WO2019022010A1 - 転がり軸受用保持器および転がり軸受 - Google Patents

転がり軸受用保持器および転がり軸受 Download PDF

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WO2019022010A1
WO2019022010A1 PCT/JP2018/027507 JP2018027507W WO2019022010A1 WO 2019022010 A1 WO2019022010 A1 WO 2019022010A1 JP 2018027507 W JP2018027507 W JP 2018027507W WO 2019022010 A1 WO2019022010 A1 WO 2019022010A1
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WO
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layer
mixed layer
rolling
film
rolling bearing
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PCT/JP2018/027507
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English (en)
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Inventor
雅樹 中西
三上　英信
Original Assignee
Ntn株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/46—Cages for rollers or needles
    • F16C33/56—Selection of substances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/24—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for radial load mainly
    • F16C19/26—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for radial load mainly with a single row of rollers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C9/00—Bearings for crankshafts or connecting-rods; Attachment of connecting-rods
    • F16C9/04—Connecting-rod bearings; Attachments thereof

Definitions

  • the present invention relates to a retainer for a rolling bearing and a rolling bearing provided with the same, and more particularly to a retainer for a rolling bearing having a hard film on the outer surface.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view of an engine using roller bearings at the small end and the large end of a connecting rod.
  • the engine connects a crankshaft 51 that outputs rotational motion, a piston 52 that linearly reciprocates by combustion of air-fuel mixture, and the crankshaft 51 and the piston 52, and rotates the linear reciprocating motion.
  • a connecting rod 54 for converting into motion.
  • the crankshaft 51 rotates around a rotation center axis, and balances rotation by a balance weight.
  • the connecting rod 54 is provided with a large end below the linear rod and a small end above.
  • crankshaft 51 is connected to the large end of the connecting rod 54, and the piston pin 53 connecting the piston 52 and the connecting rod 54 is connected to the small end of the connecting rod 54 via roller bearings 55 and 56 attached to the engagement holes respectively. It is rotatably supported.
  • the roller bearings 55 and 56 use needle bearings that can receive a high load load despite the small bearing projection area and have high rigidity.
  • the needle roller bearing includes a plurality of needle rollers and a cage that holds the plurality of needle rollers.
  • the cage is provided with pockets for holding the needle rollers, and pillars positioned between the pockets maintain the intervals of the needle rollers.
  • the needle roller bearings at the small end and the large end of the connecting rod are positively reduced at the small end and the large in order to reduce the load applied to the needle roller bearing by the rotational movement and revolution movement of the needle rollers. It is used in the outer diameter guide which makes the outer diameter surface of a holder contact the inner diameter surface of the engagement hole provided at the end.
  • the inside of the bearing is sealed by the inner ring, the outer ring, the sealing material, etc., the rolling element and cage are provided inside the bearing, grease is filled, and the rolling element and cage are filled with the grease.
  • the needle roller bearing does not have the inner ring, the outer ring, the sealing material and the like, the inside of the bearing is not sealed and grease can not be filled in the inside of the bearing. Therefore, when the needle roller bearing rotates, it is necessary to always supply lubricating oil to the sliding portion by a pump or the like.
  • the hard carbon film is a hard film generally called diamond-like carbon (hereinafter referred to as DLC, and a film / layer mainly composed of DLC is also referred to as a DLC film / layer).
  • DLC diamond-like carbon
  • Hard carbon also has various names such as hard amorphous carbon, amorphous carbon, hard amorphous carbon, i-carbon, and diamond-like carbon.
  • DLC diamond-based liquid crystal display
  • the hardness is as high as that of diamond, and excellent in wear resistance, solid lubricity, thermal conductivity, chemical stability, corrosion resistance, etc. For this reason, for example, it is being used as a protective film for molds / tools, wear resistant mechanical parts, abrasives, sliding members, magnetic / optical parts and the like.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • UBMS unbalanced magnetron sputtering
  • the DLC film has extremely high internal stress during film formation and has high hardness and Young's modulus, but has very low deformability, so it has weak adhesion to the substrate and has the disadvantage of being easily peeled off. ing. For this reason, when forming a DLC film on the above-mentioned each surface in a rolling bearing, it is necessary to improve adhesiveness.
  • Patent Document 1 a rolling device in which an intermediate layer is provided to improve the adhesion of a DLC film.
  • Cr chromium
  • W tungsten
  • Ti titanium
  • Si silicon
  • an underlayer containing a composition containing at least one of iron and iron, and the constituent elements of the underlayer and carbon, and the content of carbon on the opposite side of the underlayer is the underlayer
  • An intermediate layer larger than the side and a DLC layer composed of argon and carbon and having a content of argon of 0.02% by mass to 5% by mass are formed in this order.
  • Patent Document 2 a rolling bearing has been proposed in which the adhesion of the DLC film is improved by the anchor effect.
  • irregularities having an average width of 300 nm or less are formed on the raceway surface by ion bombardment at a height of 10 to 100 nm, and a DLC film is formed on this raceway surface.
  • Patent No. 4178826 gazette Patent No. 3961739 gazette
  • the high contact surface pressure generated in rolling bearings is not easy to ensure the peeling resistance of the film, and particularly in lubricating and operating conditions where a strong shear force can be generated on the film due to sliding friction. Securing peelability becomes more difficult.
  • the sliding surface on which the application of the DLC film is considered is often in a condition of poor lubrication and accompanied by sliding, and is often more severe than the operating condition in a general rolling bearing.
  • the present invention has a hard film on the sliding surface of a bearing cage and the like, and the lubricating state is poor, and even when contacting with other members under a condition involving slip, the hard film is resistant to peeling.
  • a cage for a rolling bearing capable of exhibiting excellent inherent properties of a film and being excellent in seizure resistance, wear resistance and corrosion resistance and preventing damage due to metal contact between bearing members, and the like.
  • the cage for a rolling bearing according to the present invention is a cage for a rolling bearing that holds rolling elements in a rolling bearing, and is in sliding contact with at least the rolling element on the outer surface of the cage main body and the cage main body.
  • a hard film formed on the surface and a sliding surface with another member, the hard film being formed on the underlayer formed directly on the outer surface of the cage body, and on the underlayer A mixed layer mainly composed of filmed tungsten carbide and diamond like carbon, and a surface layer mainly composed of diamond like carbon deposited on the mixed layer, wherein the mixed layer is the underlayer It is a layer in which the content of the tungsten carbide in the mixed layer decreases continuously or stepwise from the side toward the surface layer side, and the content of the diamond-like carbon in the mixed layer increases.
  • Hydrogen content in the mixed layer is less than 10 atomic%.
  • tungsten carbide is an inorganic compound (carbide) composed of equimolar amounts of tungsten atoms and carbon atoms.
  • diamond-like carbon is a general term for a thin film made of a carbon-based material having both carbon and carbon bonds of diamond and graphite (graphite).
