JP2020118292A - 転がり軸受、および風力発電用主軸支持装置 - Google Patents

転がり軸受、および風力発電用主軸支持装置 Download PDF

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Abstract

【課題】転がり軸受の内・外輪軌道面などに硬質膜を有し、該硬質膜の耐剥離性を向上させ、膜本来の特性を発揮するとともに、相手材に対する攻撃性が抑制された転がり軸受を提供する。【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、硬質膜８は、内輪軌道面２ａや外輪軌道面３ａに直接成膜されるＣｒとＷＣとを主体とする下地層と、この上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする傾斜組成の混合層と、この上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、下地層が成膜される面における粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下である。【選択図】図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に関し、特に、高荷重が負荷される用途、例えば風力発電機の主軸を支持する軸受などに適用される複列自動調心ころ軸受に関する。また、該複列自動調心ころ軸受を備えた風力発電用主軸支持装置に関する。
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。
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。
従来、転がり軸受の軌道輪の軌道面や転動体の転動面に対し、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。ＤＬＣ膜が剥離すると、軸受部材間で金属接触が起こり、該部材が摩耗することで転動面に摩耗粉が介入し軌道面損傷などに繋がる。このため、転がり軸受の軌道輪の軌道面や転動体の転動面に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。
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）。
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）。
特許第４１７８８２６号公報 特許第３９６１７３９号公報
しかしながら、転がり滑り運動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（フレーキングの防止）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。
また、軸受においては軌道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、軌道面以外への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。
また、ＤＬＣ膜は硬質な被膜であり、接触する相手材に対してアブレシブ摩耗などの摩耗を発生させるおそれがある。特に、高荷重下、転がり滑り摩擦が生じる条件下で使用される場合、ＤＬＣ膜による相手材への攻撃性が増大するおそれがある。
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、例えば転がり軸受の内・外輪軌道面などに形成された際にＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮するとともに、相手材に対する攻撃性が抑制された転がり軸受の提供を目的とする。また、上記転がり軸受を適用した風力発電用主軸支持装置の提供を目的とする。
本発明の転がり軸受は、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、上記内輪軌道面と上記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体とを備え、上記内輪、上記外輪、および上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、硬質膜は、上記内輪軌道面、上記外輪軌道面、および上記転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面の上に直接成膜されるクロムとタングステンカーバイトと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、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、該混合層中の上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、上記下地層が成膜される面における粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下であることを特徴とする。
上記下地層が成膜される面における粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが−０．２以下であることを特徴とする。
上記下地層が成膜される面における粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐが０．４μｍ以下であることを特徴とする。
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。
