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Abstract
【課題】潤滑性能の向上を図り耐摩耗性を向上することができるころ軸受を提供する。【解決手段】ころ軸受は、内方部材と、外方部材と、これら内方部材、外方部材の軌道面間に介在するころ４，５と、ころ４，５を保持する保持器とを備える。ころ４，５の外周面にＤＬＣ膜９を有する。ＤＬＣ膜９は、ころ４，５の基材側から順に、金属層９ａ、金属とＤＬＣの混合層である中間層９ｂ、および表面層９ｃの３層構造である。ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられ、この凹み部１６はポリマーライクカーボンを含む。凹み部１６のナノインデンテーション硬さは１３ＧＰａ～１６ＧＰａである。【選択図】図３Ｂ
Description
本発明は、ころ軸受に関し、例えば、風力発電装置の主軸を支持する自動調心ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受等に適用される技術に関する。
従来から軸受の一部にＤＬＣ（Diamond-like Carbon）膜などの皮膜処理を施し、さらに潤滑性能を向上させる手法として、ＤＬＣ膜の表面に中心線平均粗さＲａで０．０１～０．２μｍの微細な凹凸形状を付与する手法が導入されている（特許文献１）。このような凹凸形状をＤＬＣ膜に施す場合、ＤＬＣ膜自体の成膜条件を意図的に調整するか、またはショットピーニングなどで微細な粒子をＤＬＣ膜の表面に打ち付けて凹凸形状を付与する方法が採られている。
ＤＬＣ膜に微細な凹凸形状を付与する場合を考える。ＤＬＣ膜の表面に凹凸形状を有することで、潤滑環境下で油を保持するディンプルとして機能し潤滑性能が向上する。しかし、特許文献１のような微細な凹凸形状では潤滑剤を保持する保持力に課題があり、潤滑性能の向上を図ることが難しい。
本発明の目的は、潤滑性能の向上を図り耐摩耗性を向上することができるころ軸受を提供することである。
本発明のころ軸受は、外周面に軌道面を有する内方部材と、内周面に軌道面を有する外方部材と、これら内方部材、外方部材の軌道面間に介在するころと、前記ころを保持する保持器とを備え、少なくとも、前記内方部材、外方部材、ころのいずれかの軌道面にＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部はポリマーライクカーボンを含む。
前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部はポリマーライクカーボンを含む。
この構成によると、凹み部が潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たす。前記凹み部に含まれるポリマーライクカーボン(Polymer Like Carbon,略称PLC)、および凹み部の周辺部のポリマーライクカーボンは、１００℃～２００℃程度の熱で容易に黒鉛化つまりグラファイト化する。例えば、ころ軸受の運転中の温度上昇等で対象部となる凹み部およびその周辺部が黒鉛化する。これにより、潤滑性能の向上を図りころ軸受の耐摩耗性を向上することができる。
前記凹み部のナノインデンテーション硬さが１３ＧＰａ～１６ＧＰａ（１３ＧＰａ以上１６ＧＰａ未満）が好ましい。硬度が１３GPa未満の低硬度の場合表1に示すように凹み部のポリマーライクカーボンが広範囲で摩耗し剥離する恐れがある。また１６GPa以上の場合は黒鉛化し難くなる。ＤＬＣ膜の表面層のうち、凹み部以外の部分は、ナノインデンテーション硬さが１６ＧＰａ以上２５ＧＰａ未満であることが望ましい。１６ＧＰａ以上のこの場合、前記凹み部以外の部分の平滑性を維持することができ、ころ軸受の耐摩耗性の向上に寄与する。また２５ＧＰａを超えるとDLC膜の靭性が劣るため耐剥離性が低下する恐れがある。
前記凹み部の深さが５００ｎｍ～２５００ｎｍ（５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下）であってもよい。この場合、ＤＬＣ膜が基材表面まで露出せず油だまりのディンプルとしての機能を担保することが可能となる。
前記ＤＬＣ膜は前記表面層および他の層が積層された多層構造であり、前記凹み部は、前記表面層のうち、前記他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものであり、前記凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍであってもよい。
前記「面積率」とは、基材外周面の全表面積に対する凹み部の面積の比率である。
前記「面積率」とは、基材外周面の全表面積に対する凹み部の面積の比率である。
本件出願人は、ＤＬＣ膜の成膜後に表面層上に、他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが点在することを見出した。そこで表面層上に存在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に前記凹み部を形成することが可能となる。この場合、ＤＬＣ膜自体の成膜条件を変更することなく凹み部を形成し得るため、ＤＬＣ膜の膜質の劣化を防ぐことができる。またショットピーニングのように微細粒子を別途用意することなく凹み部を形成し得るため、製造コストの低減を図ることが可能となる。
ＤＬＣ膜の表面層に設けられる凹み部の大きさが１０μｍを超え１００μｍ未満であるため、凹み部が潤滑剤を保持する油だまりのディンプルとしての機能を果たし、低潤滑の環境下においても油膜を形成する能力を向上させ潤滑性能の向上を図ることができる。表2に示すように凹み部が大きすぎると、凹み部に応力集中が生じやすくＤＬＣ膜の耐久性が低下するおそれがある。したがって、凹み部の大きさは１００μｍ未満であることが望ましい。逆に凹み部が小さすぎると、油だまりのディンプルとして、十分な量の潤滑剤を凹み部内に捕らえることができないおそれがある。このため、凹み部の大きさは１０μｍを超えることが望ましい。また凹み部の面積率を４０％以下としたため、ＤＬＣ膜の耐久性を保持でき、ＤＬＣ膜の表面層が剥離することを防止し得る。
