WO2020031995A1

WO2020031995A1 - 転がり軸受、車輪支持装置、および風力発電用主軸支持装置

Info

Publication number: WO2020031995A1
Application number: PCT/JP2019/030812
Authority: WO
Inventors: 雅樹中西; 三上　英信
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2020-02-13

Abstract

高荷重または潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下や異物が混入した条件下で他部材と接触する場合でも、ＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮させることで、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる転がり軸受を提供する。深溝玉軸受（１）は、外周に内輪軌道面（２ａ）を有する内輪（２）と、内周に外輪軌道面（３ａ）を有する外輪（３）と、内輪軌道面（２ａ）と外輪軌道面（３ａ）との間を転動する複数の転動体（４）と、転動体（４）を保持する保持器（５）を備え、内輪軌道面（２ａ）等に硬質膜（８）が成膜されてなり、硬質膜（８）が他の軸受部材と転がり接触および滑り接触するものであり、この硬質膜（８）は、下地層と、この上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする傾斜組成の混合層と、この上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、表面層のＩＳＯ１４５７７法により測定される押し込み硬さが９～２２ＧＰａである。

Description

転がり軸受、車輪支持装置、および風力発電用主軸支持装置

　本発明は、軸受部材である内輪、外輪、転動体、保持器表面にダイヤモンドライクカーボンを含む硬質膜を成膜した転がり軸受に関する。また、該転がり軸受を適用した車輪支持装置や風力発電用主軸支持装置に関する。

　硬質カーボン膜は、一般にダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと記す。また、ＤＬＣを主体とする膜／層をＤＬＣ膜／層ともいう。）と呼ばれている硬質膜である。硬質カーボンはその他にも、硬質非晶質炭素、無定形炭素、硬質無定形型炭素、ｉ－カーボン、ダイヤモンド状炭素など、様々な呼称があるが、これらの用語は明確に区別されていない。

　このような用語が用いられるＤＬＣの本質は、構造的にはダイヤモンドとグラファイトが混ざり合った両者の中間構造を有するものである。ダイヤモンドと同等に硬度が高く、耐摩耗性、固体潤滑性、熱伝導性、化学安定性、耐腐食性などに優れる。このため、例えば、金型・工具類、耐摩耗性機械部品、研磨材、摺動部材、磁気・光学部品などの保護膜として利用されつつある。こうしたＤＬＣ膜を形成する方法として、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理的蒸着（以下、ＰＶＤと記す）法、化学的蒸着（以下、ＣＶＤと記す）法、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング（以下、ＵＢＭＳと記す）法などが採用されている。

　従来、転がり軸受の軌道輪の軌道面や、転動体の転動面、保持器の摺接面などに対し、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。

　例えば、中間層を設けてＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、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、この順に形成されてなる転動装置が提案されている（特許文献１参照）。

　また、アンカー効果によりＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、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膜を形成した転がり軸受が提案されている（特許文献２参照）。

　例えば、転がり軸受は、自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支持するための車輪支持装置などに適用される。後輪駆動型車両における前輪の如き非駆動輪を支持する車輪支持装置においては、ステアリングナックルに設けられたアクスル（ナックルスピンドル）上に２個の転がり軸受を取付け、その転がり軸受によって回転自在に支持されたアクスルハブの外径面にフランジを設け、このフランジに設けられたスタッドボルトと、これにねじ係合されるナットによってブレーキ装置のブレーキドラムおよび車輪のホイールディスクを取付けるようにしている。また、ステアリングナックルに設けられたフランジにバックプレートを取付け、そのバックプレートによってブレーキドラムに制動力を付与する制動機構を支持するようにしている。上記のような車輪支持装置においては、アクスルハブを回転自在に支持する転がり軸受として、負荷容量の大きい剛性の高い円すいころ軸受が用いられる。この円すいころ軸受は、アクスルとアクスルハブ間に充填されたグリースによって潤滑される。

　車輪支持装置に用いられる転がり軸受は、高速、高荷重という過酷な使用条件のため、特に、円すいころの大径側の端面と鍔部の端面とで滑り運動するため、グリースの潤滑油膜が破断しやすくなる。潤滑油膜が破断すると金属接触が起こり、発熱、摩擦摩耗が増大する不具合が発生する。そのため、高速、高荷重下での潤滑性および耐荷重性を向上させ、潤滑油膜破断による金属接触を防止する必要があり、極圧剤含有グリースを使用して、その不具合を軽減している。

　従来、高速下で、高荷重のかかる車輪支持装置の例として、ニッケル、テルル、セレン、銅、鉄の中から選択される金属を含む有機金属化合物がグリース全量に対して、２０重量％以下含まれることを特徴とするグリースを封入した鉄道車両用軸受が知られている（特許文献３参照）。

　しかしながら、ころ軸受の使用条件がｄＮ値１０万以上という高速条件下での潤滑など過酷になるにつれて、従来のグリースではころ軸受の使用が困難になるなどの問題がある。車輪支持装置用ころ軸受は、内、外輪の軌道面と転動体である「ころ」との間に転がり摩擦が、鍔部と「ころ」との間に滑り摩擦が発生する。転がり摩擦に比べると滑り摩擦は大きいので、使用条件が過酷になると鍔部の焼付きが生じやすくなる。そのためグリースの交換作業等が頻繁になりメンテナンスフリー化を達成できないという問題がある。

特許第４１７８８２６号公報特許第３９６１７３９号公報特開平１０－１７８８４号公報

　転がり滑り運動において発生する高い接触面圧下ではフレーキングの防止は容易でなく、特に滑り摩擦により強いせん断力が発生し得るような潤滑・運転条件においてはより困難となる。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。また、異物が混入した状態で使用されることがあるため、その状態での焼き付き、摩耗などを抑制する必要があるが、異物が噛み込んだ際の局所的な高面圧および母材の変形に対しての耐剥離性の確保はさらに困難である。

　上記した特許文献１、２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。

　本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、高荷重または潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下や異物が混入した条件下で他部材と接触する場合でも、ＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮させることで、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる転がり軸受の提供を目的とする。また、上記転がり軸受を適用した車輪支持装置および風力発電用主軸支持装置の提供を目的とする。

