(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受を構成する部品の摩擦面に、分子式ＭｏＳx （式中、ｘは２．０〜２．７である。）で示される硫化モリブデン被膜をスパッタリングによって形成する際に、二硫化モリブデン粉末を圧縮成形した圧粉体からなるターゲットを用いることを特徴とする転がり軸受用部品の固体潤滑被膜の形成方法。
【請求項２】
圧縮成形が、常温での圧縮成形である請求項１に記載の転がり軸受用部品の固体潤滑被膜の形成方法。
【請求項３】
転がり軸受を構成する部品の摩擦面に、分子式ＭｏＳx （式中、ｘは２．０〜２．７である。）で示される硫化モリブデン被膜をスパッタリングによって形成する際に、二硫化モリブデン粉末を圧縮成形した圧粉体からなるターゲットを、被膜を形成する部品の下方に配置することを特徴とする転がり軸受用部品の固体潤滑被膜の形成方法。
【請求項４】
圧縮成形が、常温での圧縮成形である請求項３に記載の転がり軸受用部品の固体潤滑被膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は固体潤滑転がり軸受および転がり軸受用部品の固体潤滑被膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体潤滑転がり軸受は、宇宙空間のような真空で使用する機器に、または半導体製造設備やターボ分子ポンプなどの清浄な雰囲気で使用される機器に適用されるものであり、それを構成する部品（内・外輪、転動体およびその保持器を含む）の摩擦面には、二硫化モリブデンなどの固体潤滑膜が形成され、その形成方法としてスパッタリングが知られている。
【０００３】
スパッタリングによる二硫化モリブデン膜の形成方法は、例えば特開平６−２７２７１５号公報に記載されているように、ホットプレスによって成形したＭｏＳ2 バルク材（塊材）をスパッタリング装置の上部に配置した上部電極に取り付け、この電極に対向する下部電極に被処理物を取り付け、放電ガス雰囲気中で両電極間に高周波電流を印加して行なわれる。
【０００４】
このようなスパッタリング（以下、スパッタダウンという。）によると、通常、二硫化モリブデン被膜は被処理物に緻密で丘状に形成され、被膜を構成する二硫化モリブデンの硫黄とモリブデンの組成比（分子中の原子数の比）Ｓ／Ｍｏが１．７以上２．０未満になる。
【０００５】
なお、特開平６−２７２７１５号公報に記載されている技術では、二硫化モリブデン分子中の硫黄とモリブデンの組成比（Ｓ／Ｍｏ）が１．７以上２．０未満であり、Ｓ／Ｍｏ組成比を２．０またはそれ以上にすることは困難であった。
【０００６】
このようなスパッタダウンによる二硫化モリブデン被膜を形成した転がり軸受は、その保持器を四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などの潤滑性の良いフッ素系樹脂で形成することが好ましい。転がり軸受は、使用状態の初期に摩擦面が二硫化モリブデン被膜によって潤滑され、その後は、保持器から内・外輪や転動体に転移したＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂で潤滑される。
【０００７】
したがって、前記二硫化モリブデン被膜の所要の摩耗寿命としては、使用状態の初期からフッ素樹脂の転移膜が形成される時間を満足すれば足りると考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、真空中では硫黄が不安定で減少する傾向があり、より過酷な使用条件では、保持器からフッ素樹脂転移膜が形成される以前に、二硫化モリブデン被膜が摩耗寿命に達する場合が想定される。
【０００９】
すなわち、将来の使用条件の多様化に対応する固体潤滑転がり軸受とするためには、より確実にこの種の軸受の機能信頼性を高める必要があった。
【００１０】
そこで、本願の発明の第１の課題は、上記した問題点を解決して、固体潤滑転がり軸受の潤滑特性を改善し、固体潤滑転がり軸受の硫化モリブデン被膜の耐摩耗性を改善することである。
【００１１】
また、本願の発明の第２の課題は、特に、保持器がフッ素系樹脂またはこれを含む合成樹脂からなる固体潤滑転がり軸受において、その硫化モリブデン被膜の耐摩耗性を改善することである。