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。
上記転がり軸受が、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する軸受であり、該軸受が、上記内輪と上記外輪との間に、上記転動体として軸方向に並んで２列にころを介在させ、上記外輪軌道面を球面状とし、上記ころの外周面を上記外輪軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受であることを特徴とする。
本発明の風力発電用主軸支持装置は、ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受によって支持する風力発電用主軸支持装置であって、上記軸受のうち少なくとも一個が上記複列自動調心ころ軸受であり、該複列自動調心ころ軸受において、上記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとしたことを特徴とする。
本発明の転がり軸受は、内輪、外輪、および複数の転動体が鉄系材料からなり、内輪軌道面、外輪軌道面、および転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面に、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。混合層に用いる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も発生し難い。さらに、ＷＣとＤＬＣとの混合層を傾斜組成とすることで、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっている。
また、内輪軌道面、外輪軌道面、および転動体の転動面から選ばれる少なくとも一つの面の上に直接成膜される下地層は、Ｃｒを含むので鉄系材料と相性がよく、ＷやＳｉと比較して密着性に優れる。これに加えて、該下地層が成膜される面（基材表面）の表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下であるので、粗さが十分に小さく、また粗さ突起が先鋭にならず、突起接触による応力集中が軽減される。結果として硬質膜自体の耐剥離性に優れ、相手材に対する攻撃性を抑制できる。
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。
本発明の風力発電用主軸支持装置は、ブレードが取付けられた主軸を少なくとも本発明の転がり軸受で支持するので、高荷重または潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下であっても硬質膜の耐剥離性に優れ、相手材に対する攻撃性を抑制できる。また、軸受が長寿命となり、メンテナンスフリー化にも寄与する。また、該軸受が、内輪と外輪との間に、軸方向に並んで２列にころを介在させた複列自動調心ころ軸受であり、２列のころのうち一方の列のころに、より大きなスラスト荷重がかかる風力発電機主軸用軸受の特有の使用状態に適している。
本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。 本発明の転がり軸受の他の例を示す断面図である。 硬質膜の構造を示す模式断面図である。 風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図である。 風力発電用主軸支持装置を示す図である。 本発明に係る複列自動調心ころ軸受の模式断面図である。 従来の風力発電機における主軸支持用の軸受を示す図である。 ＵＢＭＳ法の成膜原理を示す模式図である。 ＵＢＭＳ装置の模式図である。 ２円筒試験機の模試図である。
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成膜される基材表面の粗さによっても変化する。また、ＤＬＣ膜は硬質な被膜であり、相手材に対してアブレシブ摩耗などの形態で摩耗を発生させやすい。摩耗のメカニズムには微小な粗さ突起における局所応力集中が関与しており、鋼同士では問題にならないような接触状態でも硬質なＤＬＣが介在する場合には、より繊細な粗さ管理が必要とされる。本発明者らは、粗さパラメータが異なる基材を用いて高荷重下、転がり滑り摩擦が生じる条件下で検証を重ねた結果、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、基材表面の粗さ曲線の算術平均粗さＲａおよび二乗平均平方根傾斜ＲΔｑ（および歪度Ｒｓｋ）を所定範囲内とすることで、相手攻撃性の抑制および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。
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。
例えば図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が形成されているが、適用用途に応じて内輪、外輪または転動体の少なくとも１面に硬質膜が形成してあればよい。
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。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際に、該硬質膜８をその転動体に形成する場合は、少なくとも転動面（円筒外周など）に形成してあればよい。
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。本発明の転がり軸受は、内輪軌道面および外輪軌道面が、以上のいずれの形状であってもよい。
