JP4838455B2

JP4838455B2 - 転がり摺動部材及び転動装置

Info

Publication number: JP4838455B2
Application number: JP2001246738A
Authority: JP
Inventors: 大金野; 剛齋藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-08-15
Filing date: 2001-08-15
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2021-08-15
Also published as: JP2003056575A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、潤滑性に優れた転がり摺動部材及び該転がり摺動部材で構成された転動装置に係り、特に、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能な転がり摺動部材及び転動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドライクカーボン（以降はＤＬＣと記す）は、その表面がダイヤモンドに準ずる硬さを有し、摺動抵抗も摩擦係数が０．２以下と二硫化モリブデンやフッ素樹脂と同様に小さいことから、従来から潤滑性材料として使用されている。
【０００３】
例えば、磁気ディスク装置においては、磁気素子又は磁気ディスクの表面に数十オングストロームのＤＬＣ膜を形成することにより、磁気素子と磁気ディスクとの間の潤滑性を高めて磁気ディスクの表面を保護している。
一方、上記のような特異な表面の性質から、ＤＬＣは転がり摺動部材の新たな潤滑性材料として注目されており、近年、軸受への潤滑性の付与に利用されている。
【０００４】
例えば、国際公開ＷＯ９９／１４５１２号公報には、軌道輪の軌道面や転動体の表面に金属を含有するＤＬＣ膜を備えた転がり軸受が開示されている。この転がり軸受においては、前記ＤＬＣ膜により接触応力が緩和される。
また、ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法，イオンビーム形成法，イオン化蒸着法等によって、軌道輪の軌道面や転動体の表面にＤＬＣ膜を形成した転がり軸受等の転動装置が知られている（例えば、特開平９−１４４７６４号公報，特開２０００−１３６８２８号公報，特開２０００−２０５２７７号公報，特開２０００−２０５２７９号公報，特開２０００−２０５２８０号公報など）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、転がり軸受等の転動装置においては、軌道輪の軌道面や転動体の表面に大きな接触応力が作用するので、繰り返し応力によってＤＬＣ膜が破損してしまうおそれがあった。
このような破損が起きる原因としては、以下の２点が考えられる。
【０００６】
まず、１点目は、鋼とＤＬＣ膜との密着性を向上させるために介在された金属中間層の脆性化の問題である。すなわち、金属中間層を構成する金属とＤＬＣ膜を構成する炭素とが結合して脆さを有する金属カーバイドが生成するため、金属中間層が脆性化して、ＤＬＣ膜が破損しやすくなるのである。そして、金属中間層が１種の金属で構成されている場合は金属カーバイドの脆さが大きいため、破損の要因となりやすい。
【０００７】
２点目は、ＤＬＣ膜は、応力が作用しても非常に変形しにくい性質を有しているという問題である。ＤＬＣは硬く高弾性であるので、ステンレスや軸受鋼等のような弾性定数の小さい金属材料に被覆されていると、両者の弾性定数の違いから、母材の変形にＤＬＣが追従することができずに、ＤＬＣ膜が破損する場合がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記のような従来技術の有する問題点を解決し、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能な転がり摺動部材を提供することを課題とする。また、このような転がり摺動部材を備える、潤滑性に優れた転動装置を提供することを併せて課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明の転がり摺動部材は、相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる鋼製の転がり摺動部材において、前記相手部材との接触面に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層を設け、該ダイヤモンドライクカーボン層を、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｎｉ，及びＦｅのうちの２種以上の金属からなる金属層と、前記金属及び炭素からなる複合層と、炭素からなるカーボン層と、の３層で構成し、表面側から前記カーボン層，前記複合層，前記金属層の順に配したことを特徴とする。
