JP2015194259A

JP2015194259A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2015194259A
Application number: JP2015112442A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　努; Tsutomu Sato; 努佐藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2015-11-05

Abstract

【課題】軸受部品の軌道面または転動面に、高負荷環境においても十分な耐久性を有する硬質膜が形成された転がり軸受を提供する。【解決手段】軌道面を有する軸受部品および転動面を有する軸受部品を備えた転がり軸受の前記軌道面または前記転動面にＤＬＣ膜が形成されている。前記ＤＬＣ膜は、炭素と珪素と水素からなり、Ｓｉ−Ｈ結合が存在し、残留応力の絶対値が０．１２ＧＰａ以下である。前記ＤＬＣ膜は、炭化水素ガスを導入したスパッタリング法により、珪素ターゲットおよび炭素ターゲットを用い、軸受鋼からなる前記軸受部品の軌道面または転動面の温度を１５０〜１８０℃の範囲に制御して、厚さ１．６μｍ以下に成膜する方法で形成されている。【選択図】図１

Description

この発明は、軸受鋼からなる軸受部品の軌道面または転動面への硬質膜形成方法に関する。

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、軸受部品の軌道面や転動面に形成する新たな耐摩耗性被膜として注目されている。転がり軸受の軌道面等に形成されたＤＬＣ膜には、高い接触応力によって軌道面等から剥離し易いという問題点があり、ＤＬＣ膜の密着性を改善するための提案が多数なされている。

特許文献１には、転がり軸受の転がり接触する軌道部に、表面に凹凸を有する厚さ３０μｍ以上の窒化層を形成した上に、硬質非晶質炭素−水素−珪素膜であって珪素含有率が３０ａｔ％以下であるＤＬＣ膜を形成することが記載されている。窒化層はガス窒化処理により形成され、表面の凹凸はイオン衝撃処理により１０〜１００ｎｍの高さで平均幅３００ｎｍ以下に形成されている。ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤ法により形成されている。

しかし、窒化処理は、一般的には４００℃以上の高温で行われるため、使用できる基材の材質が限定される。
特許文献２には、ＤＬＣ膜と基材との間にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、およびＳｉの少なくとの一つの元素、またはその炭化物からなる中間層を、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ未満の厚さで設けることが記載されている。しかし、このような中間層を設けても、転がり軸受が使用されるような、接触面圧が数ＧＰａにも及ぶ環境では、ＤＬＣ膜の剥離が防止できない恐れがある。

特許文献３には、水素を含有するＤＬＣ膜からなる硬質炭素層が、自身の内部応力によって基板から剥がれたり、基板を反らせることを防止するために、水素を含有しない炭素層等からなる内部応力緩和層を設けることが記載されている。硬質炭素層は、炭化水素系ガスを原料として用いたプラズマＣＶＤ法により形成し、前記内部応力緩和層は、スパッタリング法により形成することが記載されている。
しかし、転がり軸受のように、基材が大きく弾性変形するような環境では、前記内部応力緩和層が存在していても、硬質炭素層の基板からの剥離や基板の反りを防止できない恐れがある。

特許３９６１７３９号公報特開２００１−３１６８００号公報特開平１１−１００６７１号公報

この発明の課題は、軸受鋼からなる軸受部品の軌道面または転動面への硬質膜を形成する方法として、高負荷環境においても十分な耐久性を有する硬質膜が形成できる方法を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の第一態様は、下記の構成(1) 〜(4) を有する転がり軸受を提供する。
(1) 軌道面を有する軸受部品および転動面を有する軸受部品を備え、前記軌道面または前記転動面にＤＬＣ膜が形成されている。
(2) 前記ＤＬＣ膜は、炭素と珪素と水素からなり、Ｓｉ−Ｈ結合が存在し、残留応力の絶対値が０．１２ＧＰａ以下である。

