(57)【要約】【課題】耐久性に優れる転がり軸受を提供する。【解決手段】転がり軸受１は、内輪２と外輪３と複数の転動体４と硬質膜８とを備える。硬質膜８は、内輪２、外輪３、および転動体４からなる群から選択される少なくとも一つの表面に形成される。内輪２、外輪３、および複数の転動体４は鉄系材料からなる。硬質膜８は、下地層８ａと、混合層８ｂと、表面層８ｃとを含む。下地層８ａは、上記表面の上に直接成膜される、Ｃｒを主体とする層である。混合層８ｂは、下地層８ａの上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする層である。表面層８ｃは、混合層８ｂの上に成膜されるＤＬＣを主体とする層である。混合層８ｂは、下地層８ａ側から表面層８ｃ側へ向けて連続的または段階的に、混合層８ｂ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。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記内輪、前記外輪、および前記転動体からなる群から選択される少なくとも一つの表面に形成された硬質膜とを備え、
前記内輪、前記外輪、および前記複数の転動体が鉄系材料からなり、
前記硬質膜は、
前記表面の上に直接成膜されるクロムを主体とする下地層と、
前記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、
前記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を含み、
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、前記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、前記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、転がり軸受。
【請求項２】
前記表面層の押し込み硬さが１０ＧＰａ以上２０ＧＰａ以下である、請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記表面層は、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、請求項１または２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記鉄系材料が、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からなる群から選択される１つである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項５】
請求項１に記載の転がり軸受の製造方法であって、
前記内輪と前記外輪と前記転動体とを準備する工程と、
前記内輪、前記外輪、および前記転動体からなる群から選択される少なくとも一つの表面に硬質膜を形成する工程とを備え、
前記硬質膜を形成する工程では、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用し、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、前記アルゴンガスの前記装置内への導入量１００に対する前記炭化水素系ガスの導入量の割合を１以上１０以下とし、前記炭素供給源から生じる炭素原子を、前記混合層上に堆積させて前記表面層が成膜される、転がり軸受の製造方法。
【請求項６】
前記炭化水素系ガスがメタンガスである、請求項５に記載の転がり軸受の製造方法。
【請求項７】
前記表面層は、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し、
前記硬質膜を形成する工程では、前記表面を含む前記内輪、前記外輪、および前記転動体からなる群から選択される少なくとも一つに印加するバイアス電圧を連続的または段階的に上げながら、前記傾斜層部分が成膜される、請求項５または６に記載の転がり軸受の製造方法。
【請求項８】
前記硬質膜を形成する工程では、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いた前記アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用して、前記下地層および前記混合層が成膜され、さらに、
前記硬質膜を形成する工程では、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、タングステンカーバイトターゲットに印加する電力を下げながら、前記混合層が成膜される、請求項５〜７のいずれか１項に記載の転がり軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受およびその製造方法に関し、より特定的には、内輪、外輪、転動体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およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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を主体とする膜または層をＤＬＣ膜またはＤＬＣ層ともいう。）と呼ばれている硬質膜である。硬質カーボンの呼称は上記以外にも、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、様々なものがあるが、これらの用語は明確に区別されていない。