前記ＤＬＣ膜は、前記基材側から順に、金属層、金属とＤＬＣの混合層である中間層、および前記表面層の３層構造であってもよい。この場合、ＤＬＣ膜において硬度、弾性率などの物性が急激に変化することを避け、基材に対するＤＬＣ膜の密着性を高めることができる。
前記ころ軸受は、風力発電装置の主軸を支持するものであってもよい。この場合、風力発電装置用途のころ軸受の長寿命化を図り、メンテナンス性に優れる。
本発明のころ軸受は、基材外周面にＤＬＣ膜を有し、前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部はポリマーライクカーボンを含む。このため、ポリマーライクカーボンが運転中の温度上昇等で黒鉛化し凹み部が黒鉛化することにより、潤滑性能の向上を図りころ軸受の耐摩耗性を向上することができる。
［第１の実施形態］
本発明のころ軸受を自動調心ころ軸受に適用した例を図１ないし図６Ｃと共に説明する。以下の説明はＤＬＣ膜の製造方法についての説明をも含む。
図１に示すように、この自動調心ころ軸受１は、内方部材である内輪２と、外方部材である外輪３と、これら内外輪２，３の軌道面間に介在する左右２列のころ４，５と、ころ４，５を保持する保持器１０Ｌ，１０Ｒとを備える。前記左右２列のころ４，５は、内輪２と外輪３との間で軸受幅方向すなわち軸心方向に並ぶ。外輪３の軌道面３ａは凹球面状である。
本発明のころ軸受を自動調心ころ軸受に適用した例を図１ないし図６Ｃと共に説明する。以下の説明はＤＬＣ膜の製造方法についての説明をも含む。
図１に示すように、この自動調心ころ軸受１は、内方部材である内輪２と、外方部材である外輪３と、これら内外輪２，３の軌道面間に介在する左右２列のころ４，５と、ころ４，５を保持する保持器１０Ｌ，１０Ｒとを備える。前記左右２列のころ４，５は、内輪２と外輪３との間で軸受幅方向すなわち軸心方向に並ぶ。外輪３の軌道面３ａは凹球面状である。
左右各列のころ４，５は外周面が外輪３の軌道面３ａに沿う断面形状である。換言すれば、ころ４，５の外周面は、外輪３の軌道面３ａに沿った円弧を中心線Ｃ１，Ｃ２回りに回転させた回転体形状の曲面である。内輪２には、左右各列のころ４，５の外周面に沿う断面形状の複列の軌道面２ａ，２ｂが形成されている。内輪２の外周面の両端には、小つば６，７がそれぞれ設けられている。内輪２の外周面の中央部である左右のころ４，５間に、中つば８が設けられている。
各列のころ４，５、内輪２および外輪３は、鉄系材料から成る。前記鉄系材料として一般的に用いられる任意の鋼材等を使用でき、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、浸炭鋼等が挙げられる。
本実施形態は、左右列対称の自動調心ころ軸受１に適用した例であり、左右列の接触角θ１，θ２は互いに同じである。本明細書における用語「左」，「右」は、軸受のアキシアル方向における相対的な位置関係を便宜上示すための用語に過ぎない。本明細書において、「左」，「右」は、理解を容易にするため、各図における左右と一致させている。
左右各列のころ４，５は、それぞれ保持器１０Ｌ，１０Ｒにより保持されている。左列用の保持器１０Ｌは、円環部１１から複数の柱部１２が軸方向一方側（左側）に延び、これら柱部１２間のポケットに左列のころ４が保持される。右列用の保持器１０Ｒは、円環部１１から複数の柱部１２が軸方向他方側（右側）に延び、これら柱部１２間のポケットに右列のころ５が保持される。
図２に示すように、左右各列のころ４，５は、いずれも最大径Ｄ１ｍａｘ，Ｄ２ｍａｘの位置Ｍ１，Ｍ２がころ長さの中央Ａ１，Ａ２から外れた非対称ころである。左列のころ４の最大径Ｄ１ｍａｘの位置はころ長さの中央Ａ１よりも右側にあり、右列のころ５の最大径Ｄ２ｍａｘの位置はころ長さの中央Ａ２よりも左側にある。このような非対称ころからなる左右各列のころ４，５は、誘起スラスト荷重が発生する。この誘起スラスト荷重を受けるために、内輪２の前記中つば８が設けられる。非対称ころ４，５と中つば８の組合せは、ころ４，５を内輪２、外輪３、および中つば８の３箇所で案内するので、案内精度が良い。
＜ＤＬＣ膜について＞
図１に示す各列のころ４，５は、外周面に多層構造のＤＬＣ（Diamond-like Carbon）膜を有している。ＤＬＣ膜は、表面層および他の層が積層された多層構造である。具体的には、図３Ｂに示すように、この例のＤＬＣ膜９は、ころ４，５の基材側から順に、金属層９ａ、金属とＤＬＣの混合層である中間層９ｂ、および表面層９ｃの３層構造である。図５に示すように、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに、潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられている。
図１に示す各列のころ４，５は、外周面に多層構造のＤＬＣ（Diamond-like Carbon）膜を有している。ＤＬＣ膜は、表面層および他の層が積層された多層構造である。具体的には、図３Ｂに示すように、この例のＤＬＣ膜９は、ころ４，５の基材側から順に、金属層９ａ、金属とＤＬＣの混合層である中間層９ｂ、および表面層９ｃの３層構造である。図５に示すように、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに、潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられている。
