KR20100135722A

KR20100135722A - 베어링

Info

Publication number: KR20100135722A
Application number: KR1020107018668A
Authority: KR
Inventors: 다쓰오 나카지마; 유이치로 나카무라; 가쓰후미 아베; 고스케 오바야시
Original assignee: 엔티엔 가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-12-27
Also published as: CN101978182A

Abstract

본 발명은 베어링에 관한 것으로서, 베어링 마모의 한 형태인 경질(硬質) 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있는 베어링을 제공한다. 축(8M) 중 적어도 축 방향 중간부가 열처리에 의해 경화되고, 축(8M), 외륜(9), 및 전동체(10) 중 적어도 어느 하나의 전주면(轉走面)에 경질 피막(12)을 형성하고, 이 경질 피막(12)을 형성해야 할 베이스재에 있어서의 전주면의 진원도가 2㎛ 이하, 및 이 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도가 4㎛ 이하의 어느 한쪽 또는 양쪽을 만족시킨다.

Description

베어링{BEARING}

본 출원은, 2008년 3월 21자 일본 특허출원 제2008-073616호, 특허출원 제2008-073617호, 특허출원 제2008-073618호, 특허출원 제2008-073619호, 특허출원 제2008-073620호 및 특허출원 제2008-073621호, 및 2008년 9월 11자 일본 특허출원 제2008-233837호, 특허출원 제2008-233838호, 특허출원 제2008-233839호, 특허출원 제2008-233840호, 특허출원 제2008-233841호 및 특허출원 제2008-233842호의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다.

본 발명은, 베어링에 관한 것이며, 예를 들면, 차량 등의 내연 기관에 있어서의 급배기(給排氣) 밸브를 구동시키는 동(動)밸브 기구 등에 적용되는 베어링에 관한 것이다.

자동차 등의 엔진을 구성하는 부품 중 하나인 베어링은, 종래, 미끄럼 베어링이 많이 사용되고 있다. 그러나, 최근, 연비를 높이기 위한 요구 등으로부터 구름 베어링 즉 롤링 베어링의 적용이 증가하고 있다. 엔진의 불완전 연소에 의해, 경질(硬質)의 이물질인 그을음(경질 탄소 입자: 카본)을 포함하는 많은 연료의 연소 중간 생성물 등, 약칭 「PM」이 발생하고, 엔진 오일에는 이 PM이 혼입된다. 상기 경질 이물질 등이 혼입된 오일 윤활 하에서 베어링은 사용되므로, 미끄럼 베어링으로부터 롤링 베어링을 적용하게 된 결과, 베어링의 저토크화에 의한 저연비는 실현 가능하지만, 미끄럼 베어링에 비해 롤링 베어링은 고면압(高面壓)으로 된다. 경질 이물질이 혼입된 오일 윤활 하에서는, 롤링 베어링에 경질 이물질이 파고 들어가, 경질 이물질에 의해, 베어링의 예를 들면, 축이나 전동체(轉動體), 외륜을 마모시키는 등, 미끄럼으로부터 롤링화되어, 고면압으로 되는 것에 의해 엔진 부품의 각 부에 있어서 마모가 발생하는 경우가 많게 되고, 또한 마모량도 많았다.

또한, 디젤 엔진이나 직분(直噴) 가솔린 엔진에서는 경질 이물질의 발생량이 많아, 경질 이물질이 원인이 되어, 롤링 베어링 그 자체에 현저한 마모가 발생하는 경우를 많이 볼 수 있다.

엔진 부품 중 하나인 베어링 중, 특히 롤러 폴로워(roller follower)에 대하여, 내마모성의 향상이 요구되고 있다. 자동차 등의 엔진을 구성하는 부품 중 하나로, 인테이크(intake) 밸브나 이그조스트(exhaust) 밸브의 개폐에 사용되는 로커암 장치(로커암 애시(rocker arm assy))가 있다. 이 장치 중에는, 미끄럼 타입의 롤러 폴로워 또는 롤링 타입의 롤러 폴로워도 적용되어 있다.

상기 롤러 폴로워는, 밸브의 개폐에 따라 회전 운동을 행하므로, 그 외의 엔진 부품과 비교하여, 롤러 폴로워의 각 부에는 마모가 발생하기 쉽다. 미끄럼 타입의 롤러 폴로워에 있어서도 마모가 발생하고 있다. 롤링 타입의 롤러 폴로워도 적용하게 된 결과, 그 외의 엔진 부품의 각 부와 마찬가지로, 롤러 폴로워도 롤링화에 의해 베어링의 저토크화를 도모하고 저연비화된다. 그러나, 미끄럼 타입의 롤러 폴로워에 비하여, 롤링 타입의 롤러 폴로워는 고면압으로 되므로, 경질 이물질이 혼입된 오일 윤활 하에서는, 롤링 타입의 롤러 폴로워에 경질 이물질이 파고 들어가, 전동체, 외륜, 특히 축에 마모 발생이 많게 되고, 또한 마모량도 많이 되었다. 상기 축은 중공축(中空軸) 및 중실축(中實軸)의 경우를 포함한다. 그 외의 엔진 부품과 비교하여, 마모가 현저하다.

상기 롤러 폴로워는, 외륜이 회전한다. 따라서, 축에 있어서의 부하역(負荷域)은 동일 개소로 되므로, 전동체나 외륜에 비해 축의 마모가 현저하다. 그 외의 엔진 부품과 비교하여, 마모 발생이 많고, 또한 마모량이 많아지는 조건에 의해 사용되는 롤러 폴로워에 있어서도, 마찬가지로, 경질 이물질 등이 혼입된 오일 윤활 하에서 사용되는 경우가 있다. 물론, 경질 이물질의 발생량이 많은, 디젤 엔진이나 직분 가솔린 엔진에 있어서도 사용된다. 따라서, 상기한 바와 같이, 엔진 부품의 베어링에는, 캠 폴로워나, 캠 샤프트, 크랭크 샤프트, 밸런서 샤프트 등의 지지 베어링도 있지만, 특히 롤러 폴로워의 내마모성의 향상 즉 마모에 대한 대책이 요구되고 있다. 엔진 부품의 마모를 방지하는 수단으로서 공지의 것으로는, 예를 들면, 지지축의 궤도부 외표면이 담금질에 의해 표면 경화되고, 또한 DLC 피막이, 상기 표면 경화된 궤도부 외표면에 형성된 것이 있다(특허 문헌 1)

특허 문헌 1: 일본공개특허 제2006-144848호 공보

비특허 문헌 1: J.S.Wang et al. : Thin Solid Film, 325, 163(1998)

단지, 경질 피막을 대상물에 형성함으로써 내마모성의 향상을 도모하는 기술에서는, 대상물에 경질 피막을 형성함으로써, 반대로 마모를 촉진시키는 경우가 있어, 내마모성을 향상시키는 데는, 반드시 최적이라고는 할 수 없는 것이 현 실정이다.

상기한 바와 같이, 베어링은, 마모에 대하여 대책이 더욱 요구되고 있다. 특히, 마모가 촉진되기 쉬운 상황인 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모 대책은, 베어링에 있어서 가장 어려운 과제 중 하나이다.

본 발명의 목적은, 베어링 마모의 한 형태인 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있는 베어링을 제공하는 것이다.

본 발명의 베어링은, 축 및 외륜과, 필요에 따라 이들 축과 외륜과의 사이에 개재된 복수 개의 전동체를 구비한 베어링으로서, 상기 축 중 적어도 축 방향 중간부가 열처리에 의해 경화되고, 축, 외륜, 및 전동체 중 적어도 어느 하나의 전주면(轉走面)에 경질 피막을 형성하고, 다음의 (1) ~ (6)의 특성 중 적어도 하나를 만족시킨다.

(1) 상기 경질 피막을 형성해야 할 베이스재에 있어서의 전주면의 진원도(眞圓度)가 2㎛ 이하, 및 상기 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도가 4㎛ 이하의 어느 한쪽 또는 양쪽을 만족시키는 것.

(2) 상기 경질 피막의 다이나믹 경도를 HD800 이상 HD2000 이하로 하고, 상기 경질 피막의 막두께가 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 상기 막두께가 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 한 것. 상기 다이나믹 경도 HD는, HD= 3.8584×P/h²에 의해 표현되는 식에 의해 정의된다. 이 식에 있어서, P는 시험 하중, h는 압입량(押入量)을 나타내고 있다. 육안관찰에 의한 압흔(壓痕) 측정이 없기 때문에, 설정 하중을 작게 할 수 있어, 압자(壓子)의 침입 깊이를 얕게 할 수 있다. 시험 하중 5gf로 다이나믹 경도를 측정한 경우, 비커스 경도보다 정확한 막경도(膜硬度)를 구할 수 있다.

(3) 상기 경질 피막을 형성해야 할 베이스재의 표면 경도를 HV650 이상 HV1000 이하로 하고, 상기 경질 피막의 막두께를 1㎛ 이상 5㎛ 이하로 하고, 또한 상기 막두께를, 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 한 것.

(4) 상기 경질 피막의 파괴 인성값(靷性値)을 1.5MPam¹ ^/2 이상 6MPam¹ ^/2 이하로 한 것.

(5) 상기 경질 피막의 스크래치법 측정에 의한 임계 하중을 40N 이상 110N 이하로 하고, 상기 경질 피막의 막두께가 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 이 막두께가 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위인 것.

(6) 상기 경질 피막을 형성해야 할 베이스재의 표면 거칠기를 Ra 0.15㎛ 이하로 하고, 상기 경질 피막의 막두께를 1㎛ 이상 5㎛ 이하로 하고, 또한 이 막두께를, 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 한 것.

여기서, 상기 특성이란, 후술하는 바와 같이, 경질 피막 또는 베이스재의 특성을 나타내는 파라미터를 의미하고, 상기 축 방향 중간부란, 암 본체 등의 대향 측벽의 삽통공(揷通孔)에 끼워맞추어지는 상기 축의 축 방향 일단 측의 외경면(外徑面), 및 축 방향 타단측의 외경면을 제외한 부분으로서, 전주면 표면을 포함하는 부분이다.

베이스재 표면에 형성된 경질 피막의 파괴 인성값 측정 방법으로서 공지의 방법(비특허 문헌 1 참조)이 알려져 있다. 이 방법은 2종류의 시험으로 이루어지고, 표면에 경질 피막을 형성한 베이스재의 휨시험 및 경질 피막 표면에 대한 초합금 볼에 의한 압입(壓入) 시험을 행한다. 시험 중인 경질 피막의 크랙 발생 거동 및 진전(進展) 거동에 의해 파괴 인성값을 구한다.

(1)의 특성에 의하면, 특히 경질 피막을 형성해야 할 베이스재에 있어서의 전주면의 진원도가 2㎛ 이하, 및 이 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도가 4㎛ 이하의 어느 한쪽 또는 양쪽을 만족시킴으로써, 상기 전주면은 필요 충분한 내마모성을 가진다. 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도를 4㎛ 이하로 하였으므로, 막두께가 장소에 따라 변화되지 않고, 경질 피막에 걸리는 하중이 균일화되므로, 국소적인 과대(過大) 면압(面壓)을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 전주면을 필요 충분한 내마모성으로 유지하여, 경질 피막의 박리를 방지할 수 있다. 이로써, 상대 부품에 대한 공격성이 증가하는 것도 방지할 수 있다. 경질 피막을 형성해야 할 베이스재에 있어서의 전주면의 진원도를 2㎛ 이하로 함으로써, 경질 피막 형성 후의 축의 진원도를 4㎛ 이하로 할 수 있다. 이와 같은 베어링에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

(2)의 특성에 의하면, 특히, 경질 피막의 다이나믹 경도의 하한값을 HD800으로 한 것에 의해, 상기 전주면은 필요 충분한 피막 강도로 되어 막 부재 사이의 결합력을 강하게 하여 막손상을 방지하여, 내마모성을 유지한다. 상한값을 HD2000으로 하였으므로, 경질 피막과의 축 표면 경도차를 작게 할 수 있다. 이로써, 경질 피막의 균열을 방지하여 내마모성을 유지할 수 있다. 이와 같은 경질 피막을 형성한 베어링에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

그리고, 형성된 경질 피막에 있어서, 장소에 따라 상기 경질 피막의 막두께가 변화하면, 막에 작용하는 하중이 불균일해져, 국소적으로 과대한 접촉 면압이 작용한다.

상기한 바와 같이, 경질 피막의 막두께가 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 이 막두께가 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 하였으므로, 상기 경질 피막에 작용하는 하중이 균일화된다. 이로써, 국소적으로 과대한 접촉 면압이 작용하는 것을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 경질 피막의 막두께를 규정함으로써, 베어링의 경질 이물질인 그을음(경질 탄소 입자: 카본) 혼입 윤활 하에서의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

(3)의 특성에 의하면, 경질 피막을 형성해야 할 베이스재의 표면 경도를 HV650 이상 HV1000 이하로 규정한 데 더하여, 경질 피막의 막두께의 하한값을 1㎛으로 하였으므로, 경질 피막이 내마모성을 가지기까지 막이 뜻하지 않게 모두 박리되지 않게 되어, 내마모성을 유지할 수 있다. 막두께의 상한값을 5㎛으로 하였으므로, 막 형성 시에 생길 수 있는 잔류 압축 응력의 저감을 도모할 수 있다. 그러므로, 경질 피막에 충격 하중이 가해지는 것에 기인하는 막의 균열을 방지할 수 있어, 경질 피막의 박리를 방지할 수 있다. 또한, 막두께를, 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 2㎛ 이하의 범위에 수용하므로 상기 경질 피막에 작용하는 하중이 균일화된다. 이로써, 국소적으로 과대한 면압이 작용하는 것을 미연에 방지할 수 있다. 따라서, 내마모성을 유지할 수 있다. 베어링의 경질 이물질, 특히 그을음(경질 탄소 입자: 카본) 혼입 윤활 하에서의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

(4)의 특성에 의하면, 경질 피막의 파괴 인성값의 하한값을 1.5MPam¹ ^/2로 하였으므로, 형성된 경질 피막이 반복 하중에 견딜 수 있어, 경질 피막의 파괴, 박리가 쉽게 생기지 않게 할 수 있다. 파괴 인성값의 상한값을 6MPam¹ ^/2로 하였으므로, 상기 경질 피막은, 피막이 윤활유와 친숙해져 내마모성을 발휘하기까지의 동안, 적당히 파괴함으로써 상대 부품에 대한 공격성을 작게 할 수 있다. 경질 피막의 파괴 인성값이 6MPam¹ ^/2을 넘었을 경우, 내마모성이 발휘하기까지의 동안에 생기는 마모에 있어서, 경질 피막의 파괴가 진행되지 않으므로 상대 부품에 대한 공격성이 증가하여 버린다. 경질 피막의 파괴 인성값이 1.5MPam¹ ^/2 미만일 경우, 형성된 피막은 반복 하중에 견딜 수 없으므로, 파괴되어, 박리가 생길 가능성이 높아진다. 또한, 박리한 막재에 의해 상대 부품에 대한 공격성도 증가함으로써 내마모성을 유지할 수 없다.

