待できない。そこで、前述の吸着作用が生じなくても優れた潤滑性を有し、水分やガスが十分に存在しない高真空環境下においても潤滑剤として使用可能なDLCが求められていた。
国際公開第99/14512号パンフレット 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 特開2001−72986号公報 Surface and Coating Technology120-121,p548-554(1999)
However, in an environment where moisture and gas are not sufficiently present, such as in a high vacuum environment, the DLC lubricity cannot be sufficiently improved by the above-described adsorption action. Accordingly, there has been a demand for a DLC that has excellent lubricity even if the above-described adsorption action does not occur and can be used as a lubricant even in a high vacuum environment where moisture and gas are not sufficiently present.
WO99 / 14512 pamphlet Japanese Patent Laid-Open No. 9-147464 JP 2000-136828 A JP 2000-205277 A JP 2000-205279 A JP 2000-205280 A JP 2001-72986 A Surface and Coating Technology120-121, p548-554 (1999)

DLC中の炭素原子同士の結合には、ダイヤモンドの場合と同様のsp2 結合と、グラファイトの場合と同様のsp3 結合とがあり、sp3 結合は硬さに関係するのに対して、sp2 結合は大気中では摺動性に関係すると言われている。ただし、高真空環境下においては、ダングリングボンド(未結合手)が存在すると、接触表面が活性になり摩擦,摩耗が進行する。 Bonds between carbon atoms in DLC include sp 2 bonds similar to those of diamond and sp 3 bonds similar to those of graphite, and sp 3 bonds are related to hardness. Two bonds are said to be related to slidability in the atmosphere. However, in a high vacuum environment, if dangling bonds (unbonded hands) exist, the contact surface becomes active and friction and wear progress.

DLC膜中の水素の含有量は、DLC膜の製法や成膜条件によって大きく変化し、電気的特性,機械的特性等のDLC膜の物性にも影響を与える。そして、水素はダングリングボンドのターミネーターとしても働くことから、前述の高真空環境下における摩擦,摩耗を抑制する作用がある。特許文献7には、水素の含有量が30原子%未満であるDLC膜を摺動面に被覆した摺動部材が開示されている。   The hydrogen content in the DLC film varies greatly depending on the manufacturing method and film forming conditions of the DLC film, and affects the physical properties of the DLC film such as electrical characteristics and mechanical characteristics. And since hydrogen also functions as a dangling bond terminator, it has the effect of suppressing friction and wear in the high vacuum environment described above. Patent Document 7 discloses a sliding member in which a sliding surface is coated with a DLC film having a hydrogen content of less than 30 atomic%.

また、プラズマCVD等の手法を用いて、ダングリングボンドを有する炭素と水素とを結合させて不活性にすることが試みられている(非特許文献1を参照)。
しかしながら、このようなDLC膜は表面硬さが十分ではなく、摩耗が進行しやすく耐久性が不十分である場合があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有するとともに、優れた耐摩耗性及び耐久性を有する転がり摺動部材及び転動装置を提供することを課題とする。
Further, it has been attempted to inactivate carbon having dangling bonds and hydrogen by using a method such as plasma CVD (see Non-Patent Document 1).
However, such a DLC film has insufficient surface hardness, wear is likely to progress, and durability may be insufficient.
Therefore, the present invention solves the problems of the prior art as described above, and has excellent lubricity and excellent wear resistance even in an environment where moisture and gas are not sufficiently present such as in a high vacuum environment. It is an object of the present invention to provide a rolling sliding member and a rolling device having durability and durability.

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項1の転がり摺動部材は、他部材と転がり接触する転がり接触面がダイヤモンドライクカーボン膜で覆われており、前記転がり接触面が鋼で構成された転がり摺動部材において、前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、Cr,W,Ti,Si,及びNiのうち少なくとも1種の金属からなる金属層と、前記金属層を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層と、炭素からなるカーボン層と、の3つの層で構成され、これらの3つの層は表面側からカーボン層,複合層,金属層の順に配されており、前記カーボン層には水素が含有され、前記カーボン層中の炭素原子の数Cと水素原子の数Hとの比H/Cは、0.2以上0.5以下であることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is, the rolling sliding member according to claim 1 according to the present invention is a rolling sliding member in which a rolling contact surface that is in rolling contact with another member is covered with a diamond-like carbon film, and the rolling contact surface is made of steel. The diamond-like carbon film includes a metal layer made of at least one metal of Cr, W, Ti, Si, and Ni, and a composite layer made of a compound of metal and carbon constituting the metal layer, A carbon layer composed of carbon, and these three layers are arranged in the order of a carbon layer, a composite layer, and a metal layer from the surface side, and the carbon layer contains hydrogen, The ratio H / C of the number C of carbon atoms and the number H of hydrogen atoms in the carbon layer is 0.2 or more and 0.5 or less.

