JP2018135966A - Rolling bearing and hard film deposition method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rolling bearing which has hard films on slide faces or the like of bearing members, is excellent in peeling resistance of the hard film even when coming into contact with the other member under a condition accompanied by a slide in a poor lubrication state, also excellent in seizure resistance, abrasion resistance and corrosion resistance by exhibiting film original characteristics, and can prevent damage resulting from metallic contact between the bearing members.SOLUTION: A rolling bearing 1 comprises: an inner ring 2 having an inner ring raceway surface 2a at an outer periphery; an outer ring 3 having an outer ring raceway surface 3a at an inner periphery; and a plurality of rolling elements 4 rolling between the inner ring raceway surface 2a and the outer ring raceway surface 3a. Hard films 8 are deposited on the inner ring raceway surface 2a and the outer ring raceway surface 3a, and the rolling bearing is used in a condition that the hard film 8 comes into slide-contact with the other bearing member by boundary lubrication. The hard film 8 has a structure which is composed of an underlayer, a mixture layer having a gradient composition with WC and DLC which are deposited on the underlayer as main bodies, and a surface layer with DLC which is deposited on the mixture layer as a main body, and hydrogen content of the mixture layer is lower than 10 atom%.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、軸受部材である内輪、外輪、転動体表面にダイヤモンドライクカーボンを含む硬質膜を成膜した転がり軸受と、この軸受部材への硬質膜の成膜方法に関する。   The present invention relates to a rolling bearing in which a hard film containing diamond-like carbon is formed on the surfaces of an inner ring, an outer ring, and rolling elements that are bearing members, and a method of forming a hard film on the bearing member.

硬質カーボン膜は、一般にダイヤモンドライクカーボン(以下、DLCと記す。また、DLCを主体とする膜/層をDLC膜/層ともいう。)と呼ばれている硬質膜である。硬質カーボンはその他にも、硬質非晶質炭素、無定形炭素、硬質無定形型炭素、i−カーボン、ダイヤモンド状炭素など、様々な呼称があるが、これらの用語は明確に区別されていない。   The hard carbon film is a hard film generally called diamond-like carbon (hereinafter referred to as DLC. A film / layer mainly composed of DLC is also referred to as a DLC film / layer). In addition, hard carbon has various names such as hard amorphous carbon, amorphous carbon, hard amorphous carbon, i-carbon, diamond-like carbon, and these terms are not clearly distinguished.

このような用語が用いられるDLCの本質は、構造的にはダイヤモンドとグラファイトが混ざり合った両者の中間構造を有するものである。ダイヤモンドと同等に硬度が高く、耐摩耗性、固体潤滑性、熱伝導性、化学安定性、耐腐食性などに優れる。このため、例えば、金型・工具類、耐摩耗性機械部品、研磨材、摺動部材、磁気・光学部品などの保護膜として利用されつつある。こうしたDLC膜を形成する方法として、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理的蒸着(以下、PVDと記す)法、化学的蒸着(以下、CVDと記す)法、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング(以下、UBMSと記す)法などが採用されている。   The essence of DLC in which such terms are used is structurally an intermediate structure of both diamond and graphite mixed. It is as hard as diamond and has excellent wear resistance, solid lubricity, thermal conductivity, chemical stability, and corrosion resistance. For this reason, for example, it is being used as a protective film for molds / tools, wear-resistant mechanical parts, abrasives, sliding members, magnetic / optical parts, and the like. As a method for forming such a DLC film, physical vapor deposition (hereinafter referred to as PVD) such as sputtering or ion plating, chemical vapor deposition (hereinafter referred to as CVD), unbalanced magnetron sputtering ( Hereinafter, a method such as UBMS) is employed.

従来、転がり軸受の軌道輪の軌道面、転動体の転動面、保持器摺接面などに対し、DLC膜を形成する試みがなされている。DLC膜は、膜形成時に極めて大きな内部応力が発生し、また高い硬度およびヤング率を持つ反面、変形能が極めて小さいことから、基材との密着性が弱く、剥離しやすいなどの欠点を持っている。このため、転がり軸受における上記各面にDLC膜を成膜する場合には、密着性を改善する必要性がある。   Conventionally, attempts have been made to form a DLC film on the raceway surface of a bearing ring of a rolling bearing, the rolling surface of a rolling element, a cage sliding contact surface, and the like. DLC films generate extremely large internal stress during film formation, and have high hardness and Young's modulus, but their deformability is extremely small, so they have the disadvantages of poor adhesion to the substrate and easy peeling. ing. For this reason, when forming a DLC film on each said surface in a rolling bearing, it is necessary to improve adhesiveness.

例えば、中間層を設けてDLC膜の密着性改善を図ったものとして、鉄鋼材料で形成された軌道溝や転動体の転動面に、クロム(以下、Crと記す)、タングステン(以下、Wと記す)、チタン(以下、Tiと記す)、珪素(以下、Siと記す)、ニッケル、および鉄の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、この下地層の構成元素と炭素とを含有し、炭素の含有率が下地層の反対側で下地層側より大きい中間層と、アルゴンと炭素とからなりアルゴンの含有率が0.02質量%以上5質量%以下であるDLC層とが、この順に形成されてなる転動装置が提案されている(特許文献1参照)。   For example, assuming that the adhesion of the DLC film is improved by providing an intermediate layer, chromium (hereinafter referred to as Cr), tungsten (hereinafter referred to as W) is formed on the raceway groove formed of a steel material or the rolling surface of the rolling element. ), Titanium (hereinafter referred to as Ti), silicon (hereinafter referred to as Si), nickel, and an underlayer having a composition containing at least one element of iron, and the constituent elements and carbon of the underlayer And an intermediate layer having a carbon content larger than that of the base layer on the opposite side of the base layer, and a DLC layer composed of argon and carbon and having an argon content of 0.02% by mass or more and 5% by mass or less. A rolling device formed in this order has been proposed (see Patent Document 1).

また、アンカー効果によりDLC膜の密着性改善を図ったものとして、軌道面にイオン衝撃処理により10〜100nmの高さで平均幅300nm以下の凹凸を形成し、この軌道面上にDLC膜を形成した転がり軸受が提案されている(特許文献2参照)。   Also, assuming that the adhesion of the DLC film is improved by the anchor effect, irregularities with a height of 10 to 100 nm and an average width of 300 nm or less are formed on the orbital surface by ion bombardment, and a DLC film is formed on the orbital surface. A rolling bearing has been proposed (see Patent Document 2).

特許第4178826号公報Japanese Patent No. 4178826 特許第3961739号公報Japanese Patent No. 3961739

しかしながら、転がり軸受において発生する高い接触面圧下では被膜の耐剥離性の確保は容易でなく、特に滑り摩擦により被膜に対して強いせん断力が発生し得るような潤滑・運転条件においては被膜の耐剥離性の確保はより困難となる。DLC膜の適用が検討される摺動面は、潤滑状態が悪く、滑りを伴うといった状況であることが多く、一般的な転がり軸受における運転状況より厳しい場合が多い。   However, it is not easy to ensure the peeling resistance of the coating under the high contact surface pressure generated in rolling bearings, and the coating is resistant to lubrication and operating conditions where a strong shearing force can be generated against the coating due to sliding friction. It becomes more difficult to ensure the peelability. The sliding surface for which the application of the DLC film is considered is often in a state where the lubrication state is poor and accompanied by slipping, and is often severer than the operation state in a general rolling bearing.