【０００３】
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ものである。ＤＬＣはダイヤモンドとグラファイトとの中間構造を有する。ＤＬＣは、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ＤＬＣは利用されつつある。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。
【０００４】
従来より、転がり軸受の軌道輪の軌道面や転動体の転動面に対し、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する。またＤＬＣ膜は、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。このため、ＤＬＣ膜は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。転がり軸受の軌道輪の軌道面や転動体の転動面に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。
【０００５】
例えば、基材とＤＬＣ膜との間に中間層を設けて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輪の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（以下、Ｎｉと記す）、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（特開２００３−３１４５６０号公報参照）。
【０００６】
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、軌道輪の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（特開２００１−３０４２７５号公報参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３１４５６０号公報
【特許文献２】特開２００１−３０４２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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い。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はより困難となる。ＤＬＣの適用が検討される摺動面は潤滑状態が悪い、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条件となる場合が多い。
【０００９】
軸受においては転走面のみでなく外周面や端面における摩耗やシール溝での摺動抵抗などが問題となる場合もある。このため、軸受における転走面以外へのＤＬＣ処理も軸受の耐久性および機能性向上に有効である。
【００１０】
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、例えば転がり軸受の内・外輪軌道面などに形成されたＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮することで、耐久性に優れる転がり軸受の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示に従った転がり軸受は、内輪と外輪と複数の転動体と硬質膜とを備える。内輪は外周に内輪軌道面を有する。外輪は内周に外輪軌道面を有する。複数の転動体は、内輪軌道面と外輪軌道面との間を転動する。硬質膜は、内輪、外輪、および転動体からなる群から選択される少なくとも一つの表面に形成される。内輪、外輪、および複数の転動体は鉄系材料からなる。硬質膜は、下地層と、混合層と、表面層とを含む。下地層は、上記表面の上に直接成膜される、クロムを主体とする層である。混合層は、下地層の上に成膜されるタングステンカーバイト（ＷＣ）とダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）とを主体とする層である。表面層は、混合層の上に成膜されるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を主体とする層である。混合層は、下地層側から表面層側へ向けて連続的または段階的に、混合層中のタングステンカーバイト（ＷＣ）の含有率が小さくなり、混合層中のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の含有率が高くなる層である。
【００１２】