　外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、上記内輪軌道面と上記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体と、上記転動体を保持する保持器とを備え、上記内輪、上記外輪、上記複数の転動体、および上記保持器が鉄系材料からなる転がり軸受であって、硬質膜は、上記内輪、上記外輪、上記転動体、および上記保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に直接成膜される下地層と、該下地層の上に成膜されるタングステンカーバイト（以下、ＷＣと記す）とＤＬＣとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、該硬質膜が他の軸受部材と転がり接触および滑り接触するものであり、上記表面層のＩＳＯ１４５７７法により測定される押し込み硬さが９～２２ＧＰａであり、上記混合層は、上記下地層側から上記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の上記ＷＣの含有率が小さくなり、該混合層中の上記ＤＬＣの含有率が高くなる層であることを特徴とする。

　上記表面層の押し込み硬さが１０～１５ＧＰａであることを特徴とする。

　上記表面層は、上記混合層との隣接側に、上記表面層の押し込み硬さよりも小さい押し込み硬さの傾斜層部分を有することを特徴とする。

　上記鉄系材料が、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であることを特徴とする。

　上記下地層が、ＣｒとＷＣとを主体とする層であることを特徴とする。

　本発明の車輪支持装置は、アクスルの外径面上に取付けられた転がり軸受を備え、該転がり軸受によって車輪と共に回転する回転部材を回転自在に支持する車輪支持装置であって、上記転がり軸受が、本発明の転がり軸受であることを特徴とする。

　上記転がり軸受が、円すいころ軸受であり、該円すいころ軸受は、上記転動体である円すいころの大径側の端面と、上記内輪に形成された大鍔の端面とが転がり接触および滑り接触する軸受であり、上記円すいころの大径側の端面および上記内輪の大鍔の端面の少なくとも一方に上記硬質膜が形成されていることを特徴とする。

　上記転がり軸受が、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する軸受であり、該軸受が、上記内輪と上記外輪との間に、上記転動体として軸方向に並んで２列にころを介在させ、上記外輪軌道面を球面状とし、上記ころの外周面を上記外輪軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受であることを特徴とする。

　上記内輪は、該内輪の外周面において上記２列のころ間に設けられ、各列のころの軸方向内側の端面と滑り接触する中鍔と、上記内輪の外周面の両端にそれぞれ設けられ、各列のころの軸方向外側の端面と滑り接触する小鍔とを備え、上記各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に上記硬質膜が形成されていることを特徴とする。

　本発明の風力発電用主軸支持装置は、ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受によって支持する風力発電用主軸支持装置であって、上記軸受のうち少なくとも一個が上記複列自動調心ころ軸受であり、該複列自動調心ころ軸受において、上記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとしたことを特徴とする。

　本発明の転がり軸受は、内輪、外輪、転動体、および保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に、ＤＬＣを含む所定の膜構造の硬質膜を有するとともに、該硬質膜が他の軸受部材と転がり接触および滑り接触する条件で使用される軸受である。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、上記表面層は、押し込み硬さが９～２２ＧＰａであるので、特に高荷重または潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下や、異物が混入した条件下で他部材と接触する場合でも硬質膜の耐焼き付き性に優れる。

　上記構造により、該硬質膜は、例えば、転動体の転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。その結果、転がり軸受は、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れ、無潤滑状態を含む苛酷な潤滑状態や、異物混入潤滑環境下でも摺動面などの損傷が少なく長寿命となる。

　本発明の車輪支持装置は、アクスルの外径面上に取付けられた転がり軸受として本発明の転がり軸受を備えるので、摺動面の耐摩擦摩耗性に優れ、長期耐久性に優れる。

　本発明の風力発電用主軸支持装置は、ブレードが取付けられた主軸を少なくとも本発明の転がり軸受で支持するので、高荷重または潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下であっても硬質膜の耐剥離性に優れ、軸受の長寿命となり、メンテナンスフリー化にも寄与する。また、該軸受が、内輪と外輪との間に、軸方向に並んで２列にころを介在させた複列自動調心ころ軸受であり、２列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に硬質膜が形成されているので、２列のころのうち一方の列のころに、より大きなスラスト荷重がかかる風力発電機主軸用軸受の特有の使用状態に適している。

本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。本発明の転がり軸受の他の例を示す断面図である。硬質膜の構造を示す模式断面図である。車輪支持装置の一例を示す断面図である。本発明の円すいころ軸受の一例を示す切欠き斜視図である。本発明の円すいころ軸受の別例を示す切欠き斜視図である。風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図である。風力発電用主軸支持装置を示す図である。本発明の複列自動調心ころ軸受の模式断面図である。従来の風力発電機における主軸支持用の軸受を示す図である。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。往復動滑り試験機の概要を示す図である。２円筒試験機の模式図である。圧痕の盛り上がり高さの測定例を示す図である。

　ＤＬＣ膜などの硬質膜は膜内に残留応力があり、残留応力は膜構造や成膜条件の影響により大きく異なり、その結果、耐剥離性にも大きな影響を及ぼす。また、耐剥離性は硬質膜が使用される条件によっても変化する。本発明者らは、往復動滑り試験などにより、例えば潤滑状態が悪く（境界潤滑下）、滑り接触する条件下で検証を重ねた結果、転がり軸受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、特に硬質膜表面層の押し込み硬さを所定範囲内とすることで、該条件下での耐剥離性の向上が図れることを見出した。さらに、この硬質膜は、軸受の実使用条件である、異物が混入した潤滑条件下でも耐剥離性に優れ、異物により形成された圧痕による軌道面損傷を抑制できることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。

　本発明の転がり軸受を図１および図２に基づいて説明する。図１は、内・外輪軌道面に後述の硬質膜を形成した深溝玉軸受の断面図を、図２は転動体の転動面に硬質膜を形成した深溝玉軸受の断面図をそれぞれ示す。深溝玉軸受１は、外周に内輪軌道面２ａを有する内輪２と、内周に外輪軌道面３ａを有する外輪３と、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する複数の転動体４とを備える。転動体４は保持器５により一定間隔で保持されている。シール部材６により、内・外輪の軸方向両端開口部がシールされ、軸受空間にグリース７が封入されている。グリース７としては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。