(5)의 특성에 의하면, 경질 피막의 스크래치법 측정에 의한 임계 하중의 하한값을 40N으로 하였으므로, 경질 피막이 박리되는 것을 방지하여, 내마모성을 발휘할 수 있다. 또한, 경질 피막의 박리에 기인하는 상대 부품에 대한 공격을 미연에 방지할 수 있다. 이 임계 하중의 상한값을 110N으로 하였으므로, 경질 피막이 내마모성을 발휘하기까지 윤활유와 친숙해지는 시간 중에 피막 표면의 일부분만 마모되는 것을 방지하고, 이로써, 경질 피막 표면 거칠기가 뜻하지 않게 커지는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 이와 같은 스크래치법 측정에 의한 임계 하중을 규정한 베어링에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

(6)의 특성에 의하면, 특히, 경질 피막을 형성해야 할 베이스재의 표면 거칠기를 Ra 0.15㎛ 이하로 하고, 상기 경질 피막의 막두께를 1㎛ 이상 5㎛ 이하로 하고, 또한 상기 막두께를, 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 하였다. 베이스재의 표면 거칠기를 Ra 0.15㎛ 이하로 규정한 데 더하여, 경질 피막의 막두께의 하한값을 1㎛으로 하였으므로, 경질 피막이 내마모성을 가지기까지 막이 뜻하지 않게 모두 박리되지 않아, 내마모성을 유지할 수 있다. 막두께의 상한값을 5㎛으로 하였으므로, 막 형성 시에 생길 수 있는 잔류 압축 응력의 저감을 도모할 수 있다. 그러므로, 경질 피막에 충격 하중이 가해지는 것에 기인하는 막의 균열을 방지할 수 있어, 경질 피막의 박리를 방지할 수 있다. 또한, 막두께를, 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위에 수용하므로, 이 경질 피막에 작용하는 하중이 균일화된다. 이로써, 국소적으로 과대한 면압이 작용하는 것을 미연에 방지할 수 있다. 따라서, 내마모성을 유지할 수 있다. 베어링의 경질 이물질인 그을음(경질 탄소 입자: 카본) 혼입 윤활 하에서의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 적어도 상기 특성(1) 또는 특성(4)를 만족시키고, 상기 경질 피막의 막두께가 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 상기 막두께가 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위라도 된다. 이 경우, 베어링의 경질 이물질인 그을음(경질 탄소 입자: 카본) 혼입 윤활 하에서의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 적어도 상기 특성(3)을 만족시키고, 상기 베이스재의 전주면 표면으로부터 직경 방향으로 50㎛ 이상의 깊이로 HRC58 이상의 경도를 가지는 것이라도 된다. 베어링 사용 시의 면압에 기초하여 마모뿐아니라 전동(轉動) 피로가 생기지만, 이 경우, 전동 피로 수명을 충분히 확보할 수 있다.

본 발명에 있어서, 적어도 상기 특성(3) 또는 특성(5)를 만족시키고, 상기 베어링은, 상기 축이 로커암에 고정되어 사용되는 롤러 폴로워이며, 상기 롤러 폴로워는, 상기 롤러 폴로워의 상기 경질 피막이 형성되어 있지 않은 축단부(軸端部)를 코킹(caulking)하여 로커암에 고정시키고, 상기 롤러 폴로워의 축단부의 외주면이, 상기 표면으로부터 직경 방향으로 50㎛ 이상의 깊이로 HRC58 이상의 경도를 가지는 것이어도 된다.

상기 구성에 의하면, 롤러 폴로워의 내마모성의 향상을 도모할 수 있어, 롤러 폴로워의 저토크화에 의한 자동차 등의 저연비화를 실현하는 것이 가능해진다.

또한, 축과 로커암을 확실하게 고정시킬 수 있다. 상기 축단부를 HRC35 이하로 하는 방법으로서는, 예를 들면, 축단부를 제외한 고주파 표면 담금질, 또는 축단부를 제외한 고주파 담금질(표면뿐아니라 내부도 경화), 축단부에 마스킹을 행한 저온 질화 처리(550℃ 이하의 이온 질화, 가스 질화, 염욕(鹽浴) 질화 등), 일반적인 전체 담금질 처리품의 축단부를 고주파 열처리에 의해 소둔(燒鈍)하는 방법을 채용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 적어도 상기 특성(4)을 만족시키고, 상기 경질 피막의 파괴 인성값을 2MPam¹ ^/2 이상 5MPam¹ ^/2 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 경질 피막이 반복 하중에 의해 견딜 수 있는데 더하여, 상기 경질 피막은, 내마모성을 발휘하기까지의 동안에 뜻하지 않게 상대 부품을 공격하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 적어도 상기 특성(5)를 만족시키고, 상기 경질 피막의 임계 하중을 60N 이상 100N 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 경질 피막이 내마모성을 발휘하기까지 윤활유와 친숙해지는 시간 중, 또는 내마모성의 발휘 이후에 뜻하지 않게 박리되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 적어도 상기 특성(5)를 만족시키고, 상기 경질 피막이 Cr(크롬) 및 W(텅스텐)를 포함하고, Cr + W의 합계 함유량이, 5원자% 이상 50원자% 이하라도 된다. 이 경우, 경질 피막과 베이스재와의 밀착성이 양호해지는 데 더하여, 경도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 내마모성의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 적어도 상기 특성(5)를 만족시키고, 상기 경질 피막의 표면으로부터 0.3㎛까지의 영역에 있어서의 수소 함유량이, 10원자% 이상 30원자% 이하라도 된다. 이 경우, 경질 피막과 베이스재와의 밀착성의 저하를 방지할 수 있는데 더하여, 막재 사이의 결합성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 경질 피막이 뜻하지 않게 박리되는 것을 방지할 수 있어, 내마모성의 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 적어도 상기 특성(6)을 만족시키고, 상기 경질 피막의 표면 거칠기를 Ra 0.25㎛ 이하로 해도 된다. 경질 피막의 표면 거칠기가 Ra 0.25㎛을 넘었을 경우, 상대 부품에 대한 공격성이 인정되므로, 내마모성을 유지할 수 없다. 따라서, 경질 피막의 표면 거칠기를 Ra 0.25㎛ 이하로 함으로써, 상대 부품에 대한 공격성을 완화하여, 내마모성을 유지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 베어링의 래디얼 간극이 2㎛ 이상 45㎛ 이하이고, 또한 전동체 1개당의 원주 방향 간극이 2㎛ 이상 25㎛ 이하라도 된다. 래디얼 간극은, 외륜을 축에 관하여, 1개의 편심 극한 위치로부터 직경 방향 반대의 극한 위치에, 상이한 각도 위치에 외력을 작용시키지 않고, 래디얼 방향으로 이동한 거리의 산술 평균값이다. 이것은 외륜, 축 상호의 상이한 각도 위치의 평균값이다.

경질 피막을 형성한 베어링의 래디얼 간극의 하한값은 2㎛으로 할 수 있다. 베어링의 조립을 용이하게 할 수 있는 것이 가능한데 더하여, 경질 피막을 형성함으로써 베이스재의 열팽창에 의한 치수 변화를 억제할 수 있어, 윤활 불량에 의한 눌어붙음이나 마모 등의 문제점을 미연에 방지할 수 있다. 래디얼 간극의 상한값을 45㎛으로 함으로써, 전동체의 스큐에 기인하는 진동, 음향을 억제하여, 수명의 저하를 방지할 수 있다.

상기 전동체 1개당의 원주 방향 간극이란, 총 전동체 베어링의 전동체를, 원주 방향에 인접하는 전동체와 접하도록 대었을 때, 원주 방향으로 할 수 있는 간극을 총 전동체 수로 나눈 값과 같은 의미이다.

또한, 경질 피막을 형성한 상기 베어링의 원주 방향 간극의 하한값은 2㎛으로 할 수 있다. 베어링의 조립을 용이하게 할 수 있는 것이 가능한데 더하여, 경질 피막을 형성함으로써 베이스재의 열팽창에 의한 치수 변화를 억제할 수 있어, 윤활 불량에 의한 눌어붙음이나 마모 등의 문제점을 미연에 방지할 수 있다. 원주 방향 간극의 상한값을 25㎛으로 하였으므로, 전동체의 스큐에 기인하는 진동, 음향을 억제하여, 베어링 수명의 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 경질 피막은 DLC막이어도 된다.

다이아몬드 라이크 카본막, 약칭 DLC막은, 예를 들면, 베이스재 온도 300℃ 이하, 바람직하게는 상온에서, 플라즈마 CVD법 등의 화학 기상 성장법, 또는 레이저 아브레이션법, 스퍼터링법, 이온빔 증착법, 이온 플레이팅법 등의 물리 기상 성장법에 의해 형성된다. DLC막은 고에너지 입자를 베이스재 상에서 급냉하지 않으면 생성되지 않으므로, 저온일수록 DLC의 막질은 향상된다.

DLC는, 탄소와 수소로 이루어지고, DLC막은, 탄소와 수소가 각종의 몰비로 구성된 것을 포함하고, 또한 규소, 질소 및 산소 등의 적어도 어느 하나 1개가 포함되어도 된다. 또한, DLC막은, 다이아몬드 구조의 sp3 결합과, 그래파이트 구조의 sp2 결합이 혼재하고 있는 아몰퍼스 구조이며, sp3 결합은 경도를 부여하고, sp2 결합은 슬라이드 이동성(윤활성)을 부여한다.

이와 같은 DLC막을 베이스재의 전주면에 형성함으로써, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

상기 경질 피막은, 세라믹스 미립자를 가스 중에 분산(分散)시켜 에어로졸(aerosol)화 하고, 이 에어로졸을 베이스재 표면에 충돌시킴으로써 형성한 것이어도 된다. 에어로졸을 베이스재 표면에 분사하고, 막을 형성할 때는, 0.01kPa 이상 120kPa 이하의 압력으로 충돌시키는 것이 바람직하다. 압력 0.01kPa 미만에서는 에어로졸의 충돌 속도가 빨라져, 베이스재가 에칭되어 성막되지 않는다. 압력 120kPa를 넘어 에어로졸을 충돌시켰을 경우, 충돌 속도가 늦어지게 되어, 세라믹스 입자가 베이스재 상에 퇴적되어, 성막되지 않는다. 또한, 상기 경질 피막의 베이스재 상에 대한 형성은 실온 하에서 행할 수 있다.

상기 세라믹스의 평균 입자 직경이 0.01㎛ 이상 2.0㎛ 이하라도 된다. 세라믹스의 평균 입자 직경이 0.01㎛ 미만에서는 응집(凝集)되기 쉬워 에어로졸화는 곤란하고, 평균 입자 직경이 2.0㎛을 넘으면 AD법에서의 막 형성은 곤란해진다. 본 발명에서는, 세라믹스의 평균 입자 직경의 하한값을 0.01㎛ 이상으로 함으로써, 쉽게 응집되지 않으므로 에어로졸화를 용이하게 할 수 있다. 세라믹스의 평균 입자 직경의 상한값을 2.0㎛ 이하로 하였으므로, AD법으로 용이하게 막을 형성할 수 있다.

상기 에어로졸을 0.01kPa 이상 120kPa 이하의 압력 중 베이스재에 충돌시키고 경질 피막을 형성한 것이어도 된다. 압력 0.01kPa 미만에서는, 에어로졸의 충돌 속도가 빨라져, 베이스재가 에칭되어 성막되지 않는다. 압력 120kPa를 넘어 에어로졸을 충돌시켰을 경우, 충돌 속도가 늦어지게 되어, 세라믹스 입자가 베이스재 상에 퇴적되어, 성막되지 않는다. 본 발명에서는, 에어로졸을 베이스재에 충돌시킬 때의 압력의 하한값을 0.01kPa 이상으로 하였으므로, 에어로졸의 충돌 속도가 뜻하지 않게 빨라지지 않으므로, 베이스재가 에칭되는 것을 방지할 수 있다. 상기 압력의 상한값을 120kPa 이하로 하였으므로, 에어로졸의 충돌 속도가 뜻하지 않게 늦어지지 않으므로, 세라믹스 입자가 베이스재 상에 퇴적되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전동체는 롤러라도 된다.

본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로부터 보다 명료하게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 실시예 및 도면은 단순한 예시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에 있어서, 복수 개의 도면에 있어서의 동일한 부호는, 동일 또는 상당하는 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 로커암의 정면도이다.
도 2는 상기 로커암에 있어서의 베어링 부분의 단면도이다.
도 3은 상기 베어링의 파단 정면도이다.
도 4는 상기 베어링의 주요부의 확대 단면도이다.
도 5는 상기 베어링의 시험기의 단면도이다.
도 6은 축의 일부분만이 크게 마모된 경우의 축단면을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 상기 실시예에 관한 경질 피막의 파괴 인성값 측정 방법을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8은 상기 경질 피막의 밀착성(스크래치법) 측정 방법을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는 상기 경질 피막의 경도의 측정 방법을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 10은 상기 경질 피막의 막두께의 측정 방법을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 11은 막 형성 범위의 표면 거칠기의 측정 방법을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 12는 상기 경질 피막의 막 형성 범위의 측정 방법을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 13은 막 형성 범위 측정 후의 피막의 형상을 나타낸 도면이다.
도 14는 경질 피막의 두께 불균일을 나타낸 도면으로서, 도 14의 (a)는 축 방향 중앙이 가장 얇은 막의 경우의 도면, 도 14의 (b)는 축 방향 중앙이 가장 두꺼운 막의 경우의 도, 도 14의 (c)는 축 방향 중앙의 막두께가 중간값의 경우의 도면이다.
도 15는 경질 피막과의 계면으로부터 0.03mm 지점의 표면 경도를 구하는 전단층 상태를 나타낸 사시도이다.
도 16은 축의 절단면 표면에 있어서의, 축의 외주 에지부로부터 축 중심을 연결하는 직선 상의 점을 측정하는 상태를 나타낸 측면도이다.
도 17은 경질 피막을 형성한 후의 진원도의 측정 방법을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 18은 경질 피막에 포함되는 수소 함유량의 측정 개소를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 19은 경질 피막에 포함되는 금속 함유량의 측정 개소를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 관한 로커암에 있어서의 베어링 부분의 단면도이다.

본 발명의 제1 실시예를 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 제1 실시예에 관한 베어링은, 이 베어링의 축이 로커암에 고정되어 사용된다.

먼저, 로커암의 개략 구성에 대하여 설명하고, 베어링의 상세 구성, 이 베어링의 마모 시험 및 그 결과에 대하여 차례로 설명한다. 이하의 설명은, 경질 피막의 형성 방법의 발명의 설명도 포함한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 로커암은, 차량 등의 내연 기관에 장비되는 것이며, 소정의 요동(搖動) 중심(L1) 주위로 요동 가능한 암 본체(1)에, 내연 기관의 밸브(2)를 동작시키는 작용부(3)와, 캠(4)에 전접(轉接)하는 롤러 폴로워가 되는 베어링(5)이 설치되어 있다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 베어링(5)은 암 본체(1)의 일단에 장착되고, 상기 작용부(3)는 암 본체(1)의 타단에 설치되어 있다. 작용부(3)는, 암 본체(1)와 별개 부품으로서, 암 본체(1)의 타단에 설치된 유압 래시 어저스터(hydraulic lash adjuster)를 가지고, 암 본체(1)에 출입 조정이 가능하게 장착되어 있다.

암 본체(1)는, 예를 들면, 탄소강이나 알루미늄 합금 등을 단조(鍛造) 또는 주조(鑄造)하여 형성된다. 단, 암 본체(1)는, 상기 탄소강, 알루미늄 합금, 단조, 주조에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 1매의 강판 등의 판재로부터 프레스 가공된 금속판제의 것을 적용해도 된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 암 본체(1)는, 한쌍의 대향 측벽(6, 6)과, 이들 대향 측벽(6, 6)의 한쪽 에지부를 연결하는 도시하지 않은 연결 판자벽을 가지는 대략 U자 형상의 단면 형상으로 되어 있다. 양쪽의 대향 측벽(6, 6)은 요동 지지점공(支点孔)(6b)을 가지고, 이 요동 지지점공(6b)에 요동 지지점축(支点軸)(7)이 끼워맞추어진다. 이 요동 지지점축(7)의 축심이 상기 요동 중심(L1)이다.

베어링(5)에 대하여 설명한다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 베어링(5)은, 암 본체(1)에 장착된 축(8M)과, 외륜(9)과, 이들 축(8M) 및 외륜(9) 사이에 개재된 복수 개의 전동체(轉動體)(10)를 가진다. 전동체(10)로서 롤러가 적용되어 있다. 축(8M)은, 암 본체(1)의 양쪽의 대향 측벽(6, 6)에 형성된 삽통공(6a, 6a)에 양단이 끼워맞추어져 장착된다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 암 본체(1)의 양쪽의 삽통공(6a, 6a)은, 외면 측의 개구 에지에 카운터보어부(counterbore portion)(11)를 가진다. 카운터보어부(11)는, 예를 들면, 테이퍼 형상으로 한다. 예를 들면, 축 베이스재에 후술하는 경질 피막(12)이 형성된다. 이 경질 피막(12)이 형성된 축을 「축(8M)」이라고 한다. 경질 피막(12)이 행해져 있지 않은 축을 「축 베이스재(8)」 또는 「베이스재」라고 한다.

