JP2007327594A - 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 that are suitably usable even under conditions of a large contact stress being applied, or under no lubrication. <P>SOLUTION: A DLC layer D coats the base material of an inner ring 1, an outer ring 2, and balls 3 on the contact face between the inner ring 1, outer ring 2, and balls 3 of a thrust ball bearing. The surface roughness Ra at a part in the base material coated with the DLC layer D is 0.03-0.2 μm. The DLC layer D is composed of five layers of: a carbon layer C composed of carbon; a composite carbon layer FC composed of molybdenum and carbon; a first metal layer M1 composed of molybdenum; a composite metal layer FM composed of molybdenum and chromium; and a second metal layer M2 composed of chromium. The five layers are respectively arranged in the order of the carbon layer C, the composite carbon layer FC, the first metal layer M1, the composite metal layer FM, and the second metal layer M2 from the surface side of the DLC layer D. Each equivalent elastic constant of the five layers is 0.8-1.5 times the equivalent elastic constant of the base material. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、潤滑性に優れる転がり摺動部材及び該転がり摺動部材で構成された転動装置に係り、特に、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能な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 having excellent lubricity and a rolling device constituted by the rolling sliding member, and can be suitably used particularly under conditions where a large contact stress acts or under no lubrication. The present invention relates to a rolling sliding member and a rolling device.

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、その表面がダイヤモンドに準ずる硬さを有し、摺動抵抗も摩擦係数が0.2以下と二硫化モリブデンやフッ素樹脂と同様に小さいことから、従来から潤滑性材料として使用されている。
例えば、磁気ディスク装置においては、磁気素子又は磁気ディスクの表面に数十オングストロームのDLC膜を形成することにより、磁気素子と磁気ディスクとの間の潤滑性を高めて磁気ディスクの表面を保護している。
Diamond-like carbon (hereinafter sometimes referred to as DLC) has a hardness similar to that of diamond, and its sliding resistance is as low as 0.2 or less, like molybdenum disulfide and fluororesin. Therefore, it has been conventionally used as a lubricating material.
For example, in a magnetic disk device, by forming a DLC film of several tens of angstroms on the surface of the magnetic element or the magnetic disk, the lubricity between the magnetic element and the magnetic disk is improved to protect the surface of the magnetic disk. Yes.

一方、上記のような特異な表面の性質から、DLCは転がり摺動部材の新たな潤滑性材料として注目されており、近年、軸受への潤滑性の付与に利用されている。
例えば、特許文献1には、軌道輪の軌道面や転動体の表面に金属を含有するDLC膜を備えた転がり軸受が開示されている。この転がり軸受においては、前記DLC膜により接触応力が緩和される。
また、CVD法,プラズマCVD法,イオンビーム形成法,イオン化蒸着法,非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリング法等によって、軌道輪の軌道面や転動体の表面にDLC膜を形成した転がり軸受等の転動装置が知られている(例えば、特許文献2〜7を参照)。
On the other hand, DLC has attracted attention as a new lubricating material for rolling and sliding members due to the unique surface properties as described above, and has recently been used to impart lubricity to bearings.
For example, Patent Document 1 discloses a rolling bearing including a DLC film containing metal on the raceway surface of a raceway or the surface of a rolling element. In this rolling bearing, the contact stress is relieved by the DLC film.
In addition, a rolling bearing having a DLC film formed on the raceway surface of the raceway and the surface of the rolling element by CVD method, plasma CVD method, ion beam forming method, ionized vapor deposition method, sputtering method using non-equilibrium magnetron, etc. A rolling device is known (see, for example, Patent Documents 2 to 7).

国際公開WO99/14512号公報International Publication No. WO99 / 14512 特開平9−144764号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-147464 特開2000−136828号公報JP 2000-136828 A 特開2000−205277号公報JP 2000-205277 A 特開2000−205279号公報JP 2000-205279 A 特開2000−205280号公報JP 2000-205280 A 特開2003−56575号公報JP 2003-56575 A

特許文献7に記載の技術によれば、繰り返し応力によるDLC膜の破損や母材からのDLC膜の剥離が生じにくいので、転がり軸受等の転動装置は、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても使用可能であるが、さらに大きな接触応力が作用するような条件下での使用を考えると、さらなる改良が望まれる。
上記のような破損が起きる原因としては、以下の2点が考えられる。
According to the technique described in Patent Document 7, damage to the DLC film due to repeated stress and peeling of the DLC film from the base material are unlikely to occur. Although it can be used under low or unlubricated conditions, further improvement is desired in consideration of use under conditions where a larger contact stress acts.
The following two points can be considered as causes of the above damage.