また、本発明に係る請求項2の転がり摺動部材は、請求項1に記載の転がり摺動部材において、前記カーボン層中の炭素原子の数Cと水素原子の数Hとの比H/Cが、転がり接触面側から表面側に向かうに従って大きくなっていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項3の転がり摺動部材は、請求項1又は請求項2に記載の転がり摺動部材において、前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであり、前記複合層及び前記カーボン層の炭素供給源は固体状炭素及び炭化水素系ガスであることを特徴とする。
A rolling sliding member according to claim 2 of the present invention is the rolling sliding member according to claim 1, wherein the ratio H / C of the number C of carbon atoms and the number H of hydrogen atoms in the carbon layer. However, it is characterized by becoming larger as it goes from the rolling contact surface side to the surface side.
Furthermore, the rolling sliding member according to claim 3 according to the present invention is the rolling sliding member according to claim 1 or 2, wherein the diamond-like carbon film is formed by sputtering using a non-equilibrium magnetron. The carbon source of the composite layer and the carbon layer is solid carbon and hydrocarbon gas.

さらに、本発明に係る請求項4の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材,前記外方部材,及び前記転動体のうち少なくとも1つを、請求項1〜3のいずれかに記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする。   Furthermore, the rolling device according to claim 4 according to the present invention has an inner member having a raceway surface on the outer surface, and a raceway surface facing the raceway surface of the inner member, and is disposed outside the inner member. In the rolling device comprising: an outer member that is formed, and a plurality of rolling elements that are arranged to freely roll between the raceway surfaces, at least of the inner member, the outer member, and the rolling element One is a rolling sliding member according to any one of claims 1 to 3.

なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受,ボールねじ,リニアガイド装置,直動ベアリング等である。
また、本発明における内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくボールねじの場合にはねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には案内レール、同じく直動ベアリングの場合には軸をそれぞれ意味する。また、外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同じくリニアガイド装置の場合にはスライダ、同じく直動ベアリングの場合には外筒をそれぞれ意味する。
The present invention can be applied to various rolling devices. For example, a rolling bearing, a ball screw, a linear guide device, a linear motion bearing, and the like.
Further, the inner member in the present invention means an inner ring when the rolling device is a rolling bearing, a screw shaft when the ball screw is also used, a guide rail when the linear guide device is used, and a linear motion bearing. Means each axis. The outer member is the outer ring when the rolling device is a rolling bearing, the nut when it is a ball screw, the slider when it is a linear guide device, and the outer cylinder when it is also a linear bearing. Each means.

本発明の転がり摺動部材及び転動装置は、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有するとともに、優れた耐摩耗性及び耐久性を有する。   The rolling sliding member and rolling device of the present invention have excellent lubricity and excellent wear resistance and durability even in an environment where moisture and gas are not sufficiently present such as in a high vacuum environment. .

本発明に係る転がり摺動部材及び転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明に係る転動装置の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図であり、図2は、図1の深溝玉軸受のうち内輪の軌道面近傍部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
図1の深溝玉軸受は、外周面に軌道面1aを有する内輪1と、軌道面1aに対向する軌道面2aを内周面に有する外輪2と、両軌道面1a,2a間に転動自在に配された複数の転動体3と、両軌道面1a,2a間に複数の転動体3を保持する保持器4と、を備えている。
Embodiments of a rolling sliding member and a rolling device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial longitudinal sectional view showing a configuration of a deep groove ball bearing which is an embodiment of a rolling device according to the present invention, and FIG. 2 shows a portion near the raceway surface of the inner ring in the deep groove ball bearing of FIG. It is the partial expanded sectional view expanded and shown.
The deep groove ball bearing shown in FIG. 1 is rotatable between an inner ring 1 having a raceway surface 1a on an outer peripheral surface, an outer ring 2 having a raceway surface 2a facing the raceway surface 1a on an inner peripheral surface, and both raceway surfaces 1a and 2a. Are provided with a plurality of rolling elements 3 and a retainer 4 that holds the plurality of rolling elements 3 between both raceway surfaces 1a and 2a.

