JP2011226638A - 転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】転がり軸受1は、外周に内輪軌道面2aを有する内輪2と、内周に外輪軌道面3aを有する外輪3と、内輪軌道面2aと外輪軌道面3aとの間を転動する複数の転動体4とを備え、曲面である内輪軌道面2aや外輪軌道面3aの表面に硬質膜8が成膜されてなり、この硬質膜8は、該表面に直接成膜されるCrを主体とする下地層と、該層の上に成膜されるWCとDLCとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるDLCを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、混合層は、下地層側から表面層側へ向けて連続的または段階的に、WCの含有率が小さくなり、DLCの含有率が高くなる層である。
【選択図】図1
Description
(1)基材材質:各表に示す基材
(2)基材寸法:鏡面(Ra0.005μm程度)の円板(φ48mm×φ8mm×7mm)
(3)UBMS装置:神戸製鋼所製;UBMS202/AIP複合装置
(4)スパッタリングガス:Arガス
(5)下地層および混合層の形成条件
下地層:成膜チャンバー内を5×10−3Pa程度まで真空引きし、ヒータで基材をベーキングして、Arプラズマにて基材表面をエッチング後、UBMS法にてCrターゲットを用いCr層を形成した。なお、Cr以外の下地層とする場合は、対応するターゲットを用いる以外は、同条件で形成した。
混合層:成膜チャンバー内を5×10−3Pa程度まで真空引きし、ヒータで基材をベーキングして、Arプラズマにて基材表面(または上記Cr層表面)をエッチング後、WCターゲットと黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、WCとDLCの組成比を傾斜させた。なお、WC以外との混合層とする場合は、対応するターゲットを用いる以外は、同条件で形成した。
(6)表面層の形成条件は、各表に示す。
表1〜表3に示す基材をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、基材をUBMS/AIP複合装置に取り付け、上述の形成条件にて各表に示す材質の下地層および混合層を形成した。その上に、各表に示す成膜条件にて表面層であるDLC膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。なお、各表における「真空度」は上記装置における成膜チャンバー内の真空度である。得られた試験片を以下に示す摩耗試験、硬度試験、膜厚試験、スクラッチテスト、およびスラスト型転動疲労試験に供した。結果を各表に併記する。
日本電子工業社製:ラジカル窒化装置を用いてプラズマ窒素処理が施された基材(ビッカース硬さHv1000)をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、基材をUBMS/AIP複合装置に取り付け、上述の形成条件にて表1に示す材質の下地層(Cr)および混合層(WC/DLC)を形成した。その上に、表1に示す成膜条件にて表面層であるDLC膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。得られた試験片について、実施例1と同様の試験に供し、その結果を表1に併記する。
得られた試験片を、図6に示す摩擦試験機用いて摩擦試験を行なった。図6(a)は正面図を、図6(b)は側面図を、それぞれ表す。表面粗さRaが0.01μm以下であり、ビッカース硬度Hvが780であるSUJ2焼入れ鋼を相手材32として回転軸に取り付け、試験片31をアーム部33に固定して所定の荷重34を図面上方から印加して、ヘルツの最大接触面圧0.5GPa、室温(25℃)下、0.05m/sの回転速度で30分間、試験片31と相手材32との間に潤滑剤を介在させることなく、相手材32を回転させたときに、相手材32と試験片31との間に発生する摩擦力をロードセル35により検出した。これより、比摩耗量を算出した。
得られた試験片の押し込み硬さをアジレントテクノロジー社製:ナノインデンタ(G200)を用いて測定した。なお、測定値は表面粗さの影響を受けない深さ(硬さが安定している箇所)の平均値を示しており、各試験片10箇所ずつ測定している。
得られた試験片の硬質膜の膜厚を表面形状・表面粗さ測定器(テーラーホブソン社製:フォーム・タリサーフPGI830)を用いて測定した。膜厚は成膜部の一部にマスキングを施し、非成膜部と成膜部の段差から膜厚を求めた。
得られた試験片について、ナノテック社製:レベテストRSTを用いてスクラッチテストを行ない臨界剥離荷重を測定した。具体的には、得られた試験片について、先端半径200μmのダイヤモンド圧子で、スクラッチ速度10mm/min、荷重負荷速度10N/mm(連続的に荷重を増加)で試験し、試験機画面で判定し、画面上の摩擦痕(摩擦方向長さ375μm、幅約100μm)に対し露出した基材の面積が50%に達する荷重を臨界剥離荷重として測定した。
得られた試験片について、図7に示す試験機を用いて、スラスト型転動疲労試験として、軸受の潤滑状態が苛酷な場合を想定した「低ラムダ条件」と、潤滑状態が良好な場合を想定した「高ラムダ条件」との2条件の試験を行い、硬質膜の転動疲労特性を評価した。「低ラムダ条件」は境界潤滑となるため、純粋な繰り返し転動疲労に加え接触による損傷が影響する。よって、硬質膜の耐摩耗性と密着性が要求される。各条件を以下に示す。
潤滑油:VG2
ラムダ:0.6
最大接触面圧:2GPa
回転数:1000r/min
軌道径:φ20mm
転動体:サイズ7/32”、個数3、材質SUJ2、硬さHv750、表面粗さ0.005μmRa
油温度:70℃
打ち切り時間:なし
(1111hで負荷回数8乗回)
[高ラムダ条件]
潤滑油:VG32
ラムダ:9.5
最大接触面圧:3GPa
回転数:4500r/min
軌道径:φ20mm
転動体:サイズ7/32”、個数3、材質SUJ2、硬さHv750、表面粗さ0.005μmRa
油温度:70℃
打ち切り時間:300h
(247hで負荷回数8乗回)
実施例、比較例、参考例の各条件で、6206転がり軸受(深溝玉軸受)の以下の内輪軌道面および外輪軌道面に実際に成膜を行い、成膜直後の各部材からの硬質膜の剥離を確認した。成膜チャンバーから取り出したときに剥離していなかったものを「○」、剥離していたものを「×」として記録し、結果を各表に併記する。また、実施例1の試験後の写真を図9に、比較例1の試験後の写真を図10に、比較例4の試験後の写真を図11にそれぞれ示す。
内輪:軌道面に硬質膜を成膜、材質SUJ2、硬さHv750、表面粗さ0.03μmRa
外輪:軌道面に硬質膜を成膜、材質SUJ2、硬さHv750、表面粗さ0.03μmRa
上記成膜試験で硬質膜が成膜された実施例1〜10、比較例5の内外輪を用いて、試験用の6206転がり軸受(深溝玉軸受)を組み立て、この試験用軸受を用いて図8の試験機より寿命試験を行った。図8に示すように、試験機は、負荷用コイルバネ53から負荷用玉軸受52を介して荷重を負荷されつつ、駆動プーリ54により回転する軸55を、一対の試験用軸受51で回転支持するものである。潤滑状態は良好な場合を想定している。試験条件を以下に示す。
