JP4244106B2 - コーティングされているころがり軸受 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はころがり軸受の分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ころがり軸受は、様々な環境で使用される。潤滑が保証される限り、通常、何の問題もなく正規の設計寿命が得られる。
【０００３】
しかしながら、不十分もしくは限界ぎりぎりの潤滑状態では、ころがり軸受は好ましくない挙動を示すようになる。かかる場合、潤滑剤膜を形成することが不可能となり、その結果、転動要素と軌道輪とが互に直接金属接触して、フレッッティング等の摩耗そして早期損傷を引き起こすこととなる。
【０００４】
又、軸受が回転せずに静荷重のもとに振動あるいは揺動を周期的に受けると、「擬似圧痕（False-Brinelling）として知られる現象をしばしば示し、この現象は軸受寿命をさらに限定する。
【０００５】
これらの現象の結果として、寿命は不十分な潤滑状態で大幅に短くなる。この問題を緩和するために、軸受部品に硬質コーティング、例えばカーバイドそして窒化コーティング（例：ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＣｒＮ）や、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を施す等の試みがなされてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの試みはいずれも大きな改善をもたらさなかった。窒化そしてカーバイドのコーティングは高硬度レベルを有しているが、良好な耐摩耗性と高硬度を呈することなく、摩擦係数が大きい。これらの高摩耗係数は、高硬度と組み合せられると、対向面、すなわち軌道面あるいは転動要素の面を摩耗することとなる。
【０００７】
さらに、ＴｉＣ，ＴｉＮそしてＣｒＮコーティングの高接合力は、４００℃オーダーの比較的高いコーティング温度のもとでのみ得られる。このようなコーティングは、５００〜５４０℃の温度で二次硬化現象のもとで硬度を維持する高合金高速度鋼から基質材料が作られる切削工具に広く用いられている。このようなコーティング温度は、ころがり軸受に通常用いられている低合金鋼には、過度の軟化と寸法変化をもたらしてしまう。
【０００８】
ＵＳ−Ａ−５１０８８１３によると、通常のダイアモンド状炭素コーティングはすべり軸受に適用可能である。ダイアモンド状炭素コーティングは、ｓｐ３とｓｐ２の両方の混成炭素結合をもつアモルファス水素添加炭素の層として定義される。すべり軸受では基質に対するダイアモンド状炭素コーティングの接合で十分であるが、ころがり軸受では、ころがり軸受でのより高い接触応力の結果としてこのようなコーティングは剥離を起す。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明は、それ故、潤滑剤が不十分あるいは不存在という条件下でも使用寿命が延ばせるころがり軸受を提供することを目的としている。この目的は、転動要素そして／又は両軌道輪の少なくとも一方の軌道面が金属混合ダイアモンド状炭素コーティングでコーティングされていることにより達成される。
【００１０】
本発明による金属混合ダイアモンド炭素コーティングは、ころがり軸受が遭遇するような高接触応力レベル（３あるいは４ＧＰａにまで達する応力）においてさえも、低摩擦係数と高耐摩耗性をもたらす。金属元素を形成するカーバイドと混合された、本発明によるダイアモンド状炭素コーティングは、コーティング組織か高接合力を呈するように最適化されたときには、コーティング自体内あるいは基質からの剥離ということがなく、上記の高接触応力レベルを支持する能力を有している。
【００１１】
このように、当該コーティングは、乾燥状態あるいは潤滑剤が不十分そして不存在という状態下でのころがり軸受へ適用するのに向いている。
【００１２】