　例えば図１（ａ）の転がり軸受では、内輪２の外周面（内輪軌道面２ａを含む）に硬質膜８が形成されており、図１（ｂ）の転がり軸受では、外輪３の内周面（外輪軌道面３ａを含む）に硬質膜８が形成されているが、適用用途に応じて内輪、外輪、転動体、および転動体の少なくとも１面に硬質膜が形成してあればよい。

　また、図２の転がり軸受では、転動体４の転動面に硬質膜８が形成されている。図２の転がり軸受は深溝玉軸受であることから、転動体４は玉であり、その転動面は球面全体である。図に示した態様以外の転がり軸受として、円筒ころ軸受や円すいころ軸受を用いる際に、該硬質膜８をその転動体に形成する場合は、少なくとも転動面（円筒外周など）に形成してあればよい。特に、車輪支持装置に用いられる円すいころ軸受や、風力発電用主軸支持装置に用いられる複列自動調心ころ軸受については後述する。

　図１および図２に示すように、深溝玉軸受の内輪軌道面２ａは、転動体４である玉を案内するため、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。同様に、外輪軌道面３ａも、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。この円弧溝の曲率半径は、一般的に鋼球径をｄｗとすると、０．５１～０．５４ｄｗ程度である。また、図に示した態様以外の転がり軸受として、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受を用いる場合では、これらの軸受のころを案内するため、内輪軌道面および外輪軌道面は、少なくとも円周方向で曲面となる。その他、自動調心ころ軸受などの場合、転動体としてたる型ころを用いるので、内輪軌道面および外輪軌道面は、円周方向に加えて、軸方向についても曲面となる。本発明の転がり軸受は、内輪軌道面および外輪軌道面が、以上のいずれの形状であってもよい。

　本発明の深溝玉軸受１において、硬質膜８の成膜対象となる軸受部材である内輪２、外輪３、転動体４、および保持器５は鉄系材料からなる。鉄系材料としては、軸受部材として一般的に用いられる任意の鋼材などを使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などが挙げられる。

　これらの軸受部材において、硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さで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（下地層）との硬度差を少なくし、密着性を向上させることができる。

　上記硬質膜が形成される面において、硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることが好ましい。窒化処理としては、基材表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることが、硬質膜（下地層）との密着性をさらに向上させるために好ましい。

　上記硬質膜が形成される面の表面粗さＲａは、０．０５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが０．０５μｍをこえると、粗さの突起先端に硬質膜が形成され難くなり、局所的に膜厚が小さくなる。

　本発明における硬質膜の構造を図３に基づいて説明する。図３は、図１（ａ）の場合における硬質膜８の構造を示す模式断面図である。図３に示すように、該硬質膜８は、（１）内輪２の内輪軌道面２ａ上に直接成膜される下地層８ａと、（２）下地層８ａの上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層８ｂと、（３）混合層８ｂの上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層８ｃとからなる３層構造を有する。本発明では、硬質膜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８ａ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、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉなどが使用できる。これらの中でも、基材となる軸受部材（例えば高炭素クロム軸受鋼）との密着性に優れることから、Ｃｒを含むことが好ましい。

　また、下地層８ａは、混合層８ｂとの密着性も考慮して、ＣｒとＷＣとを主体とする層であることが好ましい。ＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。特に、内輪２側から混合層８ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さく、かつ、ＷＣの含有率が高くなる傾斜組成とすることが好ましい。これにより、内輪２と混合層８ｂとの両面での密着性に優れる。

　混合層８ｂは、下地層と表面層との間に介在する中間層となる。混合層８ｂ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８ｂが、下地層８ａ側から表面層８ｃ側に向けて連続的または段階的に、該混合層中のＷＣの含有率が小さく、かつ、該混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成であるので、下地層８ａと表面層８ｃとの両面での密着性に優れる。また、該混合層内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっており、該混合層内での破損などを防止できる。さらに、表面層８ｃ側ではＤＬＣ含有率が高められているので、表面層８ｃと混合層８ｂとの密着性に優れる。

　混合層８ｂは、非粘着性の高いＤＬＣをＷＣによって下地層８ａ側にアンカー効果で結合させる層である。

　表面層８ｃは、ＤＬＣを主体とする膜である。表面層８ｃにおいて、混合層８ｂとの隣接側に、緩和層部分８ｄを有することが好ましい。これは、混合層８ｂと表面層８ｃとで成膜条件パラメータ（炭化水素系ガス導入量、真空度、バイアス電圧）が異なる場合、これらパラメータの急激な変化を避けるために、該パラメータの少なくとも１つを連続的または段階的に変化させることで得られる緩和層部分である。より詳細には、混合層８ｂ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８ｃ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８ｂと表面層８ｃとの急激な物性（硬度・弾性率等）の差がなくなり、混合層８ｂと表面層８ｃとの密着性がさらに優れる。なお、バイアス電圧を連続的または段階的に上昇させることで、ＤＬＣ構造におけるグラファイト構造（ｓｐ^２）とダイヤモンド構造（ｓｐ^３）との構成比率が後者に偏っていき、硬度が傾斜（上昇）する。

　後述の実施例に示すように、無潤滑状態で他部材と滑り接触する場合において硬質膜の耐剥離性を向上させるには、硬質膜の表面層の表面硬さを所定範囲にすることが重要となる。また、異物が混入した潤滑状態で他部材と転がり滑り接触する場合においても該硬質膜の表面層の表面硬さが重要となる。本発明の転がり軸受において、硬質膜の表面層のＩＳＯ１４５７７法により測定される押し込み硬さは９～２２ＧＰａであり、好ましくは１０～２１ＧＰａであり、より好ましくは１０～１５ＧＰａであり、さらに好ましくは１０～１３ＧＰａである。また、表面層８ｃが緩和層部分８ｄを有する構成では、表面層８ｃの押し込み硬さに比べて、緩和層の押し込み硬さは小さくなっており、該緩和層の押し込み硬さは、例えば９～２２ＧＰａである。なお、緩和層は、混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなっている。

　硬質膜８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８の膜厚に占める表面層８ｃ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８ｂ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８を以上のような組成の下地層８ａ、混合層８ｂ、表面層８ｃ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、使用時に滑り接触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、異物が混入した潤滑条件下においても、異物により形成された圧痕による軌道面損傷を抑制できるため長寿命となる。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。

