特集

転がり軸受部品用 DLC 膜及び量産技術
Diamond-like Carbon Film for Bearing Parts and Its Mass Production
Technology田中＊祥和

Yoshikazu Tanaka

三宅浩二

斉藤Koji Miyake

淳志

Atsushi Saito

自動車市場は環境に配慮した製品創出の取り組みが活発化している。その取り組みに伴い自動車を構成する部品は過酷な環境下で機能を維持しなければならず、今まで以上に耐久性を必要とする課題が生じている。当社は軸受部品の課題を解決するための DLC 膜を検討し、軸受部品に必要な転がり疲労耐性に優れた DLC 膜を開発した。更に量産性とコストを両立するための生産技術課題に取り組み、軸受部品への DLC 膜コーティング量産を開始することができた。

Active efforts have been made to create environmentally friendly products in the automobile market. Under thiscircumstance, parts that make up an automobile need to maintain their functions in harsh environments, requiring evenhigher durability than ever before. To meet this challenge, we have studied a diamond-like carbon (DLC) film and developed
a coating film that has an excellent rolling fatigue resistance for bearing parts. We also started the mass production of theDLC film coating for bearing parts by overcoming production technology challenges, and achieved both mass productivity
and cost efficiency.
キーワード：DLC、軸受部品、コンプレッサ、CO2冷媒

1.

緒

言

昨今、自動車市場は、地球温暖化防止や化石燃料枯渇懸念に対するエネルギー対策に対して、電気自動車、ハイブＤＬＣ
ダイヤモンド （Diamond-Like
グラファイトCarbon）
sp3＋sp2

sp3

リッド自動車、燃料電池車の開発が活発になっている。こsp2

れらの電動化車両では、モータやギア、軸受部品などの構成部品に対して、従来のエンジン部品とは異なる摺動に対する要求が予想される。当社はそれら構成部品の中から軸受部品に着目した。軸受部品は自動車の動力方式を問わず数多く用いられており、効率化や省エネを目的として、低フリクション化が求められる。また小型軽量化やオイルの図1

ダイヤモンドとDLC 膜とグラファイトの構造比較

低粘度化に伴い、耐久性の一層の向上が求められる。
当社は軸受部品の中で転がり軸受部品に求められる耐久sp3性向上について、被膜によって解決することを目指した。

Diamond2.

ダイヤモンド的性質
・透明・硬い・絶縁性

DLC 膜の概要

DLC 膜は、Diamond-Like Carbon（ダイヤモンド・ライク・カーボン）の略称で、炭素を主成分とするアモルファス構造（非晶質構造）薄膜の総称である。微視的にみると
ダイヤモンド（sp3結合）とグラファイト（sp2結合）両方が混在している（図1）。

グラファイト的性質
・黒色・軟らかい・導電性

この sp3と sp2の比率や、結晶構造に組み込まれる水素の比率、あるいは他の金属元素の有無や比率によって、様々な物性（材料としての特徴）を持つ薄膜が形成される。それらの比率を基にした DLC 膜の概念図として、C. Ferrari（1）。と J. Robertson が提唱した3元相図がある（図2）140

転がり軸受部品用DLC膜及び量産技術

ポリマー的性質・半透明・軟らかい・滑らかNo FilmsGraphitesp2
図2

DLC 膜の概念図

H水素を含まない DLC 膜の領域には、sp3と sp2の比率でテ因の一つとして、潤滑油が分解されて生成される水素が素トラヘドラルアモルファスカーボン（ta-C）とアモルファ材へ侵入して生じる表層組織の脆弱化がある。これに対しスカーボン（a-C）があり、一般的に水素フリー DLC と呼ば素材表面に DLC を用いることで水素の侵入を防止できるこれる。現状では、より高硬度を求めるケースが多いため、（2）（、3）。当社はこの効果に着目とが報告されている（写真1）

ta-C が主流となっている。ta-C の領域の DLC 膜は、高硬した。但し、この効果を発揮させるためには DLC 膜自体の度で耐熱性が高い傾向にあるほか、油中での摩擦係数低減

転がり疲労に対する耐剥離性を向上させる必要があった。

効果に優れるという特長があり、自動車のエンジンオイル中での表面処理技術としては最も優れた効果を得られるとして高く評価されている。水素を含有する DLC 膜の領域では、水素化テトラヘドラルアモルファスカーボン（ta-C:H）
および水素化アモルファスカーボン（a-C:H）がある。水素を含む DLC 膜は無潤滑環境下での摩擦係数低減効果が高いという特長がある。これらのことからコーティング対象に求められる機能に対して、最適な DLC 膜の構造を設計、選定することが重要となる。
写真13.

