JP2024014629A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】過酷な摺動環境下でも耐剥離性に優れる転がり軸受を提供する。
【解決手段】転がり軸受は、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１と外輪１２との間を転動する複数の転動体１３ａ、１３ｂとを備えてなる転がり軸受であって、内輪１１、外輪１２、および転動体１３ａ、１３ｂ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、該硬質膜が他の軸受部材と境界潤滑で転がり滑り接触する条件で使用される軸受であり、硬質膜は、ダイヤモンドライクカーボンからなる表面層を有し、表面層の水素含有量が、５原子％をこえて３０原子％以下である。
【選択図】図３

Description

本発明は、転がり軸受に関し、特に、ダイヤモンドライクカーボンを含む硬質膜を表面に形成した転がり軸受に関する。

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。

ここで、大型の風力発電機における主軸用軸受には、図９に示すような大型の自動調心ころ軸受５４が用いられることが多い。主軸５３は、ブレード５２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５２を支える主軸５３は、ブレード５２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。自動調心ころ軸受５４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５１の精度誤差や、取付誤差による主軸５３の傾きを吸収でき、かつ運転中の主軸５３の撓みを吸収できる。そのため、風力発電機主軸用軸受に適した軸受であり、利用されている（例えば、非特許文献１）。

一方、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、耐剥離性を改善する必要性がある。

例えば、ＤＬＣ膜の耐剥離性改善を図ったものとして、クロム（以下、Ｃｒと記す。）を主体とする下地層と、該層の上に成膜される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るＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜を有する硬質膜を備えた転がり軸受が提案されている（特許文献１参照）。

また、ＤＬＣ膜の耐剥離性改善を図ったものとして、下地層と、この上に成膜される混合層と、この上に成膜される表面層とからなる硬質膜を有し、混合層における水素含有量が１０原子％未満である転がり軸受が提案されている（特許文献２参照）。

特開２０１１－２２６６３８号公報 特開２０１８－１３５９６６号公報

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、例えば、図９に示すように、風力発電用の主軸を支持する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５７、５８のうち、スラスト荷重を受ける列のころ５８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、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５７が内外輪５５、５６の軌道面５５ａ、５６ａ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５２が大型となるために高所に設置されたりす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。

また、転がり滑り運動において発生する高い接触面圧下ではフレーキングの防止は容易でなく、特に滑り摩擦により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より困難となる。特に風力発電機や建設機械などの高い接触面圧下で用いられる転がり軸受において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。

上述したように特許文献１および２には、軸受部材上の硬質膜の層構成や、下地層と表面層の間の混合層中の水素含有量の規定による、硬質膜の剥離防止効果が記載されている。硬質膜が他の部材と境界潤滑で転がり滑り接触するような環境における高い接触面圧下で使用される軸受については、使用条件に応じた要求特性を満足させるべく、剥離防止効果のさらなる向上が求められている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、過酷な摺動環境下でも耐剥離性に優れる転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の転がり軸受は、内輪と、外輪と、上記内輪と上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、上記転がり軸受は、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、該硬質膜が他の部材と境界潤滑で転がり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、ダイヤモンドライクカーボンからなる表面層を有し、上記表面層の水素含有量が、５原子％をこえて３０原子％以下であることを特徴とする。

上記表面層の水素含有量が、１５原子％以上３０原子％以下であることを特徴とする。

上記硬質膜は、上記軸受部材の表面と上記表面層との間に、少なくとも１種類以上の介在層を有し、上記介在層は、連続的または段階的に上記軸受部材の表面の側から上記表面層の側に向けて組成傾斜させた構造であることを特徴とする。

上記硬質膜は、上記介在層として、上記軸受部材の表面の上に直接成膜された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中間層とを有し、上記中間層の上に上記表面層が成膜された構造の膜であることを特徴とする。

上記内輪と上記外輪との間に、軸方向に並んで２列にころを上記転動体として介在させ、上記外輪の軌道面を球面状とし、上記ころの外周面を上記外輪の軌道面に沿う形状とした自動調心ころ軸受であることを特徴とする。