内輪1,外輪2,及び転動体3はSUJ2等の鋼製である。また、図2に示すように、他部材と転がり接触する転がり接触面である内輪1の軌道面1a,外輪2の軌道面2a,及び転動体3の転動面3aのうち少なくとも1つは、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン膜Dで覆われている。そして、このダイヤモンドライクカーボン膜Dは、図2に示すように、Cr,W,Ti,Si,及びNiのうち少なくとも1種の金属からなる金属層Mと、金属層Mを構成する金属と炭素との化合物からなる複合層Fと、炭素(ダイヤモンドライクカーボン)からなるカーボン層Cと、の3つの層で構成されていて、これらの3つの層は表面側からカーボン層C,複合層F,金属層Mの順に配されている。さらに、カーボン層Cには水素が含有され、カーボン層C中の炭素原子の数Cと水素原子の数Hとの比H/Cは、0.2以上0.5以下である。なお、図2においては、説明の便宜上、内輪1の軌道面1aのみにダイヤモンドライクカーボン膜Dを設けた図を示してある。   The inner ring 1, the outer ring 2, and the rolling element 3 are made of steel such as SUJ2. Further, as shown in FIG. 2, at least one of the raceway surface 1a of the inner ring 1, the raceway surface 2a of the outer ring 2, and the rolling surface 3a of the rolling element 3, which are rolling contact surfaces that make rolling contact with other members, It is covered with a diamond-like carbon film D having lubricity. As shown in FIG. 2, the diamond-like carbon film D includes a metal layer M made of at least one metal among Cr, W, Ti, Si, and Ni, and a metal and carbon constituting the metal layer M. And a carbon layer C made of carbon (diamond-like carbon). These three layers are formed from the surface side by the carbon layer C, the composite layer F, The metal layers M are arranged in this order. Further, the carbon layer C contains hydrogen, and the ratio H / C between the number C of carbon atoms and the number H of hydrogen atoms in the carbon layer C is 0.2 or more and 0.5 or less. In FIG. 2, for convenience of explanation, a diagram in which a diamond-like carbon film D is provided only on the raceway surface 1 a of the inner ring 1 is shown.

軌道面1aがダイヤモンドライクカーボン膜Dで覆われており、そのダイヤモンドライクカーボン膜Dは水素を含有するカーボン層Cを備えているので、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても優れた潤滑性を有する。これは、水素によってカーボン層C(ダイヤモンドライクカーボン膜D)の表面が不活性となり、摩擦,摩耗が抑制されるためである。このカーボン層Cの厚さは、1μm以上であることが好ましい。   Since the raceway surface 1a is covered with the diamond-like carbon film D and the diamond-like carbon film D includes the carbon layer C containing hydrogen, there is not enough moisture and gas as in a high vacuum environment. Excellent lubricity even in the environment. This is because the surface of the carbon layer C (diamond-like carbon film D) is inactivated by hydrogen, and friction and wear are suppressed. The thickness of the carbon layer C is preferably 1 μm or more.

また、ダイヤモンドライクカーボン膜Dは、複合層F及び金属層Mを備えている。これらカーボン層C,複合層F,金属層Mを、スパッタリング法等の手法により連続的に形成すれば、ダイヤモンドライクカーボン膜Dと軌道面1aを構成する鋼とを強固に密着させることができる。なお、スパッタリング法において、カーボンターゲットのスパッタ効率を徐々に増加させるとともに、金属のスパッタ効率を徐々に減少させれば、3つの層を金属層M,複合層F,カーボン層Cの順に連続的に形成することが可能である。   The diamond-like carbon film D includes a composite layer F and a metal layer M. If the carbon layer C, the composite layer F, and the metal layer M are continuously formed by a technique such as sputtering, the diamond-like carbon film D and the steel constituting the raceway surface 1a can be firmly adhered. In the sputtering method, if the sputtering efficiency of the carbon target is gradually increased and the sputtering efficiency of the metal is gradually decreased, the three layers are successively formed in the order of the metal layer M, the composite layer F, and the carbon layer C. It is possible to form.

カーボン層C中の炭素原子の数Cと水素原子の数Hとの比H/Cは、0.2以上0.5以下である必要があるが、0.2未満であるとカーボン層Cの硬さが高く剛性が大きくなるので、相手部材の摩耗を促進するとともに、転がり接触応力に対して変形しにくくなって、その結果剥離が生じやすくなる。一方、0.5超過であるとカーボン層Cの硬さが低くなるので、ダイヤモンドライクカーボン膜Dが摩耗しやすく耐久性が不十分となるおそれがある。   The ratio H / C between the number C of carbon atoms and the number H of hydrogen atoms in the carbon layer C needs to be 0.2 or more and 0.5 or less. Since the hardness is high and the rigidity is increased, wear of the mating member is promoted, and deformation with respect to rolling contact stress is difficult, and as a result, peeling is likely to occur. On the other hand, if it exceeds 0.5, the hardness of the carbon layer C becomes low, so that the diamond-like carbon film D is likely to be worn and the durability may be insufficient.