白色組織変化による金属表層組織脆弱化の様子

DLC 膜の製法

DLC 膜の一般的な製法を表1にまとめる。

5.

軸受部品に必要な DLC 膜の検討

軸受部品に求められる DLC 膜の性能としては、表面平表1

滑で相手攻撃性が低く、低フリクションであり、上述した

各種 DLC 膜の製法と原料転がり疲労に対する耐剥離性が高いものが望ましい。当社

膜種製法

原料a-C:H

プラズマCVD法、イオン化蒸着法
プラズマイオン注入法

炭化水素ガスta-C, a-C

アークイオンプレーティング法
レーザーアブレーション法

固体黒鉛

撃性が低く平滑な DLC 膜として従来の CVD 方式の DLC 膜

a-C, a-C:H

スパッタリング法
UBMスパッタリング法

固体黒鉛炭化水素ガス（HT）を試したが、基材との密着層となる金属下地層とのはベアリングを模擬した図に示す試験機を用い、DLC の転がり疲労に対する耐剥離性を評価した（図3）。まず相手攻密着性が低く、耐剥離性は満足できるものではなかった。
続いて PVD ※2方式の DLC 膜（HA）を試した結果、耐剥離性は CVD 膜よりも向上したが、ボールオンディスク試験

DLC 膜の原料にメタンやアセチレンなどの炭化水素ガス（ディスク：DLC コート、ボール：SUJ2球）による相手材を使用する場合、DLC 膜は水素を含有する a-C:H となり、（ボール）の摩耗量比較では、膜硬度が硬いことが影響して製法としては、プラズマ CVD ※1法やイオン化蒸着法、プラ相手材の損傷が増大した。

ズマイオン注入法がある。続いて、原料に固体黒鉛を使用した製法には、アークイオンプレーティング法やレーザー荷重アブレーション法があり、DLC 膜では ta-C や a-C が形成される。最後に、スパッタリング法や UBM スパッタリング法では、原料に固体黒鉛のみ使用した場合は、DLC 膜として a-C が形成される。また原料に固体黒鉛と炭化水素ガスを併用した場合は、プラズマ CVD 法が混在する状況とな

ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ球（回転）

潤滑油り、DLC 膜としては a-C:H が形成される。このように製法や原料によって様々な DLC 膜が形成され、DLC 膜の物性も大きく変化する。

4.

軸受部品に対する DLC 膜の役割

一般的に転がり軸受部品（ベアリング）で発生し得る損傷には、フレーキング、ピーリング、焼付き、欠けなどがある。その中のフレーキングやピーリングを引き起こす原試験片
図3

スラスト試験機概要

2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号

141当社は双方の特長を活かすことで転がり耐性の高い DLC

ンプレッサは地球温暖化係数（GWP）が極めて低い CO2膜ができないか検討を重ねた。CVD 方式のスパッタでは下を冷媒に使用したものである（4）。この CO2冷媒は、HFC 冷地層から中間層形成時のイオン化率が低くなってしまうた媒と比べて「圧力・温度」が「高圧・高温」側にシフトすめ密着性は低い。そこで下地層から中間層形成時のスパッるため、コンプレッサにかかる負荷が高くなる。中でもベタのイオン化率を高める独自の工夫を加えることで基材とアリングは潤滑環境がより顕著に厳しくなっており、貧潤の密着性を高めることができた。これにより、相手攻撃性滑環境下での摺動性に優れる DLC 膜が採用された。ベアリが低い CVD-DLC の特長を活かしながら、ベアリングに要ングのコロに対して HS 膜をベースに検討を開始し、その膜求される高い疲労耐性を実現することが可能な DLC 膜（ジ厚や膜質、表面状態を最適化することによって、コロに必

ニアスコート HS：以下、HS 膜）を開発した（図4、5）。

要な高い耐剥離性が実現可能な DLC 膜を開発することができた（図6、写真2）。2017年からコロへの DLC 膜の量産を開始した。

ジニアス
コートHS

ジニアス
コートHA

ジニアス
コートHT

22.5万回
疲労試験

剥離なし

剥離なし

一部剥離

126万回
疲労試験

剥離なし

全周剥離

全周剥離

DLC付ベアリングを採用
図6 コンプレッサ外観とDLC 膜適用部位

100μm

図4各 DLC の転がり疲労耐性評価結果

ボール摩耗面積（μm2）

6.0E+05
5.0E+05
4.0E+05
3.0E+05

1.0mm

2.0E+05

写真2 コロ外観

1.0E+05
0.0E+00
HA

図5HTHS

ボールオンディスク試験機による各 DLC の相手攻撃性

7.

