(57)【要約】      （修正有）【課題】  大気中湿潤環境下で長期間保管しても潤滑特性が低下しない固体潤滑スパッタ膜を被覆した転動要素を得る。【解決手段】  転動要素は、スパッタ法で作製された硫化物からなる固体潤滑膜で被覆されたものであり、転動要素に固体潤滑膜を被覆後、大気中に取り出す前に真空室内を乾燥した気体で置換することにより作製される。固体潤滑膜が二硫化モリブデン又は二硫化タングステンである。乾燥した気体が空気、窒素、アルゴンの少なくとも１種類からなる。乾燥した気体中に含まれる水の量が１体積％以下であること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタ法で作製された硫化物からなる固体潤滑膜で被覆された転動要素において、
前記転動要素を真空中で加熱したときの前記転動要素からの水の全放出量が１．０Ｐａ・ｍ３／ｍ２以下であることを特徴とする転動要素。
【請求項２】
スパッタ法で作製された硫化物からなる固体潤滑膜で被覆された転動要素において、
前記転動要素に固体潤滑膜を被覆後、大気中に取り出す前に真空室内を乾燥した気体で置換することにより作製されたことを特徴とする転動要素。
【請求項３】
前記固体潤滑膜が二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンであることを特徴とする請求項１または２記載の転動要素。
【請求項４】
前記乾燥した気体が空気、窒素、アルゴンの少なくとも一種類からなることを特徴とする請求項２記載の転動要素。
【請求項５】
前記乾燥した気体中に含まれる水の量が１体積％以下であることを特徴とする請求項２記載の転動要素。
【請求項６】
前記転動要素はころがり軸受用の玉、ころ、内輪、外輪の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１または２記載の転動要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空環境下で使用される半導体製造装置や宇宙機器などに適用する固体潤滑軸受用の転動要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、真空用固体潤滑軸受に使用される転動要素にはスパッタ法で二硫化モリブデンや二硫化タングステンなどの硫化物系の固体潤滑膜が被覆される。二硫化モリブデンの場合、長寿命化を目的に膜の構成元素である硫黄（Ｓ）とモリブデン（Ｍｏ）の原子数比Ｓ／Ｍｏを１．７以上２．０未満とするものがある（例えば、特許文献１参照）。
この膜の作製方法について図１を用いて説明する。図において１０は真空を保持する真空チャンバである。真空チャンバの内部には、基板ホルダ１１に載置された基板１２と、基板ホルダに対向する位置に二硫化モリブデンのターゲット１４が電極１３に接続して配置されている。真空チャンバの外部には、電極１３に接続されたＲＦ電源１９と、マスフローコントローラ１８を介して接続されたアルゴンガスボンベ１７と、真空ポンプ１５と、真空計１６が配置されている。この装置の真空チャンバ１０内を減圧アルゴン雰囲気にして、グロー放電を起こしプラズマを発生させる。プラズマ中でプラスに帯電したアルゴンイオンは、マイナスに帯電したターゲット１４に衝突し、モリブデン原子と硫黄原子を叩き出す。叩き出されたモリブデン原子と硫黄原子は１００℃以下（特許文献１では５０℃）に保たれた基板１２上に堆積し固体潤滑膜となる。なお、転がり軸受に二硫化モリブデン膜を適用する場合、基板１２を玉、ころ、内輪、外輪などの転動要素とする。
固体潤滑スパッタ膜が被覆された転動要素はスパッタ装置から通常の大気環境下に取り出される。硫化物系の固体潤滑スパッタ膜は湿潤雰囲気下で潤滑特性が低下することが知られており（例えば、非特許文献１）、二硫化モリブデン固体潤滑膜は膜形成直後の真空状態のままでは寿命は長いが、湿潤雰囲気に保管すると短期間で寿命が著しく短くなる。潤滑特性の低下を防止するため、転動要素に膜を被覆後速やかに真空パック内または乾燥剤入りの容器に保管されるか、同じく速やかに軸受に組立てられて真空パック内または乾燥剤入りの容器で保管するという面倒な作業がなされている。
【特許文献１】特開平６−２７２７１５号公報