上記転がり軸受の製造方法は、内輪と外輪と転動体とを準備する工程と、硬質膜を形成する工程とを備える。硬質膜を形成する工程では、内輪、外輪、および転動体からなる群から選択される少なくとも一つの表面に硬質膜を形成する。硬質膜を形成する工程では、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用する。硬質膜を形成する工程では、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、アルゴンガスの装置内への導入量１００に対する炭化水素系ガスの導入量の割合を１以上１０以下とする。硬質膜を形成する工程では、炭素供給源から生じる炭素原子を、混合層上に堆積させて表面層が成膜される。
【発明の効果】
【００１３】
上記によれば、転がり軸受の内・外輪軌道面などに形成されたＤＬＣを主体とする層を含む硬質膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ本来の特性を発揮させることで、耐久性に優れる転がり軸受を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る転がり軸受の断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る転がり軸受の断面模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る転がり軸受の断面模式図である。
【図４】図３に示した転がり軸受の転動体の断面模式図である。
【図５】図１に示した転がり軸受の硬質膜の部分断面模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る転がり軸受の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】ＵＢＭＳ法の成膜原理を説明するための模式図である。
【図８】ＵＢＭＳ装置の一例の構成を示す模式図である。
【図９】往復動すべり試験気の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１６】
（実施の形態）
ＤＬＣ膜などの硬質膜は膜内に残留応力がある。当該残留応力は硬質膜の膜構造、成膜条件、および硬質膜が形成される基材形状の影響を受け大きく変化する。実験を重ねた結果、本発明者らは予想外に残留応力に対する基材形状の影響が大きいことを発見した。例えば、平面上に形成された硬質膜では、成膜直後の剥離もなくスクラッチテストでの臨界剥離荷重も大きい。しかし、同じ構造の硬質膜を転がり軸受の内輪軌道面および外輪軌道面のような曲面上に形成した場合、成膜直後に剥離する、または成膜直後には剥離しなくとも、使用時に剥離するといった場合があった。本発明者らは、鋭意検討の結果、曲面である転がり軸受の内輪軌道面、外輪軌道面、および転動体の転動面に形成する硬質膜を、下地層（Ｃｒを主体とする層）と混合層（ＷＣ／ＤＬＣの傾斜組成を有する層）と表面層（ＤＬＣを主体とする層）とからなる所定の構造に限定することで、耐剥離性の大幅な向上が図れることを見出した。このような構成の硬質膜は、軸受の実使用条件においても剥離を抑制できる。さらに、上記表面層の押し込み硬さを１０〜２０ＧＰａとすれば、さらに耐剥離性を向上させることができた。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。
【００１７】
＜転がり軸受の構成＞
図１〜図３は、本発明の実施の形態（以下、本実施形態とも記載する）に係る転がり軸受の断面模式図である。図４は、図３に示した転がり軸受の転動体の断面模式図である。図５は、図１に示した転がり軸受の硬質膜の部分断面模式図である。
【００１８】
本実施形態に係る転がり軸受を図１〜図５に基づいて説明する。図１では、内輪軌道面に後述の硬質膜を形成した、転がり軸受の一例である深溝玉軸受の断面図が示されている。図２では、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が示されている。図３では、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が示されている。
【００１９】
図１〜図３に示した転がり軸受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、内輪および外輪の間における軸方向両端開口部がシールされる。このシール部材６によりシールされた軸受空間にグリース７が封入されている。転動体４の周囲に封入されるグリース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。
【００２０】
例えば図１に示した転がり軸受１では、内輪軌道面２ａを含む内輪２の外周面に硬質膜８が形成されている。図２に示した転がり軸受１では、外輪軌道面３ａを含む外輪３の内周面に硬質膜８が形成されている。
【００２１】
図３に示した転がり軸受１では、図４に示すように転動体４の表面である転動面に硬質膜８が形成されている。図３の転がり軸受１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１〜図３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てもよい。このとき、該硬質膜８をその転動体の表面に形成する場合は、円筒ころの外周面など少なくとも転動体の転動面上に硬質膜８を形成すればよい。転がり軸受１では、適用用途に応じて内輪２、外輪３または転動体４の少なくとも１面に硬質膜８が形成されていればよい。
【００２２】