好ましい形態によると、金属混合ダイアモンド状炭素コーティングは、基質の表面に予め溶着されたＣｒ，Ｗ，Ｍｏ，又はＡｌの金属中間層の上に形成される。そこには、上記金属混合コーティングから金属中間層へ次第に移行する移行部分が存在することが好ましい。金属中間層に施されたダイアモンド状炭素コーティングは、Ｗ，ＭｏあるいはＴｉのような元素を形成する一つもしくは複数の金属カーバイドを含有する。
【００１３】
コーティングの金属混合ダイアモンド状炭素の部分は、幾分かの金属カーバイドを含んでいるが主としてダイアモンド状炭素の層と、幾分かのダイアモンド状炭素を含んでいるが主として金属カーバイドの層とを、交互にもつ平行層であってもよく、その場合、各層は１〜５０ナノメータ（ｎｍ）のオーダーの厚さである。
【００１４】
又、金属カーバイドは、ダイアモンド状炭素の層全体に分散するクラスターの形態をなしていてもよい。かかる層は金属カーバイドの粒子の分散をもつ主としてダイアモンド状炭素の基質を有している。このような粒子は、寸法が１００ｎｍまでの金属カーバイドの領域（クラスター）を与えるクラスター組織をもつことができる。クラスターは、一つもしくは複数の金属のカーバイドから成っていてもよい。
【００１５】
金属混合ダイアモンド状炭素コーティングの厚さは１０μｍまでとすることができる。コーティングの多層構成はコーティング内での残留応力の低下をもたらし、したがって、金属中間層を有しあるいは有しない従来の単層ダイアモンド状炭素コーティングに比し、改善された接合力をもたらす。
【００１６】
このコーティングのさらに重要な特徴は、コーティング工程において、金属カーバイド形成要素の量が表面に向って減って行くことであり、これによりコーティングの外層でのダイアモンド状特性が増長する。これは依然として下層に対する高接合力を保つし、同時にコーティングの外層が純ダイアモンド状炭素に近づくので、表面硬度に著しい増大が見られる。この場合、低摩耗と増大された硬度は、ころがり軸受への適用に必要な高接合力を維持するにも拘らず、増大された耐摩耗性という利点をもたらす。
【００１７】
又、コーティング層に向けてグラファイトの含有量が次第に増大するようになる。これは、摩耗係数をさらに低下させるという利点をもたらす。勿論、元素を形成する金属カーバイドの低下と、コーティング表面に向けてのグラファイトの含有量の増大とは達成される。
【００１８】
金属混合ダイアモンド状炭素コーティングはＮｉあるいはＦｅの金属を、カーバイドを形成する元素材料のコストを低減する目的で、含有させることも可能である。
【００１９】
金属混合ダイアモンド状炭素コーティングは、ころがり軸受に必要な高接合力レベルを保ったまま、２４０℃以下のコーティング温度で施すことができる。この点で、焼入れ焼戻し条件で温度に敏感な低合金軸受鋼は、コーティングされた軸受部品の永久的不可逆寸法変化がないという結果をもって、下層に微視組織又は相における変化が生じないように、コーティングされることができる。これは、軌道輪そして／又は転動体が標準部品と組み立てられることを許容し、所定の軸受精度そして内部すきまを得るためのマッチングの必要性を回避させる。
【００２０】
これに加えて、低コーティング温度は、下層の硬度と温度に敏感な低合金軸受鋼の疲労特性を害さず、又軸受のための標準的な静的そして動的負荷容量が維持できることを確実にする。それにもかかわらず、コーティングは、マルテンサイトステンレス鋼や高速度鋼のような高合金鋼にも適用可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図示した例を参照しつつ本発明をさらに説明する。
【００２２】
図１はころがり軸受の転動体の外層、又は軌道輪の軌道面での断面図を示している。外層部全体をまとめて符号１で示し、これは下層２、例えば軸受鋼に対して施されている。
【００２３】