　本発明の転がり軸受を車輪支持装置に適用した例を図４に基づいて説明する。図４は本発明の車輪支持装置の断面図である。図４に示すように、ステアリングナックル１１にはフランジ１２と、アクスル１３とが設けられ、そのアクスル１３の外径面上に取付けた一対の円すいころ軸受１４ａ、１４ｂによって回転部材としてのアクスルハブ１５が回転自在に支持されている。アクスルハブ１５は、外径面にフランジ１６を有し、そのフランジ１６に設けたスタッドボルト１７と、そのスタッドボルト１７にねじ係合したナット１８によってブレーキ装置のブレーキドラム１９、および車輪のホイールディスク２０が取付けられている。２１はホイールディスク２０の外径面に取付けられたリムを示し、そのリム上にタイヤが取付けられる。図４においては、円すいころ軸受１４ａ、１４ｂが車輪支持装置に相当する。

　上記ステアリングナックル１１のフランジ１２にはスタッドボルト１７、ナット１８の締付けによってブレーキ装置のバックプレート２２が取付けられている。バックプレート２２にはブレーキドラム１９に制動力を付与する制動機構が支持されるが、図では省略してある。

　アクスルハブ１５を回転自在に支持する上記一対の円すいころ軸受１４ａ、１４ｂは、アクスルハブ１５内に封入されたグリースによって潤滑される。その円すいころ軸受１４ｂから外部にグリースが漏洩したり、外部から泥水が浸入するのを防止するため、アクスルハブ１５の外側端面に円すいころ軸受１４ｂを覆うようにしてグリースキャップ２３が取付けられている。

　本発明の車輪支持装置の円すいころ軸受の一例について図５により説明する。図５は円すいころ軸受の一例を示す一部切り欠き斜視図である。円すいころ軸受１４は、外周面にテーパ状の内輪軌道面２５ａを有する内輪２５と、内周面にテーパ状の外輪軌道面２４ａを有する外輪２４と、内輪軌道面２５ａと外輪軌道面２４ａとの間を転動する複数の円すいころ２７と、各円すいころ２７をポケット部で転動自在に保持する保持器２６とを備えている。保持器２６は、大径リング部と小径リング部とを複数の柱部で連結してなり、柱部同士の間のポケット部に円すいころ２７を収納している。内輪２５において、大径側端部に大鍔２５ｃ、小径側端部に小鍔２５ｂがそれぞれ一体形成されている。円すいころ軸受における内輪は、テーパ状の内輪軌道面を有することから軸方向に見て小径側と大径側とがあり、「小鍔」は小径側端部に設けられた鍔であり、「大鍔」は大径側端部に設けられた鍔である。

　上記構成において、円すいころ２７の転動面（テーパ面）２７ａは、内輪軌道面２５ａと外輪軌道面２４ａとの間で転がり摩擦を受け、円すいころ２７の小径側の端面（小端面）２７ｂは、小鍔２５ｂの内側端面との間で滑り摩擦を受け、円すいころ２７の大径側の端面（大端面）２７ｃは、大鍔２５ｃの内側端面との間で滑り摩擦を受ける。また、円すいころ２７と保持器２６との間でも転がり摩擦や滑り摩擦が発生する。例えば、円すいころ２７の小端面２７ｂは、ポケット部を形成する小径リングの端面との間で滑り摩擦を受け、円すいころ２７の大端面２７ｃは、ポケット部を形成する大径リングの端面との間で滑り摩擦を受ける。これらの摩擦を低減するために上記グリースが封入されている。グリースとしては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。

　円すいころ軸受１４の使用時には、円すいころ２７が大径側に押圧されることで、大鍔２５ｃと円すいころ２７とが滑り接触する部分の負担が特に大きいため、この部分が損傷しやすく軸受寿命に影響する。

　本発明の車輪支持装置は、該装置内の部材間で（特に、境界潤滑条件下で）滑り接触する表面に所定範囲の押し込み硬さを有する硬質膜が形成されていることを特徴とする。そのため、潤滑状態が悪い条件下で他部材と滑り接触する場合でも該硬質膜の耐剥離性に優れる。また、車輪支持装置用の軸受として使用される場合、軸受内に外部から異物が混入するおそれがあるところ、上記硬質膜が形成されているので、異物が混入した状態でも耐剥離性に優れる。また、軸受転走面に形成された圧痕の盛り上がりが硬質膜による切削効果により除去されるため、圧痕起点剥離耐性に優れる。上記硬質膜の低摩擦性および金属接触の防止の効果により円すいころ軸受の鍔部などの耐焼き付き性にも優れる。

　上記硬質膜の形成箇所について、図５の円すいころ軸受１４では、軸受部材である内輪に硬質膜が設けられている。具体的には、内輪２５の鍔部（小鍔２５ｂ、大鍔２５ｃ）の内側端面に硬質膜２８がそれぞれ形成されている。内輪の鍔部に硬質膜を設ける構成では、大鍔における滑り摩擦の方が小鍔における滑り摩擦よりも大きいことを考慮して、少なくとも大鍔の内側端面に硬質膜を設けることが好ましい。なお、内輪軌道面２５ａに硬質膜２８が設けられていてもよい。

　また、図６の円すいころ軸受１４’では、軸受部材である円すいころに硬質膜が設けられている。具体的には、円すいころ２７の軸方向端面である小端面２７ｂおよび大端面２７ｃに硬質膜２８がそれぞれ形成されている。上記と同様、滑り摩擦を考慮して、少なくとも円すいころの大端面に硬質膜を設けることが好ましい。なお、円すいころ２７の転動面２７ａにも硬質膜２８が設けられていてもよく、その場合は円すいころ２７の表面全体に硬質膜が設けられることになる。

　また、円すいころ軸受において硬質膜の形成箇所は、図５と図６に示す箇所に限定されず、互いに転がり接触および滑り接触する、内輪、外輪、転動体、および保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の任意の表面に形成することができる。例えば、円すいころの小端面や大端面と転がり接触および滑り接触する保持器の小径リングの内側端面や大径リングの内側端面に硬質膜を形成してもよい。また、外輪に小鍔および大鍔が形成された円すいころ軸受では、該鍔部の内側端面に硬質膜を形成してもよい。