また、カーボン層C中の炭素原子の数Cと水素原子の数Hとの比H/Cは、軌道面1a側から表面側に向かうに従って大きくなっていることが好ましい。このようなカーボン層Cは、摩擦特性や耐摩耗性がより優れている。
さらに、ダイヤモンドライクカーボン膜Dは、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであることが好ましい。そして、複合層F及びカーボン層Cの炭素供給源は固体状炭素及び炭化水素系ガスであることが好ましい。
Further, the ratio H / C of the number C of carbon atoms and the number H of hydrogen atoms in the carbon layer C is preferably increased from the raceway surface 1a side to the surface side. Such a carbon layer C is more excellent in friction characteristics and wear resistance.
Furthermore, the diamond-like carbon film D is preferably formed by sputtering using a non-equilibrium magnetron. The carbon source of the composite layer F and the carbon layer C is preferably solid carbon and hydrocarbon gas.

DLC中の水素の含有量を調整する方法としては、プラズマCVDやプラズマソースイオン注入法が知られているが、この方法には、金属層を形成することが困難である、金属の量と炭素の量とを連続的に変化させて前述したスパッタリング法のように複合層及び金属層を形成することができないため下地である鋼に対する密着性が不十分である、カーボン層の硬さや弾性率を制御しにくい、というような問題点がある。   As a method for adjusting the hydrogen content in DLC, plasma CVD or plasma source ion implantation is known. However, in this method, it is difficult to form a metal layer. Since the composite layer and the metal layer cannot be formed as in the above-described sputtering method by continuously changing the amount of carbon, the adhesion to the underlying steel is insufficient. There is a problem that it is difficult to control.

また、高真空イオンプレーティング法によるDLCの形成は、炭化水素系ガスによって水素の供給を行うことが困難であるため、問題がある。
非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによれば、上記のような問題点がなく、カーボン層をスパッタリング法で形成する際に、例えば炭素供給源として固体状炭素と炭化水素系ガスとを併用すれば、カーボン層中の水素の含有量を制御することができる。炭化水素系ガスとしては、脂肪族炭化水素系ガス(例えばメタンのようなアルカン系炭化水素ガス)や芳香族炭化水素系ガスが使用可能である。
In addition, the formation of DLC by the high vacuum ion plating method is problematic because it is difficult to supply hydrogen with a hydrocarbon-based gas.
According to sputtering using a non-equilibrium type magnetron, there is no such problem as described above. For example, when a carbon layer is formed by sputtering, solid carbon and a hydrocarbon-based gas can be used together as a carbon supply source. The hydrogen content in the carbon layer can be controlled. As the hydrocarbon gas, an aliphatic hydrocarbon gas (for example, an alkane hydrocarbon gas such as methane) or an aromatic hydrocarbon gas can be used.

スパッタ電力を低下させ、炭化水素系ガスの量を増加させれば、水素の含有量の多いカーボン層が得られ、逆にスパッタ電力を増加させ、炭化水素系ガスの量を減少させれば、水素の含有量の少ないカーボン層が得られる。
このように、カーボン層の形成時にアシストガスの量を任意に調整可能であり、また、スパッタ電力及びバイアス電圧もそれぞれ独立に制御でき、しかも金属層及び複合層を形成可能であることから、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによりダイヤモンドライクカーボン膜を形成することが好ましい。
If the sputtering power is reduced and the amount of hydrocarbon-based gas is increased, a carbon layer with a high hydrogen content can be obtained. Conversely, if the sputtering power is increased and the amount of hydrocarbon-based gas is decreased, A carbon layer with a low hydrogen content is obtained.
As described above, the amount of the assist gas can be arbitrarily adjusted at the time of forming the carbon layer, the sputtering power and the bias voltage can be controlled independently, and the metal layer and the composite layer can be formed. It is preferable to form a diamond-like carbon film by sputtering using a balanced magnetron.

