(57)【要約】【課題】スキッディングによる損傷を長期間防止でき、ターボ冷凍機の自由側軸受用として組合せアンギュラ玉軸受の代替品として有用な円筒ころ軸受を提供する。【解決手段】内輪軌道面に、珪素を含むＤＬＣ皮膜が形成されており、かつ、前記ＤＬＣ皮膜における最表面の珪素濃度が１〜１７原子％であることを特徴とするターボ冷凍機用円筒ころ軸受。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪軌道面に、珪素を含むＤＬＣ皮膜が形成されており、かつ、前記ＤＬＣ皮膜における最表面の珪素濃度が１〜１７原子％であることを特徴とするターボ冷凍機用円筒ころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ冷凍機の自由側軸受として利用される円筒ころ軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３に示すように、ターボ冷凍機では、回転軸は固定側及び自由側共に、主として組合せアンギュラ玉軸受により支持される（例えば、特許文献１、２参照）。自由側軸受は、温度上昇に伴う回転軸の伸張を吸収するために円筒ころ軸受が使用されることもあるが（図４参照）、高速回転で使用されるターボ冷凍機の場合、負荷されるラジアル方向荷重によっては公転すべりが大きくなる所謂スキッディングが生じ、摩耗損傷や焼き付きに至る懸念があることから、ターボ冷凍機では自由側軸受に組合せアンギュラ玉軸受が使用されるのが主流になっている。
【０００３】
しかしながら、自由側軸受に組合せアンギュラ玉軸受を採用すると、軸受列数の増大による圧縮機のサイズアップ及び損失の増大というデメリットが生じる。また、自由側軸受の外輪とハウジング間の隙間は、大きすぎると外輪間座外径部から潤滑油の漏洩が過多となり、小さすぎると外輪とハウジングが拘束し、軸受が軸の伸張による荷重を受けて早期損傷する可能性があるなど設定が難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９６０１号公報
【特許文献２】特開２００９−２１５９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、スキッディングによる損傷を長期間防止でき、ターボ冷凍機の自由側軸受用として組合せアンギュラ玉軸受の代替品として有用な円筒ころ軸受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】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、内輪軌道面に、珪素を含むＤＬＣ皮膜が形成されており、かつ、前記ＤＬＣ皮膜における最表面の珪素濃度が１〜１７原子％であることを特徴とするターボ冷凍機用円筒ころ軸受を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の円筒ころ軸受は、内輪軌道面に珪素を特定量含有するＤＬＣ皮膜を形成したものであり、ＤＬＣ皮膜が持つ摺動性や硬さを確保しつつ、珪素を所定量含有するためＤＬＣ皮膜の残留応力が低下して剥れが抑えられ、結果としてスキッディング損傷を長期間防止することができ、ターボ冷凍機の自由側軸受用として組合せアンギュラ玉軸受の代替品として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のターボ冷凍機用円筒ころ軸受を示す断面図である。
【図２】実施例で得られた、含珪素ＤＬＣ皮膜の剥れ量の経時変化を示すグラフである。
【図３】ターボ冷凍機の回転軸周辺を示す断面図であり、自由側軸受として組合せアンギュラ玉軸受を用いた一般的な場合を示す。
【図４】ターボ冷凍機の回転軸周辺の他の例を示す断面図であり、自由側軸受として円筒ころ軸受を用いた場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明のターボ冷凍機用円筒ころ軸受を示す断面図である。図示されるように、内輪１と外輪２との間に、複数の円筒ころ３が保持器４により転動自在に保持されている。また、本発明では内輪軌道面１ａに、珪素を含有するＤＬＣ皮膜（以下「含珪素ＤＬＣ皮膜」）１０が形成されている。
【００１１】
一般的なＤＬＣ皮膜は、それ自体で摺動性及び耐摩耗性等を向上させる効果が得られるが、更に珪素を含むことにより、炭素単独の場合に比べて皮膜の残留応力が低くなり、皮膜の剥離が抑えられて耐久性が高まる。但し、含珪素ＤＬＣ皮膜１０の最表面において珪素が過多になると、含珪素ＤＬＣ皮膜１０が本来有する摺動性や硬さが低下するため、最表面における珪素濃度を１７原子％以下にする。一方、珪素による残留応力の低下効果を得るためには、最表面における珪素濃度を１原子％以上とする必要がある。好ましくは、含珪素ＤＬＣ皮膜１０の最表面における珪素濃度は３〜５原子％である。
【００１２】