  • a hard film having a predetermined film structure including DLC is formed on at least a sliding contact surface with the rolling element and a sliding contact surface with another member among the outer surfaces of the cage main body. It becomes a film. Since the intermediate layer is a mixed layer of WC and DLC (WC / DLC) and has a gradient composition, concentration of residual stress after film formation hardly occurs. In addition to this, since the hydrogen content in this mixed layer is less than 10 atomic%, the peeling resistance of the hard film is excellent even when the lubricating state is bad and it is in contact with other members under the conditions involving slippage.
  • the surface layer of the hard film preferably has, on the side adjacent to the mixed layer, a graded layer portion whose hardness increases continuously or stepwise from the mixed layer side. As described above, in the case having the inclined layer portion, the rapid hardness difference between the mixed layer and the surface layer disappears, and the adhesion between the mixed layer and the surface layer can be improved.
  • the cage body may be made of an iron-based material selected from high carbon chromium bearing steel, carbon steel, tool steel, or martensitic stainless steel. That is, any material generally used as a holder material can be used as a holder body.
  • the underlayer of the hard film is preferably a layer mainly composed of chromium and tungsten carbide. By setting in this manner, the adhesion between the underlayer and the mixed layer can be improved.
  • the rolling bearing includes a plurality of rolling elements and a cage for holding the rolling elements, wherein the cage is the rolling bearing cage.
  • the rolling bearing is preferably mounted in an engagement hole provided at the end of the connecting rod which supports the crankshaft for outputting the rotational movement and converts the linear reciprocating movement into the rotational movement.
  • the hard film is excellent in peeling resistance while being formed on the retainer sliding surface, and can exhibit the characteristics intrinsic to DLC.
  • the roller bearing retainer of the present invention is excellent in seizure resistance, wear resistance, and corrosion resistance, and has a long life with less damage such as a sliding surface even in a severe lubrication state.
  • the rolling bearing according to the present invention comprises a plurality of rolling elements and the cage for holding the rolling elements, so that the lubricity on the contact surface of the cage can be maintained over a long period of time, and seizure and the like are stabilized. It can prevent.
  • the rolling bearing is used as a connecting rod, the friction on the outer diameter surface of the cage and the inner diameter surface of the engagement hole is prevented for a long time from the initial stage of sliding, thereby prolonging the life of the entire device (for example, engine) be able to.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a four-cycle engine using the rolling bearing of the present invention. It is a perspective view which shows the needle roller bearing using the retainer for rolling bearings of this invention. It is a schematic cross section which shows the structure of a hard film. It is a schematic diagram which shows the film-forming principle of UBMS method. It is a schematic diagram of a UBMS apparatus.
  • FIG. 2 is a schematic view of a two-cylinder tester. It is sectional drawing of a 4 cycle engine.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a four-cycle engine using needle roller bearings as an example of the rolling bearing of the present invention.
  • the intake valve 7a is opened, the exhaust valve 8a is closed, and the mixture obtained by mixing gasoline and air is taken into the combustion chamber 9 via the intake pipe 7, and the intake valve 7a is closed.
  • a piston 6 performing linear reciprocation by combustion in these strokes, a crankshaft 4 outputting rotational motion, and a connecting rod 5 connecting the piston 6 and the crankshaft 4 and converting the linear reciprocation into rotational motion Have.
  • the crankshaft 4 rotates around a rotation center axis 10 and balances rotation by a balance weight 11.
  • the connecting rod 5 is provided with a large end 13 below the linear rod and a small end 14 above.
  • the crankshaft 4 is rotatably supported via a needle roller bearing 1 a attached to an engagement hole of the large end 13 of the connecting rod 5.
  • a piston pin 12 connecting the piston 6 and the connecting rod 5 is rotatably supported via a needle roller bearing 1 b attached to an engagement hole of the small end portion 14 of the connecting rod 5.
  • the needle roller bearings 1a and 1b are needle roller bearings 1 (see FIG. 2) using the rolling bearing retainer according to the present invention.
  • the needle roller bearing 1 is composed of a plurality of needle rollers 3 and a cage 2 for holding the needle rollers 3 at fixed or unequal intervals.
  • the inner ring and the outer ring are not provided, and shafts such as the crankshaft 4 and the piston pin 12 are directly inserted into the inner diameter side of the cage 2, and the outer diameter side of the cage 2 is the housing Fit in the engagement hole (see Figure 1). Since needle rollers 3 having a smaller diameter than the length are used as rolling elements without inner and outer rings, the needle roller bearing 1 is more compact than a general rolling bearing having inner and outer rings. Become.
  • the cage 2 is provided with pockets 2a for holding the needle rollers 3, and as shown in FIG. 3, the pillars 2b positioned between the pockets maintain the spacing between the needle rollers 3. .
  • the cage 2 is a cage body 2A made of an iron-based material selected from high carbon chromium bearing steel, carbon steel, tool steel, or martensitic stainless steel, and a hard film formed on the outer surface of the cage body (Hard film) 30 (see FIG. 3).
  • the surface portion of the retainer main body 2A forming the hard film 30 is at least a sliding contact surface with the needle roller 3 which is a rolling element and a sliding contact surface with other members in the entire outer surface of the holder main body 2A. .
  • the outer surface of the cage main body 2A is a surface which constitutes the outermost surface of the cage 2 and is in sliding contact with the needle rollers 3 which are rolling elements and other members. These outer surfaces are also parts that come in contact with lubricating oil and the like.
  • the other members are the inner and outer rings, the end of the connecting rod, and the like.
  • the hard film (hard film) 30 be formed on the entire outer surface of the cage 2 including the surface of the pocket 2 a in contact with the needle rollers 3 because the production is easy.
  • a similar hard film (hard film) 30 can be formed not only on the outermost surface of the cage 2 but also on the surface of the needle roller 3 which is a rolling element and the inner surface of the engagement hole of the connecting rod 5. .
  • the hardness of the surface on which the hard film 30 is formed is preferably Hv 650 or more in Vickers hardness. By setting it as Hv650 or more, the hardness difference with the hard film 30 (underlayer 30a which this hard film 30 mentions later) can be reduced, and adhesiveness can be improved.
  • a nitrided layer be formed by nitriding before forming the hard film.
  • the nitriding treatment it is preferable to perform plasma nitriding treatment in which it is difficult to form an oxide layer which prevents adhesion on the surface of the base material.
  • the hardness of the surface after the nitriding treatment is Hv 1000 or more in Vickers hardness in order to further improve the adhesion to the hard film 30 (the underlayer 30 a of the hard film 30).
  • the surface roughness Ra of the surface on which the hard film 30 is formed is preferably 0.05 ⁇ m or less.