風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持することを特徴とする。

建設機械に用いられることを特徴とする。

本発明の転がり軸受は、軸受部材の表面に硬質膜を有し、該硬質膜が他の部材と境界潤滑で転がり滑り接触する条件で使用される軸受であり、硬質膜は、ダイヤモンドライクカーボンからなる表面層を有し、表面層の水素含有量が、５原子％をこえて３０原子％以下であるので、硬質膜の耐剥離性に優れ、苛酷な摺動環境下でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。

表面層の水素含有量が、１５原子％以上３０原子％以下であるので、硬質膜の耐剥離性により優れる。

硬質膜は、軸受部材の表面と表面層との間に、少なくとも１種類以上の介在層を有し、介在層は、連続的または段階的に軸受部材の表面の側から表面層の側に向けて組成傾斜させた構造であるので、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。

硬質膜は、介在層として、軸受部材の表面の上に直接成膜された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中間層とを有し、中間層の上に表面層が成膜された構造の膜であるので、各層間での密着性に優れ、硬質膜の耐剥離性にさらに優れる。

本発明の転がり軸受は、硬質膜が他の軸受部材と境界潤滑で転がり滑り接触する条件で使用される軸受であるので、内輪と外輪との間に、軸方向に並んで２列にころを転動体として介在させ、外輪の軌道面を球面状とし、ころの外周面を外輪の軌道面に沿う形状とした自動調心ころ軸受に好適である。

風力発電用の主軸を支持する軸受は、低速回転により潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で、頻繁なメンテナンスを受けることなく長期間にわたって使用される。本発明の転がり軸受は、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する自動調心ころ軸受であるので、上記条件であっても硬質膜の耐剥離性に優れることで長寿命となり、メンテナンスフリー化にも寄与する。

建設機械に用いられる軸受は、大荷重が掛かりやすいため、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で使用されやすい。本発明の転がり軸受は、建設機械に用いられる自動調心ころ軸受であるので、上記条件であっても硬質膜の耐剥離性に優れ、長寿命となる。

本発明の転がり軸受を含む風力発電機全体の模式図である。 本発明の転がり軸受を含む風力発電用主軸支持装置を示す図である。 本発明の転がり軸受の一例の自動調心ころ軸受を示す模式断面図である。 本発明の転がり軸受の一例の円すいころ軸受を示す切欠き斜視図である。 硬質膜の構造を示す模式断面図である。 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。 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。

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によって大きく異なり、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（境界潤滑で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、該条件下で使用される転がり軸受の軸受部材の表面に形成する硬質膜について、表面層の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。

本発明の転がり軸受を含む風力発電用主軸支持装置を図１および図２に基づいて説明する。図１は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２は図１の風力発電用主軸支持装置を示す図である。図１に示すように、風力発電機１は、風車となるブレード２が取付けられた主軸３を、ナセル４内に設置された自動調心ころ軸受５（以下、単に軸受５とも言う。）により回転自在に支持し、さらにナセル４内に増速機６および発電機７を設置したものである。増速機６は、主軸３の回転を増速して発電機７の入力軸に伝達するものである。ナセル４は、支持台８上に旋回座軸受１７を介して旋回自在に設置され、旋回用のモータ９（図２参照）の駆動により、減速機１０（図２参照）を介して旋回させられる。ナセル４の旋回は、風向きにブレード２の方向を対向させるために行われる。主軸支持用の軸受５は、図２の例では２個設けられているが、１個であってもよい。

図３に、本発明の転がり軸受の一例として、風力発電機の主軸を支持する自動調心ころ軸受５を示す。この軸受５は、一対の軌道輪となる内輪１１および外輪１２と、これら内外輪１１ 、１２間に介在した複数のころ１３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３では、ブレードに近い方の列（左列）のころが１３ａ、ブレードから遠い方の列（右列）のころが１３ｂとなっている。軸受５は、スラスト負荷が可能なラジアル軸受である。軸受５の外輪１２は軌道面１２ａが球面状とされ、各ころは外周面が外輪軌道面１２ａに沿う球面形状のころとされている。内輪１１は、左右各列のころ１３ａ、１３ｂの外周面に沿う断面形状の複列の軌道面１１ａが形成されている。内輪１１の外周面の両端には、小鍔１１ｂ、１１ｃがそれぞれ設けられている。内輪１１の外周面の中央部、すなわち左列のころ１３ａと右列のころ１３ｂ間には、中鍔１１ｄが設けられている。ころ１３ａ、１３ｂは、各列毎に保持器１４で保持されている。