まず、1点目は、鋼とDLC膜との密着性を向上させるために介在された金属中間層の脆性化の問題である。すなわち、金属中間層を構成する金属とDLC膜を構成する炭素とが結合して脆さを有する金属カーバイドが生成するため、金属中間層が脆性化して、DLC膜が破損しやすくなるのである。
2点目は、DLC膜は、応力が作用しても非常に変形しにくい性質を有しているという問題である。DLCは硬く高弾性であるので、ステンレス鋼や軸受鋼等のような等価弾性定数の小さい金属材料に被覆されていると、両者の等価弾性定数の違いから、母材の変形にDLCが追従することができずに、DLC膜が破損する場合がある。
First, the first point is a problem of embrittlement of the metal intermediate layer interposed in order to improve the adhesion between the steel and the DLC film. That is, since the metal constituting the metal intermediate layer and the carbon constituting the DLC film are combined to produce brittle metal carbide, the metal intermediate layer becomes brittle and the DLC film is easily damaged.
The second problem is that the DLC film has a property of being hardly deformed even when stress is applied. Since DLC is hard and highly elastic, if it is covered with a metal material having a small equivalent elastic constant such as stainless steel or bearing steel, the DLC follows the deformation of the base material due to the difference in the equivalent elastic constant between the two. In some cases, the DLC film may be damaged.

また、母材とDLC膜の界面における密着力が不十分であると、DLC膜全体が母材から剥離するおそれもある。
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、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能な転がり摺動部材を提供することを課題とする。また、このような転がり摺動部材を備える、潤滑性に優れた転動装置を提供することを併せて課題とする。
Further, if the adhesion at the interface between the base material and the DLC film is insufficient, the entire DLC film may be peeled off from the base material.
Accordingly, the present invention provides a rolling sliding member that can solve the above-described problems of the prior art and can be suitably used even under conditions in which a large contact stress acts or under no lubrication. Let it be an issue. Another object of the present invention is to provide a rolling device having such a rolling sliding member and having excellent lubricity.

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、相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材において、下記の5つの条件を満足することを特徴とする。
条件1:前記相手部材との接触面においては、鋼製の母材に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている。
条件2:前記母材のうち前記ダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている部分は、表面粗さRaが0.03μm以上0.2μm以下である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is, the rolling sliding member of claim 1 according to the present invention is characterized by satisfying the following five conditions in a rolling sliding member in which relative rolling contact or sliding contact occurs with a counterpart member. To do.
Condition 1: On the contact surface with the mating member, a steel base material is coated with a diamond-like carbon layer having lubricity.
Condition 2: A portion of the base material covered with the diamond-like carbon layer has a surface roughness Ra of 0.03 μm or more and 0.2 μm or less.

条件3:前記ダイヤモンドライクカーボン層は、炭素からなるカーボン層と、シリコン,チタン,モリブデンのうちの1種の金属及び炭素からなる複合カーボン層と、シリコン,チタン,モリブデンのうちの1種の金属からなる第一金属層と、シリコン,チタン,モリブデンのうちの1種の金属及びクロムからなる複合金属層と、クロムからなる第二金属層と、の5層で構成されている。     Condition 3: The diamond-like carbon layer includes a carbon layer made of carbon, a composite carbon layer made of one kind of metal of silicon, titanium, and molybdenum and carbon, and one kind of metal made of silicon, titanium, and molybdenum. The first metal layer is composed of five layers: a composite metal layer composed of one kind of silicon, titanium, and molybdenum and chromium, and a second metal layer composed of chromium.

条件4:前記5層は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の表面側から前記カーボン層,前記複合カーボン層,前記第一金属層,前記複合金属層,前記第二金属層の順に配されている。
条件5:前記カーボン層,前記複合カーボン層,前記第一金属層,前記複合金属層,及び前記第二金属層の等価弾性定数は、いずれも前記母材の等価弾性定数の0.8倍以上1.5倍以下である。
Condition 4: The five layers are arranged in the order of the carbon layer, the composite carbon layer, the first metal layer, the composite metal layer, and the second metal layer from the surface side of the diamond-like carbon layer.
Condition 5: The equivalent elastic constants of the carbon layer, the composite carbon layer, the first metal layer, the composite metal layer, and the second metal layer are all 0.8 times or more the equivalent elastic constant of the base material. 1.5 times or less.

このような転がり摺動部材は、潤滑性に優れた前記ダイヤモンドライクカーボン層(以降においてはDLC層と記すこともある)と母材である鋼との密着性が優れている。また、DLC層を構成する前記5層同士の密着性も優れている。
さらに、前記5層の等価弾性定数が、母材の等価弾性定数の0.8倍以上1.5倍以下であり、DLC層が母材に近い等価弾性定数を有しているので、繰り返し応力が作用した場合でもDLC層が母材の変形に追従することができ、DLC層の破損が生じにくい。母材の等価弾性定数の1.5倍超過であると、DLC層の等価弾性定数が母材と比べて大きすぎるため、繰り返し応力が作用した際の母材の変形にDLC層が追従することが困難となって、DLC層の破損が生じやすくなる。一方、0.8倍未満であると、DLC層の硬さが低くなって、摩耗が生じやすくなる。
Such a rolling sliding member has excellent adhesion between the diamond-like carbon layer (hereinafter also referred to as a DLC layer) excellent in lubricity and steel as a base material. Further, the adhesion between the five layers constituting the DLC layer is also excellent.
Further, since the equivalent elastic constant of the five layers is 0.8 to 1.5 times the equivalent elastic constant of the base material, and the DLC layer has an equivalent elastic constant close to that of the base material, the repeated stress Even when this occurs, the DLC layer can follow the deformation of the base material, and the DLC layer is not easily damaged. If the equivalent elastic constant of the base material exceeds 1.5 times, the equivalent elastic constant of the DLC layer is too large compared to the base material, so that the DLC layer follows the deformation of the base material when repeated stress is applied. Is difficult, and the DLC layer is easily damaged. On the other hand, if it is less than 0.8 times, the hardness of the DLC layer becomes low and wear tends to occur.

