(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ中に置いたベアリング転動体を回転させながら、前記ベアリング
転動体に負の電圧パルスを印加するプラズマイオン注入法を用いることを特徴とする、ベアリング転動体をコーティングする方法。
【請求項２】
前記ベアリング転動体に負の電圧パルスとともに高周波電力を印加することを特徴とする、請求項１に記載のベアリング転動体をコーティングする方法。
【請求項３】
ベアリング転動体が鋼球で、その鋼球を炭素でコーティングする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
真空排気装置を備えたチャンバと、該チャンバ内にガスを導入するガス導入装置と、チャンバ内の所定位置に配置され、ベアリング転動体を転動自在に保持する保持具と、前記保持具を通してベアリング転動体に高電圧パルスを印加する高電圧パルス発生装置と、ベアリング転動体の周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生装置とを備えることを特徴とする、ベアリング転動体をコーティングするための装置。
【請求項５】
さらに、前記保持具を通してベアリング転動体に高周波電力を印加する高
周波電力発生装置を備えることを特徴とする、請求項４に記載のベアリング転動体をコーティングするための装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品、ベアリング、及びコーティング技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空中や潤滑油が使用できない環境下で使用される軸受けとしてのベアリングには、かじりを防止するため２硫化モリブデン等の固体潤滑剤を用いたり、ベアリング球の素材を従来の鋼からセラミックに変更したりするなどして対応されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の潤滑油を使用しないベアリングには、寿命、保守、信頼性、価格に問題があった。固体潤滑剤をコーティングする方法は、使用初期には目的を達するが、固体潤滑剤として用いられている２硫化モリブデンは非常に柔らかい物質であるから簡単に摩耗によって消耗してしまい短寿命となる。また、再利用するため再コーティングするにもベアリングを分解する必要があるなどにより、ベアリングの保守は、ベアリングの交換以外ではほとんど不可能である。最近開発されたセラミックベアリングは、かじりがなく潤滑剤を必要としない優れたものであるが、セラミック材料の欠点である低靱性のため破損による信頼性の低下が問題となる。また、セラミックベアリング球の製造には非常に精密かつ高度な技術が要求されるため低価格化は困難である。
【０００４】
そこで鋼球の表面のみセラミック化、つまりコーティングして強度と無潤滑特性を両立させる試みがなされて来たが、鋼球の表面に優れた密着性をもったコーティングを施す技術がなかったため十分な性能が得られていない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の項１〜項５のベアリング転動体のコーティング方法、その装置、およびその方法により製造されたベアリングに関する。
項１．  プラズマ中に置いたベアリング転動体に負の電圧パルスを印加するプラズマイオン注入法を用いることを特徴とする、ベアリング転動体をコーティングする方法。
項２．  ベアリング転動体が鋼球で、その鋼球を炭素でコーティングする項１に記載の方法。
項３．  真空排気装置を備えたチャンバと、該チャンバ内にガスを導入するガス導入装置と、チャンバ内の所定位置に配置され、ベアリング転動体を転動自在に保持する保持具と、前記保持具を通してベアリング転動体に高電圧パルスを印加する高電圧パルス発生装置と、ベアリング転動体の周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生装置とを備えることを特徴とする、ベアリング転動体をコーティングするための装置。
項４．  炭素の傾斜組成層及び炭素コーティングを備えたベアリング転動体。
項５．  項２に記載の方法を用いてコーティングしたベアリング球。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下図面に示す実施態様を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
図１に、本発明による装置の例を示す。図１においては、炭素を含むプラズマ中においたベアリング球保持具の上に鋼球を置き、保持具をゆする、あるいは回転させるなどして動かすことによって鋼球をころがして回転させる。保持具に負の0.1〜100kVの高電圧パルスを印加すると、プラズマ中のイオンが鋼球表面に注入される。保持具の接している付近では鋼球表面に注入されないが、鋼球の回転によって均一に注入される。印加高電圧パルスの電圧を必要に応じて次第に低下させ、0〜20kVにすると、注入から成膜に移行し、硬質炭素コーティングが行われる。0.1〜20kVの範囲では、成膜及び注入が起こり、この時成膜が主に起こる。コーティングと基材（鋼球）との界面には、イオン注入によるミキシング層と呼ばれる傾斜組成層が形成され、非常に強固な密着性が得られる。