図１〜図３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、一般的に玉の直径（鋼球径）をｄｗとすると、０．５１ｄｗ〜０．５４ｄｗ程度である。また、図１〜図３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、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、転がり軸受として自動調心ころ軸受を用いる場合、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。本実施形態に係る転がり軸受１は、内輪軌道面２ａおよび外輪軌道面３ａが、以上のいずれの形状であってもよい。
【００２３】
本実施形態に係る転がり軸受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、および転動体４は、鉄系材料からなる。ここで、鉄系材料とは、鉄を主体とした材料である。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。
【００２４】
これらの軸受部材において、硬質膜８が形成される面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ６５０以上であってもよい。Ｈｖ６５０以上とすることで、硬質膜８（より具体的には図５に示す下地層８ａ）との硬度差を少なくし、軸受部材に対する硬質膜８の密着性を向上させることができる。
【００２５】
上記硬質膜８が形成される軸受部材の表面において、硬質膜８の形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていてもよい。窒化処理としては、基材としての軸受部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、窒化処理後の窒化層表面の硬さがビッカース硬さでＨｖ１０００以上であってもよい。この場合、軸受部材に対する硬質膜８の密着性をさらに向上させることができる。
【００２６】
上記硬質膜８が形成される軸受部材の表面の表面粗さＲａは、０．０５μｍ以下であってもよい。表面粗さＲａが０．０５μｍを超えると、当該表面における凹凸形状の突起先端に硬質膜８が形成され難くなり、局所的に硬質膜８の膜厚が小さくなる場合がある。
【００２７】
上記転がり軸受１において、表面層８ｃの押し込み硬さは１０ＧＰａ以上２０ＧＰａ以下であってもよい。この場合、硬質膜８の耐剥離性を向上させることができる。上記押し込み硬さは１８ＧＰａ以下でもよく、１５ＧＰａ以下でもよい。上記押し込み硬さは１２ＧＰａ以上でもよく１３ＧＰａ以上でもよい。
【００２８】
本実施形態に係る転がり軸受１における硬質膜８の具体的な構造を図５に基づいて説明する。図５は、図１に示した転がり軸受１における硬質膜８の構造を示す。図５に示すように、硬質膜８は、下地層８ａと混合層８ｂと表面層８ｃとからなる３層構造を有する。下地層８ａは、内輪２の内輪軌道面２ａ上に直接成膜され、Ｃｒを主体とする層である。混合層８ｂは、下地層８ａの上に成膜され、ＷＣとＤＬＣとを主体とする層である。表面層８ｃは、混合層８ｂの上に成膜され、ＤＬＣを主体とする層である。ここで、混合層８ｂでは、下地層８ａ側から表面層８ｃ側へ向けて連続的または段階的に、混合層８ｂ中のＷＣの含有率が小さくなり、かつ、混合層８ｂ中のＤＬＣの含有率が高くなる。
【００２９】
下地層８ａがＣｒを主体とする層であることから、基材としての鉄系材料製の軸受部材である内輪２と下地層８ａとの相性が良い。そのため、下地層８ａとしてＷ、Ｔｉ、Ｓｉなどを用いる場合と比較して、基材としての軸受部材に対する下地層８ａの密着性が高い。特に、軸受軌道輪の材料として使用される高炭素クロム軸受鋼を軸受部材の材料として用いた場合、Ｃｒを主体とした下地層８ａは軸受部材との密着性に優れる。
【００３０】
混合層８ｂに用いるＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有している。このため、硬質膜８の成膜後における残留応力の集中も発生し難い。このように、曲面である転がり軸受の内輪軌道面、外輪軌道面、転動体の転動面において、耐剥離性に優れたＤＬＣを含む硬質膜８を形成しようとする場合、硬質膜８における中間層としての混合層８ｂにおける材料選定も重要な要素となる。
【００３１】
また、混合層８ｂは、表面層８ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さくなり、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成を有している。したがって、混合層８ｂは下地層８ａとの界面および表面層８ｃとの界面の両面において密着性に優れる。特に、該混合層８ｂ内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となり、混合層８ｂにおける表面層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。
【００３２】