上記したように含珪素ＤＬＣ皮膜１０の最表面の珪素濃度は１〜１７原子％であるが、皮膜全体にわたり珪素濃度が一様に１〜１７原子％であってもよく、表面に向かうにつれて炭素の割合が珪素の割合よりも大きくなるような傾斜組成であってもよい。後者の傾斜組成の場合、含珪素ＤＬＣ皮膜１０の残留応力を小さくする効果と、摺動性や硬さを高める向上とがより効果的に得られる。
【００１３】
また、含珪素ＤＬＣ皮膜１０は、珪素の他に水素を含有することが好ましい。水素によりＣ−Ｈ結合とＳｉ−Ｈ結合とが混在するが、Ｓｉ−Ｈ結合は結合エネルギーが小さいため、未結合の水素原子が積極的に珪素原子と結合し、水素を含有しない場合に比べて皮膜の残留応力がより小さくなる。
【００１４】
このような含珪素ＤＬＣ皮膜１０を形成するためには、炭素ターゲット及び珪素ターゲットを用い、真空中でスパッタリングすればよい。また、水素を更に含有する場合は、炭素ターゲット及び珪素ターゲットを用い、メタンガス等の炭化水素ガス雰囲気中でスパッタリングを行う。尚、スパッタリングは、例えばマグネトロンスパッタリング装置を用いて行うことができる。また、傾斜組成にする場合は、成膜中に炭素ターゲットに加える電圧を徐々に大きくする一方で、珪素ターゲットに加える電圧を徐々に小さくすればよい。
【００１５】
尚、成膜時に内輪軌道面１ａの温度を１５０〜１８０℃に制御することが好ましい。１５０℃未満では成膜効率が悪く、１８０℃を超えると珪素が結晶状態で成膜される傾向がある。これに対し、１５０〜１８０℃の温度範囲にすることにより、ＤＬＣ皮膜１０の体積膨張を抑えることができる。また、内輪１を構成する鋼材の硬度低下を防ぎ、内輪軌道面１ａとＤＬＣ皮膜１０との密着性が良好になる。
【００１６】
含珪素ＤＬＣ皮膜１０の膜厚は０．８〜１．６μｍが好ましい。膜厚が０．８μｍ未満では皮膜の耐久性が十分ではなく、１．６μｍを超えると皮膜の残留応力が大きすぎて十分な密着性が得られず、内輪軌道面１ａから剥がれやすくなる。尚、このような膜厚とするには、スパッタリング時間を調整すればよい。
【００１７】
また、含珪素ＤＬＣ皮膜１０は、ヤング率１５０〜２００ＧＰａであることが好ましい。ヤング率が１５０ＧＰａ未満であるとＤＬＣ皮膜１０の硬さが十分ではなく、２００ＧＰａを超えると内輪軌道面１ａが変形しにくくなり、高負荷環境で剥離しやすくなる。
【００１８】
更には、クロム等の金属製中間層を介してＤＬＣ皮膜１０を形成してもよい。
【００１９】
本発明において、上記のように内輪軌道面１ａに含珪素ＤＬＣ皮膜１０を形成した以外には制限はなく、内外輪の材質や潤滑剤等は公知のもので構わない。
【実施例】
【００２０】
以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００２１】
ターボ冷凍機用として一般的な円筒ころ軸受（呼び番号「ＮＵ３０７」）の内輪を、マグネトロンスパッタリング装置に装着した。マグネトロンスパッタリング装置は炭素ターゲットと珪素ターゲットを備えており、温度１８０℃、真空中で含珪素ＤＬＣ皮膜を内輪軌道面に形成した。その際、炭素ターゲットに加える電圧を徐々に大きくし、珪素ターゲットに加える電圧を徐々に小さくして、最表面の珪素濃度が３〜６原子％となるように傾斜組成にした。そして、含珪素ＤＬＣ皮膜を形成した内輪を用いて同軸受を組み立て、試験軸受Ａとした。
【００２２】
また、比較のために、皮膜を形成せず、内輪軌道お面が露出している内輪からなる同一の円筒ころ軸受を試験軸受Ｂとした。
【００２３】
試験軸受Ａ、Ｂを用い、表１に示すＰＶ値及びすべり速度にて耐久試験を行った、尚、ＰＶ値及びすべり速度はスキッディング発生限界値に対する比である。耐久性は、スキッディング損傷が発生するまでの時間（耐久時間）で評価した。
【００２４】
結果を表１に示すが、試験軸受Ｂでは、３０時間経過後にスキッディング損傷が発生したのに対し、含珪素ＤＬＣ皮膜を形成した試験軸受Ａでは４８０時間経過後でもスキッディング損傷発生の兆しが見られなかった。また、試験軸受Ａについて、所定時間毎に含珪素ＤＬＣ皮膜の剥れ量（皮膜の全面積に対して皮膜が剥れている領域の面積の割合）を求めたが、図２に示すように、剥れ量も実用上影響を及ぼすと考えられる限界値３０％に対し、十分な余裕がある。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
このように、本発明のように、内輪軌道面に含珪素ＤＬＣ皮膜を形成することにより、長期にわたりスキッディング損傷防止効果が維持できることが確認された。
【符号の説明】
【００２７】
１  内輪
１ａ  内輪軌道面
２  外輪
３  円筒ころ
４  保持器
１０  含珪素ＤＬＣ皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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