  • the surface roughness Ra exceeds 0.05 ⁇ m, it becomes difficult to form a hard film at the tip of the protrusion having the roughness, and the film thickness locally decreases.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the hard film 30 shown in the needle roller bearing 1a (1b) of FIG.
  • the hard film 30 includes an underlayer 30a formed directly on the cage body 2A, and WC (tungsten carbide) and DLC (diamond like carbon) deposited on the underlayer 30a. And a surface layer 30c mainly made of DLC formed on the mixed layer 30b.
  • tungsten carbide is an inorganic compound (carbide) composed of equimolar amounts of tungsten atoms and carbon atoms.
  • diamond-like carbon is a general term for a thin film made of a carbon-based material having both carbon and carbon bonds of diamond and graphite (graphite).
  • graphite graphite
  • the foundation layer 30 a is a foundation layer formed directly on the surface of each bearing member as a base material.
  • the material and structure are not particularly limited as long as adhesion with the substrate can be secured, and for example, Cr (chromium), W (tungsten), Ti (titanium), Si (silicon) or the like can be used as the material.
  • Cr is preferably contained because it is excellent in adhesion to a bearing member (for example, high carbon chromium bearing steel) serving as a base material.
  • the underlayer 30a is preferably a layer mainly composed of Cr and WC in consideration of adhesion to the mixed layer 30b.
  • WC has an intermediate hardness and elastic modulus between Cr and DLC, and concentration of residual stress after film formation hardly occurs.
  • the mixed layer 30 b is an intermediate layer interposed between the underlayer 30 a and the surface layer 30 c.
  • WC used for the mixed layer 30b has hardness and elastic modulus intermediate between Cr and DLC, and concentration of residual stress after film formation is also less likely to occur.
  • the mixed layer 30 b has a gradient composition in which the content of WC decreases and the content of DLC increases from the base layer 30 a side to the surface layer 30 c side. For this reason, the adhesiveness on both surfaces of base layer 30a and surface layer 30c is excellent. Further, in the mixed layer 30b, the WC and the DLC are physically bonded to each other, so that damage or the like in the mixed layer 30b can be prevented. Furthermore, since the DLC content is increased on the surface layer 30c side, the adhesion between the surface layer 30c and the mixed layer 30b is excellent.
  • the mixed layer 30 b is a layer that bonds DLC having high non-adhesiveness to the base layer 30 a side by WC with an anchor effect. As shown in the examples below, it is important to reduce the hydrogen content in the mixed layer to a certain extent in order to improve the peel resistance in the case of contact with other members under a condition of poor lubrication and sliding. Become.
  • the hydrogen content in the mixed layer 30 b is less than 10 at%. By setting this range, it is possible to prevent the separation of the hard film even under the condition of rolling and sliding contact by boundary lubrication.
  • the hydrogen content of the mixed layer 30 b exceeds 10 atomic%, a relatively soft DLC is present in the mixed layer 30 b to be the intermediate layer, and there is a possibility that the layer may be easily peeled off under the above conditions.
  • a hydrocarbon-based gas as a carbon supply source for DLC in combination with a slight amount of hydrogen and within the above range.
  • the “hydrogen content (atomic%) in the mixed layer” in the present invention can be calculated by a known analysis method. For example, it can be determined by GDS analysis (glow discharge emission spectrometry). GDS analysis is an analysis that can examine the relationship between the depth direction and the amount of elements, and quantification is possible if a calibration curve of each element is prepared.
  • the hydrogen amount calibration curve can be created using ERDA analysis (elastic recoil particle detection method) that can measure the absolute amount of hydrogen. Since the hydrogen amount output value in GDS analysis differs depending on the difference in the test strip material, it is necessary to create a hydrogen amount calibration curve for each of DLC and WC that constitute the mixed layer (WC / DLC).
  • test pieces with different hydrogen content were adjusted by adjusting the amount of hydrocarbon gas introduced under the conditions matched to the film forming conditions of the mixed layer (WC / DLC).
  • Prepare ERDA analysis and GDS analysis and examine the relationship (calibration curve) between the hydrogen amount output value in GDS analysis and the amount of hydrogen (atomic%) measured in ERDA analysis. Since the hydrogen content determined by the DLC hydrogen content calibration curve and the hydrogen content determined by the WC hydrogen content calibration curve are different, any hydrogen content obtained by these two calibration curves is averaged to obtain an arbitrary value. The hydrogen content (atomic%) corresponding to the hydrogen content output value of can be calculated.
  • the surface layer 30c is a film mainly made of DLC.
  • the difference between the physical properties (hardness, elastic modulus, etc.) of the mixed layer 30b and the surface layer 30c is eliminated rapidly, and the adhesion between the mixed layer 30b and the surface layer 30c is further excellent.
  • the composition ratio of the graphite structure (sp 2 ) and the diamond structure (sp 3 ) in the DLC structure is biased to the latter by increasing the bias voltage continuously or stepwise, and the hardness is inclined (increased). .
  • the film thickness of the hard film 30 (total of three layers) is preferably 0.5 to 3.0 ⁇ m. If the film thickness is less than 0.5 ⁇ m, the abrasion resistance and mechanical strength may be poor, and if it exceeds 3.0 ⁇ m, the film may be easily peeled off. Furthermore, the ratio of the thickness of the surface layer 30c to the thickness of the hard film 30 is preferably 0.8 or less. If this ratio exceeds 0.8, the inclined structure for physically bonding WC and DLC in the mixed layer 30b is likely to be a discontinuous structure, and the adhesion may be deteriorated.
  • the peeling resistance is excellent.
  • the rolling bearing of the present invention by forming a hard film having the above-described structure and physical properties, even when a load such as rolling sliding contact is received during use of the bearing, abrasion and peeling of the film can be prevented. Even in a lubricated state, damage to the raceway surface and the like is reduced, resulting in long life.
  • a rolling bearing in which grease is enclosed when a new metal surface is exposed due to damage to a bearing ring or the like, grease degradation is promoted by a catalytic action, but in the rolling bearing of the present invention, a raceway surface or rolling due to metal contact by a hard film. Since the surface damage can be prevented, this grease deterioration can also be prevented.
  • the hard film is obtained by forming the underlayer 30a, the mixed layer 30b, and the surface layer 30c in this order on the film forming surface of the bearing member.
  • the formation of the surface layer 30c is preferably performed using a UBMS apparatus using Ar gas as a sputtering gas.
  • the film forming principle of the UBMS method using the UBMS apparatus will be described with reference to a schematic view shown in FIG.
  • the substrate 12 is a cage 2 or the like which is a bearing member to be film-formed, but is schematically shown as a flat plate.
  • an inner magnet 14a and an outer magnet 14b having different magnetic characteristics are disposed at the central portion and the peripheral portion of the round target 15, and the magnet 14a is formed while forming a high density plasma 19 near the target 15.
  • a portion 16 a of the magnetic field lines 16 generated by 14 b reach the vicinity of the substrate 12 connected to the bias power supply 11.