【非特許文献１】M. Maillat et al:Proc.4th Euro. Space Mech. & Trib.  Symp., ESA SP-299 (1990) 53.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、膜を被覆した転動要素を真空パック内や乾燥剤入りの容器内に入れて保管した場合でも、長期保管の間に潤滑特性が低下すると言う問題があった。本発明者らはこの原因を調べた結果、潤滑特性が低下する原因は膜内部に侵入した水が局部腐食を引起すためであることを見出した。硫黄を含む固体潤滑スパッタ膜は硫黄の蒸発を抑えるために基板の温度は１００℃以下で作製される。特に特許文献１では５０℃で膜が形成される。従って、膜内に欠陥が多く、結晶の格子間が広くなっている膜が形成される。また、スパッタ膜は微細な粒子で構成されており粒子間にはナノオーダの隙間が存在する。これらのために、膜のかさ密度は理論値に比べ９０％以下となる。膜を被覆した転動要素はスパッタ装置から大気中に取り出されるが、その際に広くなった結晶の格子間や粒子間の隙間に大気が侵入する。当然ながら大気中に含まれている水分も同時に侵入する。この水分量が多くて膜の表面と隙間内部が水分子でつながった場合，隙間腐食が生じて膜の内部が酸化される。膜内に酸化物があると潤滑特性が低下する。このような試料を真空パックに封入しても膜内の水分はなかなか抜けないので保管している間に腐食が進む。これは乾燥剤入りの容器内に保管しても同様である。
本発明は真空パック内や乾燥剤入りの容器内に転動要素を保管していても隙間腐食のような局部腐食により潤滑特性が低下するという問題点に鑑みてなされたものであり、通常の湿度を有する環境下で長期間保管しても潤滑特性が低下し難い固体潤滑軸受用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】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、スパッタ法で作製された硫化物からなる固体潤滑膜で被覆された転動要素において、前記転動要素を真空中で加熱したときの前記転動要素の単位面積当たりからの水の放出量が１．０Ｐａ・ｍ３／ｍ２以下であることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、スパッタ法で作製された硫化物からなる固体潤滑膜で被覆された転動要素において、前記転動要素に固体潤滑膜を被覆後大気中に取り出す前に真空室内を乾燥した気体で置換することで作製されたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記固体潤滑膜が二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンであることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、前記乾燥した気体が空気、窒素、アルゴンの少なくとも一種類からなることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、前記乾燥した気体中に含まれる水の量が１体積％以下であることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、前記転動要素がころがり軸受用の玉、ころ、内輪、外輪の少なくとも一つであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、水の放出量を特定することにより膜に含まれる水の量が少なくなり、膜の表面と隙間内部が水分子でつながることがないので隙間腐食による潤滑特性の低下を防止できる。
請求項２、３に記載の発明によると、転動要素に固体潤滑膜を被覆した後直ぐに、真空室内を乾燥した気体で置換するので、水分を含んだ空気に膜が触れる前に乾燥した気体が膜内の隙間に入る。このため、湿潤環境下で保管しても水分が膜内に入ることを長期間防止でき、結果として隙間腐食による潤滑特性の低下が防止できる。
請求項４に記載の発明によると、乾燥した気体に空気、窒素、アルゴンの少なくとも一種類のガスを用いているので、これらの気体が膜の粒子間の隙間や結晶格子間に分子状態で入り込むことができる。したがって、水分があとで入り込むことを防止でき、結果として大気中の湿潤環境下で保管しても潤滑特性の低下がほとんど無い。
請求項５に記載の発明によると、前記乾燥した気体中に含まれる水の量を１体積％以下としたので、気体中に含まれる水の量がさらに少なくなり、隙間腐食がさらに起り難くなる。
請求項６に記載の発明によると、前記転動要素を玉、ころ、内輪、外輪の少なくとも一つとしたので、ころがり軸受全体としての潤滑特性の低下が少なくなる。また、硫化物を含む固体潤滑膜を被覆した転動要素の全てに本発明を適用することで軸受の潤滑特性はさらに低下しがたくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【実施例】
【０００７】
本発明には、転動要素である鋼材のローラ（直径４．００ｍｍ、長さ３．８５ｍｍ）上に厚さ約０．６μｍの固体潤滑膜を被覆した試料を用いた。固体潤滑膜の種類は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、または二硫化タングステン（ＷＳ２）からなる硫化物系の層状構造材料とし高周波スパッタ法で作製した。スパッタ条件は、投入電力１００Ｗ、ローラとターゲットとの距離は５０ｍｍ、アルゴン分圧は１．７Ｐａである。