また、軸受においては転走面のみでなく外周面や端面における摩耗やシール溝での摺動抵抗などが問題となる場合もあり、転走面以外へのDLC処理も軸受の耐久性および機能性向上に有効な手段である。   Also, in bearings, wear on the outer peripheral surface and end face as well as the rolling surface as well as sliding resistance on the seal groove may be a problem, and the DLC treatment to other than the rolling surface is also the durability and functionality of the bearing. It is an effective means for improvement.

上記した各特許文献の技術は、硬質膜の剥離防止などを図ったものであるが、得られた転がり軸受について、使用条件に応じた要求特性を満足させるべく、DLC膜を適用する際の膜構造や成膜条件には更なる改善の余地がある。   The technology of each of the above-mentioned patent documents is intended to prevent separation of the hard film, but the film used when applying the DLC film to satisfy the required characteristics according to the use conditions for the obtained rolling bearing. There is room for further improvement in structure and film formation conditions.

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、軸受部材の摺動面などに硬質膜を有し、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でもこの硬質膜の耐剥離性に優れ、膜本来の特性を発揮して耐焼き付き性、耐摩耗性、耐腐食性にも優れ、軸受部材間の金属接触に起因する損傷などを防止できる転がり軸受を提供することを目的とする。また、上記特性の硬質膜を軸受部材に対して成膜するための成膜方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to cope with such problems. Even when the bearing member has a hard film on the sliding surface or the like and is in a poorly lubricated state and is in contact with other members under slipping conditions, the present invention has been made. Rolling bearings with excellent peeling resistance of hard films, excellent film seizure resistance, wear resistance, corrosion resistance, and damage due to metal contact between bearing members The purpose is to do. It is another object of the present invention to provide a film forming method for forming a hard film having the above characteristics on a bearing member.

本発明の硬質膜は、鉄系材料からなる、内輪と、外輪と、上記内輪と上記輪との間を転動する複数の転動体とを備えてなる転がり軸受であって、上記内輪、上記外輪、および上記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に硬質膜を有し、該転がり軸受は該硬質膜が他の軸受部材と境界潤滑で滑り接触する条件で使用される軸受であり、上記硬質膜は、上記表面の上に直接成膜された下地層と、該下地層の上に成膜されたタングステンカーバイト(以下、WCと記す)とDLCとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されたDLCを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、上記混合層は、上記下地層側から上記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の上記WCの含有率が小さくなり、該混合層中の上記DLCの含有率が高くなる層であり、上記混合層における水素含有量が10原子%未満であることを特徴とする。   The hard film of the present invention is a rolling bearing comprising an inner ring, an outer ring, and a plurality of rolling elements that roll between the inner ring and the ring, made of an iron-based material, the inner ring, A surface of at least one bearing member selected from the outer ring and the rolling element has a hard film, and the rolling bearing is a bearing used under the condition that the hard film is in sliding contact with other bearing members by boundary lubrication. The hard film includes an underlayer directly formed on the surface, a mixed layer mainly composed of tungsten carbide (hereinafter referred to as WC) and DLC formed on the underlayer. , A film composed of a surface layer mainly composed of DLC formed on the mixed layer, wherein the mixed layer is continuously or stepwise from the base layer side to the surface layer side. The content of the WC in the mixed layer is reduced, and the content in the mixed layer is A layer containing rate increases of LC, and wherein the hydrogen content in the mixed layer is less than 10 atomic%.

上記表面層は、上記混合層との隣接側に、上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。   The surface layer has an inclined layer portion whose hardness increases continuously or stepwise from the mixed layer side on the side adjacent to the mixed layer.

上記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする。   The iron-based material is high carbon chromium bearing steel, carbon steel, tool steel, or martensitic stainless steel.

上記下地層が、CrとWCとを主体とする層であることを特徴とする。   The underlayer is a layer mainly composed of Cr and WC.

本発明の硬質膜の成膜方法は、上記本発明の転がり軸受における軸受部材に対して上記硬質膜を成膜するための方法であり、上記硬質膜において、少なくとも上記表面層と上記混合層がスパッタリングガスとしてアルゴン(以下、Arと記す)ガスを用いたUBMS装置を使用して成膜した層であり、上記表面層は、上記DLC用の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、上記Arガスの上記装置内への導入量100に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合が1〜10であり、上記炭素供給源から生じる炭素原子を、上記混合層上に堆積させて成膜し、上記混合層は、上記DLC用の炭素供給源として少なくとも黒鉛ターゲットを使用し、該炭素供給源として炭化水素系ガスを併用する場合には上記Arガスの上記装置内への導入量100に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合が2.5未満であり、連続的または段階的に、上記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、上記WC用のWCターゲットに印加するスパッタ電力を下げながら成膜する、ことを特徴とする。特に、上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。   The method for forming a hard film of the present invention is a method for forming the hard film on a bearing member in the rolling bearing of the present invention, wherein at least the surface layer and the mixed layer are included in the hard film. It is a layer formed using a UBMS apparatus using argon (hereinafter referred to as Ar) gas as a sputtering gas, and the surface layer comprises a graphite target and a hydrocarbon-based gas as a carbon source for the DLC. In combination, the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas to the introduction amount 100 of the Ar gas into the apparatus is 1 to 10, and carbon atoms generated from the carbon supply source are deposited on the mixed layer. When the mixed layer uses at least a graphite target as a carbon source for the DLC and a hydrocarbon-based gas is used as the carbon source, The ratio of the introduction amount of the hydrocarbon gas to the introduction amount 100 in the apparatus is less than 2.5, and while increasing the sputtering power applied to the graphite target continuously or stepwise, and for the WC The film is formed while lowering the sputtering power applied to the WC target. In particular, the hydrocarbon gas is methane gas.

本発明の転がり軸受は、鉄系材料からなる軸受部材の面に、DLCを含む所定の膜構造を有する硬質膜が成膜されてなる。中間層がWCとDLCの混合層(WC/DLC)であり、傾斜組成とされているので、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。これに加えて、この混合層における水素含有量が10原子%未満であるので、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも硬質膜の耐剥離性に優れる。   The rolling bearing of the present invention is formed by forming a hard film having a predetermined film structure including DLC on the surface of a bearing member made of an iron-based material. Since the intermediate layer is a mixed layer of WC and DLC (WC / DLC) and has a gradient composition, concentration of residual stress after film formation hardly occurs. In addition to this, since the hydrogen content in this mixed layer is less than 10 atomic%, even when it is in a poorly lubricated state and is in contact with other members under slipping conditions, the hard film has excellent peel resistance.

上記構造により、該硬質膜は、例えば、内・外輪軌道面や転動体の転動面に形成されながら耐剥離性に優れ、DLC本来の特性を発揮できる。この結果、本発明の転がり軸受は、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れ、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。   With the above structure, the hard film has excellent peeling resistance and can exhibit the original characteristics of DLC while being formed on, for example, the inner / outer ring raceway surfaces or the rolling surfaces of the rolling elements. As a result, the rolling bearing of the present invention has excellent seizure resistance, wear resistance, and corrosion resistance, and has a long life with little damage to the raceway surface even under severe lubrication conditions.

本発明の硬質膜の成膜方法は、上記硬質膜を転がり軸受部材に成膜するための方法であり、硬質膜において表面層と混合層を、スパッタリングガスとしてArガスを用いたUBMS装置を使用して成膜し、特に混合層(WC/DLC)の成膜の際に、DLC用の炭素供給源として少なくとも黒鉛ターゲットを使用し、該炭素供給源として炭化水素系ガスを併用する場合にはArガスの装置内への導入量100に対する炭化水素系ガスの導入量の割合を2.5未満とすることで、混合層における水素含有量が10原子%未満に調整することができる。これにより、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも耐剥離性に優れる硬質膜を形成できる。   The method for forming a hard film of the present invention is a method for forming the hard film on a rolling bearing member, using a surface layer and a mixed layer in the hard film and an UBMS apparatus using Ar gas as a sputtering gas. In particular, when a mixed layer (WC / DLC) is formed, at least a graphite target is used as a carbon source for DLC, and a hydrocarbon gas is used as the carbon source. By setting the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas to the introduction amount 100 of Ar gas into the apparatus less than 2.5, the hydrogen content in the mixed layer can be adjusted to less than 10 atomic%. This makes it possible to form a hard film that is excellent in peel resistance even when it is in a poorly lubricated state and is in contact with other members under conditions involving slippage.