  • the underlayer 30a and the mixed layer 30b are also preferably formed using a UBMS apparatus using Ar gas as the sputtering gas.
  • a Cr target and a WC target are used in combination as the target 15.
  • a WC target, and (2) a graphite target and, if necessary, a hydrocarbon-based gas are used. For each formation of each layer, the target used for each is replaced sequentially.
  • the sputtering power applied to the WC target is increased continuously or stepwise, and the power applied to the Cr target is decreased.
  • Membrane As a result, it is possible to obtain a layer having a structure in which the content of Cr decreases and the content of WC increases toward the mixed layer 30b.
  • the mixed layer 30 b is formed continuously or stepwise while increasing the sputtering power applied to the graphite target serving as a carbon source and decreasing the power applied to the WC target. As a result, it is possible to obtain a layer having a gradient composition in which the content of WC decreases toward the surface layer 30c and the content of DLC increases.
  • a hard film having a predetermined film structure including DLC is formed on at least a sliding contact surface with the rolling element and a sliding contact surface with another member among the outer surfaces of the cage main body. It becomes a film. Since the intermediate layer is a mixed layer of WC and DLC (WC / DLC) and has a gradient composition, concentration of residual stress after film formation hardly occurs. In addition to this, since the hydrogen content in this mixed layer is less than 10 atomic%, the peeling resistance of the hard film is excellent even when the lubricating state is bad and it is in contact with other members under the conditions involving slippage.
  • the hard film 30 is excellent in peeling resistance while being formed on, for example, a retainer sliding surface, and can exhibit the intrinsic characteristics of DLC.
  • the roller bearing retainer of the present invention is excellent in seizure resistance, wear resistance, and corrosion resistance, and has a long life with less damage such as a sliding surface even in a severe lubrication state.
  • the surface layer 30c of the hard film 30 has a graded layer portion on the side adjacent to the mixed layer 30b, the hardness of which increases continuously or stepwise from the mixed layer 30b side. As described above, in the case having the inclined layer portion, the rapid hardness difference between the mixed layer 30 b and the surface layer 30 c is eliminated, and the adhesion between the mixed layer 30 and the surface layer 30 c can be improved.
  • the cage body 2A uses an iron-based material selected from high carbon chromium bearing steel, carbon steel, tool steel, or martensitic stainless steel. Therefore, any material generally used as a holder material can be used as the holder body 2A.
  • the underlayer 30a of the hard film 30 is a layer mainly composed of chromium and tungsten carbide, the adhesion between the underlayer 30a and the mixed layer 30b can be improved.
  • the lubricity on the contact surface of the cage can be maintained for a long time, and seizure and the like can be stably prevented. Further, in the case where the rolling bearing is used as a connecting rod, the friction on the outer diameter surface of the cage and the inner diameter surface of the engagement hole is prevented for a long time from the initial stage of sliding, thereby prolonging the life of the entire device (for example, engine) be able to.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. Even if it is a radial bearing as a type of rolling bearing, it is a thrust bearing May be Moreover, as a rolling element, it may be a ball or a roller. Also, in the case of a roller, it may be a cylindrical roller, a needle roller, a tapered roller, or a spherical roller having a barrel shape.
  • the rolling bearing of the present invention is attached to the engagement holes provided at the small end and the large end of the connecting rod as described above,
  • the piston pin and the crankshaft can be supported, and despite the small bearing projected area, they can be subjected to high loads.
  • a rolling bearing using a needle roller with high rigidity as a rolling element can receive a load with a higher load than a rolling bearing using a roller as a rolling element.
  • a hard film formed on the rolling bearing of the present invention a hard film was formed on a predetermined base material, and the physical properties of the hard film were evaluated. Moreover, evaluation of peeling resistance was performed by the rolling slip test which used 2 cylindrical tester.
  • test pieces used for evaluation of the hard film, the UBMS apparatus, the sputtering gas, etc. are as follows.
  • UBMS device manufactured by Kobe Steel; UBMS 202 (5) Sputtering gas: Ar gas
  • the conditions for forming the underlayer 30a will be described below.
  • the inside of the film forming chamber is evacuated to about 5 ⁇ 10 -3 Pa, the specimen serving as the substrate is baked by the heater, the substrate surface is etched by Ar plasma, and then the Cr target and WC target are formed by the UBMS method.
  • the sputtering power applied to was adjusted, the composition ratio of WC to DLC was inclined, and a Cr / WC inclined layer having a large amount of Cr on the substrate side and a large amount of WC on the surface side was formed.
  • the conditions for forming the mixed layer will be described below. It formed into a film by the UBMS method similarly to a base layer.
  • the mixed layer while supplying methane gas that is a hydrocarbon-based gas, the sputtering power applied to the WC target and the graphite target is adjusted to make the composition ratio of WC and DLC inclined, and WC on the underlayer side. There are many WC / DLC gradient layers with many DLC on the surface layer side.
  • Specific film formation conditions of the mixed layer are shown in Table 1.
  • the hydrogen content (atomic%) in the mixed layer was determined by the above-mentioned method by GDS analysis (glow discharge emission spectroscopy). The results are shown in Table 1.
  • the conditions for forming the surface layer are as shown in Table 1 above.
  • FIG. 5 is a schematic view of the UBMS apparatus.
  • the plasma density in the vicinity of the substrate 21 is increased by the non-equilibrium magnetic field of the sputter evaporation source material (target) 22 to increase the ion assist effect.
  • target sputter evaporation source material
  • FIG. 4 is an apparatus equipped with a UBMS function that can control the characteristics of the film deposited on the substrate. With this apparatus, it is possible to form a composite film in which a plurality of UBMS films (including compositional gradients) are arbitrarily combined on the substrate.
  • a base layer, a mixed layer, and a surface layer are formed as a UBMS film on a ring as a base material.
  • Example 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 the substrates shown in Table 1 were subjected to ultrasonic cleaning with acetone and then dried. After drying, this was attached to a UBMS apparatus, and an underlayer and a mixed layer were formed under the above-described forming conditions. A DLC film as the surface layer was formed thereon under the film forming conditions shown in Table 1 to obtain a test piece having a hard film.
  • the “degree of vacuum” in Table 1 is the degree of vacuum in the film forming chamber in the above apparatus.
  • the obtained test piece was subjected to a rolling and sliding test using a two-cylinder tester shown below. The results are shown in Table 1.
  • Example 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 the film forming conditions of the base material and the surface layer to be used are the same, and the hardness of the surface layer is about 29 GPa in average value.
  • Table 1 when the hydrogen content at the time of forming the mixed layer is changed, when the hydrogen content is high, the peeling life in the two-cylinder rolling slip test tends to be short, and the hydrogen content is 10.2. The life is dramatically short at 8 atomic%, and it is considered that the presence of a relatively soft DLC having a high hydrogen content in the mixed layer adversely affects the peel resistance of the film.