表面層８ｃは、ＤＬＣを主体とする膜である。表面層８ｃは、混合層８ｂと隣接する側に、混合層８ｂ側から反対側（表面層８ｃの上面側）に向けて硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分８ｄを有することが好ましい。これは、混合層８ｂと表面層８ｃとで成膜時のバイアス電圧が異なる場合、バイアス電圧の急激な変化を避けるためにバイアス電圧を連続的または段階的に変化させる（たとえばバイアス電圧の設定値を上げる）ことで得られる部分である。傾斜層部分８ｄは、このようにバイアス電圧を変化させることで、結果として上記のように硬度が表面層８ｃの厚さ方向において変化する。硬度が連続的または段階的に上昇するのは、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、バイアス電圧の上昇により後者に偏っていくためである。これにより、混合層８ｂと表面層８ｃとの界面領域における急激な硬度変化が低減され、混合層８ｂと表面層８ｃとの密着性がさらに向上する。
【００３３】
硬質膜８の膜厚（下地層８ａ、混合層８ｂ、表面層８ｃの合計膜厚）は０．５μｍ以上３．０μｍ以下としてもよい。当該膜厚が０．５μｍ未満であれば、硬質膜８の耐摩耗性および機械的強度が不十分となる場合がある。当該膜厚が３．０μｍを超えると硬質膜８が剥離し易くなる場合がある。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を超えると、混合層８ｂにおいてＷＣとＤＬＣとが物理結合するための傾斜組織が不連続な組織となるため、硬質膜８の密着性が劣化する可能性がある。
【００３４】
本実施形態に係る転がり軸受１では、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との３層構造とすることで、優れた耐剥離性を実現できる。
【００３５】
＜転がり軸受の作用効果＞
本実施形態に係る転がり軸受１は、内輪２と外輪３と複数の転動体４と硬質膜８とを備える。内輪２は外周に内輪軌道面２ａを有する。外輪３は内周に外輪軌道面３ａを有する。複数の転動体４は、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する。硬質膜８は、内輪２、外輪３、および転動体４からなる群から選択される少なくとも一つの表面に形成される。内輪２、外輪３、および複数の転動体４は鉄系材料からなる。硬質膜８は、下地層８ａと、混合層８ｂと、表面層８ｃとを含む。下地層８ａは、上記表面の上に直接成膜される、クロム（Ｃｒ）を主体とする層である。混合層８ｂは、下地層８ａの上に成膜されるタングステンカーバイト（ＷＣ）とダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）とを主体とする層である。表面層８ｃは、混合層８ｂの上に成膜されるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を主体とする層である。混合層８ｂは、下地層８ａ側から表面層８ｃ側へ向けて連続的または段階的に、混合層８ｂ中のタングステンカーバイト（ＷＣ）の含有率が小さくなり、混合層中のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の含有率が高くなる層である。
【００３６】
上記転がり軸受１において、上記表面上に直接成膜されるＣｒを主体とする下地層８ａは鉄系材料と相性がよく、ＷやＳｉを主体とする層と比較して鉄系材料との密着性に優れる。混合層８ｂに用いるＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有するため、硬質膜８の成膜後に混合層８ｂにおいて残留応力が集中することを抑制できる。さらに、ＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層８ｂを上記のような傾斜組成とすることで、上記混合層８ｂはＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっている。
【００３７】
上記構造により、該硬質膜８は内輪２、外輪３、および転動体４のいずれかの表面に形成されても耐剥離性に優れる。このため、内輪軌道面２ａ、外輪軌道面３ａおよび転動体４の転動面のいずれかに形成された硬質膜８は、剥離することなくＤＬＣ本来の特性を発揮できる。この結果、上記転がり軸受１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軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。
【００３８】
異なる観点から言えば、本実施形態に係る転がり軸受１において、以上のような構造・物性の硬質膜８を形成することで、軸受使用時に転がり接触などの負荷を硬質膜８が受けた場合でも、該硬質膜８の摩耗や剥離を抑制できる。このため、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命な転がり軸受１が得られる。また、グリース７を封入した転がり軸受１において、内輪２および外輪３といった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の劣化が促進される。しかし、本実施形態に係る転がり軸受１では、硬質膜８が形成されているため金属接触による内輪軌道面２ａ、外輪軌道面３ａおよび転動体４の転動面の損傷を抑制できるので、グリースの劣化も抑制できる。
【００３９】
＜転がり軸受の製造方法＞
