JP2021001639A - 複列スラスト針状ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】厳しい潤滑条件下でも長寿命を得ることができる複列スラスト針状ころ軸受を提供する。【解決手段】複列スラスト針状ころ軸受１は、一対の軌道輪２、３と、複数の針状ころ５と、針状ころ５を保持する保持器４とを備え、複数の針状ころ５が軸受の径方向に複数列で配列されており、針状ころ５は鉄系材料からなり、硬質膜８は、針状ころ５の転動面に直接成膜されるＣｒとＷＣとを主体とする下地層と、この上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする傾斜組成の混合層と、この上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、下地層が成膜される面における粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、複列スラスト針状ころ軸受に関し、特に、自動車のエアーコンディショナー用コンプレッサ、オートマチックトランスミッション、電動ブレーキ等に使用される複列スラスト針状ころ軸受に関する。

スラスト針状ころ軸受は、一般的に、軌道輪と、複数の針状ころと、保持器とから構成され、単純な構造でありながら、高負荷容量と高剛性を実現できる軸受として知られている。また、スラスト針状ころ軸受は、軸方向厚さが小さいなどの利点を有するため、コンプレッサなどの省スペース化が要求される用途に広く使用されている。

スラスト針状ころ軸受では、その基本構造に由来して、ころと軌道輪との間に差動すべりが生ずる。具体的には、スラスト針状ころ軸受では、平面の軌道面を有する軌道輪の上に、円柱形状のころが配置され、ころと軌道輪が線接触する構造になっており、軸受の回転中心と、ころの公転運動の中心は一致する。ころは軸受の径方向に所定の長さを有しているが、ころの転動面上における周速度は、同じ速度である。一方、ころに転がり接触する軌道輪は、軸受の回転中心から外径方向に向かうほど周速度は大きくなる。そのため、ころと軌道輪の周速度の差は、ころの両端部で最大となる。理論上では、軸受のピッチ円上のみで純転がり運動を行い、ピッチ円上の点からころの両端部に向けて、ころと軌道輪の周速度差が大きくなり、差動すべりが増大する。この差動すべりは、ころの長さに比例して大きくなる。

スラスト針状ころ軸受における差動すべりは、他の形式の軸受と比較して大きい。そのため、差動すべりが原因となって、ころのエッジ部と軌道輪との間でエッジ応力が発生しやすく、軌道輪のころ転走部のエッジ部に表面起点型の剥離が発生しやすくなる。ころと、軌道輪の軌道面との間の差動すべりの影響を緩和する対処として、ころの長さを短くすることが考えられるが、ころの長さを単純に短くすれば、ころの接触面積が小さくなるので、ころの接触面圧が増大し、ころ外面に早期剥離などの問題が生じるおそれがある。

この問題を改善するものとして、複列スラスト針状ころ軸受が提案されている（特許文献１〜３参照）。複列スラスト針状ころ軸受では、ころの長さを短くしながら、軸受の径方向に複数のころを配置することにより、差動すべりの影響を緩和しつつ、ころに作用する接触面圧を低く保つことができる。

特許文献１では、複数のころ列の少なくとも１列のころの転動面にクラウニングを形成することで、差動すべりを減少させ、さらに負荷容量低下と転がり接触面圧の増加との抑制を図っている。また、特許文献２では、複列スラスト針状ころ軸受が、単列のクラウニング付きのころと、表層に所定の高密度炭化物分布を有する軌道輪とを備えることで、差動すべりを低減させ、転がり接触面圧の増加を抑えるとともに、軌道輪の摩耗を小さくして耐表面損傷特性の向上を図っている。また、特許文献３では、ころの端面をＦ端面にするとともに、端面精度を所定以下とすることで、ドリリング摩耗を生じにくくし、かつ軸受音響の低減を図っている。

特開２００３−９７５６２号公報 特開２００３−１５６０５０号公報 特開２００４−１５６７４４号公報

近年、自動車のエアーコンディショナー用コンプレッサ、オートマチックトランスミッション、電動ブレーキなどについては、小型化および高出力化が進んでいる。それに伴い、潤滑油の低粘度化など、使用環境が高荷重・高温化する傾向にある。軸受にとっては今まで以上に厳しい潤滑環境へと変化している。