축 베이스재(8)의 소재로서 일본공업규격(Japanese Industrial Standards; 약칭 JIS)에서 규정되는 SUJ2재, SKD재(그 중에서도 SKD11재), SUS440C재, SCM재 또는, 미국 철강 협회 규격(American Iron and Steel Institute; 약칭 AISI)에서 규정되는 M50재 등이 사용된다. 단, 이들 강재에 반드시 한정되는 것은 아니다.

축(8M)을 상기 삽통공(6a)에 삽통시키고, 상기 축(8M)의 양단의 축단부(8a, 8a)를 코킹하여 암 본체(1)에 고정시키고 있다. 즉, 축(8M)의 축단부(8a, 8a)를 코킹한다. 이 경우, 축(8M)을 삽통공(6a)에 삽통시킨 상태에서, 도시하지 않은 지그, 공구를 사용하여, 축(8M)의 외경(Dj)보다 약간 소경(Dm)의 원주 방향 홈(8aa)을 축단부(8a)에 형성한다. 이 원주 방향 홈(8aa)은 상기 축(8M)과 대략 동일 축심이며 또한 축단부(8a)에 있어서의 외경 부근에 형성된다. 상기 원주 방향 홈(8aa)은 환형으로 이어지는 홈이어도 된다. 원주 방향 홈(8aa)은 축(8M)과 대략 동일 축심에 형성하지 않아도 된다.

상기 지그, 공구에 의해 원주 방향 홈(8aa)을 형성함에 따라, 축(8M)의 외경면에 있어서의 양단 부근에 반경 외측으로 소정 소거리 돌출하는 소성(塑性) 가공부(8b)가 설치되고, 이들 소성 가공부(8b)를 상기 카운터보어부(11)에 걸어맞추어, 축단부(8a, 8a)의 코킹이 행해진다. 이와 같이, 축단부(8a, 8a)의 코킹이 행해짐으로써, 암 본체(1)로부터의 축(8M)의 이탈 방지가 행해지고 있다. 축(8M)의 소성 가공부(8b)는, 예를 들면, 전 주위 또는 대략 전 주위에 걸친 환형의 돌기부로 되어 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 복수 개의 전동체(10)는, 축(8M)과 외륜(9) 사이의 환형 공간에, 풀타입 롤러(full type roller) 형식으로서 유지기를 개재시키지 않고 내장되어 있다. 원주 방향에 인접하는 전동체(10)끼리를, 전동을 허락하는 간극 즉 원주 방향 간극 δ1을 열어 근접시키고 있다. 제1 실시예에 관한 베어링(5)은, 풀타입 롤러 형식으로 하고 있지만, 축(8M)과 외륜(9) 사이의 환형 공간에 유지기를 설치하고, 이 유지기에 복수 개의 전동체(10)를 유지하는 형식으로 하는 것도 가능하다.

외륜(9)은, 축 베이스재(8)와 동일한 강재(鋼材)로 이루어진다. 예를 들면, 외륜(9), 축 베이스재(8), 및 전동체(10)를 서로 같은 재질로 해도 된다. 또한, 필요에 따라 베어링 구성 부품의 일부를 다른 구성 부품과는 상이한 재질로 해도 된다.

제1 실시예에 관한 베어링(5)에서는, 만족할 특성 중 적어도 하나인 특성(1)로서, 특히, 상기 경질 피막(12)을 형성해야 할 베이스재에 있어서의 전주면의 진원도가 2㎛ 이하, 및 이 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도가 4㎛ 이하의 어느 한쪽 또는 양쪽을 만족시키도록 구성하고 있다. 여기서, 상기 특성(1)이란, 후술하는 바와 같이, 경질 피막 또는 베이스재의 특성을 나타내는 파라미터를 의미하고, 후술하는 특성(2) 내지 특성(6)도 마찬가지이다. 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도를 4㎛ 이하로 하면, 경질 피막(12)의 막두께 δ2가 장소에 따라 변화되지 않고, 경질 피막(12)에 걸리는 하중이 균일화되므로, 국소적인 과대 면압을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 전주면을 필요 충분한 내마모성으로 유지하여, 경질 피막(12)의 박리를 방지할 수 있다. 경질 피막(12)을 형성해야 할 베이스재에 있어서의 전주면의 진원도를 2㎛ 이하로 함으로써, 축(8M)의 진원도를 4㎛ 이하로 할 수 있다.

열처리, 경질 피막 등에 대하여 설명한다.

제1 실시예에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 축 베이스재(8)에만 경질 피막(12)을 형성하고 있지만, 외륜(9) 또는 전동체(10)의 전주면(轉走面)(9a, 10a)에 경질 피막(12)을 형성해도 된다. 축 베이스재(8), 외륜(9), 및 전동체(10) 중 적어도 어느 하나의 전주면에 경질 피막(12)을 형성하면 된다.

축(8M)의 베이스재에 있어서의, 전주면부의 경도는 HRC58 이상으로 하고 있다. 상기 축(8M)의 베이스재의 전주면부의 경도는, 전동 피로 수명을 충분히 확보할 목적으로, HRC58 이상의 경도가 필요해진다.

HRC58 이상의 경도가 필요한 경화층의 깊이는, 베어링 사용 시의 접촉 면압이 2000MPa 이하인 경우에는 전동 피로가 생기지 않으므로, 마모가 발생하는 깊이는 50㎛으로 충분하다. 단, 경질 피막(12)을 축 베이스재(8)에 형성한 경우, 본 발명에서 나타내고 있는 최적의 경질 피막을 형성하지 않으면, 박리된 경질 피막이 경질 이물질로서 작용하므로, 깊이 50㎛ 이상까지 마모가 발생하는 경우가 많이 있다. 접촉 면압 2000MPa 이상 5000MPa 이하의 경우, 마모뿐아니라 전동 피로가 생기지만, 400㎛ 정도의 깊이까지 상기 경도를 가지면 충분하다.

경질 피막을 형성하고 있지 않은 베이스재의 표면 경도를 확인하는 방법으로서, 통상, 록웰 경도계(rockwell hardness tester), 비커스 경도계(vickers hardness tester) 등을 사용하여, 표면을 직접 경도 측정한다. 그러나, 축 베이스재(8) 표면에 경질 피막(12)을 형성한 경우, 상기 측정 방법은 사용할 수 없다. 대체 측정 방법으로서, 예를 들면, 축(8M)의 단면(斷面) 경도를 측정하고, 경질 피막(12)과 축 베이스재(8)의 계면 근방(축 베이스재(8) 측)의 값을 축 베이스재(8)의 표면 경도로서 사용해도 된다.

하기에 베이스재의 경화 방법의 종류를 나타내지만, 여기서, 베이스재의 표층을 경화시키는 경우와, 베이스재의 표층뿐 아니라 내부까지 경화시키는 경우의 장점을 나타낸다.

·베이스재의 표층을 경화시키는 경우

접촉 면압이 2000MPa 이하인 경우, 전동 피로는 생기지 않으므로, HRC58 이상의 경도가 필요한 경화층 깊이(HRC58 깊이)는, 마모가 발생하는 깊이인 50㎛으로 충분하다. 단, 경질 피막을 베이스재 표면에 형성한 경우, 본 발명에 나타내고 있는 최적의 경질 피막을 형성하지 않으면, 박리된 경질 피막이 경질 이물질로서 작용하므로, 깊이 50㎛ 이상까지 마모가 발생하는 경우가 많이 있다. 발생할 수 있는 접촉 면압이 2000MPa 이상 5000MPa 이하인 경우, 경화층 깊이(HRC58 깊이)는, 최대 전단 응력 위치의 2배의 깊이인 400㎛으로 충분하다.

상기 베이스재의 표층을 경화시키는 경우에서의, 베이스재의 경화의 방법으로서는, 고주파 담금질, 담금질 후의 서브 제로(sub-zero) 처리, 저온 질화 처리를 채용할 수 있다. 상기 저온 질화 처리로서는, 예를 들면, 550℃ 이하의 이온 질화, 가스 질화, 염욕 질화 등을 적용할 수 있다.

또한, 수명에 양호한 영향을 미치는 것으로 생각되는 압축 응력을 생성할 수 있는 경화층 깊이(HRC58 깊이)는, 최대로 축 베이스재(8)의 두께, 중실축(中實軸)의 경우, 직경의 1/3이라는 실적이 있다. 이 실적으로부터, 예를 들면, 도 4에 나타낸 바와 같은 중실축의 경우, 직경 8mm 이상 10mm 이하의 롤링 베어링의 축 베이스재(8)에 있어서의 표면 담금질 깊이(HRC58 깊이)는, 3.3mm 이하인 것이 바람직하다. 중공축(中空軸)의 경우, 이 중공축의 외경으로부터 내경을 감소시킨 값을 「2」로 나누고, 또한 「3」으로 나누어 구해지는 표면 담금질 깊이, 즉 [외경-내경] /2의 1/3의 표면 담금질 깊이로 하는 것이 바람직하다.

·베이스재의 내부까지 경화시키는 경우

표면 담금질과 비교하여, 축(8M)의 직경 방향 중앙부(내부)까지 HRC58 이상 경도를 가지도록 고주파 담금질를 적용할 때도 열처리 조건을 엄밀하게 제어할 필요가 없다는 장점이 있다. 즉, 이 처리에서는, 처리 시간을 단시간으로 제어할 필요가 없기 때문에, 비교적 장시간의 가열을 행하는 것이 가능하며, 이로써, 열처리 조건을 엄밀하게 제어할 필요가 없어진다. 따라서, 공정수 저감을 도모하여 베어링의 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.

상기 베이스재의 내부까지 경화시키는 경우에서의, 베이스재의 경화의 방법으로서는, 일반적인 전체 담금질 처리, 표면뿐아니라 내부도 경화시키는 고주파 담금질, 담금질 후의 서브 제로 처리를 채용할 수 있다.

제1 실시예에 관한 롤러 폴로워에서는, 상기한 바와 같이, 축(8M)을 암 본체(1)에 고정시킬 때, 축단부(8a, 8a)를 코킹하여 고정시키고 있다. 이 경우, 축(8M)의 양단의 축단부(8a, 8a)의 경도를 HRC10 이상 HRC35 이하로 하고 있다. 또한, 바람직하게는, 상기 축단부(8a)의 경도를 만족시키는 범위를, 축 단면으로부터 축 방향 내측으로 1mm 이상의 위치에 도달하는 범위로 한다. 환언하면, HRC35 이하인 범위를, 축 단면으로부터 축 방향 내측으로 적어도 1mm는 확보한다.

이와 같이, 축단부(8a)의 경도를 HRC35 이하로 하고 축(8M)을 코킹함으로써, 축(8M)과 암 본체(1)를 확실하게 고정시킬 수 있다. 물론, 제1 실시예와 같은 롤링 타입의 롤러 폴로워의 경우에 있어서는, 축(8M)과 암 본체(1)를 고정시킬 때는, 외륜(9)과 전동체(10) 및 축(8M)을 암 본체(1)의 소정 위치에 세팅하고, 양쪽의 축단부(8a, 8a)를 코킹하여 축(8M)과 암 본체(1)를 고정시킨다. 그리고, 미끄럼 타입의 롤러 폴로워의 경우, 전동체(10)는 없다.

양쪽의 축단부(8a, 8a)를 HRC35 이하로 하는 방법으로서는, 축(8M)에 대하여, 양쪽의 축단부(8a, 8a)를 제외한 고주파 표면 담금질, 또는 양쪽의 축단부(8a, 8a)를 제외한 고주파 담금질로서 표면뿐아니라 내부도 경화시키는 고주파 담금질, 양쪽의 축단부(8a, 8a)에 마스킹을 행한 저온 질화 처리, 일반적인 전체 담금질 처리물의 축 양쪽의 축단부(8a, 8a)를 고주파 열처리에 의해 소둔하는 방법 등을 채용할 수 있다. 상기 저온 질화 처리로서는, 예를 들면, 550℃ 이하의 이온 질화, 가스 질화, 염욕 질화 등을 적용할 수 있다.

그리고, 롤러 폴로워의 축단부(8a, 8a)를 코킹하여 고정시키지 않을 경우에는, 축단부(8a, 8a)의 경도를 HRC35 이하로 할 필요가 없기 때문에, 일반적인 전체 담금질 처리도 채용할 수 있다. 그 경우, 이하의 구조를 적용할 수 있다.

축(8M)의 축단 부근의 외주면에 도시하지 않은 홈을 형성하고, 그 홈에 스냅링을 배치하여 상기 축(8M)과 암 본체(1)를 고정시키는 구조, 상기 홈에 스냅링을 배치하는 대신에 핀을 삽입하여 축(8M)과 암 본체(1)를 고정시키는 구조, 축단부(8a)를 코킹하는 대신에, 암 본체(1)를 코킹하여 축(8M)과 암 본체(1)를 고정시키는 구조, 암 본체(1)에 축(8M)을 압입하는 구조 등이 있다.

경질 피막(12)의 예로서, 다음과 같은 예의 것을 적용할 수 있다.

일례로서, sp2- 및 sp3- 교잡(交雜) 탄소를 포함하는 아몰퍼스 탄화수소(메탈 프리 아몰퍼스 탄화수소의 경우도 포함함)를 포함하는 경질 피막(12)을 들 수 있다. 이 경질 피막(12)을 형성하는 방법으로서, 고주파 플라즈마 CVD법, 이온화 증착법, 캐소드 아크법 및 스퍼터법 등이 알려져 있다. 이들 방법에서는, 형성된 경질 피막(12)과 축 베이스재(8)와의 밀착성이나 경질 피막(12)의 인성값을 올리기 위한 몇 가지 방법이 있고, 이들 방법에 대하여는 후술한다.

예를 들면, 스퍼터법에 의해 밀착성이 양호한 경질 피막(12)을 축 베이스재(8) 상에 형성하는 데는, 먼저 축 표면을 클리닝하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 챔버 내에 표면을 청정(淸淨)하게 한 축 베이스재(8)를 설치하고, 챔버를 배기한다. 진공도 2×10^-3 ^Pa 정도까지 배기시킨 후, 축 베이스재(8)를 온도 150℃ ~ 200℃까지 가열한다. 그 후, 축에 ―200V 내지 ―500V 정도의 바이어스 전류를 인가하고, 압력 1Pa의 불활성 가스 분위기 중에서 불활성 가스 이온을 생성하고, 축 베이스재(8)에 충돌시켜, 축 표면을 클리닝한다.

또한, 스퍼터법에 의해 파괴 인성값이 높은 경질 피막(12)을 축 베이스재(8) 상에 형성하는 데는, 타겟으로서 C(그래파이트)뿐아니라 1 또는 2종류 이상의 금속 타겟을 사용하는 것이 바람직하다. 사용할 타겟으로서 Cu(동), Ni(니켈), W(텅스텐), Cr(크롬) 등을 들 수 있다. 각각의 타겟에 대하여, 그래파이트의 결합성, 막화(膜化) 후의 경사 기능 효과로부터 복수 개의 타겟을 합친 것, 보다 바람직하게는 Cr(크롬)과 W(텅스텐)가 바람직하다. 또한, 타겟에 전력을 공급하는 시간을 조절함으로써, 경질 피막(12) 내에 존재하는 금속 원자의 함유 비율을 임의로 변경하는 것이 가능해진다. 그리고, 일반적으로 최표층부가 메탈 프리이면, 하층에 메탈 즉 금속이 혼입되어 있어도 메탈 프리 아몰퍼스 탄화수소로 이루어지는 경질 피막이라고 한다.

상기한 바와 같이, 축 표면을 클리닝한 후, Ar 가스 및 프로세스 가스의 혼합 가스를 챔버 내에 도입하고 축에 바이어스 전류를 인가한다. 인가하면서 스퍼터원의 전력을 공급하여, 글로 방전을 발생시킨다. Ar 압력 0.5Pa, 바이어스 전압-100V, 스퍼터 전력 5kW로 막을 형성한다. 소정의 막두께에 달한 후, 스퍼터원에 대한 전력 공급을 정지하고, 축(8M)이 급냉한 후 챔버로부터 인출한다. 이 때, 수소를 포함하지 않는 프로세스 가스를 도입한 분위기 하에서 경질 피막(12)을 형성하면, 실질적으로 수소를 포함하지 않는 피막을 형성할 수 있다. 한편, 탄화수소 가스나 수소 가스를 도입하여 수소를 포함하는 분위기 하에서 경질 피막(12)을 형성하면, 소정량의 수소를 함유하는 수소 함유층을 형성할 수 있다.