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
例えば、ダイヤモンドライクカーボン膜Dは、軌道面1a,軌道面2a,及び転動体3の転動面3aのうちの少なくとも一つに被覆すれば、深溝玉軸受の耐摩耗性及び耐久性を向上させることができる。また、保持器4の表面のうち、内輪1,外輪2,転動体3と接触して摺動する摺動面(例えば転動体3と接触して摺動するポケット面4a)に、ダイヤモンドライクカーボン膜Dを被覆してもよい。すなわち、内輪1の軌道面1a,外輪2の軌道面2a,転動体3の転動面3a,及び保持器4の摺動面のうちの少なくとも一つに、ダイヤモンドライクカーボン膜Dを被覆してもよい。さらに、深溝玉軸受は、保持器4を備えていない構成としてもよい。
In addition, this embodiment shows an example of this invention and this invention is not limited to this embodiment.
For example, when the diamond-like carbon film D covers at least one of the raceway surface 1a, the raceway surface 2a, and the rolling surface 3a of the rolling element 3, it improves the wear resistance and durability of the deep groove ball bearing. be able to. Further, among the surfaces of the cage 4, diamond-like carbon is formed on a sliding surface that slides in contact with the inner ring 1, outer ring 2, and rolling element 3 (for example, a pocket surface 4 a that slides in contact with the rolling element 3). The film D may be coated. That is, at least one of the raceway surface 1 a of the inner ring 1, the raceway surface 2 a of the outer ring 2, the rolling surface 3 a of the rolling element 3, and the sliding surface of the cage 4 is coated with the diamond-like carbon film D. Also good. Further, the deep groove ball bearing may be configured not to include the cage 4.

さらに、本実施形態においては転動装置の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、本発明は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受,自動調心玉軸受,円筒ころ軸受,円すいころ軸受,針状ころ軸受,自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受,スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ,リニアガイド装置,直動ベアリング等である。
Furthermore, in the present embodiment, a deep groove ball bearing has been described as an example of a rolling device, but the present invention can be applied to various types of other rolling bearings. For example, radial type rolling bearings such as angular contact ball bearings, self-aligning ball bearings, cylindrical roller bearings, tapered roller bearings, needle roller bearings, and self-aligning roller bearings, and thrust types such as thrust ball bearings and thrust roller bearings This is a rolling bearing.
Furthermore, the present invention can be applied not only to rolling bearings but also to various types of various rolling devices. For example, a ball screw, a linear guide device, a linear motion bearing, or the like.

〔実施例〕
さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。
まず、ボールオンディスク摩擦摩耗試験により、ダイヤモンドライクカーボン膜を備える転がり摺動部材の耐摩耗性を評価した。以下に、試験方法を説明する。
水平にした軸受鋼SUJ2製の試験平板の上に軸受鋼SUJ2製の試験球を載置し、試験球に試験平板を押圧する方向の圧力(面圧0.7GPa)を負荷しながら、真空環境下(真空度4×10-6Pa)において、試験球を滑り速度0.6m/sで水平方向に回転運動させた(回転運動時間は10minである)。そして、試験平板及び試験球に生じた摩耗の量を測定した。試験平板の摩耗量は、表面粗さ計により測定した摩耗深さにより評価した。また、試験球の摩耗量は、円形の摩耗痕の大きさから算出した。
〔Example〕
The present invention will be described with reference to specific examples.
First, the wear resistance of a rolling sliding member provided with a diamond-like carbon film was evaluated by a ball-on-disk friction and wear test. The test method will be described below.
A test ball made of bearing steel SUJ2 is placed on a horizontal test plate made of bearing steel SUJ2, and a vacuum environment is applied while applying pressure (surface pressure 0.7 GPa) in the direction of pressing the test plate to the test ball. Under the vacuum (degree of vacuum 4 × 10 −6 Pa), the test ball was rotated in the horizontal direction at a sliding speed of 0.6 m / s (rotational movement time was 10 min). Then, the amount of wear generated on the test flat plate and the test ball was measured. The amount of wear of the test plate was evaluated based on the wear depth measured with a surface roughness meter. Further, the wear amount of the test ball was calculated from the size of the circular wear scar.

なお、試験平板は、直径62mm,厚さ7mmの円板状である。そして、試験平板の表面には厚さ3mmのダイヤモンドライクカーボン膜が被覆されており、表面粗さは0.004μmRaである。また、試験球は、直径9.52mmのボールである。さらに、該ボールオンディスク摩擦摩耗試験においては、グリース,潤滑油等の潤滑剤は使用しなかった。   The test flat plate has a disk shape with a diameter of 62 mm and a thickness of 7 mm. The surface of the test flat plate is covered with a diamond-like carbon film having a thickness of 3 mm, and the surface roughness is 0.004 μmRa. The test ball is a ball having a diameter of 9.52 mm. Further, in the ball-on-disk friction and wear test, a lubricant such as grease or lubricating oil was not used.