本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the rolling bearing of this invention. 本発明の転がり軸受の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the rolling bearing of this invention. 硬質膜の構造を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of a hard film. UBMS法の成膜原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the film-forming principle of UBMS method. UBMS装置の模式図である。It is a schematic diagram of a UBMS apparatus. 2円筒試験機の模試図である。It is a schematic diagram of a 2-cylinder testing machine.

DLC膜などの硬質膜は膜内に残留応力があり、残留応力は膜構造や成膜条件の影響を受け大きく異なり、その結果、耐剥離性にも大きな影響を及ぼす。また、耐剥離性は硬質膜が使用される条件によっても変化する。本発明者らは、2円筒試験などにより、潤滑状態が悪い場合(境界潤滑条件)において転がり滑り接触するような条件下での検証を重ねた結果、該条件下となる軸受部材の表面に形成する硬質膜について、その膜構造を限定するとともに、特に水素含有量を所定範囲内とすることで、該条件での耐剥離性の向上が図れることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。   A hard film such as a DLC film has a residual stress in the film, and the residual stress varies greatly depending on the film structure and film formation conditions, and as a result, it greatly affects the peel resistance. The peel resistance also varies depending on the conditions under which the hard film is used. As a result of repeated verification under conditions such as rolling and sliding contact under poor lubrication conditions (boundary lubrication conditions) by the two-cylinder test, etc., the present inventors formed on the surface of the bearing member under the conditions. It has been found that, with respect to the hard film to be formed, the film structure is limited, and in particular, by making the hydrogen content within a predetermined range, it is possible to improve the peel resistance under these conditions. The present invention has been made based on such findings.

本発明の転がり軸受を図1および図2に基づいて説明する。図1は、内・外輪軌道面に後述の硬質膜を形成した転がり軸受(深溝玉軸受)の断面図を、図2は転動体の転動面に硬質膜を形成した転がり軸受(深溝玉軸受)の断面図をそれぞれ示す。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とを備える。転動体4は保持器5により一定間隔で保持されている。シール部材6により、内・外輪の軸方向両端開口部がシールされ、軸受空間にグリース7が封入されている。グリース7としては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。   The rolling bearing of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a sectional view of a rolling bearing (deep groove ball bearing) in which a hard film described later is formed on the inner and outer ring raceway surfaces, and FIG. 2 is a rolling bearing (deep groove ball bearing) in which a hard film is formed on the rolling surface of the rolling element. ) Are cross-sectional views respectively. The rolling bearing 1 includes an inner ring 2 having an inner ring raceway surface 2a on the outer periphery, an outer ring 3 having an outer ring raceway surface 3a on the inner periphery, and a plurality of rolling elements that roll between the inner ring raceway surface 2a and the outer ring raceway surface 3a. 4. The rolling elements 4 are held at regular intervals by a cage 5. The opening portions in the axial direction of the inner and outer rings are sealed by the seal member 6, and grease 7 is sealed in the bearing space. As the grease 7, a known grease for a rolling bearing can be used.

図1(a)の転がり軸受では、内輪2の外周面(内輪軌道面2aを含む)に硬質膜8が形成されており、図1(b)の転がり軸受では、外輪3の内周面(外輪軌道面3aを含む)に硬質膜8が形成されている。また、図2の転がり軸受では、転動体4の転動面に硬質膜8が形成されている。図2の転がり軸受は深溝玉軸受であることから、転動体4は玉であり、その転動面は球面全体である。   In the rolling bearing of FIG. 1 (a), a hard film 8 is formed on the outer peripheral surface (including the inner ring raceway surface 2a) of the inner ring 2, and in the rolling bearing of FIG. 1 (b), the inner peripheral surface ( A hard film 8 is formed on the outer ring raceway surface 3a). In the rolling bearing shown in FIG. 2, a hard film 8 is formed on the rolling surface of the rolling element 4. Since the rolling bearing of FIG. 2 is a deep groove ball bearing, the rolling element 4 is a ball, and its rolling surface is the entire spherical surface.

図1および図2に示すように、深溝玉軸受の内輪軌道面2aは、転動体4である玉を案内するため、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。同様に、外輪軌道面3aも、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。この円弧溝の曲率半径は、一般的に鋼球径をdwとすると、0.51〜0.54dw程度である。また、図に示した態様以外の転がり軸受として、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受を用いる場合では、これらの軸受のころを案内するため、内輪軌道面および外輪軌道面は、少なくとも円周方向で曲面となる。その他、自動調心ころ軸受などの場合、転動体としてたる型ころを用いるので、内輪軌道面および外輪軌道面は、円周方向に加えて、軸方向についても曲面となる。一般的に、曲面に硬質膜を形成する場合では耐剥離性に劣るが、本発明では、上記膜構造と水素含有量の限定によりこれを改善している。   As shown in FIGS. 1 and 2, the inner ring raceway surface 2 a of the deep groove ball bearing is a circular curved surface having an arc-shaped cross section in the axial direction in order to guide the balls as the rolling elements 4. Similarly, the outer ring raceway surface 3a is also a circular curved surface having an arc-shaped cross section in the axial direction. The radius of curvature of the arc groove is generally about 0.51 to 0.54 dw when the steel ball diameter is dw. In the case of using a cylindrical roller bearing or a tapered roller bearing as a rolling bearing other than the mode shown in the figure, the inner ring raceway surface and the outer ring raceway surface are curved at least in the circumferential direction in order to guide the rollers of these bearings. It becomes. In addition, in the case of a self-aligning roller bearing or the like, since a cylindrical roller is used as a rolling element, the inner ring raceway surface and the outer ring raceway surface are curved in the axial direction in addition to the circumferential direction. In general, when a hard film is formed on a curved surface, the peel resistance is inferior, but in the present invention, this is improved by limiting the film structure and the hydrogen content.

本発明の転がり軸受では、他の軸受部材と境界潤滑で滑り接触(特に、転がり滑り接触)する条件となる表面に硬質膜を形成している。転動体は 内外輪との間で転がりつつ滑りも生じている。図1と図2に示す硬質膜は、このような条件下で使用されるものである。また、該硬質膜の形成箇所は、図1と図2に示す箇所に限定されず、適用用途に応じて、上記条件となるような、内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の任意の表面に形成することができる。   In the rolling bearing of the present invention, a hard film is formed on the surface that is in a sliding contact (particularly, rolling sliding contact) with boundary bearing lubrication with other bearing members. The rolling element also slips while rolling between the inner and outer rings. The hard film shown in FIGS. 1 and 2 is used under such conditions. Moreover, the formation location of the hard film is not limited to the location shown in FIG. 1 and FIG. 2, and at least one bearing selected from an inner ring, an outer ring, and a rolling element that satisfies the above conditions according to the application. It can be formed on any surface of the member.

転がり軸受1において、硬質膜8の成膜対象となる軸受部材である内輪2、外輪3、および転動体4は、鉄系材料からなる。鉄系材料としては、軸受部材として一般的に用いられる任意の鋼材などを使用でき、例えば、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などが挙げられる。   In the rolling bearing 1, the inner ring 2, the outer ring 3, and the rolling element 4, which are bearing members for which the hard film 8 is formed, are made of an iron-based material. As the iron-based material, any steel material generally used as a bearing member can be used, and examples thereof include high carbon chromium bearing steel, carbon steel, tool steel, martensitic stainless steel, and the like.

