(57)【要約】【課題】高速回転下で使用した場合であっても、更なる低トルク化や発熱量の減少を図ることができる転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａと、玉３の転動面とのうち少なくとも一方の転がり面に、特定の金属からなる金属層４と、この金属層４を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層５と、ＤＬＣ層６と、撥油層７とをこの順で形成し、撥油層７の潤滑剤との接触角θを５０°以上とした。【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、複数の転動体とを備え、前記内輪及び前記外輪の軌道面と前記転動体の転動面が潤滑剤により潤滑される転がり軸受において、
前記軌道面と前記転動面とのうち少なくとも一方の転がり面に、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｆｅから選択される少なくとも一種の金属からなる金属層と、前記金属層を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層と、ダイヤモンドライクカーボン層と、撥油層と、がこの順で形成され、
前記撥油層は、前記潤滑剤との接触角が５０°以上となっていることを特徴とする転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり面が潤滑剤で潤滑される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸を支持するために用いられる転がり軸受としては、一般に、アンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受、或いはこれらを組み合わせたものを用いることが知られている。工作機械の主軸は、加工精度と生産性の向上を図るために回転の高速化が望まれている。しかし、主軸を支持する転がり軸受では、主軸の回転が高速になる程、予荷重が増大してトルクが大きく、発熱量が多くなるため、焼付きや軸受損傷が生じ易くなる。また、主軸を支持する転がり軸受において発熱量が多くなると、工作機械全体が熱変形して、加工精度が低下する場合もある。
【０００３】
このため、特許文献１及び特許文献２では、転がり面に潤滑剤を十分に供給することにより、転がり軸受のピッチ円直径ｄm （ｍｍ）と転がり軸受の回転速度（ｍｉｎ-1）との積ｄm ・Ｎが１００万以上の高速回転下で使用された場合であっても、転がり軸受の焼付きや軸受損傷を生じ難くすることが提案されている。
特許文献１では、微量の潤滑油を高速で間欠的に軸受内部に供給することが提案されている。
【０００４】
特許文献２では、所定量のグリースを間欠的に軸受内部に供給することが提案されている。
【特許文献１】特開２００１−３１５０４１号公報
【特許文献２】特開２００３−１１３８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、工作機械の更なる加工精度及び生産性の向上を図るために、主軸の更なる高速回転化が進むにつれて、この主軸を支持する転がり軸受においては、潤滑性能の向上を図りつつ、更なる低トルク化や発熱量の減少を図ることが要求されている。また、環境問題の観点から、自動車の燃費や風力発電機の発電効率の向上を図るために、これらに用いられる転がり軸受においては、潤滑性能の向上を図りつつ、更なる低トルク化や発熱量の減少を図ることが要求されている。
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１や特許文献２に記載の転がり軸受では、転がり面に潤滑剤が十分に供給された状態で使用されるため、優れた潤滑性能は得られるが、更なる低トルク化及び発熱量の低減を図ることが難しいという問題がある。
そこで、本発明は、このような従来の問題に着目してなされたものであり、高速回転下で使用された場合であっても、潤滑性能を維持しつつ、更なる低トルク化及び発熱量の減少を図ることができる転がり軸受を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決するために、本発明は、内輪と、外輪と、複数の転動体とを備え、前記内輪及び前記外輪の軌道面と前記転動体の転動面が潤滑剤により潤滑される転がり軸受において、前記軌道面と前記転動面とのうち少なくとも一方の転がり面に、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｆｅから選択される少なくとも一種の金属からなる金属層と、前記金属層を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層と、ダイヤモンドライクカーボン層と、撥油層と、がこの順で形成され、前記撥油層は、前記潤滑剤との接触角が５０°以上となっていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
【０００８】
