(57)【要約】【課題】固体潤滑膜が根本部分から折れて剥離することを防止し、長寿命な転動要素を提供する。【解決手段】二硫化モリブデンスパッタ膜からなる固体潤滑膜を被覆した転動要素において、固体潤滑膜３はローラ２との界面に相当する境界層３Ａと上層３Ｂの２層に分かれており、該境界層３Ａには酸素が５〜３０％含まれており、該上層３Ｂには酸素が原子濃度で３％以下含まれている構成となっている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二硫化モリブデンスパッタ膜からなる固体潤滑膜を被覆した転動要素において、前記固体潤滑膜が少なくとも２層からなり、下地に近い境界層に含まれている酸素の原子濃度が５〜３０％で、上層に含まれている酸素の原子濃度が３％以下であることを特徴とする転動要素。
【請求項２】
前記境界層の厚さが０．０１〜０．２μｍであることを特徴とする請求項１記載の転動要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空中、放射線下、高温、または腐食雰囲気などのような過酷な環境下で使用される固体潤滑転がり軸受に用いる転動要素に関する。なお、転動要素とは、ローラ、ボール、内輪、外輪など、転がり運動を支える相対する２面を構成する要素を指すものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、真空中、放射線下、高温、または腐食雰囲気などのような過酷な環境下で使用される固体潤滑転がり軸受に用いる転動要素として、転動部材に耐荷重性能にばらつきがなく長寿命で且つ信頼性を向上させる潤滑被膜を形成することを目的として提案されたものであって、相手部材が転動接触する転動面に二硫化モリブデンをコーティングして形成した潤滑被膜を有する転動部材において、該潤滑被膜を、硫黄とモリブデンの分子量比Ｓ／Ｍｏが１．７以上２．０未満の範囲に選定された組成を有する二硫化モリブデン被膜で形成するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
これにより、従来技術は固体潤滑膜を丘状で緻密なものとし、耐荷重性能が向上し、被膜寿命が延びる効果を有するとしている。
【特許文献１】特開平６−２７２７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、転動により生じる摩擦力は固体潤滑膜の根本に最大剪断応力として作用する。そのため、従来の転動要素は固体潤滑膜が根本部分から折れて剥離する場合があった。その結果、比較的早期に寿命に至るという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、固体潤滑膜が根本部分から折れて剥離することを防止し、長寿命な転動要素を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一般的に金属と硫化物の密着性は非常に弱い。しかし金属と酸化物の密着性は強い。この違いを利用して、硫化物中に酸素を適量範囲（原子濃度５〜３０％）で入れると密着力が向上することが分かった。硫化物中の酸素量が少ないと下地材との密着力が不十分であり、酸素量が多すぎると硫化物が非晶質になり同様に密着力が低下する。その結果、下地との境界部に酸素を適量だけ入れると寿命が向上する。また、この境界層の厚さも最適値があり、薄すぎると下地との密着力が不十分となり、厚すぎると摩擦が大きくなる。この境界層の厚さの最適値は固体潤滑膜の構成元素によって異なり、材質ごとに決まる値がある。二硫化モリブデンの場合であると０．０１〜０．２μｍが最適値となる事を見出した。
このような考え方で以下の手段を講じた。
請求項１に記載の発明は、二硫化モリブデンスパッタ膜からなる固体潤滑膜を被覆した転動要素において、前記固体潤滑膜が少なくとも２層からなり、下地に近い境界層に含まれている酸素の原子濃度を５〜３０％で、上層に含まれている酸素の原子濃度を３％以下にするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記境界層の厚さを０．０１〜０．２μｍとするものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、固体潤滑膜が境界層を介して下地に強固に付着するので折れにくくなり、転動要素の寿命を長くすることができる。
請求項２に記載の発明によると、固体潤滑膜が摩擦を小さく保ちつつ、下地と強固に付着するので、転動要素の寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は本発明に適用した転動要素であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。図２は固体潤滑膜部の断面を示す拡大図である。
