(57)【要約】【課題】    空気中で長期間保管しても初期の転がり寿命を保てる転動要素を提供する。【解決手段】二硫化モリブデンもしくは二硫化タングステンを固体潤滑膜５として被覆した転動要素１のなかで、固体潤滑膜５が２層に分かれており、境界層に酸素を原子濃度で５〜３０％含み、境界層の厚さは０．０１〜０．２μｍで上層には酸素を３％以下含む転動要素において、上層にアルゴンを原子濃度で０．４％以下含むものである。例えば転動要素１は、ローラ２の他ボール、内輪、外輪などでも良い。これにより、固体潤滑膜内に水分が入り込み難くして空気中保管しても腐食による寿命低下を防げる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２層で構成された二硫化モリブデンもしくは二硫化タングステンスパッタ膜からなる固体潤滑膜のなかで下地に近い層の膜厚が０．０１〜０．２μｍ、酸素含有量が原子濃度５〜３０％であり、上層部の酸素含有量が原子濃度で３％以下である転動要素において、
前記上層部に含まれるアルゴンが原子濃度で０．４％以下であることを特徴とする転動要素。
【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面を構成する要素である。
【背景技術】
【０００２】
固体潤滑膜を使用した転がり軸受のなかで、膜が２層からなり上層より下部層中に酸素を多く含有させることで寿命を向上させる方法が特許文献１などに開示されている。特許文献１では、下地（摺動面）と固体潤滑膜との間に中間層を設けると、固体潤滑膜の内部ひずみを緩和できるため、固体潤滑膜にクラックが発生しにくくなり下地から剥離することを防止できる。また、この中間層を珪素、珪素化合物、またはＷとＳとＯからなる化合物で構成したことにより、この中間層が、ＤＬＣまたはＷＳ2からなる固体潤滑膜と鉄鋼で形成された摺動面との接着剤として作用して、摺動面に対する固体潤滑膜の付着強度を高くできるとしている。その結果として寿命が延びる。一方、筆者らの届出書では、２層からなる二硫化モリブデン膜において下部層の酸素含有量が原子濃度５〜３０％であり、上層部の酸素含有量が原子濃度で３％以下とすることで寿命が向上するとしている。また、下部層の膜厚も規定している．両特許でいえるのは基材に近いところの膜に多くの酸素を入れて、上層部の膜にはほとんど酸素を入れない構成となっていることである。
【特許文献１】特開平７−４１７７９号公報（明細書第５頁〜７頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、従来の技術は、下地との境界部の膜中に多くの酸素を含むので寿命は向上するが、このような膜を被覆した転動要素を空気中に保管しておくと寿命が低下するという課題があった。転がり軸受に適用される固体潤滑膜はスパッタ法で形成される。一般的なスパッタ法は直流スパッタ法、高周波スパッタ法、イオンビームスパッタ法などが知られている。軸受鋼やステンレス鋼製のボール、ローラなどに被覆された後真空中から大気中に取り出す。その後軸受に組込んでロボットなどに挿入される。このような軸受は真空中で使用されるまで大気中に保管される。保管期間はまちまちであるが、その間に空気中に存在する湿度の影響で寿命が低下する。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、保管期間に関らず転がり寿命が長い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】
上記課題を解決するために、請求項１の本発明は、２層で構成された二硫化モリブデンもしくは二硫化タングステンスパッタ膜からなる固体潤滑膜のなかで下地に近い層の膜厚が０．０１〜０．２μｍ、酸素含有量が原子濃度５〜３０％であり、上層部の酸素含有量が原子濃度で３％以下である転動要素において、前記上層部に含まれるアルゴンが原子濃度で０．４％以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
以上述べたように、本発明によれば、２層からなる固体潤滑膜のなかで、上層に適量のアルゴンを含有させたので、空気中に長期間保管しても長寿命を保つ事ができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本出願人は、基材との境界部だけに酸素を多く含有した固体潤滑膜の寿命が何故空気中で保管しておくと低下するのかを調べた。まず、膜に含まれる不純物元素としての酸素とアルゴン量を調べた。純アルゴンガス中でのスパッタ法では膜作製時に酸素は不可避的に約１原子％程度混入する。また、スパッタ時に形成された反眺アルゴンも膜中に約０．６〜１原子％混入する。従って、膜中には酸素が約１原子％以下、また、アルゴンが約０．６〜１原子％程度必然的に含まれることになる。