本発明によれば、内輪及び外輪の軌道面と転動体の転動面とのうち少なくとも一方の転がり面に、金属層と、複合層と、ダイヤモンドライクカーボン層（以下「ＤＬＣ層」と記す。）と、撥油層と、をこの順で形成し、撥油層の潤滑剤との接触角θを５０°以上とすることにより、接触角θを５０°未満とした場合と比べて、転がり面と潤滑剤との密着性が小さくなり、転がり面で潤滑剤が滑りを生じるようになる。よって、転がり面に供給される潤滑剤の攪拌抵抗が抑制されて、転がり面と潤滑剤との接触面での速度勾配が小さく（つまり、見かけの動粘度が小さく）なるため、高速回転下で使用された場合であっても、潤滑性能を維持しつつ、転がり軸受の更なる低トルク化及び発熱量の低減を図ることができる。
【０００９】
また、転がり面で潤滑剤が滑りを生じることによって、転がり面に潤滑剤が間欠的に供給され易くなるため、接触角θを５０°未満とした場合と比べて、優れた潤滑性能が得られる。
さらに、撥油層をＤＬＣ層上に形成したことによって、転がり面に直接撥油層を形成した場合と比べて、撥油層を密着して形成できるため、潤滑性能を維持しつつ、転がり軸受の更なる低トルク化及び発熱量の低減を長期にわたって実現できる。
【００１０】
さらに、転がり面に金属層及び複合層を介してＤＬＣ層を形成したことにより、ＤＬＣ層が転がり面に密着して形成されるとともに、転がり面に優れた摺動性が付与されて、焼付きや軸受損傷が生じ難くなるため、高速回転下で使用された場合であっても、潤滑性能を維持しつつ、更なる低トルク化及び発熱量の減少を図ることができる。
以下、本発明における転がり面の構成について、詳細に説明する。
【００１１】
本発明の転がり面には、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｆｅから選択される少なくとも一種の金属からなる金属層と、金属層を構成する金属と炭素との化合物からなる複合層と、ＤＬＣ層と、撥油層と、がこの順に形成されている。
ここで、転がり面の転がり疲れ寿命を長くするために、金属層の厚さを０．１〜５μｍとし、複合層の厚さを０．１〜５μｍとし、カーボン層の厚さを０．８〜８μｍ、好ましくは１〜５μｍとすることが好ましい。
【００１２】
このような金属層、複合層、及びＤＬＣ層を形成する方法としては、特に限定されないが、例えば、スパッタリング法、プラズマＣＬＤ法、イオンプレーティング法が挙げられる。特に、ＤＬＣ層の撥油層との接触面に微小な凹凸を形成し、その接触面の摺動抵抗を小さくするとともに、金属層、複合層、及びＣＬＤ層を連続して形成するために、非平衡型マグネトロンを用いたスパッタリング法を採用することが好ましい。
【００１３】
撥油層とは、パーフルオロアルキル基を有する化合物層等を指し、例えば、フッ素化合物層が挙げられる。ここで、転がり軸受の低トルク化及び発熱量の低減を図るために、撥油層の厚さは、０．０１〜５μｍとすることが好ましい。
このような撥油層を形成する方法としては、特に限定されないが、例えば、撥油剤を希釈した溶液中に撥油層を形成する部材（内輪、外輪、転動体）を所定時間浸漬させた後に引きあげて、部材に付着した溶液を乾燥させる方法や、撥油剤をスプレーを用いて噴射した後乾燥させる方法や、テフロン（登録商標）等のフッ素系改質剤をスパッタリングすることによる方法が挙げられる。特に、撥油層を薄く均一に形成するためには、撥油剤を希釈した溶液中に部材を所定時間浸漬させた後に引きあげて、部材に付着した溶液を乾燥させる方法を採用することが好ましい。
【００１４】
撥油剤としては、特に限定されないが、例えば、フッ素系界面活性剤、フッ素系シランカップリング剤、フッ素系ポリマー等のフッ素系処理剤が挙げられる。なお、潤滑剤として、鉱油又は合成油からなる潤滑油を使用する場合には、撥油剤としてフッ素系界面活性剤を用いることが好ましい。
撥油層の潤滑剤との接触角θは、例えば、溶剤中における撥油剤の希釈率や、乾燥前の溶液の付着量や、溶液の乾燥条件によって調整することができる。
【００１５】
この接触角θは１８０°に近づく程、油をはじく能力（撥油性）が向上するため、接触角θは出来るだけ大きくすることが好ましい。一方、転がり軸受が高速回転下で使用されても、潤滑性能を維持しつつ、低トルク化及び発熱量の低減を図るために、接触角θを５０°以上とする必要がある。ここで、撥油層の形成コストを考慮して、接触角θを１６０℃以下とすることが好ましい。
本発明の転がり軸受は、例えば、工作機械、自動車等のトランスミッション、ターボチャージャ、風力発電機の回転部を支持する転がり軸受として好適に用いることができる。  また、本発明で用いられる潤滑剤としては、特に限定されないが、例えば、潤滑油やグリースが挙げられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の転がり軸受によれば、軌道面と転動面とのうち少なくとも一方の転がり面に、特定の金属からなる金属層と、この金属層を構成する金属と炭素とからなる複合層と、ＤＬＣ層と、撥油層とをこの順で形成し、撥油層の潤滑剤との接触角を５０°以上としたことにより、高速回転下で使用された場合であっても、潤滑性能を維持しつつ、更なる低トルク化及び発熱の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、転がり軸受の一例として、呼び番号が７３０５ＡＣＴＹの単列アンギュラ玉軸受（内径：２５ｍｍ，外径：６２ｍｍ，幅：１７ｍｍ）を以下に示す手順で作製した。
