(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に内側に配置された内方部材および外側に配置された外方部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより内方部材および外方部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置において、
前記内方部材および／または外方部材の鉄鋼材料で形成された軌道溝に、或いは転動体の鉄鋼材料で形成された転動面に、
クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、硅素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、および鉄（Ｆｅ）の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、
前記下地層の構成元素と炭素（Ｃ）とを含有し、炭素の含有率が下地層の反対側で下地層側よりも大きい中間層と、
アルゴンと炭素とからなり、アルゴンの含有率が０．０２質量％以上５質量％以下であるダイヤモンドライクカーボン層と、
がこの順に形成されてなる、表面にダイヤモンドライクカーボン層を含む三層構造の層を有することを特徴とする転動装置。
【請求項２】
前記下地層の厚さは４０ｎｍ〜５００ｎｍ、前記中間層の厚さは４０ｎｍ〜５００ｎｍ、前記ＤＬＣ層の厚さは０．２２μｍ〜４．０μｍ、３層合計の厚さは０．３μｍ〜５．０μｍである請求項１記載の転動装置。
【請求項３】
前記ＤＬＣ層の等価弾性定数は８０ＧＰａ以上２４０ＧＰａ以下である請求項１または２記載の転動装置。
【請求項４】
前記ＤＬＣ層は、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の転動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受、ボールねじ、およびリニアガイド等の転動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドライクカーボン（以下「ＤＬＣ」と略称する。）膜は、その表面がダイヤモンドに準ずる硬さ（１０ＧＰａ以上の塑性変形硬さ）を有し、摺動抵抗に関しても、摩擦係数が０．２以下と、二硫化モリブデンやフッ素樹脂と同程度に小さい。そのため、ＤＬＣ膜は転動装置の軌道面等に形成する新たな耐摩耗性被膜として注目されている。
【０００３】
転がり軸受の軌道輪の軌道面または転動体の軌道面にＤＬＣ膜を形成することは、例えば特開平９−１４４７６４号公報、特開２０００−１３６８２８号公報、特開２０００−２０５２７７号公報、特開２０００−２０５２７９号公報、特開２０００−２０５２８０号公報等に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
転がり軸受の軌道面等に形成されたＤＬＣ膜には、高い接触応力によって軌道面等から剥離し易いという問題点がある。国際公開ＷＯ９９／１４５１２（特表２００１−５１６８５７号公報）には、この問題点を解決するために、軸受鋼からなる軌道面に、金属層、移行帯（金属カーバイド層と金属層との交互層）、金属混合ＤＬＣ層をこの順に設けることが記載されている。しかしながら、この方法には更なる改善の余地がある。
【０００５】
本発明は、軌道溝の軌道面および／または転動体の転動面にＤＬＣ層が形成されている転動装置において、高い接触応力が付与されてもＤＬＣ層が剥離することなく、高い耐摩耗性が得られるようにすることを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、相対的に内側に配置された内方部材および外側に配置された外方部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより内方部材および外方部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置において、前記内方部材および／または外方部材の鉄鋼材料で形成された軌道溝に、或いは転動体の鉄鋼材料で形成された転動面に、（１）クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、硅素（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、および鉄（Ｆｅ）の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、（２）前記下地層の構成元素と炭素（Ｃ）とを含有し、炭素の含有率が下地層の反対側で下地層側よりも大きい中間層と、（３）アルゴンと炭素とからなり、アルゴンの含有率が０．