さらに、母材のうちDLC層が被覆されている部分の表面粗さRaが0.2μm超過であると、前記相手部材との接触面の粗さが大きくなるので、音響の問題が生じるおそれがある。一方、0.03μm未満であると、母材と第二金属層との接触面積が小さくなるため、DLC層と母材との密着力が十分に確保できなくなるおそれがある。なお、本発明の転がり摺動部材は、DLC層の潤滑性により無潤滑下においても問題なく使用可能であり、潤滑性の面からは表面粗さRaは何ら限定されない。
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、前記複合カーボン層中の炭素の割合が、前記第一金属層側から前記カーボン層側に向かって徐々に増加していることを特徴とする。このような構成であれば、DLC層と鋼製の母材との密着性がより優れたものとなる。
Furthermore, if the surface roughness Ra of the portion of the base material covered with the DLC layer is more than 0.2 μm, the roughness of the contact surface with the mating member increases, which may cause acoustic problems. is there. On the other hand, if it is less than 0.03 μm, the contact area between the base material and the second metal layer becomes small, and there is a possibility that sufficient adhesion between the DLC layer and the base material cannot be secured. The rolling sliding member of the present invention can be used without any problem even under non-lubrication due to the lubricity of the DLC layer, and the surface roughness Ra is not limited at all from the viewpoint of lubricity.
The rolling sliding member according to claim 2 according to the present invention is the rolling sliding member according to claim 1, wherein the ratio of carbon in the composite carbon layer is from the first metal layer side to the carbon layer side. It is characterized by gradually increasing toward. With such a configuration, the adhesion between the DLC layer and the steel base material becomes more excellent.

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層は、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を特徴とする。
このような物理的成膜法は、CVD法,プラズマCVD法,イオンビーム形成法,イオン化蒸着法等と比較して、好適な等価弾性定数及び強度を有するDLC層が得られやすいので、転動装置のような大きな接触応力が作用する装置を構成する部品に対して好適である。
Furthermore, a rolling sliding member according to a third aspect of the present invention is the rolling sliding member according to the first or second aspect, wherein the diamond-like carbon layer is formed by sputtering using a non-equilibrium magnetron. It is characterized by that.
Such a physical film forming method is easy to obtain a DLC layer having a suitable equivalent elastic constant and strength as compared with CVD method, plasma CVD method, ion beam forming method, ionized vapor deposition method, etc. It is suitable for a part constituting a device such as a device on which large contact stress acts.

以上のように、本発明の転がり摺動部材は、大きな接触応力が作用しても破損しにくい潤滑膜(DLC層)を備えているので、大きな接触応力が作用する装置(例えば、転がり軸受等のような転動装置)を構成する部材等に好適に適用することが可能である。また、優れた潤滑性を有しているので、無潤滑下においても好適に使用することが可能である。そして、摩耗や発熱が少ない上、繰り返し応力に対して強く長寿命である。   As described above, the rolling sliding member of the present invention includes a lubricating film (DLC layer) that is not easily damaged even when a large contact stress is applied, and thus a device (for example, a rolling bearing or the like) on which a large contact stress acts. It is possible to apply suitably to the member etc. which comprise a rolling device). In addition, since it has excellent lubricity, it can be suitably used even without lubrication. In addition, there is little wear and heat generation, and it is strong against repeated stress and has a long life.

なお、DLC層のような薄膜については、通常の方法では弾性定数を測定することはできないため、本発明においては以下の方法により測定された、弾性定数に準拠する等価弾性定数を用いる。すなわち、押し込み深さを少なくともDLC層の厚さ内として微小硬度計による測定を行い、得られた荷重−除荷曲線により等価弾性定数を求める。表面に位置しない複合カーボン層,第一金属層,複合金属層,及び第二金属層については、成膜工程を中断して各層が表面に位置するサンプルを作製することにより、各層の等価弾性定数を求める。   For a thin film such as a DLC layer, the elastic constant cannot be measured by a normal method. Therefore, in the present invention, an equivalent elastic constant based on the elastic constant measured by the following method is used. That is, the indentation depth is at least within the thickness of the DLC layer, measurement is performed with a microhardness meter, and the equivalent elastic constant is obtained from the obtained load-unloading curve. For the composite carbon layer, the first metal layer, the composite metal layer, and the second metal layer that are not located on the surface, the equivalent elastic constant of each layer is obtained by interrupting the film formation process and preparing samples in which each layer is located on the surface. Ask for.