まず、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材を所定形状に加工した後、熱処理を施すことにより、内輪、外輪、及び玉（転動体）を作製した。
【００１８】
次に、得られた内輪及び外輪と玉とのうち少なくとも一方の部材の転がり面（軌道面や転動面）に、図１に示す非平衡型マグネトロンスパッタリング装置を用いて、厚さ１μｍのＴｉ層（金属層）と、厚さ１μｍのＴｉＣ層（複合層）と、厚さ１μｍのＤＬＣ層とを形成した。
この装置は、図１に示すように、部材１１を収容する円板状容器１０と、チタンターゲットやカーボンターゲットなどの複数のターゲット２０と、を備えている。
【００１９】
そして、円板状容器１０に収容された部材１１の表面に、アルゴンガスによりドライクリーニングを施した後、チタンターゲットを用いて金属層を形成した後、チタンターゲットのスパッタ効率を徐々に減少させつつ且つカーボンターゲットのスパッタ効率を徐々に増加させることで、金属と炭素の組成が芯部側から徐々に変化するように、複合層とＤＬＣ層を連続して形成した。
【００２０】
次に、ＤＬＣ層上に、フッ素系界面活性剤からなるフッ素化合物層（撥油層）を、厚さ０．１μｍとなるように形成した。
具体的には、撥油剤として下記（化１）式で示されるフッ素系界面活性剤（パーフルオロアルキル−エチルアクリレート共重合体，日本メクトロン株式会社製，ノックスガードＳＴ−４３０）が希釈された溶剤を、撥油層を形成する部材にスプレーにより付着させた後乾燥させることにより、転がり面に撥油層を形成した。このとき、撥油層が形成された後の転がり面の潤滑剤との接触角θを変化させるために、乾燥前の溶剤の付着量を調整した。
【００２１】
【化１】
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【００２２】
但し、上記（化１）中のｌ，ｍ，ｎはいずれも１〜３０の整数とする。
その後、公知の接触角試験機を用いて、各転がり面に潤滑剤を滴下して、転がり面の潤滑剤との接触角θを以下に示す条件で測定した。この結果は、表１に併せて示した。
＜接触角測定条件＞
試験温度：室温（約２５．０℃）
潤滑剤：ポリーαーオレフィン油（４０℃における動粘度：３０．３ｍｍ2 ／ｓ）
潤滑剤滴下量：３μｌ
接触角の観察条件：潤滑剤を滴下してから６秒後
次に、このようにして得られた部材を用いて表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．３の玉軸受を組み立てた。
【００２３】
図２は、表１におけるＮｏ．１及びＮｏ．３の玉軸受を示す断面図である。この玉軸受は、図２に示すように、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３とから構成され、内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａには、金属層４と、複合層５と、ＤＬＣ層６と、撥油層７とがこの順で形成されている。
図３は、表１におけるＮｏ．２の玉軸受を示す断面図である。この玉軸受は、図３に示すように、内輪１と、外輪２と、玉３とから構成され、玉３の表面（転動面）には、金属層４と、複合層５と、ＤＬＣ層６と、撥油層７とがこの順で形成されている。
【００２４】
次に、これらの玉軸受を、高速回転下で使用することを想定した以下に示す条件で回転させることにより、トルク試験を行った。この試験は、３０００時間を上限として、トルクが回転開始時の４０％上昇するまで内輪を回転させることで行い、トルクが回転開始時の４０％上昇するまでの回転時間を寿命とした。
【００２５】
表１には、４８０秒回転時のトルクと、トルクが回転開始時の４０％上昇するまでの回転時間（寿命）と、４８０秒回転前後の軸受温度と、を併せて示した。また、比較例Ａとして、Ｎｏ．１の玉軸受と同様の構成で、玉の転動面における潤滑剤との接触角θが１０．４°で、内輪及び外輪の軌道面における潤滑剤との接触角θが１５．４°の玉軸受を作製して、上述と同様にトルク試験を行った。そして、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の玉軸受において、比較例Ａとして作製した玉軸受のトルクに対する減少率を算出して、表１に併せて示した。
＜トルク試験条件＞
試験機：日本精工株式会社製トルク試験機
試験開始温度：室温（約２５．０℃）
潤滑剤：ポリーαーオレフィン油（４０℃における動粘度：３０．３ｍｍ2 ／ｓ）
潤滑剤充填量：０．３ｇ
ラジアル荷重：３０Ｎ
アキシャル荷重：４００Ｎ
回転速度：８７００ｍｉｎ-1