＜凹み部等の硬さ＞
凹み部１６は、表面に部分的な軟質部分を有するＤＬＣを成膜した後、例えば、ラップ加工することにより、表面層９ｃ上に点在する前記軟質部分を除去することで形成する。前記ラップ加工により表面層９ｃ上の軟質部分のみが除去され、その他の部分は表面の平滑を維持する必要がある。そのため、前記軟質部分は、ポリマーライクカーボン（ＰＬＣ）の構造を有し、膜硬さがナノインデンテーション硬さで１３ＧＰａ以上１６ＧＰａ未満としている。
凹み部１６は、表面に部分的な軟質部分を有するＤＬＣを成膜した後、例えば、ラップ加工することにより、表面層９ｃ上に点在する前記軟質部分を除去することで形成する。前記ラップ加工により表面層９ｃ上の軟質部分のみが除去され、その他の部分は表面の平滑を維持する必要がある。そのため、前記軟質部分は、ポリマーライクカーボン（ＰＬＣ）の構造を有し、膜硬さがナノインデンテーション硬さで１３ＧＰａ以上１６ＧＰａ未満としている。
したがって、前記ラップ加工後に凹み部１６に残留したＰＬＣにより、凹み部１６のナノインデンテーション硬さは１３ＧＰａ以上１６ＧＰａ未満の範囲にあることが望ましい。表面層９ｃ上における、凹み部以外の部分のナノインデンテーション硬さは１６ＧＰａ以上２５ＧＰａ未満であることが望ましい。凹み部1６のナノインデンテーション硬さは、凹み部以外の硬さと同様に、測定視野内の対象部に対し直接圧子を押し当てて測定を行う。
＜凹み部の膜質＞
凹み部１６のナノインデンテーション硬さを満たすため、ラップ加工による除去前の軟質部分は、前記ポリマーライクカーボンの構造を有する。また、ラップ加工後に凹み部１６に残留したポリマーライクカーボン、および凹み部１６の周辺部のポリマーライクカーボンは、１００℃～２００℃程度の熱で容易に黒鉛化つまりグラファイト化し、自動調心ころ軸受１（図１）の運転中の温度上昇等で対象部となる凹み部１６およびその周辺部が黒鉛化する。これにより、さらなる潤滑性能の向上が期待できる。凹み部１６がポリマーライクカーボンを含むか否かは、後述するラマン分光測定によって分析可能である。
凹み部１６のナノインデンテーション硬さを満たすため、ラップ加工による除去前の軟質部分は、前記ポリマーライクカーボンの構造を有する。また、ラップ加工後に凹み部１６に残留したポリマーライクカーボン、および凹み部１６の周辺部のポリマーライクカーボンは、１００℃～２００℃程度の熱で容易に黒鉛化つまりグラファイト化し、自動調心ころ軸受１（図１）の運転中の温度上昇等で対象部となる凹み部１６およびその周辺部が黒鉛化する。これにより、さらなる潤滑性能の向上が期待できる。凹み部１６がポリマーライクカーボンを含むか否かは、後述するラマン分光測定によって分析可能である。
＜凹み部の深さ＞
図３Ｂに示すように、ＤＬＣ膜９の総膜厚９ｔは約１０００nｍ～３０００nｍである。本総膜厚は図４Ｂに示すように膜の剥離が起こらない膜厚を定めたレンジであり、具体的には、図４Ａのように、金属層９ａおよび中間層９ｂを合わせた膜厚分が約５００nｍ以上で、表面層９ｃの膜厚分が約５００nｍ～２５００nｍである。中間層９ｂのうち金属リッチ層９ｂｂの膜厚が１００nｍ以上３００nｍ以下である。下地金属層である金属層９ａの膜厚が４００nｍ以上８００nｍ以下である。
図３Ｂに示すように、ＤＬＣ膜９の総膜厚９ｔは約１０００nｍ～３０００nｍである。本総膜厚は図４Ｂに示すように膜の剥離が起こらない膜厚を定めたレンジであり、具体的には、図４Ａのように、金属層９ａおよび中間層９ｂを合わせた膜厚分が約５００nｍ以上で、表面層９ｃの膜厚分が約５００nｍ～２５００nｍである。中間層９ｂのうち金属リッチ層９ｂｂの膜厚が１００nｍ以上３００nｍ以下である。下地金属層である金属層９ａの膜厚が４００nｍ以上８００nｍ以下である。
図４Ｂは、軸受系列記号「２４０」、内輪内径寸法６００ｍｍの自動調心ころ軸受につき、ころにＤＬＣ膜を成膜したサンプルを複数用意し耐剥離性確認試験を実施した例である。各サンプルのうち、比較サンプル例は、ＤＬＣ膜の各層の膜厚が上記の範囲のいずれかを満たさないのに対し、本サンプル例１～３は、ＤＬＣ膜の各層の膜厚が上記の範囲内にある。
前記耐剥離性確認試験の試験条件は以下の通りである。
前記耐剥離性確認試験の試験条件は以下の通りである。
＜試験条件＞
・試験軸受：ころにDLCをコーティングした内径600mm x 外径870mm x 幅272mmの自動調心ころ軸受。
・試験条件は風力発電機主軸受の実機使用条件に相当する回転数、荷重条件を想定し試験した。運転時の潤滑状態は運転時の潤滑状態は油枯渇状態を想定し無添加低粘度油を使用した過酷条件で1か月運転を実施したのち、ころ表面を光学顕微鏡にて観察しDLCの剥離状態を確認した。
・各サンプルにおける、ＤＬＣ層（最表層ＤＬＣ）の厚さ、金属リッチ層（Crリッチ層）の膜厚、および金属層（Cr下地）の膜厚は、前記耐剥離性確認試験を行うサンプルとは別に準備された比較サンプル例および本サンプル例の膜構造に相当するテストピースのＤＬＣ膜断面を、例えば、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、略称SEM）で３００００倍に拡大して計測した。各サンプルの設定総膜厚は、ＤＬＣ膜の総膜厚の目標値である。
・試験軸受：ころにDLCをコーティングした内径600mm x 外径870mm x 幅272mmの自動調心ころ軸受。
・試験条件は風力発電機主軸受の実機使用条件に相当する回転数、荷重条件を想定し試験した。運転時の潤滑状態は運転時の潤滑状態は油枯渇状態を想定し無添加低粘度油を使用した過酷条件で1か月運転を実施したのち、ころ表面を光学顕微鏡にて観察しDLCの剥離状態を確認した。