【００１０】
このような転がり摺動部材は、母材である鋼と前記カーボン層との間に前記複合層及び前記金属層が介在しているので、潤滑性に優れた前記ダイヤモンドライクカーボン層（ＤＬＣ層）と母材である鋼との密着性が優れている。
特に、前記複合層を、前記金属層側から前記カーボン層側に向かって炭素の割合が徐々に増加する構成とすれば、密着性がより優れたものとなる。
【００１１】
また、複合層を、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｎｉ，及びＦｅのうちの２種以上の金属と炭素とで構成したので、１種の金属と炭素とで構成した場合と比べて、金属と炭素との結合により生成した金属カーバイドの脆さが小さい。よって、複合層の脆さが小さいので、繰り返し応力やせん断力が負荷されてもＤＬＣ層が破損しにくい。
【００１２】
さらに、前記ＤＬＣ層の等価弾性定数は、１００〜２４０ＧＰａとすることが好ましい。そうすれば、母材である前記鋼よりもＤＬＣの方が小さい等価弾性定数を有することとなるので、繰り返し応力が作用した際にＤＬＣ層が変形することが可能となる。その結果、母材の変形にＤＬＣ層が追従することが可能となるので、ＤＬＣ層の破損が生じにくい。
【００１３】
前記ＤＬＣ層の等価弾性定数が２４０ＧＰａ超過であると、前記鋼よりもＤＬＣ層の方が大きい等価弾性定数を有することとなるので、繰り返し応力が作用した際の母材の変形にＤＬＣ層が追従することが困難となって、ＤＬＣ層の破損が生じやすくなる。一方、１００ＧＰａ未満であると、ＤＬＣ層の硬さが低くなって、摩耗が生じやすくなる。
【００１４】
なお、ＤＬＣ層のような薄膜については、通常の方法では弾性定数を測定することはできないため、本発明においては以下の方法により測定された、弾性定数に準拠する等価弾性定数を用いる。すなわち、押し込み深さを少なくともＤＬＣ層の厚さ内として微小硬度計による測定を行い、得られた荷重−除荷曲線により等価弾性定数を求める。
【００１５】
例えば、ＤＬＣ層の厚さが２μｍである場合は、押し込み荷重を０．４〜５０ｍＮの間で適宜設定して測定を行う。本発明においては、エリオニクス社製の微小硬度計を使用し、押し込み荷重を５０ｍＮとして測定した等価弾性定数を用いる。
この他の等価弾性定数の測定方法としては、フィッシャー社製の微小硬度測定装置を用いる方法がある。この方法においては、（マイクロ）ビッカース硬度計は使用せず、静電容量で制御できる微小硬度計又はナノインデンテータを用いることが望ましい。なおかつ、押し込み深さはＤＬＣ層の厚さ内とする必要がある。そして、前記微小硬度計又はナノインデンテータにより得られた荷重−除荷曲線の弾性変形量から等価弾性定数を求める。
【００１６】
なお、ＨＲＣ６０の鋼炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）の表面の等価弾性定数を上記の方法により求めると２５０ＧＰａとなり、通常カタログ等に記載されている２１０ＧＰａよりも大きい結果となる。これは、上記の方法が微小な押し込み領域における測定であることから、ＳＵＪ２の表面の加工硬化層の影響を受けるためである。
【００１７】
さらに、前記ＤＬＣ層は、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであることが好ましい。このような物理的成膜法は、ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法，イオンビーム形成法，イオン化蒸着法等と比較して、転動装置のような大きな接触応力が作用する装置を構成する部品に対して好適である。
【００１８】
以上のように、本発明の転がり摺動部材は、大きな接触応力が作用しても破損しにくい潤滑膜（ＤＬＣ層）を備えているので、大きな接触応力が作用する装置（例えば、転動装置等）を構成する部材等に好適に適用することが可能である。また、優れた潤滑性を有しているので、無潤滑下においても好適に使用することが可能である。そして、摩耗や発熱が少ない上、繰り返し応力に対して強く長寿命である。
【００１９】