これらの軸受部材において、硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでHv650以上であることが好ましい。Hv650以上とすることで、硬質膜(下地層)との硬度差を少なくし、密着性を向上させることができる。   In these bearing members, it is preferable that the surface on which the hard film is formed has a Vickers hardness of Hv650 or more. By setting it as Hv650 or more, a hardness difference with a hard film | membrane (underlayer) can be decreased and adhesiveness can be improved.

硬質膜が形成される面において、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が好ましい。窒化処理としては、基材表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカース硬さでHv1000以上であることが、硬質膜(下地層)との密着性をさらに向上させるために好ましい。   On the surface on which the hard film is formed, it is preferable that a nitride layer is formed by nitriding before forming the hard film. As the nitriding treatment, it is preferable to perform a plasma nitriding treatment in which an oxide layer that hinders adhesion is hardly generated on the surface of the base material. Further, the surface hardness after nitriding is preferably Vickers hardness of Hv1000 or more in order to further improve the adhesion to the hard film (underlayer).

硬質膜が形成される面の表面粗さRaは、0.05μm以下であることが好ましい。表面粗さRaが0.05μmをこえると、粗さの突起先端に硬質膜が形成され難くなり、局所的に膜厚が小さくなる。   The surface roughness Ra of the surface on which the hard film is formed is preferably 0.05 μm or less. When the surface roughness Ra exceeds 0.05 μm, it is difficult to form a hard film at the tip of the projection having the roughness, and the film thickness is locally reduced.

硬質膜の構造を図3に基づいて説明する。図3は、図1(a)の場合における硬質膜8の構造を示す模式断面図である。図3に示すように、硬質膜8は、(1)内輪2の内輪軌道面2a上に直接成膜される下地層8aと、(2)下地層8aの上に成膜されるWCとDLCとを主体とする混合層8bと、(3)混合層8bの上に成膜されるDLCを主体とする表面層8cとからなる3層構造を有する。本発明では、硬質膜の膜構造を上記のような3層構造とすることで、急激な物性(硬度・弾性率等)変化を避けるようにしている。   The structure of the hard film will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the hard film 8 in the case of FIG. As shown in FIG. 3, the hard film 8 includes (1) a base layer 8a directly formed on the inner ring raceway surface 2a of the inner ring 2, and (2) WC and DLC formed on the base layer 8a. (3) and a surface layer 8c mainly composed of DLC formed on the mixed layer 8b. In the present invention, the film structure of the hard film is a three-layer structure as described above, so that sudden changes in physical properties (hardness, elastic modulus, etc.) are avoided.

下地層8aは、基材となる各軸受部材の表面に直接成膜される下地層である。材質や構造は、基材との密着性を確保できるものであれば特に限定されず、例えば材質としてCr、W、Ti、Siなどが使用できる。これらの中でも、基材となる軸受部材(例えば高炭素クロム軸受鋼)との密着性に優れることから、Crを含むことが好ましい。   The underlayer 8a is an underlayer formed directly on the surface of each bearing member that serves as a base material. The material and structure are not particularly limited as long as the adhesion to the substrate can be ensured. For example, Cr, W, Ti, Si, etc. can be used as the material. Among these, since it is excellent in adhesiveness with the bearing member (for example, high carbon chromium bearing steel) used as a base material, it is preferable to contain Cr.

また、下地層8aは、混合層8bとの密着性も考慮して、CrとWCとを主体とする層であることが好ましい。WCは、CrとDLCとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。特に、内輪2側から混合層8b側に向けてCrの含有率が小さく、かつ、WCの含有率が高くなる傾斜組成とすることが好ましい。これにより、内輪2と混合層8bとの両面での密着性に優れる。   In addition, the base layer 8a is preferably a layer mainly composed of Cr and WC in consideration of adhesion with the mixed layer 8b. WC has intermediate hardness and elastic modulus between Cr and DLC, and concentration of residual stress after film formation hardly occurs. In particular, it is preferable to have a gradient composition in which the Cr content is small and the WC content is high from the inner ring 2 side toward the mixed layer 8b side. Thereby, it is excellent in the adhesiveness in both surfaces of the inner ring | wheel 2 and the mixed layer 8b.

混合層8bは、下地層と表面層との間に介在する中間層となる。混合層8bに用いるWCは、上述のように、CrとDLCとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。混合層8bが、下地層8a側から表面層8c側に向けてWCの含有率が小さく、かつ、DLCの含有率が高くなる傾斜組成であるので、下地層8aと表面層8cとの両面での密着性に優れる。また、該混合層内において、WCとDLCとが物理的に結合する構造となっており、該混合層内での破損などを防止できる。さらに、表面層8c側ではDLC含有率が高められているので、表面層8cと混合層8bとの密着性に優れる。   The mixed layer 8b becomes an intermediate layer interposed between the base layer and the surface layer. As described above, the WC used for the mixed layer 8b has an intermediate hardness and elastic modulus between Cr and DLC, and residual stress concentration after film formation hardly occurs. Since the mixed layer 8b has a gradient composition in which the WC content decreases from the base layer 8a side to the surface layer 8c side and the DLC content increases, the both sides of the base layer 8a and the surface layer 8c Excellent adhesion. In addition, WC and DLC are physically coupled in the mixed layer, and damage in the mixed layer can be prevented. Furthermore, since the DLC content is increased on the surface layer 8c side, the adhesion between the surface layer 8c and the mixed layer 8b is excellent.

混合層8bは、非粘着性の高いDLCをWCによって下地層8a側にアンカー効果で結合させる層である。後述の実施例に示すように、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合において耐剥離性を向上させるには、混合層中の水素含有量をある程度少なくすることが重要となる。   The mixed layer 8b is a layer in which non-adhesive DLC is bonded to the base layer 8a side by an anchor effect by WC. As shown in the examples described later, it is important to reduce the hydrogen content in the mixed layer to some extent in order to improve the peel resistance in the case of contact with other members under poorly lubricated conditions with slippage. Become.

混合層における水素含有量は、10原子%未満とする。この範囲とすることで、境界潤滑で転がり滑り接触する条件下でも硬質膜の剥離を防止できる。混合層の水素含有量が10原子%をこえる場合、中間層となる混合層中に比較的軟質なDLCが存在することとなり、上記のような条件下では剥離しやすくなるおそれがある。また、転がり接触時の疲労特性を向上させるため、DLC用の炭素供給源として炭化水素系ガスは併用して水素を僅かに含有させつつ上記範囲内とすることが好ましい。   The hydrogen content in the mixed layer is less than 10 atomic%. By setting it as this range, peeling of the hard film can be prevented even under the condition of rolling and sliding contact with boundary lubrication. When the hydrogen content of the mixed layer exceeds 10 atomic%, relatively soft DLC exists in the mixed layer serving as the intermediate layer, and there is a possibility that peeling is likely to occur under the above conditions. Moreover, in order to improve the fatigue characteristics at the time of rolling contact, it is preferable that the hydrocarbon-based gas is used in combination as a carbon supply source for DLC and is within the above range while slightly containing hydrogen.