潤滑条件が厳しい場合、転動疲労による剥離（内部を起点とした剥離）はせず、表層（表面）を起点とした剥離が発生する。スラスト軸受は、ラジアル軸受と異なり、すべりを伴いながら回転するので、滑り摩擦による発熱などの影響で油膜がきれやすい。近年では、省燃費化に対応するため、潤滑油は低粘度化され、軸受に対する潤滑条件がますます厳しくなり、さらに油膜がきれやすい状態になっている。

スラスト針状ころ軸受は滑りが大きく、油膜形成能力が低いので、表面起点型剥離による軸受の短寿命化が多く見受けられる。複列スラスト針状ころ軸受では、ころの複列化により滑りが低減されるものの、近年のより厳しい潤滑環境に対応するため、更なる長寿命化が求められる。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、厳しい潤滑条件下でも長寿命を得ることができる複列スラスト針状ころ軸受の提供を目的とする。

本発明の複列スラスト針状ころ軸受は、一対の軌道輪と、該一対の軌道輪間に転動自在に配置された複数の針状ころと、上記針状ころを保持する保持器とを備え、上記複数の針状ころが軸受の径方向に複数列で配列された複列スラスト針状ころ軸受であって、上記針状ころは鉄系材料からなり、硬質膜は、上記針状ころの転動面の上に直接成膜されるクロム（以下、Ｃｒと記す）とタングステンカーバイト（以下、ＷＣと記す）とを主体とする下地層と、該下地層の上に成膜されるＷＣとダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと記す）とを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、上記混合層は、上記下地層側から上記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の上記ＷＣの含有率が小さくなり、該混合層中の上記ＤＬＣの含有率が高くなる層であり、上記下地層が成膜される面における粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下であることを特徴とする。

上記下地層が成膜される面における粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが−０．２以下であることを特徴とする。

上記下地層が成膜される面における粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐが０．４μｍ以下であることを特徴とする。

上記複数の針状ころは、径方向外側に位置する外側ころと、径方向内側に位置する内側ころとを有し、上記保持器は、周方向に間隔をあけて設けられた複数のポケットを有し、上記複数のポケットの各々に上記外側ころおよび上記内側ころが収容されていることを特徴とする。

上記複数の針状ころは、径方向外側に位置する外側ころと、径方向内側に位置する内側ころとを有し、上記保持器は、径方向外側の位置で周方向に間隔をあけて設けられた複数の外側ポケットと、径方向内側の位置で周方向に間隔をあけて設けられた複数の内側ポケットとを有し、上記複数の外側ポケットの各々に上記外側ころが収容され、上記複数の内側ポケットの各々に上記内側ころが収容されていることを特徴とする。

本発明の複列スラスト針状ころ軸受は、針状ころの転動面に、ＤＬＣを含む所定の膜構造を有する硬質膜が成膜されてなる。混合層に用いるＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。さらに、ＷＣとＤＬＣとの混合層を傾斜組成とすることで、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっている。

また、針状ころの転動面の上に直接成膜される下地層は、Ｃｒを含むので鉄系材料と相性がよく、ＷやＳｉと比較して密着性に優れる。さらに、該下地層が成膜される面（ころ表面）の表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下であるので、粗さが十分に小さく、また粗さ突起が先鋭にならず、突起接触による応力集中が軽減される。結果として、硬質膜自体の耐剥離性に優れ、相手材に対する攻撃性を抑制できる。差動すべりを抑制して長寿命化を図っている複列スラスト針状ころ軸受において、硬質膜を成膜した針状ころを使用することによって、より厳しい潤滑条件下でも長寿命化を実現できる。

本発明の複列スラスト針状ころ軸受の一例を示す断面図などである。 複数の針状ころの配置形態の他の例を示す平面図である。 複数の針状ころの配置形態の他の例を示す平面図である。 図１の保持器の拡大図である。 保持器の他の例を示す図である。 保持器の他の例を示す図である。 硬質膜の構造を示す模式断面図である。 ＵＢＭＳ法の成膜原理を示す模式図である。 ＵＢＭＳ装置の模式図である。 ２円筒試験機の模試図である。