本発明の転がり軸受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。
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。
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。
本発明において、硬質膜が形成される面、つまり下地層が成膜される面は、算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、かつ、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下である。Ｒａは、好ましくは０．２μｍ以下である。また、硬質膜が形成される面は鏡面加工された面であってもよい。Ｒａの下限は、特に限定されず、例えば０．００５μｍ以上である。なお、鏡面加工は生産性や製造コストにおいて不利となるため、製造上の観点からは、Ｒａが０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましい。ＲΔｑは、好ましくは０．０３以下であり、より好ましくは０．０２以下である。算術平均粗さＲａおよび二乗平均平方根傾斜ＲΔｑは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠して算出される数値であり、接触式または非接触式の表面粗さ計などを用いて測定される。具体的な測定条件としては、測定長さ４ｍｍ、カットオフ０．８ｍｍである。基材表面の二乗平均平方根傾斜ＲΔｑを０．０５以下とすることで、粗さ曲線におけるピークが緩やかになり、突起の曲率半径が大きくなり局所面圧が低減できる。また、成膜時においては粗さによるミクロなレベルの電界集中も抑制でき、局所的な膜厚および硬度の変化を防ぐことができ、ひいては硬質膜の耐剥離性を向上できる。
下地層が成膜される面の粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐは０．４μｍ以下であることが好ましい。最大山高さＲｐは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠して算出される。粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａの関係は、１≦Ｒｐ／Ｒａ≦２となることが好ましく、１．２≦Ｒｐ／Ｒａ≦２となることがより好ましい。
また、下地層が成膜される面の粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋは負であることが好ましい。Ｒｓｋは、歪み度の指標であり、−０．２以下であることがより好ましい。スキューネスＲｓｋは、平均線を中心にして振幅分布曲線の上下対称性を定量的に表したもの、つまり表面粗さの平均線に対する偏りを示す指標である。スキューネスＲｓｋは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠して算出される。スキューネスＲｓｋが負であることは、粗さ形状が下に凸（谷）ということを意味し、表面に平坦部が多くある状態となる。結果として凸部が少なく突起部による応力集中を起こしにくい表面であると言える。また粗さを軽減する手法にバレル研磨など研磨メディアとの衝突により表面突起を除去する方法があるが、加工条件によっては新たに突起を形成してしまいＲｓｋが正に転じる可能性があり注意が必要である。
本発明における硬質膜の構造を図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、該硬質膜８は、（１）内輪２の内輪軌道面２ａ上に直接成膜されるＣｒとＷＣとを主体とする下地層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。ここで、混合層８ｂは、下地層８ａ側から表面層８ｃ側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中のＷＣの含有率が小さくなり、かつ、該混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる層である。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。
下地層８ａは、Ｃｒを含むので超硬合金材料や鉄系材料からなる基材との相性がよく、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌなどを用いる場合と比較して基材との密着性に優れる。また、下地層８ａに用いる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も発生し難い。また、下地層８ａは、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。
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。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。
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、混合層８ｂ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とでバイアス電圧が異なる場合、バイアス電圧の急激な変化を避けるためにバイアス電圧を連続的または段階的に変化させる（上げる）ことで得られる部分である。傾斜層部分８ｄは、このようにバイアス電圧を変化させることで、結果として上記のように硬度が傾斜する。硬度が連続的または段階的に上昇するのは、ＤＬＣ構造におけるグラファイト構造（ｓｐ２）とダイヤモンド構造（ｓｐ３）との構成比率が、バイアス電圧の上昇により後者に偏っていくためである。これにより、混合層と表面層との急激な硬度差がなくなり、混合層８ｂと表面層８ｃとの密着性がさらに優れる。