ここで、本発明における「混合層における水素含有量(原子%)」は、公知の分析法により算出できる。例えば、GDS分析(グロー放電発光分光分析)で求めることができる。GDS分析は深さ方向と元素量の関係を調べることができる分析であり、各元素の検量線を用意すれば定量が可能である。水素量検量線は、水素の絶対量測定が可能なERDA分析(弾性反跳粒子検出法)を用いて作成できる。GDS分析における水素量出力値は、試験片材質の違いによって異なるため、混合層(WC/DLC)を構成しているDLCとWCそれぞれについて水素量検量線を作成する必要がある。DLC単層膜試験片およびWC単層膜試験片について、混合層(WC/DLC)の成膜条件に合わせた条件で炭化水素系ガス導入量を調整することで水素含有量の異なる試験片を作製し、ERDA分析とGDS分析を行ない、GDS分析における水素量出力値とERDA分析で測定した水素量(原子%)の関係(検量線)を調べる。上記DLC水素量検量線で求めた水素含有量と、上記WC水素量検量線で求めた水素含有量とは異なるため、これら両方の検量線で求めた水素含有量の平均をとることで、任意の水素量出力値に対応する水素含有量(原子%)が算出できる。   Here, the “hydrogen content (atomic%) in the mixed layer” in the present invention can be calculated by a known analysis method. For example, it can be determined by GDS analysis (glow discharge emission spectral analysis). The GDS analysis is an analysis capable of examining the relationship between the depth direction and the element amount, and can be quantified by preparing a calibration curve for each element. The hydrogen amount calibration curve can be created using ERDA analysis (elastic recoil particle detection method) capable of measuring the absolute amount of hydrogen. Since the hydrogen amount output value in the GDS analysis varies depending on the material of the test piece, it is necessary to create a hydrogen amount calibration curve for each of DLC and WC constituting the mixed layer (WC / DLC). For DLC single-layer film test pieces and WC single-layer film test pieces, test pieces with different hydrogen contents can be obtained by adjusting the amount of hydrocarbon gas introduced under conditions that match the film formation conditions of the mixed layer (WC / DLC). An ERDA analysis and a GDS analysis are performed, and a relationship (calibration curve) between a hydrogen amount output value in the GDS analysis and a hydrogen amount (atomic%) measured in the ERDA analysis is examined. Since the hydrogen content obtained with the DLC hydrogen calibration curve is different from the hydrogen content obtained with the WC hydrogen calibration curve, it can be arbitrarily determined by taking the average of the hydrogen content obtained with both calibration curves. The hydrogen content (atomic%) corresponding to the hydrogen content output value can be calculated.

表面層8cは、DLCを主体とする膜である。表面層8cにおいて、混合層8bとの隣接側に、緩和層部分8dを有することが好ましい。これは、混合層8bと表面層8cとで成膜条件パラメータ(炭化水素系ガス導入量、真空度、バイアス電圧)が異なる場合、これらパラメータの急激な変化を避けるために、該パラメータの少なくとも1つを連続的または段階的に変化させることで得られる緩和層部分である。より詳細には、混合層8bの最表層形成時の成膜条件パラメータを始点とし、表面層8cの最終的な成膜条件パラメータを終点として、各パラメータをこの範囲内で連続的または段階的に変化させる。これにより、混合層8bと表面層8cとの急激な物性(硬度・弾性率等)の差がなくなり、混合層8bと表面層8cとの密着性がさらに優れる。なお、バイアス電圧を連続的または段階的に上昇させることで、DLC構造におけるグラファイト構造(sp)とダイヤモンド構造(sp)との構成比率が後者に偏っていき、硬度が傾斜(上昇)する。 The surface layer 8c is a film mainly composed of DLC. The surface layer 8c preferably has a relaxing layer portion 8d on the side adjacent to the mixed layer 8b. This is because when the film forming condition parameters (hydrocarbon gas introduction amount, vacuum degree, bias voltage) are different between the mixed layer 8b and the surface layer 8c, at least one of the parameters is selected in order to avoid abrupt changes in these parameters. It is a relaxation layer portion obtained by changing one of them continuously or stepwise. More specifically, the film formation condition parameters at the time of forming the outermost layer of the mixed layer 8b are set as the starting points, and the final film formation condition parameters of the surface layer 8c are set as the end points. Change. As a result, there is no abrupt difference in physical properties (hardness, elastic modulus, etc.) between the mixed layer 8b and the surface layer 8c, and the adhesion between the mixed layer 8b and the surface layer 8c is further improved. By increasing the bias voltage continuously or stepwise, the composition ratio of the graphite structure (sp 2 ) and the diamond structure (sp 3 ) in the DLC structure is biased toward the latter, and the hardness is inclined (increased). .

硬質膜8の膜厚(3層の合計)は0.5〜3.0μmとすることが好ましい。膜厚が0.5μm未満であれば、耐摩耗性および機械的強度に劣る場合があり、3.0μmをこえると剥離し易くなる。さらに、該硬質膜8の膜厚に占める表面層8cの厚さの割合が0.8以下であることが好ましい。この割合が0.8をこえると、混合層8bにおけるWCとDLCの物理結合するための傾斜組織が不連続な組織となりやすく、密着性が劣化するおそれがある。   The thickness of the hard film 8 (total of the three layers) is preferably 0.5 to 3.0 μm. If the film thickness is less than 0.5 μm, the abrasion resistance and mechanical strength may be inferior, and if it exceeds 3.0 μm, the film is easily peeled off. Furthermore, the ratio of the thickness of the surface layer 8c to the thickness of the hard film 8 is preferably 0.8 or less. If this ratio exceeds 0.8, the gradient structure for physically bonding WC and DLC in the mixed layer 8b tends to be a discontinuous structure, and the adhesion may be deteriorated.

硬質膜8を以上のような組成の下地層8a、混合層8b、表面層8cからなる3層構造とすることで、耐剥離性に優れる。   By making the hard film 8 have a three-layer structure including the base layer 8a, the mixed layer 8b, and the surface layer 8c having the above composition, the peel resistance is excellent.

本発明の転がり軸受において、以上のような構造・物性の硬質膜を形成することで、軸受使用時に転がり滑り接触などの負荷を受けた場合でも、該膜の摩耗や剥離を防止でき、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。また、グリースを封入した転がり軸受において、軌道輪などの損傷により金属新生面が露出すると、触媒作用によりグリース劣化を促進させるが、本発明の転がり軸受では、硬質膜により金属接触による軌道面や転動面の損傷を防止できるので、このグリース劣化も防止できる。   In the rolling bearing of the present invention, by forming a hard film having the structure and physical properties as described above, even when subjected to a load such as rolling and sliding contact during use of the bearing, the film can be prevented from being worn or peeled off. Even in a lubricated state, there is little damage to the raceway surface and the service life is long. In addition, in rolling bearings filled with grease, if the new metal surface is exposed due to damage to the race or the like, grease degradation is promoted by catalytic action. However, in the rolling bearing of the present invention, the raceway surface and rolling due to metal contact are caused by a hard film. Since surface damage can be prevented, this grease deterioration can also be prevented.

以下、本発明の硬質膜の形成方法について説明する。上記硬質膜は、軸受部材の成膜面に対して、下地層8a、混合層8b、表面層8cをこの順に成膜して得られる。   Hereinafter, the formation method of the hard film of this invention is demonstrated. The hard film is obtained by forming the base layer 8a, the mixed layer 8b, and the surface layer 8c in this order on the film formation surface of the bearing member.