上記外層部１は、下層へ直接施された中間金属層３、該中間金属層３に続く移行帯４、そして金属混合ダイアモンド状炭素コーティング８を有している。移行帯４は、金属カーバイド層５と金属層６とを交互に形成した多層移行域を有している。これに続いて、滑らかに移行する移行域７が設けられ、多層構造８へ至っている。移行域７は金属カーバイドからカーバイドとダイアモンド状炭素との混合への滑らかな移行をもたらしている。上記多層構造部８は、金属カーバイド層９とダイアモンド状炭素層１０とを交互に配して形成されている。
【００２４】
図２は、他の実施形態についての断面図であり、これも又、ころがり軸受の転動体の外層又は軌道輪の軌道面を示している。
【００２５】
コーティング１１全体は、主としてダイアモンド状炭素の基質１２を有し、これに金属カーバイド粒子１３が分散されている。かかる金属カーバイドの粒子又はクラスター１３は最大で１００ｎｍの直径を有することができる。
【００２６】
下層２、中間層３そして移行帯４は図１に示したものに対応して類似している。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態を示す。
【図２】本発明の第二実施形態を示す。

Claims (11)

1. 内軌道輪、外軌道輪、そして内軌道輪と外軌道輪の軌道面にころがり接触する転動要素とを有するころがり軸受において、転動要素そして両軌道輪のうちの少なくとも一つの面が金属混合ダイアモンド状炭素コーティング（８〜１０，１１〜１３）でコーティングされており、該金属混合ダイアモンド状炭素コーティングは、若干の金属カーバイドを含んでいるが主としてダイアモンド状炭素の層（１０）と、若干のダイアモンド状炭素を含んでいるが主として金属カーバイドの層（９）とを交互に有していることを特徴とするころがり軸受。
2. 内軌道輪、外軌道輪、そして内軌道輪と外軌道輪の軌道面にころがり接触する転動要素とを有するころがり軸受において、転動要素そして両軌道輪のうちの少なくとも一つの面が金属混合ダイアモンド状炭素コーティング（８〜１０，１１〜１３）でコーティングされており、上記金属カーバイドは、ダイアモンド状炭素の基質（１２）全体に分散されたクラスター（１３）の形態をなしていることとする請求項１に記載のころがり軸受。
3. 金属混合ダイアモンド状炭素コーティング（８〜１０，１１〜１３）の厚さが１０μｍまでであることとする請求項１又は請求項２に記載のころがり軸受。
4. 金属混合ダイアモンド状炭素コーティング（８〜１０，１１〜１３）が金属中間層（３）の上にコーティングされていることとする請求項１、請求項２そして請求項３のうちの一つに記載のころがり軸受。
5. 金属混合ダイアモンド状炭素コーティング（８〜１０，１１〜１３）がＣｒ，Ｗ，Ｍｏ又はＡｌの金属中間層（３）の上にコーティングされていることとする請求項４に記載のころがり軸受。
6. 金属混合ダイアモンド状炭素コーティング（８〜１０，１１〜１３）と中間金属層（３）との間に、金属カーバイド（５）と金属層（６）とを交互に形成した多層移行域を有する移行帯（４）が形成されていることとする請求項４又は請求項５に記載のころがり軸受。
7. 金属含有ダイアモンド状炭素コーティング（８〜１０，１１〜１３）は２４０℃以下の温度でコーティングされていることとする請求項１ないし請求項６のうちの一つに記載のころがり軸受。
8. コーティングの外側域が天然のダイアモンド状炭素に近づくようにコーティング表面に向けての金属カーバイド元素（好ましくはＷ，Ｍｏ又はＴｉ）含有量が漸次減少していることとする請求項１、請求項２そして請求項３のうちの一つに記載のころがり軸受。
9. グラファイト含有量においてコーティング表面に向け漸次増加が見られることとする請求項１ないし請求項８に記載のころがり軸受。
10. 金属混合ダイアモンド状炭素コーティング（８〜１０、１１〜１３）がＮｉを含有していることとする請求項１ないし請求項９に記載のころがり軸受。
11. クラスターの大きさは最大で１００ｎｍであることとする請求項１ないし請求項１０に記載のころがり軸受。

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