さらに、本発明の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材，前記外方部材，及び前記転動体のうち少なくとも１つを、請求項１〜４のいずれかに記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする。
【００２０】
このような構成であれば、転動装置を構成する転がり摺動部材のＤＬＣ層は大きな接触応力が作用しても破損しにくいので、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下において使用されても長寿命である。
なお、本発明の転動装置としては、転がり軸受，直動案内軸受（リニアガイド装置），ボールねじ，直動ベアリング等があげられる。
【００２１】
そして、前記内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は内輪、同じく直動案内軸受の場合は案内レール、同じくボールねじの場合はねじ軸、同じく直動ベアリングの場合は軸を、それぞれ意味する。また、前記外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は外輪、同じく直動案内軸受の場合はスライダ、同じくボールねじの場合はナット、同じく直動ベアリングの場合は外筒を、それぞれ意味する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る転がり摺動部材及び転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る転動装置の一実施形態であるスラスト玉軸受の構成を示す縦断面図であり、図２は、図１のＡ部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
【００２３】
図１のスラスト玉軸受は、軌道面１ａを有する内輪１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配設された複数の玉３と、両軌道面１ａ，２ａ間に複数の玉３を軸受の円周方向にわたって等配に保持する保持器４と、を備えている。
内輪１，外輪２，及び玉３はＳＵＪ２等の鋼製である。また、内輪１及び外輪２の寸法は内径３０ｍｍ、外径６２ｍｍ、厚さ７ｍｍで、軌道面１ａ，２ａの横断面形状は、玉３の直径の５２％の曲率半径を有する円弧状である。
【００２４】
さらに、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び玉３の転動面３ａには、潤滑性を有し且つ等価弾性定数が１００〜２４０ＧＰａであるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層Ｄが設けられている。そして、このＤＬＣ層Ｄは、図２に示すように、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｎｉ，及びＦｅのうちの２種以上の金属からなる金属層Ｍと、前記金属及び炭素からなる複合層Ｆと、炭素からなるカーボン層Ｃと、の３層で構成されていて、該３層は表面側からカーボン層Ｃ，複合層Ｆ，金属層Ｍの順に形成されている。
【００２５】
次に、ＤＬＣ層Ｄを形成する方法について、外輪２を例に説明する。
油分を脱脂した外輪２を株式会社神戸製鋼所社製のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置５０４（以降はＵＢＭＳ装置と記す）に設置し、アルゴンプラズマによるスパッタリングを用いて、軌道面２ａにボンバード処理を１５分間施した。
【００２６】
そして、タングステン及びクロムをターゲットとして、軌道面２ａにこの２種類の金属をスパッタリングして成膜し、金属層Ｍを形成した。次に、この２種類の金属のスパッタリングを続けながら、カーボンをターゲットとした炭素のスパッタリングを開始した。このようなスパッタリングによって、前記２種類の金属と炭素とが結合した金属カーバイドからなる複合層Ｆが、金属層Ｍの上に形成された。
【００２７】
さらに、前記２種類の金属のスパッタ効率を徐々に減少させながら、炭素のスパッタ効率を徐々に増加させた。そして、前記２種類の金属のスパッタリングを終了し、炭素のスパッタリングのみとして、複合層Ｆの上にカーボン層Ｃを形成した（ＤＬＣ層Ｄ全体の厚さは２．２μｍ）。
このようなスパッタリングにより成膜を行えば、２種類の金属で構成された層（金属層Ｍ）から炭素で構成された層（カーボン層Ｃ）に向かって、層の組成が連続的に徐々に変化していくＤＬＣ層Ｄを形成することができる。このような構成のＤＬＣ層Ｄは、各層（金属層Ｍ，複合層Ｆ，及びカーボン層Ｃ）の間の密着性が非常に優れているとともに、潤滑性に優れたカーボン層Ｃと母材である鋼との密着性が非常に優れている。