本発明の複列スラスト針状ころ軸受について、図１〜図６に基づいて説明する。これらの図において、同一の参照番号は、同一または相当の要素を示すものである。図１（ａ）は複列スラスト針状ころ軸受の軸方向断面図であり、図１（ｂ）は、針状ころが保持された保持器の一部平面図である。

図１（ａ）に示すように、複列スラスト針状ころ軸受１は、互いに軸方向に対向する一対の軌道輪２、３と、両軌道輪間に転動自在に配置された針状ころ（転動体）５と、針状ころ５を保持する保持器４とを備えている。針状ころ５は、軸受の径方向に複数例（図１では２列）で配置されており、径方向内側に位置する内側ころ５ａと、径方向外側に位置する外側ころ５ｂとを有する。図１において、一対の軌道輪２、３は、それぞれ円環状の軌道面を有しており、一方が固定側軌道輪であり、他方が回転側軌道輪である。なお、スラスト針状ころ軸受１は、必ずしも固定側軌道輪と回転側軌道輪を有さず、組み込まれる部材の相手側に直接転走面を有する場合もある。

図１（ｂ）には、内側ころ５ａおよび外側ころ５ｂの配置形態の一例を示す。図１（ｂ）に示すように、保持器４は、周方向に間隔をあけて設けられた複数のポケット６を有する。各ポケット６内に内側ころ５ａおよび外側ころ５ｂが収容されている。図１の形態では、内側ころ５ａの数と外側ころ５ｂの数が同じであり、１つのポケットに対して、内側ころ５ａと外側ころ５ｂが１個ずつ収容される。複数のポケット６は、周方向に等間隔に設けられている。この間隔は、各ポケットの周方向略中央を通る線同士がなす角度の間隔である。なお、内側ころ５ａおよび外側ころ５ｂの配置形態は、図１の形態に限らず、例えば、図２や図３の形態を採用できる。

図２の保持器４は、径方向内側の位置で周方向に間隔をあけて設けられた複数の内側ポケット７ａと、径方向外側の位置で周方向に間隔をあけて設けられた複数の外側ポケット７ｂとを有する。複数の内側ポケット７ａの各々に内側ころ５ａが収容され、複数の外側ポケット７ｂの各々に外側ころ５ｂが収容される。図２の形態では、内側ころ５ａの数と外側ころ５ｂの数が同じである。複数の内側ポケット７ａおよび複数の外側ポケット７ｂは、それぞれ周方向に等間隔に設けられている。

図３の保持器４は、図２の保持器と同様に、内側ころ５ａを収容する内側ポケット７ａと、外側ころ５ｂを収容する外側ポケット７ｂとをそれぞれ複数有する。図３に示す形態では、内側ころ５ａの数と、外側ころ５ｂの数が異なっており、外側ころ５ｂの数が内側ころ５ａよりも多くなっている。なお、内側ころ５ａの数を外側ころ５ｂよりも多くしてもよい。

上記図１〜図３に示す形態では、径方向に２個の針状ころを配置しているが、径方向に３個以上の針状ころを配置してもよい。その場合、各列のころの数は、互いに同じ数でもよく、互いに異なる数でもよい。

図４には、図１の保持器の拡大図を示す。図４において、保持器４は、上下に重ね合わせて接合される板状の第１部材４ａと第２部材４ｂとからなる。図４の形態の保持器４では、第１部材４ａの外周部分を折り曲げて第２部材４ｂの外周部にかしめて挟持するようにし、第２部材４ｂの内周部分を折り曲げて第１部材４ａの内周部にかしめて挟持するようにしている。

本発明の複列スラスト針状ころ軸受に用いる保持器は、図４の形態に限らず、図５や図６に示す保持器を用いることができる。例えば、図５の保持器４は、リング状の第１部材４ａの外周部および内周部を第２部材４ｂ側に向かって折り曲げ、第２部材４ｂの外周部および内周部を第１部材４ａ側に向かって折り曲げている。第１部材４ａの折り曲げ外周部および内周部は、第２部材４ｂの折り曲げ外周部および内周部内に嵌め入れられている。一方、図６の保持器４は、合成樹脂などによって単一部品として形成されている。