例えば、DLC層の厚さが2μmである場合は、押し込み荷重を0.4〜50mNの間で適宜設定して測定を行う。本発明においては、エリオニクス社製の微小硬度計を使用し、押し込み荷重を50mNとして測定した等価弾性定数を用いる。
この他の等価弾性定数の測定方法としては、フィッシャー社製の微小硬度測定装置を用いる方法がある。この方法においては、(マイクロ)ビッカース硬度計は使用せず、静電容量で制御できる微小硬度計又はナノインデンテータを用いることが望ましい。なおかつ、押し込み深さはDLC層の厚さ内とする必要がある。そして、前記微小硬度計又はナノインデンテータにより得られた荷重−除荷曲線の弾性変形量から、等価弾性定数を求める。
For example, when the thickness of the DLC layer is 2 μm, the indentation load is appropriately set between 0.4 and 50 mN for measurement. In the present invention, an equivalent elastic constant measured using a micro hardness tester manufactured by Elionix Co., Ltd. and an indentation load of 50 mN is used.
As another method for measuring the equivalent elastic constant, there is a method using a micro hardness measuring device manufactured by Fischer. In this method, it is desirable not to use a (micro) Vickers hardness tester but to use a micro hardness tester or a nano indentator that can be controlled by capacitance. In addition, the indentation depth needs to be within the thickness of the DLC layer. And an equivalent elastic constant is calculated | required from the amount of elastic deformation of the load-unloading curve obtained by the said micro hardness meter or the nano indentator.

なお、HRC60の高炭素クロム鋼(SUJ2)の表面の等価弾性定数を上記の方法により求めると250GPaとなり、通常カタログ等に記載されている210GPaよりも大きい結果となる。これは、上記の方法が微小な押し込み領域における測定であることから、SUJ2の表面の加工硬化層の影響を受けるためである。
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側に配された外方部材と、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のいずれか一項に記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする。
In addition, when the equivalent elastic constant of the surface of the high carbon chromium steel (SUJ2) of HRC60 is calculated | required by said method, it will be 250 GPa and will be a result larger than 210 GPa normally described in the catalog etc. This is because the above method is a measurement in a minute indentation region, and is therefore influenced by the work hardening layer on the surface of SUJ2.
Furthermore, the rolling device of 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, and a rolling element that is arranged so as to be freely rollable between the both raceway surfaces, at least one of the inner member, the outer member, and the rolling element. The rolling sliding member according to any one of claims 1 to 3 is used.

このような構成であれば、転動装置を構成する転がり摺動部材のDLC層は大きな接触応力が作用しても破損しにくいので、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下において使用されても長寿命である。
なお、本発明の転動装置としては、転がり軸受,直動案内軸受(リニアガイド装置),ボールねじ,直動ベアリング等があげられる。
そして、前記内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は内輪、同じく直動案内軸受の場合は案内レール、同じくボールねじの場合はねじ軸、同じく直動ベアリングの場合は軸を、それぞれ意味する。また、前記外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は外輪、同じく直動案内軸受の場合はスライダ、同じくボールねじの場合はナット、同じく直動ベアリングの場合は外筒を、それぞれ意味する。
With such a configuration, the DLC layer of the rolling sliding member constituting the rolling device is not easily damaged even when a large contact stress is applied. Long life even when used.
Examples of the rolling device of the present invention include a rolling bearing, a linear motion guide bearing (linear guide device), a ball screw, and a linear motion bearing.
The inner member is an inner ring in the case where the rolling device is a rolling bearing, a guide rail in the case of a linear guide bearing, a screw shaft in the case of a ball screw, and a shaft in the case of a linear bearing. Each means. In addition, the outer member is an outer ring when the rolling device is a rolling bearing, a slider when the same is a linear guide bearing, a nut when it is a ball screw, and an outer cylinder when it is also a linear bearing. means.

本発明の転がり摺動部材及び転動装置は、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能である。   The rolling sliding member and the rolling device of the present invention can be suitably used under conditions where a large contact stress acts or under no lubrication.

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スラスト玉軸受の構成を示す縦断面図であり、図2は、図1のA部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
図1のスラスト玉軸受は、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玉3と、両軌道面1a,2a間に複数の玉3を軸受の円周方向にわたって等配に保持する保持器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 longitudinal sectional view showing a configuration of a thrust ball bearing which is an embodiment of a rolling device according to the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged sectional view showing an enlarged portion A of FIG. is there.
The thrust ball bearing of FIG. 1 includes an inner ring 1 having a raceway surface 1a, an outer ring 2 having a raceway surface 2a opposite to the raceway surface 1a, and a plurality of balls arranged so as to roll between both raceway surfaces 1a and 2a. 3 and a cage 4 that holds a plurality of balls 3 equally between the raceway surfaces 1a and 2a in the circumferential direction of the bearing.

