JP2022107481A

JP2022107481A - 転がり軸受および車輪支持装置

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Publication number: JP2022107481A
Application number: JP2021002463A
Authority: JP
Inventors: 雅樹中西; Masaki Nakanishi; 智久大矢; Tomohisa Oya
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2022-07-21

Abstract

【課題】異物が混入した条件下での使用であっても、ＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮させるとともに、相手材に対する攻撃性が抑制され、耐摩耗性、および長期耐久性に優れる転がり軸受および車輪支持装置を提供する。【解決手段】転がり軸受１は、内輪２および外輪３と、この内・外輪間に介在する複数の玉４とを備え、内輪２、外輪３、複数の玉４が鉄系材料からなり、異物が混入する条件下で使用される軸受であり、硬質膜８は、少なくとも玉４の表面に直接成膜される下地層と、該下地層の上に成膜される中間層と、該中間層の上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とを含む構造の膜であり、表面層のビッカース硬さが１２００Ｈｖ以上２５００Ｈｖ未満であり、硬質膜の膜厚が０．９μｍ以上２．１μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも転動体の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する。また、該転がり軸受を適用した車輪支持装置に関する。

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の損傷などに繋がるおそれがある。このため、転がり軸受における各面に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。

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）。

一方、転がり軸受は、自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支持するための車輪支持装置などに適用される。後輪駆動型車両における前輪の如き非駆動輪を支持する車輪支持装置においては、ステアリングナックルに設けられたアクスル（ナックルスピンドル）上に２個の転がり軸受を取付け、その転がり軸受によって回転自在に支持されたアクスルハブの外径面にフランジを設け、このフランジに設けられたスタッドボルトと、これにねじ係合されるナットによってブレーキ装置のブレーキドラムおよび車輪のホイールディスクを取付けるようにしている。また、ステアリングナックルに設けられたフランジにバックプレートを取付け、そのバックプレートによってブレーキドラムに制動力を付与する制動機構を支持するようにしている。上記のような車輪支持装置においては、アクスルハブを回転自在に支持する転がり軸受として、負荷容量の大きい剛性の高い円すいころ軸受が用いられる。この円すいころ軸受は、アクスルとアクスルハブ間に充填されたグリースによって潤滑される。

車輪支持装置に用いられる転がり軸受は、高速、高荷重という過酷な使用条件のため、特に、円すいころの大径側の端面と軌道輪の鍔部の端面とが滑り運動するため、グリースの潤滑油膜が破断しやすくなる。潤滑油膜が破断すると金属接触が起こり、発熱、摩擦摩耗が増大する不具合が発生する。そのため、高速、高荷重下での潤滑性および耐荷重性を向上させ、潤滑油膜破断による金属接触を防止する必要があり、例えば極圧剤含有グリースを使用して、その不具合を軽減している。

特許第４１７８８２６号公報特許第３９６１７３９号公報

しかしながら、車輪支持装置において、ＤＬＣ膜の適用が検討される摺動面は、異物が混入した状態で使用されることがあるため、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。そのため、その状態での焼き付き、摩耗などを抑制する必要があるが、異物が噛み込んだ際の局所的な高面圧および母材の変形に対しての耐剥離性の確保はさらに困難である。

また、建設用や鉱山用の大型車両では減速機が組み合わされており、減速機に取り付けられた歯車のピッチングによって鋼系の異物が発生しやすい。また、鉱山などの使用環境に伴う粉塵などが軸受にとっての外来異物となる。これら異物が軸受に混入されると異物圧痕が形成され、圧痕起点剥離が生じる結果、軸受の短寿命化に繋がるおそれがある。

上記した特許文献１、２の技術は、硬質膜の剥離防止などを図ったものであるが、異物が混入される場合については検討されていない。そのため、このような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などには更なる改善の余地がある。

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、異物混入条件下で使用される場合、ＤＬＣ膜表面の粗面化により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、異物が混入した条件下での使用であっても、ＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮させるとともに、相手材に対する攻撃性が抑制され、耐摩耗性、および長期耐久性に優れる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車輪支持装置の提供を目的とする。