　図４～図６では、車輪支持装置における転がり軸受として円すいころ軸受を示したが、軸受部材間で転がり滑り運動が生じる軸受であればよく、円すいころ軸受以外にも、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受などを用いることができる。例えば、円筒ころ軸受の場合、ころの軸方向両端部と軌道輪の軸方向両端の鍔部とが転がり接触および滑り接触する。

　ここで、本発明の転がり軸受が適用される風力発電機について説明する。従来、大型の風力発電機における主軸用軸受には、図１０に示すような大型の複列自動調心ころ軸受５４が用いられることが多い。主軸５３は、ブレード５２が取付けられた軸であり、風力を受けることによって回転し、その回転を増速機（図示せず）で増速して発電機を回転させ、発電する。風を受けて発電している際に、ブレード５２を支える主軸５３は、ブレード５２にかかる風力による軸方向荷重（軸受スラスト荷重）と、径方向荷重（軸受ラジアル荷重）が負荷される。複列自動調心ころ軸受５４は、ラジアル荷重とスラスト荷重を同時に負荷することができ、かつ調心性を持つため、軸受ハウジング５１の精度誤差や、取付誤差による主軸５３の傾きを吸収でき、かつ運転中の主軸５３の撓みを吸収できる。そのため、風力発電用機主軸用軸受に適した軸受であり、利用されている（参考文献：ＮＴＮ社カタログ「新世代風車用軸受」Ａ６５．ＣＡＴ．Ｎｏ．８４０４/０４/ＪＥ、２００３年５月１日発行）。

　ところで、図１０に示すように、風力発電用の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受においては、ラジアル荷重に比べてスラスト荷重が大きく、複列のころ５７、５８のうち、スラスト荷重を受ける列のころ５８が、もっぱらラジアル荷重とスラスト荷重を同時に負荷することになる。そのため、転がり疲労寿命が短くなる。また、スラスト荷重が負荷されることから、鍔で滑り運動が起こり摩耗を生じると言う問題があった。加えて、反対側の列では軽負荷となり、ころ５７が内外輪５５、５６の軌道面５５ａ、５６ａで滑りを生じ、表面損傷や摩耗を生じるという問題がある。そのため、軸受サイズが大きなものを用いることで対処されるが、軽負荷側では余裕が大きくなり過ぎて、不経済である。また、無人で運転されたり、ブレード５２が大型となるために高所に設置される風力発電機主軸用軸受では、メンテナンスフリー化が望まれる。

　これの対処として、本発明の転がり軸受を複列自動調心ころ軸受として、風力発電用主軸支持装置に適用することができる。本発明の転がり軸受を風力発電用主軸支持装置に適用した例を図７および図８に基づいて説明する。図７は本発明の風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図であり、図８は図７の風力発電用主軸支持装置を示す図である。図７に示すように、風力発電機３１は、風車となるブレード３２が取付けられた主軸３３を、ナセル３４内に設置された複列自動調心ころ軸受３５（以下、単に軸受３５とも言う。）により回転自在に支持し、さらにナセル３４内に増速機３６および発電機３７を設置したものである。増速機３６は、主軸３３の回転を増速して発電機３７の入力軸に伝達するものである。ナセル３４は、支持台３８上に旋回座軸受４７を介して旋回自在に設置され、旋回用のモータ３９（図８参照）の駆動により、減速機４０（図８参照）を介して旋回させられる。ナセル３４の旋回は、風向きにブレード３２の方向を対向させるために行われる。主軸支持用の軸受３５は、図８の例では２個設けられているが、１個であってもよい。

　図９は、風力発電機の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受３５を示す。この軸受３５は、一対の軌道輪となる内輪４１および外輪４２と、これら内外輪４１、４２間に介在した複数のころ４３とを有する。複数のころは、軸受の軸方向に２列に並んで介在し、図９では、ブレードに近い方の列（左列）のころが４３ａ、ブレードから遠い方の列（右列）のころが４３ｂとなっている。軸受３５は、スラスト負荷が可能なラジアル軸受である。軸受３５の外輪軌道面４２ａが球面状とされ、各ころは外周面が外輪軌道面４２ａに沿う球面形状のころとされている。内輪４１は、左右各列のころ４３ａ、４３ｂの外周面に沿う断面形状の複列の内輪軌道面４１ａが形成されている。内輪４１の外周面の両端には、小鍔４１ｂ、４１ｃがそれぞれ設けられている。内輪４１の外周面の中央部、すなわち左列のころ４３ａと右列のころ４３ｂ間には、中鍔４１ｄが設けられている。ころ４３ａ、４３ｂは、各列毎に保持器４４で保持されている。

　上記構成において、各ころ４３ａ、４３ｂの外周面は、内輪軌道面４１ａと外輪軌道面４２ａとの間で転がり接触する。また、ころ４３ａの軸方向内側の端面は、中鍔４１ｄの軸方向一方の端面との間で滑り接触し、ころ４３ａの軸方向外側の端面は、小鍔４１ｂの内側端面との間で滑り接触する。また、ころ４３ｂの軸方向内側の端面は、中鍔４１ｄの軸方向他方の端面との間で滑り接触し、ころ４３ｂの軸方向外側の端面は、小鍔４１ｃの内側端面との間で滑り接触する。これらの摩擦を低減するためにグリースが封入されている。グリースとしては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。

　図９において、外輪４２は軸受ハウジング４５の内径面に嵌合して設置され、内輪４１は主軸３３の外周に嵌合して主軸３３を支持している。軸受ハウジング４５は、軸受３５の両端を覆う側壁部４５ａを有し、各側壁部４５ａと主軸３３との間にラビリンスシール等のシール４６が構成されている。軸受ハウジング４５で密封性が得られるため、軸受３５にはシール無しのものが用いられている。軸受３５は、本発明の実施形態にかかる風力発電機主軸用軸受となるものである。