硬質膜８の膜厚（３層の合計）は０．５〜５．０μｍとすることが好ましい。膜厚が厚くなると残留圧縮応力の増大により剥離が発生し易くなる傾向があるが、転がり滑り条件などの表層でのせん断応力が大きい場合においては、膜厚が薄くなるほど剥離が発生し易くなる傾向が確認されており、実際の損傷モードに合わせた膜厚設定が必要である。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。
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との３層構造とすることで、耐剥離性に優れる。
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。
ここで、本発明の転がり軸受が適用される風力発電機について説明する。従来、大型の風力発電機における主軸用軸受には、図７に示すような大型の複列自動調心ころ軸受３４が用いられることが多い。主軸３３は、ブレード３２が取付けられた軸であり、風力を受けることによって回転し、その回転を増速機（図示せず）で増速して発電機を回転させ、発電する。風を受けて発電している際に、ブレード３２を支える主軸３３は、ブレード３２にかかる風力による軸方向荷重（軸受スラスト荷重）と、径方向荷重（軸受ラジアル荷重）が負荷される。複列自動調心ころ軸受３４は、ラジアル荷重とスラスト荷重を同時に負荷することができ、かつ調心性を持つため、軸受ハウジング３１の精度誤差や、取付誤差による主軸３３の傾きを吸収でき、かつ運転中の主軸３３の撓みを吸収できる。そのため、風力発電用機主軸用軸受に適した軸受であり、利用されている（参考文献：ＮＴＮ社カタログ「新世代風車用軸受」Ａ６５．ＣＡＴ．Ｎｏ．８４０４/０４/ＪＥ、２００３年５月１日発行）。
ところで、図７に示すように、風力発電用の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受においては、ラジアル荷重に比べてスラスト荷重が大きく、複列のころ３７、３８のうち、スラスト荷重を受ける列のころ３８が、もっぱらラジアル荷重とスラスト荷重を同時に負荷することになる。そのため、転がり疲労寿命が短くなる。また、風力発電機においては主軸の回転数が一定でなく、低回転数では油膜厚さの不足境界潤滑となり易い、加えて接触楕円内において差動滑りが発生するため、表面損傷や摩耗を生じやすい。また、スラスト荷重が負荷されることから、鍔で滑り運動が起こり摩耗を生じると言う問題があった。加えて、反対側の列では軽負荷となり、ころ３７が内外輪３５、３６の軌道面３５ａ、３６ａで滑りを生じ、表面損傷や摩耗を生じるという問題がある。そのため、軸受サイズが大きなものを用いることで対処されるが、軽負荷側では余裕が大きくなり過ぎて、不経済である。また、無人で運転されたり、ブレード３２が大型となるために高所に設置される風力発電機主軸用軸受では、メンテナンスフリー化が望まれる。
これの対処として、本発明の転がり軸受を、風力発電用主軸支持装置における複列自動調心ころ軸受に適用することができる。本発明の転がり軸受を風力発電用主軸支持装置に適用した例を図４および図５に基づいて説明する。図４は本発明の風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図であり、図５は図４の風力発電用主軸支持装置を示す図である。図４に示すように、風力発電機１１は、風車となるブレード１２が取付けられた主軸１３を、ナセル１４内に設置された複列自動調心ころ軸受１５（以下、単に軸受１５とも言う。）により回転自在に支持し、さらにナセル１４内に増速機１６および発電機１７を設置したものである。増速機１６は、主軸１３の回転を増速して発電機１７の入力軸に伝達するものである。ナセル１４は、支持台１８上に旋回座軸受２７を介して旋回自在に設置され、旋回用のモータ１９（図５参照）の駆動により、減速機２０（図５参照）を介して旋回させられる。ナセル１４の旋回は、風向きにブレード１２の方向を対向させるために行われる。主軸支持用の軸受１５は、図５の例では２個設けられているが、１個であってもよい。
図６は、風力発電機の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受１５を示す。この軸受１５は、一対の軌道輪となる内輪２１および外輪２２と、これら内外輪２１ 、２２間に介在した複数のころ２３とを有する。複数のころは、軸受の軸方向に２列に並んで介在し、図６では、ブレードに近い方の列（左列）のころが２３ａ、ブレードから遠い方の列（右列）のころが２３ｂとなっている。軸受１５は、スラスト負荷が可能なラジアル軸受である。軸受１５の外輪軌道面２２ａが球面状とされ、各ころは外周面が外輪軌道面２２ａに沿う球面形状のころとされている。内輪２１は、左右各列のころ２３ａ、２３ｂの外周面に沿う断面形状の複列の内輪軌道面２１ａが形成されている。内輪２１の外周面の両端には、小鍔２１ｂ、２１ｃがそれぞれ設けられている。内輪２１の外周面の中央部、すなわち左列のころ２３ａと右列のころ２３ｂ間には、中鍔２１ｄが設けられている。ころ２３ａ、２３ｂは、各列毎に保持器２４で保持されている。
上記構成において、各ころ２３ａ、２３ｂの外周面は、内輪軌道面２１ａと外輪軌道面２２ａとの間で転がり接触する。また、ころ２３ａの軸方向内側の端面は、中鍔２１ｄの軸方向一方の端面との間で滑り接触し、ころ２３ａの軸方向外側の端面は、小鍔２１ｂの内側端面との間で滑り接触する。また、ころ２３ｂの軸方向内側の端面は、中鍔２１ｄの軸方向他方の端面との間で滑り接触し、ころ２３ｂの軸方向外側の端面は、小鍔２１ｃの内側端面との間で滑り接触する。これらの摩擦を低減するためにグリースが封入されている。グリースとしては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。