内輪および外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体とを備え、上記内輪、上記外輪、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、上記転がり軸受は、異物が混入する条件下で使用される軸受であり、硬質膜は、少なくとも上記転動体の表面に直接成膜される下地層と、該下地層の上に成膜される中間層と、該中間層の上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とを含む構造の膜であり、上記表面層のビッカース硬さが１２００Ｈｖ以上２５００Ｈｖ未満であり、上記硬質膜の膜厚が０．９μｍ以上２．１μｍ以下であることを特徴とする。

上記異物のサイズが１００μｍ未満であることを特徴とする。ここで、異物のサイズとは、異物の断面の最も長い部分の長さである。例えば、異物がほぼ球形の場合、サイズは粒径のことを指す。

上記表面層のビッカース硬さが１２００Ｈｖ以上１９００Ｈｖ以下であることを特徴とする。

上記表面層のビッカース硬さが１５００Ｈｖ以上１６００Ｈｖ以下であることを特徴とする。

上記表面層は、上記中間層との隣接側に、上記中間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。

上記中間層は、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であり、該混合層は、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ることを特徴とする。

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。

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。

本発明の車輪支持装置は、アクスルの外径面上に取付けられた転がり軸受を備え、該転がり軸受によって車輪と共に回転する回転部材を回転自在に支持する車輪支持装置であって、上記転がり軸受が、本発明の転がり軸受であることを特徴とする。

上記転がり軸受が、円すいころ軸受であり、該円すいころ軸受は、上記転動体である円すいころの大径側の端面と、上記内輪に形成された大鍔の端面とが転がり接触および滑り接触する軸受であり、上記円すいころの大径側の端面および上記内輪の大鍔の端面の少なくとも一方に上記硬質膜が形成されていることを特徴とする。

本発明の転がり軸受は、少なくとも転動体の表面に、下地層、中間層、ＤＬＣを含む表面層を含む膜構造の硬質膜を有するとともに、異物が混入する条件下で使用される軸受である。この転がり軸受は、表面層のビッカース硬さが１２００Ｈｖ以上２５００Ｈｖ未満であり、硬質膜の膜厚が０．９μｍ以上２．１μｍ以下であるので、異物による圧痕が形成され、応力集中が発生する場合でも硬質膜の耐剥離性に優れる。そのため、上記硬質膜は、ＤＬＣ本来の特性を発揮できる。その結果、本発明の転がり軸受は、異物が混入した潤滑環境下でも母材の圧痕起点剥離を抑制し、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摺動面などの損傷が少なく長寿命となる。

例えば建設現場や鉱山で使用される大型車両などの場合、サイズの様々な異物が問題になる。この点、本発明の転がり軸受は上記硬質膜を有するので、１００μｍ未満の小さいサイズから１００μｍ以上の大きいサイズの異物が混入するような条件でも優れた耐剥離性を発揮できる。特に、表面層のビッカース硬さが１２００Ｈｖ以上１９００Ｈｖ以下の場合には相手攻撃性を抑制しながら、耐剥離性を一層向上できる。

中間層に用いる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の混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）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、転動体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。

本発明の車輪支持装置は、アクスルの外径面上に取付けられた転がり軸受として本発明の転がり軸受を備えるので、耐異物性に優れ、異物が混入される条件下でも長期耐久性に優れる。

本発明の転がり軸受の一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。本発明の車輪支持装置の一例を示す断面図である。図３の円すいころ軸受の一例を示す切欠き斜視図である。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円筒試験機の模式図である。軸受試験機の模式図である。

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により大きく異なり、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、特に、建設用や鉱山用の大型車両などで用いられる軸受で問題となる、異物が混入した潤滑条件下に着目して検証を重ねた。その結果、転がり軸受の表面に形成する硬質膜の膜厚および表面層のビッカース硬さを所定範囲内とすることで、耐剥離性に優れるとともに、相手攻撃性も抑制できることを見出した。また、１００μｍ未満の異物のサイズにおいても耐剥離性に優れ、長寿命化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に基づいて説明する。図１は転動体の転動面に後述の硬質膜を形成した深溝玉軸受の断面図を示す。深溝玉軸受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玉４とを備える。玉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。