本発明では、複列スラスト針状ころ軸受の針状ころに所定構造の硬質膜が形成されていることを特徴としている。具体的には、図１〜図６に示すように、針状ころ５（内側ころ５ａおよび外側ころ５ｂを含む）の転動面に硬質膜８が形成されている。内側および外側のころに硬質膜を成膜することにより、スラスト針状ころ軸受は、厳しい潤滑条件下でも長寿命を得ることができるようになる。本発明の複列スラスト針状ころ軸受では、少なくとも針状ころの転動面に硬質膜が形成されていればよく、該硬質膜が針状ころのころ表面全体（軸方向端面を含む）に形成されていてもよい。また、図１〜図６の形態では、すべての針状ころに硬質膜が形成されているが、少なくとも１以上の針状ころに硬質膜が形成されていればよい。例えば、内側ころおよび外側ころで各１個ずつのころに硬質膜が形成されていてもよい。また、針状ころと転がり接触およびすべり接触する軌道輪の転動面にも、硬質膜が形成されていてもよい。

上記複列スラスト針状ころ軸受において、硬質膜の成膜対象となるころは、鉄系材料からなる。鉄系材料としては、軸受部材として一般的に用いられる任意の鋼材などを使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などが挙げられる。また、一対の軌道輪も、同様の鉄系材料からなることが好ましい。

硬質膜が形成される転動面の硬さが、ビッカーズ硬さでＨｖ６５０以上であることが好ましい。Ｈｖ６５０以上とすることで、硬質膜（下地層）との硬度差を少なくし、密着性を向上させることができる。

硬質膜が形成される転動面において、硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることが好ましい。窒化処理としては、ころ表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカーズ硬さでＨｖ１０００以上であることが、硬質膜（下地層）との密着性をさらに向上させるために好ましい。

本発明において、硬質膜が形成される転動面、つまり下地層が成膜される面は、算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、かつ、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下である。Ｒａは、好ましくは０．２μｍ以下である。また、硬質膜が形成される転動面は鏡面加工された面であってもよい。Ｒａの下限は、特に限定されず、例えば０．００５μｍ以上である。なお、鏡面加工は生産性や製造コストにおいて不利となるため、製造上の観点からは、Ｒａが０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましい。ＲΔｑは、好ましくは０．０３以下であり、より好ましくは０．０２以下である。算術平均粗さＲａおよび二乗平均平方根傾斜ＲΔｑは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠して算出される数値であり、接触式または非接触式の表面粗さ計などを用いて測定される。具体的な測定条件としては、測定長さ４ｍｍ、カットオフ０．８ｍｍである。転動面の二乗平均平方根傾斜ＲΔｑを０．０５以下とすることで、粗さ曲線におけるピークが緩やかになり、突起の曲率半径が大きくなり局所面圧が低減できる。また、成膜時においては粗さによるミクロなレベルの電界集中も抑制でき、局所的な膜厚および硬度の変化を防ぐことができ、ひいては硬質膜の耐剥離性を向上できる。

下地層が成膜される転動面の粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐは０．４μｍ以下であることが好ましい。最大山高さＲｐは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠して算出される。粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａの関係は、１≦Ｒｐ／Ｒａ≦２となることが好ましく、１．２≦Ｒｐ／Ｒａ≦２となることがより好ましい。

また、下地層が成膜される転動面の粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋは負であることが好ましい。Ｒｓｋは、歪み度の指標であり、−０．２以下であることがより好ましい。スキューネスＲｓｋは、平均線を中心にして振幅分布曲線の上下対称性を定量的に表したもの、つまり表面粗さの平均線に対する偏りを示す指標である。スキューネスＲｓｋは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠して算出される。スキューネスＲｓｋが負であることは、粗さ形状が下に凸（谷）ということを意味し、表面に平坦部が多くある状態となる。結果として凸部が少なく突起部による応力集中を起こしにくい表面であると言える。また粗さを軽減する手法にバレル研磨など研磨メディアとの衝突により表面突起を除去する方法があるが、加工条件によっては新たに突起を形成してしまいＲｓｋが正に転じる可能性があり注意が必要である。