図６において、外輪２２は軸受ハウジング２５の内径面に嵌合して設置され、内輪２１は主軸１３の外周に嵌合して主軸１３を支持している。軸受ハウジング２５は、軸受１５の両端を覆う側壁部２５ａを有し、各側壁部２５ａと主軸１３との間にラビリンスシール等のシール２６が構成されている。軸受ハウジング２５で密封性が得られるため、軸受１５にはシール無しのものが用いられている。軸受１５は、本発明の実施形態にかかる風力発電機主軸用軸受となるものである。
上記複列自動調心ころ軸受は、ころと他部材間で摺接する（例えば、転がり滑り接触する）表面に上述した硬質膜が形成されている。風力発電機主軸用軸受には高荷重が負荷されるため、硬質膜による耐摩耗性などの向上が期待されるが、その反面、硬質膜による相手攻撃性や剥離性が懸念される。上記複列自動調心ころ軸受の破損形態は摩耗およびピーリングなどの表層剥離であり、外輪負荷域で最もその進行が早い傾向がある。このため、摩耗を抑制したい対象は外輪であるが、ＤＬＣは硬質な被膜であるため処理前のころの粗さ状態が不適切である場合、より相手攻撃性が助長され、外輪の摩耗が促進される可能性がある。またＤＬＣが剥離した場合、硬質な剥離片の転動面への噛み込みなどの悪影響があるため、ＤＬＣの剥離にも細心の注意を払う必要がある。
本発明者らは、これらの相手攻撃性や剥離には被処理材であるころの表面粗さ突起における応力集中が関係しており、通常用いられる算術平均粗さ（Ｒａ）などに加えて、表面突起の形状に着目した二乗平均平方根傾斜ＲΔｑなどのパラメータの管理が有効であることを見出した。そこで、基材表面の粗さ曲線の二乗平均平方根傾斜ＲΔｑを所定範囲内とすることで、硬質膜の相手攻撃性の抑制や耐剥離性の向上が図れる。その結果、高荷重下、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、硬質膜本来の特性を発揮でき、耐焼き付き性、耐摩耗性、耐腐食性にも優れ、複列自動調心ころ軸受の金属接触に起因する損傷などを防止できる。
硬質膜の形成箇所について以下に説明する。図６の形態の軸受１５では、軸受部材である内輪２１の外周面に硬質膜２８が形成されている。内輪２１の外周面は、軌道面２１ａ、中鍔２１ｄの軸方向両端面、小鍔２１ｂの内側端面、小鍔２１ｃの内側端面を含む。図６の形態では、内輪２１の外周面全体に硬質膜２８が形成されており、ころ２３ａ、２３ｂと転がり滑り接触しない面にも硬質膜２８が形成されている。内輪２１において、硬質膜２８を形成する箇所は、図６の形態に限らず、境界潤滑条件下でころと滑り接触する表面に形成されることが好ましい。例えば、各ころ２３ａ、２３ｂと滑り接触する中鍔２１ｄの軸方向両端面、小鍔２１ｂの内側端面、および小鍔２１ｃの内側端面のうち、少なくともいずれかの端面に硬質膜が形成されていてもよい。
また、上述したように、風力発電機主軸用軸受としての自動調心ころ軸受では、ブレードから遠い方の列のころ（ころ２３ｂ）の方がブレードに近い方の列のころ（ころ２３ａ）に比べて、大きなスラスト荷重を受ける。この場合、ころ２３ｂと滑り接触する箇所では、特に境界潤滑となりやすい。そのため、軸方向に並ぶ２列のころに互いに大きさが異なる荷重が作用することを考慮して、小鍔２１ｂ、２１ｃのうち小鍔２１ｃの内側端面にのみ硬質膜を形成してもよい。
ころは 内外輪との間で転がりつつ滑りも生じている。図６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６に示す箇所に限定されず、上記条件となるような、内輪、外輪、およびころ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。
図６の形態では、内輪２１の外周面に硬質膜２８を形成したが、これに代えてまたは加えて、外輪２２や、各ころ２３ａ、２３ｂの表面に硬質膜２８を形成してもよい。外輪２２に硬質膜を形成する構成では、外輪２２の内周面（外輪軌道面２２ａを含む）に硬質膜を形成するとよい。また、各ころ２３ａ、２３ｂの表面に硬質膜を形成する構成では、各ころ２３ａ、２３ｂの両端面に硬質膜を形成してもよい。また、ころにかかる荷重の違いを考慮して、ころ２３ｂの両端面にのみ硬質膜を形成する構成としてもよい。また、各ころ２３ａ、２３ｂの外周面に硬質膜を形成する構成としてもよい。例えば、各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に硬質膜を形成する構成としてもよい。
以下、本発明の硬質膜の成膜工程について説明する。この成膜工程は、下地層８ａが成膜される面に対して、表面仕上げ加工をする工程と、下地層８ａと混合層８ｂとを成膜する工程と、表面層８ｃ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する工程とを含む。硬質膜は、表面仕上げ加工した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。