図１の転がり軸受では、玉４の球面全体に硬質膜８が形成されている。なお、硬質膜は、後述の図４で示すように、転動体の一部分にのみ形成されていてもよい。また、図１では、硬質膜は、玉４のみに形成されているが、適用用途に応じて、内輪および外輪といった他の軸受部材の表面にも形成されていてもよい。ただし、硬質膜同士が異物を介して接触する場合、一方の硬質膜が剥離しやすくなるおそれがあることから、転動体にのみ硬質膜を形成することが好ましい。

図１に示すように、深溝玉軸受の内輪軌道面２ａは、玉４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。

本発明の深溝玉軸受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、玉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６５０Ｈｖ以上であることが好ましい。６５０Ｈｖ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。

上記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１０００Ｈｖ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。

上記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。

本発明における硬質膜の構造を図２に基づいて説明する。図２は、硬質膜８の構造を示す模式断面図である。図２に示すように、硬質膜８は、（１）玉４の球面４ａ上に直接成膜される下地層８ａと、（２）下地層８ａの上に成膜される中間層８ｂと、（３）中間層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。なお、これらの層の間に他の層を設けてもよい。本発明では、硬質膜の膜構造を上記のような少なくとも３つの層を含む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、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、超硬合金材料や鉄系材料からなる基材との相性がよく、密着性に優れることから、下地層８ａはＣｒを含むことが好ましい。

特に、下地層８ａは、中間層８ｂがＷＣとＤＬＣとを主体とする層である場合、該中間層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。この場合、下地層８ａは、玉４側から中間層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より好ましい。これにより、玉４と中間層８ｂとの両面での密着性に優れる。

中間層８ｂは下地層８ａと表面層８ｃとの間に介在する層である。中間層８ｂは、例えば炭素を主体とし、その硬度が下地層８ａ側から表面層８ｃ側へ連続的または段階的に上昇する傾斜層を用いることができる。図２に示す中間層８ｂはＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層である。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。さらに、図２に示す中間層８ｂは、下地層８ａ側から表面層８ｃ側に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、かつ、該混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成になっている。これにより、下地層８ａと表面層８ｃとの両面での密着性に優れる。また、中間層内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっており、該中間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と中間層８ｂとの密着性に優れる。この場合、中間層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となる。

表面層８ｃは、ＤＬＣを主体とする膜である。表面層８ｃにおいて、中間層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、中間層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部分である。より詳細には、中間層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、中間層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、中間層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^２）とダイヤモンド構造（ｓｐ^３）との構成比率が後者に偏っていき、硬度が傾斜（上昇）する。

後述の実施例に示すように、異物が混入した潤滑状態で他部材と転がり接触する場合において硬質膜の耐剥離性を向上させるには、表面層の硬さおよび硬質膜の膜厚を所定範囲にすることが重要となる。本発明の転がり軸受において、硬質膜の表面層のビッカース硬さは１２００Ｈｖ以上２５００Ｈｖ未満であり、好ましくは１２００Ｈｖ以上１９００Ｈｖ以下であり、より好ましくは１５００Ｈｖ以上１６００Ｈｖ以下である。

硬質膜８の膜厚は０．９μｍ～２．１μｍである。膜厚が０．９μｍ未満であれば、耐摩耗性および機械的強度に劣るおそれがあり、２．１μｍをこえると異物混入条件下で硬質膜が剥離し易くなる。なお、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面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、中間層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。

以上のように、硬質膜８を下地層８ａ、中間層８ｂ、表面層８ｃを含む層構造とした上で、表面層の硬さおよび硬質膜の膜厚を上記範囲に規定することで、異物混入条件下において優れた耐剥離性を発揮できる。