０２質量％以上５質量％以下であるダイヤモンドライクカーボン層と、がこの順に形成されてなる、表面にダイヤモンドライクカーボン層を含む三層構造の層を有することを特徴とする転動装置
【０００７】
前記下地層は、格子定数が鉄と類似の元素からなる膜であり、鉄鋼材料で形成された軌道溝或いは転動面との密着性に優れている。この下地層に前記構成の中間層を介して前記構成のＤＬＣ層を形成することにより、高い接触応力が付与されてもＤＬＣ層が剥離することが防止される。すなわち、前記下地層、その上に中間層、さらにその上にＤＬＣ層が形成されてなる三層構造の層（表面にＤＬＣ層を含む層）を軌道溝或いは転動面に設けることにより、高い接触応力が付与されてもＤＬＣ層が剥離することが防止される。
【０００８】
前記下地層の厚さは例えば４０ｎｍ〜５００ｎｍ、前記中間層の厚さは例えば４０ｎｍ〜５００ｎｍ、前記ＤＬＣ層の厚さは例えば０．２２μｍ〜４．０μｍ、３層合計の厚さは例えば０．３μｍ〜５．０μｍとする。３層合計の厚さは０．８μｍ〜２．０μｍであることが好ましい。
前記ＤＬＣ層は、炭素以外に前記添加成分を含有することで、等価弾性定数が鉄鋼材料と同等以下になるため、繰り返し応力が付与されても、鉄鋼材料で形成された軌道溝或いは転動面から剥離され難くなる。このＤＬＣ層の等価弾性定数は８０ＧＰａ以上２４０ＧＰａ以下にすることが好ましい。８０ＧＰａ未満であると、ＤＬＣ層の表面硬さが低くなって耐摩耗性が低下する。２４０ＧＰａを超えると鉄鋼材料よりも高い等価弾性定数となるため、繰り返し応力の付与によって鉄鋼材料で形成された軌道溝或いは転動面から剥離され易くなる。
【０００９】
ここで、ＤＬＣ膜は、ダイヤモンド構造のＳＰ３結合とグラファイト構造のＳＰ２結合が混在しているアモルファス構造であり、ＳＰ３結合は硬さを付与し、ＳＰ２結合は摺動性（潤滑性）を付与する。そのため、ＳＰ３結合とＳＰ２結合の割合によってＤＬＣ膜の性質は変化する。すなわち、ＳＰ３結合が多いＤＬＣ膜は硬いが摺動性が低くなり、ＳＰ２結合が多いＤＬＣ膜は摺動性は高いが膜強度が低くなる傾向にある。本発明では、炭素以外に前記添加成分を所定範囲で含有するＤＬＣ層を形成することで、ＤＬＣ層のＳＰ３結合とＳＰ２結合のバランスを良好にし、転動装置として好適な摺動性と強度を得ている。
【００１０】
前記ＤＬＣ層は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等のように、水素、アルゴン、または窒素を気体の状態で供給可能な成膜法により形成することができるが、特に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下「ＵＢＭＳ」と略称する。）法により形成することが好ましい。
ＵＢＭＳ法は、非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードを使用することにより、通常のマグネトロンスパッタリング法（バランスドマグネトロンスパッタリング法）と比較して基板（被成膜面）の近傍でのプラズマ密度を高くすることができるため、成膜時の基板温度を低くすることができる。また、基板に負の電力を印加して行うバイアススパッタリングにより、硬いＤＬＣ層が形成できるという利点もある。特に、ＵＢＭＳ法によるバイアススパッタリングは、ターゲット電力とバイアス電圧の制御および気体導入量の制御によって、ＤＬＣ層の組成を制御し易いため、特に好ましい成膜法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の転動装置の実施形態として、図１に示す転がり軸受を作製した。この転がり軸受は、内径３０ｍｍ、外径６２ｍｍの深玉軸受であり、内輪（内方部材）１、外輪（外方部材）２、玉（転動体）３、および保持器４からなる。内輪１、外輪２、および玉３は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼２種）で形成し、内輪１の軌道溝１１を含む外周面１０全体、外輪２の軌道溝２１を含む内周面２０全体、および玉３の表面全体に、下記の方法で薄膜を形成した。保持器４としては、低炭素鋼からなる波形保持器を使用した。