内輪1,外輪2,及び玉3は、SUJ2等の鋼製である。また、内輪1及び外輪2の寸法は内径25mm、外径52mm、厚さ18mmで、軌道面1a,2aの横断面形状は、玉3の直径の54%の曲率半径を有する円弧状である。
内輪1,外輪2と玉3とは相互に転がり接触又はすべり接触し、内輪1の軌道面1a,外輪2の軌道面2a,及び玉3の転動面3aがその接触面に相当する。これらの接触面においては、内輪1,外輪2,玉3の母材に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン(DLC)層Dが被覆されている。そして、母材のうちDLC層Dが被覆されている部分の表面粗さRaは、0.03μm以上0.2μm以下とされている。
The inner ring 1, the outer ring 2, and the ball 3 are made of steel such as SUJ2. The dimensions of the inner ring 1 and the outer ring 2 are an inner diameter of 25 mm, an outer diameter of 52 mm, and a thickness of 18 mm. The cross-sectional shape of the raceway surfaces 1a and 2a is an arc shape having a curvature radius of 54% of the diameter of the ball 3.
The inner ring 1, the outer ring 2 and the ball 3 are in rolling contact or sliding contact with each other, and 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 ball 3 correspond to the contact surfaces. On these contact surfaces, the base material of the inner ring 1, the outer ring 2, and the balls 3 is covered with a diamond-like carbon (DLC) layer D having lubricity. And surface roughness Ra of the part by which DLC layer D is coat | covered among base materials shall be 0.03 micrometer or more and 0.2 micrometer or less.

さらに、DLC層Dは、図2に示すように、炭素からなるカーボン層Cと、シリコン(Si),チタン(Ti),モリブデン(Mo)のうちの1種の金属及び炭素からなる複合カーボン層FCと、シリコン,チタン,モリブデンのうちの1種の金属からなる第一金属層M1と、シリコン,チタン,モリブデンのうちの1種の金属及びクロムからなる複合金属層FMと、クロムからなる第二金属層M2と、の5層で構成されていて、該5層はDLC層Dの表面側からカーボン層C,複合カーボン層FC,第一金属層M1,複合金属層FM,第二金属層M2の順に配されている。   Further, as shown in FIG. 2, the DLC layer D includes a carbon layer C made of carbon and a composite carbon layer made of one kind of metal of silicon (Si), titanium (Ti), and molybdenum (Mo) and carbon. FC, a first metal layer M1 made of one kind of silicon, titanium, and molybdenum, a composite metal layer FM made of one kind of metal of silicon, titanium, and molybdenum and chromium, and a first metal layer made of chromium. The two metal layers M2 and the five metal layers are composed of the carbon layer C, the composite carbon layer FC, the first metal layer M1, the composite metal layer FM, and the second metal layer from the surface side of the DLC layer D. Arranged in the order of M2.

そして、これらカーボン層C,複合カーボン層FC,第一金属層M1,複合金属層FM,及び第二金属層M2の等価弾性定数は、いずれも前記母材の等価弾性定数の0.8倍以上1.5倍以下とされている。
ここで、DLC層Dを形成する方法について、外輪2を例に説明する。まず、外輪2の表面のうち軌道面2aとなる部分の表面粗さRaを、ショットブラスト処理により調整した。使用した装置は、株式会社不二製作所製のFD−4LD−501型であり、投射材は粒径20〜30μmのスチール製ビーズである。また、ショット条件は、投射圧力が0.4MPa、投射距離が150mmである。そして、処理時間を適宜設定することによって、表面粗さRaの調整を行った。なお、表面粗さRaを0.03μm以上0.2μm以下に調整可能であれば、ショットブラスト処理に限らず、バレル処理等の他の方法を採用することも可能である。
The equivalent elastic constants of the carbon layer C, the composite carbon layer FC, the first metal layer M1, the composite metal layer FM, and the second metal layer M2 are all 0.8 times or more the equivalent elastic constant of the base material. 1.5 times or less.
Here, a method of forming the DLC layer D will be described using the outer ring 2 as an example. First, the surface roughness Ra of the surface of the outer ring 2 that becomes the raceway surface 2a was adjusted by shot blasting. The apparatus used is FD-4LD-501 type manufactured by Fuji Seisakusho, and the projection material is steel beads having a particle size of 20 to 30 μm. The shot conditions are a projection pressure of 0.4 MPa and a projection distance of 150 mm. And surface roughness Ra was adjusted by setting process time suitably. In addition, as long as the surface roughness Ra can be adjusted to 0.03 μm or more and 0.2 μm or less, not only the shot blast processing but also other methods such as barrel processing can be adopted.