また、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、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、異物が混入した潤滑条件下においても、異物により形成された圧痕による軌道面損傷を抑制できるため長寿命となる。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。

本発明の車輪支持装置について、図３に基づいて説明する。図３は車輪支持装置の断面図である。図３に示すように、ステアリングナックル１１にはフランジ１２と、アクスル１３とが設けられ、そのアクスル１３の外径面上に取付けた一対の円すいころ軸受１４ａ、１４ｂによって回転部材としてのアクスルハブ１５が回転自在に支持されている。アクスルハブ１５は、外径面にフランジ１６を有し、そのフランジ１６に設けたスタッドボルト１７と、そのスタッドボルト１７にねじ係合したナット１８によってブレーキ装置のブレーキドラム１９、および車輪のホイールディスク２０が取付けられている。２１はホイールディスク２０の外径面に取付けられたリムを示し、そのリム上にタイヤが取付けられる。図４においては、円すいころ軸受１４ａ、１４ｂが車輪支持装置に相当する。

上記ステアリングナックル１１のフランジ１２にはスタッドボルト１７、ナット１８の締付けによってブレーキ装置のバックプレート２２が取付けられている。バックプレート２２にはブレーキドラム１９に制動力を付与する制動機構が支持されるが、図では省略してある。

アクスルハブ１５を回転自在に支持する上記一対の円すいころ軸受１４ａ、１４ｂは、アクスルハブ１５内に封入されたグリースによって潤滑される。その円すいころ軸受１４ｂから外部にグリースが漏洩したり、外部から泥水が浸入するのを防止するため、アクスルハブ１５の外側端面に円すいころ軸受１４ｂを覆うようにしてグリースキャップ２３が取付けられている。

本発明の車輪支持装置の円すいころ軸受の一例について図４により説明する。図４は円すいころ軸受の一例を示す一部切り欠き斜視図である。円すいころ軸受１４は、外周面にテーパ状の内輪軌道面２５ａを有する内輪２５と、内周面にテーパ状の外輪軌道面２４ａを有する外輪２４と、内輪軌道面２５ａと外輪軌道面２４ａとの間を転動する複数の円すいころ２７と、各円すいころ２７をポケット部で転動自在に保持する保持器２６とを備えている。保持器２６は、大径リング部と小径リング部とを複数の柱部で連結してなり、柱部同士の間のポケット部に円すいころ２７を収納している。内輪２５において、大径側端部に大鍔２５ｃ、小径側端部に小鍔２５ｂがそれぞれ一体形成されている。円すいころ軸受における内輪は、テーパ状の内輪軌道面を有することから軸方向に見て小径側と大径側とがあり、「小鍔」は小径側端部に設けられた鍔であり、「大鍔」は大径側端部に設けられた鍔である。

上記構成において、円すいころ２７の転動面（テーパ面）２７ａは、内輪軌道面２５ａと外輪軌道面２４ａとの間で転がり摩擦を受け、円すいころ２７の小径側の端面（小端面）２７ｂは、小鍔２５ｂの内側端面との間で滑り摩擦を受け、円すいころ２７の大径側の端面（大端面）２７ｃは、大鍔２５ｃの内側端面との間で滑り摩擦を受ける。また、円すいころ２７と保持器２６との間でも転がり摩擦や滑り摩擦が発生する。例えば、円すいころ２７の小端面２７ｂは、ポケット部を形成する小径リングの端面との間で滑り摩擦を受け、円すいころ２７の大端面２７ｃは、ポケット部を形成する大径リングの端面との間で滑り摩擦を受ける。これらの摩擦を低減するために上記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。

本発明の車輪支持装置は、少なくとも転動体の表面に上記硬質膜を有している。そのため、異物が混入した条件下で他部材と接触する場合でも、該硬質膜の耐剥離性に優れる。また、相手材に形成された圧痕の盛り上がりが硬質膜による切削効果により除去されるため、圧痕起点剥離耐性に優れる。この結果、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、車輪支持装置部材間の金属接触に起因する損傷などを防止できる。