경질 피막(12)의 다른 하나의 예로서, 파인 세라믹스(fine ceramics) 경질 피막을 축 베이스재(8) 상에 형성해도 된다. 이 막을 형성하는 방법으로서 에어로졸 데포지션(Aerosol Deposition)법(약칭; AD법)이 있다. AD법이란 원료 세라믹스 미립자를 가스 중에 분산시킨 에어로졸을 베이스재를 향해 에어로졸 분사 노즐로부터 분사하고, 에어로졸을 베이스재 표면에 고속으로 충돌시켜, 초미립자의 구성 재료로 이루어지는 피막을 베이스재 상에 형성한다.

에어로졸 원료 세라믹스로서 알루미나, 지르코니아, 티타니아 등의 산화물계 세라믹스가 알려져 있다. 또한, 질화규소, 탄화규소, 사이알론(sialon) 등의 질화물 등, 탄화물계 세라믹스도 에어로졸 원료 세라믹스로서 알려져 있다.

각각의 세라믹스의 고순도 그레이드에 있어서, 진비중(眞比重)이 작은 편이 에어로졸화하기 쉬우므로, 원료로서 사용하는 세라믹스는 알루미나가 바람직하다. 보다 바람직하게는, 사용하는 입자의 평균 입자 직경은 0.01㎛ ~ 2.0㎛이 바람직하다. 평균 입자 직경 0.01㎛ 미만에서는 응집되기 쉬워 에어로졸화는 곤란하고, 평균 입자 직경이 2.0㎛을 넘으면 AD법에서의 막 형성은 곤란해진다.

또한, 피막 형성을 양호하게 행하기 위해, 베이스재 등에의 충돌 시에 알루미나가 용이하게 분쇄되도록, 볼밀, 제트밀 등의 분쇄기를 사용하여 원료에 크랙을 미리 형성하여 두는 것이 바람직하다.

에어로졸을 베이스재 표면에 분사하고, 막을 형성할 때는, 0.01kPa 이상 120kPa 이하의 압력으로 충돌시키는 것이 바람직하다. 압력 0.01kPa 미만에서는, 에어로졸의 충돌 속도가 빨라져, 베이스재가 에칭되어 성막되지 않는다. 압력 120kPa를 넘어 에어로졸을 충돌시켰을 경우, 충돌 속도가 늦어지게 되어, 세라믹스 입자가 베이스재 상에 퇴적되므로, 성막되지 않는다.

또한, AD법에 의한 경질 피막(12)의 베이스재 상에의 형성은 실온 하에서 행할 수 있다. 베어링(5)의 축 베이스재(8) 표면에 대한 AD 세라믹스 피막의 형성 방법으로서, 축 베이스재(8)를 고정하여 에어로졸 분사 노즐을 이동시켜 피막을 형성하는 방법, 및 에어로졸 분사 노즐을 고정하여 베어링(5)의 축 베이스재(8)를 회전·이동시켜 피막을 형성하는 방법 모두를 채용할 수 있다.

이들 방법 중, 에어로졸을 안정적인 상태에서 분사할 수 있어, 위치결정용 XY 테이블 및 대상물 회전용 모터를 병용하고, 베어링(5)의 축 베이스재(8)를 회전시키면서 축 방향으로 이동시킴으로써, AD 세라믹스 피막을 용이하게 겹쳐 도포하여 형성할 수 있으므로, 에어로졸 분사 노즐 고정, 축회전, 이동의 후자의 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 에어로졸 분사 노즐은, 세라믹스 미립자를, 직사각형 등의 개구부를 가지는 노즐 선단으로부터, 축 원통부 표면에 분사하는 것이다. 그리고, 에어로졸 분사 노즐은, 1개라도 복수 개라도 된다. 또한 에어로졸 분사 노즐은 변위 가능하게 구성해도 된다.

다음에, 상기 베어링의 마모 시험 및 그 결과에 대하여 설명한다.

도 5는 상기 마모 시험의 시험기의 단면도이다. 경질 이물질인 그을음(경질 탄소 입자: 카본)의 혼입 윤활 하에서의 마모를 모의(模擬)하기 위해, 이하의 표 1의 시험 조건, 도 5의 시험기에 의해 마모 시험을 행하였다.

그런데, 엔진 오일 내에, 그을음(경질 탄소 입자: 카본)이 2mass% 이상 포함되면, 베어링에 현저한 마모가 발생한다. 상기 그을음의 비율이 증가할수록, 마모량은 많아진다. 이번 시험에서는, 엔진 오일 내에 16mass%의 카본 블랙을 포함하는 엔진 오일에 의해 평가하고 있고, 본 발명의 효과의 유효성을 확보하고 있다. 그리고, 그을음의 양은, 어널리스트사가 개발한 Light Extinction Measurement법, 약칭: LEM법에 의해 측정한다. 이 LEM법은, 그을음이 광을 흡수하는 성질을 이용하여, 그을음을 포함하는 오일에 광을 투사했을 때의 감광율(減光率)(감쇠율(減衰率))로부터 오일 중의 그을음의 양을 측정하는 것이다.

평가 엔진 오일로서, 단지, 오일에 카본 블랙을 함유한 오일이 아니고, 다음과 같은 오일을 채용한다. 즉, 평가 엔진 오일로서 CD급 10W-30 디젤 엔진 오일에 카본 블랙의 분말을 함유시킨 후, 오일을 고온 고속 회전시켜, 오일 중에 카본 블랙의 분말이 침강하지 않도록 분산시킨 오일을 윤활유로 한다. 또한, 표 1에 있어서, 「P/C」의 P는 부하 하중을 나타내고, C는 베어링의 기본 동정격(動定格) 하중을 나타낸다. 즉, P/C는, 베어링의 기본 동정격 하중에 대한 부하 하중의 비율을 나타낸다.

상기 시험기(13)는, 시험 하우징 내에 복수 개의 베어링(14)을 통하여 구동축(15)이 회전 가능하게 지지되고, 이 구동축(15)의 길이 방향 일단부는 도시하지 않은 구동원에 연결되어 있다. 구동축(15)은, 이른바 계단식 축으로서 시험 베어링(5)의 외륜 외경면(9b)에 접하는 대경부(15a)를 구비하고 있다. 또한, 시험기(13)는, 시험 베어링(5)의 축(8M)에 래디얼 하중을 부여하는 하중 부하 부재(16)를 구비하고 있다. 이 시험 하우징 내에 있어서, 시험 베어링(5)은 오일욕(油浴)에 의한 오일 윤활로 되고, 그 오일량 레벨 L2는 시험 베어링의 회전 중심까지 채워져 있다. 또한, 시험 하우징 내의 양쪽에는, 오일 온도를 제어할 수 있는 카트리지 히터(17)가 설치되어 있다.

시험에 제공되는 베어링(5)은, 미끄럼 베어링과 비교하여 마모의 발생 정도, 마모량이 많은 롤링 베어링을 사용하고, 축 베이스재(8)만을 표 2 내지 표 7의 「경질 피막 종류」의 란에 나타낸 각종 표면 처리를 행하여 실시하였다. 그 마모 시험의 결과도 병행하여 표 2 ~ 표 7에 나타낸다. 이 시험에 있어서, 축 표면의 경질 피막(12)을, 표 2 ~ 표 7에 나타낸 파라미터(후술하는)를 변화시켜 형성하고 있다. 본 시험에 있어서 축 베이스재(8)만 경질 피막(12)을 형성하고 있지만, 그 이유는, 본 시험은 롤러 폴로워 사용 조건을 상정하고, 외륜 회전으로 하고 있다. 따라서, 축(8M)에 있어서의 부하역은 동일 개소로 되므로 축(8M)에 마모가 현저하게 발생한다. 따라서, 마모 대책 효과를 명확하게 하기 위해, 축 베이스재(8)에만 각종 경질 피막 처리를 행하여 시험을 실시하고 있다. 축 표면의 경질 피막(12)은, 상기한 경질 피막(12)의 예로서 설명한 바와 같다.

표 2 ~ 표 7에 있어서, 종합 평가 ◎는, 축마모량이 1㎛ 이하로 되는 평가 기준을 만족시킨 샘플, 종합 평가 ○은, 축마모량이 1㎛을 넘어, 4㎛ 이하로 되는 평가 기준을 만족시킨 샘플이다. 또한, 종합 평가 ×는 축마모량이 4㎛를 넘는 평가 기준을 만족시킨 샘플이다.

여기서, 축마모량이 4㎛ 이하의 샘플은 시험 초기와 비교하여 진동, 음향에 변화를 볼 수 없다. 보다 바람직하게는 축마모량이 적은 것이 내마모성이 높으므로, 축마모량의 대소에 따라 ◎○ 평가를 분류하였다. ×평가는, 축마모량이 많아, 초기 진동보다 진동이 커져, 상대 부재에 대한 공격성이 인정되는 경우도 있다. 축은, 부하역이 동일 개소로 되므로 일부분만이 크게 마모된다. 따라서, 축의 마모는 진동에 크게 영향을 준다.

축의 상기 「일부분만이 크게 마모된다」란, 도 6에 나타낸 바와 같이, 축 표면의 1개소 A1으로부터 원주 방향 한쪽에 소정 소각도(小角度) α에 달하는 부위 Sa만이, 점선 내 흰 부분과 같이, 예를 들면, 평탄형으로 지워지는 것을 의미한다. 단, 상기 평탄형에 한정되는 것은 아니다.

또한, 이 마모 시험에 있어서의 실시예, 비교예에 사용한 샘플의 베이스재의 재질로서, 축, 외륜, 전동체 모두 SUJ2를 적용하였다. 열처리 조건으로서, 상기 전동체, 외륜에 대하여는 일반적인 전체 담금질, 축에 대하여는 고주파 표면 담금질을 적용하였다.

다음에, 각 샘플을 평가한 파라미터 및 결과에 대하여 설명한다.

(1) 베어링 축의 전주면(轉走面) 표면에 형성된 경질 피막의 파괴 인성값에 대하여

본 출원에 의해 사용한 파괴 인성값의 「파괴 인성」이란, 박막의 취성(脆性) 파괴에 대한 저항을 나타내는 척도와 같은 의미이며, 그 수치를 「파괴 인성값」이라고 한다. 베이스재 표면에 형성된 경질 피막의 파괴 인성값 측정 방법으로서, 제이. 에스. 왕겟 등: 신 솔리드 필름(J.S.Wanget al. : Thin Solid Film 325, 163(1998))의 방법이 알려져 있다. 이 방법은 2종류의 시험으로 이루어지고, 표면에 경질 피막을 형성한 베이스재의 휨시험 및 경질 피막 표면에 대한 초합금 볼에 의한 압입 시험을 행한다. 시험 중인 경질 피막의 크랙 발생 거동 및 진전 거동에 의해 파괴 인성값을 구한다. 파괴 인성값은 압흔 직경, 경질 피막 표면에 생긴 크랙 각각의 길이, 크랙이 생긴 면적 및 베이스재와 경질 피막의 영률(Young's modulus)로부터 구한다.

제1 실시예에 관한 경질 피막(12)의 파괴 인성값 측정 방법으로서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 축(8M)의 축 방향 중앙 P1을, 주위 방향 일정 간격을 두고 10개소 측정한 측정값의 평균값을 구하였다. 보다 구체적으로는, 축(8M)의 표면 즉 외주면에 있어서의 축 방향 중앙 P1에, 직경 1.6mm의 텅스텐 카바이트(약칭 WC)제 압자를 직경 방향 내측에, 또한 측정 개소에 대략 수직으로 강하게 누를 때 피막 표면에 발생한 크랙 발생 거동에 의해, 파괴 인성값을 구하였다. 이 측정 개소에 대한 압자의 밀어넣어 깊이는 경질 피막 표면으로부터 0.1mm(압자 직경의 0.5%)로 하였다.

그리고, 상기 시험에서는 축(8M)의 축 방향 중앙 P1을 10개소 측정하였으나, 축(8M)의 축 방향 중앙 P1 중 적당 간격을 두고 임의의 복수 개소를 측정하고, 이들 평균값을 구해도 된다. 또한, 일반적으로, 상기 경질 피막은 부위에 의한 불균일이 적기 때문에, 예를 들면, 축 방향 중앙 P1에 있어서의 임의의 1개소를 측정하여 파괴 인성값을 구해도 된다.

상기 압자는, 직경 1.6mm 이외의 것을 적용하는 것도 가능하며, 또한 WC제에 반드시 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 경우라도, 경질 피막(12)의 파괴 인성값을 측정할 수 있다. 본 발명에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있던 경질 피막의 파괴 인성값은 1.5MPam¹ ^/2 이상 6MPam¹ ^/2 이하, 보다 바람직하게는 2MPam¹ ^/2이상 5MPam^1/2 이하 필요했다.

경질 피막(12)의 파괴 인성값의 하한값을 1.5MPam¹ ^/2로 한 경우, 형성된 경질 피막(12)이 반복 하중에 견딜 수 있어, 경질 피막(12)의 파괴, 박리를 쉽게 생기지 않게 할 수 있다. 파괴 인성값의 상한값을 6MPam¹ ^/2로 한 경우, 상기 경질 피막(12)은, 피막이 윤활유와 친숙해져 내마모성을 발휘하기까지의 동안, 적당히 파괴함으로써 상대 부품에 대한 공격성을 작게 할 수 있다.

즉, 경질 피막(12)의 파괴 인성값이 6MPam¹ ^/2을 넘었을 경우, 내마모성이 발휘되기까지의 동안에 생기는 마모에 있어서, 경질 피막(12)의 파괴가 진행되지 않으므로 상대 부품에 대한 공격성이 증가하여 버린다. 경질 피막(12)의 파괴 인성값이 1.5MPam¹ ^/2 미만일 경우, 형성된 피막은 반복 하중에 견딜 수 없으므로, 파괴되어, 박리가 생길 가능성이 높아진다. 또한, 박리한 막재에 의해 상대 부품에 대한 공격성도 증가함으로써 내마모성을 유지할 수 없다.

축(8M) 중 적어도 축 베이스재(8)의 축 방향 중간부가 열처리에 의해 경화되고, 축 베이스재(8)의 전주면에 경질 피막(12)을 형성하고, 상기 경질 피막(12)의 파괴 인성값을 1.5MPam¹ ^/2 이상 6MPam¹ ^/2 이하, 구체적으로는 예를 들면, 표 2 ~ 표 5의 샘플 No.1 ~ No.56에 나타낸 바와 같은 값으로 하였다.

특히, 경질 피막(12)의 파괴 인성값을 2MPam¹ ^/2 이상 5MPam¹ ^/2 이하, 구체적으로는 예를 들면, 표 2의 샘플 No.1 ~ No.24에 나타낸 값으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 경질 피막(12)이 반복 하중에 의해 견딜 수 있는데 더하여, 이 경질 피막(12)은, 내마모성이 발휘되기까지의 동안에 뜻하지 않게 상대 부품을 공격하는 것을 방지할 수 있다.

표 2의 샘플 No.1의 베어링(5)은 경질 피막(12)의 파괴 인성값을 2.0MPam¹ ^/2로 하였다. 이 경우, 시험 후, 축(8M)의 마모량을 0.5㎛ 이하로 억제하고, 전동체(10)의 마모량을 1.0㎛로 억제하고, 외륜(9)의 마모량을 2.0㎛로 억제하여, 베어링 전체의 마모를 저감할 수 있었다.

이에 대하여, 표 6의 샘플 No.57의 비교예에 관한 시험 베어링은, 파괴 인성값을 1.4MPam¹ ^/2으로 하였다. 이 경우, 시험 후, 축(8M)의 마모량이 22.5㎛, 전동체(10)의 마모량이 11.5㎛, 외륜(9)의 마모량이 10㎛으로서 베어링 전체의 마모량이 크게 되었다.

표 6의 샘플 No.62의 비교예에 관한 시험 베어링은, 파괴 인성값을 7MPam¹ ^/2로 하였다. 이 경우, 시험 후, 축(8M)의 마모량이 38.5㎛, 전동체(10)의 마모량이 26㎛, 외륜(9)의 마모량이 18.5㎛으로서 베어링 전체의 마모량이 크게 되었다.