次に、油分を脱脂した外輪2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を用いて、母材の表面のうち軌道面2aとなる部分にボンバード処理を15分間施した。
そして、クロムをターゲットとして、母材の表面のうち軌道面2aとなる部分にクロムをスパッタリングして成膜し、クロムからなる第二金属層M2を形成した。次に、クロムのスパッタリングを続けながら、シリコン,チタン,モリブデンのうちの1種の金属(以降は、モリブデンを使用した場合を例にして説明する)をターゲットとした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、モリブデン及びクロムからなる複合金属層FMを第二金属層M2の上に形成した。このスパッタリングの際には、クロムのスパッタ効率を徐々に減少させながら、モリブデンのスパッタ効率を徐々に増加させた。そして、クロムのスパッタリングを終了し、モリブデンのスパッタリングのみとして、複合金属層FMの上にモリブデンからなる第一金属層M1を形成した。
Next, the outer ring 2 from which the oil has been degreased is placed in an unbalanced magnetron sputtering apparatus 504 (hereinafter referred to as a UBMS apparatus) manufactured by Kobe Steel Co., Ltd., and by sputtering using argon plasma, Bombarding was performed for 15 minutes on the portion to be the raceway surface 2a.
Then, using chromium as a target, the second metal layer M2 made of chromium was formed by sputtering chromium onto a portion of the surface of the base material that would become the raceway surface 2a. Next, while continuing the sputtering of chromium, sputtering with a target of one kind of metal of silicon, titanium, and molybdenum (hereinafter, described using molybdenum as an example) was started. By such sputtering, a composite metal layer FM made of molybdenum and chromium was formed on the second metal layer M2. During the sputtering, the sputtering efficiency of molybdenum was gradually increased while the sputtering efficiency of chromium was gradually decreased. Then, the sputtering of chromium was terminated, and the first metal layer M1 made of molybdenum was formed on the composite metal layer FM only for the sputtering of molybdenum.

次に、モリブデン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、モリブデンと炭素とが結合した金属カーバイドからなる複合カーボン層FCを、第一金属層M1の上に形成した。さらに、モリブデン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。そして、モリブデン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、複合カーボン層FCの上にカーボン層Cを形成した(DLC層D全体の厚さは2.2μm)。   Next, while continuing the sputtering of molybdenum, sputtering of carbon using carbon as a target was started. By such sputtering, a composite carbon layer FC made of metal carbide in which molybdenum and carbon are bonded was formed on the first metal layer M1. Furthermore, the sputtering efficiency of carbon was gradually increased while the sputtering efficiency of molybdenum was gradually decreased. Then, the sputtering of molybdenum was finished, and the carbon layer C was formed on the composite carbon layer FC only for carbon sputtering (the thickness of the entire DLC layer D was 2.2 μm).

なお、上記の説明においては、複合金属層FM,第一金属層M1,複合カーボン層FCを構成する金属としてモリブデンを使用した例を示したが、シリコン又はチタンを使用してもよいことは勿論である。また、複合金属層FM,第一金属層M1,複合カーボン層FCに全て同種の金属を使用する必要はなく、これらの層のうち1層に別の金属を使用してもよいし、3層にそれぞれ異なる金属を使用してもよい。   In the above description, the example in which molybdenum is used as the metal constituting the composite metal layer FM, the first metal layer M1, and the composite carbon layer FC is shown, but it is needless to say that silicon or titanium may be used. It is. Further, it is not necessary to use the same kind of metal for the composite metal layer FM, the first metal layer M1, and the composite carbon layer FC, and another metal may be used for one of these layers. Different metals may be used.

このようなスパッタリングにより成膜を行えば、第二金属層M2からカーボン層Cに向かって、層の組成が連続的に徐々に変化していくDLC層Dを形成することができる。このような構成のDLC層Dは、各層(第二金属層M2,複合金属層FM,第一金属層M1,複合カーボン層FC,及びカーボン層C)の間の密着性が非常に優れているとともに、潤滑性に優れたカーボン層Cと母材である鋼との密着性が非常に優れている。   When film formation is performed by such sputtering, it is possible to form the DLC layer D in which the composition of the layer gradually and gradually changes from the second metal layer M2 toward the carbon layer C. The DLC layer D having such a configuration has very good adhesion between each layer (second metal layer M2, composite metal layer FM, first metal layer M1, composite carbon layer FC, and carbon layer C). At the same time, the adhesion between the carbon layer C having excellent lubricity and the steel as the base material is very excellent.

UBMS装置は、スパッタリングに用いるターゲットを複数装着でき、各ターゲットのスパッタ電源を独立に制御することにより、各成分のスパッタ効率を任意に制御することができるので、上記のような成膜に好適である。例えば、上記の場合の複合カーボン層FC及びカーボン層Cを成膜する工程においては、金属ターゲットのスパッタ電源(DC電源)の電力を低減させながら、同時にカーボンターゲットのスパッタ電源(DC電源)の電力を増加させればよい(このとき、外輪2には負のバイアス電圧を印加する)。   The UBMS apparatus can be equipped with a plurality of targets used for sputtering, and can control the sputtering efficiency of each component arbitrarily by independently controlling the sputtering power source of each target. is there. For example, in the process of forming the composite carbon layer FC and the carbon layer C in the above case, the power of the sputtering power source (DC power source) of the carbon target is simultaneously reduced while the power of the sputtering power source (DC power source) of the metal target is reduced. (At this time, a negative bias voltage is applied to the outer ring 2).