・各サンプルにおける、ＤＬＣ層（最表層ＤＬＣ）の厚さ、金属リッチ層（Crリッチ層）の膜厚、および金属層（Cr下地）の膜厚は、前記耐剥離性確認試験を行うサンプルとは別に準備された比較サンプル例および本サンプル例の膜構造に相当するテストピースのＤＬＣ膜断面を、例えば、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、略称SEM）で３００００倍に拡大して計測した。各サンプルの設定総膜厚は、ＤＬＣ膜の総膜厚の目標値である。
・試験後、各サンプル例のころを取り出しＤＬＣ膜を平面視で見たときの剥離の有無を判定した。表面層の一部が平面視で広範囲に剥離した場合、または中間層、金属層のいずれかが露出した場合、図４Ｂの判定表において「×」にて表記し、剥離なしの場合、図４Ｂの判定において「〇」とした。前記各平面視とは、ＤＬＣ膜の表面層を、例えば、光学顕微鏡等の撮像手段を用いて平面視で見たときである。
図３Ｂに示すように、複数の凹み部１６のうち、金属層９ａおよび中間層９ｂが露出しているものもあるが、基本的には金属層９ａおよび中間層９ｂが露出しない方が理想の状態である。このため、図５の凹み部１６がディンプルとしての機能を担保することも考慮し、凹み部１６の深さ１６ｄは５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下（０．５μｍ以上２．５μｍ以下）であることが望ましい。ころの凹み部１６がある部分を、凹み部１６の深さ方向に切断して見た断面を顕微鏡等で観察することで、凹み部１６の深さ１６ｄを計測可能である。
＜凹み部の大きさ＞
図６Ａは、ＤＬＣ膜９の凹み部１６を部分的に拡大して示す平面図であり、図５のVIA-VIA線矢視図である。図６Ａに示すように、凹み部１６の平面視における大きさＬが１０μｍを超え１００μｍ未満である。図１に示すころ４，５の外周面は、前述のように回転体形状の曲面であるため、凹み部１６（図６Ａ）の平面視における大きさＬを次のように求める。ころ４，５の外周面における円周方向の所定範囲となる部分を、例えば、顕微鏡等の撮像手段を用いて平面視で見たときの凹み部１６（図６Ａ）の大きさＬを計測する。
図６Ａは、ＤＬＣ膜９の凹み部１６を部分的に拡大して示す平面図であり、図５のVIA-VIA線矢視図である。図６Ａに示すように、凹み部１６の平面視における大きさＬが１０μｍを超え１００μｍ未満である。図１に示すころ４，５の外周面は、前述のように回転体形状の曲面であるため、凹み部１６（図６Ａ）の平面視における大きさＬを次のように求める。ころ４，５の外周面における円周方向の所定範囲となる部分を、例えば、顕微鏡等の撮像手段を用いて平面視で見たときの凹み部１６（図６Ａ）の大きさＬを計測する。
以後、撮像手段に対して、ころ４，５をその軸心回りに回転させつつ前記ころ４，５の外周面における円周方向の他の部分を、平面視で見たときの凹み部１６（図６Ａ）の大きさＬを計測する。図６Ａに示すように、各凹み部１６において、最も離隔した外縁部Ｐ１，Ｐ２間の最大値を撮像手段等を用いて計測することで、凹み部１６の平面視における大きさＬを計測し得る。
凹み部１６の大きさＬが１０μｍ以下であると、凹み部１６が潤滑剤を保持する保持力が不十分となるおそれがある。凹み部１６の大きさＬが１００μｍ以上であると、凹み部１６に応力集中が生じやすくＤＬＣ膜の耐久性が低下するおそれがある。したがって、凹み部１６の平面視における大きさＬが１０μｍを超え１００μｍ未満の範囲であることが望ましい。なお、ころの外周面に対して相対的に撮像手段を回転させつつ凹み部１６の大きさＬを計測してもよい。
＜凹み部の面積率＞
凹み部１６の面積率は１０％以上４０％以下である。前記「面積率」とは、ころの外周面の全表面積に対する凹み部１６の面積の比率である。凹み部１６の面積は、前述の凹み部１６の大きさＬの計測方法と同様に、撮像手段に対してころをその軸心回りに相対回転させつつころの外周面全周に渡って計測する。計測した凹み部１６の面積の合計値より、凹み部１６の面積率を求める。ころの外周面に対して相対的に撮像手段を回転させつつ凹み部１６の面積を計測してもよい。
凹み部１６の面積率は１０％以上４０％以下である。前記「面積率」とは、ころの外周面の全表面積に対する凹み部１６の面積の比率である。凹み部１６の面積は、前述の凹み部１６の大きさＬの計測方法と同様に、撮像手段に対してころをその軸心回りに相対回転させつつころの外周面全周に渡って計測する。計測した凹み部１６の面積の合計値より、凹み部１６の面積率を求める。ころの外周面に対して相対的に撮像手段を回転させつつ凹み部１６の面積を計測してもよい。
凹み部１６の面積率が高すぎると真実接触面積つまり真実接触点の面積が減少し、凹み部以外の部分の面圧が高くなり、ＤＬＣ膜の耐久性が低下するおそれがある。したがって、凹み部１６の面積率は４０％以下であることが望ましい。また、凹み部１６による潤滑性向上も考慮し、凹み部１６の面積率の下限値を１０％とした。したがって、凹み部１６の面積率は１０％以上４０％以下が望ましい。
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ＤＬＣ膜の製造方法としては、順次、基材に対しＤＬＣ膜の密着性等を向上するための下地処理過程（図示せず）と、ＤＬＣ膜の成膜過程（図３Ａ）と、ＤＬＣ膜の表面層９ｃに凹み部１６を形成する凹み部形成過程（図３Ｂ）と、を有する。
＜ＤＬＣ膜の成膜過程＞
前記下地処理過程の後、ころ４，５の外周面にＤＬＣ膜９を成膜する。ＤＬＣ膜９の成膜方法として、例えば、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ法、真空蒸着法、イオンプレーティング、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、イオンビームデポジション、イオン注入法等のＰＶＤ法等を適用し得る。