【０００７】
イオン注入またはコーティングを行なう前に、膜の密着性に悪影響を与える物質による鋼球表面の汚染を取り除くため、アルゴン等の不活性ガスを含むプラズマ中で鋼球をころがして回転させながら、電圧0.1〜20 kV、実施例では10 kV、パルス幅1μsec〜10msec、実施例では5μsec、繰り返し数0.1〜10000 pps、実施例では1000ppsの高電圧パルスを保持具に印加することにより、誘引衝突によるクリーニング（スパッタクリーニング）を行っても良い。
【０００８】
鋼球の表面に均一に注入及びコーティングするための保持具の機構は、図１の他に、真空蒸着で使用されている従来の方法が使用できる。
【０００９】
プラズマの発生方法は、高周波（RF）放電、アーク放電等様々な方法が応用でき、ガス又は固体原料が使用できる。
【００１０】
たとえば、メタン、アセチレン、トルエン等の炭化水素系ガスなどのガス原料の場合、特開2001-26887に記述されている高周波電力と高電圧パルスを同時に供給する技術が応用できる。この時、高周波電力の出力周波数の概念的な数値は数十kHz〜数GHzであり、出力電力は数百W〜数kW（可変）、パルス幅は数μsec〜数msec（可変）、繰り返し数は0.1〜5000 pps（可変）である。また、高電圧パルスの概念的な数値は100 V〜100 kVであり、パルス幅は1μsec〜10 msecである。
【００１１】
固体原料が、鉄、ニッケル、クロムなどの場合、特許2857743号に記述されている真空アークプラズマ源を利用することができる。
【００１２】
本発明におけるベアリング転動体の材料は、鋼に限定されず、金属、半導体のような導電体、セラミック、高分子フィルム材料、繊維等の誘電率を持つものなどからなるものである。
【００１３】
本発明におけるベアリング転動体は、任意の大きさを有する。ベアリング転動体の形状の例として、球状、円筒形、針状、円錐台形、たる形などが挙げられる。
【００１４】
ベアリング転動体上に形成されるミキシング層の厚みは、1〜数百 nmで、厚いほうが好ましい。しかし、この厚さの上限は保持具に印加できるパルス電圧の最大値と注入元素、および転動体の材質によって決まり、メタンプラズマ中で、100kVのパルス電圧を加えて鉄球に注入を行う場合、120 nm程度となる。また、その上のコーティング層の厚みは、数10 nm〜数十μmで、好ましくは1〜10μmである。
【００１５】
ベアリング転動体の保持具は、ゆすられたり、回転したりするので、ベアリング転動体が落ちないように、周囲が盛り上がったような形状をしている。また、保持具の材質としては、導電性のものであれば良く、ステンレス等の金属板あるいは転動体が落下しない程度の隙間をもつ金属メッシュなどが挙げられる。
【００１６】
本発明のベアリング転動体をコーティングするための装置（図１）は、一般的なプラズマイオン注入にも適用できる。
【００１７】
本発明は、ベアリング転動体以外の機械部品、例えば、車の金属ベルト、航空用部品や、車のチェーン、摩擦を受けるもの全てに使うことができる。また、本発明によりコーティングされたものに、さらに潤滑油などを用いることで、耐久性をさらに上げることもできる。
【００１８】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。
【００１９】
実施例１
実施例１において、特開2001-26887に記述されている高周波電力と高電圧パルスを同時に供給する技術を応用した、図２に示された装置を用いた。
【００２０】
図２に示す装置において、真空排気後、ステンレス球をのせた保持具を回転させながら、真空度0.5 Paまでメタンガスとアルゴンガスの混合ガス（混合比１：１）を導入し、13.56MHzの高周波電力をパルス状（幅50μsec、繰り返し数1 kpps）に印加するとともに、各パルスの100 μsec後に電圧10 kV、パルス幅5 μsecの高電圧パルスをフィードスルー（高電圧導入部）を通して、保持具に印加することにより、30分かけて表面のクリーニングを行う。
【００２１】
次に、保持具を回転させながら、真空度1.5 Paまでメタンガスを導入し、13.56MHzの高周波電力をパルス状（幅50μsec、1 kpps）に印加するとともに、各パルスの100 μsec後に電圧10 kV、パルス幅10 μsecの高電圧パルスを、フィードスルーを通して、保持具に印加する。その後、5時間保持して、硬質炭素コーティングを行った。この結果、膜厚0.4 μmの硬質炭素がステンレス球の全面の表面に均一に形成された。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマイオン注入法を応用して、ベアリング用などの鋼球に高い密着性及び耐久性を持った硬質コーティングを行うことができる。
【００２３】
上記のようにコーティングした鋼球を用いて潤滑剤を必要としないベアリングを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、ベアリング転動体コーティング装置を示す。
【図２】  図２は、実施例１で使用したベアリング球コーティング装置を示す。
【図１】
0003834617.tif 000002
【図２】
0003834617.tif 000003