本発明における硬質膜の構造を図７に基づいて説明する。図７に示すように、該硬質膜８は、（１）ころ５の転動面５ｃ上に直接成膜されるＣｒとＷＣとを主体とする下地層８ａと、（２）下地層８ａの上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層８ｂと、（３）混合層８ｂの上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層８ｃとからなる３層構造を有する。ここで、混合層８ｂは、下地層８ａ側から表面層８ｃ側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中のＷＣの含有率が小さくなり、かつ、該混合層中のＤＬＣの含有率が高くなる層である。本発明では、硬質膜の膜構造を上記のような３層構造とすることで、急激な物性（硬度・弾性率等）変化を避けるようにしている。

下地層８ａは、Ｃｒを含むので超硬合金材料や鉄系材料からなる針状ころとの相性がよく、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌなどを用いる場合と比較して針状ころとの密着性に優れる。また、下地層８ａに用いるＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。また、下地層８ａは、ころ５側から混合層８ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さく、かつ、ＷＣの含有率が高くなる傾斜組成とすることが好ましい。これにより、針状ころ５と混合層８ｂとの両面での密着性に優れる。

混合層８ｂは、下地層と表面層との間に介在する中間層となる。混合層８ｂに用いるＷＣは、上述のように、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。混合層８ｂが、下地層８ａ側から表面層８ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さく、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成であるので、下地層８ａと表面層８ｃとの両面での密着性に優れる。また、該混合層内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっており、該混合層内での破損などを防止できる。さらに、表面層８ｃ側ではＤＬＣ含有率が高められているので、表面層８ｃと混合層８ｂとの密着性に優れる。混合層８ｂは、非粘着性の高いＤＬＣをＷＣによって下地層８ａ側にアンカー効果で結合させる層である。

表面層８ｃは、ＤＬＣを主体とする膜である。表面層８ｃにおいて、混合層８ｂとの隣接側に、混合層８ｂ側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分８ｄを有することが好ましい。これは、混合層８ｂと表面層８ｃとでバイアス電圧が異なる場合、バイアス電圧の急激な変化を避けるためにバイアス電圧を連続的または段階的に変化させる（上げる）ことで得られる部分である。傾斜層部分８ｄは、このようにバイアス電圧を変化させることで、結果として上記のように硬度が傾斜する。硬度が連続的または段階的に上昇するのは、ＤＬＣ構造におけるグラファイト構造（ｓｐ^２）とダイヤモンド構造（ｓｐ^３）との構成比率が、バイアス電圧の上昇により後者に偏っていくためである。これにより、混合層と表面層との急激な硬度差がなくなり、混合層８ｂと表面層８ｃとの密着性がさらに優れる。

硬質膜８の膜厚（３層の合計）は０．５〜５．０μｍとすることが好ましい。膜厚が０．５μｍ未満であれば、耐摩耗性および機械的強度に劣るおそれがあり、５．０μｍをこえると剥離しやすくなるおそれがある。さらに、該硬質膜８の膜厚に占める表面層８ｃの厚さの割合が０．８以下であることが好ましい。この割合が０．８をこえると、混合層８ｂにおけるＷＣとＤＬＣの物理結合するための傾斜組織が不連続な組織となりやすく、密着性が劣化するおそれがある。

硬質膜８を以上のような組成の下地層８ａ、混合層８ｂ、表面層８ｃとの３層構造とすることで、耐剥離性に優れる。

スラスト針状ころ軸受では、軌道輪と針状ころとの間に差動すべりが発生する。この差動すべりにより、接触面に発熱が生じ、油膜形成性が低下する。油膜がきれ境界潤滑となった場合、ころおよび軌道輪の摩耗やせん断応力による表面剥離などの表面損傷が生じやすい。また、境界潤滑下では、ころおよび軌道盤の粗面化が進み油膜形成性がより悪化する。本発明のスラスト針状ころ軸受において、針状ころの転動面に以上のような構造・物性の硬質膜を形成することで、ＤＬＣの低摩擦特性による発熱の抑制、ころ側の摩耗および粗面化の防止、ＤＬＣの相手材研摩効果による軌道盤粗さの平坦化などの効果が期待できる。その結果、苛酷な潤滑状態でも軌道面や転動面の損傷が少なく長寿命となる。また、グリース潤滑下では、軌道輪などの損傷により金属新生面が露出すると、触媒作用によりグリース劣化を促進させるが、本発明の複列スラスト針状ころ軸受では、硬質膜により金属接触による軌道面や転動面の損傷を防止できるので、このグリース劣化も防止できる。