  • a hard film such as a DLC film has residual stress in the film, and the residual stress is greatly different under the influence of the film structure and film forming conditions, and as a result, the peeling resistance is also greatly affected.
  • the peel resistance also changes depending on the conditions under which the hard film is used. For this reason, the inventors of the present invention have repeatedly conducted verifications under conditions such as rolling and sliding contact in a case where the lubrication state is poor (boundary lubrication condition) by a two-cylinder test or the like. With respect to the hard film formed on the surface, it has been found that the peel resistance can be improved under such conditions by limiting the film structure and, in particular, setting the hydrogen content within a predetermined range. The present invention has been made based on such findings.
  • the sliding surface and the rolling surface where the application of DLC is considered are often in a severe lubrication state such as thin lubrication or high sliding speed.
  • the DLC film is formed on the sliding surface of the cage, and the peeling resistance of this DL film is excellent even when operated under severe lubrication conditions, and the characteristics of the DLC main body can be exhibited. Resistance, wear resistance, and corrosion resistance. For this reason, the rolling bearing of the present invention is applicable to various applications including applications under severe lubrication conditions.
  • It can be suitably used as a rolling bearing used in compressors for air conditioners, such as air conditioners and car air conditioners, as well as for connecting rods.

Abstract

転がり軸受用保持器は、保持器本体と、この保持器本体の外表面のうち、少なくとも前記転動体との摺接面および他部材との摺接面に形成される硬質膜とを備える。硬質膜は、保持器本体の外表面の上に直接成膜された下地層と、下地層の上に成膜されたＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層と、混合層の上に成膜されたＤＬＣを主体とする表面層とを有する。混合層は、下地層側から前記表面層側へ向けて連続的または段階的に、混合層中のＷＣの含有率が小さくなり、混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる層である、混合層における水素含有量が１０原子％未満である。

Description

転がり軸受用保持器および転がり軸受
　本発明は、転がり軸受用保持器およびこれを備えた転がり軸受に関し、特に、外表面に硬質膜を有する転がり軸受用保持器に関する。
　回転軸を支持するころ軸受は、複数のころ（転動体）と、複数のころを保持する保持器とからなる。図７は、コンロッドの小端部および大端部にころ軸受を使用したエンジンの縦断面図である。図７に示すように、エンジンは、回転運動を出力するクランク軸５１と、混合気の燃焼により直線往復運動を行なうピストン５２と、クランク軸５１とピストン５２とを連結し、直線往復運動を回転運動に変換するコンロッド５４とを有する。クランク軸５１は、回転中心軸を中心に回転し、バランスウェイトによって回転のバランスをとっている。コンロッド５４は、直線状棒体の下方に大端部を、上方に小端部を設けたものからなる。クランク軸５１は、コンロッド５４の大端部に、ピストン５２とコンロッド５４を連結するピストンピン５３は、コンロッド５４の小端部に、それぞれ係合穴に取り付けられたころ軸受５５、５６を介して回転自在に支持されている。
　ころ軸受５５、５６には、軸受投影面積が小さいにもかかわらず、高荷重の負荷を受けることができ、かつ、高剛性である針状ころ軸受が使用される。針状ころ軸受は、複数の針状ころと、複数の針状ころを保持する保持器とを含む。保持器には、針状ころを保持するためのポケットが設けられ、各ポケットの間に位置する柱部で、各針状ころの間隔を保持する。ここで、コンロッドの小端部および大端部における針状ころ軸受は、針状ころの自転運動および公転運動により針状ころ軸受にかかる荷重を軽減するために、積極的に小端部および大端部に設けられた係合穴の内径面に保持器の外径面を接触させる外径案内で使用される。
　一方、一般の転がり軸受は、内輪と外輪とシール材等とで軸受内部が密閉され、その軸受内部に転動体と保持器が設けられ、グリースが充填され、そのグリースで転動体と保持器が常に潤滑される。それに対して、針状ころ軸受は、内輪と外輪とシール材等とを有しないので軸受内部が密閉されず、グリースをその軸受内部に充填することができない。そのため、針状ころ軸受の回転の際には、ポンプ等で潤滑油を摺動部に常に供給する必要がある。
　ポンプ等は、針状ころ軸受の回転と同時に稼動を開始するので、回転開始直後は針状ころ軸受の全体に潤滑油がまだ行きわたっておらず、十分な潤滑がなされない。そのため、保持器と針状ころとの間に大きな摩擦が生じ、保持器や針状ころの表面が摩耗したり、保持器外径面と実機ハウジング内径面とが摩耗し、最悪の場合、両者が焼き付いたりするおそれがある。そのため、針状ころ軸受の回転開始直後の摩耗や焼き付きを防止すべく、保持器の表面に潤滑性を有する被膜（硬質膜）を予め形成する技術が提案されている。
　近年では、硬質膜に硬質カーボン膜が用いられてきている。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。
　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。
　このため、従来では、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、密着性を改善する必要性がある。
　すなわち、従来には、中間層を設けてＤＬＣ膜の密着性改善を図った転動装置が提案されている（特許文献１）。この場合、鉄鋼材料で形成された軌道溝や転動体の転動面に、クロム（以下、Ｃｒと記す）、タングステン（以下、Ｗと記す）、チタン（以下、Ｔｉと記す）、珪素（以下、Ｓｉと記す）、ニッケル、および鉄の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、この下地層の構成元素と炭素とを含有し、炭素の含有率が下地層の反対側で下地層側より大きい中間層と、アルゴンと炭素とからなりアルゴンの含有率が０．０２質量％以上５質量％以下であるＤＬＣ層とが、この順に形成されたものである。
　また、従来には、アンカー効果によりＤＬＣ膜の密着性改善を図った転がり軸受が提案されている（特許文献２）。この場合、軌道面にイオン衝撃処理により１０～１００ｎｍの高さで平均幅３００ｎｍ以下の凹凸を形成し、この軌道面上にＤＬＣ膜を形成したものである。
特許第４１７８８２６号公報 特許第３９６１７３９号公報
　しかしながら、転がり軸受において発生する高い接触面圧下では被膜の耐剥離性の確保は容易でなく、特に滑り摩擦により被膜に対して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被膜の耐剥離性の確保がより困難となる。特に、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。
　すなわち、上記した各特許文献の技術は、硬質膜の剥離防止などを図ったものであるが、得られた転がり軸受について、使用条件に応じた要求特性を満足させるべく、ＤＬＣ膜を適用する際の膜構造や成膜条件には更なる改善の余地がある。
　そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、軸受保持器の摺動面などに硬質膜を有し、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この硬質膜の耐剥離性に優れ、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転がり軸受用保持器およびこれらを備えた転がり軸受を提供するものである。