転動体:サイズ3/8”、個数9、材質SUJ2、硬さHv750、表面粗さ0.005μmRa
潤滑油:VG56
ラムダ:3以上
最大接触面圧:3.3GPa
回転数:3000r/min(内輪回転)
計算寿命:L10寿命 127h
打ち切り時間:200h
2 内輪
3 外輪
4 転動体
5 保持器
6 シール部材
7 グリース
8 硬質膜
11 バイアス電源
12 基材
13 膜(層)
15 ターゲット
16 磁力線
17 Arイオン
18 イオン化されたターゲット
19 高密度プラズマ
21 AIP蒸発源材料
22 円盤
23 基材
24 スパッタ蒸発源材料(ターゲット)
31 試験片
32 相手材
33 アーム部
34 荷重
35 ロードセル
41 試験片
42 転動体
43 調芯用ボール
44 ロータリーボールスプライン
45 軌道盤
46 ヒータ
47 熱電対
51 試験用軸受
52 負荷用玉軸受
53 負荷用コイルバネ
54 駆動プーリ
55 軸
Claims (18)
- 外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体とを備え、前記内輪、前記外輪、および前記複数の転動体が鉄系材料からなる転がり軸受であって、
前記内輪軌道面および前記外輪軌道面が、前記転動体を案内する曲面であり、該内輪軌道面、該外輪軌道面、および前記転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面に硬質膜が成膜されてなり、
前記硬質膜は、前記面の上に直接成膜されるクロムを主体とする下地層と、該下地層の上に成膜されるタングステンカーバイトとダイヤモンドライクカーボンとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるダイヤモンドライクカーボンを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、
前記混合層は、前記下地層側から前記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の前記タングステンカーバイトの含有率が小さくなり、該混合層中の前記ダイヤモンドライクカーボンの含有率が高くなる層であることを特徴とする転がり軸受。 - 前記転動体が玉であり、前記内輪軌道面および前記外輪軌道面が、前記転動体を案内する円曲面であることを特徴とする請求項1記載の転がり軸受。
- 前記表面層は、前記混合層との隣接側に、前記混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の転がり軸受。
- 前記表面層は、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用して成膜した層であり、
炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、前記アルゴンガスの前記装置内への導入量100に対する前記炭化水素系ガスの導入量の割合が1〜5であり、前記装置内の真空度が0.2〜0.8Paであり、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧が70〜150Vである条件下で、前記炭素供給源から生じる炭素原子を、前記混合層上に堆積させて成膜されたものであることを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の転がり軸受。 - 前記炭化水素系ガスが、メタンガスであることを特徴とする請求項4記載の転がり軸受。
- 前記表面層の傾斜層部分は、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧を連続的または段階的に上げながら成膜されたものであることを特徴とする請求項3、請求項4または請求項5記載の転がり軸受。
- 前記下地層および前記混合層は、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用して成膜した層であり、
前記混合層は、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、タングステンカーバイトターゲットに印加する電力を下げながら成膜されたものであることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項記載の転がり軸受。 - 前記硬質膜は、表面粗さRa:0.01μm以下、ビッカース硬度Hv:780であるSUJ2焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧0.5GPaの荷重を印加して接触させ、0.05m/sの回転速度で30分間、前記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が200×10−10mm3/(N・m)未満であることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項記載の転がり軸受。
- 前記硬質膜は、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が25〜45GPaであることを特徴とする請求項8記載の転がり軸受。
- 前記硬質膜は、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が50N以上であることを特徴とする請求項8または請求項9記載の転がり軸受。
- 前記硬質膜の膜厚が0.5〜3μmであり、かつ該硬質膜の膜厚に占める前記表面層の厚さの割合が0.8以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか一項記載の転がり軸受。
- 前記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼から選ばれることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか一項記載の転がり軸受。
- 前記硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでHv650以上であることを特徴とする請求項12記載の転がり軸受。
- 前記硬質膜が形成される面において、前記硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項13のいずれか一項記載の転がり軸受。
- 前記窒化処理が、プラズマ窒化処理であることを特徴とする請求項14記載の転がり軸受。
- 前記窒化処理後の表面の硬さが、ビッカース硬さでHv1000以上であることを特徴とする請求項14または請求項15記載の転がり軸受。
- 前記硬質膜が形成される面の表面粗さRaが、0.05μm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項16のいずれか一項記載の転がり軸受。
- 前記転がり軸受は、グリースが封入されていることを特徴とする請求項1ないし請求項17のいずれか一項記載の転がり軸受。
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