ここで、試験平板の表面にダイヤモンドライクカーボン膜を形成する方法について説明する。油分を脱脂した試験平板を株式会社神戸製鋼所製のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置504(以降はUBMS装置と記す)に設置し、アルゴンプラズマによるスパッタリング法を用いて、表面にボンバード処理を15分間施した。   Here, a method for forming a diamond-like carbon film on the surface of the test flat plate will be described. The test plate degreased in oil was placed in an unbalanced magnetron sputtering apparatus 504 (hereinafter referred to as UBMS apparatus) manufactured by Kobe Steel, Ltd., and bombarded on the surface for 15 minutes using a sputtering method using argon plasma. did.

そして、タングステン及びクロムをターゲットとして、表面にこの2種類の金属をスパッタリングして成膜し、金属層を形成した。次に、この2種類の金属のスパッタリングを続けながら、カーボンをターゲットとした炭素のスパッタリングを開始した。このようなスパッタリングによって、前記2種類の金属と炭素とが結合した金属カーバイドからなる複合層が、金属層の上に形成された。   Then, using tungsten and chromium as targets, the two types of metals were sputtered onto the surface to form a metal layer. Next, while continuing the sputtering of these two kinds of metals, the sputtering of carbon using carbon as a target was started. By such sputtering, a composite layer made of metal carbide in which the two kinds of metals and carbon were bonded was formed on the metal layer.

さらに、前記2種類の金属のスパッタ効率を徐々に減少させながら、炭素のスパッタ効率を徐々に増加させた。この時、試験平板には負のバイアス電圧を印加した。そして、前記2種類の金属のスパッタリングを終了し、炭素のスパッタリングのみとして、複合層の上にダイヤモンドライクカーボンからなるカーボン層を形成した。   Furthermore, the sputtering efficiency of carbon was gradually increased while gradually decreasing the sputtering efficiency of the two kinds of metals. At this time, a negative bias voltage was applied to the test plate. Then, the sputtering of the two kinds of metals was finished, and a carbon layer made of diamond-like carbon was formed on the composite layer only for carbon sputtering.

炭素のスパッタリングのみを行いカーボン層を形成する際には、カーボンターゲットとして固体状炭素とメタンガスとを使用し、メタンガスの分圧(メタンガスの量)を制御しながらスパッタリングを行った。このようなスパッタリングにおいて、スパッタ電力とメタンガスの量とを調節することにより、カーボン層に含有される水素の量を制御することができる。例えば、スパッタ電力を低下させ、メタンガスの量を増加させれば、水素の含有量の多いカーボン層が得られ、逆にスパッタ電力を増加させ、メタンガスの量を減少させれば、水素の含有量の少ないカーボン層が得られる。   When forming a carbon layer by performing only carbon sputtering, sputtering was performed using solid carbon and methane gas as a carbon target and controlling the partial pressure of methane gas (amount of methane gas). In such sputtering, the amount of hydrogen contained in the carbon layer can be controlled by adjusting the sputtering power and the amount of methane gas. For example, if the sputtering power is reduced and the amount of methane gas is increased, a carbon layer having a high hydrogen content can be obtained. Conversely, if the sputtering power is increased and the amount of methane gas is decreased, the hydrogen content is increased. A carbon layer with a low content can be obtained.

ボールオンディスク摩擦摩耗試験の結果を、図3,4に示す。図3は、カーボン層中の水素の含有量と試験平板の摩耗深さとの関係を示すグラフであり、図4は、カーボン層中の水素の含有量と試験球の摩耗量との関係を示すグラフである。なお、両グラフに示したカーボン層中の水素の含有量とは、カーボン層中の炭素原子の数Cと水素原子の数Hとの比H/Cである。   The results of the ball-on-disk friction and wear test are shown in FIGS. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the hydrogen content in the carbon layer and the wear depth of the test flat plate, and FIG. 4 shows the relationship between the hydrogen content in the carbon layer and the wear amount of the test ball. It is a graph. The hydrogen content in the carbon layer shown in both graphs is the ratio H / C of the number C of carbon atoms and the number H of hydrogen atoms in the carbon layer.

図3のグラフから、カーボン層中の水素の含有量が0.5以下であると、試験平板の摩耗深さが小さいことが分かる。また、図4のグラフから、カーボン層中の水素の含有量が0.2以上であると、試験球の摩耗量が小さいことが分かる。これらの結果から、カーボン層中の水素の含有量が0.2以上0.5以下であると、高真空環境下のような水分やガスが十分に存在しない環境下においても、転がり摺動部材の耐摩耗性が優れていることが分かる。   From the graph of FIG. 3, it can be seen that the wear depth of the test flat plate is small when the hydrogen content in the carbon layer is 0.5 or less. Moreover, it can be seen from the graph of FIG. 4 that the wear amount of the test ball is small when the hydrogen content in the carbon layer is 0.2 or more. From these results, when the hydrogen content in the carbon layer is 0.2 or more and 0.5 or less, the rolling and sliding member even in an environment where moisture and gas are not sufficiently present such as in a high vacuum environment. It can be seen that the wear resistance is excellent.