前記成膜過程により図３Ａに示すように、ころ４，５の外周面に直接クロムＣｒを主体とする金属層９ａ、この金属層９ａの上にＤＬＣを主体とする中間層９ｂ、この中間層９ｂの上にＤＬＣを主体とする表面層９ｃが成膜される。
前記下地処理過程の後、ころ４，５の外周面にＤＬＣ膜９を成膜する。ＤＬＣ膜９の成膜方法として、例えば、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ法、真空蒸着法、イオンプレーティング、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、イオンビームデポジション、イオン注入法等のＰＶＤ法等を適用し得る。
前記成膜過程により図３Ａに示すように、ころ４，５の外周面に直接クロムＣｒを主体とする金属層９ａ、この金属層９ａの上にＤＬＣを主体とする中間層９ｂ、この中間層９ｂの上にＤＬＣを主体とする表面層９ｃが成膜される。
中間層９ｂは、金属層９ａ側から表面層９ｃ側へ向けて連続的または段階的に、中間層９ｂ中のCrの含有率が小さくなり、且つ、前記中間層９ｂ中のＤＬＣの含有率が高くなっている。例えば、プラズマＣＶＤ等においては、原料ガスの充填濃度等を徐々に変化させることで、前記中間層９ｂを形成し得る。本実施形態では、ＤＬＣ膜９の膜構造を前述のような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。
金属層９ａは、Ｃｒを含むので超硬合金材料または鉄系材料から成る基材との相性がよく、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ等を用いる場合と比較して基材との密着性に優れる。金属層９ａは、ころ表面側から中間層９ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さくすることが好ましい。これにより、ころ表面と中間層９ｂとの両面で密着性に優れる。
＜凹み部形成過程＞
前記成膜過程の後、図３Ｂに示すように、表面層９ｃに凹み部１６が形成される。この凹み部１６は、表面層９ｃのうち、他の層である金属層９ａ、中間層９ｂよりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものである。ＤＬＣ膜の成膜後に表面層９ｃ上に点在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に前記凹み部１６を形成し得る。
前記成膜過程の後、図３Ｂに示すように、表面層９ｃに凹み部１６が形成される。この凹み部１６は、表面層９ｃのうち、他の層である金属層９ａ、中間層９ｂよりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものである。ＤＬＣ膜の成膜後に表面層９ｃ上に点在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に前記凹み部１６を形成し得る。
＜試験および試験結果＞
円筒形状の複数の試験片（テストピース）の外周面にＤＬＣ膜をそれぞれ成膜した後、ラップ加工により、ＤＬＣ膜の表面層上に点在する軟性のＤＬＣを除去することで、複数の凹み部を有する試験片を作製した。
試験条件は以下の通りである。
・試験片：内径20ｍｍ×外径40ｍｍ×幅12ｍｍの円筒形状で、高炭素クロム軸受鋼製。
・2円筒試験機を用いた試験。
円筒形状の複数の試験片（テストピース）の外周面にＤＬＣ膜をそれぞれ成膜した後、ラップ加工により、ＤＬＣ膜の表面層上に点在する軟性のＤＬＣを除去することで、複数の凹み部を有する試験片を作製した。
試験条件は以下の通りである。
・試験片：内径20ｍｍ×外径40ｍｍ×幅12ｍｍの円筒形状で、高炭素クロム軸受鋼製。
・2円筒試験機を用いた試験。
図１１は2円筒試験機の概略図である。同図１１の試験機は2本の互いに平行な回転軸S1,S2を有し、一方の回転軸S1にDLC膜を施した試験片D2、他方の回転軸S2には相手材として無処理の試験片F2を備え構成されている。各回転軸S1,S2はそれぞれモータMにより回転駆動可能である。ここで試験片D2とF2に加えられる荷重及び回転数は、風力発電機主軸受の実機使用条件に相当する数値を仮定し試験を行った。潤滑機構はフェルトパッド給油とし潤滑油を含侵させたフェルトパッドFPを各試験片D2,F2の真下に設置した。なお使用する潤滑剤は油枯渇状態を想定し、無添加低粘度油を用いた。
試験後、図６Ａに示すように、ＤＬＣの表面状態を光学顕微鏡にて観察し、各条件のＤＬＣ膜の耐剥離性および潤滑剤保持力を観察した。潤滑状態で試験片表面の凹み部１６に潤滑剤の存在を示す干渉色が見られたとき、潤滑剤保持力に問題なしと規定した。
面積率４０％の凹み部１６を有する試験片を用いた実用相当条件で実施した２円筒試験および試験結果において、面積率４０％の凹み部１６を有するＤＬＣ膜９が所定の耐久性を有することを確認した。
面積率４０％の凹み部１６を有する試験片を用いた実用相当条件で実施した２円筒試験および試験結果において、面積率４０％の凹み部１６を有するＤＬＣ膜９が所定の耐久性を有することを確認した。
図６Ｂは運転後のＤＬＣ膜９の凹み部１６を分析する過程を説明する図である。同図６Ｂでは、光学顕微鏡にて観察した特定の凹み部１６ａ，１６ｂおよびこれらの凹み部１６ａ，１６ｂの周辺部１６ａｐ，１６ｂｐと、凹み部以外の部分につき、ラマン分光測定によって分析した。図６Ｃは運転後のＤＬＣ膜のラマン分析結果を示す図である。図６Ｃの横軸はラマンシフト（ｃｍ－１）、縦軸はラマンスペクトルの強度を表す。
１３００ｃｍ－１～１４００ｃｍ－１付近のピークであるＤピークが確認されるとき、対象部が「黒鉛化」していると判定する。
またラマンスペクトルにおいてスペクトルのバックグラウンドの増大が大きく,
特に1700cm－１以上の領域にてその傾向が顕著な場合、高分子状炭化水素が多いと考えられるため対象部はポリマーライクカーボンである、と判定する。