(2) 베어링 축의 전주면 표면에 형성된 경질 피막의 밀착성에 대하여

베이스재 표면에 형성된 경질 피막의 밀착성은 원기둥 베이스재의 단면에 피막을 형성하고, 그 표면에 서로 마주하는 원기둥을 접착하여 양자를 끌어 박리하는 한계 하중(임계 하중)을 측정하는 방법이나, 피막 표면에 다이아몬드 압자를 가압하여 세게 긁어, 피막에 균열이 생기는 가압 하중(임계 하중)을 측정하는 스크래치법 등이 알려져 있다.

본 발명에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던 경질 피막(12)의 스크래치법에서의 임계 하중은 40N 이상 110N 이하, 보다 바람직하게는 60N 이상 100N 이하 필요했다. 이 임계 하중은, CSM제 REVETEST 스크래치 시험기를 사용하고, 국제 표준화 기구에 의해 책정되었다.

국제 규격 ISO 20502: 2005에 따른 방법으로 측정하였다. 이 스크래치법에서의 측정 방법에서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 축(8M)의 축 방향 중앙 P1 부근에, 측정자를 화살표 AA1로 나타낸 축 방향을 따라 P1을 포함하도록(AA1의 개시점과 종료점에 끼워진 중에 P1가 포함되어 있도록) 10mm 이동시켜 측정하였다. 이것을 축(8M)의 외주면에 있어서의 주위 방향 일정 간격을 두고 10개소 반복하고, 이 10개소의 평균값을 구하였다. 각 측정에 있어서, 최대 압자 하중을 100N 또는 200N으로 하고, 하중 증가 속도를 100N/min 또는 200N/min으로 하고, 압자 이동 속도를 10mm/min으로 하였다. 또한, 측정자의 이동 거리는 10mm가 아니어도 된다.

예를 들면, 표 2의 샘플 No.5에 나타낸 시험 베어링에서는, 경질 피막(12)의 스크래치법에서의 임계 하중을 85N으로 하였다. 시험 후, 이 시험 베어링은, 축(8M)의 마모량을 0.5㎛ 이하, 전동체(10)의 마모량을 1㎛, 외륜(9)의 마모량을 1㎛으로 하여 베어링 전체적으로 낮게 억제할 수 있다.

이에 대하여, 표 6의 샘플 No.64에 나타낸 비교예에 관한 시험 베어링에서는, 경질 피막(12)의 상기 임계 하중을 25N으로 하였다. 시험 후, 축(8M)의 마모량이 26㎛, 전동체(10)의 마모량이 12.5㎛, 외륜(9)의 마모량이 10.5㎛으로서 베어링 전체의 마모량이 크게 되었다.

그리고, 상기 시험에서는, 축(8M)의 외주면을 10개소 측정하였으나, 축(8M)의 외주면 중 주위 방향 적당 간격을 두고 임의의 복수 개소를 측정하고, 이들 평균값을 구해도 된다. 또한, 일반적으로, 상기 경질 피막은 부위에 의한 불균일이 적기 때문에, 예를 들면, 축(8M)의 외주면의 임의의 1개소를 측정한 값을 채용해도 된다.

경질 피막(12)의 스크래치법 측정에 의한 임계 하중의 하한값을 40N으로 할 경우, 경질 피막(12)이 박리되는 것을 방지하여, 내마모성을 발휘할 수 있다. 또한, 경질 피막(12)의 박리에 기인하는 상대 부품에 대한 공격을 미연에 방지할 수 있다. 이 임계 하중의 상한값을 110N으로 할 경우, 경질 피막(12)이 내마모성을 발휘하기까지 윤활유와 친숙해지는 시간 중에, 피막 표면의 일부분만 마모되는 것을 방지하고, 이로써, 경질 피막 표면 거칠기가 뜻하지 않게 커지는 것을 방지할 수 있다. 이와 같은 스크래치법 측정에 의한 임계 하중을 규정한 베어링(5)에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

또한, 상기 경질 피막(12)의 임계 하중을 60N 이상 100N 이하로 한 경우, 경질 피막(12)이 내마모성을 발휘하기까지 윤활유와 친숙해지는 시간 중, 또는 내마모성의 발휘 이후에 뜻하지 않게 박리되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

(3) 베어링 축의 전주면 표면에 형성된 경질 피막의 경도에 대하여

베이스재 표면에 형성된 경질 피막(12)의 경도는, 다이나믹 초미소 경도계 DUH-201W(가부시키가이샤 시마즈 세이사쿠쇼 제조)로 측정한다. 이 경도계로 측정하는 값은 다이나믹 경도 HD이며, 상기한 바와 같이, 이하의 식에 의해 정의한다. 이 경질 피막(12)의 경도는 막 표면의 경도를 나타내고 있다.

HD = 3.8584×/h²

상기 식에 있어서 P는 시험 하중(mN), h는 삼각 불어넣기 압자의 압입량(㎛)을 나타내고 있다. 제1 실시예에 관한 경질 피막(12)의 경도의 측정 방법으로서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 축(8M)의 축 방향 중앙 P1을, 주위 방향 일정 간격을 두고 10개소 측정한 측정값의 평균값을 구하였다. 각 측정 개소에 있어서, 115˚의 삼각 불어넣기 압자에 시험 하중 5gf를 부여하고, 상기 삼각 불어넣기 압자의 부하 속도 0.135gf/sec로, 또한 삼각 불어넣기 압자의 유지 시간 10sec로 하고 있다. 그리고, 다이나믹 경도 「HD」는, 시험기에 의존한 값으로 나타내는 경우, 「DH」나 「DHT115」라고 나타내고 있는 경우도 있지만, 상기 「HD」로 나타내는 다이나믹 경도는, 시험기에 의존하지 않는 값이다.

상기 경도계에서는, 압자를 대상물에 시험 하중에 달할 때까지 밀어넣고, 압입량을 측정하므로, 육안관찰에 의한 압흔 측정이 없다. 따라서, 설정 하중을 작게 할 수 있어, 압자의 침입 깊이를 얕게 할 수 있다. 예를 들면 115°의 삼각 불어넣기 압자에 시험 하중 5gf를 부여하여 측정한 경우, 비커스 경도보다 정확한 막경도를 구할 수 있다.

구체적으로, 표 2의 샘플 No.2의 베어링(5)의, 경질 피막(12)의 다이나믹 경도는 HD1188이다. 이 경우, 시험 후, 축(8M)의 마모량을 0.5㎛ 이하로 억제하고, 전동체(10)의 마모량을 1.5㎛로 억제하고, 외륜(9)의 마모량을 1.5㎛로 억제하여, 베어링 전체의 마모를 저감할 수 있었다.

이에 대하여, 표 6의 샘플 No.58의 비교예에 관한 시험 베어링의, 경질 피막(12)의 다이나믹 경도는 HD572이다. 이 경우, 시험 후, 축(8M)의 마모량이 24.5㎛, 전동체(10)의 마모량이 17㎛, 외륜(9)의 마모량이 14㎛로서 베어링 전체의 마모량이 크게 되었다. 본 발명에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던 경질 피막(12)의 다이나믹 경도는 HD800 이상 HD2000 이하이다.

경질 피막(12)의 다이나믹 경도의 하한값을 HD800으로 한 경우, 전주면은 필요 충분한 피막 강도로 되고 막 부재 사이의 결합력을 강하게 하여 막손상을 방지하여, 내마모성을 유지한다. 상한값을 HD2000으로 한 경우, 경질 피막(12)과 축 베이스재(8)와의 축 표면 경도차를 작게 할 수 있다. 이로써, 경질 피막(12)의 붕괴를 방지하여 내마모성을 유지할 수 있다. 이와 같은 다이나믹 경도가 HD800 이상 HD2000 이하의 경질 피막(12)을 형성한 베어링(5)에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

(4) 베어링 축의 전주면 표면에 형성된 경질 피막의 막두께, 표면 거칠기 및 막 형성 범위에 대하여

축 원통부 전체 표면에 경질 피막(12)을 형성한 경우, 카로테스터(CSM제 간이 정밀 막두께 측정기 CAROTEST)로 상기 경질 피막(12)의 막두께를 측정한다.

축 원통부 표면의 중간부에만 경질 피막(12)을 형성한 경우, 카로테스터(CSM제 간이 정밀 막두께 측정기 CAROTEST)를 사용하여 유럽 규격 EN 1071-2: 2002에 따른 방법 또는 표면 형상/거칠기 측정기(테일러홉슨(Taylor Hobson) 주식회사 제조)로 상기 경질 피막(12)의 막두께를 측정한다. 이 경우에 있어서, 상기 축 원통부 표면의 중간부란, 축(8M)의 외경면에 있어서의 길이 방향 중간부 즉 축 방향 중간부로서, 암 본체(1)의 대향 측벽(6, 6)의 삽통공(6a, 6a)에 끼워맞추어지는 축(8M)의 길이 방향 일단 측의 외경면, 및 길이 방향 타단측의 외경면을 제외하고, 전주면 표면을 포함하는 부분이다. 환언하면, 축 원통부 표면의 중간부는, 전동체(10)의 전주폭(10W) 이상이다.

제1 실시예에 관한 경질 피막(12)의 막두께 측정 방법으로서, 예를 들면, 축 원통부 표면의 중간부에만 경질 피막(12)을 형성한 경우, 표면 형상/거칠기 측정기(테일러홉슨 주식회사 제조 FormTalysurf-120L)를 사용하여 측정한다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 축(8M)의 한쪽의 축단부(8a)와 막 단부(8b)에 끼워진 축(8) 표면으로부터, 타측의 축단부(8a)와 막 단부(8b)에 끼워진 축(8)의 표면까지 측정자를 화살표 AA2로 나타낸 축 방향을 따라 이동시켜 측정하였다. 이것을 축(8M)의 외주면에 있어서의 주위 방향 일정 간격을 두고 10개소 반복하고, 이 10개소의 평균값을 구하였다.

베이스재 표면에 형성된 경질 피막(12)의 표면 거칠기 및 막 형성 범위는, 표면 형상/거칠기 측정기(테일러홉슨 주식회사 제조)로 측정한다. 제1 실시예에 관한 경질 피막(12)의 「표면 거칠기」의 측정 방법에서는, 표면 거칠기 측정기(테일러홉슨 주식회사 제조 FormTalysurf-120L)를 사용하여, 도 11에 나타낸 바와 같이 축(8M)의 축 방향 중앙 P1 부근을, 측정자를 화살표 A3로 나타낸 축 방향을 따라 이동시키고, 평가 길이 1.25mm로, 주위 방향 일정 간격을 두고 10개소 측정한 측정값의 평균값을 구하였다. 축(8M)의 측정 개소는, 상기 축 방향 중앙 P1의 주위 방향 적당 간격 건너라도 된다. 평가 길이는 1.25mm가 아니어도 된다.

또한, 제1 실시예에 관한 경질 피막(12)의 「막 형성 범위」의 측정 방법에서도, 동 표면 거칠기 측정기(테일러홉슨 주식회사 제조)를 사용하여 측정하였다. 구체적으로는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 축(8M)의 한쪽의 축단부(8a)와 막 단부(8b)에 끼워진 축(8)의 표면으로부터, 타측의 축단부(8a)와 막 단부(8b)에 끼워진 축(8)의 표면까지 측정자를 화살표 AA2로 나타낸 축 방향을 따라 이동시켜 측정하였다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 이것을 축(8M)의 외주면에 있어서의 주위 방향 일정 간격을 두고 10개소 반복하고, 이 10개소의 평균값을 구하였다. 이 측정 방법에 의하면, 이하의 도 13에 나타낸 바와 같은 형상 Ma를 얻을 수 있다. 도 13은 막 형성 범위 측정 후의 피막의 형상을 나타낸 도면이며, 도 13에 있어서, 축(8)의 표면보다 직경 방향 외측으로 약간 부풀린 개소를, 피막이 형성된 일단 P3로부터 타단 P4에 이르는 범위 즉 「막 형성 범위」로 하고 있다. 일단 P3 부근의 피막은, 일단 P3로부터 화살표 A2에 나타낸 축 방향 한쪽을 향함에 따라 급준하게 상승하고, 타단 P4 부근까지 이후 평탄하게 형성된다. 타단 P4 부근의 피막은, 타단 P4로부터 축 방향 다른 쪽을 향함에 따라 급준하게 상승한다. 이 양쪽의 상승 개시 위치 사이의 범위를 「막 형성 범위」로 한다.

본 발명에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던 경질 피막(12)의 표면 거칠기는, Ra 0.25㎛ 이하였다. 구체적으로, 표 2의 샘플 No.18의 베어링(5)의, 경질 피막(12)의 표면 거칠기는 Ra 0.049㎛이다. 이 경우, 시험 후, 축(8M)의 마모량을 1㎛ 이하로 억제하고, 전동체(10)의 마모량을 2㎛로 억제하고, 외륜(9)의 마모량을 3㎛로 억제하여, 베어링 전체의 마모를 저감할 수 있었다.

경질 피막(12)의 표면 거칠기가 Ra 0.25㎛을 넘었을 경우, 상대 부품에 대한 공격성이 인정되므로, 내마모성을 유지할 수 없다. 또한, 동시에 경질 피막(12)의 표면 거칠기를 Ra 0.25㎛ 이하로 하려는 경우, 베이스부인 축 표면 즉 경질 피막(12)을 형성하고 있지 않은 축 베이스재(8)의 표면의 표면 거칠기가 Ra 0.15㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이 Ra 0.15㎛을 넘었을 경우, 형성한 막의 표면 거칠기가 Ra 0.25㎛을 넘는 경우가 있다.

환언하면, 경질 피막(12)을 형성할 베이스재 표면의 표면 거칠기를 Ra 0.15㎛ 이하로 함으로써, 경질 피막(12)의 표면 거칠기를 Ra 0.25㎛ 이하로 하여, 내마모성을 유지할 수 있다. 또한, 상대 부품에 대한 공격을 미연에 방지할 수 있다.

다음에, 본 발명에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던 경질 피막(12)의 막두께 δ2는 1㎛ 이상 5㎛ 이하이다. 형성된 경질 피막(12)은, 내마모성을 발휘하기까지 윤활유와 친숙해지는 시간이 필요해진다. 막두께 1㎛에 미치지 않을 경우, 경질 피막(12)이 내마모성을 가지기까지 막이 모두 박리되어 버리므로, 내마모성을 유지할 수 없다.

경질 피막의 막두께 δ2가 1㎛에 미치지 않을 경우, 내마모성을 발휘할 수 없는 이유에 대하여 설명한다. 경질 피막 형성 시에는 반드시 잔류 압축 응력이 발생하고 있지만, 막 부재의 결합력이나, 밀착력에 의해 잔류 압축 응력에 기인하는 막의 박리를 방지하고 있다. 경질 피막의 마모에 의해 막두께 δ2가 얇아지면, 잔류 압축 응력은 감소하지만, 막 부재의 결합력이나 밀착력은, 잔류 압축 응력 이상으로 감소한다. 그리고, 경질 피막의 막두께 δ2가 0.5㎛ 이하로 되면, 막 부재의 결합력이나 밀착력에 저항하여 잔류 압축 응력이 강해져 막이 박리되어 버린다. 따라서, 경질 피막이 윤활유와 친숙해져 내마모성을 발휘하기까지 마모되는 0.5㎛을 더하여, 필요한 내마모성을 가지는 경질 피막에 필요한 최소 막두께는 1.0㎛으로 된다.

막두께 5㎛을 초과하는 경우, 각 경질 피막(12)이 막 형성 시에 생긴 잔류 압축 응력이 너무 커져 버려, 충격 하중이 가해지는 것에 의해 용이하게 막에 균열이 생겨, 박리되어 버리는 것에 의해 내마모성을 유지할 수 없다.