次に、転がり接触面にダイヤモンドライクカーボン膜を被覆した転がり軸受について、高真空環境下において回転試験を行い、耐久性を評価した。以下に、試験方法を説明する。
転がり軸受を高真空環境下(真空度4×10-6Pa)に配し、アキシアル荷重50Nを負荷しながら回転速度3000rpmで回転させた。そして、メータリレーによる負荷電流が過電流に至るまでの時間を寿命とした。
Next, a rolling test in which a rolling contact surface was coated with a diamond-like carbon film was subjected to a rotation test in a high vacuum environment to evaluate durability. The test method will be described below.
The rolling bearing was placed in a high vacuum environment (degree of vacuum 4 × 10 −6 Pa) and rotated at a rotational speed of 3000 rpm while applying an axial load of 50N. The time until the load current by the meter relay reaches an overcurrent was defined as the life.

なお、この転がり軸受は内径30mm,外径62mmの深溝玉軸受であり、内輪の軌道面,外輪の軌道面,及び保持器のポケット面に、それぞれ前述のようなダイヤモンドライクカーボン膜が被覆してある。
ダイヤモンドライクカーボン膜の形成は、UBMS装置を用いて、前述とほぼ同様にして行った。ただし、カーボン層の厚さは0.8μm、複合層の厚さは1.5μmであり、金属層及び複合層の金属成分にはクロムを用いた。また、カーボン層中の炭素原子の数Cと水素原子の数Hとの比H/Cが、転がり接触面側部分と表面側部分とで異なり、転がり接触面側部分のH/Cは0.22以上0.3未満、表面側部分のH/Cは0.3以上0.5以下である。そして、カーボン層の転がり接触面側部分の硬さは20GPa以上30GPa以下であり、表面側部分の硬さは2GPa以上4GPa以下である。
The rolling bearing is a deep groove ball bearing having an inner diameter of 30 mm and an outer diameter of 62 mm. is there.
The diamond-like carbon film was formed using a UBMS apparatus in substantially the same manner as described above. However, the thickness of the carbon layer was 0.8 μm, the thickness of the composite layer was 1.5 μm, and chromium was used for the metal component of the metal layer and the composite layer. Further, the ratio H / C of the number C of carbon atoms and the number H of hydrogen atoms in the carbon layer is different between the rolling contact surface side portion and the surface side portion, and the H / C of the rolling contact surface side portion is 0. It is 22 or more and less than 0.3, and H / C of the surface side portion is 0.3 or more and 0.5 or less. And the hardness of the rolling contact surface side part of a carbon layer is 20 GPa or more and 30 GPa or less, and the hardness of a surface side part is 2 GPa or more and 4 GPa or less.

転がり軸受の回転試験の結果を、表1に示す。実施例1〜4の結果から、H/Cが0.3以上0.5以下の部分の厚さが0.7μm以上であると、カーボン層の耐摩耗性が優れ、転がり軸受が長寿命であることが分かる。また、実施例5,6の結果から、H/Cが0.22以上0.3未満の部分の厚さが0.4μm以上であると、カーボン層の耐摩耗性が優れ、転がり軸受が長寿命であることが分かる。   Table 1 shows the results of the rotation test of the rolling bearing. From the results of Examples 1 to 4, when the thickness of the portion where H / C is 0.3 or more and 0.5 or less is 0.7 μm or more, the wear resistance of the carbon layer is excellent, and the rolling bearing has a long life. I understand that there is. Further, from the results of Examples 5 and 6, when the thickness of the portion where H / C is 0.22 or more and less than 0.3 is 0.4 μm or more, the wear resistance of the carbon layer is excellent, and the rolling bearing is long. It turns out that it is a lifetime.