１３００ｃｍ－１～１４００ｃｍ－１付近のピークであるＤピークが確認されるとき、対象部が「黒鉛化」していると判定する。
またラマンスペクトルにおいてスペクトルのバックグラウンドの増大が大きく,
特に1700cm－１以上の領域にてその傾向が顕著な場合、高分子状炭化水素が多いと考えられるため対象部はポリマーライクカーボンである、と判定する。
ラマン分析結果によると、図６Ｂの凹み部１６ａ，１６ｂおよびこれらの凹み部１６ａ，１６ｂの周辺部１６ａｐ，１６ｂｐで大きくポリマーライクカーボン化している。図６Ｃのように、ピークのバックグラウンドが高い場合、他の膜と比べて対象部となる凹み部１６ａ，１６ｂ（図６Ｂ）および周辺部１６ａｐ，１６ｂｐ（図６Ｂ）がポリマーライクカーボン化していることを示す。このポリマーライクカーボン化した対象部は低硬度化しやすい。また１４００ｃｍ－１付近に黒鉛化を示すＤピークの出現も確認でき、これはポリマーライクカーボンが一部黒鉛化したことを示す。
＜作用効果＞
以上説明した図１の自動調心ころ軸受１によると、ＤＬＣ膜の凹み部が潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たす。前記凹み部に含まれるポリマーライクカーボンおよび凹み部の周辺部のポリマーライクカーボンは、１００℃～２００℃程度の熱で容易に黒鉛化つまりグラファイト化する。例えば、自動調心ころ軸受１の運転中の温度上昇等で対象部となる凹み部およびその周辺部が黒鉛化する。これにより、潤滑性能の向上を図り自動調心ころ軸受１の耐摩耗性を向上することができる。
以上説明した図１の自動調心ころ軸受１によると、ＤＬＣ膜の凹み部が潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たす。前記凹み部に含まれるポリマーライクカーボンおよび凹み部の周辺部のポリマーライクカーボンは、１００℃～２００℃程度の熱で容易に黒鉛化つまりグラファイト化する。例えば、自動調心ころ軸受１の運転中の温度上昇等で対象部となる凹み部およびその周辺部が黒鉛化する。これにより、潤滑性能の向上を図り自動調心ころ軸受１の耐摩耗性を向上することができる。
図５に示す凹み部１６のナノインデンテーション硬さは１３ＧＰａ以上１６ＧＰａ未満である。ＤＬＣ膜９の表面層９ｃのうち、凹み部以外の部分は、ナノインデンテーション硬さが１６ＧＰａ以上２５ＧＰａ未満であることが望ましい。この場合、前記凹み部以外の部分の平滑性を維持することができ、自動調心ころ軸受１（図１）の耐摩耗性の向上に寄与する。
凹み部１６の深さ１６ｄは５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下であるため、ＤＬＣ膜９がころ表面まで露出せず油だまりのディンプルとしての機能を担保することが可能となる。
凹み部１６の深さ１６ｄは５００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下であるため、ＤＬＣ膜９がころ表面まで露出せず油だまりのディンプルとしての機能を担保することが可能となる。
表面層９ｃ上に存在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に凹み部１６を形成することが可能となる。この場合、ＤＬＣ膜自体の成膜条件を変更することなく凹み部１６を形成し得るため、ＤＬＣ膜９の膜質の劣化を防ぐことができる。またショットピーニングのように微細粒子を別途用意することなく凹み部１６を形成し得るため、製造コストの低減を図ることが可能となる。
凹み部１６の大きさが１０μｍを超え１００μｍ未満であるため、凹み部１６が潤滑剤を保持する油だまりのディンプルとしての機能を果たし、低潤滑の環境下においても油膜を形成する能力を向上させ潤滑性能の向上を図ることができる。凹み部が大きすぎると、凹み部に応力集中が生じやすくＤＬＣ膜の耐久性が低下するおそれがある。したがって、凹み部の大きさは１００μｍ未満であることが望ましい。逆に凹み部が小さすぎると、油だまりのディンプルとして、十分な量の潤滑剤を凹み部内に捕らえることができないおそれがある。このため、凹み部１６の大きさは１０μｍを超えることが望ましい。また凹み部１６の面積率を４０％以下としたため、ＤＬＣ膜９の耐久性を保持でき、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃが剥離することを防止し得る。
図３Ｂに示すＤＬＣ膜９は、ころ４，５の基材側から順に、金属層９ａ、金属とＤＬＣの混合層である中間層９ｂ、および前記表面層９ｃの３層構造である。このため、ＤＬＣ膜９において硬度、弾性率などの物性が急激に変化することを避け、ころ４，５に対するＤＬＣ膜９の密着性を高めることができる。
＜他の実施形態等について＞
以下の説明においては、各実施形態および参考提案例で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している実施形態と同様とする。同一の構成は同一の作用効果を奏する。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士または実施形態と参考提案例を部分的に組合せることも可能である。
以下の説明においては、各実施形態および参考提案例で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している実施形態と同様とする。同一の構成は同一の作用効果を奏する。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士または実施形態と参考提案例を部分的に組合せることも可能である。
［第２の実施形態：図７］