図において、転動要素１は、鋼材からなるローラ２の表面に厚さ約１μｍの二硫化モリブデンスパッタ膜からなる固体潤滑膜３を被覆した構成とするものである。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、固体潤滑膜３はローラ２との界面に相当する境界層３Ａと上層３Ｂの２層に分かれており、該境界層３Ａには酸素が５〜３０％含まれており、該上層３Ｂには酸素が原子濃度で３％以下含まれている点である。ここで前記「以下」とは０％も含んでいるが、スパッタ法では酸素が膜中に入らないように注意しても最大で１％程度は混入する。
なお、本形態では、転動要素をローラとしたが本発明の固体潤滑膜であれば同様の効果が得られるので、転動要素はボール、内輪、外輪でもよいことは明らかである。また転動要素の下地は鋼材としたが軸受鋼やＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼も含んでいる。
以下、本発明の具体的な実施例を図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００７】
以下、本発明の第１実施例を以下に述べる。
図３は本実施例において使用したスパッタ装置の構成図、図４は本実施例において使用したローラ転がし治具であって、（ａ）はその上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図を示したものである。
図３、４において、１１はローラ転がし治具、１２は回転円盤、１３は固定円盤、１５は固定ロッド、１６はスペーサボール、２１はカソード、２２はターゲット、２６は真空チャンバ、２７は基板ホルダ、３３は真空ポンプ、３４はＲＦ電源、３５は真空計、３６はアルゴンボンベ、３７は酸素ボンベ、３８はマスフローコントローラである。
本発明の転動要素は、図３に示すスパッタ装置によってクロスローラベアリングのローラ（材質：ＳＵＳ４４０Ｃ）に層状構造材である二硫化モリブデンを主成分とする２層からなる固体潤滑膜を被覆したものである。
図３において、真空状態を確保するためのステンレスからなる真空チャンバ２６の内部に二硫化モリブデンの板材であるターゲット２２をＲＦ電源３４のカソード２１に設置し、基板ホルダ２７の上部にはローラ転がし治具１１を置き、ローラ転がし治具１１の中にローラ２を載置し、ローラ２を転がしてローラ２の円筒面にターゲット材の二硫化モリブデンをスパッタリングによって成膜するものである。また、スパッタ装置は、ローラ２の固体潤滑膜の境界層に酸素を含有させるため、真空チャンバ２６内にガス導入させるアルゴンボンベ３６、酸素ボンベ３７を真空チャンバ２６の外部に備え、スパッタ成膜中にこれらのガスを導入することによって固体潤滑膜の境界層に酸素を含有させることができる。また、真空チャンバ２６の外部は、真空チャンバ２６内の真空度を測定する真空計３５、また真空チャンバ２６内を真空にするためのロータリ真空ポンプおよびクライオポンプからなる真空ポンプ３３を具備する。
以上のような構成のスパッタ装置によって、真空チャンバ２６内を１×１０―7Ｐａまで真空引きし、この状態で真空チャンバ２６内に酸素ガスを所定量導入し、次にアルゴンガスを真空チャンバ２６内が所定の圧力になるまでいれる。その状態でカソード２１にＲＦ電源を印加し、グロー放電を発生させ、Ａｒイオンによってターゲットの表面をスパッタし、二硫化モリブデンからなるターゲットを構成する原子、すなわちモリブデンおよびイオウを叩き出し、ローラの表面に酸素を含む二硫化モリブデンを０．１μｍだけ堆積させる。続けて酸素ガスを所定量減量してスパッタを行い上層に若干の酸素を含む二硫化モリブデン膜を形成する。
また、成膜中には以下に述べるように、ローラ転がし治具１１を用い、構成元素を含有する二硫化モリブデン膜をローラ２の円筒面に均一に被覆できるようにした。ローラ転がし治具１１は図３に示すように回転円盤１２と固定円盤１３で構成されており、回転円盤１２は基板ホルダ２７に同軸状態で接続されているため、基板ホルダ２７の回転に伴って回転するが、固定円盤１３は固定ロッド１５で真空チャンバ２６に固定されているため、基板ホルダ２７が回転しても、回転しない構造になっている。
さらに詳細には図４に示すようにローラ２を回転円盤１２のスリットと固定円盤１３の上面で構成される空間の中に、スペーサボール１６と交互に載置しているので、基板ホルダ２７を回転させることで、ローラ２はとも周りする回転円盤１２に押され、所定の回転数で自転かつ公転する。成膜中に、ローラ２をこのように転がすことで、ローラ２の円筒面に二層からなる二硫化モリブデン膜を均一に形成した。膜の組成と境界層の膜厚はＸＰＳで測定した。