図６は、図１〜図５に示した転がり軸受の製造方法を説明するためのフローチャートである。図７は、ＵＢＭＳ法の成膜原理を説明するための模式図である。図８は、ＵＢＭＳ装置の一例の構成を示す模式図である。
【００４０】
図６に示すように、転がり軸受の製造方法では、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、転がり軸受１を構成する軸受部材となるべき部品を準備する。当該部品としては、たとえば内輪２、外輪３、転動体４、シール部材６などが挙げられる。
【００４１】
次に、成膜工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、上記工程（Ｓ１０）において準備された部品の表面に硬質膜を形成する。なお、成膜工程（Ｓ２０）の詳細については後述する。その後、硬質膜が形成された部品の仕上げ加工や組み立て加工などを行う後処理工程（Ｓ３０）を実施する。このようにして、図１〜図３に示した転がり軸受１を得ることができる。
【００４２】
以下、工程（Ｓ２０）における硬質膜の形成方法について説明する。硬質膜８は、軸受部材となるべき部品の成膜面に対して、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。
【００４３】
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７に示す模式図を用いて説明する。図７中において、基材１２は、成膜対象の軸受部材となるべき部品である内輪２、外輪３、または転動体４であるが、模式的に平板状の形状として示している。基材１２はバイアス電源１１に接続される。図７に示すように、基材１２と対向するようにターゲット１５が配置される。成膜原料の供給源であるターゲット１５の平面形状はたとえば丸型である。丸形のターゲット１５の中心部と周辺部とで異なる磁気特性を有する内側磁石１４ａ、外側磁石１４ｂが、丸型ターゲット１５の下側に配置される。たとえば外側磁石１４ｂは相対的に強い磁場を形成し、内側磁石１４ａは相対的に弱い磁場を形成する。
【００４４】
ＵＢＭＳ法では、ターゲット１５付近でＡｒガスから高密度プラズマ１９を形成しつつ、上記内側磁石１４ａおよび外側磁石１４ｂにより発生する磁力線１６の一部１６ａが基材１２の近傍まで達するように、内側磁石１４ａおよび外側磁石１４ｂにより磁場が形成される。スパッタリング時に発生した高密度プラズマ１９の一部（Ａｒプラズマ）はこの磁力線の一部１６ａに沿って基材１２付近まで拡散する。このようなＵＢＭＳ法では、基材１２付近まで達する磁力線の一部１６ａに沿って、Ａｒプラズマ１７および電子が、ターゲット１５由来のイオン化された粒子１８を通常のスパッタリング時より多く基材１２に到達させる。このような効果をイオンアシスト効果と呼ぶ。ＵＢＭＳ法では、イオンアシスト効果によって、基材１２表面に緻密な膜１３を成膜できる。
【００４５】
下地層８ａを形成する際には、ターゲット１５としてＣｒターゲットを用いる。混合層８ｂを形成する際には、ターゲット１５としてＷＣターゲットおよび黒鉛ターゲットを併用する。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、混合層８ｂにおいて下地層８ａ側から表面層８ｃ側に向けてＷＣの含有率が連続的または段階的に小さくなり、かつ、ＤＬＣの含有率が連続的または段階的に高くなる傾斜組成の層となった部分を形成できる。
【００４６】
表面層８ｃも、上記のスパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用して形成してもよい。より詳細には、表面層８ｃを形成する条件としては以下のような条件を用いることができる。すなわち、ＵＢＭＳ装置を用いて、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する。上記ＡｒガスのＵＢＭＳ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以上１０以下とする。上記ＵＢＭＳ装置内の真空度を０．２Ｐａ以上０．８Ｐａ以下とする。このような条件を用いて、上記炭素供給源からスパッタリングにより生じる粒子炭素を、混合層８ｂ上に堆積させてＤＬＣ膜である表面層８ｃを形成することが好ましい。上述した条件について以下に説明する。
【００４７】
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膜の硬度および弾性率を調整できる。炭化水素系ガスとしては、メタン、アセチレン、ベンゼンなどのガスが使用できる。炭化水素系ガスとしては、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を用いることが好ましい。
【００４８】
上記炭化水素系ガスの導入量の割合を、ＡｒガスのＵＢＭＳ装置内（具体的にはＵＢＭＳ装置の成膜チャンバー内）への導入量１００（体積部）に対して１〜１０（体積部）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との密着性を向上させることができる。
【００４９】