　本発明の転がり軸受用保持器は、転がり軸受における転動体を保持する転がり軸受用保持器であって、保持器本体と、この保持器本体の外表面のうち、少なくとも前記転動体との摺接面および他部材との摺接面に形成される硬質膜とを備え、前記硬質膜は、前記保持器本体の外表面の上に直接成膜された下地層と、この下地層の上に成膜されたタングステンカーバイドとダイヤモンドライクカーボンとを主体とする混合層と、この混合層の上に成膜されたダイヤモンドライクカーボンを主体とする表面層とを有し、前記混合層は、前記下地層側から前記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の前記タングステンカーバイドの含有率が小さくなり、この混合層中の前記ダイヤモンドライクカーボンの含有率が高くなる層であり、前記混合層における水素含有量が１０原子％未満である。ここで、タングステンカーバイドとは、等モル量のタングステン原子と炭素原子からなる無機化合物（炭化物）である。また、ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンドとグラファイト（黒鉛）の両方の炭素－炭素結合を併せ持つ炭素を主成分とした物質で作られた薄膜の総称である。
　本発明の転がり軸受用保持器は、保持器本体の外表面のうち、少なくとも転動体との摺接面および他部材との摺接面に、ＤＬＣを含む所定の膜構造を有する硬質膜が成膜されてなる。中間層がＷＣとＤＬＣの混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）であり、傾斜組成とされているので、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。これに加えて、この混合層における水素含有量が１０原子％未満であるので、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硬質膜の耐剥離性に優れる。
　前記硬質膜の表面層は、前記混合層との隣接側に、前記混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有するのが好ましい。このように、傾斜層部分を有するものでは、混合層と表面層との急激な硬度差がなくなり、混合層と表面層との密着性の向上を図ることができる。
　前記保持器本体は、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼から選ばれる鉄系材料を用いることができる。すなわち、保持器本体として、保持器材として一般的に用いられる任意の材料を使用できる。
　前記硬質膜の下地層が、クロムとタングステンカーバイドとを主体とする層であるのが好ましい。このように設定することによって、下地層と混合層との密着性の向上を図ることができる。
　複数の転動体と、この転動体を保持する保持器とを備えてなる転がり軸受であって、前記保持器が前記転がり軸受用保持器であるのが好ましい。
　前記転がり軸受が、回転運動を出力するクランク軸を支持し、直線往復運動を回転運動に変換するコンロッドの端部に設けられた係合穴に取り付けられるのが好ましい。
　本発明の転がり軸受用保持器では、硬質膜は、例えば、保持器摺動面に形成されながら耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本来の特性を発揮できる。この結果、本発明の転がり軸受用保持器は、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れ、苛酷な潤滑状態でも摺動面などの損傷が少なく長寿命となる。
　本発明の転がり軸受は、複数の転動体と、この転動体を保持する前記保持器とを備えてなるので、長期にわたり保持器摺接面での潤滑性を維持でき、焼き付き等を安定して防止できる。
　また、前記転がり軸受をコンロッドに用いたものでは、保持器外径面や係合穴内径面での摩擦が摺動初期から長期にわたって防止され、装置（例えば、エンジン）全体の長寿命化を図ることができる。
本発明の転がり軸受を使用した４サイクルエンジンの断面図である。 本発明の転がり軸受用保持器を用いた針状ころ軸受を示す斜視図である。 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。 ４サイクルエンジンの断面図である。
　以下本発明の実施の形態を図１～図６に基づいて説明する。図１は本発明の転がり軸受の一例として針状ころ軸受を使用した４サイクルエンジンの縦断面図である。４サイクルエンジンは、吸気バルブ７ａを開き、排気バルブ８ａを閉じてガソリンと空気を混合した混合気を吸気管７を介して燃焼室９に吸入する吸入行程と、吸気バルブ７ａを閉じてピストン６を押し上げて混合気を圧縮する圧縮行程と、圧縮された混合気を爆発させる爆発行程と、爆発した燃焼ガスを排気バルブ８ａを開き排気管８を介して排気する排気行程とを有する。そして、これらの行程で燃焼により直線往復運動を行なうピストン６と、回転運動を出力するクランク軸４と、ピストン６とクランク軸４とを連結し、直線往復運動を回転運動に変換するコンロッド５とを有する。クランク軸４は、回転中心軸１０を中心に回転し、バランスウェイト１１によって回転のバランスをとっている。
　コンロッド５は、直線状棒体の下方に大端部１３を、上方に小端部１４を設けたものからなる。クランク軸４は、コンロッド５の大端部１３の係合穴に取り付けられた針状ころ軸受１ａを介して回転自在に支持されている。また、ピストン６とコンロッド５を連結するピストンピン１２は、コンロッド５の小端部１４の係合穴に取り付けられた針状ころ軸受１ｂを介して回転自在に支持されている。
　前記針状ころ軸受１ａ、１ｂは、本発明に係る転がり軸受用保持器を用いた針状ころ軸受１（図２参照）である。針状ころ軸受１は、複数の針状ころ３と、この針状ころ３を一定間隔、もしくは不等間隔で保持する保持器２とで構成される。この転がり軸受は、内輪および外輪は設けられず、直接に、保持器２の内径側にクランク軸４やピストンピン１２などの軸が挿入され、保持器２の外径側がハウジングであるコンロッド５の係合穴に嵌め込まれる（図１参照）。内外輪を有さず、長さに比べて直径が小さい針状ころ３を転動体として用いるので、この針状ころ軸受１は、内外輪を有する一般の転がり軸受に比べて、コンパクトなものとなる。
　保持器２には、針状ころ３を保持するためのポケット２ａが設けられ、図３に示すように、各ポケットの間に位置する柱部２ｂで、各針状ころ３の間隔を保持する。保持器２は、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼から選ばれる鉄系材料からなる保持器本体２Ａと、保持器本体の外表面に形成される硬質膜（硬質被膜）３０（図３参照）とで構成される。硬質膜３０を形成する保持器本体２Ａの表面部位は、保持器本体２Ａの外表面全体のうち、少なくとも転動体である針状ころ３との摺接面および他部材との摺接面である。すなわち、保持器本体２Ａの外表面とは、保持器２の最外表面を構成し、実際に転動体である針状ころ３や他部材と摺接する表面である。これらの外表面は、潤滑油等と接触する部位でもある。また、他部材とは、内・外輪や、コンロッドの端部などである。
　製造が容易であることから、硬質膜（硬質被膜）３０は、針状ころ３と接触するポケット２ａの表面を含めた保持器２の全外表面に形成することが好ましい。また、保持器２の最外表面部位に加えて、転動体である針状ころ３の表面やコンロッド５の係合穴内径面にも同様の硬質膜（硬質被膜）３０を形成することができる。
　これらの軸受部材において、硬質膜３０が形成される面の硬さが、ビッカース硬さで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３０（この硬質膜３０の後述する下地層３０ａ）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３０が形成される面において、硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることが好ましい。窒化処理としては、基材表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることが、硬質膜３０（硬質膜３０の下地層３０ａ）との密着性をさらに向上させるために好ましい。
　硬質膜３０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３０の構造を図３に基づいて説明する。図３は、図１の針状ころ軸受１ａ（１ｂ）に示す硬質膜３０の構造を示す模式断面図である。図３に示すように、硬質膜３０は、保持器本体２Ａ上に直接成膜される下地層３０ａと、下地層３０ａの上に成膜されるＷＣ（タングステンカーバイド）とＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）とを主体とする混合層３０ｂと、混合層３０ｂの上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層３０ｃとからなる３層構造を有する。ここで、タングステンカーバイドとは、等モル量のタングステン原子と炭素原子からなる無機化合物（炭化物）である。また、ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンドとグラファイト（黒鉛）の両方の炭素－炭素結合を併せ持つ炭素を主成分とした物質で作られた薄膜の総称である。このように、硬質膜３０の膜構造を上記のような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。
　下地層３０ａは、基材となる各軸受部材の表面に直接成膜される下地層である。材質や構造は、基材との密着性を確保できるものであれば特に限定されず、例えば材質としてＣｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｓｉ（ケイ素）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３０ａは、混合層３０ｂ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、保持器本体２Ａ側から混合層３０ｂ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、保持器本体２Ａと混合層３０ｂとの両面での密着性に優れる。
