(57)【要約】【課題】高荷重またはすべり運動が生じる状態での潤滑面での摩擦摩耗を防止し、長期耐久性に優れた車輪支持装置を提供する。【解決手段】アクスルの外径面上に取付けられたグリース封入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る。車輪支持装置の構成部品の表面のうち、少なくとも転動体と他部材との摺接面に硬質被膜が形成される硬質膜を備える。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、この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、この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、該混合層中の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り、混合層における水素含有量が１０原子％未満である。【選択図】図１
2019070407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクスルの外径面上に取付けられたグリース封入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において、
車輪支持装置の構成部品の表面のうち、少なくとも転動体と他部材との摺接面に硬質被膜が形成される硬質膜を備え、
前記硬質膜は、前記構成部品の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車輪支持装置。
【請求項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記載の車輪支持装置。
【請求項３】
前記構成部品の本体部は、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に記載の車輪支持装置。
【請求項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項に記載の車輪支持装置。
【請求項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を用いた車輪支持装置であって、前記転がり軸受の保持器が、前記硬質膜を有する構成部品であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の車輪支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
車輪支持装置に用いられる軸受は、高速、高荷重という過酷な使用条件のため、特に、ころの大端面とつば部で軌道輪つばがすべり運動するため、潤滑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。
【０００６】
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。
【０００７】
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１参照）。
【０００８】
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。
【０００９】
車輪支持装置用ころ軸受は、内、外輪の転走面と転動体である「ころ」との間にころがり摩擦が、つば部と「ころ」との間にすべり摩擦が発生する。ころがり摩擦に比べるとすべり摩擦は大きいので、使用条件が過酷になるとつば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。
【００１０】
一方、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、硬質カーボン膜ＤＬＣ膜を形成する試みがなされている。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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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２）。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。
【００１４】
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る軸受が提案されている（特許文献３）。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−１７８８４号公報
【特許文献２】特許第４１７８８２６号公報
【特許文献３】特許第３９６１７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、転がりすべ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。車輪支持装置において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。
【００１７】
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。
【００１８】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、高荷重またはすべり運動が生じる状態での潤滑面での摩擦摩耗を防止し、長期耐久性に優れた車輪支持装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
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グリース封入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において、車輪支持装置の構成部品の表面のうち、少なくとも転動体と他部材との摺接面に硬質被膜が形成される硬質膜を備え、前記硬質膜は、前記構成部品の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。
【００２０】
本発明の車輪支持装置は、車輪支持装置の構成部品の表面のうち、少なくとも転動体と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。
【００２１】
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。
【００２２】
前記車輪支持装置の構成部品の本体部は、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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を用いた車輪支持装置であって、前記転がり軸受の保持器が、前記硬質膜を有する構成部品であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の車輪支持装置では、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、本発明の車輪支持装置は、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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の車輪支持装置の断面図である。
【図２】円すいころ軸受の一部切欠いた状態の斜視図である。
【図３】硬質膜の構造を示す模式断面図である。
【図４】ＵＢＭＳ法の成膜原理を示す模式図である。
【図５】ＵＢＭＳ装置の模式図である。
【図６】２円筒試験機の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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に示す車輪支持装置は、ステアリングナックル１にはフランジ２と、アクスル３とが設けられ、そのアクスル３の外径面上に取付けた一対の円すいころ軸受４ａ、４ｂによって回転部材としてのアクスルハブ５が回転自在に支持されている。
【００２８】
アクスルハブ５は、外径面にフランジ６を有し、そのフランジ６に設けたスタッドボルト７と、そのスタッドボルト７にねじ係合したナット８によってブレーキ装置のブレーキドラム９、および車輪のホイールディスク１０が取付けられている。１１はホイールディスク１０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。
【００２９】
前記ステアリングナックル１のフランジ２にはボルト、ナットの締付けによってブレーキ装置のバックプレート１２が取付けられている。バックプレート１２にはブレーキドラム９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。
【００３０】