上記構成において、各ころ１３ａ、１３ｂの外周面は、内輪軌道面１１ａと外輪軌道面１２ａとの間で転がり接触する。また、ころ１３ａの軸方向内側の端面は、中鍔１１ｄの軸方向一方の端面との間で滑り接触し、ころ１３ａの軸方向外側の端面は、小鍔１１ｂの内側端面との間で滑り接触する。また、ころ１３ｂの軸方向内側の端面は、中鍔１１ｄの軸方向他方の端面との間で滑り接触し、ころ１３ｂの軸方向外側の端面は、小鍔１１ｃ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３において、外輪１２は軸受ハウジング１５の内径面に嵌合して設置され、内輪１１は主軸３の外周に嵌合して主軸３を支持している。軸受ハウジング１５は、軸受５の両端を覆う側壁部１５ａを有し、各側壁部１５ａと主軸３との間にラビリンスシール等のシール１６が構成されている。軸受ハウジング１５で密封性が得られるため、軸受５にはシール無しのものが用いられている。軸受５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。

上記自動調心ころ軸受は、ころと他部材間で接触する表面（摺接面）に所定の硬質膜が形成されていることを特徴とする。特に、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でも該硬質膜の耐剥離性に優れる。その結果、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、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３の形態の軸受５では、軸受部材である内輪１１の外周面に硬質膜１８が形成されている。内輪１１の外周面は、軌道面１１ａ、中鍔１１ｄの軸方向両端面、小鍔１１ｂの内側端面、小鍔１１ｃの内側端面を含む。図３の形態では、内輪１１の外周面全体に硬質膜１８が形成されており、ころ１３ａ、１３ｂと転がり滑り接触しない面にも硬質膜１８が形成されている。硬質膜１８を形成する内輪１１の箇所は、境界潤滑条件下でころと転がり滑り接触する表面に形成されていれば、図３の形態に限らない。例えば、各ころ１３ａ、１３ｂと滑り接触する、中鍔１１ｄの軸方向両端面や、小鍔１１ｂの内側端面、小鍔１１ｃの内側端面のうち、少なくともいずれかの端面に硬質膜を形成してもよい。

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１３ｂ）の方がブレードに近い方の列のころ（ころ１３ａ）に比べて、大きなスラスト荷重を受ける。この場合、ころ１３ｂ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１１ｂ、１１ｃのうち小鍔１１ｃの内側端面にのみ硬質膜を形成してもよい。

上記自動調心ころ軸受では、他の軸受部材と境界潤滑（低ラムダ条件）で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。ころは 内外輪との間で転がりつつ滑りも生じている。図３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。なお、該硬質膜は、図３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、および転動体である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。これにより、転がり軸受、特に自動調心ころ軸受で発生し易い接触楕円内での差動滑りに起因した偏摩耗が抑制され、長寿命化に寄与する。

図３の形態では、内輪１１の外周面に硬質膜１８を形成したが、これに代えてまたは加えて、外輪１２や、各ころ１３ａ、１３ｂの表面に硬質膜１８を形成してもよい。外輪１２に硬質膜を形成する構成では、外輪１２の内周面（外輪軌道面１２ａを含む）に硬質膜を形成するとよい。また、各ころ１３ａ、１３ｂの表面に硬質膜を形成する構成では、各ころ１３ａ、１３ｂの両端面に硬質膜を形成するとよい。また、ころにかかる荷重の違いを考慮して、ころ１３ｂ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１３ａ、１３ｂ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。