表面層8cの形成は、スパッタリングガスとしてArガスを用いたUBMS装置を使用してなされることが好ましい。UBMS装置を用いたUBMS法の成膜原理を図4に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材12は、成膜対象の軸受部材である内輪、外輪、または転動体であるが、模式的に平板で示してある。図4に示すように、丸形ターゲット15の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石14a、外側磁石14bが配置され、ターゲット15付近で高密度プラズマ19を形成しつつ、磁石14a、14bにより発生する磁力線16の一部16aがバイアス電源11に接続された基材12近傍まで達するようにしたものである。この磁力線16aに沿ってスパッタリング時に発生したArプラズマが基材12付近まで拡散する効果が得られる。このようなUBMS法では、基材12付近まで達する磁力線16aに沿って、Arイオン17および電子が、通常のスパッタリングに比べてイオン化されたターゲット18をより多く基材12に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜(層)13を成膜できる。   The surface layer 8c is preferably formed using a UBMS apparatus using Ar gas as a sputtering gas. The film forming principle of the UBMS method using the UBMS apparatus will be described with reference to the schematic diagram shown in FIG. In the drawing, the substrate 12 is an inner ring, an outer ring, or a rolling element that is a bearing member to be deposited, but is schematically shown as a flat plate. As shown in FIG. 4, an inner magnet 14 a and an outer magnet 14 b having different magnetic properties are arranged in the central portion and the peripheral portion of the round target 15, and the magnet 14 a, while forming a high-density plasma 19 near the target 15, A part 16 a of the magnetic force lines 16 generated by 14 b reaches the vicinity of the base material 12 connected to the bias power source 11. The Ar plasma generated during the sputtering along the magnetic force lines 16a can be diffused to the vicinity of the base material 12. In such a UBMS method, an ion assist effect that causes Ar ions 17 and electrons to reach the base material 12 in a larger amount than the ordinary sputtering along the magnetic field lines 16a reaching the vicinity of the base material 12 due to the ion assist effect. A dense film (layer) 13 can be formed.

表面層8cは、この装置を利用して、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、Arガスの上記装置内への導入量100に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合を1〜10とし、炭素供給源から生じる炭素原子を混合層8b上に堆積させて成膜されたものとすることが好ましい。また、併せて、装置内の真空度を0.2〜0.8Paとすることが好ましい。この好適条件について以下に説明する。   The surface layer 8c uses this apparatus, uses a graphite target and a hydrocarbon gas in combination as a carbon supply source, and the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon gas to the introduction amount 100 of Ar gas into the apparatus. 1 to 10 and carbon atoms generated from a carbon supply source are preferably deposited on the mixed layer 8b. In addition, the degree of vacuum in the apparatus is preferably 0.2 to 0.8 Pa. This preferable condition will be described below.

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することで、DLC膜の硬度および弾性率を調整できる。炭化水素系ガスとしては、メタンガス、アセチレンガス、ベンゼンなどが使用でき、特に限定されないが、コストおよび取り扱い性の点からメタンガスが好ましい。炭化水素系ガスの導入量の割合を、ArガスのUBMS装置内(成膜チャンバー内)への導入量100(体積部)に対して1〜10(体積部)とすることで、表面層8cの耐摩耗性などを悪化させずに、混合層8bとの密着性の向上が図れる。   The hardness and elastic modulus of the DLC film can be adjusted by using a graphite target and a hydrocarbon-based gas in combination as a carbon supply source. As the hydrocarbon-based gas, methane gas, acetylene gas, benzene and the like can be used, and are not particularly limited. However, methane gas is preferable from the viewpoint of cost and handleability. By setting the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas to 1 to 10 (volume part) with respect to the introduction amount 100 (volume part) of Ar gas into the UBMS apparatus (in the film formation chamber), the surface layer 8c Thus, the adhesion with the mixed layer 8b can be improved without deteriorating the wear resistance.

UBMS装置内(成膜チャンバー内)の真空度は上記のとおり0.2〜0.8Paであることが好ましい。より好ましくは、0.25〜0.8Paである。真空度が0.2Pa未満であると、チャンバー内のArガス量が少ないため、Arプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、真空度が0.8Paより高いと、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。   The degree of vacuum in the UBMS apparatus (inside the film forming chamber) is preferably 0.2 to 0.8 Pa as described above. More preferably, it is 0.25 to 0.8 Pa. If the degree of vacuum is less than 0.2 Pa, the amount of Ar gas in the chamber is small, so that Ar plasma is not generated and film formation may not be possible. On the other hand, if the degree of vacuum is higher than 0.8 Pa, the reverse sputtering phenomenon tends to occur and the wear resistance may be deteriorated.

基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は50〜150Vであることが好ましい。なお、基材に対するバイアスの電位は、アース電位に対してマイナスとなるように印加しており、例えば、バイアス電圧100Vとは、アース電位に対して基材のバイアス電位が−100Vであることを示す。   The bias voltage applied to the bearing member serving as the substrate is preferably 50 to 150V. Note that the bias potential to the substrate is applied so as to be negative with respect to the ground potential. For example, the bias voltage of 100 V means that the bias potential of the substrate is −100 V with respect to the ground potential. Show.

下地層8aおよび混合層8bの形成も、上記のスパッタリングガスとしてArガスを用いたUBMS装置を使用してなされることが好ましい。下地層8aがCrとWCとを主体とする層である場合は、ターゲット15としてCrターゲットおよびWCターゲットを併用する。また、混合層8bを形成する際には、(1)WCターゲット、および、(2)黒鉛ターゲットと必要に応じて炭化水素系ガスを用いる。   The formation of the base layer 8a and the mixed layer 8b is also preferably performed using a UBMS apparatus using Ar gas as the sputtering gas. When the underlayer 8 a is a layer mainly composed of Cr and WC, a Cr target and a WC target are used in combination as the target 15. Further, when forming the mixed layer 8b, (1) a WC target and (2) a graphite target and, if necessary, a hydrocarbon-based gas are used.

下地層8aにおいて、上述のようなCrとWCの傾斜組成とする場合は、連続的または段階的に、WCターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、Crターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより混合層8b側に向けてCrの含有率が小さく、かつ、WCの含有率が高くなる構造の層とできる。   When the underlying layer 8a has a gradient composition of Cr and WC as described above, it is formed continuously or stepwise while increasing the sputtering power applied to the WC target and decreasing the power applied to the Cr target. Film. Thereby, it can be set as the layer of the structure where the content rate of Cr becomes small toward the mixed layer 8b side, and the content rate of WC becomes high.

混合層8b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、WCターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより表面層8c側に向けてWCの含有率が小さく、かつ、DLCの含有率が高くなる傾斜組成の層とできる。   The mixed layer 8b is formed in a continuous or stepwise manner while increasing the sputtering power applied to the graphite target serving as the carbon supply source and decreasing the power applied to the WC target. Thereby, it can be set as the layer of the gradient composition which the content rate of WC becomes small toward the surface layer 8c side, and the content rate of DLC becomes high.

混合層8b中の水素含有量を上記範囲(10原子%未満)とするため、炭素供給源として黒鉛ターゲットを単独か、黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用して該炭化水素系ガスの導入量の割合を少なくする。具体的には、黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用する場合、炭化水素系ガスの導入量の割合を、ArガスのUBMS装置内(成膜チャンバー内)への導入量100(体積部)に対し2.5(体積部)未満とする。好ましくは0.5〜2(体積部)であり、より好ましくは1〜1.6(体積部)である。   In order to keep the hydrogen content in the mixed layer 8b within the above range (less than 10 atomic%), the graphite target is used alone as a carbon supply source, or the hydrocarbon gas is introduced using a graphite target and a hydrocarbon gas in combination. Reduce the proportion of quantity. Specifically, when the graphite target and the hydrocarbon gas are used in combination, the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon gas is set to the introduction amount 100 (volume part) of Ar gas into the UBMS apparatus (in the film formation chamber). And less than 2.5 (volume part). Preferably it is 0.5-2 (volume part), More preferably, it is 1-1.6 (volume part).