(3) 前記ＤＬＣ膜は、炭化水素ガスを導入したスパッタリング法により、珪素ターゲットおよび炭素ターゲットを用い、軸受鋼からなる前記軸受部品の軌道面または転動面の温度を１５０〜１８０℃の範囲に制御して、厚さ１．６μｍ以下に成膜する方法で形成されている。
(4) 前記ＤＬＣ膜は、スラスト玉軸受の上レースおよび下レースの軌道溝に形成された場合に、両軌道溝間にＳＵＪ２製玉を３個、等間隔で配置したものを、油浴内に入れ、荷重８８２０Ｎ、回転速度２０００ｒｐｍの条件で、１千万回回転させる試験を行い、試験終了後に、前記軌道溝の状態を顕微鏡により観察し、画像処理を行って調べた剥離面積が４面積％以下となるＤＬＣ膜である。
第一態様の転がり軸受は、構成(1) 〜(4) に加えて下記の構成(5) を有することができる。

(5) 前記ＤＬＣ膜のヤング率は２００ＧＰａ以下である。
この発明の第二態様である軸受部品への硬質膜形成方法は、軸受鋼からなる軸受部品の軌道面または転動面への硬質膜形成方法であって、炭素と珪素と水素からなるＤＬＣ膜を、珪素ターゲットおよび炭素ターゲットを用い、炭化水素ガスを導入したスパッタリング法により、前記軌道面または転動面の温度を１５０〜１８０℃の範囲に制御して、厚さ１．６μｍ以下に成膜することを特徴とする。この方法で形成される炭素と珪素と水素からなるＤＬＣ膜の有効な厚さの下限値は０．８μｍである。

ＤＬＣ膜の線膨張係数は、一般に１〜７×１０^-6／℃であるが、軸受鋼の線膨張係数は１２×１０^-6／℃程度であるため、軸受鋼からなる被成膜面の温度が高いほど、ＤＬＣ膜と被成膜面との間に大きな体積膨張差が生じる。
また、珪素ターゲットおよび炭素ターゲットを用い、炭化水素ガスを導入したスパッタリング法で成膜されると、ＤＬＣ膜中に「Ｃ−Ｈ」結合だけでなく「Ｓｉ−Ｈ」結合も存在する。「Ｓｉ−Ｈ」は結合エネルギーが小さいため、未結合の「Ｈ」が積極的に「Ｓｉ」と結合する。その結果、炭化水素ガスを導入しない場合と比較してＤＬＣ膜の残留応力が小さくなると考えられている。しかし、成膜時の基材（被成膜面）の温度が高いと、「Ｓｉ−Ｈ」結合が切れやすくなり、ＤＬＣ膜中に未結合の「Ｈ」が存在することで、ＤＬＣ膜の体積膨張が生じ、圧縮残留応力が増加する。

また、成膜時の基材（被成膜面）の温度が高いと、珪素が結晶状態で成膜される傾向がある。
これに対して、この発明の方法では、被成膜面である軸受部品の軌道面または転動面の温度を１５０〜１８０℃の範囲に制御することで、炭素と珪素と水素からなるＤＬＣ膜の体積膨張が抑えられる。また、軸受鋼の硬度低下が抑制されて、被成膜面に対する炭素と珪素と水素からなるＤＬＣ膜の密着性および耐久性が良好になる。

また、被成膜面の温度を１５０〜１８０℃の範囲に制御しても、炭素と珪素と水素からなるＤＬＣ膜の厚さが２．０μｍ以上になると残留応力が極端に大きくなるが、厚さを１．６μｍ以下にすることでＤＬＣ膜の残留応力が小さく、軸受部品として良好な状態にすることができる。

この発明によれば、軸受部品の軌道面または転動面に、高負荷環境においても十分な耐久性を有する硬質膜が形成された転がり軸受が提供される。

実施形態の方法でＤＬＣ膜が形成された軌道輪を備えたスラスト玉軸受を示す断面図である。実施例で成膜したサンプルNo.2とNo.5のＤＬＣ膜のＩＲスペクトルを示すグラフである。