境界部の膜に原子濃度５〜３０％の酸素、上層部の膜に約０．６〜１原子％のアルゴンと１原子％以下の酸素が含まれた固体潤滑膜を被覆した転動要素を空気中で保管すると寿命が低下する。この原因は、膜に水が侵入して境界部の酸素量が初期値に比べて多くなり密着力が低下するためであることが分った．二硫化モリブデンや二硫化タングステン膜にアルゴンがはいると格子間隔が拡がる。アルゴンの分子径０．３８ｎｍは水の分子径０．２８ｎｍに比べて大きい。従って、格子間隔が拡がった膜には水分子も入りやすくなり酸素を含んだ膜と含まない膜間で接触腐食が起こる。その結果、境界部の酸素を含んだ膜がさらに急速酸化されて膜中の酸素量がさらに増加する。膜中の酸素量が増えすぎると脆くなり密着性が低下する。このように、膜の格子間隔が拡がると水が入り易くなるので、拡げないようにするには膜中にアルゴンが入らないようにすればよい。このような考え方に基づいて以下に示すような手段を講じた。
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は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、（ｃ）は固体潤滑膜部の断面図である。
転動要素１は、鋼材からなるローラ２の表面に厚さ約１μｍの固体潤滑膜５を被覆した構成とするものである。また、固体潤滑膜５は上層５−１と境界層５−２の２層に分かれている。
固体潤滑膜は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）、または二硫化タングステン（ＷＳ2）からなる六方晶系の層状構造材料である。２層からなる固体潤滑膜の境界層には酸素が含まれており、上層には酸素を原子濃度で３％以下、アルゴンを原子濃度で０．４％以下を含むものである。
なお、本実施の形態では、転動要素をローラとしたが本発明の固体潤滑膜が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、転動要素の基材は、鋼材としたが軸受鋼やＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼でもよい。
【実施例１】
【０００８】
以下、本発明の第１の実施例を以下に述べる。
図２は本実施例において使用したスパッタ装置の構成図、図３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。
本発明の転動要素は、図２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２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、基板ホルダー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、真空チャンバ２６内にガス導入させるアルゴンボンベ３６、ローラ２の固体潤滑膜の境界層または上層に酸素を含有させるための酸素ボンベ３７を真空チャンバ２６の外部に備えている。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、真空チャンバー２６内を１×１０―7Ｐａまで真空引きし、この状態で真空チャンバー２６内に酸素を所定量導入し次にアルゴンを真空チャンバ２６内が所定の圧力なるまでいれる。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０．０５μｍだけ堆積させる。次に酸素ガスを止めるか所定量入れてたアルゴンガス中でスパッタを行い上層部に二硫化モリブデン膜を形成する。通常のスパッタ法ではスパッタイオンとして使用したアルゴンが膜中に混入する。上層部の膜に混入するアルゴン量を変える方法としては、普通のスパッタ法のうち、(1)導入するアルゴン圧力を通常より増加させる、(2)ローラとターゲット間の距離を通常よりかなり広げる、(3)アルゴンが入りにくい位置にローラを配置して膜を形成する手段が有り、その他、イオンビームスパッタ法である、(4)アルゴンが入りにくい位置にローラを配置して膜を形成する手段の４種類がある。この中で本実施例では(1)を採用した。
なお、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２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は基板ホルダー２７に同軸状態で接続されているため、基板ホルダー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で真空チャンバー２６に固定されているため、基板ホルダー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３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、基板ホルダー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。