本発明の転がり軸受の一例である円すいころ軸受について図４を用いて説明する。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２０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４に示した円すいころ軸受は、転動体の表面に硬質膜を有している。この場合、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、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。

上記硬質膜の形成箇所について、図４の円すいころ軸受２０では、上述の通り転動体である円すいころ２７に硬質膜２８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、硬質膜は、図４に示す箇所に限定されず、軸受部材の任意の表面に形成することができる。

上述した円すいころ軸受は、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。なお、本発明の転がり軸受は、自動調心ころ軸受として建設機械に用いてもよい。

図１～４では自動調心ころ軸受や、円すいころ軸受を例示したが、本発明の転がり軸受の形態はこれらに限定されない。本発明の転がり軸受は、例えば、深溝玉軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受などであってもよい。

自動調心ころ軸受において、硬質膜の成膜対象となる軸受部材である内輪、外輪、ころは、例えば、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、ビッカーズ硬さで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ズ硬さで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。

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。

硬質膜の構造の一例を図５に基づいて説明する。図５は、内輪軌道面上に形成された硬質膜の構造を示す模式断面図である。図５に示すように、硬質膜１８は、硬質膜１８が形成された軸受部材の表面である内輪１１の内輪軌道面１１ａ上に成膜される介在層１８ａと、介在層１８ａの上に成膜されるダイヤモンドライクカーボンからなる表面層１８ｂとを有する。さらに、介在層１８ａは、内輪軌道面１１ａ上に直接成膜される下地層１８ｃと、下地層１８ｃの上に成膜される中間層１８ｄとを有し、連続的または段階的に軸受部材の表面の側から表面層の側に向けて組成傾斜している。硬質膜が上記のような介在層１８ａを有することで、急激な物性（硬度・弾性率等）変化を避けられ、成膜後の残留応力の集中が発生し難くなるため、好ましい。なお、硬質膜１８は、軸受部材の表面と表面層との間に介在層１８ａを有しなくてもよい。また、硬質膜１８が介在層１８ａを有する場合、連続的または段階的に軸受部材の表面の側から表面層の側に向けて組成傾斜させた構造でなくてもよい。

下地層１８ｃは、基材となる各軸受部材の表面に直接成膜される。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。

また、下地層１８ｃは、中間層１８ｄ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１１側から中間層１８ｄ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１１と中間層１８ｄとの両面での密着性に優れる。

硬質膜１８は、少なくとも１種類以上の中間層１８ｄを有することが好ましい。また、硬質膜１８は、中間層１８ｄを連続的または段階的に表面のダイヤモンドライクカーボン層１８ｃまで組成傾斜させた膜構造を有することが好ましい。中間層１８ｄは、下地層１８ｃ、表面層１８ｂとの密着性も考慮して、ＷＣとＤＬＣとを主体とする層であることが好ましい。中間層１８ｄにＷＣを用いる場合、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。中間層１８ｄが、下地層１８ｃ側から表面層１８ｂ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場合、下地層１８ｃと表面層１８ｂとの両面での密着性に優れる。また、該中間層内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっている場合、該中間層内での破損などを防止できる。さらに、表面層１８ｂ側ではＤＬＣ含有率が高められている場合、表面層１８ｂと中間層１８ｄとの密着性に優れる。なお、中間層１８ｄがＷＣとＤＬＣとを主体とする層である場合、非粘着性のＤＬＣをＷＣによって下地層１８ｃ側にアンカー効果で結合させやすい。

表面層１８ｂは、ＤＬＣからなる膜である。表面層１８ｂにおいて、中間層１８ｄとの隣接側に、緩和層部分１８ｅを有することが好ましい。これは、中間層１８ｄと表面層１８ｂ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、中間層１８ｄ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１８ｂ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１８ｄと表面層１８ｂとの急激な物性（硬度・弾性率等）の差がなくなり、中間層１８ｄと表面層１８ｂ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。

表面層の水素含有量は、５原子％をこえて３０原子％以下である。表面層の水素含有量は、耐剥離性の観点から、１０原子％以上３０原子％以下であることが好ましく、１５原子％以上３０原子％以下であることがより好ましく、２０原子％以上３０原子％以下であることがさらに好ましい。表面層の水素含有量を上記範囲とすることで、硬質膜が他の部材と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。なお、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を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。