【００１２】
また、本願の発明の第３の課題は、転がり軸受用部品の硫化モリブデン被膜をスパッタリングにより形成する際に、より耐摩耗性に優れた硫化モリブデン被膜を形成する方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の第１の課題を解決するため、本願の発明では、転がり軸受を構成する部品の摩擦面に、分子式ＭｏＳx （式中、ｘは２．０〜２．７である。）で示される硫化モリブデン被膜を形成した固体潤滑転がり軸受としたのである。
【００１４】
また、前記の第２の課題を解決するため、上記固体潤滑転がり軸受において、硫化モリブデン被膜を形成する部品が、内・外輪および転動体から選ばれる一種以上の部品であり、保持器はフッ素系樹脂またはこれを含む合成樹脂で形成した構成を採用したのである。
【００１５】
または、前記した第３の課題を解決するため、転がり軸受を構成する部品の摩擦面に、分子式ＭｏＳx （式中、ｘは２．０〜２．７である。）で示される硫化モリブデン被膜をスパッタリングにより形成する際に、二硫化モリブデン粉末の圧粉体からなるターゲットを用いたのである。または、二硫化モリブデン粉末の圧粉体からなるターゲットを、被膜を形成する部品の下方に配置したのである。
【００１６】
この発明の固体潤滑転がり軸受は、所定の式で示される硫黄成分を豊富に含んだ組成比の硫化モリブデン被膜が、真空中での硫黄の減少を補って耐久性に優れた潤滑性を発揮する。
【００１７】
したがって、保持器がフッ素系樹脂またはこれを含む合成樹脂からなる固体潤滑転がり軸受では、運転初期のトルクが低く安定し、保持器からのフッ素系樹脂の転移潤滑に移行するまでの潤滑は安定し、動作の信頼性が格段に向上する。このような固体潤滑転がり軸受は、今後の使用条件の多様化によって種々の条件で使用されても短寿命にならない。
【００１８】
また、転がり軸受用部品の固体潤滑被膜の形成方法の発明では、圧粉体からなるターゲットが多孔質で表面積が大きく、これを効率よく冷却できるので、理想的な温度（常温）に容易に制御でき、スパッタリング中の表面劣化を小さくすることができる。圧粉体は従来の焼結品に比べて固形化の程度が低いものであるから、スパッタ処理によって劣化した面を処理毎に除去できるので、常に新生面での処理が可能となるため、安定した品質の硫化モリブデン皮膜ができる。
【００１９】
そして、作用機序は明らかではないが、後述の試験結果からみると、二硫化モリブデン粉末の圧粉体からなるターゲットを、被膜を形成する部品の下方に配置することにより、Ｓ／Ｍｏの組成比が２．０〜２．７の耐久性の良い被膜を転がり軸受構成部品の表面に確実に形成される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本願の発明に採用する硫化モリブデン被膜は、分子式ＭｏＳx （式中、ｘは２．０〜２．７である。）で示され、二硫化モリブデン分子の硫黄とモリブデンの組成比Ｓ／Ｍｏが２．０以上２．７以下の被膜であり、好ましくは同組成比が２．０を越え２．７以下である。
【００２１】
組成比Ｓ／Ｍｏが、２．０未満ではこの発明の目的を達成するための優れた耐久性の皮膜が形成されず、また組成比Ｓ／Ｍｏが２．７を越えるものでも同様に耐久性が低下して好ましくない。
【００２２】
本願の発明に用いる転がり軸受を構成する部品は、主として内・外輪、転動体および保持器からなるが、保持器を形成する材料は、フッ素系樹脂またはこれを含む合成樹脂とし、スパッタリングをしないことが好ましい。また、内・外輪、転動体および保持器は、軸受鋼、ステンレス鋼またはセラミックスなどの周知の材料を選択的に採用できる。
【００２３】
保持器の形成材料に用いるフッ素系樹脂は、フッ素を含有する樹脂であれば、特に限定されるものではなく、例えばＰＴＦＥのほか、クロロトリフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン樹脂、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロフルオロエチレン共重合体などである。
【００２４】