ころの外周面に、前述の凹み部を有するＤＬＣ膜が設けられる構成に加えて、図７に示すように、内輪の軌道面２ａ，２ｂおよび外輪の軌道面３ａのいずれか一方または両方にＤＬＣ膜９を有し、このＤＬＣ膜９の表面層９ｃに潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられてもよい。この凹み部１６は、前述の実施形態と同様に、ポリマーライクカーボンを含み、ナノインデンテーション硬さが１３ＧＰａ～１６ＧＰａである。
この構成によると、いずれかの軌道面におけるＤＬＣ膜９の凹み部１６等に含まれるポリマーライクカーボンが運転中の温度上昇等により黒鉛化することで、潤滑性能の向上を図れる。さらにころのＤＬＣ膜に設けられる凹み部に保持される潤滑剤と相俟って潤滑性能の向上をさらに図ることができる。
ころの外周面に、前述の凹み部を有するＤＬＣ膜が設けられる構成に加えて、図７に示すように、内輪の軌道面２ａ，２ｂおよび外輪の軌道面３ａのいずれか一方または両方にＤＬＣ膜９を有し、このＤＬＣ膜９の表面層９ｃに潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられてもよい。この凹み部１６は、前述の実施形態と同様に、ポリマーライクカーボンを含み、ナノインデンテーション硬さが１３ＧＰａ～１６ＧＰａである。
この構成によると、いずれかの軌道面におけるＤＬＣ膜９の凹み部１６等に含まれるポリマーライクカーボンが運転中の温度上昇等により黒鉛化することで、潤滑性能の向上を図れる。さらにころのＤＬＣ膜に設けられる凹み部に保持される潤滑剤と相俟って潤滑性能の向上をさらに図ることができる。
なお、ころの外周面に、ポリマーライクカーボンを含む凹み部を有するＤＬＣ膜が設けられる構成に加えて、いずれかの軌道面に、凹み部が設けられていないＤＬＣ膜（図３Ａ参照）が設けられてもよい。
［第３の実施形態：図８］
上記各実施形態は、本発明のころ軸受を左右対称の自動調心ころ軸受に適用した例であるが、左右非対称の自動調心ころ軸受、例えば、図８に示すように、左右列の接触角θ１、θ２が互いに異なる自動調心ころ軸受１に適用してもよい。左右非対称の自動調心ころ軸受１のころ４，５の外周面にＤＬＣ膜が設けられてもよく、さらに内外輪２，３の軌道面２ａ，２ｂ，３ａのいずれか一方または両方にＤＬＣ膜が設けられてもよい。
上記各実施形態は、本発明のころ軸受を左右対称の自動調心ころ軸受に適用した例であるが、左右非対称の自動調心ころ軸受、例えば、図８に示すように、左右列の接触角θ１、θ２が互いに異なる自動調心ころ軸受１に適用してもよい。左右非対称の自動調心ころ軸受１のころ４，５の外周面にＤＬＣ膜が設けられてもよく、さらに内外輪２，３の軌道面２ａ，２ｂ，３ａのいずれか一方または両方にＤＬＣ膜が設けられてもよい。
図示しないが、円筒ころ軸受または円すいころ軸受にＤＬＣ膜が設けられてもよく、さらに内外輪の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜が設けられてもよい。
凹み部を形成するラップ加工として、乾式ラッピングを採用してもよい。
凹み部を形成するラップ加工として、乾式ラッピングを採用してもよい。
＜参考提案例＞
参考提案例として、ころ軸受の内方部材の軌道面および外方部材の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有し、このＤＬＣ膜の表面層のみに凹み部が設けられてもよい。この凹み部はポリマーライクカーボンを含む。この参考提案例に係るころ軸受は、以下のように記載される。
内方部材と、外方部材と、これら内方部材および外方部材の軌道面間に介在するころと、前記ころを保持する保持器とを備え、前記内方部材の軌道面および前記外方部材の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部はポリマーライクカーボンを含むころ軸受。
参考提案例として、ころ軸受の内方部材の軌道面および外方部材の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有し、このＤＬＣ膜の表面層のみに凹み部が設けられてもよい。この凹み部はポリマーライクカーボンを含む。この参考提案例に係るころ軸受は、以下のように記載される。
内方部材と、外方部材と、これら内方部材および外方部材の軌道面間に介在するころと、前記ころを保持する保持器とを備え、前記内方部材の軌道面および前記外方部材の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部はポリマーライクカーボンを含むころ軸受。
他の参考提案例として、玉軸受の内方部材、外方部材の軌道面および玉の少なくともいずれか１つにＤＬＣ膜を有し、このＤＬＣ膜の表面層に凹み部が設けられてもよい。この凹み部はポリマーライクカーボンを含む。この参考提案例に係る玉軸受は、以下のように記載される。
内方部材と、外方部材と、これら内方部材および外方部材の軌道面間に介在する玉とを備え、前記内方部材、前記外方部材の軌道面および玉の外表面の少なくともいずれかにＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部はポリマーライクカーボンを含む玉軸受。
内方部材と、外方部材と、これら内方部材および外方部材の軌道面間に介在する玉とを備え、前記内方部材、前記外方部材の軌道面および玉の外表面の少なくともいずれかにＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部はポリマーライクカーボンを含む玉軸受。
図９、図１０は、風力発電装置の主軸支持装置の一例を示す。支持台２１上に旋回座軸受２２（図１０）を介してナセル２３のケーシング２３ａが水平旋回自在に設置されている。ナセル２３のケーシング２３ａ内には、軸受ハウジング２４に設置された主軸支持軸受２５を介して主軸２６が回転自在に設置され、主軸２６のケーシング２３ａ外に突出した部分に、旋回翼となるブレード２７が取り付けられている。主軸支持軸受２５として、いずれかの実施形態に係る自動調心ころ軸受１が適用されている。