【００１２】
成膜装置としては、（株）神戸製鋼所のＵＢＭＳ装置「５０４」を使用した。ターゲットとしてクロムとカーボン（炭素）をこの装置の所定位置に設置した。先ず、被成膜物である内輪１、外輪２、および玉３を溶剤により洗浄して、油分を除去した後に乾燥させた。
次に、これらを成膜装置のターンテーブルに載置して、被成膜物の表面をスパッタリングによりクリーンにして活性化する処理（ボンバード処理）を行った。このボンバード処理は、ターゲット電力０の状態でチャンバ内の圧力を１０-2Ｐａ程度にし、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被成膜物に負の電力をかけ、１５分間アルゴンプラズマでスパッタリングすることにより行った。
【００１３】
次に、クロムのターゲット電力を「−」にし、被成膜物には、これより大きな負のバイアス電圧（−５０Ｖ〜−１００Ｖ）をかけて、チャンバ内にアルゴンガスを導入してＵＢＭＳを行った。これにより、内輪１の軌道溝１１を含む外周面１０全体、外輪２の軌道溝２１を含む内周面２０全体、および玉３の表面全体に、下地層としてクロム薄膜を厚さ０．２μｍで形成した。
【００１４】
次に、クロムのターゲット電力を徐々に小さくするとともに、カーボンのターゲット電力を徐々に大きくしながら、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被成膜物のバイアス電圧はそのままでＵＢＭＳを行った。
これにより、内輪１の軌道溝１１を含む外周面１０全体、外輪２の軌道溝２１を含む内周面２０全体、および玉３の表面全体の各下地層（クロム薄膜）の上に、中間層として、クロムと炭素とからなり炭素含有率が徐々に大きくなる薄膜を厚さ０．３μｍで形成した。クロムおよびカーボンのターゲット電力の制御は、中間層の膜厚が０．３μｍとなった時点で、クロムのターゲット電力が０になるように行った。
【００１５】
次に、カーボンのターゲット電力を印加し、クロムのターゲット電力を０とした状態で、チャンバ内にアルゴンガスを導入し続けながら成膜した。これにより、内輪１の軌道溝１１を含む外周面１０全体、外輪２の軌道溝２１を含む内周面２０全体、および玉３の表面全体の各中間層（「クロム＋カーボン」薄膜）の上に、アルゴンを含有するＤＬＣ層を厚さ２μｍで形成した。
【００１６】
その結果、図２に示すように、ＳＵＪ２からなる部材５の面（すなわち、内輪１の外周面１０全体、外輪２の内周面２０全体、および玉３の表面全体）に、クロム薄膜からなる下地層６、アルゴンを含有する「クロム＋カーボン」薄膜からなる中間層７、アルゴンを含有するＤＬＣ層８がこの順に形成された。
ここで、ＤＬＣ層８の成膜時のアルゴン供給量を変化させて、ＤＬＣ層８のアルゴン含有率が種々の値となっている内輪１、外輪２、玉３を作製した。そして、ＤＬＣ層８のアルゴン含有率が同じである内輪１、外輪２、玉３を組み合わせて転がり軸受を組み立て、アキシャル荷重：６００Ｎ、回転速度：８０００ｒｐｍ、潤滑剤：スピンドル油（３マイクロリットル塗布）の条件で回転させて、焼き付きが生じるまでの時間を調べた。なお、ＤＬＣ層中のアルゴン含有率の測定は、蛍光Ｘ線分析法により行った。
【００１７】
その結果から得られた、焼き付き時間とＤＬＣ層中のアルゴン含有率との関係を示すグラフを図３に示す。このグラフから分かるように、ＤＬＣ層中のアルゴン含有率が０．０２質量％以上であると焼き付き時間が１２時間以上となり、ＤＬＣ層中のアルゴン含有率が１．０質量％以上であると焼き付き時間が２０時間以上となっている。
【００１８】
アルゴンを含有しないＤＬＣ層では焼き付き時間が３時間程度なので、ＤＬＣ層中のアルゴン含有率を０．０２質量％以上とすることで、アルゴンを含有しないＤＬＣ層の場合の４倍以上の耐焼き付き性が得られる。なお、ＤＬＣ層中のアルゴン含有率が５．０質量％を超えると、ＤＬＣ層をなす炭素の結晶構造が疎になって、耐摩耗性が低下する。
【００１９】