フッ素系樹脂を含む合成樹脂は、上記したフッ素系樹脂を混合した混合樹脂またはフッ素系樹脂を表面に被覆または積層した複合体（複合材料）であり、その場合の合成樹脂は特に限定されるものではなく、熱硬化性または熱可塑性のいずれの樹脂であってもよい。すなわち、前記合成樹脂の具体例としては、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、メラミンフェノール共縮合樹脂、キシレン変性フェノール樹脂、ユリアグアナミン共縮合樹脂、アミノ樹脂、アセトグアナミン樹脂、メラミングアナミン樹脂、ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、キシレン樹脂、エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリアミド、メタクリル樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネイト、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、アイオノマー樹脂、ポリフェニレンオキサイド、メチルペンテンポリマー、ポリアリルスルホン、ポリアリルエーテル、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、全芳香族ポリエステルなどを例示できる。
【００２５】
本願の発明において硫化モリブデン被膜をスパッタリングにより形成する際に用いるスパッタリング装置は、高周波スパッタリング、または高周波マグネトロンスパッタリングのいずれであってもよい。
【００２６】
図１に示すように、高周波スパッタリング装置は、二硫化モリブデン粉末の圧粉体からなるターゲット１を、被膜を形成する部品２の下方に配置し、ターゲット１を上面に取り付けた下部電極３と、被膜を形成する部品２を下面に取り付けた上部電極４に高周波電源５を接続し、両電極３、４内にはそれぞれ冷却水を流通させる流路６、７を設けたものである。なお、この高周波スパッタリング装置は、図外の油拡散ポンプおよびターボ分子ポンプを備えた真空排気装置およびスパッタガス注入装置付きの真空容器８に収容し、さらに上・下部電極３、４間には絶縁性シャッタ９を付設し、これを適宜に開閉した。また、図中の符号１０はシールド板を示している。
【００２７】
【実施例】
図１に示した高周波スパッタリング装置を用い、上部電極４に転がり軸受の内輪、外輪および転動体から選ばれる部品２および試験片（ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ｃ製で直径４０ｍｍ、厚さ７ｍｍのディスク、ＨR Ｃ５６以上）を装着し、これに対抗する下部電極３の上面には、二硫化モリブデンの粉体（平均粒径３．２μm ）を常温（１５〜２５℃）かつ低圧（１０ｋｇｆ／ｃｍ2 ）で圧粉体からなるターゲット１を一体に圧縮成形した。
【００２８】
真空容器８内は、予め図外のターボ分子ポンプと油拡散ポンプによって１０-4Ｐａに真空排気し、純度９９．９９９％のアルゴンガスを導入後、２．７Ｐａまで昇圧し、上部電極４に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し、シャッタ９を閉じた状態でイオンボンバードによるクリーニングを１０分間実施した。
【００２９】
次に、下部電極３に前記した同じ周波数の高周波電力を印加し、シャッタ９を開けて４０分間スパッタリングを行なって約１μｍの厚さの被膜（ターゲット対抗面）を形成した。これらの処理を行う際には、両電極内の流路６、７に２０℃の冷却水を流通させた。
【００３０】
なお、スパッタリング処理時には、所定数の試験片グループ毎に電力（密度）を変えて印加し、被膜の組成比（Ｓ／Ｍｏ）を変えて成膜させた。
【００３１】
得られた部品および試験片は、走査型電子顕微鏡に付属している波長分散型Ｘ線分光器（ＥＰＭＡ）を使用し、測定されたグラフの面積比から被膜の組成比（Ｓ／Ｍｏ比）を求めた。このようにして実施例１（Ｓ／Ｍｏ組成比２．０、以下の実施例番号に続く括弧内についても同じ）、実施例２（２．２７）、実施例３（２．４３）、実施例４（２．５２）、実施例５（２．５６）、比較例１（１．７２）、比較例２（２．７２）、比較例３（２．７７）を得た。
