(57)【要約】【課題】潤滑油で潤滑することなく冷媒中で使用することが可能な転がり軸受を提供する。【解決手段】深溝玉軸受の内輪１，外輪２，及び玉３は、ＳＵＪ２等の鋼で構成されている。そして、軌道面１ａを含む内輪１の外周面全体，軌道面２ａを含む外輪２の内周面全体，及び玉３の表面全体のうち少なくとも一つに、潤滑被膜Ｌが被覆されている。この潤滑被膜Ｌは、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，及びＳｉのうちの少なくとも１種の金属からなる下地層Ｍと、前記金属及び炭素からなる中間層Ｆと、炭素及び水素を含有するダイヤモンドライクカーボンからなる表面層Ｃと、の３層で構成されていて、該３層は表面側から表面層Ｃ，中間層Ｆ，下地層Ｍの順に形成されている。また、中間層Ｆ中の炭素の割合は、下地層Ｍ側から表面層Ｃ側に向かって増加している【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、冷媒である二酸化炭素中で使用される転がり軸受において、下記の５つの条件を満足することを特徴とする転がり軸受。
条件Ａ：前記内輪，前記外輪，及び前記転動体が鋼で構成されている。
条件Ｂ：前記内輪の軌道面，前記外輪の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つに、潤滑被膜が被覆されている。
条件Ｃ：前記潤滑被膜は、クロム，タングステン，チタン，及びケイ素のうちの少なくとも１種の金属からなる下地層と、前記金属及び炭素からなる中間層と、炭素及び水素を含有するダイヤモンドライクカーボンからなる表面層と、の３層で構成されている。
条件Ｄ：前記３層は、前記潤滑被膜の表面側から前記表面層，前記中間層，前記下地層の順に配されている。
条件Ｅ：前記中間層中の炭素の割合は、前記下地層側から前記表面層側に向かって増加している。
【請求項２】
前記ダイヤモンドライクカーボン中の水素の含有率が、２０原子％以上３０原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記表面層の表面硬さが３０ＧＰａ以上４５ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒である二酸化炭素中で使用される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のエアコンディショナーには、冷媒としてクロロフルオロカーボン類（フロン）が使用されていた。そして、エアコンディショナー内で、フロンとこれに可溶な鉱油系潤滑油とが混合状態となり、この混合物が、エアコンディショナーに組み込まれた軸受の潤滑剤として使用されていた。
しかしながら、特定種類のフロンが地球のオゾン層を破壊する原因となるなど、地球環境に悪影響を及ぼすことから、冷媒はフロンからハイドロフルオロカーボン類（ＨＦＣ）や二酸化炭素に変更され、潤滑油としてはポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）やポリオールエステルが使用されるようになった。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＨＦＣを冷媒とし、ＨＦＣとこの冷媒に可溶な潤滑油との混合物で転がり軸受が潤滑されたコンプレッサーが開示されている。また、特許文献２には、ポリアミドイミド系樹脂，ポリイミド系樹脂，及びエポキシ系樹脂からなる結合剤と固体潤滑剤とを結合してコンプレッサーに適用した摺動部材が開示されている。
【特許文献１】特開平８−１７７８６４号公報
【特許文献２】特開２００５−８９５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＨＦＣのオゾン破壊係数はゼロではないので、地球環境に悪影響を及ぼすという問題点は依然として残っていた。また、冷媒に可溶なＰＡＧやポリオールエステルは、潤滑性が十分ではなかった。不十分な潤滑性を補うため冷媒に対する混合比を高めると、冷媒能力が低下するという問題があった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、潤滑油で潤滑することなく冷媒中で使用することが可能な転がり軸受を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、冷媒である二酸化炭素中で使用される転がり軸受において、下記の５つの条件を満足する。
【０００６】
条件Ａ：前記内輪，前記外輪，及び前記転動体が鋼で構成されている。
条件Ｂ：前記内輪の軌道面，前記外輪の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つに、潤滑被膜が被覆されている。
条件Ｃ：前記潤滑被膜は、クロム，タングステン，チタン，及びケイ素のうちの少なくとも１種の金属からなる下地層と、前記金属及び炭素からなる中間層と、炭素及び水素を含有するダイヤモンドライクカーボンからなる表面層と、の３層で構成されている。
条件Ｄ：前記３層は、前記潤滑被膜の表面側から前記表面層，前記中間層，前記下地層の順に配されている。
条件Ｅ：前記中間層中の炭素の割合は、前記下地層側から前記表面層側に向かって増加している。
【０００７】