コロ DLC 膜の量産に向けた課題と解決策

コロに DLC 膜の量産を行う上で以下の課題があった。
これらの課題を解決するため、対策と改善を行い量産に繋げた。

6.

軸受部品への DLC 膜の展開

7－1

DLC コーティング大量処理

サイズが小さく数量のあるコロを一度により多くコー軸受部品への製品展開として、㈱豊田自動織機のコンプティングする必要があった。コーティングに用いる治具のレッサ部品への DLC 膜の検討を進めた。エアコンシステム

形状やその治具内のコロの配置などを最適化することにを作動させるには冷媒が必要であり、HFC（ハイドロフル

よって、DLC 膜の均一性を確保し、大量処理を可能にしたオロカーボン）などが使用されている。今回取り組んだコ（図7、8）。

142

転がり軸受部品用DLC膜及び量産技術

7－3

疲労耐性に対する品質（密着性）の確認

被膜の評価方法としてロックウェルの圧痕周辺の剥離状態で判定する方法がある。しかし、この方法ではコロに求められる転がり疲労耐性に対する密着性を評価するには不十分であることがわかった。実際のベアリングの摺動環境を再現した評価方法が適していると考え、コーティング後のコロを幾つかベアリングに組み付け摺動させる単体加速試験を検討した（図10）。その結果、コロベアリングの実機評価と密着性の相関が確認でき、転がり疲労耐性に対する密着性の評価方法を確立することができた。
図7

成膜治具内の膜厚分布
荷重

潤滑油（滴下）コロDLC（回転）

相手材
SUJ2

図10

単体試験機概要

図8 コロ単体内の膜厚分布（N＝3個で実施）

7－4

自動外観検査の実現

小さく数量のあるコロの全周を目視で外観検査すること
7－2

コロの表面状態の改善（ドロップレットの除去）

は、工数がかかる上に作業者に対する負担も大きく、品質にHS 膜のコーティング時にドロップレットと呼ばれる細か対するバラツキが出る恐れがあることから、コロ DLC 量産い突起が生じる。ドロップレットを有したコロをベアリン実現の鍵として、自動検査機を検討した。コロは円周側面のグに組み上げて摺動させるとドロップレットが崩れ、崩れ転動面と両端面を検査する必要があるため、カメラや照明たドロップレットがコロ自身や相手材となる部品を損傷させてしまう問題があった。HS 膜表面のドロップレットを除去する方法として、バレル研磨を検討し、コロの表面状態を平滑にする条件を確立することができ、この問題を解決した（図9）。

図9 コロの表面粗さ：バレル前（左）、バレル後（右）写真3

自動外観検査装置2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号

143

時間も iDS1000に新たに組み込まれた機構によって20〜30％短縮することが可能となる。

8.

結言

転がり軸受け部品に最適な DLC 膜を開発し、㈱豊田自動織機の CO2コンプレッサのベアリングに量産適用することができた。今後、様々な軸受け部品に展開するとともに品質向上とコストダウンを進め、小型部品の大量処理技術の確立を目指していきたい。
写真4

自動外観検査装置の検査部拡大

9.

謝辞

本開発は㈱豊田自動織機のご協力を得て進めることがでの配置・搬送系に工夫をこらした。また様々な不良モードきた。ここに深く感謝の意を表する。

を正確に検知するため、カメラや照明の設定を最適化し、精度の高い自動外観検査が可能となった（写真3、4）。
7－5

更なる生産性の向上

現在用いているコーティング装置：バッチ式マルチアー

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

CVD

ク PVD 装置（型式：M720）から更に大型の成膜装置としChemical Vapor Deposition の略称。化学気相成長またて iDS1000を開発した（写真5、6）。iDS1000を用い、更は化学蒸着。にセット方法の工夫により生産能力は現在の最大5倍まで増加させることが可能となる。またコーティングにかかる

※2

PVD

Physical Vapor Deposition の略称。物理気相成長または物理蒸着。

参考文献（1）	C. Casiraghi, J. Robertson, A. C. Ferrari, Diamond- Like Carbon
for Data and Beer Storage, Materials Today, 10（2007）44（2）	塩出、呂 他、日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集、
2017-11、C49（3）	図3 出典 アイシン精機㈱ HP		 http://www.aisin.co.jp/pickup/spirits/html/250.html（4） 公益社団法人 日本冷凍空調学会 HP		 https://www.jsrae.or.jp/annai/yougo/16.html

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写真5

成膜装置：M720

写真6

成膜装置：iDS1000

転がり軸受部品用DLC膜及び量産技術

執筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

田中祥 和＊ ：日本アイ・ティ・エフ㈱

主査

三宅浩二

：日本アイ・ティ・エフ㈱

室長

斉藤淳志

：㈱豊田自動織機ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号

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