下地層８ａと混合層８ｂを成膜する工程は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用することが好ましい。ＵＢＭＳ装置を用いたＵＢＭＳ法の成膜原理を図８に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材４２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８に示すように、丸形ターゲット４５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石４４ａ、外側磁石４４ｂが配置され、ターゲット４５付近で高密度プラズマ４９を形成しつつ、磁石４４ａ、４４ｂにより発生する磁力線４６の一部４６ａがバイアス電源４１に接続された基材４２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線４６ａ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４２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４２付近まで達する磁力線４６ａに沿って、Ａｒイオン４７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４８をより多く基材４２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）４３を成膜できる。
下地層８ａを成膜する工程では、ターゲット４５としてＣｒターゲットおよびＷＣターゲットを併用し、混合層８ｂを成膜する工程では、ターゲット４５としてＷＣターゲットおよび黒鉛ターゲットを併用する。下地層８ａを成膜する工程では、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。
混合層８ｂを成膜する工程では、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。
表面層８ｃを成膜する工程は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用することが好ましい。より詳細には、該工程は、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、上記装置内の真空度を０．２〜０．８Ｐａ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する工程であることが好ましい。
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（試験片）に対して硬質膜を形成し、該硬質膜の物性に関して評価した。また２円筒試験機を用いた転がり滑り試験にて相手材摩耗の評価を行った。これらを実施例、比較例として以下に説明する。
硬質膜の評価用に用いた試験片、ＵＢＭＳ装置、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 ７５０Ｈｖ
（２）試験片：研磨された（算術平均粗さＲａ、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑ、最大山高さＲｐ、スキューネスＲｓｋは表１記載）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）の摺動表面に対して各条件にて硬質膜を成膜したもの
（３）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２
（４）スパッタリングガス：Ａｒガス
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、ＣｒとＷＣ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。
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、基材側でＷＣが多く表面側でＤＬＣが多いＷＣ／ＤＬＣ傾斜層を形成した。
各試験片では、表面仕上げ加工の条件を変更する等して、算術平均粗さＲａや二乗平均平方根傾斜ＲΔｑを変えている。なお、試験片の表面の各種粗さパラメータは表面粗さ測定器（テーラーホブソン社製：フォーム・タリサーフＰＧＩ８３０）で測定した。ＪＩＳ Ｂ ０６０１に従い、基準長さ０．８ｍｍ、区間数５で５回測定した値の平均値を表１に示す。
図９はＵＢＭＳ装置の模式図である。図９に示すように、円盤５０上に配置された基材５１に対し、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）５２を非平衡な磁場により、基材５１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８参照）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。
実施例１〜７、比較例１〜３
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、基材を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、表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。表面層の形成条件は、上記装置における成膜チャンバー内の真空度が０．８Ｐａ、基材に対するバイアス電圧が５０Ｖ、上記装置内へのメタンガス導入量の割合がＡｒガスの導入量１００（体積部）に対して１（体積部）である。結果を表１に併記する。表中の膜厚は、３層（下地層、混合層、表面層）の合計膜厚である。
＜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１０に示す２円筒試験機を用いて転がり滑りによる相手材摩耗の試験を行った。この２円筒試験機は、駆動側試験片５３と転がり滑り接触する従動側試験片５４とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受５６で支持されており、負荷用バネ５７により荷重が負荷されている。また、図中の５５は駆動用プーリ、５８は非接触回転計である。回転差をつけて滑りを発生させ、相手材側円筒の摩耗深さから相手攻撃性を評価した。具体的な試験条件は以下のとおりである。なお、相手材側円筒の摩耗深さは、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、基準面に対する摩耗深さを求めた。