上記硬質膜の形成箇所について、図４の円すいころ軸受１４では、転動体である円すいころに硬質膜が設けられている。具体的には、円すいころ２７の軸方向端面である小端面２７ｂおよび大端面２７ｃに硬質膜２８がそれぞれ形成されている。この場合、大鍔における滑り摩擦の方が小鍔における滑り摩擦よりも大きいことを考慮して、少なくとも円すいころの大端面に硬質膜を設けることが好ましい。なお、円すいころ２７の転動面２７ａにも硬質膜２８が設けられていてもよく、その場合は円すいころ２７の表面全体に硬質膜が設けられることになる。なお、図４において、硬質膜の形成箇所は、少なくとも円すいころに形成されていればよく、特に限定されない。

図３～図４では、車輪支持装置における転がり軸受として円すいころ軸受を示したが、円すいころ軸受以外にも、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受などを用いることができる。また、本発明の転がり軸受は、建設用機械（鉱山用ダンプトラックなど）の車軸支持装置（車輪支持装置）に用いることができる。このトラックでは、シャフトの回転が遊星歯車機構などを介して駆動輪に伝達される。シャフトの外側には、固定の車軸を形成するスピンドルが配置されており、スピンドルの外側には、転がり軸受を介してタイヤホイールが配置される。該転がり軸受は、遊星歯車機構の近傍に設けられることから、転がり軸受の内部には歯車のピッチングによる鋼系の異物が混入しやすいが、上記硬質膜を有しているため、該硬質膜の耐剥離性に優れる。

以下、硬質膜の形成方法について説明する。上記硬質膜は、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、中間層８ｂ、表面層８ｃをこの順に成膜して得られる。

下地層８ａおよび中間層８ｂ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５に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材３２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５に示すように、丸形ターゲット３５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石３４ａ、外側磁石３４ｂが配置され、ターゲット３５付近で高密度プラズマ３９を形成しつつ、上記磁石３４ａ、３４ｂにより発生する磁力線３６の一部３６ａがバイアス電源３１に接続された基材３２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線３６ａ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３２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３２付近まで達する磁力線３６ａに沿って、Ａｒイオン３７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３８をより多く基材３２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）３３を成膜できる。

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３５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、中間層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。各層の形成毎に、それぞれに用いるターゲットを逐次取り替える。

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。これにより中間層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。

中間層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。

中間層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。

表面層８ｃ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。より詳細には、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１～１５とし、炭素供給源から生じる炭素原子を中間層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０．２～０．９Ｐａ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。

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膜のビッカース硬さなどを調整できる。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１～１５（体積部）、好ましくは６～１５とすることで、表面層８ｃの耐摩耗性などを悪化させずに、中間層８ｂとの密着性の向上が図れる。

ＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は上記のとおり０．２～０．９Ｐａであることが好ましい。より好ましくは０．４～０．９Ｐａであり、さらに好ましくは０．６～０．９Ｐａ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０．９Ｐａ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。

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。

本発明の転がり軸受に使用する硬質膜として、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して評価した。また、２円筒試験機および軸受試験機を用いて以下の評価を行った。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基材、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）基材物性：ＳＵＪ２焼き入れ焼き戻し品硬さ７５０Ｈｖ
（２）基材：研磨された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。

中間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、該中間層については、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。

図６はＵＢＭＳ装置の模式図である。図６に示すように、円盤４０上に配置された基材４１に対し、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）４２を非平衡な磁場により、基材４１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５参照）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、中間層、表面層をＵＢＭＳ被膜として成膜している。

実施例１～９、比較例１～４
表１および表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、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中間層を形成した。表１および表３中の「Ｃｒ／ＷＣ」はＣｒとＷＣとを主体とする層を示し、表１および表３中の「ＷＣ／ＤＬＣ」は、ＷＣとＤＬＣとを主体とする層を示す。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。なお、比較例４には、硬質膜を形成していない試験片を用いた。

＜硬度試験＞
得られた試験片のビッカース硬さをＩＳＯ１４５７７法により測定した。

＜膜厚試験＞
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（ミツトヨ社製：フォームトレーサＣＳ－Ｈ５０００ＣＮＣ）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。