成膜チャンバー内の真空度は上記のとおり０．２Ｐａ以上０．８Ｐａ以下であることが好ましい。より好ましくは、上記真空度は０．２５Ｐａ以上０．８Ｐａ以下である。真空度が０．２Ｐａ未満であると、成膜チャンバー内のＡｒガス量が少ないため、Ａｒプラズマが発生せず、表面層８ｃを成膜できない場合がある。また、成膜チャンバー内の真空度が０．８Ｐａより高いと、逆スパッタ現象が起こり易くなり、表面層８ｃの耐摩耗性が劣化するおそれがある。
【００５０】
＜転がり軸受の製造方法の作用効果＞
上記転がり軸受１の製造方法は、図６に示すように、内輪と外輪と転動体とを準備する工程（Ｓ１０）と、硬質膜を形成する工程（成膜工程（Ｓ２０））とを備える。硬質膜を形成する工程（Ｓ２０）では、内輪２、外輪３、および転動体４からなる群から選択される少なくとも一つの表面に硬質膜８を形成する。硬質膜を形成する工程（Ｓ２０）では、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング（ＵＢＭＳ）装置を使用する。硬質膜を形成する工程（Ｓ２０）では、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、アルゴンガスの装置内への導入量１００に対する炭化水素系ガスの導入量の割合を１以上１０以下とする。硬質膜を形成する工程（Ｓ２０）では、炭素供給源から生じる炭素原子を、混合層８ｂ上に堆積させて表面層８ｃが成膜される。このようにすれば、本実施形態に係る耐久性に優れた転がり軸受１を得ることができる。
【００５１】
上記転がり軸受の製造方法において、工程（Ｓ２０）により形成される表面層８ｃは、混合層８ｂとの隣接側に、混合層８ｂ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８ｄを有してもよい。この場合、硬質膜を形成する工程（Ｓ２０）では、表面を含む内輪２、外輪３、および転動体４からなる群から選択される少なくとも一つに印加するバイアス電圧を連続的または段階的に上げながら、傾斜層部分８ｄが成膜される。このようにすれば、傾斜層部分８ｄを容易に形成できる。
【００５２】
上記転がり軸受の製造方法において、硬質膜を形成する工程（Ｓ２０）では、上述のようにスパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用して、下地層８ａおよび混合層８ｂが成膜されてもよい。硬質膜を形成する工程（Ｓ２０）では、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、タングステンカーバイトターゲットに印加する電力を下げながら、混合層８ｂが成膜されてもよい。このようにすれば、混合層８ｂにおけるＷＣとＤＬＣの組成を厚さ方向で様に変化させることができる。
【００５３】
上記転がり軸受の製造方法は、硬質膜を形成する工程（Ｓ２０）の前に、上記硬質膜８が形成される表面に対して窒化処理を実施することにより窒化層を形成する工程を備えていてもよい。上記窒化処理は、プラズマ窒化処理であってもよい。
【００５４】
上記転がり軸受の製造方法において、硬質膜を形成する工程（Ｓ２０）にて上記硬質膜８が形成される表面の表面粗さＲａが、０．０５μｍ以下であってもよい。この場合、膜厚変動が抑制された硬質膜８を形成できる。
【００５５】
上記転がり軸受の製造方法は、転動体４の周囲にグリースを封入する工程をさらに備えていてもよい。この場合、グリース７を封入した転がり軸受１を得ることができる。
【００５６】
（実施例）
本実施形態に係る転がり軸受に形成する硬質膜の効果を確認するため、所定の基材に対して硬質膜を形成し、硬質膜の物性に関して評価した。また往復動すべり試験機を用いた摩擦摩耗試験にて耐剥離性の評価を行った。以下具体的に説明する。
【００５７】
＜試料＞
試料Ｎｏ．１〜７の７種類の試験片を準備した。硬質膜の評価のために用いた試験片の材質や、硬質膜の形成条件は以下のとおりである。
（１）基材材質：ＪＩＳ規格ＳＵＪ２、焼入れ焼戻し品、表面硬度７８０Ｈｖ
（２）基材：上記基材材質からなり、鏡面研磨された平板（表面粗さ０．０２μｍＲａ）、基材の形状：平面形状が円形状：直径３３ｍｍ×厚さ６ｍｍ
（３）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２
図８はＵＢＭＳ装置の模式図である。図８に示したＵＢＭＳ装置は、アークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す）機能を備えたＵＢＭＳ装置である。図８に示すように、ＵＢＭＳ装置は、円盤２０上に配置された基材２１に対し、真空アーク放電を利用して、ＡＩＰ蒸発源材料２２ａを瞬間的に蒸気化・イオン化し、これを基材２１上に堆積させて被膜を成膜するＡＩＰ機能を有する。さらに、上記ＵＢＭＳ装置は、スパッタ蒸発源材料であるターゲット２２ｂと基材２１との間に非平衡な磁場を形成し、当該磁場によって基材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７参照）によって、基材上に堆積する被膜の特性を制御できるＵＢＭＳ機能を有する。この装置により、基材２１上に、ＡＩＰ被膜および複数のＵＢＭＳ被膜（組成傾斜部分を含む）を任意に組合せた複合被膜を成膜することができる。試料Ｎｏ．１〜７では、基材とする平板の表面に、下地層、混合層、表面層をＵＢＭＳ被膜として成膜している。
（４）スパッタリングガス：Ａｒガス
（５）下地層および混合層の形成条件：