以下、この発明の実施形態について説明する。
図１のスラスト玉軸受（転がり軸受）は、上レース（軌道輪）１、下レース（軌道輪）２、玉（転動体）３、および保持器４で構成されている。上レース１と下レース２と玉３はＳＵＪ２製であり、通常の方法で作製されている。上レース１の軌道溝（軌道面）１ａと下レース２の軌道溝（軌道面）２ａに、炭素と珪素と水素からなるＤＬＣ膜５が形成されている。

このＤＬＣ膜５を、珪素ターゲットおよび炭素ターゲットを用い、メタン（炭化水素）ガスとアルゴンガスを導入した非平衡マグネトロンスパッタリング法により成膜する。その際に、スパッタリング装置内の試料支持台をヒーターで加熱し、ヒーターの温度を制御することで、試料支持台に支持された上下のレース１，２の軌道溝１ａ，２ａの温度を１５０〜１８０℃の範囲に保持する。また、ＤＬＣ膜５の厚さが１．０〜１．６μｍとなるように時間を設定して成膜する。これ以外の点は通常のマグネトロンスパッタリング法に従う。

この方法で、上レース１と下レース２に形成された炭素と珪素と水素からなるＤＬＣ膜５は、図１のスラスト玉軸受を、荷重８８２０Ｎ（９００ｋｇｆ）、回転速度２０００ｒｐｍ、油潤滑で回転させた場合でも剥離が殆ど生じず、良好な密着性および耐久性が得られる。
なお、軸受部品の軌道面および転動面に形成するＤＬＣ膜のヤング率は、１５０〜２００ＧＰａであることが好ましい。ＤＬＣ膜のヤング率が１５０ＧＰａ未満であると、ＤＬＣ膜の硬さが軸受部品の軌道面および転動面の硬さとして不十分となる。２００ＧＰａを超えると、軸受鋼からなる軸受部品より変形しにくいものとなるため、高負荷環境で剥離しやすくなる。

また、軸受鋼からなる軸受部品の軌道面および転動面とＤＬＣ膜との間に、クロムなどからなる金属製中間層を設けてもよい。
また、ＤＬＣ膜の組成が、表面に向かうにつれて炭素の割合が珪素の割合より高くなるように成膜することも、ＤＬＣ膜の圧縮残留応力を小さくする点で好ましい。

図１の転がり軸受を構成する上レース１と下レース２の軌道溝１ａ，２ａに、炭素と珪素と水素からなるＤＬＣ膜５を、珪素ターゲットおよび炭素ターゲットを用い、メタンガスとアルゴンガスを導入した非平衡マグネトロンスパッタリング法により成膜した。その際に、炭素ダーゲットに加える電圧を徐々に大きくし、珪素ターゲットに加える電圧を徐々に小さくすることで、ＤＬＣ膜５の組成が、表面に向かうにつれて炭素の割合が珪素の割合より高くなるように成膜した。

また、成膜時の軌道溝１ａ，２ａの温度が１５０℃（サンプルNo.1）、１８０℃（サンプルNo.2）、２００℃（サンプルNo.3）、２５０℃（サンプルNo.4）、３００℃（サンプルNo.5）の各温度±５℃になるように、試料支持台の温度を制御した。また、膜厚が同じ１．０μｍとなるように成膜時間を設定した。これらの点以外は全て同じ条件で成膜した。

また、サンプルNo.6〜８では、成膜時の軌道溝１ａ，２ａの温度を１８０℃で同じにし、成膜時間を変化させて、膜厚が異なるＤＬＣ５を成膜した。これらの点以外はNo.1〜No. ５と同じ条件とした。
このようにして得られたサンプルNo.2とNo.5のＤＬＣ膜５について、ＩＲスペクトルを測定した。その結果のグラフを図２に示す。このグラフにおいて、波長２１００ｃｍ^-1付近の「Ｓｉ−Ｈ」のピークが、成膜時の軌道溝の温度が１５０℃であるNo.2のＤＬＣ膜５では観察されるが、成膜時の軌道溝の温度が３００℃であるNo.5のＤＬＣ膜５では観察されない。つまり、成膜時の軌道溝の温度が３００℃の場合は、「Ｓｉ−Ｈ」結合が切れて未結合の「Ｈ」が多く存在することにより、ＤＬＣ膜５の体積膨張が大きくなり、圧縮残留応力が大きくなったと推察される。