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１に示すように、内輪及び外輪の軌道面と玉の転動面とのうち少なくとも一方の転がり面に、特定の金属からなる金属層と、この金属層を構成する金属と炭素とからなる複合層と、ＤＬＣ層と、撥油層とを形成し、撥油層の潤滑剤との接触角θを本発明範囲としたＮｏ．１及びＮｏ．２の玉軸受では、Ｎｏ．３の玉軸受と比べて、低トルクで、４８０秒回転前後の軸受温度差（発熱量）が小さくなっているとともに、長寿命が得られた。
【００２８】
次に、本発明例として、Ｎｏ．１の玉軸受と同様の構成で、玉の転動面における潤滑剤との接触角θが９．２°で、内輪及び外輪の軌道面における潤滑剤との接触角θが８０．８°の玉軸受を作製して、上述と同様に接触角測定とトルク試験を行った。なお、本発明例として作製した玉軸受では、４８０秒回転後のトルクが０．０３０３Ｎ・ｍで、回転前の軸受温度が２５．３℃で、４８０秒回転後の軸受温度が３３．１℃であった。
【００２９】
また、比較例Ｂとして、内輪、外輪、及び玉に金属層、複合層、ＤＬＣ層、及び撥油層を形成せず、玉の転動面における潤滑剤との接触角θが１０．６°で、内輪及び外輪の軌道面における潤滑剤との接触角θが１０．４°の玉軸受を作製して、上述と同様に接触角測定とトルク試験を行った。なお、比較例Ｂとして作製した玉軸受では、４８０秒回転後のトルクが０．０５３４Ｎ・ｍで、回転前の軸受温度が２５．０℃で、４８０秒回転後の軸受温度が３６．３℃であった。
【００３０】
そして、本発明例として作製した玉軸受と、比較例Ｂとして作製した玉軸受において、回転時間と、トルクとの関係を示す図４のグラフを作成した。
図４に示すように、本発明例として作製した玉軸受では、回転開始から約６０秒経過後から、比較例Ｂとして作製した玉軸受の約６０％のトルクとなっていることが分かる。
また、本発明例として作製した玉軸受と、比較例Ｂとして作製した玉軸受において、回転時間と、潤滑剤との接触角θとの関係を示す図５のグラフを作成した。
【００３１】
図５に示すように、本発明例として作製した玉軸受では、潤滑剤滴下時の接触角θと、潤滑剤を滴下して６秒経過した後の接触角θとが略同一になっていることが分かる。一方、比較例Ｂとして作製した玉軸受では、時間とともに接触角θが小さくなっていることが分かる。
さらに、Ｎｏ．１の玉軸受と同様の構成で、内輪及び外輪の軌道面に潤滑剤との接触角θが異なる撥油層を形成した玉軸受をそれぞれ作製して、上述と同様に接触角測定とトルク試験を行った。そして、撥滑剤との接触角θと、トルク減少率との関係を示す図６のグラフを作成した。
【００３２】
図６に示すように、接触角θが５０°以上となると、トルク減少率が比較例Ａとして作製した玉軸受の約４０％以上となっていることが分かる。
以上の結果より、軌道面と転動面とのうち少なくとも一方の転がり面に、金属層と、複合層と、ＤＬＣ層と、撥油層とをこの順で形成し、撥油層の潤滑剤との接触角θを５０°以上とすることにより、玉軸受のトルクが小さくなるとともに、発熱量が少なくなることを確認できた。
【００３３】
なお、本実施形態では、転がり軸受の一例として単列アンギュラ玉軸受について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、保持器がない転がり軸受（総玉軸受や総ころ軸受等）や、複列の軌道面を有する転がり軸受（複列アンギュラ玉軸受等）や、転動体としてころを用いた転がり軸受（円筒ころ軸受や針状ころ軸受等）に適用してもよい。
また、本実施形態では、内輪及び外輪の軌道面と玉の転動面の少なくとも一方の転がり面に、特定の金属からなる金属層と、この金属層を構成する金属と炭素とからなる複合層と、ＤＬＣ層と、接触角θが５０°以上の撥油層とをこの順で形成した場合について説明したが、転がり面に加えて、内輪及び外輪の内外径面に、これらの層を形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】非平衡型マグネトロンスパッタリング装置の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明の転がり軸受の一例である玉軸受を示す断面図である。
【図３】本発明の転がり軸受の他の例である玉軸受を示す断面図である。
【図４】玉軸受の回転時間と、トルクとの関係を示す図である。
【図５】転がり面の潤滑剤との接触角の経時変化を示す図である。
【図６】転がり面の潤滑剤との接触角と、トルク減少率との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      内輪
１ａ    軌道面
２      外輪
２ａ    軌道面
３      玉（転動体）
４      金属層
５      複合層
６      ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層
７      撥油層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007177836.tif 000008
【図５】
2007177836.tif 000009
【図６】
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