したがって、この実施形態の転がり軸受によれば、ＳＵＪ２で形成された内輪１の軌道溝１１、外輪２の軌道溝２１、および玉３の表面全体に、クロム薄膜からなる下地層６、アルゴンを含有する「クロム＋カーボン」薄膜からなる中間層７、アルゴンを含有するＤＬＣ層８がこの順に形成され、ＤＬＣ層８中のアルゴン含有率を０．０２質量％以上５．０質量％以下とすることにより、潤滑剤を極少量しか使用できない或いは潤滑剤を全く使用できない場合であっても高い耐摩耗性が得られる。
【００２０】
上記実施形態では、最表面に形成するＤＬＣ層に炭素以外の添加成分としてアルゴンを含有させている。以下に、前記添加成分として水素を含有するＤＬＣ層を最表面に形成した場合の、ＤＬＣ層の水素含有率と表面の耐摩耗性との関係について説明する。
この関係を調べるためにボールオンディスク試験を行った。先ず、この試験用の試験片として、ＳＵＪ２製のディスク（円板）状の試験片（直径：６２ｍｍ、厚さ：７ｍｍ、表面粗さ：０．００４Ｒａ）９１を用意した。また、直径８ｍｍのＳＵＪ２製のボール９２を用意した。
【００２１】
図４に示すように、ディスク状の試験片９１には表面にＤＬＣ層を含む３層構造の層９３を形成した。この層９３は、試験片９１側から順に、クロム薄膜からなる下地層、「クロム＋カーボン」薄膜からなる中間層、水素を含有するＤＬＣ層で構成されている。
この層９３の成膜は、下地層および中間層の形成までは上述の成膜方法と同じ方法で行い、水素を含有するＤＬＣ層の形成は、チャンバ内にメタンガスを導入することにより行った。このメタンガスの導入量を変化させることにより、水素含有率が異なるＤＬＣ層を３層構造の層９３の最表面に有する各試験片９１を得た。
【００２２】
得られた各試験片９１を用い、滑り速度：２．５ｍ／ｓ、面圧：２．５ＧＰａ、潤滑：無潤滑の条件でボールオンディスク試験を行い、ロードセルを用いて摺動抵抗値（摩擦係数）を測定した。なお、ＤＬＣ層中の水素含有率の測定は、グロー放電発光分析法により行った。
その結果から得られた、摩擦係数とＤＬＣ層中の水素含有率との関係を示すグラフを図５に示す。このグラフから分かるように、ＤＬＣ層中の水素含有率が０．１質量％以上であると摩擦係数が０．１５以下となっている。水素を含有しないＤＬＣ層では摩擦係数が０．３０であるため、ＤＬＣ層中の水素含有率を０．１質量％以上とすることで、摩擦係数を水素を含有しないＤＬＣ層の場合の１／２以下にすることができる。すなわち、水素を０．１質量％以上含有するＤＬＣ層を最表面に形成することで、水素を含有しないＤＬＣ層が最表面に形成されている場合よりも良好な耐摩耗性が得られる。
【００２３】
なお、本発明は、転がり軸受以外の転動装置（例えば、ボールねじやリニアガイド）にも適用できる。ボールねじでは、ねじ軸が内方部材であり、ナットが外方部材である。リニアガイドでは、案内レールおよびスライダの一方が内方部材であって、他方が外方部材である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軌道溝の軌道面および／または転動体の転動面にＤＬＣ層が形成されている転動装置において、高い接触応力が付与されてもＤＬＣ層が剥離することなく、高い耐摩耗性が得られるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転動装置の一実施形態に相当する転がり軸受を示す断面図である。
【図２】本発明で形成する層構成を示す断面図である。
【図３】実施形態の試験結果から得られた、焼き付き時間とＤＬＣ層中のアルゴン含有率との関係を示すグラフである。
【図４】ボールオンディスク試験の試験片を示す図である。
【図５】実施形態の試験結果から得られた、摩擦係数とＤＬＣ層中の水素含有率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  内輪
１１  内輪の軌道溝
１０  内輪の外周面
２  外輪
２１  外輪の軌道溝
２０  外輪の内周面
３  玉（転動体）
４  保持器
５  ＳＵＪ２からなる部材
６  下地層
７  中間層
８  ＤＬＣ層
９１  ディスク状試験片
９２  ボール
９３  表面にＤＬＣ層を含む３層構造の層
【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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