主軸２６の他端は、増速機２８に接続され、増速機２８の出力軸が発電機２９のロータ軸に結合されている。ナセル２３は、旋回用モータ３０により、減速機３１を介して任意の角度に旋回させられる。主軸支持軸受２５は、図示の例では２個並べて設置してあるが、１個であってもよい。
主軸２６の他端は、増速機２８に接続され、増速機２８の出力軸が発電機２９のロータ軸に結合されている。ナセル２３は、旋回用モータ３０により、減速機３１を介して任意の角度に旋回させられる。主軸支持軸受２５は、図示の例では２個並べて設置してあるが、１個であってもよい。
いずれかの実施形態に係る自動調心ころ軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、参考提案例に係るころ軸受、玉軸受を、風力発電装置以外の用途、例えば、産業機械、工作機械、ロボット等に採用することも可能である。
各転がり軸受の内方部材は、例えば、内輪と軸が一体のもの、および内輪内周面等にギヤが形成されたものを含む。各転がり軸受の外方部材は、外輪とハウジングが一体のもの、および外輪外周面等にギヤが形成されたものを含む。前記一体とは、軌道輪と対象物とが複数の要素を結合したものではなく単一の材料から例えば鍛造、機械加工等により単独の物の一部または全体として成形されたことを意味する。
各転がり軸受の内方部材は、例えば、内輪と軸が一体のもの、および内輪内周面等にギヤが形成されたものを含む。各転がり軸受の外方部材は、外輪とハウジングが一体のもの、および外輪外周面等にギヤが形成されたものを含む。前記一体とは、軌道輪と対象物とが複数の要素を結合したものではなく単一の材料から例えば鍛造、機械加工等により単独の物の一部または全体として成形されたことを意味する。
以上、本発明の実施形態を説明したが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１…自動調心ころ軸受、２…内輪（内方部材）、２ａ，２ｂ…軌道面、３…外輪（外方部材）、３ａ…軌道面、４，５…ころ、９…ＤＬＣ膜、９ａ…金属層、９ｂ…中間層、９ｃ…表面層、１０Ｌ，１０Ｒ…保持器、１６…凹み部、２６…主軸
Claims (6)
- 内方部材、外方部材と、これら内方部材、外方部材の軌道面間に介在するころと、前記ころを保持する保持器とを備え、少なくとも前記ころの外周面または内方部材、外方部材の軌道面にＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部はポリマーライクカーボンを含むころ軸受。 - 請求項１に記載のころ軸受において、前記凹み部のナノインデンテーション硬さが１３ＧＰａ～１６ＧＰａであるころ軸受。
- 請求項１または請求項２に記載のころ軸受において、前記凹み部の深さが５００ｎｍ～２５００ｎｍであるころ軸受。
- 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のころ軸受において、前記ＤＬＣ膜は前記表面層および他の層が積層された多層構造であり、前記凹み部は、前記表面層のうち、前記他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものであり、前記凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍであるころ軸受。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のころ軸受において、前記ＤＬＣ膜は、前記ころの基材側から順に、金属層、金属とＤＬＣの混合層である中間層、および前記表面層の３層構造であるころ軸受。
- 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のころ軸受において、風力発電装置の主軸を支持するころ軸受。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2022043205A JP2023137154A (ja) | 2022-03-17 | 2022-03-17 | ころ軸受 |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022043205A JP2023137154A (ja) | 2022-03-17 | 2022-03-17 | ころ軸受 |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2022043205A Pending JP2023137154A (ja) | 2022-03-17 | 2022-03-17 | ころ軸受 |
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| JP6796297B2 (ja) * | 2015-01-29 | 2020-12-09 | 株式会社ジェイテクト | 摺動システム |
-
2022
- 2022-03-17 JP JP2022043205A patent/JP2023137154A/ja active Pending
-
2023
- 2023-03-08 WO PCT/JP2023/008760 patent/WO2023176615A1/ja unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023176615A1 (ja) | 2023-09-21 |
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