さらに、本発明に係る硬質膜は、所定の粗さパラメータの転動面に形成されるので、硬質膜自体の耐剥離性に優れ、相手材に対する攻撃性を抑制できる。そのため、ＤＬＣ本来の特性を発揮でき、本発明の複列スラスト針状ころ軸受は、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れ、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。

以下、本発明の硬質膜の成膜工程について説明する。この成膜工程は、下地層８ａが成膜される面に対して、表面仕上げ加工をする工程と、下地層８ａと混合層８ｂとを成膜する工程と、表面層８ｃを、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用して成膜する工程とを含む。硬質膜は、表面仕上げ加工した軸受部材の成膜面に対して、下地層８ａ、混合層８ｂ、表面層８ｃをこの順に成膜して得られる。

下地層８ａと混合層８ｂを成膜する工程は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用することが好ましい。ＵＢＭＳ装置を用いたＵＢＭＳ法の成膜原理を図８に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材１２は、成膜対象の転動体（ころ）であるが、模式的に平板で示してある。図８に示すように、丸形ターゲット１５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石１４ａ、外側磁石１４ｂが配置され、ターゲット１５付近で高密度プラズマ１９を形成しつつ、磁石１４ａ、１４ｂにより発生する磁力線１６の一部１６ａがバイアス電源１１に接続された基材１２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線１６ａに沿ってスパッタリング時に発生したＡｒプラズマが基材１２付近まで拡散する効果が得られる。このようなＵＢＭＳ法では、基材１２付近まで達する磁力線１６ａに沿って、Ａｒイオン１７および電子が、通常のスパッタリングに比べてイオン化されたターゲット１８をより多く基材１２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）１３を成膜できる。

下地層８ａを成膜する工程では、ターゲット１５としてＣｒターゲットおよびＷＣターゲットを併用し、混合層８ｂを成膜する工程では、ターゲット１５としてＷＣターゲットおよび黒鉛ターゲットを併用する。下地層８ａを成膜する工程では、連続的または段階的に、ＷＣターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、Ｃｒターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより混合層８ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さく、かつ、ＷＣの含有率が高くなる構造の層とできる。

混合層８ｂを成膜する工程では、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、ＷＣターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより表面層８ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さく、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成の層とできる。

表面層８ｃを成膜する工程は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用することが好ましい。より詳細には、該工程は、この装置を利用して、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、Ａｒガスの上記装置内への導入量１００に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合を１〜１０とし、上記装置内の真空度を０．２〜０．８Ｐａとし、炭素供給源から生じる炭素原子を、混合層８ｂ上に堆積させて成膜する工程であることが好ましい。

本発明の複列スラスト針状ころ軸受のころに使用する硬質膜として、所定の基材（試験片）に対して硬質膜を形成し、該硬質膜の物性に関する評価した。また、２円筒試験機を用いた転がり滑り試験にて相手材摩耗の評価を行った。これらを実施例、比較例として以下に説明する。

硬質膜の評価用に用いた試験片、ＵＢＭＳ装置、スパッタリングガスなどは以下のとおりである。
（１）試験片物性：ＳＵＪ２ 焼き入れ焼き戻し品 ７５０Ｈｖ
（２）試験片：研磨された（算術平均粗さＲａ、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑ、最大山高さＲｐ、スキューネスＲｓｋは表１記載）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）の摺動表面に対して各条件にて硬質膜を成膜したもの
（３）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２
（４）スパッタリングガス：Ａｒガス