【００２８】
ＵＢＭＳ装置は、スパッタリングに用いるターゲットを複数装着でき、各ターゲットのスパッタ電源を独立に制御することにより、各成分のスパッタ効率を任意に制御することができるので、上記のような成膜に好適である。例えば、上記の場合の複合層Ｆ及びカーボン層Ｃを成膜する工程においては、金属ターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を低減させながら、同時にカーボンターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を増加させればよい（このとき、外輪２には負のバイアス電圧を印加する）。
【００２９】
ここで、グロー放電発光分析装置（島津製作所株式会社製のＧＤＬＳ−９９５０）を使用して、ＤＬＣ層Ｄを形成する元素を分析した結果について、図３の測定チャートを参照しながら説明する。
チャートの横軸は表面からの深さを示し、０ｎｍがＤＬＣ層の表面を意味している。また、縦軸は、その深さ位置における各元素の含有量を示している。
【００３０】
なお、アルゴンガスを使用した放電によって深さ方向の情報を得ているため、母材である鋼とＤＬＣ層Ｄとの界面において、各元素の含有量を示す曲線がブロードとなっている。また、鋼とＤＬＣ層Ｄとの界面が８０００ｎｍ付近に位置していることから、このチャートからはＤＬＣ層Ｄの厚さは約８μｍであることが読み取れるが、この分析法は直径２ｍｍの円形部分について放電発光により分析するため、深さ方向の精度上約８μｍとなって現れるものであって、実際のＤＬＣ層Ｄの厚さは２．２μｍである。
【００３１】
次に、このようなスラスト玉軸受とほぼ同様の構成の軸受において、金属層及び複合層に用いた金属の種類を種々変更した試験軸受を用意して、ＤＬＣ層の転がり疲労強度を評価する耐久試験を行った。なお、この試験においては、ＤＬＣ層は外輪の軌道面のみに形成し、内外輪の軌道面間に配設した玉の数は３個とした。また、鉱油をヘキサンで３％に希釈したもの０．０５ｍｌを、外輪の軌道面に塗布して潤滑に用いた。
【００３２】
回転試験の条件は、アキシアル荷重が６ｋＮで、回転速度が６０００ｒｐｍである。そして、外輪の内部に熱電対を挿入して温度を測定したところ、温度が２００℃に至った場合はＤＬＣ層が破損し下地の露出が生じていたため、２００℃に到達するまでの時間を耐久時間とした。
用いた金属の種類及び試験結果を図４のグラフに示す。実施例１〜５は、複合層に２種類の金属を用いており、イオンアシスト効果によって金属カーバイドの生成がコントロールされているので、耐久時間が優れていた。特に、実施例１のクロムとタングステンの組合せが、耐久時間が非常に優れていた。この他では、チタンとタングステンの組合せ、あるいはチタン，クロム，タングステンの組合せが特に好ましい。
【００３３】
このように、クロム等の低融点金属とタングステン等の高融点金属とを組み合わせると、金属カーバイドの脆さが小さくなるので好ましい。そして、低融点金属よりも高融点金属を多量とした方がその効果が大きい。
これに対して、１種類の金属を用いた複合層を有する比較例１〜３は、金属カーバイドの脆さが大きいため、ＤＬＣ層が破損しやすくなって十分な耐久時間が得られなかった。
【００３４】
また、比較例４は、２種類の金属（クロム，チタン）を用いているが、ホロカソード型のイオンプレーティング法によって金属層を成膜し、その上にプラズマＣＶＤ法によってカーボン層を成膜したものである。よって、複合層を有していないので、ＤＬＣ層と母材である鋼との密着性が不十分となり、耐久時間が短かった。
【００３５】
次に、図１のスラスト玉軸受とほぼ同様の構成の軸受において、ＤＬＣ層の等価弾性定数を種々変更した試験軸受を用意して、等価弾性定数とＤＬＣ層の耐久性との相関を評価する回転試験を行った。ただし、この試験においては、外輪は軌道溝を有していない平板状の部材とし、玉の接触する軌道部分にＤＬＣ層を形成した。また、内外輪の軌道面間に配設した玉の数は１１個とした。
【００３６】
ＤＬＣ層の形成は前述と同様にＵＢＭＳ装置により行い、金属層及び複合層にはクロムとタングステンの２種類の金属を用いた。また、ＤＬＣ層の等価弾性定数は、外輪に印加するバイアス電圧を制御するか、又は導入するガスの分圧を制御することにより、変化させることができる。
この導入するガス（アルゴン，水素，メタン等の炭化水素系ガス）の種類や分圧比を制御すれば、ＤＬＣ層の等価弾性定数とともに表面の摺動抵抗を自在にコントロールすることが可能であるので、前記ガスを単独又は混合して導入することにより、目的にあった所望のＤＬＣ層を形成することができる。