このような転がり軸受は、潤滑性に優れた潤滑被膜を備えているので、潤滑油による潤滑を行うことなく、二酸化炭素のような冷媒中で使用することが可能である。また、内輪，外輪，及び転動体の母材である鋼と表面層との間に中間層及び下地層が介在しているので、潤滑性に優れたダイヤモンドライクカーボン（以降においてはＤＬＣと記すこともある）からなる表面層と母材である鋼との密着性が優れている。特に、中間層中の炭素の割合が、下地層側から表面層側に向かって増加しているので、表面層と母材である鋼との密着性がより優れたものとなる。
【０００８】
また、本発明に係る請求項２の転がり軸受は、請求項１に記載の転がり軸受において、前記ダイヤモンドライクカーボン中の水素の含有率が、２０原子％以上３０原子％以下であることを特徴とする。
水素の含有率が２０原子％未満であると、冷媒中での潤滑被膜の摩擦係数が大きくなる。一方、３０原子％超過であると、ＤＬＣの硬さが不十分となるため、潤滑被膜が摩耗しやすくなるおそれがある。
【０００９】
さらに、本発明に係る請求項３の転がり軸受は、請求項１又は請求項２に記載の転がり軸受において、前記表面層の表面硬さが３０ＧＰａ以上４５ＧＰａ以下であることを特徴とする。
表面層の表面硬さは、ＤＬＣを形成する際の条件（例えば、ＤＬＣの原料となる炭化水素ガスの種類や量）によって制御することが可能である。３０ＧＰａ未満であると、表面層が摩耗粉等によって破壊されやすく、４５ＧＰａ超過であると、弾性率が大きくなるため応力によって割れが生じやすくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の転がり軸受は、潤滑油による潤滑を行うことなく冷媒中で使用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図であり、図２は、図１のＡ部分を拡大して示した拡大断面図である。
図１の深溝玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉３と、両軌道面１ａ，２ａ間に複数の玉３を軸受の円周方向にわたって等配に保持する保持器４と、を備えている。なお、保持器４としては、低炭素鋼からなる波形保持器等が使用可能であるが、保持器４は備えていなくてもよい。
【００１２】
内輪１，外輪２，及び玉３は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼２種）等の鋼で構成されている。そして、軌道面１ａを含む内輪１の外周面全体，軌道面２ａを含む外輪２の内周面全体，及び玉３の表面全体のうち少なくとも一つに、潤滑被膜Ｌが被覆されている。なお、図２においては、内輪１の軌道面１ａに形成されている潤滑被膜Ｌは図示してあるが、軌道面１ａ以外の部分の外周面に形成されている潤滑被膜Ｌの図示は省略してある。
【００１３】
この潤滑被膜Ｌは、図２に示すように、クロム（Ｃｒ），タングステン（Ｗ），チタン（Ｔｉ），及びケイ素（Ｓｉ）のうちの少なくとも１種の金属からなる下地層Ｍと、前記金属及び炭素からなる中間層Ｆと、炭素及び水素を含有するダイヤモンドライクカーボンからなる表面層Ｃと、の３層で構成されていて、該３層は表面側から表面層Ｃ，中間層Ｆ，下地層Ｍの順に形成されている。
【００１４】
中間層Ｆ中の炭素の割合は、下地層Ｍ側から表面層Ｃ側に向かって増加している。また、表面層Ｃを構成するＤＬＣは、主に炭素と水素で構成されているが、ＤＬＣを構成する原子のうち水素の割合は、２０原子％以上３０原子％以下であることが好ましい。さらに、表面層Ｃの表面硬さは、３０ＧＰａ以上４５ＧＰａ以下であることが好ましい。
このような転がり軸受は、潤滑被膜Ｌを備えているので、潤滑油による潤滑を行うことなく二酸化炭素のような冷媒中で使用することが可能である。そして、スクロール，スクリュー，ロータリーコンプレッサー等の回転部を支持する軸受として、好適に使用可能である。
【００１５】
次に、内輪１，外輪２，玉３に潤滑被膜Ｌを形成する方法について説明する。油分を脱脂した被処理物（内輪，外輪，又は玉）を株式会社神戸製鋼所製のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置５０４（以降はＵＢＭＳ装置と記す）に設置し、アルゴンプラズマによるスパッタリングを用いて、被処理物の表面にボンバード処理を１５分間施した。このボンバード処理は、ターゲット電力をゼロ、チャンバ内の圧力を１×１０-2Ｐａ程度にした状態で、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被処理物に負の電力をかけることにより行った。
【００１６】
次に、クロムをターゲットとして、アルゴンガス雰囲気中で被処理物にクロムをスパッタリングして成膜し（バイアス電圧は−５０〜−１００Ｖ）、厚さ０．２μｍの下地層Ｍを形成した。そして、クロムのスパッタリングを続けながら、カーボンをターゲットとした炭素のスパッタリングを開始した。このようなスパッタリングによって、クロムと炭素とからなる厚さ０．３μｍの中間層Ｆが、下地層Ｍの上に形成された。このとき、クロムのスパッタ効率を徐々に減少させながら、炭素のスパッタ効率を徐々に増加させたので、中間層Ｆ中の炭素の割合は、下地層Ｍ側から表面側に向かって徐々に増加していた。さらに、クロムのスパッタリングを終了し、炭素のスパッタリングのみとして、チャンバ内にメタンガスを導入しながら、中間層Ｆの上に厚さ２μｍの表面層Ｃを形成した。