＜２円筒試験機による転がり試験＞
得られた試験片について図７に示す２円筒試験機を用いて異物耐性試験を行った。この２円筒試験機は、駆動側試験片５１と転がり接触する従動側試験片５２とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受５４で支持されており、負荷用バネ５５により荷重が負荷されている。また、図中の５３は駆動用プーリ、５６は非接触回転計である。潤滑剤に工具鋼粉末異物を添加して、まず駆動側試験片５１の硬質膜の表面に圧痕を形成した後、異物を含まない清浄油中で運転して耐圧痕剥離性を評価した。具体的な試験条件は以下のとおりである。評価結果を表１に併記する。

（試験条件）
相手材（従動側試験片５２）：研削仕上げ（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）
潤滑油：無添加タービン油ＶＧ５６フェルトパット給油
異物Ａ：粉末ハイス鋼ＫＨＡ１００～１８０μｍ
異物量：１０ｇ／Ｌ
最大接触面圧：２．５ＧＰａ
回転数：３００ｍｉｎ^－１
試験時間：異物添加油で１ｈ運転（圧痕付運転）後、異物未添加油（清浄油）中で負荷回数１×１０^６回まで運転

表１に示すように、使用する基材、表面層、中間層、および下地層の材質は同一とした。表面層のビッカース硬さが１５５０Ｈｖで、硬質膜の膜厚が０．９μｍ～２．１μｍである実施例１～３は試験時間内において硬質膜の剥離が見られなかった。一方で、ビッカース硬さが２７００Ｈｖで、硬質膜の膜厚が２．８μｍである比較例１は剥離が見られた。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やすくなる傾向が確認された。

＜軸受試験機による転がり試験＞
得られた試験片について図８に示す軸受試験機を用いて、相手攻撃性及び異物寿命試験を行った。この軸受試験機は、支持軸受５８に支持された軸５９に試験軸受である転がり軸受５７ａおよび試験軸受５７ｂが取り付けられている。試験軸受５７ｂの軸方向から外輪にアキシアル荷重Ｆａが負荷され、支持軸受５８を介してラジアル荷重Ｆｒが負荷されている。転がり軸受５７ａの転動体（ころ全体）にのみ上記硬質膜を形成した。潤滑剤に工具鋼粉末異物を添加して、異物寿命試験、および異物混入下における硬質膜の相手攻撃性をそれぞれ評価した。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：無添加タービンオイルＶＧ５６に以下の異物を混入した潤滑油を油浴により供給
異物Ａ：粉末ハイス鋼ＫＨＡ１００～１８０μｍ
異物Ｂ：粉末ハイス鋼ＫＨＡ２７～５３μｍ
異物量：１ｇ／Ｌ
油温：４０℃～５０℃
最大接触面圧：２．５ＧＰａ
回転数：２０００ｒｐｍ

相手攻撃性は、試験時間（１０００時間）終了後、内輪または外輪の軌道面の最大摩耗深さを、ミツトヨ社製フォームトレーサＣＳ－Ｈ５０００ＣＮＣによって計測することで評価した。また、異物寿命試験では、試験開始から試験軸受の内外輪、ころの母材剥離による振動を検知し、振動停止するまでの各時間を比較例４の寿命時間に対する比率（寿命比）として算出した。各試験の評価基準は表２に示すとおりである。また、評価結果を表３に併記する。

表３に示すように、比較例４を除いて、使用する基材、表面層、中間層、および下地層の材質、膜厚は同一とした。実施例４～６および比較例２では、異物Ａ混入下における硬質膜の相手攻撃性を評価し、実施例７～９および比較例３～４では異物Ｂ混入下における寿命時間を評価した。異物Ａはサイズが１００～１８０μｍであり、異物Ｂはサイズが２７～５３μｍである。実機における大小様々な異物を想定し、サイズが異なる２水準の異物を用いて評価した。