アクスルハブ５を回転自在に支持する前記一対の円すいころ軸受４ａ、４ｂは、アクスルハブ５内に充填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４ｂ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５の外側端面に円すいころ軸受４ｂを覆うようにしてグリースキャップ１７が取付けられている。
【００３１】
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２により説明する。図２は円すいころ軸受の一部切り欠き斜視図である。円すいころ軸受４は内輪４４と外輪４３との間に円すいころ４６が保持器４５を介して配置されている。図３に示すように、円すいころ４６は内輪４４の転走面４４ａと外輪４３の転走面４３ａとの間でころがり摩擦を受け、内輪４４のつば部４４ｂ、４４ｃとの間ですべり摩擦を受ける。これらの摩擦を低減するためにころ軸受用グリースが封入されている。
【００３２】
保持器４５には、転動体としての円すいころ４６を保持するためのポケット４５ａが設けられ、各ポケット４５ａの間に位置する柱部４５ｂで、各円すいころ４６の間隔を保持する。保持器４５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４５Ａと、保持器本体４５Ａ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４５Ａの表面部位は、保持器本体４５Ａの外表面全体のうち、少なくとも転動体である円すいころ４６との摺接面および他部材との摺接面である。保持器本体４５Ａの外表面とは、保持器４５の最外表面を構成し、実際に転動体である円すいころ４６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、内輪４４や外輪４３などである。
【００３３】
製造が容易であることから、硬質膜（硬質被膜）３０は、円すいころ４６と接触するポケット４５ａの表面を含めた保持器４５の全外表面に形成することが好ましい。また、保持器４５の最外表面部位に加えて、転動体である円すいころ４６の表面等にも同様の硬質被膜を形成することができる。
【００３４】
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（後述する下地層）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。
【００３５】
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（下地層）との密着性をさらに向上させるために好ましい。
【００３６】
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。
【００３７】
硬質膜３０の構造を図３に基づいて説明する。図３は、図１の円すいころ軸受４ａ、４ｂ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４５Ａ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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、本体部側から混合層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、本体部と混合層３０ｂとの両面での密着性に優れる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
本発明の車輪支持装置において、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、本発明の車輪支持装置では、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。
【００４８】
以下、本発明の硬質膜３０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。
【００４９】
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５２は、成膜対象の軸受部材である内輪、外輪、または転動体であるが、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５５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石５４ａ、外側磁石５４ｂが配置され、ターゲット５５付近で高密度プラズマ５９を形成しつつ、磁石５４ａ、５４ｂにより発生する磁力線５６の一部５６ａがバイアス電源５１に接続された基材５２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線５６ａ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５２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５２付近まで達する磁力線５６ａに沿って、Ａｒイオン５７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５８をより多く基材５２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）５３を成膜できる。
【００５０】
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５５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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
本発明の車輪支持装置は、車輪支持装置の構成部品の表面のうち、少なくとも転動体と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。
【００５４】
このため、本発明の車輪支持装置では、硬質膜３０は、例えば、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、本発明の車輪支持装置は、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。
【００５５】
前記硬質膜の表面層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３０ｂと表面層３０ｃとの密着性の向上を図ることができる。
【００５６】
前記車輪支持装置の構成部品の本体部は、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、本体部として、保持器材等として一般的に用いられる任意の材料を使用できる。
【００５７】
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。
【００５８】
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、車輪支持装置の構成部品である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。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。
【実施例１】
【００５９】
本発明の車輪支持装置の構成部品である転がり軸受の硬質膜として、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。
【００６０】
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
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【表１】
2019070407.tif 000003
【００６３】
表面層の形成条件は、前記表１に示すとおりである。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
＜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
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【符号の説明】
【００７０】
３     アクスル
４、４ａ、４ｂ       軸受
３０   硬質膜
３０ａ 下地層
３０ｂ 混合層
３０ｃ 表面層
３０ｄ 緩和層部分
４５   保持器
４５Ａ 保持器本体
４６   円すいころ（転動体）
【図１】
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【図２】
2019070407.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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