【００３２】
なお、参考のため、図４にＭｏＳ2.67およびＭｏＳ1.75の波長分散型のＥＰＭＡ分析の結果をそれぞれ実線または破線で示した。
【００３３】
これらの実施例１〜５および比較例１〜３のディスク型試験片については、耐久試験として、ボールオンディスク試験機にて寿命（ｒｅｖ）を測定し、これらの結果は図２に示した。
ボールオンディスク試験機は、５／１６インチのステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）製ボールに９．８Ｎの垂直荷重を負荷し、窒素雰囲気中で周速２ｍ／秒の速度で滑り摩擦を与え、摩擦係数が０．２に達した時の総回転数（ｒｅｖ）を被膜寿命とした。
【００３４】
図２の結果からは、組成比（Ｓ／Ｍｏ）が２．０以上２．７以下の被膜が、同組成比２．０未満（比較例１）、同組成比２．７を越えるもの（比較例２、３）に比べて、被膜寿命の平均が格段に優れていることがわかる。
【００３５】
また、実施例５と比較例１の内輪、外輪および転動体の試験片（別途用意したもの）については、成膜（０．２μｍ）の初期潤滑特性を調べるためにステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製爪曲げ保持器を用いて軸受（転がり軸受６０８相当）を製造し、これを１０-7Ｔｏｒｒの真空雰囲気で面圧（ＧＰａ）が０．６３、０．９または１．０７の条件で２５００ｒｐｍの速度で回転させ、軸受試験機の摩擦トルクが１０-2Ｎ・ｍに達した時（寿命時の総回転数）を調べた。これらの結果は図３に示した。
【００３６】
図３の結果からも明らかなように、実施例５（２．５６）の転がり軸受は、比較例１（１．７２）の転がり軸受の１０倍の寿命を示した。
【００３７】
また、前記した実施例と全く同様の条件でスパッタリング（スパッタアップ）を行なって成膜したディスク型試験片の硫化モリブデン被膜のＭｏＳ2.0 のボールオンディスク試験機における寿命（ｒｅｖ）と、図１中の上部電極４と下部電極３の配置を入れ換えてスパッタリング（スパッタダウン）を行なって成膜したディスク型試験片の硫化モリブデン被膜のＭｏＳ1.95のボールオンディスク試験機における寿命（ｒｅｖ）を調べ、この結果を表１中に示した。
【００３８】
【表１】
0003856499.tif 000002
【００３９】
表１の結果からも明らかなように、同じＳ／Ｍｏ比の硫化モリブデン被膜であっても、スパッタアップ方式で形成された被膜の方が、はるかに長寿命であることがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
本願の発明の固体潤滑転がり軸受は、以上説明したように、転がり軸受を構成する部品の摩擦面に、所定の分子式で示される硫化モリブデン被膜を形成したので、固体潤滑転がり軸受の硫化モリブデン被膜の耐摩耗性が顕著に改善されるという利点がある。
【００４１】
また、本願の発明の保持器がフッ素系樹脂またはこれを含む合成樹脂からなる固体潤滑転がり軸受においても、その硫化モリブデン被膜の耐摩耗性を改善され、軸受としての寿命の信頼性が充分に改善される。
【００４２】
また、硫化モリブデン被膜を所定のスパッタリングにより形成する本願の発明の方法では、より耐摩耗性に優れた硫化モリブデン被膜を形成する方法を提供できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】スパッタリング装置の一例を示す模式図
【図２】実施例および比較例の被膜のＳ／Ｍｏ組成比に対する寿命の関係を示す図表
【図３】実施例および比較例の転がり軸受の面圧と寿命の関係を示す図表
【図４】ＭｏＳ2.67およびＭｏＳ1.75の波長分散型のＥＰＭＡ分析結果を示す図表
【符号の説明】
１  ターゲット
２  被膜を形成する部品
３  下部電極
４  上部電極
５  高周波電源
６、７  流路
８  真空容器
９  シャッタ
１０  シールド板
【図１】
0003856499.tif 000003
【図２】
0003856499.tif 000004
【図３】
0003856499.tif 000005
【図４】
0003856499.tif 000006