ここで、グロー放電発光分析装置(島津製作所株式会社製のGDLS−9950)を使用して、DLC層Dを形成する元素を分析した結果を、図3の測定チャートに示す。チャートの横軸は表面からの深さを示し、0μmがDLC層の表面を意味している。また、縦軸は、その深さ位置における各元素の含有量を示している。
なお、アルゴンガスを使用した放電によって深さ方向の情報を得ているため、母材である鋼とDLC層Dとの界面において、各元素の含有量を示す曲線がブロードとなっている。また、鋼とDLC層Dとの界面が8000nm付近に位置していることから、このチャートからはDLC層Dの厚さは約8μmであることが読み取れるが、この分析法は直径2mmの円形部分について放電発光により分析するため、深さ方向の精度上約8μmとなって現れるものであって、実際のDLC層Dの厚さは2.2μmである。
Here, the results of analyzing the elements forming the DLC layer D using a glow discharge emission analyzer (GDLS-9950 manufactured by Shimadzu Corporation) are shown in the measurement chart of FIG. The horizontal axis of the chart indicates the depth from the surface, and 0 μm means the surface of the DLC layer. Moreover, the vertical axis | shaft has shown content of each element in the depth position.
In addition, since the information of the depth direction is obtained by the discharge using argon gas, the curve which shows content of each element is broad in the interface of steel and DLC layer D which are base materials. In addition, since the interface between the steel and the DLC layer D is located near 8000 nm, it can be seen from this chart that the thickness of the DLC layer D is about 8 μm. Therefore, the thickness of the actual DLC layer D is 2.2 μm.

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、本実施形態においては、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによりDLC層を成膜したが、パルスレーザーアーク蒸着法やプラズマCVD法等を用いることもできる。ただし、等価弾性定数及び塑性変形硬さ等を独立に制御することが容易な非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングが最も好適である。
In addition, this embodiment shows an example of this invention and this invention is not limited to this embodiment.
For example, in the present embodiment, the DLC layer is formed by sputtering using a non-equilibrium magnetron, but a pulsed laser arc deposition method, a plasma CVD method, or the like can also be used. However, sputtering using a non-equilibrium magnetron that can easily control the equivalent elastic constant, plastic deformation hardness, and the like is most preferable.

また、本実施形態においては、スラスト玉軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は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、深みぞ玉軸受,アンギュラ玉軸受,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、スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
さらに、本実施形態においては、転動装置として転がり軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は、他の様々な種類の転動装置に対して適用することができる。例えば、直動案内軸受,ボールねじ,直動ベアリング等の他の転動装置にも、好適に適用可能である。
In the present embodiment, the thrust ball bearing has been described as an example, but the rolling device of the present invention can be applied to various rolling bearings. For example, radial type rolling bearings such as deep groove ball bearings, angular contact ball bearings, cylindrical roller bearings, tapered roller bearings, needle roller bearings, and self-aligning roller bearings, and thrust type rolling bearings such as thrust roller bearings .
Further, in the present embodiment, the rolling bearing is exemplified as the rolling device, but the rolling device of the present invention can be applied to various other types of rolling devices. For example, the present invention can be suitably applied to other rolling devices such as a linear motion guide bearing, a ball screw, and a linear motion bearing.

〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。図1のスラスト玉軸受とほぼ同様の構成の軸受において、母材のうちDLC層が被覆されている部分の表面粗さRa(中心線粗さ)及びDLC層を構成する5層の等価弾性定数を種々変更したものを用意して(表1,2を参照)、回転試験により耐久性(寿命)を調査した。
〔Example〕
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In the bearing having substantially the same configuration as the thrust ball bearing of FIG. 1, the surface roughness Ra (center line roughness) of the portion of the base material covered with the DLC layer and the equivalent elastic constant of the five layers constituting the DLC layer Various changes were made (see Tables 1 and 2), and the durability (life) was examined by a rotation test.

Figure 2007327594
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Figure 2007327594
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24時間毎に回転試験を中断してDLC層を観察し、DLC層に剥離が生じていないか確認した。剥離が生じていない場合は回転試験を継続し、剥離が生じていた場合は寿命とした。なお、回転試験は、ISO粘度グレードがISO VG68であるタービン油中で行い、回転試験の条件は、アキシアル荷重が8820N、回転速度が1500rpmである。   The rotation test was interrupted every 24 hours, the DLC layer was observed, and it was confirmed whether peeling occurred in the DLC layer. When peeling did not occur, the rotation test was continued, and when peeling occurred, the life was determined. The rotation test is performed in turbine oil whose ISO viscosity grade is ISO VG68. The conditions for the rotation test are an axial load of 8820 N and a rotation speed of 1500 rpm.