　上記複列自動調心ころ軸受は、ころと他部材間で（特に、境界潤滑条件下で）転がり滑り接触する表面に所定構造の硬質膜が形成されていることを特徴とする。そのため、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも該硬質膜の耐剥離性に優れる。また、風力発電機主軸用軸受として使用される場合、軸受内に外部から異物が混入するおそれがあるところ、上記硬質膜が形成されているので、異物が混入した状態でも耐剥離性に優れる。また、軸受転走面に形成された圧痕の盛り上がりが硬質膜による切削効果により除去されるため、圧痕起点剥離耐性に優れる。その結果、硬質膜本来の特性を発揮でき、耐焼き付き性、耐摩耗性、耐腐食性にも優れ、複列自動調心ころ軸受の金属接触に起因する損傷などを防止できる。

　硬質膜の形成箇所について以下に説明する。図９の形態の軸受３５では、軸受部材である内輪４１の外周面に硬質膜４８が形成されている。内輪４１の外周面は、軌道面４１ａ、中鍔４１ｄの軸方向両端面、小鍔４１ｂの内側端面、小鍔４１ｃの内側端面を含む。図９の形態では、内輪４１の外周面全体に硬質膜４８が形成されており、ころ４３ａ、４３ｂと転がり滑り接触しない面にも硬質膜４８が形成されている。硬質膜４８を形成する内輪４１の箇所は、境界潤滑条件下でころと滑り接触する表面に形成されていれば、図９の形態に限らない。例えば、各ころ４３ａ、４３ｂと滑り接触する、中鍔４１ｄの軸方向両端面や、小鍔４１ｂの内側端面、小鍔４１ｃの内側端面のうち、少なくともいずれかの端面に硬質膜を形成してもよい。

　また、上述したように、風力発電機主軸用軸受として自動調心ころ軸受では、ブレードから遠い方の列のころ（ころ４３ｂ）の方がブレードに近い方の列のころ（ころ４３ａ）に比べて、大きなスラスト荷重を受ける。この場合、ころ４３ｂと滑り接触する箇所では、特に境界潤滑となりやすい。そのため、軸方向に並ぶ２列のころに互いに大きさが異なる荷重が作用することを考慮して、小鍔４１ｂ、４１ｃのうち小鍔４１ｃの内側端面にのみ硬質膜を形成してもよい。

　上記複列自動調心ころ軸受では、他の軸受部材と境界潤滑（低ラムダ条件）で滑り接触（特に、転がり滑り接触）する条件となる表面に硬質膜を形成している。ころは内外輪との間で転がりつつ滑りも生じている。図９に示す硬質膜は、このような条件下で使用されるものである。また、該硬質膜の形成箇所は、図９に示す箇所に限定されず、上記条件となるような、内輪、外輪、ころ、および保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の任意の表面に形成することができる。

　図９の形態では、内輪４１の外周面に硬質膜４８を形成したが、これに代えてまたは加えて、外輪４２や、各ころ４３ａ、４３ｂの表面に硬質膜４８を形成してもよい。外輪４２に硬質膜を形成する構成では、外輪４２の内周面（外輪軌道面４２ａを含む）に硬質膜を形成するとよい。また、各ころ４３ａ、４３ｂの表面に硬質膜を形成する構成では、各ころ４３ａ、４３ｂの両端面に硬質膜を形成してもよい。また、ころにかかる荷重の違いを考慮して、ころ４３ｂの両端面にのみ硬質膜を形成する構成としてもよい。また、各ころ４３ａ、４３ｂの外周面に硬質膜を形成する構成としてもよい。例えば、各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に硬質膜を形成する構成としてもよい。

　以下、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８ａ、混合層８ｂ、表面層８ｃをこの順に成膜して得られる。

　下地層８ａおよび混合層８ｂ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１１に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材６２は、成膜対象の軸受部材である内輪、外輪、転動体、または保持器であるが、模式的に平板で示してある。図１１に示すように、丸形ターゲット６５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石６４ａ、外側磁石６４ｂが配置され、ターゲット６５付近で高密度プラズマ６９を形成しつつ、上記磁石６４ａ、６４ｂにより発生する磁力線６６の一部６６ａがバイアス電源６１に接続された基材６２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線６６ａ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６２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６２付近まで達する磁力線６６ａに沿って、Ａｒイオン６７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６８をより多く基材６２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）６３を成膜できる。

　下地層８ａがＣｒとＷＣとを主体とする層である場合は、ターゲット６５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８ｂ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８ａ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８ｂ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８ｂ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８ｃ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。

　混合層８ｂの成膜時におけるＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は０．２～１．２Ｐａであることが好ましい。また、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は２０～１００Ｖであることが好ましい。このような範囲とすることで、耐剥離性の向上が図れる。

　表面層８ｃ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。より詳細には、表面層８ｃは、この装置を利用して、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、Ａｒガスの上記装置内への導入量１００に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合を１～１５とし、炭素供給源から生じる炭素原子を混合層８ｂ上に堆積させて成膜されたものとすることが好ましい。また、併せて、装置内の真空度を０．２～０．９Ｐａとすることが好ましい。この好適条件について以下に説明する。

　炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用することで、ＤＬＣ膜の押し込み硬さおよび弾性率を調整できる。炭化水素系ガスとしては、メタンガス、アセチレンガス、ベンゼンなどが使用でき、特に限定されないが、コストおよび取り扱い性の点からメタンガスが好ましい。炭化水素系ガスの導入量の割合を、ＡｒガスのＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）への導入量１００（体積部）に対して１～１５（体積部）、好ましくは６～１５、より好ましくは１１～１３とすることで、表面層８ｃの耐摩耗性などを悪化させずに、混合層８ｂとの密着性の向上が図れる。

　ＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は上記のとおり０．２～０．９Ｐａであることが好ましい。より好ましくは０．４～０．９Ｐａであり、さらに好ましくは０．６～０．９Ｐａである。真空度が０．２Ｐａ未満であると、チャンバー内のＡｒガス量が少ないため、Ａｒプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、真空度が０．９Ｐａより高いと、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。

　基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は５０～１５０Ｖであることが好ましい。なお、基材に対するバイアスの電位は、アース電位に対してマイナスとなるように印加しており、例えば、バイアス電圧１００Ｖとは、アース電位に対して基材のバイアス電位が－１００Ｖであることを示す。

　本発明の転がり軸受に使用する硬質膜として、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した。また、往復動滑り試験機および２円筒試験機を用いて耐剥離性などの評価を行なった。