下地層の形成条件を以下に説明する。成膜チャンバー内を５×１０^−３Ｐａ程度まで真空引きし、ヒータで基材をベーキングして、Ａｒプラズマにて基材表面をエッチング後、ＵＢＭＳ法にてＣｒターゲットとＷＣターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、ＣｒとＷＣの組成比を傾斜させ、基材側でＣｒが多く表面側でＷＣが多いＣｒ／ＷＣ傾斜層を形成した。

混合層の形成条件を以下に説明する。下地層と同様にＵＢＭＳ法にて成膜した。ここで、該混合層については、炭化水素系ガスであるメタンガスを供給しながら、ＷＣターゲットと黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、ＷＣとＤＬＣの組成比を傾斜させ、基材側でＷＣが多く表面側でＤＬＣが多いＷＣ／ＤＬＣ傾斜層を形成した。

各試験片では、表面仕上げ加工の条件を変更する等して、算術平均粗さＲａや二乗平均平方根傾斜ＲΔｑを変えている。なお、試験片の表面の各種粗さパラメータは表面粗さ測定器（テーラーホブソン社製：フォーム・タリサーフＰＧＩ８３０）で測定した。ＪＩＳ Ｂ ０６０１に従い、基準長さ０．８ｍｍ、区間数５で５回測定した値の平均値を表１に示す。

図９はＵＢＭＳ装置の模式図である。図９に示すように、円盤２０上に配置された基材２１に対し、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）２２を非平衡な磁場により、基材２１近傍のプラズマ密度を上げてイオンアシスト効果を増大すること（図８参照）によって、基材上に堆積する被膜の特性を制御できるＵＢＭＳ機能を備える装置である。この装置により、基材上に、複数のＵＢＭＳ被膜（組成傾斜を含む）を任意に組合せた複合被膜を成膜することができる。この実施例では、基材とするリングに、下地層、混合層、表面層をＵＢＭＳ被膜として成膜している。

実施例１〜７、比較例１〜３
表１に示す基材をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、基材をＵＢＭＳ装置に取り付け、上述の形成条件にて下地層および混合層を形成した。その上に、表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。表面層の形成条件は、上記装置における成膜チャンバー内の真空度が０．８Ｐａ、基材に対するバイアス電圧が５０Ｖ、上記装置内へのメタンガス導入量の割合がＡｒガスの導入量１００（体積部）に対して１（体積部）である。結果を表１に併記する。表中の膜厚は、３層（下地層、混合層、表面層）の合計膜厚である。

＜２円筒試験機による転がり滑り試験＞
得られた試験片について図１０に示す２円筒試験機を用いて転がり滑りによる相手材摩耗の試験を行った。この２円筒試験機は、駆動側試験片２３と転がり滑り接触する従動側試験片２４とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受２６で支持されており、負荷用バネ２７により荷重が負荷されている。また、図中の２５は駆動用プーリ、２８は非接触回転計である。回転差をつけて滑りを発生させ、相手材側円筒の摩耗深さから相手攻撃性を評価した。具体的な試験条件は以下のとおりである。なお、相手材側円筒の摩耗深さは、表面粗さ測定器（テーラーホブソン社製：フォーム・タリサーフＰＧＩ８３０）を用い、基準面に対する摩耗深さを求めた。
（試験条件）
相手材：研削仕上げ（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）
潤滑油：ＶＧ３２０相当油(添加剤含有) フェルトパット給油
最大接触面圧：１．５ＧＰａ
回転数：（試験片側）１２７ｍｉｎ^−１
（相手材側）１２６ｍｉｎ^−１
相対滑り率：０．８％
打ち切り時間：７２ｈ

表１に２円筒転がり滑り試験の結果を示す。使用する基材および表面層の成膜条件は同一であり、表面層の硬度は平均値で約２３ＧＰａである。硬質膜を成膜する表面の表面粗さを示す粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下である場合（実施例１〜７）は、２円筒転がり滑り試験における相手材摩耗が小さい傾向があり、相手攻撃性が低下している。特に、実施例３は、比較例３と、Ｒａ、Ｒｓｋ、Ｒｐが同程度であるにもかかわらず、ＲΔｑの違いにより、相手攻撃性が顕著に異なる結果となった。これは、突起の先端半径が鈍化し応力集中が緩和されたためと考えられる。