경질 피막(12)의 막두께 δ2의 하한값을, 예를 들면, 표 2 ~ 표 5의 샘플 No.1 ~ No.56에 나타낸 바와 같이 1㎛으로 한 경우, 경질 피막(12)이 내마모성을 가지기까지 막이 잔존하므로, 내마모성을 유지할 수 있다. 상기 경질 피막(12)의 막두께의 상한값을, 예를 들면, 표 2 ~ 표 5의 샘플 No.1 ~ No.56에 나타낸 바와 같이 5㎛으로 한 경우, 경질 피막 형성 시에 생길 수 있는 잔류 압축 응력이 커지는 것을 억제하므로, 충격 하중이 가해지는 것에 기인하여 막에 균열이 생기는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 경질 피막(12)의 박리를 방지하여, 내마모성을 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던 축(8M)에 형성된 경질 피막(12)의 막두께는, 축 방향 중앙 P1(도 2)의 막두께 δ2(도 4)를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위이다. 상기 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2를 기준으로 한 경질 피막(12)의 막두께의 불균일을, 표 2 ~ 표 7에 있어서, 「두께 불균일」이라고 표기한다. 즉, 표 2 ~ 표 7의 「두께 불균일」이란, 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2를 기준으로 한 경우에 있어서, 경질 피막(12)이 형성된 막두께 중 가장 두꺼운 개소의 막두께와 상기 막두께 δ2와의 차, 또는 가장 얇은 개소의 막두께와 상기 막두께 δ2와의 차 중, 큰 값을 나타낸다.

예를 들면, 도 14의 (a)에 나타낸 바와 같이, 경질 피막(12)의 막두께 중 축 방향 중앙 P1가 가장 얇은 경우, 가장 두꺼운 개소의 막두께 δmax(δmax는 예를 들면 4㎛)와, 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2(δ2는 예를 들면 2㎛)와의 차(δmax-δ2)를 구함으로써, 두께 불균일을 얻을 수 있다.

도 14의 (b)에 나타낸 바와 같이, 경질 피막(12)의 막두께 중 축 방향 중앙 P1가 가장 두꺼운 경우, 상기 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2(δ2는 예를 들면 3㎛)과, 가장 얇은 개소의 막두께 δmin(δmin은 예를 들면 2㎛)과의 차(δ2-δmin)를 구함으로써, 두께 불균일을 얻을 수 있다.

도 14의 (c)에 나타낸 바와 같이, 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2가 중간값인 경우, 가장 두꺼운 개소의 막두께 δmax(δmax는 예를 들면 3㎛)와, 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2(δ2는 예를 들면 1.5㎛)와의 차(δmax-δ2)를 구한다. 또한, 막두께 δ2(δ2는 예를 들면 1.5㎛)와, 가장 얇은 개소의 막두께 δmin(δmin는 예를 들면 0.5㎛)과의 차(δ2-δmin)를 구한다. 이들 차(δmax-δ2), (δ2-δmin) 중, 큰 값(금회 δmax-δ2)을 채용함으로써, 두께 불균일을 얻을 수 있다. 형성된 경질 피막(12)이 장소에 따라 막두께 δ2가 변화하면, 막에 작용하는 하중이 불균일해져, 국소적으로 과대한 접촉 면압이 작용한다. 상기한 바와 같이, 축(8M)에 형성된 경질 피막(12)의 막두께 δ2를, 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위에 수용한 경우, 상기 경질 피막(12)에 작용하는 하중이 균일화된다. 이로써, 국소적으로 과대한 접촉 면압이 작용하는 것을 미연에 방지할 수 있다. 따라서, 내마모성의 저하뿐아니고, 경질 피막(12)의 박리를 방지할 수 있다. 박리된 경질 피막에 의해 상대 부재를 공격하는 경우도 없다.

예를 들면, 표 2의 샘플 No.7에 나타낸 바와 같이, 경질 피막(12)의 막두께가 2㎛이며 또한 두께 불균일을 1㎛로 하여 상기 범위에 수용한 시험 베어링에서는, 시험 후, 축(8M)의 마모량을 0.5㎛ 이하, 전동체(10)의 마모량을 1㎛, 외륜(9)의 마모량을 2㎛로 하여 베어링 전체적으로 낮게 억제할 수 있다.

구체적으로, 표 2, 표 3의 샘플 No.12의 베어링(5)은, 축 베이스재(8)의 베이스재 표면 거칠기 Ra 0.085㎛, 경질 피막(12)의 막두께 4.5㎛, 막두께 δ2의 두께 불균일 1㎛의 것을 적용하였다. 이 경우, 시험 후, 축(8M)의 마모량을 1㎛로 억제하고, 전동체(10)의 마모량을 2㎛로 억제하고, 외륜(9)의 마모량을 1㎛로 억제하여, 베어링 전체의 마모를 저감할 수 있었다.

이에 대하여, 표 6, 표 7의 샘플 No.68의 비교예에 관한 시험 베어링에서의, 축 베이스재(8)의 베이스재 표면 거칠기 Ra 0.222㎛, 경질 피막(12)의 막두께 7㎛, 막두께 δ2의 두께 불균일 3.5㎛의 것을 적용하였다. 이 시험 베어링에서는, 시험 후, 축(8M)의 마모량이 11㎛, 전동체(10)의 마모량이 13.5㎛, 외륜(9)의 마모량이 27㎛으로서 베어링 전체의 마모량이 크게 되었다. 이것은, 막두께 δ2의 두께 불균일이 3.5㎛로 크기 때문에, 경질 피막(12)에 작용하는 하중이 불균일화되어, 국소적으로 과대한 면압이 작용한 것으로 생각된다.

또한, 본 발명에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던 경질 피막(12)의 축 방향의 형성 범위는, 롤러 길이로부터, 롤러 면취(面取)의 축 방향 치수에 「2」를 곱한 값을 감하여 구해지는 값, 즉 롤러(전동체) 길이 - 롤러(전동체) 면취의 축 방향 치수×2(양단)에 의해 구해지는 값보다 넓은 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 전주면 이상으로 한다.

롤러 폴로워의 축(8M)을 코킹하여 로커암과 고정시켜 사용되는 경우에서의, 축(8M)의 경질 피막(12)의 형성 범위는 코킹 후의 변형량이, 코킹 전의 축 직경(코킹 후의 축(8M)의 축 방향 중앙 P1에 있어서의 축 직경)에 대해 +0.1mm 이하의 영역이다. 롤러 폴로워는 조립 시에 막 형성한 축(8M)의 양 단부를 코킹하는 것에 의해, 코킹 전의 축 직경 +0.1mm를 초과하는 변형부에 막을 형성하면, 경질 피막이 박리되어, 내마모성을 발휘할 수 없게 될 뿐만 아니라, 상대 부품을 공격하여 버린다. 즉, 박리된 피막이 이물질이 된다.

(5) 베어링의 축(베이스재)에 있어서의 표면 경도에 대하여

통상, 경질 피막을 형성하고 있지 않은 베이스재의 표면 경도(전주면부 경도)를 확인하는 방법은, 록웰 경도계나 비커스 경도계를 사용하여, 베이스재 표면을 직접 경도 측정한다. 그러나, 표면에 경질 피막(12)을 형성한 베이스재의 경우, 상기 측정 방법은 사용할 수 없다. 그래서 베이스재의 단면(斷面) 경도를 비커스 경도계로 측정하고, 경질 피막과의 계면으로부터 0.03mm 지점의 값을 베이스재 표면 경도로서 사용하고 있다. 베이스재 표면에 경질 피막(12)을 형성하므로, 베이스재 표면 경도가 경질 피막 경도에 가까운 것이 바람직하다.

제1 실시예에 관한 축 표면 경도의 측정 방법에서는, 마이크로 비커스 경도계(가부시키가이샤 시마즈 세이사쿠쇼 제조 HMV-1)를 사용하여, 축(8M)의 축 방향 중앙을, 주위 방향 적당 간격을 두고 10개소 측정한 측정값의 평균값을 구하였다. 구체적으로, 경질 피막과의 계면으로부터 0.03mm 지점의 표면 경도를 구하는 데는, 도 15에 나타낸 바와 같이, 축(8M)의 축 방향 중앙을, 축 방향으로 대략 수직인 가상 평면 kh을 따라 절단한다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 상기 절단면 표면 sh에 있어서의, 축(8M)의 표면 즉 외주 에지부(8Ma)로부터 축 중심(L3)을 연결하는 직선(L4) 상의 점 P2를, 상기 마이크로 비커스 경도계로 시험 하중 300g으로 측정한다. 즉 피막(12)과 축(8)과의 계면으로부터, 축 중심 방향으로 L5(L5= 0.03mm)의 지점의 경도를 측정한다. 이와 같이 주위 방향 적당 간격을 두고 10개소 측정한 측정값의 평균값을, 베이스재 표면 경도로 한다.

본 발명에서 내마모성을 확인한, 경질 피막(12)을 형성한 베이스재 표면 경도는 HV650 이상 HV1000 이하이다. 구체적으로는 예를 들면, 표 2, 표 4의 샘플 No.1 ~ No.56에 나타낸 바와 같은 값으로 하였다. 이 경우, 베어링(5)의 경질 이물질인 그을음(경질 탄소 입자: 카본) 혼입 윤활 하에서의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 표 3의 샘플 No.19의 베어링(5)의, 베이스재 표면 경도는 HV813이다. 이 경우, 시험 후, 축(8M)의 마모량을 1㎛ 이하로 억제하고, 전동체(10)의 마모량을 1.5㎛로 억제하고, 외륜(9)의 마모량을 1.5㎛으로 억제하여, 베어링 전체의 마모를 저감할 수 있었다.

이에 대하여, 표 7의 샘플 No.77의 비교예에 관한 시험 베어링에서의, 베이스재 표면 경도는 HV633이다. 이 시험 베어링에서는, 시험 후, 축(8M)의 마모량이 73㎛, 전동체(10)의 마모량이 23.5㎛, 외륜(9)의 마모량이 22㎛으로서 베어링 전체의 마모량이 크게 되었다. 이것은 베이스재의 강도 부족에 기인하여, 이 베이스재가 소성 변형되어 특히 축(8M)의 마모가 진전된 것 등에 의한다.

베이스재 표면 경도의 하한값을 HV650으로 한 경우, 베이스재의 필요 강도를 만족시키고, 베이스재의 변형량을 소정량 이하로 억제할 수 있다. 그러므로, 베이스재 표면과, 이 베이스재 표면에 형성된 경질 피막(12)과의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 베이스재 표면 경도의 상한값을 HV1000으로 한 경우, 베이스재가 필요한 인성값을 만족시키고, 베이스재에 균열이 발생하는 경우가 없어, 경질 피막(12)과의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

열처리 행한 후에도, 예를 들면, 경질 피막(12)으로서 다이아몬드 라이크 카본막인, sp2- 및 sp3- 교잡 탄소를 포함하는 메탈 프리 아몰퍼스 탄화수소로 이루어지는 경질 피막(12)을 채용한 경우, 막 형성 전에 축 표면에 숏 피닝(shot peening) 가공을 행함으로써 표면 경도를 HV1000 가까이로 할 수 있다. AD법으로 형성한 막의 경우, 원료 분말 중에는 평균 입자 직경을 넘은 크기의 입자가 있다. 입경이 큰 입자는 막 형성에 기여하지 않고 베이스재 표면에 충돌함으로써 피닝 처리가 행해지므로, 베이스재 표면의 경도는 HV1000 가까이로 할 수 있다.

(6) 베어링 축의 전주면 표면에 경질 피막을 형성한 후의 진원도에 대하여

원통형 베이스재 표면에 경질 피막(12)을 형성한 후의 진원도는, 예를 들면, 타릴론드(테일러홉슨 주식회사 제조 Talyrond 262)로 측정한다. 상기 「진원도」란, 원형 형체의 기하학적으로 정확한 원으로부터의 비정상적인 크기를 말하는 기하(幾何) 공차(公差)이다. 상기 진원도는, 원형 형체를 2개의 동심의 기하학적 원으로 협지했을 때, 동심(同心) 2원의 간격이 최소로 되는 경우의 2원의 반경 차로 나타내고, 진원도 XX㎛, 또는 진원도 XXmm로 표시한다. 제1 실시예에 관한 경질 피막(12)을 형성한 후의 「진원도」의 측정 방법에서는, 도 17에 나타낸 바와 같이, 상기 타릴론드를 사용하여, 축(8M)의 막 형성 범위를 화살표 A4로 나타낸 주위 방향으로 축 방향 적당 간격을 두고 10개소 측정한 측정값의 평균값을 구하였다.

본 발명에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던, 경질 피막 형성 후의 축(8M)의 진원도는 4㎛ 이하였다. 상기 진원도가 4㎛을 넘었을 경우, 막두께 δ2가 장소에 따라 변화되고, 막에 걸리는 하중이 불균일해져, 국소적으로 과대한 접촉 면압이 된다. 따라서, 내마모성이 저하될 뿐아니라, 경질 피막(12)의 박리를 유발할 가능성이 높아진다. 또한, 경질 피막(12)의 박리에 의해, 상대 부품에 대한 공격성도 증가한다.

축(8M)의 진원도를 4㎛ 이하로 하기 위해서는, 축 베이스재(8)의 진원도를 2㎛ 이하로 할 필요가 있다.

따라서, 축 베이스재(8)에 있어서의 전주면의 진원도가 2㎛ 이하, 및 축(8M)의 전주면의 진원도가 4㎛ 이하의 어느 한쪽 또는 양쪽을 만족시킴으로써, 상기 전주면은 필요 충분한 내마모성을 가진다. 축(8M)의 전주면의 진원도를 4㎛ 이하로 하였으므로, 막두께 δ2가 장소에 따라 변화되지 않고, 경질 피막(12)에 걸리는 하중이 균일화되므로, 국소적인 과대한 접촉 면압을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 전주면을 필요 충분한 내마모성으로 유지하고, 경질 피막(12)의 박리를 방지할 수 있다. 이로써, 상대 부품에 대한 공격성이 증가하는 것도 방지할 수 있다. 축 베이스재(8)에 있어서의 전주면의 진원도를 2㎛ 이하로 함으로써, 축(8M)의 진원도를 4㎛ 이하로 할 수 있다. 이와 같은 베어링(5)에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

예를 들면, 표 2, 표 3의 샘플 No.3에 나타낸 바와 같이, 베이스재인 축의 전주면의 진원도를 0.5㎛으로 하고, 또한 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도를 0.5㎛으로 한 시험 베어링에서는, 시험 후, 축(8M)의 마모량을 0.5㎛ 이하, 전동체(10)의 마모량을 1.5㎛, 외륜(9)의 마모량을 1㎛으로 하여 베어링 전체적으로 낮게 억제할 수 있다. 이와 같은 베어링(5)에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

이에 대하여, 표 6, 표 7의 샘플 No.82에 나타낸 바와 같이, 베이스재인 축의 전주면의 진원도를 3.5㎛으로 하고, 또한 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도를 5㎛으로 한 비교예에 관한 시험 베어링에서는, 시험 후, 축(8M)의 마모량이 53.5㎛, 전동체(10)의 마모량이 20㎛, 외륜(9)의 마모량이 10.5㎛으로서 베어링 전체의 마모량이 크게 되었다. 이것은 전주면에 국소적인 과대 면압이 작용하여, 경질 피막(12)의 박리를 촉진시킨 것 등에 의한다.

(7) 롤링 베어링의 축, 전동체, 외륜의 간극에 대하여

축 표면에 경질 피막(12)을 형성함으로써, 베어링(5)을 구성하는 부품, 즉 축(8M), 전동체(10), 외륜(9)의 간극이 변화한다. 롤링 베어링의 간극은 래디얼 간극과 전동체(10) 1개당의 원주 방향 간극 δ1으로 규정한다.

본 발명에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던 베어링(5)의 래디얼 간극은 2㎛ 이상 45㎛ 이하였다.

경질 피막을 형성한 베어링의 래디얼 간극의 하한값은 2㎛으로 할 수 있다. 베어링(5)의 조립을 용이하게 할 수 있는 것이 가능한데 더하여, 경질 피막을 형성함으로써 베이스재의 열팽창에 의한 치수 변화를 억제할 수 있어, 윤활 불량에 의한 눌어붙음이나 마모 등의 문제점을 미연에 방지할 수 있다. 래디얼 간극의 상한값을 45㎛로 함으로써, 전동체의 스큐에 기인하는 진동, 음향을 억제하여, 베어링 수명의 저하를 방지할 수 있다.

한편, 필요한 내마모성을 가지고 있었던 베어링(5)의 전동체(10) 1개당의 원주 방향 간극 δ1은 2㎛ 이상 25㎛ 이하였다.