　硬質膜の評価用に用いた基材、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）基材物性：ＳＵＪ２　焼き入れ焼き戻し品　硬さ７８０Ｈｖ
　（２）基材：鏡面研磨された（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２平板
　（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、ヒータで基材をベーキングして、Ａｒプラズマにて基材表面をエッチング後、ＵＢＭＳ法にてＣｒターゲットとＷＣターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、ＣｒとＷＣの組成比を傾斜させ、基材側でＣｒが多く表面側でＷＣが多いＣｒ／ＷＣ傾斜層を形成した。

　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。

　表面層の形成条件は、各表に示すとおりである。

　図１２はＵＢＭＳ装置の模式図である。図１２に示すように、円盤７０上に配置された基材７１に対し、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）７２を非平衡な磁場により、基材７１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１１参照）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１～６、比較例１
　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、比較例１の硬質膜は、実施例１～６の硬質膜と同様の３層の膜構造を有する従来の硬質膜を想定している。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。得られた試験片を用いて下記に示す各試験を行った。結果を表１に併記する。

＜硬度試験＞
　得られた試験片の押し込み硬さをアジレントテクノロジー社製：ナノインデンタ（Ｇ２００）を用いて測定した。なお、測定値は表面粗さの影響を受けない深さ（硬さが安定している箇所）の平均値を示しており、各試験片１０箇所ずつ測定した。また、得られた押し込み硬さの値から、換算式（ビッカース硬度（ＨＶ）＝押し込み硬さＨ_IT（Ｎ／ｍｍ²）×０．０９４５）に基づいて、ビッカース硬度に換算した。

＜膜厚試験＞
　得られた試験片の硬質膜の膜厚を表面形状・表面粗さ測定器（テーラーホブソン社製：フォーム・タリサーフＰＧＩ８３０）を用いて測定した。膜厚は成膜部の一部にマスキングを施し、非成膜部と成膜部の段差から膜厚を求めた。

＜往復動滑り試験＞
　得られた試験片について図１３に示す往復動滑り試験機を用いて、滑りによる耐剥離性の試験を行った。図１３に示すように、試験ではまず、ロードセル７７および加速度センサ７８が取り付けられた台座に硬質膜７４が形成された基材７３（試験片）を載置する。そして、試験片の硬質膜７４に、荷重８０が負荷された窒化珪素球７５を載せ、下記条件にて窒化珪素球７５を水平方向に往復動させる。窒化珪素球７５は、加振機７９に接続された相手材ホルダ７６に保持されている。往復動滑り試験は無潤滑で行い、下記の負荷増加速度で荷重を増加させ、硬質膜の剥離により摩擦係数が増大したときの荷重を限界荷重（Ｎ）とした。なお、実施例４では最大荷重を１２０Ｎとし、実施例５では最大荷重を１００Ｎとした。具体的な試験条件は以下のとおりである。
（試験条件）
　　潤滑：無潤滑
　　球：３/８インチ、窒化珪素球
　　荷重：３０～８０Ｎ
　　負荷増加速度：１０Ｎ／ｍｉｎ
　　周波数：６０Ｈｚ
　　振幅：２ｍｍ

　表１に各層の成膜条件および往復動滑り試験の結果を示す。なお、往復動滑り試験は、実施例および比較例についてそれぞれ２回ずつ試験を実施し、各試験の結果をそれぞれ示した。各実施例と各比較例は、使用する基材および混合層の成膜条件は同一である。表１に示すように、表面層の成膜条件を変化させて表面層の押し込み硬さを変化させた結果、押し込み硬さが９～２２ＧＰａと、従来の硬質膜の押し込み硬さよりも低い範囲で限界荷重が大きい傾向を示した。特に、押し込み硬さが１０～１３ＧＰａの場合（実施例１、４、５）では、押し込み硬さが２４．５ＧＰａの場合（比較例１）の場合に比べて、限界荷重が顕著に増大した。これにより、本発明の転がり軸受は、潤滑状態が悪く、滑り接触する条件下でも耐剥離性に優れることが分かった。

実施例７～１０、比較例２～４
　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２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、比較例４は、硬質膜を形成せずに、基材自体からなる試験片とした。表２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通りの２円筒試験機を用いた試験に供した。なお、硬度試験および膜厚試験は上述の試験方法で行った。結果を表２に併記する。

＜２円筒試験機による耐圧痕性試験＞
　得られた試験片について図１４に示す２円筒試験機を用いて異物混入下での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８１と転がり滑り接触する従動側試験片８２とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受８４で支持されており、負荷用バネ８５により荷重が負荷されている。また、図中の８３は駆動用プーリ、８６は非接触回転計である。従動側試験片８２のみに硬質膜を形成し、該硬質膜の剥離を助長するために駆動側試験片８１と従動側試験片８２の間に異物を混入し、運転後の硬質膜の耐剥離性を評価した。具体的な試験条件は以下のとおりである。

　リング試験片の転動面内で０．５ｍｍ×０．５ｍｍの範囲で明度による２値化を行い剥離部面積を決定し、以下の計算式を用いて計測範囲内での剥離率を算出した。
（計測範囲内での剥離率）＝（剥離部面積）／（２値化対象範囲）×１００［％］
　リング試験片の外周における位置４箇所（０°、９０°、１８０°、２７０°）でそれぞれ算出した上記計測範囲内での剥離率の平均値を剥離率とした。

（試験条件）
　　潤滑油：ＶＧ５６相当油（異物未添加油）またはＶＧ５６相当油に以下の異物を混入した油（異物添加油）
　　給油方式：滴下給油
　　異物：粉末ハイス鋼　ＫＨＡ３０　１００～１８０μｍ、１０ｇ／ｌ
　　油温：４０～５０℃
　　最大接触面圧：２．５ＧＰａ
　　回転数：（試験片側）３００ｍｉｎ^－１
　　　　　　（相手材側）３００ｍｉｎ^－１
　　時間：異物添加油で１ｈ運転後、異物未添加油で負荷回数１×１０^６回まで運転