実施例６は実施例３とＲａ、ＲΔｑは同程度だが、相手攻撃性が異なる。これはＲｓｋが正の値となり上向きの突起が増えたことによると考えられる。また実施例５の結果からＲｓｋが小さいほど相手材摩耗が大きいわけではなく、Ｒｓｋが０以上とならないことが相手攻撃性の抑制に重要であると考えられる。

以上より、本発明では、硬質膜と相手材の接触時における突起部の応力集中を緩和し、相手材摩耗を抑制するため、粗さ曲線の算術平均粗さＲａおよび二乗平均平方根傾斜ＲΔｑを用いて基材表面の状態を規定している。

以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、本発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変更を加えることが可能である。

本発明の複列スラスト針状ころ軸受は、針状ころの転動面にＤＬＣ膜が形成され、苛酷な潤滑状態で運転した場合においてもこのＤＬＣ膜の耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本体の特性を発揮できるので、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる。また、相手材に対する攻撃性が抑制されている。このため、本発明の複列スラスト針状ころ軸受は、過酷な潤滑状態での用途を含め、各種用途に適用可能であり、特に、自動車のエアーコンディショナー用コンプレッサ、オートマチックトランスミッション、電動ブレーキ等に使用される複列スラスト針状ころ軸受に有利に適用され得る。

１ 複列スラスト針状ころ軸受
２ 軌道輪
３ 軌道輪
４ 保持器
５ 針状ころ
５ａ 内側ころ
５ｂ 外側ころ
６ ポケット
７ ポケット
７ａ 内側ポケット
７ｂ 外側ポケット
８ 硬質膜
１１ バイアス電源
１２ 基材
１３ 膜（層）
１４ 磁石
１５ ターゲット
１６ 磁力線
１７ Ａｒイオン
１８ イオン化されたターゲット
１９ 高密度プラズマ
２０ 円盤
２１ 基材
２２ スパッタ蒸発源材料（ターゲット）
２３ 駆動側試験片
２４ 従動側試験片
２５ 駆動用プーリ
２６ 支持軸受
２７ 負荷用バネ
２８ 非接触回転計

Claims (5)

1. 一対の軌道輪と、該一対の軌道輪間に転動自在に配置された複数の針状ころと、前記針状ころを保持する保持器とを備え、前記複数の針状ころが軸受の径方向に複数列で配列された複列スラスト針状ころ軸受であって、
   前記針状ころは鉄系材料からなり、硬質膜は、前記針状ころの転動面の上に直接成膜されるクロムとタングステンカーバイトとを主体とする下地層と、該下地層の上に成膜されるタングステンカーバイトとダイヤモンドライクカーボンとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されるダイヤモンドライクカーボンを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、
   前記混合層は、前記下地層側から前記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の前記タングステンカーバイトの含有率が小さくなり、該混合層中の前記ダイヤモンドライクカーボンの含有率が高くなる層であり、
   前記下地層が成膜される面における粗さ曲線の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、二乗平均平方根傾斜ＲΔｑが０．０５以下であることを特徴とする複列スラスト針状ころ軸受。
2. 前記下地層が成膜される面における粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが−０．２以下であることを特徴とする請求項１記載の複列スラスト針状ころ軸受。
3. 前記下地層が成膜される面における粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐが０．４μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の複列スラスト針状ころ軸受。
4. 前記複数の針状ころは、径方向外側に位置する外側ころと、径方向内側に位置する内側ころとを有し、
   前記保持器は、周方向に間隔をあけて設けられた複数のポケットを有し、前記複数のポケットの各々に前記外側ころおよび前記内側ころが収容されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の複列スラスト針状ころ軸受。
5. 前記複数の針状ころは、径方向外側に位置する外側ころと、径方向内側に位置する内側ころとを有し、
   前記保持器は、径方向外側の位置で周方向に間隔をあけて設けられた複数の外側ポケットと、径方向内側の位置で周方向に間隔をあけて設けられた複数の内側ポケットとを有し、前記複数の外側ポケットの各々に前記外側ころが収容され、前記複数の内側ポケットの各々に前記内側ころが収容されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の複列スラスト針状ころ軸受。