　混合層３０ｂは、下地層３０ａと表面層３０ｃとの間に介在する中間層となる。混合層３０ｂに用いるＷＣは、上述のように、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。混合層３０ｂが、下地層３０ａ側から表面層３０ｃ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。このため、下地層３０ａと表面層３０ｃとの両面での密着性に優れる。また、混合層３０ｂ内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっており、混合層３０ｂ内での破損などを防止できる。さらに、表面層３０ｃ側ではＤＬＣ含有率が高められているので、表面層３０ｃと混合層３０ｂとの密着性に優れる。
　また、混合層３０ｂは、非粘着性の高いＤＬＣをＷＣによって下地層３０ａ側にアンカー効果で結合させる層となる。後述の実施例に示すように、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において耐剥離性を向上させるには、混合層中の水素含有量をある程度少なくすることが重要となる。
　混合層３０ｂにおける水素含有量は、１０原子％未満とする。この範囲とすることで、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。混合層３０ｂの水素含有量が１０原子％をこえる場合、中間層となる混合層３０ｂ中に比較的軟質なＤＬＣが存在することとなり、上記のような条件下では剥離しやすくなるおそれがある。また、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は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「混合層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、混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）を構成しているＤＬＣとＷＣそれぞれについて水素量検量線を作成する必要がある。ＤＬＣ単層膜試験片およびＷＣ単層膜試験片について、混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）の成膜条件に合わせた条件で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と、上記ＷＣ水素量検量線で求めた水素含有量とは異なるため、これら両方の検量線で求めた水素含有量の平均をとることで、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。
　表面層３０ｃは、ＤＬＣを主体とする膜である。表面層３０ｃにおいて、混合層３０ｂとの隣接側に、緩和層部分３０ｄを有することが好ましい。これは、混合層３０ｂと表面層３０ｃ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、この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、混合層３０ｂ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３０ｃ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、混合層３０ｂと表面層３０ｃとの急激な物性（硬度・弾性率等）の差がなくなり、混合層３０ｂと表面層３０ｃ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（ｓｐ2）とダイヤモンド構造（ｓｐ3）との構成比率が後者に偏っていき、硬度が傾斜（上昇）する。
　硬質膜３０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、該硬質膜３０の膜厚に占める表面層３０ｃ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、混合層３０ｂにおけるＷＣとＤＬＣの物理結合するための傾斜組織が不連続な組織となりやすく、密着性が劣化するおそれがある。
　硬質膜３０を以上のような組成の下地層３０ａ、混合層３０ｂ、表面層３０ｃからなる３層構造とすることで、耐剥離性に優れる。
　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、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。また、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。
　以下、本発明の硬質膜の形成方法について説明する。上記硬質膜は、軸受部材の成膜面に対して、下地層３０ａ、混合層３０ｂ、表面層３０ｃをこの順に成膜して得られる。
　表面層３０ｃ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４に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材１２は、成膜対象の軸受部材である保持器２等であるが、模式的に平板で示してある。図４に示すように、丸形ターゲット１５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石１４ａ、外側磁石１４ｂが配置され、ターゲット１５付近で高密度プラズマ１９を形成しつつ、磁石１４ａ、１４ｂにより発生する磁力線１６の一部１６ａがバイアス電源１１に接続された基材１２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線１６ａ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１２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１２付近まで達する磁力線１６ａに沿って、Ａｒイオン１７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１８をより多く基材１２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）１３を成膜できる。
　下地層３０ａおよび混合層３０ｂ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３０ａがＣｒとＷＣとを主体とする層である場合は、ターゲット１５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、混合層３０ｂを形成する際には、（１）ＷＣターゲット、および、（２）黒鉛ターゲットと必要に応じて炭化水素系ガスを用いる。各層の形成毎に、それぞれに用いるターゲットを逐次取り替える。
　下地層３０ａ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。これにより混合層３０ｂ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。
　混合層３０ｂは、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、ＷＣターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより表面層３０ｃ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。
　本発明の転がり軸受用保持器は、保持器本体の外表面のうち、少なくとも転動体との摺接面および他部材との摺接面に、ＤＬＣを含む所定の膜構造を有する硬質膜が成膜されてなる。中間層がＷＣとＤＬＣの混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）であり、傾斜組成とされているので、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。これに加えて、この混合層における水素含有量が１０原子％未満であるので、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硬質膜の耐剥離性に優れる。
　このため、本発明の転がり軸受用保持器では、硬質膜３０は、例えば、保持器摺動面に形成されながら耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本来の特性を発揮できる。この結果、本発明の転がり軸受用保持器は、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れ、苛酷な潤滑状態でも摺動面などの損傷が少なく長寿命となる。
　前記硬質膜３０の表面層３０ｃは、前記混合層３０ｂとの隣接側に、前記混合層３０ｂ側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有することになる。このように、傾斜層部分を有するものでは、混合層３０ｂと表面層３０ｃとの急激な硬度差がなくなり、混合層３０と表面層３０ｃとの密着性の向上を図ることができる。
　前記保持器本体２Ａは、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼から選ばれる鉄系材料を用いる。このため、保持器本体２Ａとして、保持器材として一般的に用いられる任意の材料を使用できる。
　前記硬質膜３０の下地層３０ａが、クロムとタングステンカーバイドとを主体とする層であるので、下地層３０ａと混合層３０ｂとの密着性の向上を図ることができる。