混合層8bの成膜時におけるUBMS装置内(成膜チャンバー内)の真空度は0.2〜1.2Paであることが好ましい。また、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は20〜100Vであることが好ましい。このような範囲とすることで、耐剥離性の向上が図れる。   The degree of vacuum in the UBMS apparatus (inside the film formation chamber) during the formation of the mixed layer 8b is preferably 0.2 to 1.2 Pa. Moreover, it is preferable that the bias voltage applied to the bearing member used as a base material is 20-100V. By setting it as such a range, the peeling resistance can be improved.

本発明の転がり軸受に形成する硬質膜として、所定の基材に対して硬質膜を形成し、該硬質膜の物性に関する評価した。また、2円筒試験機を用いた転がり滑り試験にて耐剥離性の評価を行なった。   As a hard film formed on the rolling bearing of the present invention, a hard film was formed on a predetermined base material, and the physical properties of the hard film were evaluated. Further, the peel resistance was evaluated by a rolling slip test using a two-cylinder tester.

硬質膜の評価用に用いた試験片、UBMS装置、およびスパッタリングガスなどは以下のとおりである。
(1)試験片物性:SUJ2 焼き入れ焼き戻し品 硬さ780Hv
(2)試験片:鏡面研磨された(0.02μmRa)SUJ2リング(φ40×L12副曲率なし)の摺動表面に対して各条件にてDLC膜を成膜したもの
(3)相手材:研削仕上げ(0.7μmRa)SUJ2リング(φ40×L12副曲率60)
(4)UBMS装置:神戸製鋼所製;UBMS202
(5)スパッタリングガス:Arガス
The test piece, UBMS apparatus, sputtering gas, etc. used for the evaluation of the hard film are as follows.
(1) Physical property of test piece: SUJ2 Quenched and tempered product Hardness 780Hv
(2) Specimen: DLC film formed on each condition on sliding surface of mirror-polished (0.02 μmRa) SUJ2 ring (φ40 × L12 no secondary curvature) (3) Counterpart: Grinding Finish (0.7μmRa) SUJ2 ring (φ40 × L12 secondary curvature 60)
(4) UBMS device: manufactured by Kobe Steel; UBMS202
(5) Sputtering gas: Ar gas

下地層の形成条件を以下に説明する。成膜チャンバー内を5×10−3Pa程度まで真空引きし、ヒータで基材となる試験片をベーキングして、Arプラズマにて基材表面をエッチング後、UBMS法にてCrターゲットとWC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、基材側でCrが多く表面側でWCが多いCr/WC傾斜層を形成した。 The conditions for forming the underlayer will be described below. The inside of the film forming chamber is evacuated to about 5 × 10 −3 Pa, a test piece serving as a base material is baked with a heater, the base material surface is etched with Ar plasma, and then a Cr target and a WC target are formed by UBMS method The sputtering power applied to the substrate was adjusted, the composition ratio of WC and DLC was inclined, and a Cr / WC gradient layer having a large amount of Cr on the substrate side and a large amount of WC on the surface side was formed.

混合層の形成条件を以下に説明する。下地層と同様にUBMS法にて成膜した。ここで、該混合層については、炭化水素系ガスであるメタンガスを供給しながら、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、下地層側でWCが多く表面層側でDLCが多いWC/DLC傾斜層を形成した。混合層の具体的な成膜条件を表1に示す。なお、混合層における水素含有量(原子%)は、GDS分析(グロー放電発光分光分析)により上述の方法で求めた。結果を表1に併記する。   The conditions for forming the mixed layer will be described below. The film was formed by the UBMS method in the same manner as the underlayer. Here, for the mixed layer, while supplying methane gas, which is a hydrocarbon-based gas, the sputtering power applied to the WC target and the graphite target is adjusted, the composition ratio of WC and DLC is inclined, and the WC is formed on the base layer side. A WC / DLC gradient layer having a large amount of DLC on the surface layer side was formed. Table 1 shows specific film forming conditions of the mixed layer. The hydrogen content (atomic%) in the mixed layer was determined by the above-described method by GDS analysis (glow discharge emission spectroscopic analysis). The results are also shown in Table 1.

表面層の形成条件は、各表に示すとおりである。   The conditions for forming the surface layer are as shown in each table.

図5はUBMS装置の模式図である。図5に示すように、円盤20上に配置された基材21に対し、スパッタ蒸発源材料(ターゲット)22を非平衡な磁場により、基材21近傍のプラズマ密度を上げてイオンアシスト効果を増大すること(図4参照)によって、基材上に堆積する被膜の特性を制御できるUBMS機能を備える装置である。この装置により、基材上に、複数のUBMS被膜(組成傾斜を含む)を任意に組合せた複合被膜を成膜することができる。この実施例では、基材とするリングに、下地層、混合層、表面層をUBMS被膜として成膜している。   FIG. 5 is a schematic diagram of a UBMS apparatus. As shown in FIG. 5, the ion assist effect is increased by increasing the plasma density in the vicinity of the base material 21 by the non-equilibrium magnetic field of the sputter evaporation source material (target) 22 with respect to the base material 21 arranged on the disk 20. By doing this (see FIG. 4), the apparatus has a UBMS function that can control the characteristics of the film deposited on the substrate. With this apparatus, a composite coating in which a plurality of UBMS coatings (including composition gradients) are arbitrarily combined can be formed on a substrate. In this embodiment, a base layer, a mixed layer, and a surface layer are formed as a UBMS film on a ring as a base material.

実施例1〜3、比較例1〜5
表1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、これをUBMS装置に取り付け、上述の形成条件にて下地層および混合層を形成した。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。なお、表1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。得られた試験片を下記に示す2円筒試験機を用いた転がり滑り試験に供した。結果を表1に併記する。
Examples 1-3, Comparative Examples 1-5
The substrate shown in Table 1 was ultrasonically cleaned with acetone and then dried. After drying, this was attached to a UBMS apparatus, and an underlayer and a mixed layer were formed under the above-described formation conditions. A DLC film, which is a surface layer, was formed on the film formation conditions shown in Table 1 to obtain a test piece having a hard film. Note that “degree of vacuum” in Table 1 is the degree of vacuum in the film forming chamber in the above apparatus. The obtained test piece was subjected to a rolling slip test using a two-cylinder testing machine shown below. The results are also shown in Table 1.

<2円筒試験機による転がり滑り試験>
得られた試験片について図6に示す2円筒試験機を用いて転がり滑りによる耐剥離性の試験を行なった。この2円筒試験機は、駆動側試験片23と転がり滑り接触する従動側試験片24とを備え、それぞれの試験片(リング)は支持軸受26で支持されており、負荷用バネ27により荷重が負荷されている。また、図中の25は駆動用プーリ、28は非接触回転計である。硬質膜の剥離を助長するために相手材粗さを大きくし、潤滑油粘度を下げ境界潤滑とし、回転差をつけて滑りを発生させ、被膜の剥離が発生するまでの時間(h)を剥離寿命として評価を行った。具体的な試験条件は以下のとおりである。
(試験条件)
潤滑油:VG1.5相当油(添加剤含有) 滴下給油
油温:40〜50℃
最大接触面圧:2.7GPa
回転数:(試験片側)270 min−1
(相手材側)300 min−1
相対滑り速度:0.06 m/s
油膜パラメータ:0.006
打ち切り時間:48h
<Rolling and sliding test with 2 cylinder tester>
The obtained specimen was tested for resistance to peeling by rolling and sliding using a two-cylinder testing machine shown in FIG. The two-cylinder tester includes a driven-side test piece 23 and a driven-side test piece 24 that is in rolling contact with each other. Each test piece (ring) is supported by a support bearing 26, and a load is applied by a load spring 27. Is loaded. In the figure, 25 is a driving pulley, and 28 is a non-contact tachometer. Increase the roughness of the mating material to promote the peeling of the hard film, lower the lubricating oil viscosity to make boundary lubrication, cause slippage by applying a rotation difference, and peel off the time (h) until the peeling of the film occurs Evaluation was made as the lifetime. Specific test conditions are as follows.
(Test conditions)
Lubricating oil: VG1.5 equivalent oil (containing additives) Dropping oil temperature: 40-50 ° C
Maximum contact surface pressure: 2.7 GPa
Number of revolutions: (test piece side) 270 min −1
(Counterpart side) 300 min -1
Relative sliding speed: 0.06 m / s
Oil film parameter: 0.006
Abort time: 48h