ここで、本発明における「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、表面層のＤＬＣについて水素量検量線を作成する必要がある。ＤＬＣ単層膜試験片について、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から、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。

軸受部材の摺動面への上記硬質膜の形成により、鋼同士の接触時に発生する凝着摩耗が抑制される。差動滑りが発生した際の偏摩耗はこの凝着摩耗に起因するため、偏摩耗抑制の結果、長寿命化すると考えられる。また、実際の摺動面では相手材粗さに起因したアブレシブ摩耗も混在する。アブレシブ摩耗の抑制には一般的に摺動部の硬度の影響が大きいため、摺動部の硬度を所定の値よりも大きくすることでアブレシブ摩耗の抑制が図られてきた。これに対し、本発明では、表面層の水素含有量を上記範囲とすることで、摺動部の硬度（特に、表面層の硬度）が比較的低硬度であっても、硬質膜の耐剥離性に優れる。

硬質膜１８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、硬質膜１８の膜厚に占める表面層１８ｂ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、硬質膜１８が介在層１８ａを有する場合、介在層１８ａにおいて表面層１８ｂと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。

表面層１８ｂの押し込み硬さ（硬度）は、１３ＧＰａ以上３３ＧＰａ以下であることが好ましく、１７ＧＰａ以上３３ＧＰａ以下であることがより好ましく、２１ＧＰａ以上３３ＧＰａ以下であることがさらに好ましい。表面層１８ｂの押し込み硬さが上記範囲である場合、転がり滑り条件でも表面層がより破断しにくく、耐剥離性に優れる。なお、押し込み硬さの測定は、例えばアジレント社製ナノインデンタ（Ｇ２００）などの微小硬度計を用いて測定できる。

硬質膜１８を以上のような組成の下地層１８ｃ、中間層１８ｄ、表面層１８ｂからなる３層構造とすることで、耐剥離性により優れる。

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、過酷な摺動環境下でも、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。

３層構造の硬質膜において、表面層の硬度と、表面層の水素含有量と、硬質膜の破断面の深さ（剥離箇所の深さ）との関係について、以下の傾向が見られる。転がり滑り試験の結果、表面層の硬度が比較的高い場合、剥離形態の多くは硬質膜と下地金属層の接合面または組成傾斜層（介在層）の内部で破断し剥離しやすい。一方、表面層の水素含有量が大きく、硬度が低い場合、表面層内の浅い領域で破断（剥離）しやすく、下地層の軸受部材との接合面や、介在層に起因する剥離は起こりにくい。表面層内で破断する場合、介在層の構造からでは剥離を抑制しにくい。表面層の水素含有量が大きい場合に剥離しやすい原因としては、膜中に未乖離のＣ－Ｈ結合が残存することにより、単位体積あたりのＣ－Ｃ結合（炭素間の単結合）およびＣ＝Ｃ結合（炭素間の二重結合）の数が減少して表面層の強度が低下することが考えられる。また、剥離箇所の深さが浅い理由は、剥離の駆動力である滑りにより、接触表面で最大応力を示すせん断力成分が発生するためと考えられる。なお、中間層で水素含有量が多い場合、表面層の水素含有量の有無にかかわらず剥離が発生しやすい。

本発明の転がり軸受における以上のような知見は、転がり軸受が有する内輪、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表面に形成された硬質膜の剥離を防止する方法であって、硬質膜の表面側にダイヤモンドライクカーボンからなる表面層を設け、この表面層の水素含有量を５原子％をこえて３０原子％以下となるようにすることで、硬質膜が他の部材と境界潤滑で転がり滑り接触する条件においても、硬質膜の表面層の剥離を防止できるという硬質膜剥離防止方法ともいえる。

以下、硬質膜を形成する方法の一例について説明する。上記硬質膜は、軸受部材の成膜面に対して、下地層１８ｃ、中間層１８ｄ、表面層１８ｂをこの順に成膜して得られる。

表面層１８ｂ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６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、またはころであるが、模式的に平板で示してある。図６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、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。