　本発明に係る転がり軸受では、長期にわたり保持器摺接面での潤滑性を維持でき、焼き付き等を安定して防止できる。また、前記転がり軸受をコンロッドに用いたものでは、保持器外径面や係合穴内径面での摩擦が摺動初期から長期にわたって防止され、装置（例えば、エンジン）全体の長寿命化を図ることができる。
　以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、転がり軸受の形式として、ラジアル軸受であっても、スラスト軸受であってもよい。また、転動体として、玉であってもころであってもよい。また、ころの場合、円筒ころ，針状ころ，円すいころ，又はたる形をした球面ころ等であってもよい。なお、転動体を実施形態のようにころ形状のものを用いれば、本発明の転がり軸受は、上述のように、コンロッドの小端部および大端部に設けられた係合穴に取り付けられ、ピストンピンおよびクランク軸を支持することができ、軸受投影面積が小さいにもかかわらず、高荷重の負荷を受けることができる。特に、高剛性である針状ころを転動体として使用した転がり軸受は、ころを転動体として使用した転がり軸受よりも、さらに高荷重の負荷を受けることができる。
　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した。また、２円筒試験機を用いた転がり滑り試験にて耐剥離性の評価を行なった。
　硬質膜の評価用に用いた試験片、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）試験片物性：ＳＵＪ２　焼き入れ焼き戻し品　硬さ７８０Ｈｖ
　（２）試験片：鏡面研磨された（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率なし）の摺動表面に対して各条件にてＤＬＣ膜を成膜したもの
　（３）相手材：研削仕上げ（０．７μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）
　（４）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２
　（５）スパッタリングガス：Ａｒガス
　下地層３０ａ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、ＷＣとＤＬＣ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。
　混合層の形成条件を以下に説明する。下地層と同様にＵＢＭＳ法にて成膜した。ここで、該混合層については、炭化水素系ガスであるメタンガスを供給しながら、ＷＣターゲットと黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、ＷＣとＤＬＣの組成比を傾斜させ、下地層側でＷＣが多く表面層側でＤＬＣが多いＷＣ／ＤＬＣ傾斜層を形成した。混合層の具体的な成膜条件を表１に示す。なお、混合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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表面層の形成条件は、前記表１に示すとおりである。
　図５はＵＢＭＳ装置の模式図である。図５に示すように、円盤２０上に配置された基材２１に対し、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）２２を非平衡な磁場により、基材２１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４参照）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、混合層、表面層をＵＢＭＳ被膜として成膜している。
　実施例１～３及び比較例１～５では、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および混合層を形成した。その上に、表１に示す成膜条件にて表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。なお、表１における「真空度」は上記装置における成膜チャンバー内の真空度である。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６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２３と転がり滑り接触する従動側試験片２４とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受２６で支持されており、負荷用バネ２７により荷重が負荷されている。また、図中の２５は駆動用プーリ、２８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、被膜の剥離が発生するまでの時間（ｈ）を剥離寿命として評価を行った。具体的な試験条件は以下のとおりである。
（試験条件）
　　潤滑油：ＶＧ１．５相当油(添加剤含有)    滴下給油
　　油温：４０～５０℃
　　最大接触面圧：２．７ＧＰａ
　　回転数：（試験片側）２７０ ｍｉｎ-1
　　　　　　（相手材側）３００ ｍｉｎ-1
　　相対滑り速度：０．０６ ｍ／ｓ
　　油膜パラメータ：０．００６
　　打ち切り時間：４８ｈ
　各実施例１～３と各比較例１～５は、使用する基材および表面層の成膜条件が同一であり、表面層の硬度は平均値で約２９ＧＰａである。表１に示すように、混合層を形成する際の水素含有量を変化させた場合、水素含有量が高い場合において２円筒転がり滑り試験における剥離寿命が短い傾向があり、水素含有量が１０．８原子％の時点で劇的に短寿命となっており、混合層内の水素含有量の高い比較的軟質なＤＬＣの存在が被膜の耐剥離性に悪影響を及ぼしていると考えられる。
　ＤＬＣ膜などの硬質膜は膜内に残留応力があり、残留応力は膜構造や成膜条件の影響を受け大きく異なり、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。このため、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（境界潤滑条件）において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、該条件下となる軸受部材の表面に形成する硬質膜について、その膜構造を限定するとともに、特に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。
　ところで、ＤＬＣの適用が検討される摺動面・転動面は潤滑が希薄または滑り速度が速いなど苛酷な潤滑状態であることが多い。本発明の転がり軸受は、保持器摺動面にＤＬＣ膜が形成され、苛酷な潤滑状態で運転した場合においてもこのＤＬ膜の耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本体の特性を発揮できるので、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる。このため、本発明の転がり軸受は、苛酷な潤滑状態での用途を含め、各種用途に適用可能である。
　コンロッド用の他、エアコン、カーエアコンなどの空気調和機用の圧縮機などで使用される転がり軸受としても好適に使用できる。
１ａ   軸受
１ｂ   軸受
２     保持器
２Ａ   保持器本体
４     クランク軸
５     コンロッド
３０   硬質膜
３０ａ 下地層
３０ｂ 混合層
３０ｃ 表面層
３０ｄ 緩和層部分

Claims (6)

  1. 　転がり軸受における転動体を保持する転がり軸受用保持器であって、
    　保持器本体と、この保持器本体の外表面のうち、少なくとも前記転動体との摺接面および他部材との摺接面に形成される硬質膜とを備え、
    　前記硬質膜は、前記保持器本体の外表面の上に直接成膜された下地層と、この下地層の上に成膜されたタングステンカーバイドとダイヤモンドライクカーボンとを主体とする混合層と、この混合層の上に成膜されたダイヤモンドライクカーボンを主体とする表面層とを有し、
    　前記混合層は、前記下地層側から前記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の前記タングステンカーバイドの含有率が小さくなり、この混合層中の前記ダイヤモンドライクカーボンの含有率が高くなる層であり、前記混合層における水素含有量が１０原子％未満であることを特徴とする転がり軸受用保持器。
  2. 　前記硬質膜の表面層は、前記混合層との隣接側に、前記混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有することを特徴とする請求項１記載の転がり軸受用保持器。
  3. 　前記保持器本体は、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼から選ばれる鉄系材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の転がり軸受用保持器。
  4. 　前記硬質膜の下地層が、クロムとタングステンカーバイドとを主体とする層であることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の転がり軸受用保持器。
  5. 　複数の転動体と、この転動体を保持する保持器とを備えてなる転がり軸受であって、前記保持器が請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の転がり軸受用保持器であることを特徴とする転がり軸受。
  6. 　前記転がり軸受が、回転運動を出力するクランク軸を支持し、直線往復運動を回転運動に変換するコンロッドの端部に設けられた係合穴に取り付け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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