(경질 피막을 형성한) 상기 베어링의 원주 방향 간극 δ1의 하한값은 2㎛으로 할 수 있다. 베어링(5)의 조립을 용이하게 할 수 있는 것이 가능한데 더하여, 경질 피막을 형성함으로써 베이스재의 열팽창에 의한 치수 변화를 억제할 수 있어, 윤활 불량에 의한 눌어붙음이나 마모 등의 문제점을 미연에 방지할 수 있다. 원주 방향 간극 δ1의 상한값을 25㎛으로 한 경우, 전동체(10)의 스큐에 기인하는 진동, 음향을 억제하여, 베어링 수명의 저하를 방지할 수 있다.

예를 들면, 표 3의 샘플 No.16에 나타낸 바와 같이, 래디얼 간극이 34㎛이며, 또한 전동체 1개당의 원주 방향 간극 δ1을 7㎛으로 한 시험 베어링에서는, 시험 후, 축(8M)의 마모량을 1㎛ 이하, 전동체(10)의 마모량을 2.5㎛, 외륜(9)의 마모량을 1㎛으로 하여 베어링 전체적으로 낮게 억제할 수 있다.

이에 대하여, 표 7의 샘플 No.70에 나타낸 바와 같이, 래디얼 간극이 1㎛이며, 또한 원주 방향 간극 δ1이 1㎛으로 한 비교예에 관한 시험 베어링에서는, 시험 후, 축(8M)의 마모량이 59㎛, 전동체(10)의 마모량이 29㎛, 외륜(9)의 마모량이 11㎛으로서 베어링 전체의 마모량이 크게 되었다. 이것은 열팽창에 기인하여 이들 간극이 보다 작아져 윤활 불량에 의해 마모가 진전된 것 등에 의한다.

(8) 베어링 축의 전주면 표면에 형성한 sp2- 및 sp3- 교잡 탄소를 포함하는 메탈 프리 아몰퍼스 탄화수소로 이루어지는 경질 피막의 수소 함유량에 대하여

축(8M)의 표면에 형성된 경질 피막(12)의 수소 함유량은, 예를 들면, ERDA(Elastic Recoil Detection Analysis: 고베 제강소 제조 HRBS500)로 분석한다. 제1 실시예에 관한 경질 피막(12)의 수소 함유량의 측정 방법으로서, 축(8M)의 축 방향 중앙을, 도 18에 나타낸 바와 같이, 주위 방향으로 적당 간격을 두고 10개소 측정한 측정값의 평균값을 구하고, 막 표면으로부터 막두께 0.3㎛까지의 영역을 분석하였다. ERDA에 의한 수소 함유량의 측정은, 깊이 방향의 조성 분포를 평가하기 위해, 막 표면으로부터 관찰한다. 측정 결과로부터 깊이 방향 0.3㎛까지의 영역의 수소 함유량을 판독함으로써 충분하였다.

제1 실시예에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던, 경질 피막(12)의 표면으로부터 0.3㎛까지의 영역의 수소 함유량은 10원자% 이상 30원자% 이하, 바람직하게는 16원자% 이상 25원자% 이하였다. 수소 함유량이 10원자% 미만일 경우, 밀착성이 저하된다. 수소 함유량이 30원자%를 넘을 경우, 막재 사이의 결합성이 저하되어, 박리되기 쉬워져 내마모성이 저하된다.

(9) 베어링 축의 전주면 표면에 형성한 sp2- 및 sp3-교잡 탄소를 포함하는 메탈 프리 아몰퍼스 탄화수소로 이루어지는 경질 피막의 금속 함유량에 대하여

축(8M)의 표면에 형성된 경질 피막(12)의 금속 함유량은, 예를 들면, SIMS(Secondary Ion Mass Spectromety: 알백·파이 주식회사 제조 ADEPT-1010)으로 분석한다. 특히 경질 피막(12)과 베이스재와의 밀착성을 좋게 하기 위해서는 Cr(크롬)을, (메탈 프리 아몰퍼스 탄화수소층을 포함하는) 아몰퍼스 탄화수소층과 Cr(크롬)층과의 밀착성을 좋게 하기 위해서는 W(텅스텐)를 함유시킨다. 제1 실시예에 관한 경질 피막(12)의 금속 함유량의 측정 방법으로서, 도 19에 나타낸 바와 같이 축(8M)의 축 방향 중앙을, 주위 방향 적당 간격을 두고 10개소 측정한 측정값의 평균값을 구하였다.

제1 실시예에 있어서 필요한 내마모성을 가지고 있었던, 경질 피막(12)의 Cr(크롬) + W(텅스텐)의 함유량은 5원자% 이상 50원자% 이하였다. Cr(크롬) + W(텅스텐)의 함유량이 5원자% 미만일 경우, 경질 피막(12)과 베이스재와의 밀착성이 저하된다. 50원자%를 넘었을 경우, 아몰퍼스 탄화수소막을 구성하고 있는 경질 피막(12)의 반분 이상이 금속으로 되어, 경도가 저하하여 내마모성이 저하된다.

이상의 파라미터가 전주면에 경질 피막(12)을 형성한 베어링(5)의 내마모성에 영향을 미친다. 각 파라미터는 단독으로 내마모성에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 내마모성을 유지하는 영역을 조합함으로써, 더욱 내마모성이 향상된다.

이상 설명한 제1 실시예에 관한 베어링에 의하면, 특성(1)로서 경질 피막(12)을 형성해야 할 베이스재에 있어서의 전주면의 진원도를 2㎛ 이하, 및 이 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도를 4㎛ 이하의 어느 한쪽 또는 양쪽을 만족시킴으로써, 상기 전주면은 필요 충분한 내마모성을 가진다. 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도를 4㎛ 이하로 하였으므로, 막두께 δ2가 장소에 따라 변화되지 않고, 경질 피막(12)에 걸리는 하중이 균일화되므로, 국소적인 과대 면압을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 전주면을 필요 충분한 내마모성으로 유지하여, 경질 피막(12)의 박리를 방지할 수 있다. 이로써, 상대 부품에 대한 공격성이 증가하는 것도 방지할 수 있다. 경질 피막(12)을 형성해야 할 베이스재에 있어서의 전주면의 진원도를 2㎛ 이하로 함으로써, 축(8M)의 진원도를 4㎛ 이하로 할 수 있다. 이와 같은 베어링(5)에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

또한, 상기 베어링(5)에서는, 특성(2)로서, 경질 피막(12)의 다이나믹 경도를 HD800 이상 HD2000 이하로 하고, 경질 피막(12)과 축 베이스재(8)의 막두께 δ2가 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 이 막두께 δ2가 경질 피막(12)의 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 하고 있다. 이로써, 베어링(5)의 전주면은 필요 충분한 피막 강도로 되고 막 부재 사이의 결합력을 강하게 하여 막손상을 방지하여, 내마모성을 유지한다. 상한값을 HD2000으로 하였으므로, 경질 피막(12)과 축 베이스재(8)와의 축 표면 경도차를 작게 할 수 있다. 경질 피막(12)의 막두께 δ2가 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 이 막두께 δ2가 경질 피막(12)의 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 하였으므로, 상기 경질 피막(12)에 작용하는 하중이 균일화된다. 이로써, 국소적으로 과대한 접촉 면압이 작용하는 것을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 경질 피막(12)의 막두께 δ2를 규정함으로써, 베어링의 경질 이물질인 그을음(경질 탄소 입자: 카본) 혼입 윤활 하에서의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 베어링(5)에서는, 특성(3)으로서 경질 피막(12)을 형성해야 할 베이스재의 표면 경도를 HV650 이상 HV1000 이하로 하고, 상기 경질 피막(12)의 막두께 δ2를 1㎛ 이상 5㎛ 이하로 하고, 또한 이 막두께 δ2를, 경질 피막(12)의 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 하였다.

이로써, 베어링(5)의 경질 이물질인 그을음(경질 탄소 입자: 카본) 혼입 윤활 하에서의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

상기 베어링에 의하면, 경질 피막(12)이 박리되는 것을 방지하여, 내마모성을 발휘할 수 있다. 또한, 경질 피막(12)의 박리에 기인하는 상대 부품에 대한 공격을 미연에 방지할 수 있다. 이와 같은 경질 피막(12)을 형성한 베어링(5)에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

또한, 상기 베어링(5)에서는, 특성(4)으로서 상기 경질 피막(12)의 파괴 인성값을 1.5MPam¹ ^/2 이상 6MPam¹ ^/2 이하, 바람직하게는 2MPam¹ ^/2 이상 5MPam¹ ^/2 이하로 하고 있다. 경질 피막(12)의 막두께 δ2는 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 상기 막두께 δ2가 경질 피막(12)의 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 상기 베어링(5)의 래디얼 간극이 2㎛ 이상 45㎛ 이하이고, 또한 전동체(10) 1개당의 원주 방향 간극 δ1이 2㎛ 이상 25㎛ 이하인 것이 바람직하다.

상기 베어링에 의하면, 경질 피막(12)의 파괴 인성값의 하한값을 1.5MPam¹ ^/2로 하였으므로, 형성된 경질 피막(12)이 반복 하중에 견딜 수 있어, 경질 피막(12)의 파괴, 박리가 쉽게 생기지 않게 할 수 있는 동시에, 윤활유와 충분히 친숙해 질 수가 있다. 따라서, 전주면을 필요 충분한 내마모성으로 유지하여, 경질 피막(12)의 파괴, 박리를 방지할 수 있다. 이로써, 상대 부품에 대한 공격성이 증가하는 것도 방지할 수 있다. 이와 같은 파괴 인성값을 규정한 베어링에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

또한, 상기 베어링(5)에서는, 특성(5)로서 상기 경질 피막(12)의 스크래치법 측정에 의한 임계 하중을 40N 이상 110N 이하, 보다 바람직하게는 60N 이상 100N 이하로 하고 있다. 경질 피막(12)의 막두께 δ2는 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 상기 막두께 δ2가 경질 피막(12)의 축 방향 중앙 P1의 막두께 δ2를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위인 것이 바람직하다.

상기 베어링에 의하면, 스크래치법 측정에 의한 임계 하중의 하한값을 40N으로 하였으므로, 경질 피막(12)이 박리되는 것을 방지하여, 내마모성을 발휘할 수 있다. 또한, 경질 피막(12)의 박리에 기인하는 상대 부품에 대한 공격을 미연에 방지할 수 있다. 상기 임계 하중의 상한값을 110N으로 하였으므로, 경질 피막(12)이 내마모성을 발휘하기까지 윤활유와 친숙해지는 시간 중에, 피막 표면의 일부분만 마모되는 것을 방지하고, 이로써, 경질 피막 표면 거칠기가 뜻하지 않게 커지는 것을 방지할 수 있다. 이와 같은 스크래치법 측정에 의한 임계 하중을 규정한 베어링(5)에 의해, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다.

또한, 상기 경질 피막(12)의 임계 하중을 60N 이상 100N 이하로 할 경우, 경질 피막(12)이 내마모성을 발휘하기까지 윤활유와 친숙해지는 시간 중, 또는 내마모성의 발휘 이후에 뜻하지 않게 박리되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 상기 베어링(6)에서는, 특성(6)으로서 경질 피막(12)을 형성해야 할 베이스재의 표면 거칠기를 Ra 0.15㎛ 이하로 하고, 상기 경질 피막(12)의 막두께 δ2를 1㎛ 이상 5㎛ 이하로 하고, 또한 이 막두께 δ2를, 경질 피막(12)의 축 방향 중앙 P1의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 하고 있다.

상기 베어링에 의하면, 경질 피막(12)이 박리되는 것을 방지하여, 내마모성을 발휘할 수 있다. 또한, 경질 피막(12)의 박리에 기인하는 상대 부품에 대한 공격을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 경질 피막(12)의 표면 거칠기가 Ra 0.25㎛을 넘었을 경우, 상대 부품에 대한 공격성이 인정되므로, 내마모성을 유지할 수 없다. 경질 피막(12)을 형성해야 할 베이스부인 베이스재의 표면 거칠기를 Ra 0.15㎛ 이하로 함으로써, 상기 경질 피막(12)의 표면 거칠기를 Ra 0.25㎛ 이하로 하여, 내마모성을 유지할 수 있다.

베어링은, 이상의 특성(1) 내지 특성(6) 중 어느 하나를 만족시키면 된다. 베어링이 복수의 특성 내지 모든 특성을 동시에 만족시켜도 되는 것은 물론이며, 그 경우, 상기한 효과가 한층 현저해진다.

베어링(5)의 래디얼 간극이 2㎛ 이상 45㎛ 이하이고, 또한 전동체(10) 1개당의 원주 방향 간극 δ1이 2㎛ 이상 25㎛ 이하라도 된다. 경질 피막을 형성한 베어링의 래디얼 간극의 하한값은 2㎛으로 할 수 있다. 베어링(5)의 조립을 용이하게 할 수 있는 것이 가능한데 더하여, 경질 피막을 형성함으로써 베이스재의 열팽창에 의한 치수 변화를 억제할 수 있어, 윤활 불량에 의한 눌어붙음이나 마모 등의 문제점을 미연에 방지할 수 있다. 래디얼 간극의 상한값을 45㎛로 함으로써, 전동체(10)의 스큐에 기인하는 진동, 음향을 억제하여, 베어링 수명의 저하를 방지할 수 있다.

또한, (경질 피막을 형성한) 상기 베어링의 원주 방향 간극 δ1의 하한값은 2㎛으로 할 수 있다. 베어링(5)의 조립을 용이하게 할 수 있는 것이 가능한데 더하여, 경질 피막을 형성함으로써 베이스재의 열팽창에 의한 치수 변화를 억제할 수 있어, 윤활 불량에 의한 눌어붙음이나 마모 등의 문제점을 미연에 방지할 수 있다. 원주 방향 간극 δ1의 상한값을 25㎛으로 하였으므로, 전동체(10)의 스큐에 기인하는 진동, 음향을 억제하여, 베어링 수명의 저하를 방지할 수 있다.

상기 경질 피막(12)은 다이아몬드 라이크 카본막, 약칭 DLC막이어도 된다. 이 DLC막을 베이스재의 전주면에 형성함으로써, 경질 이물질 혼입 윤활 하에서의 마모를 저감할 수 있다. DLC막은, 예를 들면, 베이스재 온도 300℃ 이하, 바람직하게는 상온에서, 플라즈마 CVD법 등의 화학 기상 성장법, 또는 레이저 아브레이션법, 스퍼터링법, 이온빔 증착법, 이온 플레이팅법 등의 물리 기상 성장법에 의해 형성된다. DLC막은 고에너지 입자를 베이스재 상에서 급냉하지 않으면 생성되지 않고, 저온일수록 DLC의 막질은 향상된다.

DLC는, 탄소와 수소로 이루어지고, DLC막은, 탄소와 수소가 각종의 몰비로 구성된 것을 포함하고, 또한 규소, 질소 및 산소 등의 적어도 어느 하나 1개가 포함되어도 된다. 또한, DLC막은, 다이아몬드 구조의 sp3 결합과, 그래파이트 구조의 sp2 결합이 혼재하고 있는 아몰퍼스 구조이며, sp3 결합은 경도를 부여하고, sp2 결합은 슬라이드 이동성(윤활성)을 부여한다. 그러므로, sp2 결합과 sp3 결합과의 혼재 비율에 의해, DLC막의 성질이 변화한다. 따라서, DLC막은, 이들 sp2 결합과 sp3 결합과의 혼재 비율을 조정함으로써, 막 표면의 경도 조정을 행할 수 있다.

상기 경질 피막(12)은, 세라믹스 미립자를 가스 중에 분산시켜 에어로졸화하고, 이 에어로졸을 베이스재 표면에 충돌시킴으로써 형성한 것이어도 된다. 에어로졸을 베이스재 표면에 분사하고, 막을 형성할 때는, 0.01kPa 이상 120kPa 이하의 압력으로 충돌시키는 것이 바람직하다. 압력 0.01kPa 미만에서는 에어로졸의 충돌 속도가 빨라져, 베이스재가 에칭되므로 성막되지 않는다. 압력 120kPa를 넘어 에어로졸을 충돌시켰을 경우, 충돌 속도가 늦어지게 되어, 세라믹스 입자가 베이스재 상에 퇴적되어, 성막되지 않는다. 또한, 상기 경질 피막(12)의 베이스재 상에의 형성은 실온 하에서 행할 수 있다.