表３より、相手攻撃性については、表面層の硬度が大きくなるほど相手材摩耗が大きくなる傾向が見られた。また、異物寿命試験では、高硬度の試験片（比較例３）では剥離による寿命時間の低下が見られた。また、ビッカース硬さ１２００Ｈｖ（実施例７）でも寿命時間は低下したが、これは硬度が低下することによって、圧痕除去能力が低下したためと推測される。異物が混入した潤滑環境下では、硬度が相手攻撃性および寿命時間に重要であり、表３の結果よりビッカース硬さは１２００Ｈｖ以上１９００Ｈｖ以下が好ましい。特に、相手攻撃性および長寿命化の両立が図れ、実機での効果が一層期待されることから、表面層のビッカース硬さは１５００Ｈｖ以上１６００Ｈｖ以下がより好ましい。以上より、本発明の転がり軸受は、異物が混入した潤滑環境下でも耐剥離性に優れることが分かった。

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。特に、異物が混入した潤滑油中での摺動および転動はより苛酷である。本発明の転がり軸受は、少なくとも転動体の表面にＤＬＣ膜が形成され、苛酷な潤滑状態、特に異物が混入した潤滑条件下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、耐異物性、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる。さらに、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、異物が混入しやすい条件である車輪支持装置（特に、建設現場や鉱山などで使用される建設機械車軸用軸受）への適用に適している。

１深溝玉軸受（転がり軸受）
２内輪
３外輪
４玉
５保持器
６シール部材
７グリース
８硬質膜
１１ステアリングナックル
１２フランジ
１３アクスル
１４円すいころ軸受（転がり軸受）
１５アクスルハブ（回転部材）
１６フランジ
１７スタッドボルト
１８ナット
１９ブレーキドラム
２０ホイールディスク
２１リム
２２バックプレート
２３グリースキャップ
２４外輪
２５内輪
２６保持器
２７円すいころ
２８硬質膜
３１バイアス電源
３２基材
３３膜（層）
３４磁石
３５ターゲット
３６磁力線
３７Ａｒイオン
３８イオン化されたターゲット
３９高密度プラズマ
４０円盤
４１基材
４２スパッタ蒸発源材料（ターゲット）
５１駆動側試験片
５２従動側試験片
５３駆動用プーリ
５４支持軸受
５５負荷用バネ
５６非接触回転計
５７試験軸受
５８支持軸受
５９軸

Claims

内輪および外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体とを備え、前記内輪、前記外輪、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、
前記転がり軸受は、異物が混入する条件下で使用される軸受であり、硬質膜は、少なくとも前記転動体の表面に直接成膜される下地層と、該下地層の上に成膜される中間層と、該中間層の上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とを含む構造の膜であり、前記表面層のビッカース硬さが１２００Ｈｖ以上２５００Ｈｖ未満であり、前記硬質膜の膜厚が０．９μｍ以上２．１μｍ以下であることを特徴とする転がり軸受。
前記異物のサイズが１００μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
前記表面層のビッカース硬さが１２００Ｈｖ以上１９００Ｈｖ以下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。
前記表面層のビッカース硬さが１５００Ｈｖ以上１６００Ｈｖ以下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。
前記表面層は、前記中間層との隣接側に、前記中間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から請求項４までのいずれか１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、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５までのいずれか１項記載の転がり軸受。
アクスルの外径面上に取付けられた転がり軸受を備え、該転がり軸受によって車輪と共に回転する回転部材を回転自在に支持する車輪支持装置であって、
前記転がり軸受が、請求項１から請求項６までのいずれか１項記載の転がり軸受であることを特徴とする車輪支持装置。
前記転がり軸受が、円すいころ軸受であり、該円すいころ軸受は、前記転動体である円すいころの大径側の端面と、前記内輪に形成された大鍔の端面とが転がり接触および滑り接触する軸受であり、前記円すいころの大径側の端面および前記内輪の大鍔の端面の少なくとも一方に前記硬質膜が形成されていることを特徴とする請求項７記載の車輪支持装置。