（試験条件）
相手材：研削仕上げ（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）
潤滑油：ＶＧ３２０相当油(添加剤含有) フェルトパット給油
最大接触面圧：１．５ＧＰａ
回転数：（試験片側）１２７ｍｉｎ−１
（相手材側）１２６ｍｉｎ−１
相対滑り率：０．８％
打ち切り時間：７２ｈ
表１に２円筒転がり滑り試験の結果を示す。使用する基材および表面層の成膜条件は同一であり、表面層の硬度は平均値で約２３ＧＰａである。硬質膜を成膜する表面の表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下である場合（実施例１〜７）は、２円筒転がり滑り試験における相手材摩耗が小さい傾向があり、相手攻撃性が低下している。特に、実施例３は、比較例３と、Ｒａ、Ｒｓｋ、Ｒｐが同程度であるにもかかわらず、ＲΔｑの違いにより、相手攻撃性が顕著に異なる結果となった。これは、突起の先端半径が鈍化し応力集中が緩和されたためと考えられる。
実施例６は実施例３とＲａ、ＲΔｑは同程度だが、相手攻撃性が異なる。これはＲｓｋが正の値となり上向きの突起が増えたことによると考えられる。また実施例５の結果からＲｓｋが小さいほど相手材摩耗が大きいわけではなく、Ｒｓｋが０以上とならないことが相手攻撃性の抑制に重要であると考えられる。
以上より、本願発明では、硬質膜と相手材の接触時における突起部の応力集中を緩和し、相手材摩耗を抑制するため、粗さ曲線の算術平均粗さＲａおよび二乗平均平方根傾斜ＲΔｑを用いて基材表面の状態を規定している。
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、苛酷な条件で運転した場合においてもこのＤＬＣ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。また、相手材に対する攻撃性が抑制されている。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。特に、風力発電用主軸支持装置への適用に適している。
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 風力発電機
１２ ブレード
１３ 主軸
１４ ナセル
１５ 複列自動調心ころ軸受（転がり軸受）
１６ 増速機
１７ 発電機
１８ 支持台
１９ モータ
２０ 減速機
２１ 内輪
２２ 外輪
２３ ころ
２４ 保持器
２５ 軸受ハウジング
２６ シール
２７ 旋回座軸受
２８ 硬質膜
４１ バイアス電源
４２ 基材
４３ 膜（層）
４５ ターゲット
４６ 磁力線
４７ Ａｒイオン
４８ イオン化されたターゲット
４９ 高密度プラズマ
５０ 円盤
５１ 基材
５２ スパッタ蒸発源材料（ターゲット）
５３ 駆動側試験片
５４ 従動側試験片
５５ 駆動用プーリ
５６ 支持軸受
５７ 負荷用バネ
５８ 非接触回転計

Claims (6)

  1. 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、
    硬質膜は、前記内輪軌道面、前記外輪軌道面、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の上に直接成膜されるクロムとタングステンカーバイトと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り、
    前記下地層が成膜される面における粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下であることを特徴とする転がり軸受。
  2. 前記下地層が成膜される面における粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが−０．２以下であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
  3. 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。
  4. 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から請求項３までのいずれか１項記載の転がり軸受。
  5. 前記転がり軸受が、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する軸受であり、該軸受が、前記内輪と前記外輪との間に、前記転動体として軸方向に並んで２列にころを介在させ、前記外輪軌道面を球面状とし、前記ころの外周面を前記外輪軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の転がり軸受。
  6. ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受によって支持する風力発電用主軸支持装置であって、
    前記軸受のうち少なくとも一個が請求項５記載の複列自動調心ころ軸受であり、該複列自動調心ころ軸受において、前記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとしたことを特徴とする風力発電用主軸支持装置。
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