암 본체(1)에는 축(8M)을 삽통하는 삽통공(6a)이 형성되고, 축(8M)을 상기 삽통공(6a)에 삽통시키고, 상기 축(8M)의 축단부(8a)를 코킹하여 로커암에 고정시키는 것이며, 축(8M)의 경질 피막 형성 범위에 있어서의, 코킹 후의 직경 방향의 변형량이 코킹 전의 축 직경 +0.1mm 이하의 범위 내로 해도 된다. 이 경우, 경질 피막(12)이 뜻하지 않게 박리되는 것을 방지하여, 경질 피막(12)에 의한 내마모성을 확실하게 발휘할 수 있다. 경질 피막(12)이 박리되어 이물질이 되는 것도 미연에 방지할 수 있다.

축(8M)의 축단부(8a)의 경도가 HRC10 이상 HRC35 이하라도 된다. 이 경우, 축(8M)과 로커암을 확실하게 고정시킬 수 있다. 상기 축단부(8a)를 HRC10 이상 HRC35 이하로 하는 방법으로서는, 예를 들면, 축단부(8a)를 제외한 고주파 표면 담금질, 또는 축단부(8a)를 제외한 고주파 담금질(표면뿐아니라 내부도 경화), 축단부(8a)에 마스킹을 행한 저온 질화 처리(550℃ 이하의 이온 질화, 가스 질화, 염욕 질화 등), 일반적인 전체 담금질 처리품의 축단부(8a)를 고주파 열처리에 의해 소둔하는 방법을 채용할 수 있다. 그리고, 롤러 폴로워의 축단부(8a)를 코킹하여 고정시키지 않을 경우에는, 축단부(8a)의 경도를 HRC10 이상 HRC35 이하로 할 필요가 없기 때문에, 일반적인 전체 담금질 처리도 채용할 수 있다. 축단부(8a)의 경도를 만족시키는 범위를, 축 단면으로부터 축 방향으로 1mm 이상의 위치에 도달하는 범위로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 축(8M)과 로커암을 보다 확실하게 고정시킬 수 있다.

경질 피막(12)의 예로서, sp2- 및 sp3- 교잡 탄소를 포함하는 아몰퍼스 탄화수소(메탈 프리 아몰퍼스 탄화수소의 경우도 포함함)를 포함하는 경질 피막(12)을 적용할 경우, 막 형성 전에 축 표면에 숏 피닝 가공을 행함으로써 표면 경도를 HV1000 가까이로 할 수 있다. AD법으로 형성한 막의 경우, 원료 분말 중에는 평균 입자 직경을 넘은 크기의 입자가 있다. 입경이 큰 입자는 막 형성에 기여하지 않고 베이스재 표면에 충돌함으로써 피닝 처리가 행해지고, 베이스재 표면 경도는 HV1000 가까이로 할 수 있다. 이와 같이 베이스재 표면 경도를 HV1000 가까이로 함으로써, 베이스재가 필요한 인성값을 만족시키고, 베이스재에 균열이 발생하는 경우가 없어, 경질 피막(12)와의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

경질 피막(12)의 Cr(크롬) + W(텅스텐)의 함유량을 5원자% 이상 50원자% 이하로 할 경우, 경질 피막(12)과 베이스재와의 밀착성이 양호해지는 데 더하여, 경도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 내마모성의 저하를 방지할 수 있다.

경질 피막(12)의 표면으로부터 0.3㎛까지의 영역의 수소 함유량이 10원자% 이상 30원자% 이하, 바람직하게는 16원자% 이상 25원자% 이하일 경우, 경질 피막(12)과 베이스재와의 밀착성의 저하를 방지할 수 있는데 더하여, 막재 사이의 결합성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 경질 피막(12)이 뜻하지 않게 박리되는 것을 방지할 수 있어, 내마모성의 저하를 방지할 수 있다.

경질 피막(12)의 에어로졸 원료 세라믹스로서 알루미나를 적용해도 된다. 알루미나, 지르코니아, 티타니아 등의 산화물계 세라믹스 중 특히, 알루미나를 원료로서 사용함으로써, 진비중을 작게 하여 에어로졸화되기 쉽게 할 수 있다. 이 경우에 있어서, 사용하는 입자의 평균 입자 직경은 0.01㎛ 이상 2.0㎛ 이하라도 된다. 이와 같은 평균 입자 직경으로 함으로써, 에어로졸화를 용이화하여, AD법에서의 막 형성을 용이하게 형성할 수 있다.

에어로졸을 베이스재 표면에 분사하고, 0.01kPa 이상 120kPa 이하의 압력으로 충돌시켜 경질 피막(12)을 형성해도 된다. 이 경우, 베이스재가 에칭되지 않고 성막할 수 있다. 또한, 입자의 충돌 속도가 지연되지 않고, 따라서, 세라믹스 입자가 베이스재 상에 퇴적되는 것도 방지할 수 있다. 따라서, 경질 피막(12)을 보다 확실하게 성막할 수 있다.

상기 에어로졸을 베이스재에 충돌시켜 실온에서 경질 피막(12)을 형성해도 된다. 따라서, AD법에 따른 경질 피막(12)을 형성할 경우, 온도를 제어할 필요가 없어져, 그만큼, 설비 비용의 저감을 도모할 수 있다.

롤링 베어링으로서는, 전동체와 외륜과 내륜을 가지는 베어링을 적용할 수도 있다. 이 경우에 있어서, 내륜 외경면 중 적어도 축 방향 중간부가 열처리에 의해 경화되고, 내외륜 및 전동체 중 적어도 어느 하나의 전주면에 경질 피막(12)을 형성한다. 이 경우에도, 제1 실시예와 동일한 작용, 효과를 얻을 수 있다.

축(8M)의 외경면에 있어서의 축 방향 중간부는, 전동체(10)의 전주폭(10W) 이상일 경우, 축 베이스재(8)의 축 방향 중간부는 열처리에 의해 경화된 위에 경질 피막(12)이 형성된다. 따라서, 전주면을 필요 충분한 내마모성으로 유지하고, 경질 피막(12)의 파괴, 박리를 방지할 수 있다.

축(8M)의 외경면에 있어서의 축 방향 중간부는, 외륜(9)의 폭치수 이상이어도 된다.

축(8M), 외륜(9), 및 전동체(10) 중 적어도 어느 하나의 베이스재에 있어서의, 전주면부의 경도가 깊이 50㎛까지 HRC58 이상 가지는 것이 바람직하다. 베어링 사용 시의 접촉 면압에 기초하여 마모뿐아니라 전동 피로가 생기지만, 이 경우, 전동 피로 수명을 충분히 확보할 수 있다.

베이스재의 표층을 경화시키는 경우에 있어서, 전주면부의 경도가 50㎛ 이상의 깊이로 HRC35 이하인 부분을 가져도 된다. 또한, 축(8M)은 중실축라도 중공축이어도 된다.

롤러 폴로워에 있어서의 축(8M)의 경질 피막(12)의 형성 범위를, 코킹 후의 변형량이, 코킹 전의 축 직경(코킹 후의 축(8M)의 축 방향 중앙 P1에 있어서의 축 직경)에 대해 +0.1mm 이하의 범위 내로 해도 된다. 롤러 폴로워는 조립 시에 막 형성한 축(8M)의 양 단부를 코킹하는 것에 의해, 경질 피막(12)의 형성 범위를, 코킹 후의 변형량이, 코킹 전의 축 직경(코킹 후의 축(8M)의 축 방향 중앙 P1에 있어서의 축 직경)에 대해 +0.1mm 이하의 범위 내로 함으로써, 코킹 가공에 따라 경질 피막(12)이 뜻하지 않게 박리되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 내마모성을 발휘할 수 있어 상대 부품을 공격하는 것도 방지할 수 있다.

축(8M)의 축단부(8a)를 코킹하는 대신에, 암 본체(1)를 코킹하여 축(8M)과 암 본체(1)를 고정시키는 구조, 또는 암 본체(1)에 축(8M)을 압입하는 구조를 채용해도 된다. 예를 들면, 암 본체(1)에 축(8M)을 압입하는 경우, 코킹용의 지그, 공구를 불필요하는 것이 가능해져, 가공 공정수의 저감을 도모할 수 있다. 암 본체(1)를 코킹하여 축(8M)과 암 본체(1)를 고정시키는 경우, 축 베이스재(8)에 대하여 일반적인 전체 담금질 처리를 채용할 수 있다.

경질 이물질인 그을음(경질 탄소 입자: 카본)을 포함하는 연료의 연소 중간 생성물 등, 약칭 「PM」이 혼입된 엔진 오일 윤활 하에서 , 상기 베어링을 사용할 수 있다. 이 경우, 엔진 부품의 각 부에 있어서 마모의 저감을 도모하고, 또한 마모량의 저감을 도모할 수 있다.

또한, 경질 탄소 입자 즉 카본이 2mass% 이상 포함되어 있는 엔진 오일 내에 있어서도, 상기 베어링을 사용할 수 있다. 카본의 비율이 증가하는 만큼, 베어링의 마모량은 많게 되어 얻지만, 이와 같은 엔진 오일 내에서 본 발명의 제1 실시예에 관한 베어링을 사용함으로써, 베어링의 마모량의 저감을 도모하여 베어링 수명의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 상기 베어링을, 경질 이물질의 발생량이 많은 디젤 엔진이나 직분 가솔린 엔진에 사용해도 된다. 이들의 경우에 있어서, 베어링에 현저한 마모가 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

이상 설명한 제1 실시예에서는, 전동체(10)로서 롤러를 사용하였으나, 볼을 사용할 수도 있다.

또한, 상기한 바와 같이, 경질 피막을 외륜 또는 전동체의 전주면에 형성해도 마찬가지의 효과가 얻어진다.

상기 제1 실시예에서는, 롤링 베어링에 경질 피막을 형성하고 있지만, 도 20에 나타낸 제2 실시예와 같이, 미끄럼 베어링에 경질 피막을 형성할 수도 있고, 이로써도, 상기 제1 실시예와 동일한 작용을 얻을 수 있다. 도 20에 있어서, 베어링(5)은, 암 본체(1)에 장착된 축(8M)과 외륜(9)을 가지고, 축(8M)의 외주면이 외륜(9)의 내주면에 미끄럼 접촉되어 있다. 이 제2 실시예에서는 경질 피막(12)을 축 베이스재(8)에 형성하고 있지만, 외륜(9)의 내주면에 형성할 수도 있다.

이상의 각 실시예에서는, 경질 피막을 롤러 폴로워에 적용한 경우를 나타냈으나, 이에 한정되지 않고 캠폴로워, 크랭크 샤프트, 밸런서 샤프트 등의 지지 베어링 등에 대한 적용도 가능하다. 이들 지지 베어링 등의 내마모성의 향상을 도모할 수 있다.

상기한 바와 같이, 도면을 참조하면서 바람직한 실시예를 설명하였으나, 당업자이면, 본건 명세서를 보고, 자명한 범위 내에서 각종의 변경 및 수정을 용이하게 상정할 수 있을 것이다. 따라서, 이와 같은 변경 및 수정은, 첨부한 특허청구의 범위로부터 정해지는 본 발명의 범위 내의 것으로 해석된다.

5: 베어링, 8M: 축, 9: 외륜, 10: 전동체, 12: 경질 피막

Claims

축 및 외륜과, 필요에 따라 상기 축과 외륜과의 사이에 개재된 복수 개의 전동체(轉動體)를 구비한 베어링으로서,
상기 축 중 적어도 축 방향 중간부가 열처리에 의해 경화되고, 상기 축, 외륜, 및 전동체 중 적어도 어느 하나의 전주면(轉走面)에 경질(硬質) 피막을 형성하고,
다음의 (1) ~ (6)의 특성 중 적어도 1개를 만족시키는, 베어링.
(1) 상기 경질 피막을 형성해야 할 베이스재에 있어서의 전주면의 진원도(眞圓度)가 2㎛ 이하, 및 상기 경질 피막 형성 후의 전주면의 진원도가 4㎛ 이하의 어느 한쪽 또는 양쪽을 만족시키는 것.
(2) 상기 경질 피막의 다이나믹 경도를 HD800 이상 HD2000 이하로 하고, 상기 경질 피막의 막두께가 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 상기 막두께가 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 한 것.
(3) 상기 경질 피막을 형성해야 할 베이스재의 표면 경도를 HV650 이상 HV1000 이하로 하고, 상기 경질 피막의 막두께를 1㎛ 이상 5㎛ 이하로 하고, 또한 상기 막두께를, 상기 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 한 것.
(4) 상기 경질 피막의 파괴 인성값(靭性値)을 1.5MPam¹ ^/2 이상 6MPam¹ ^/2 이하로 한 것.
(5) 상기 경질 피막의 스크래치법 측정에 의한 임계 하중을 40N 이상 110N 이하로 하고, 상기 경질 피막의 막두께가 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 상기 막두께가 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위인 것.
(6) 상기 경질 피막을 형성해야 할 베이스재의 표면 거칠기를 Ra 0.15㎛ 이하로 하고, 상기 경질 피막의 막두께를 1㎛ 이상 5㎛ 이하로 하고, 또한 상기 막두께를, 상기 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위로 한 것.
제1항에 있어서,
적어도 상기 특성(1) 또는 특성(4)를 만족시키고, 상기 경질 피막의 막두께가 1㎛ 이상 5㎛ 이하이고, 또한 상기 막두께가 경질 피막의 축 방향 중앙의 막두께를 기준으로 하여 ±2㎛ 이하의 범위인, 베어링.
제1항에 있어서,
적어도 상기 특성(3)을 만족시키고, 상기 베이스재의 전주면 표면으로부터 직경 방향으로 50㎛ 이상의 깊이로 HRC58 이상의 경도를 가지는 것으로 한, 베어링.
제1항에 있어서,
적어도 상기 특성(3) 또는 특성(5)를 만족시키고, 상기 베어링은, 상기 축이 로커암에 고정되어 사용되는 롤러 폴로워(roller follower)이며, 상기 롤러 폴로워는, 상기 롤러 폴로워의 상기 경질 피막이 형성되어 있지 않은 축단부를 코킹(caulking)하여 로커암에 고정되고, 상기 롤러 폴로워의 축단부의 외주면은, 상기 표면으로부터 직경 방향으로 50㎛ 이상의 깊이로 HRC58 이상의 경도를 가지는 것으로 한, 베어링.
제1항에 있어서,
적어도 상기 특성(4)를 만족시키고, 상기 경질 피막의 파괴 인성값을 2MPam^1/2 이상 5MPam¹ ^/2 이하로 한, 베어링.
제1항에 있어서,
적어도 상기 특성(5)를 만족시키고, 상기 경질 피막의 임계 하중을 60N 이상 100N 이하로 한, 베어링.
제1항에 있어서,
적어도 상기 특성(5)를 만족시키고, 상기 경질 피막이 Cr(크롬) 및 W(텅스텐)를 포함하고, Cr + W의 합계 함유량이, 5원자% 이상 50원자% 이하인, 베어링.
제1항에 있어서,
적어도 상기 특성(5)를 만족시키고, 상기 경질 피막의 표면으로부터 0.3㎛까지의 영역에 있어서의 수소 함유량이, 10원자% 이상 30원자% 이하인, 베어링.
제1항에 있어서,
적어도 상기 특성(6)을 만족시키고, 상기 경질 피막의 표면 거칠기를 Ra 0.25㎛ 이하로 한, 베어링.
제1항에 있어서,
상기 베어링의 래디얼 간극은 2㎛ 이상 45㎛ 이하이고, 또한 전동체 1개당의 원주 방향 간극은 2㎛ 이상 25㎛ 이하인, 베어링.
제1항에 있어서,
상기 경질 피막은 DLC막인, 베어링.
제1항에 있어서,
상기 경질 피막은, 세라믹스 미립자를 가스 중에 분산시켜 에어로졸(aerosol)화하고, 이 에어로졸을 베이스재 표면에 충돌시킴으로써 형성한 것인, 베어링.
제12항에 있어서,
적어도 상기 특성(2)를 만족시키고, 상기 세라믹스의 평균 입자 직경은 0.01㎛ 이상 2.0㎛ 이하인, 베어링.
제12항에 있어서,
상기 에어로졸을 0.01kPa 이상 120kPa 이하의 압력 중에서 베이스재에 충돌시켜 경질 피막을 형성한 것인, 베어링.
제1항에 있어서,
상기 전동체는 롤러인, 베어링.