各実施例と各比較例は、使用する基材および表面層の成膜条件が同一であり、表面層の硬度は平均値で約29GPaである。表1に示すように、混合層を形成する際のメタンガス導入比を変化させた場合、メタンガス導入比が高い場合において2円筒転がり滑り試験における剥離寿命が短い傾向があり、メタンガス導入比が2.5であり、水素含有量が10.8原子%の時点で劇的に短寿命化した。メタンガス導入比が2.5以上の場合、1h前後の剥離寿命となっており、混合層内の水素含有量の高い比較的軟質なDLCの存在が被膜の耐剥離性に悪影響を及ぼしていると考えられる。   Each Example and each Comparative Example have the same base material and surface layer forming conditions, and the surface layer has an average hardness of about 29 GPa. As shown in Table 1, when the methane gas introduction ratio at the time of forming the mixed layer is changed, when the methane gas introduction ratio is high, the peeling life in the two-cylinder rolling slip test tends to be short, and the methane gas introduction ratio is 2. 5. When the hydrogen content was 10.8 atomic%, the lifetime was dramatically shortened. When the methane gas introduction ratio is 2.5 or more, the peeling life is about 1 h, and the presence of a relatively soft DLC with a high hydrogen content in the mixed layer adversely affects the peeling resistance of the film. Conceivable.

DLCの適用が検討される摺動面・転動面は潤滑が希薄または滑り速度が速いなど苛酷な潤滑状態であることが多い。本発明の転がり軸受は、例えば、内・外輪軌道面や転動体の転動面にDLC膜が形成され、苛酷な潤滑状態で運転した場合においてもこのDL膜の耐剥離性に優れ、DLC本体の特性を発揮できるので、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる。このため、本発明の転がり軸受は、苛酷な潤滑状態での用途を含め、各種用途に適用可能である。   Sliding surfaces and rolling surfaces for which application of DLC is considered are often in a severely lubricated state such as poor lubrication or high sliding speed. The rolling bearing of the present invention has, for example, a DLC film formed on the inner and outer ring raceway surfaces and the rolling surface of the rolling element, and has excellent DL film peeling resistance even when operated in a severely lubricated state. Therefore, it has excellent seizure resistance, wear resistance, and corrosion resistance. For this reason, the rolling bearing of this invention is applicable to various uses including the use in a severe lubrication state.

1 転がり軸受(深溝玉軸受)
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
20 円盤
21 基材
22 スパッタ蒸発源材料(ターゲット)
23 駆動側試験片
24 従動側試験片
25 駆動用プーリ
26 支持軸受
27 負荷用ばね
28 非接触回転計
1 Rolling bearing (deep groove ball bearing)
2 Inner ring 3 Outer ring 4 Rolling element 5 Cage 6 Seal member 7 Grease 8 Hard film 11 Bias power supply 12 Base material 13 Film (layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Target 16 Magnetic field line 17 Ar ion 18 Ionized target 19 High-density plasma 20 Disc 21 Base material 22 Sputter evaporation source material (target)
23 Drive side test piece 24 Drive side test piece 25 Drive pulley 26 Support bearing 27 Load spring 28 Non-contact tachometer

Claims (6)

鉄系材料からなる、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間を転動する複数の転動体とを備えてなる転がり軸受であって、
前記内輪、前記外輪、および前記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に硬質膜を有し、該転がり軸受は該硬質膜が他の軸受部材と境界潤滑で滑り接触する条件で使用される軸受であり、
前記硬質膜は、前記表面の上に直接成膜された下地層と、該下地層の上に成膜された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た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り、前記混合層における水素含有量が10原子%未満であることを特徴とする転がり軸受。
A rolling bearing comprising an inner ring, an outer ring, and a plurality of rolling elements that roll between the inner ring and the outer ring, made of an iron-based material,
The surface of at least one bearing member selected from the inner ring, the outer ring, and the rolling element has a hard film, and the rolling bearing is used under the condition that the hard film is in sliding contact with other bearing members by boundary lubrication. Bearings,
The hard film includes an underlayer formed directly on the surface, a mixed layer mainly composed of tungsten carbide and diamond-like carbon formed on the underlayer, and an upper layer of the mixed layer. A film having a structure composed of a surface layer mainly composed of diamond-like carbon,
In the mixed layer, the content of the tungsten carbide in the mixed layer decreases continuously or stepwise from the base layer side to the surface layer side, and the diamond-like carbon in the mixed layer decreases. A rolling bearing characterized in that it is a layer having a high content rate, and the hydrogen content in the mixed layer is less than 10 atomic%.
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記載の転がり軸受。   The rolling bearing according to claim 1, wherein the surface layer has an inclined layer portion whose hardness increases continuously or stepwise from the mixed layer side on a side adjacent to the mixed layer. 前記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼であ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。   The rolling bearing according to claim 1, wherein the iron-based material is high-carbon chromium bearing steel, carbon steel, tool steel, or martensitic stainless steel. 前記下地層が、クロムとタングステンカーバイトとを主体とする層であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項記載の転がり軸受。   The rolling bearing according to any one of claims 1 to 3, wherein the underlayer is a layer mainly composed of chromium and tungsten carbide. 請求項1から請求項4までのいずれか1項記載の転がり軸受における軸受部材への前記硬質膜の成膜方法であって、
前記硬質膜において、少なくとも前記表面層と前記混合層が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、
前記表面層は、前記ダイヤモンドライクカーボン用の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1〜10であり、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し、
前記混合層は、前記ダイヤモンドライクカーボン用の炭素供給源として少なくとも黒鉛ターゲットを使用し、該炭素供給源として炭化水素系ガスを併用する場合には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2.5未満であり、連続的または段階的に、前記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、前記タングステンカーバイト用のタングステンカーバイトターゲットに印加するスパッタ電力を下げながら成膜する、ことを特徴とする硬質膜の成膜方法。
A method for forming the hard film on a bearing member in a rolling bearing according to any one of claims 1 to 4,
In the hard film, at least the surface layer and the mixed layer are layers formed using an unbalanced magnetron sputtering apparatus using argon gas as a sputtering gas,
The surface layer uses a graphite target and a hydrocarbon gas in combination as a carbon supply source for the diamond-like carbon, and the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon gas to the introduction amount 100 of the argon gas into the apparatus 1 to 10, and carbon atoms generated from the carbon source are deposited on the mixed layer to form a film.
The mixed layer uses at least a graphite target as a carbon supply source for the diamond-like carbon, and when using a hydrocarbon-based gas as the carbon supply source, the amount of the argon gas introduced into the apparatus is 100 The ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas is less than 2.5, while increasing the sputtering power applied to the graphite target continuously or stepwise, and to the tungsten carbide target for the tungsten carbide A method of forming a hard film, wherein the film is formed while lowering a sputtering power to be applied.
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5記載の硬質膜の成膜方法。   6. The method for forming a hard film according to claim 5, wherein the hydrocarbon-based gas is methane gas.
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