また、得られた各サンプルの上レース１と下レース２を組み合わせ、通常の方法で作製したＳＵＪ２製玉３を３個、軌道溝１ａ，２ａ間に等間隔で配置して、油浴（ＶＧ１０）内に入れ、荷重８８２０Ｎ（９００ｋｇｆ）、回転速度２０００ｒｐｍの条件で、１千万回（１０⁷回）回転させる試験を行った。
試験終了後に、軌道溝１ａ，２ａに形成されていたＤＬＣ膜５の状態を顕微鏡により観察した。そして、画像処理を行って、ＤＬＣ膜５が剥がれている面積の割合を調べた。また、試験終了前（回転が１千万回に達する前）に軌道溝１ａ，２ａに剥離が生じた場合は、その時点で、軌道溝１ａ，２ａの剥離部分を除いた範囲で、ＤＬＣ膜５が剥がれている面積の割合を調べた。その結果を下記の表１に示す。

また、ヤング率および残留応力を測定するための試験片に対し、サンプルNo.1〜No.8の軌道溝１ａ，２ａに対する成膜と同じ条件で成膜を行い、ヤング率と残留応力を測定した。ヤング率はナノインデンテーション法により測定した。残留応力は金属薄片を用いた形状測定法により算出した。その結果も下記の表１に示す。残留応力で符号「−」が付いた値は圧縮応力を示す。符号無しの値は引張応力を示す。

表１から分かるように、この発明の方法の実施例に相当する方法で成膜を行ったNo.1、２、６、７は、ＤＬＣ膜５の残留応力の絶対値が０．１２ＧＰａ以下と小さく、剥がれ率が４面積％以下と小さかった。また、軌道溝面に剥離は生じなかった。
これに対して、成膜時の軌道溝の温度が１８０℃より高いNo.3〜５と、温度は１８０℃であるが膜厚が２．０μｍ以上であるNo.7とNo.8は、ＤＬＣ膜５の残留応力の絶対値が０．３２ＧＰａ以上と大きく、剥がれ率が７面積％以上と大きかった。また、軌道溝面に剥離が生じていた。
以上のことから、成膜時の軌道溝の温度１５０〜１８０℃、ＤＬＣ膜５の厚さ１．６μｍ以下を満たす方法を採用することで、密着性および耐久性が良好な硬質膜が形成できることが分かる。

１上レース（軌道輪）
１ａ軌道溝（軌道面）
２下レース（軌道輪）
２ａ軌道溝（軌道面）
３玉（転動体）
４保持器
５炭素と珪素と水素からなるＤＬＣ膜

Claims

軌道面を有する軸受部品および転動面を有する軸受部品を備え、
前記軌道面または前記転動面にＤＬＣ膜が形成され、
前記ＤＬＣ膜は、炭素と珪素と水素からなり、Ｓｉ−Ｈ結合が存在し、残留応力の絶対値が０．１２ＧＰａ以下であり、
前記ＤＬＣ膜は、炭化水素ガスを導入したスパッタリング法により、珪素ターゲットおよび炭素ターゲットを用い、軸受鋼からなる前記軸受部品の軌道面または転動面の温度を１５０〜１８０℃の範囲に制御して、厚さ１．６μｍ以下に成膜する方法で形成され、
前記ＤＬＣ膜は、スラスト玉軸受の上レースおよび下レースの軌道溝に形成された場合に、両軌道溝間にＳＵＪ２製玉を３個、等間隔で配置したものを、油浴内に入れ、荷重８８２０Ｎ、回転速度２０００ｒｐｍの条件で、１千万回回転させる試験を行い、試験終了後に、前記軌道溝の状態を顕微鏡により観察し、画像処理を行って調べた剥離面積が４面積％以下となるＤＬＣ膜である転がり軸受。
前記ＤＬＣ膜のヤング率は２００ＧＰａ以下である請求項１記載の転がり軸受。