Figure 2006097871
Figure 2006097871

なお、カーボン層の厚さと硬さは、スパッタリングによるダイヤモンドライクカーボン膜の成膜中に、成膜を一時中断して測定した。厚さは、マスキングにより生じた段差を表面形状測定器により測定した。また、硬さは、株式会社エリオニクス製の超微小押し込み硬さ試験機を用いて測定した。押し込み荷重20mNの条件で測定し、荷重−除荷曲線から硬さを求めることができる。ただし、厚さ1μm以下の薄膜の硬さを測定する場合には、押し込み荷重を0.4〜20mNに設定し、押し込み深さがカーボン層の厚さの範囲内とすることが好ましい。   The thickness and hardness of the carbon layer were measured by interrupting the film formation during the formation of the diamond-like carbon film by sputtering. The thickness was measured by a surface shape measuring instrument for the level difference caused by masking. The hardness was measured using an ultra-fine indentation hardness tester manufactured by Elionix Corporation. It can be measured under the condition of an indentation load of 20 mN, and the hardness can be obtained from the load-unloading curve. However, when measuring the hardness of a thin film having a thickness of 1 μm or less, it is preferable that the indentation load is set to 0.4 to 20 mN and the indentation depth is within the range of the thickness of the carbon layer.

本発明に係る転動装置の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。It is a fragmentary longitudinal cross-section which shows the structure of the deep groove ball bearing which is one Embodiment of the rolling device which concerns on this invention. 図1の深溝玉軸受のうち内輪の軌道面近傍部分を拡大して示した部分拡大断面図である。It is the elements on larger scale which expanded and showed the track surface vicinity part of an inner ring among the deep groove ball bearings of FIG. カーボン層中の水素の含有量と試験平板の摩耗深さとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between content of hydrogen in a carbon layer, and the wear depth of a test flat plate. カーボン層中の水素の含有量と試験球の摩耗量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between content of hydrogen in a carbon layer, and the amount of wear of a test ball.

符号の説明Explanation of symbols

1 内輪
1a 軌道面
2 外輪
2a 軌道面
3 転動体
3a 転動面
D ダイヤモンドライクカーボン膜
M 金属層
F 複合層
C カーボン層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inner ring 1a Raceway surface 2 Outer ring 2a Raceway surface 3 Rolling element 3a Rolling surface D Diamond-like carbon film M Metal layer F Composite layer C Carbon layer

Claims (4)

他部材と転がり接触する転がり接触面がダイヤモンドライクカーボン膜で覆われており、前記転がり接触面が鋼で構成された転がり摺動部材において、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、Cr,W,Ti,Si,及びNiのうち少なくとも1種の金属からなる金属層と、前記金属層を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層と、炭素からなるカーボン層と、の3つの層で構成され、これらの3つの層は表面側からカーボン層,複合層,金属層の順に配されており、
前記カーボン層には水素が含有され、前記カーボン層中の炭素原子の数Cと水素原子の数Hとの比H/Cは、0.2以上0.5以下であることを特徴とする転がり摺動部材。
In the rolling sliding member in which the rolling contact surface that is in rolling contact with the other member is covered with a diamond-like carbon film, and the rolling contact surface is made of steel,
The diamond-like carbon film includes a metal layer made of at least one metal of Cr, W, Ti, Si, and Ni, a composite layer made of a compound of metal and carbon constituting the metal layer, and carbon. The carbon layer is composed of three layers, and these three layers are arranged in the order of the carbon layer, the composite layer, and the metal layer from the surface side.
The carbon layer contains hydrogen, and the ratio H / C between the number C of carbon atoms and the number H of hydrogen atoms in the carbon layer is 0.2 or more and 0.5 or less. Sliding member.
前記カーボン層中の炭素原子の数Cと水素原子の数Hとの比H/Cが、転がり接触面側から表面側に向かうに従って大きくなっていることを特徴とする請求項1に記載の転がり摺動部材。   The rolling according to claim 1, wherein the ratio H / C of the number C of carbon atoms and the number H of hydrogen atoms in the carbon layer increases from the rolling contact surface side toward the surface side. Sliding member. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであり、前記複合層及び前記カーボン層の炭素供給源は固体状炭素及び炭化水素系ガスであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の転がり摺動部材。   The diamond-like carbon film is formed by sputtering using a nonequilibrium type magnetron, and the carbon supply source of the composite layer and the carbon layer is solid carbon and hydrocarbon gas. The rolling sliding member according to claim 1 or 2. 外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材,前記外方部材,及び前記転動体のうち少なくとも1つを、請求項1〜3のいずれかに記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする転動装置。   An inner member having a raceway surface on the outer surface, an outer member having a raceway surface opposite to the raceway surface of the inner member and disposed outside the inner member, and rolling between the raceway surfaces A rolling device comprising a plurality of freely arranged rolling elements, wherein at least one of the inner member, the outer member, and the rolling element is according to any one of claims 1 to 3. A rolling device characterized by being a rolling sliding member.
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