本実施例では、下地との境界層に含まれる酸素量と上層部に含まれるアルゴン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０．０５μｍである。これらの試料を５０％ＲＨの空気中に６ヶ月保管した後、図４に示すローラオンディスク型の転がり試験機で調べた。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図ある。この転がり試験機は、転動要素であるローラ２をＰＥＥＫ樹脂を内張したローラホルダ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、面圧を１１４Ｎｍ／ｍｍ2、湿度：１０％とした。ローラ２の転がり寿命は、振れ幅を持つ摩擦係数の最小値が０．５になったときの転がり距離を転がり寿命とした。
表１は、各試料における膜組成分析結果とローラの転がり寿命を示したものである。空気中保管前の寿命は試料に関らず約３６００ｍであった。
【０００９】
【表１】
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表１から、本発明試料は空気中保管によっても保管前と同等の寿命を有している事が分る。比較例として用いた試料は空気中保管によって膜の一部が剥離していた。
以上のように２層からなる二硫化モリブデン膜の上層部に０．４％以下のアルゴンを含有させると、転動要素であるローラの転がり寿命は空気中保管により低下しないことがわかる。
なお、固体潤滑膜中に構成元素があれば、固体潤滑膜が剥離し転がり寿命が延長するのであるから、本発明は転動要素をローラと限定するものではなく、ボール、内輪、外輪、でも良いことは明白であり、それらを組み合わせた軸受にも及ぶものである。
【実施例２】
【００１０】
本実施例では、ターゲットを別の層状構造材料である二硫化タングステンに変えて第一の実施例と同様の実験を行った。表２は、膜組成分析結果とローラの転がり寿命を示したものである。空気中保管前の寿命はいずれも２４５０〜２５００ｍであった。
【００１１】
【表２】
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以上のように２層からなる二硫化タングステン膜の上層部に０．４％以下のアルゴンを含有させると、転動要素であるローラの転がり寿命は空気中保管により低下しないことがわかる。
【実施例３】
【００１２】
本実施例では、境界層の厚さを変えても同様の効果がある事を確認する実験を行った。境界層の酸素含有量を１０％と一定にし、上層の作製には酸素を含まないアルゴンガスを使用した。膜全体の厚さは約１μｍである。保管前後の寿命を表３に示す。上層の膜は水分の侵入を防ぐ組成としたので、上層内に含まれる酸素は０．１〜０．７原子％、アルゴンは０．０５〜０．４原子％であった。
【００１３】
【表３】
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膜の材質に関らず境界層の厚さが適切だと、上層に含まれるアルゴンを適量化することで空気中保管によっても寿命は変化しない事が分る。
【００１４】
通常、二硫化モリブデンや二硫化タングステン膜にアルゴンがはいると、格子間隔が拡がって水が入り易くなるため、酸素を含んだ膜と含まない膜間における接触腐食により、膜中の酸素量がさらに増加して脆くなり密着性が低下することを前述した。本発明によれば、膜中の格子間隔を拡げないようにするために、２層からなる固体潤滑膜のなかで、上層に適量のアルゴンを含有させた。その結果，膜中に水が入り難くなるので接触腐食が起こらないため、膜中の酸素量が増加して脆くなり密着性を低下することはない。従って、固体潤滑膜を空気中に長期間保管しても長寿命を保つ事ができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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、（ｃ）は固体潤滑膜部の断面図である。
【図２】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３】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４】本実施例において使用した転がり試験機で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図ある。
【符号の説明】
【００１６】
１  転動要素
２  ローラ
５  固体潤滑膜
５−１上層
５−２境界層
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  真空チャンバー
２７  基板ホルダー
３３  真空ポンプ
３４  ＲＦ電源
３５  真空計
３６  アルゴン
３７  酸素
５１  ボール
５２  樹脂内張
５３  ローラホルダ
５４  アーム
５５  デッドウエイト
５６  ロードセル
６１  Ｘ線銃
６２  検出器
６３  試料ホルダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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