表面層１８ｂ中の水素含有量を上記範囲とするため、表面層１８ｂは、この装置を利用して、Ａｒガスに対する炭化水素系ガスの導入量を所定の割合に調整することが好ましい。具体的には、炭化水素系ガスがメタンガスである場合、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、好ましくは３～２０（体積部）であり、より好ましくは５～１５（体積部）である。

炭素供給源としてカーボン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。

ＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は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。

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。

下地層１８ｃおよび中間層１８ｄ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１８ｃがＣｒとＷＣとを主体とする層である場合は、ターゲット２５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１８ｄがＷＣとＤＬＣとを主体とする層である場合は、（１）ＷＣターゲットおよび、（２）カーボンターゲットと必要に応じて炭化水素系ガスを用いる。

下地層１８ｃ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１８ｄ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１８ｄは、連続的または段階的に、炭素供給源となるカーボン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とができる。これにより表面層１８ｂ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１８ｄ中の水素含有量を調整する場合、炭素供給源としてカーボンターゲットを単独か、カーボン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ことができる。

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を行った。また、２円筒試験機を用いた転がり滑り試験および転がり試験にて硬質膜の耐剥離性の評価を行なった。

硬質膜の評価に用いた試験片、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）試験片材質：ＳＵＪ２ 硬さ７５０Ｈｖ
（２）試験片形状：
ＤＬＣ側 φ４０×Ｌ１２ 副曲率Ｒ６０ ０．１ｕｍＲａ
相手材側 φ４０×Ｌ１２ 副曲率Ｒ６０ ０．３ｕｍＲａ
（３）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２
（４）スパッタリングガス：Ａｒガス

ＤＬＣ側試験片における硬質膜の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、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、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ターゲットとカーボン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。

表面層の形成条件を以下に説明する。下地層、中間層と同様にＵＢＭＳ法にて成膜した。ここで、表面層については、炭素供給源として、カーボンターゲットと炭化水素系ガスであるメタンガスとを併用し、メタンガスのＵＢＭＳ装置内への導入量を変動させてＤＬＣ層を形成した。なお、表面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。

図７はＵＢＭＳ装置の模式図である。図７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６参照）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被膜として成膜した。

実施例１～６、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、これをＵＢＭＳ装置に取り付け、上述の形成条件にて下地層、中間層を成膜した。さらに、表面層であるＤＬＣ膜を、試験片ごとにＡｒガスに対するメタンガス導入比を変えて成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。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および転がり試験に供した。結果を表１に併記する。

＜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８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４３と転がり滑り接触する従動側試験片４４とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受４６で支持されており、負荷用バネ４７により荷重が負荷されている。また、図中の４５は駆動用プーリ、４８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た。打ち切り負荷回数の回転後のＤＬＣ側試験片の剥離発生状況を顕微鏡観察して耐剥離性を評価した。耐剥離性は、大面積（１ｍｍ^２以上）の剥離が発生した場合を「×」、微小（０．０１ｍｍ^２程度）な剥離が発生した場合を「△」、剥離発生なしの場合を「○」と判断した。具体的な試験条件は以下のとおりである。
（試験条件）
最大接触面圧：３．０ＧＰａ
回転数：（ＤＬＣ側）３００ ｍｉｎ^－１
（相手材側）２８８ ｍｉｎ^－１
相対滑り率：４％
潤滑油：ＰＡＯ ６．４ｃｓｔ フェルトパット給油
打ち切り負荷回数：１×１０^６回