【００３７】
さらに、ＤＬＣ層の厚さは、スパッタ時間により精度よく制御することができる。
回転試験は鉱油中で行い、回転試験の条件（アキシアル荷重，回転速度）は前述の試験と同様とした。そして、軸受支持部に装着したエンデブコ社製の加速度センサーにより振動を測定し、この振動値の増加によりＤＬＣ層の破損を検知した。そして、ＤＬＣ層が破損するまでの軸受の総回転数によって、ＤＬＣ層の耐久性を評価した。試験結果を図５のグラフに示す。
【００３８】
このグラフから、ＤＬＣ層の等価弾性定数が１００〜２４０ＧＰａであると、ＤＬＣ層の耐久性が優れていることが分かる。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
例えば、本実施形態においては、スラスト玉軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、深みぞ玉軸受，アンギュラ玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
【００３９】
また、本実施形態においては、転動装置として転がり軸受を例示して説明したが、本発明の転動装置は、他の様々な種類の転動装置に対して適用することができる。例えば、直動案内軸受，ボールねじ，直動ベアリング等の他の転動装置にも好適に適用可能である。
さらに、本実施形態においては、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングによりＤＬＣ層を成膜したが、パルスレーザーアーク蒸着法やプラズマＣＶＤ法等を用いることもできる。ただし、等価弾性定数及び塑性変形硬さ等を独立に制御することが容易な非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングが最も好適である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、２種以上の金属と炭素とからなる複合層を有するＤＬＣ層は、密着性に優れており且つ脆さが小さい。よって、本発明の転がり摺動部材及び転動装置は、大きな接触応力が作用するような条件下や無潤滑下においても好適に使用可能である。
【００４１】
また、ＤＬＣ層の等価弾性定数が、１００〜２４０ＧＰａであるので、繰り返し応力が作用してもＤＬＣ層の破損が生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る転動装置の一実施形態であるスラスト玉軸受の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ部分を拡大して示した部分拡大断面図である。
【図３】ＤＬＣ層を形成する元素を分析した測定チャートである。
【図４】複合層に用いた金属の数及び種類と耐久時間との相関を示すグラフである。
【図５】ＤＬＣ層の等価弾性定数と耐久性との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
１内輪
１ａ軌道面
２外輪
２ａ軌道面
３玉
３ａ転動面
Ｄダイヤモンドライクカーボン層
Ｍ金属層
Ｆ複合層
Ｃカーボン層

Claims

相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる鋼製の転がり摺動部材において、
前記相手部材との接触面に、潤滑性を有するダイヤモンドライクカーボン層を設け、
該ダイヤモンドライクカーボン層を、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｎｉ，及びＦｅのうちの２種以上の金属からなる金属層と、前記金属及び炭素からなる複合層と、炭素からなるカーボン層と、の３層で構成し、
表面側から前記カーボン層，前記複合層，前記金属層の順に配するとともに、
前記複合層中の炭素の割合が、前記金属層側から前記カーボン層側に向かって徐々に増加するようにし、
さらに、前記ダイヤモンドライクカーボン層の等価弾性定数を１００〜２４０ＧＰａとして、母材である前記鋼よりも前記ダイヤモンドライクカーボン層の方が小さい等価弾性定数を有するようにしたことを特徴とする転がり摺動部材。
前記ダイヤモンドライクカーボン層は、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の転がり摺動部材。
外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材，前記外方部材，及び前記転動体のうち少なくとも１つを、請求項１又は請求項２に記載の転がり摺動部材としたことを特徴とする転動装置。