回転試験の結果を表1,2に示す。なお、表1,2の寿命の数値は、比較例1の寿命を1とした場合の相対値で示してある。表1,2の結果から、DLC層を構成する5層の等価弾性定数は、母材の等価弾性定数の0.8倍以上1.5倍以下であることが好ましいことが分かる。また、母材のうちDLC層が被覆されている部分の表面粗さRaが小さい方が(平滑な方が)長寿命であり、表面粗さRaが0.08μm以下であると特に長寿命であることが分かる(図4のグラフを参照)。   The results of the rotation test are shown in Tables 1 and 2. In addition, the numerical value of the lifetime of Table 1, 2 is shown by the relative value when the lifetime of the comparative example 1 is set to 1. From the results of Tables 1 and 2, it can be seen that the equivalent elastic constants of the five layers constituting the DLC layer are preferably 0.8 to 1.5 times the equivalent elastic constant of the base material. In addition, in the base material, the surface roughness Ra of the portion covered with the DLC layer is smaller (smooth one) has a longer life, and if the surface roughness Ra is 0.08 μm or less, the life is particularly long. It can be seen (see the graph in FIG. 4).

本発明に係る転動装置の一実施形態であるスラスト玉軸受の構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing the composition of the thrust ball bearing which is one embodiment of the rolling device concerning the present invention. 図1のA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 A section of FIG. DLC層を形成する元素を分析した測定チャートである。It is the measurement chart which analyzed the element which forms a DLC layer. 表面粗さRaと軸受の寿命との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between surface roughness Ra and the lifetime of a bearing.

符号の説明Explanation of symbols

1 内輪
1a 軌道面
2 外輪
2a 軌道面
3 玉
3a 転動面
C カーボン層
D ダイヤモンドライクカーボン層
FC 複合カーボン層
FM 複合金属層
M1 第一金属層
M2 第二金属層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inner ring 1a Raceway surface 2 Outer ring 2a Raceway surface 3 Ball 3a Rolling surface C Carbon layer D Diamond-like carbon layer FC Composite carbon layer FM Composite metal layer M1 First metal layer M2 Second metal layer

Claims (4)

相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材において、下記の5つの条件を満足することを特徴とする転がり摺動部材。
条件1:前記相手部材との接触面においては、鋼製の母材に潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている。
条件2:前記母材のうち前記ダイヤモンドライクカーボン層が被覆されている部分は、表面粗さRaが0.03μm以上0.2μm以下である。
条件3:前記ダイヤモンドライクカーボン層は、炭素からなるカーボン層と、シリコン,チタン,モリブデンのうちの1種の金属及び炭素からなる複合カーボン層と、シリコン,チタン,モリブデンのうちの1種の金属からなる第一金属層と、シリコン,チタン,モリブデンのうちの1種の金属及びクロムからなる複合金属層と、クロムからなる第二金属層と、の5層で構成されている。
条件4:前記5層は、前記ダイヤモンドライクカーボン層の表面側から前記カーボン層,前記複合カーボン層,前記第一金属層,前記複合金属層,前記第二金属層の順に配されている。
条件5:前記カーボン層,前記複合カーボン層,前記第一金属層,前記複合金属層,及び前記第二金属層の等価弾性定数は、いずれも前記母材の等価弾性定数の0.8倍以上1.5倍以下である。
A rolling sliding member in which relative rolling contact or sliding contact occurs with a mating member, wherein the following five conditions are satisfied:
Condition 1: On the contact surface with the mating member, a steel base material is coated with a diamond-like carbon layer having lubricity.
Condition 2: A portion of the base material covered with the diamond-like carbon layer has a surface roughness Ra of 0.03 μm or more and 0.2 μm or less.
Condition 3: The diamond-like carbon layer includes a carbon layer made of carbon, a composite carbon layer made of one kind of metal of silicon, titanium, and molybdenum and carbon, and one kind of metal made of silicon, titanium, and molybdenum. The first metal layer is composed of five layers: a composite metal layer composed of one kind of silicon, titanium, and molybdenum and chromium, and a second metal layer composed of chromium.
Condition 4: The five layers are arranged in the order of the carbon layer, the composite carbon layer, the first metal layer, the composite metal layer, and the second metal layer from the surface side of the diamond-like carbon layer.
Condition 5: The equivalent elastic constants of the carbon layer, the composite carbon layer, the first metal layer, the composite metal layer, and the second metal layer are all 0.8 times or more the equivalent elastic constant of the base material. 1.5 times or less.
前記複合カーボン層中の炭素の割合が、前記第一金属層側から前記カーボン層側に向かって徐々に増加し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 sliding member according to claim 1, wherein a ratio of carbon in the composite carbon layer gradually increases from the first metal layer side toward the carbon layer side. 前記ダイヤモンドライクカーボン層は、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 rolling sliding member according to claim 1 or 2, wherein the diamond-like carbon layer is formed by sputtering using a non-equilibrium magnetron. 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側に配された外方部材と、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のいずれか一項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 arranged on the outer side of the inner member, and freely rollable between the both raceway surfaces A rolling device provided with a rolling element, wherein at least one of the inner member, the outer member, and the rolling element is a rolling device according to any one of claims 1 to 3. A rolling device characterized by being a sliding member.
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