下地層：成膜チャンバー内を５×１０−３Ｐａ程度まで真空引きし、ヒータで試験片をベーキングして、Ａｒプラズマにて試験片表面をエッチングする。その後、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。
【００５８】
混合層：ＵＢＭＳ法にてＷＣターゲットと黒鉛ターゲットとに印加するスパッタ電力を調整し、ＷＣとＤＬＣとの組成比を傾斜させ、下地層側でＷＣが多く表面側でＤＬＣが多いＷＣ／ＤＬＣ傾斜層を形成した。混合層の形成条件は、上述したスパッタ電力以外については、基本的には上記下地層の形成条件と同様である。なお、試料Ｎｏ．１〜７について、上述した下地層および混合層は同じ条件で形成した。
（６）表面層の形成条件
試料Ｎｏ．１〜７のそれぞれについて、表１に示す条件により表面層を形成した。
（７）各試料の製造方法
後述する表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、基材を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、各表における「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。
【００５９】
＜試験方法＞
往復動すべり試験：
得られた試料Ｎｏ．１〜７について、図９に示す往復動すべ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９に示す往復動すべり試験機は、基材２１と硬質膜８とが形成された試料を保持する台座３２と、台座３２に設置されたロードセル２７および加速度センサ２８と、試料の硬質膜８に接触させる球としての窒化珪素球２５と、窒化珪素球２５を保持するホルダ２６と、ホルダ２６に接続されたアーム３１と、アーム３１を横方向に振動させる加振機２９とを備える。ホルダ２６は矢印３０で示す方向から荷重を印加可能になっている。
【００６０】
試験は無潤滑で行った。試験では、荷重を増加させ、硬質膜８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とした。以下、具体的な試験条件を示す。
【００６１】
（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
振動周波数：  ６０Ｈｚ
振幅：  ２ｍｍ
押し込み硬さ測定：
各試料の硬質膜８について、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、各試料ごとに１０箇所ずつ測定している。
【００６２】
＜結果＞
上記試料の条件および試験結果を表１に示す。
【００６３】
【表１】
2018146108.tif 000003
【００６４】
なお、表１中の下地層および混合層は、２成分を混合しているため「第１成分／第２成分」と表示している。また、メタンガス導入比はアルゴンガス導入量１００に対するメタンガス導入量の割合である。
【００６５】
表１からわかるように、硬質膜８の表面層の押し込み硬さを変化させた場合、当該押し込み硬さが１５ＧＰａ以下の領域では、当該硬さが低い場合において往復動すべり試験における限界荷重が大きい傾向がある。
【００６６】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
ＤＬＣの適用が検討される摺動面および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。本実施形態に係る転がり軸受は、例えば内・外輪軌道面や転動体の転動面にＤＬＣが形成されているので、苛酷な潤滑状態で運転した場合においても耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本体の特性を発揮できる。このため、上記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る。したがって、上記転がり軸受は、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。
【符号の説明】
【００６８】
１  転がり軸受、２  内輪、２ａ  内輪軌道面、３  外輪、３ａ  外輪軌道面、４  転動体、５  保持器、６  シール部材、７  グリース、８  硬質膜、８ａ  下地層、８ｂ  混合層、８ｃ  表面層、８ｄ  傾斜層部分、１１  バイアス電源、１２，２１  基材、１３  膜、１４ａ  内側磁石、１４ｂ  外側磁石、１５，２２ｂ  ターゲット、１６  磁力線、１６ａ  一部、１７  Ａｒプラズマ、１８  粒子、１９  高密度プラズマ、２０  円盤、２２ａ  蒸発源材料、２５  窒化珪素球、２６  ホルダ、２７  ロードセル、２８  加速度センサ、２９  加振機、３０  矢印、３１  アーム、３２  台座。
【図１】
2018146108.tif 000004
【図２】
2018146108.tif 000005
【図３】
2018146108.tif 000006
【図４】
2018146108.tif 000007
【図５】
2018146108.tif 000008
【図６】
2018146108.tif 000009
【図７】
2018146108.tif 000010
【図８】
2018146108.tif 000011
【図９】
2018146108.tif 000012