固体潤滑膜をローラに被覆した後、スパッタ装置（真空室）内に0.01、0.1、1.0の体積％の三種類の水分量を含むガスを大気圧になるまで導入した。この状態を１時間保持した後に膜被覆ローラを大気中に取り出した。このときの雰囲気湿度は約６０％ＲＨであった。取り出した試料の一つを昇温脱離ガス分析装置にセットし試料から放出される水の量を調べた。その他の試料については６０％ＲＨの湿度環境下で所定の期間保管した後にすべり摩擦試験を行い寿命を求めた。
試料からの水の放出量は次のようにして測定した。まず、スパッタ装置から取り出した試料を昇温脱離ガス分析装置にセットしてから約４０分間真空排気し、その後０．５℃／sの割合で２４０℃まで昇温した。この昇温速度と上限の加熱温度は水の放出量を最も精度よく測定できる範囲である。昇温速度が０．５℃／ｓより大きいと水の放出特性が不安定になり測定精度が低下し、これより小さいと水の放出量をバックグラウンドと区別するのが困難になる。また、加熱温度については、２４０℃より高い温度まで加熱すると膜中に含まれる水とＭｏＳ２膜の反応が進行しやすくなるため、膜に含まれている水の量を正確に測定することが困難になる。昇温中の全圧は電離真空計で計測し、放出されたガスの成分およびその分圧は四重極質量分析計で測定した。水の昇温脱離スペクトルと装置の実効排気速度そして試料の面積から２４０℃までの水の全放出量を求めた。
一方、すべり摩擦試験は、すべり速度０．１４ｍ／s、荷重１．７Ｎ、雰囲気の湿度２０％ＲＨの条件で行い、ＭｏＳ２膜の摩擦係数が０．１を超えた時点を寿命とした。
なお、比較例として、転動要素であるローラに膜を被覆した後、すぐに湿度６０％ＲＨの大気中に取り出し、シリカゲル乾燥剤が入った容器内または真空パック中で所定の期間保管した試料も加えた。
表１に結果を示す。表中の寿命は、スパッタ装置から取り出して直ちにすべり摩擦試験を行った場合の寿命に対する相対値である。また、水の全放出量は測定結果であり、導入ガスの水分量と対応関係にある。
従来の転動要素では水の全放出量すなわち膜に含まれていた水の量が多く、シリカゲル乾燥剤中で保管しているにもかかわらず３ないし５ヵ月後には寿命が低下している。これに対して、本発明の転動要素では水の全放出量は少なく、乾燥剤がないにもかかわらず従来例より長期間保管しても寿命が低下しなかった。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
本実施例では導入ガス中の水分量は１体積％以下であるが、導入ガス中の水分量が通常の環境下に含まれる値以下であれば寿命が延びることは明らかである。また、硫化物系の固体潤滑膜として二硫化モリブデンと二硫化タングステンの二種類のみについて示したが、他の物質でも硫黄を含むものであれば同じ効果が得られる。
なお、本実施例では転動要素をローラとしたが、これに限定されるものではなく玉、内輪、外輪でも良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、およびセラミックスでもよい。
【００１０】
以上述べたように、本発明が従来技術と異なる点は、転動要素にスパッタ法で膜を形成した後、スパッタ装置内で水分含有量が少ない気体に曝してから大気中に取り出す点である。スパッタ膜は微細な粒子で構成されており、粒子間にはナノオーダの隙間が存在する。真空中で膜を形成した後、大気中にこの膜を取り出した場合この隙間に大気が入り込む。当然ながら大気中に含まれている水分も同時に侵入する。この水分量が多くて膜の表面と隙間内部が水分子でつながった場合，隙間腐食が生じて膜の内部が酸化される。膜内に酸化物があると潤滑特性が低下するので、膜内部の水の量を少なくして水分子が膜表面とつながらない程度にすれば腐食は防げる。スパッタ膜形成後に隙間に乾燥した気体を入れておけば水分子の侵入を長期間防止できる。したがって、湿潤な大気中に取り出しても膜内に水分が侵入しにくいので局部腐食を生じず、長期間保管しても寿命の低下がほとんど起らない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】固体潤滑膜を作製するスパッタ装置の模式図
【符号の説明】
【００１２】
１０  真空チャンバ
１１  基板ホルダ
１２  基板
１３  電極
１４  ターゲット
１５  真空ポンプ
１６  真空計
１７  アルゴンボンベ
１８  マスフローコントローラ
１９  ＲＦ電源
２０  リークバルブ
【図１】
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