【０００８】
本実施例では、境界層と上層に含まれる酸素量を変えて全体の厚さが１μｍの膜を形成した。境界層の厚さは約０．１μｍである。これらの試料の寿命を図５に示すローラオンディスク型の膜寿命試験機で調べた。図５は本実施例において使用した転がり試験機であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。
図５において、５０はディスク、５１はボール、５３はホルダ、５４はアーム、５５はデッドウエイト、５６はロードセル、５７はモータである。この膜寿命試験機は、転動要素であるローラ２をローラホルダ５３内で、ボール４個がローラ２の角に接する形で保持し、ローラホルダ５３上部のデッドウエイト５５により荷重を負荷し、接したディスク５０の回転により生じた摩擦力をロードセル５６でモニタするものである。試験条件は、転がり速度を約８ｍ／ｍｉｎ、荷重を１．５Ｎ、湿度：約１０％ＲＨとした。寿命は、ロードセル出力が０．８Ｎ以上になった時点の走行距離を評価した。
表１は、各試料における膜組成分析結果と寿命を示したものである。上層の酸素の原子濃度を３％以下にしたものは試料に関らず、３０００ｍ以上でも寿命に達しないほど長寿命であった。
【０００９】
【表１】
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したがって、第１実施例では二硫化モリブデンスパッタ膜からなる固体潤滑膜を被覆した転動要素において、固体潤滑膜が少なくとも２層からなり、下地に近い境界層に含まれている酸素の原子濃度を５〜３０％の範囲に規定し、上層に含まれている酸素の原子濃度を３％以下に規定したので、固体潤滑膜が境界層を介して下地に強固に付着するため折れにくくなり、転動要素の寿命を長くすることができる。
【実施例２】
【００１０】
本実施例では、境界層の厚さの影響を調べた。境界層の酸素の原子濃度を１５％、上層の酸素の原子濃度を１％で一定にした。膜全体の厚さは約１μｍである。評価結果を表２に示す。本発明の試料番号２〜６は３０００ｍ以上の長寿命であった。
【００１１】
【表２】
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したがって、第２実施例では境界層の厚さを０．０１〜０．２μｍに規定したので、固体潤滑膜が摩擦を小さく保ちつつ、下地と強固に付着するため、転動要素の寿命を長くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
固体潤滑膜を少なくとも２層にし、含有させる酸素の原子濃度を境界層５〜３０％、上層３％以下にし、その境界層の厚さを０．０１〜０．２μｍにすることによって、長寿命化が出来るので、軸受部が完全密封され軸受交換が許されない、完全メンテナンスフリーの装置などの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した転動要素１を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図２】本発明を適用した転動要素の拡大図である。
【図３】本実施例において使用したスパッタ装置の構成図である。
【図４】本実施例において使用したローラ転がし治具であって、（ａ）はその上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う側断面図を示したものである。
【図５】本実施例において使用した転がり試験機であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  転動要素
２  ローラ
３  固体潤滑膜
３Ａ  境界層
３Ｂ  上層
１１  ローラ転がし治具
１２  回転円盤
１３  固定円盤
１５  固定ロッド
１６  スペーサボール
２１  カソード
２２  ターゲット
２６  真空チャンバ
２７  基板ホルダ
３３  真空ポンプ
３４  ＲＦ電源
３５  真空計
３６  アルゴンボンベ
３７  酸素ボンベ
３８  マスフローコントローラ
５０  ディスク
５１  ボール
５３  ホルダ
５４  アーム
５５  デッドウエイト
５６  ロードセル
５７  モータ
【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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