【００１７】
このようなスパッタリングにより成膜を行えば、潤滑被膜Ｌの各層（下地層Ｍ，中間層Ｆ，及び表面層Ｃ）の間の密着性が非常に優れているとともに、潤滑性に優れた表面層Ｃと母材である鋼との密着性が非常に優れている。また、クロムで構成された下地層ＭからＤＬＣで構成された表面層Ｃに向かって、層の組成が連続的に徐々に変化していく潤滑被膜Ｌを形成することができる。
【００１８】
ＵＢＭＳ装置は、スパッタリングに用いるターゲットを複数装着でき、各ターゲットのスパッタ電源を独立に制御することにより、各成分のスパッタ効率を任意に制御することができるので、上記のような成膜に好適である。例えば、上記の場合の中間層Ｆ及び表面層Ｃを成膜する工程においては、金属ターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を低減させながら、同時にカーボンターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を増加させればよい（このとき、被処理物には負のバイアス電圧を印加する）。
【００１９】
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリングにより潤滑被膜Ｌを成膜したが、パルスレーザーアーク蒸着法やプラズマＣＶＤ法等を用いることもできる。
また、本実施形態においては、深溝玉軸受を例示して説明したが、本発明の転がり軸受は様々な種類の転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
【００２０】
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。前述の図１の深溝玉軸受と同様の構成の軸受において、表面層の形成時のメタンガス供給量を変化させることにより表面層を構成するＤＬＣ中の水素の含有率を種々変化させたものを用意して、回転試験を行った。なお、ＤＬＣ中の水素の含有率の測定は、Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｒｅｃｏｉｌ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓで行った。
【００２１】
この回転試験は、潤滑油による潤滑を行うことなく、室温下、１．０５×１０5 Ｐａの二酸化炭素中で行った。回転試験の条件は、アキシアル荷重２０Ｎ、回転速度２０００ｍｉｎ-1である。そして、回転時の外輪温度を測定し、表面層の潤滑性を評価した。結果を図３のグラフに示す。このグラフから、ＤＬＣ中の水素の含有率が２０原子％以上３０原子％以下であると、表面層の潤滑性が優れているため発熱量が低いことが分かる。
【００２２】
次に、潤滑被膜（表面層）の表面硬さと耐摩耗性との関係を調査するため、ボールオンディスク摩擦摩耗試験を行った。以下に、図４を参照しながら試験方法を説明する。
水平にしたＳＵＪ２製の試験平板１１の上にＳＵＪ２製の試験球１２を載置し、試験球１２に試験平板１１を押圧する方向の圧力（面圧０．７ＧＰａ）を負荷しながら、二酸化炭素雰囲気下において、試験球１２を滑り速度０．５ｍ／ｓで水平方向に回転運動させた（回転運動時間は２時間である）。そして、試験平板１１の表面に生じた走行跡の深さ（摩耗深さ）で摩耗量を評価した。
【００２３】
なお、試験平板１１は、直径６２ｍｍ，厚さ７ｍｍの円板状である。そして、試験平板１１の表面には前述の潤滑被膜Ｌと同様の構成の潤滑被膜１３が被覆されており、表面粗さは０．００４μｍＲａである。また、試験球１２は、直径８ｍｍのボールである。さらに、該ボールオンディスク摩擦摩耗試験においては、グリース，潤滑油等の潤滑剤は使用しなかった。さらに、潤滑被膜１３（表面層）の表面硬さは、微小硬度計で測定した。
【００２４】
結果を図５のグラフに示す。このグラフから、表面硬さが３０ＧＰａ以上であると、摩耗量が少なく耐摩耗性が優れていることが分かる。
なお、ＤＬＣ中の水素の含有率は、チャンバ内に導入するメタンガスを調整することにより変化させることができる。また、表面層の表面硬さは、成膜時のバイアス電圧により変化させることができる。よって、図６のグラフに示すように、水素の含有率が同じでも表面硬さが異なる表面層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
【図２】図１のＡ部分を拡大して示した拡大断面図である。
【図３】軸受の回転試験の結果を示すグラフである。
【図４】ボールオンディスク摩擦摩耗試験の試験方法を説明する図である。
【図５】潤滑被膜（表面層）の表面硬さと耐摩耗性との関係を示すグラフである。
【図６】ＤＬＣの水素の含有率と表面硬さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１      内輪
１ａ    軌道面
２      外輪
２ａ    軌道面
３      玉
Ｌ      潤滑被膜
Ｍ      下地層
Ｆ      中間層
Ｃ      表面層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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