＜２円筒試験機による圧痕除去性試験＞
　得られた試験片について図１４に示す２円筒試験機を用いて圧痕除去性試験を行なった。従動側試験片８２のみに硬質膜を形成し、相手材である駆動側試験片８１に圧痕を形成した状態で試験を開始し、一定時間ごとに圧痕の盛り上がり部の変化を確認した。初期の圧痕盛り上がり高さ（試験前高さＡ）の時間変化を評価した。図１５に圧痕盛り上がり高さの測定例を示す。駆動側試験片に形成された圧痕の盛り上がり高さは、１．２～１．４μｍ程度であった。圧痕の中心を通る母線形状を取得し試験片半径で補正した母線の最大値を圧痕盛り上がり高さとして計測した。負荷の移動方向に対して盛り上がりの削れ方に差異がみられ、負荷の移動方向の上流側の圧痕盛り上がり高さを採用した。以下の計算式を用い圧痕盛り上がり高さの残存率として評価した。

（圧痕残存率）＝（試験後高さＢ)／（試験前高さＡ）×１００［％］

（試験条件）
　　潤滑油：ＶＧ５６相当油（添加剤含有）
　　給油方式：滴下給油
　　圧痕形成条件：１５ｋｇｆロックウェル試験用ダイヤモンド圧子
　　油温：４０～５０℃
　　最大接触面圧：２．５ＧＰａ
　　回転数：（試験片側）３００ｍｉｎ^－１
　　　　　　（相手材側）３００ｍｉｎ^－１
　　試験サイクル：負荷回数１×１０^６回まで運転

　試験の結果、比較的高硬度の硬質膜（比較例２、３）は、相手材の圧痕盛り上がりを除去する能力が高いものの、異物が混入した条件での耐剥離性が低かった。一方、比較的低硬度の硬質膜（実施例７～１０）は、比較例２、３に比べて、圧痕除去能力は低下したものの、異物混入に対する耐剥離性は大幅に向上した。特に、押し込み硬さが１０～１５ＭＰａの実施例７、８では硬質膜の剥離はほとんど見られなかった。これにより、本発明の転がり軸受は、異物が混入した潤滑条件下でも耐剥離性に優れることが分かった。

　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。特に、異物が混入した潤滑油中での摺動および転動はより苛酷である。本発明の転がり軸受は、例えば、内・外輪軌道面や転動体の転動面にＤＬＣ膜が形成され、苛酷な潤滑状態（例えば、潤滑状態が悪く、滑り接触する条件下や異物が混入した潤滑条件下）で運転した場合においてもこのＤＬＣ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。特に、車輪支持装置や風力発電用主軸支持装置への適用に適している。

　１　　深溝玉軸受（転がり軸受）
　２　　内輪
　３　　外輪
　４　　転動体
　５　　保持器
　６　　シール部材
　７　　グリース
　８　　硬質膜
　１１　ステアリングナックル
　１２　フランジ
　１３　アクスル
　１４　円すいころ軸受（転がり軸受）
　１５　アクスルハブ（回転部材）
　１６　フランジ
　１７　スタッドボルト
　１８　ナット
　１９　ブレーキドラム
　２０　ホイールディスク
　２１　リム
　２２　バックプレート
　２３　グリースキャップ
　２４　外輪
　２５　内輪
　２６　保持器
　２７　円すいころ
　２８　硬質膜
　３１　風力発電機
　３２　ブレード
　３３　主軸
　３４　ナセル
　３５　複列自動調心ころ軸受（転がり軸受）
　３６　増速機
　３７　発電機
　３８　支持台
　３９　モータ
　４０　減速機
　４１　内輪
　４２　外輪
　４３　ころ
　４４　保持器
　４５　軸受ハウジング
　４６　シール
　４７　旋回座軸受
　４８　硬質膜

Claims

　外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体と、前記転動体を保持する保持器とを備え、前記内輪、前記外輪、前記複数の転動体、および前記保持器が鉄系材料からなる転がり軸受であって、
　硬質膜は、前記内輪、前記外輪、前記転動体、および前記保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に直接成膜される下地層と、該下地層の上に成膜されるタングステンカーバイトとダイヤモンドライクカーボンとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるダイヤモンドライクカーボンを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、該硬質膜が他の軸受部材と転がり接触および滑り接触するものであり、
　前記表面層のＩＳＯ１４５７７法により測定される押し込み硬さが９～２２ＧＰａであり、
　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トの含有率が小さくなり、該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ることを特徴とする転がり軸受。
　前記表面層の押し込み硬さが１０～１５ＧＰａであることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
　前記表面層は、前記混合層との隣接側に、前記表面層の押し込み硬さよりも小さい押し込み硬さの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。
　前記鉄系材料が、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であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
　前記下地層が、クロムとタングステンカーバイトとを主体とする層であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
　アクスルの外径面上に取付けられた転がり軸受を備え、該転がり軸受によって車輪と共に回転する回転部材を回転自在に支持する車輪支持装置であって、
　前記転がり軸受が、請求項１記載の転がり軸受であることを特徴とする車輪支持装置。
　前記転がり軸受が、円すいころ軸受であり、
　該円すいころ軸受は、前記転動体である円すいころの大径側の端面と、前記内輪に形成された大鍔の端面とが転がり接触および滑り接触する軸受であり、
　前記円すいころの大径側の端面および前記内輪の大鍔の端面の少なくとも一方に前記硬質膜が形成されていることを特徴とする請求項６記載の車輪支持装置。
　前記転がり軸受が、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する軸受であり、該軸受が、前記内輪と前記外輪との間に、前記転動体として軸方向に並んで２列にころを介在させ、前記外輪軌道面を球面状とし、前記ころの外周面を前記外輪軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
　前記内輪は、該内輪の外周面において前記２列のころ間に設けられ、各列のころの軸方向内側の端面と滑り接触する中鍔と、前記内輪の外周面の両端にそれぞれ設けられ、各列のころの軸方向外側の端面と滑り接触する小鍔とを備え、
　前記各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に前記硬質膜が形成されていることを特徴とする請求項８記載の転がり軸受。
　ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受によって支持する風力発電用主軸支持装置であって、
　前記軸受のうち少なくとも一個が請求項８記載の複列自動調心ころ軸受であり、該複列自動調心ころ軸受において、前記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとしたことを特徴とする風力発電用主軸支持装置。