＜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８に示す２円筒試験機を用いて転がりによる耐剥離性の試験を行なった。本試験では、上述の転がり滑り試験と比べ、ＤＬＣ側試験片および相手材側試験片の回転数を大きくした。また、ＤＬＣ側試験片および相手材側試験片の回転数を同じとすることで相対滑り率を０％とした。さらに、打ち切り負荷回数を大幅に大きくした。打ち切り負荷回数の回転後の剥離発生状況を顕微鏡観察して耐剥離性を評価した。耐剥離性の判断基準は、転がり滑り試験と同じである。具体的な試験条件は以下のとおりである。
（試験条件）
最大接触面圧：３．０ＧＰａ
回転数：（ＤＬＣ側）２０００ ｍｉｎ^－１
（相手材側）２０００ ｍｉｎ^－１
相対滑り率：０％
潤滑油：ＰＡＯ ６．４ｃｓｔ フェルトパット給油
打ち切り負荷回数：１×１０^８回

＜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（テーラーホブソン社製：フォーム・タリサーフＰＧＩ８３０）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。

＜硬度試験＞
ＤＬＣ側試験片の硬化膜の表面層の押し込み硬さをアジレントテクノロジー社製：ナノインデンタ（Ｇ２００）を用いて測定した。なお、測定値は表面粗さの影響を受けない深さ（硬さが安定している箇所）の平均値を示しており、各試験片１０箇所ずつ測定した。

各実施例と各比較例は、使用する基材、ならびに下地層および中間層の成膜条件が同一であり、硬質膜の総膜厚は約３μｍであった。一方、各実施例と各比較例は、表面層の水素含有率および硬度に差異があった。表１に示すように、水素含有量が５原子％をこえて３０原子％以下の範囲内である実施例１～６は、押し込み硬度にかかわらず、転がり滑り試験、転がり試験のいずれの条件であっても耐剥離性に優れる結果であった。一方、水素含有量が３０原子％よりも大きい比較例１～３は、転がり試験では耐剥離性に優れる結果であったものの、転がり滑り試験においては剥離が発生した。

本結果より、表面層が水素原子を含有し、その水素含有量が５原子％をこえて３０原子％以下であることにより硬質膜の耐剥離性に優れ、特に、転がり滑り環境における耐剥離性に優れると考えられる。

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、過酷な摺動環境下でも、このＤＬＣ膜の耐剥離性に優れるため、ＤＬＣ本来の特性を発揮できる。特に、本発明の転がり軸受は、風力発電機の主軸を支持する軸受や、建設機械用の軸受として好適に使用される。

１ 風力発電機
２ ブレード
３ 主軸
４ ナセル
５ 自動調心ころ軸受（軸受）
６ 増速機
７ 発電機
８ 支持台
９ モータ
１０ 減速機
１１ 内輪
１２ 外輪
１３ ころ（転動体）
１４ 保持器
１５ 軸受ハウジング
１６ シール
１７ 旋回座軸受
１８ 硬質膜
２０ 円すいころ軸受
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）
３５ ターゲット
３６ 磁力線
３７ Ａｒ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）
４３ 駆動側試験片
４４ 従動側試験片
４５ 駆動用プーリ
４６ 支持軸受
４７ 負荷用バネ
４８ 非接触回転計

Claims (7)

1. 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、
   前記転がり軸受は、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、該硬質膜が他の部材と境界潤滑で転がり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、ダイヤモンドライクカーボンからなる表面層を有し、
   前記表面層の水素含有量が、５原子％をこえて３０原子％以下であることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記表面層の水素含有量が、１５原子％以上３０原子％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. 前記硬質膜は、前記軸受部材の表面と前記表面層との間に、少なくとも１種類以上の介在層を有し、
   前記介在層は、連続的または段階的に前記軸受部材の表面の側から前記表面層の側に向けて組成傾斜させた構造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。
4. 前記硬質膜は、前記介在層として、前記軸受部材の表面の上に直接成膜された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中間層とを有し、
   前記中間層の上に前記表面層が成膜された構造の膜であることを特徴とする請求項３記載の転がり軸受。
5. 前記内輪と前記外輪との間に、軸方向に並んで２列にころを前記転動体として介在させ、前記外輪の軌道面を球面状とし、前記ころの外周面を前記外輪の軌道面に沿う形状とした自動調心ころ軸受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。
6. 風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持することを特徴とする請求項５記載の転がり軸受。
7. 建設機械に用いられることを特徴とする請求項５記載の転がり軸受。

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