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WO2020031995A1 - 転がり軸受、車輪支持装置、および風力発電用主軸支持装置 - Google Patents

転がり軸受、車輪支持装置、および風力発電用主軸支持装置 Download PDF

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Publication number
WO2020031995A1
WO2020031995A1 PCT/JP2019/030812 JP2019030812W WO2020031995A1 WO 2020031995 A1 WO2020031995 A1 WO 2020031995A1 JP 2019030812 W JP2019030812 W JP 2019030812W WO 2020031995 A1 WO2020031995 A1 WO 2020031995A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bearing
rolling
layer
hard film
film
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/030812
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
雅樹 中西
三上　英信
Original Assignee
Ntn株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2019034126A external-priority patent/JP2020046068A/ja
Application filed by Ntn株式会社 filed Critical Ntn株式会社
Priority to US17/266,552 priority Critical patent/US20210317877A1/en
Priority to AU2019320358A priority patent/AU2019320358A1/en
Publication of WO2020031995A1 publication Critical patent/WO2020031995A1/ja

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/34—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load
    • F16C19/36—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with a single row of rollers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/34—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load
    • F16C19/38—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with two or more rows of rollers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/38—Ball cages
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    • F16C33/46—Cages for rollers or needles
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/62—Selection of substances
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    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/64—Special methods of manufacture

Definitions

  • the present invention relates to a rolling bearing in which a hard film containing diamond-like carbon is formed on the surface of an inner ring, an outer ring, a rolling element, and a cage, which are bearing members. Further, the present invention relates to a wheel support device and a main shaft support device for wind power generation to which the rolling bearing is applied.
  • the hard carbon film is a hard film generally called diamond-like carbon (hereinafter, referred to as DLC; a film / layer mainly composed of DLC is also referred to as a DLC film / layer).
  • DLC diamond-like carbon
  • Hard carbon also has various names such as hard amorphous carbon, amorphous carbon, hard amorphous carbon, i-carbon, and diamond-like carbon, but these terms are not clearly distinguished.
  • DLC The essence of DLC in which these terms are used is that it has an intermediate structure between diamond and graphite, both of which are structurally mixed. It is as hard as diamond and has excellent wear resistance, solid lubricity, thermal conductivity, chemical stability and corrosion resistance. For this reason, for example, it is being used as a protective film for dies and tools, wear-resistant mechanical parts, abrasives, sliding members, magnetic and optical parts, and the like.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • UBMS unbalanced magnetron sputtering
  • DLC films generate extremely large internal stress during film formation and have high hardness and Young's modulus.
  • drawbacks due to their extremely small deformability, they have drawbacks such as poor adhesion to substrates and easy peeling. ing. Therefore, when a DLC film is formed on each of the above-mentioned surfaces of the rolling bearing, it is necessary to improve the adhesion.
  • an intermediate layer is provided to improve the adhesion of the DLC film, and chromium (hereinafter, referred to as Cr) and tungsten (hereinafter, referred to as W) are formed on a raceway groove and a rolling surface of a rolling element formed of a steel material. ), Titanium (hereinafter, referred to as Ti), silicon (hereinafter, referred to as Si), nickel, and at least one element selected from the group consisting of nickel and iron.
  • a rolling device formed in this order has been proposed (see Patent Document 1).
  • a rolling bearing is applied to a wheel supporting device for rotatably supporting a wheel with respect to a suspension device of an automobile.
  • a wheel supporting device for supporting a non-driving wheel such as a front wheel in a rear wheel drive type vehicle
  • two rolling bearings are mounted on an axle (knuckle spindle) provided on a steering knuckle and rotatably supported by the rolling bearings.
  • a flange is provided on the outer diameter surface of the axle hub, and a stud bolt provided on the flange and a nut engaged with the flange are used to mount a brake drum of a brake device and a wheel disc of a wheel.
  • a back plate is attached to a flange provided on the steering knuckle, and the back plate supports a braking mechanism that applies a braking force to a brake drum.
  • a highly rigid tapered roller bearing having a large load capacity is used as a rolling bearing that rotatably supports the axle hub.
  • the tapered roller bearing is lubricated by grease filled between the axle and the axle hub.
  • Rolling bearings used in wheel support devices are subjected to severe operating conditions such as high speed and high load, and especially because the sliding motion occurs between the large diameter end face of the tapered roller and the end face of the flange, the lubricating oil film of the grease is broken. Easier to do. When the lubricating oil film breaks, metal contact occurs, causing a problem that heat generation and frictional wear increase. Therefore, it is necessary to improve the lubricity and the load resistance under high speed and high load, and to prevent the metal contact due to the breakage of the lubricating oil film. The problem is reduced by using an extreme pressure agent-containing grease.
  • an organic metal compound containing a metal selected from nickel, tellurium, selenium, copper, and iron is contained in an amount of 20% by weight or less based on the total amount of grease.
  • a bearing for a railway vehicle in which grease is sealed see Patent Document 3).
  • Patent Documents 1 and 2 are intended to prevent the peeling of the hard film and the like.
  • the DLC film is applied to the obtained rolling bearing in order to satisfy the required characteristics according to the use conditions.
  • the present invention has been made to cope with such a problem, and the DLC film can withstand a high load or a poor lubricating state even when the DLC film comes into contact with another member under slippery conditions or when foreign materials are mixed.
  • An object of the present invention is to provide a rolling bearing having excellent seizure resistance, abrasion resistance, and corrosion resistance by improving the releasability and exhibiting the inherent characteristics of a DLC film.
  • Another object of the present invention is to provide a wheel support device and a main shaft support device for wind power generation to which the rolling bearing is applied.
  • An inner ring having an inner raceway surface on the outer periphery, an outer race having an outer raceway surface on the inner periphery, a plurality of rolling elements rolling between the inner raceway surface and the outer raceway surface, and holding the rolling elements
  • the inner ring, the outer ring, the plurality of rolling elements, and the retainer are rolling bearings made of an iron-based material
  • the hard film includes the inner ring, the outer ring, the rolling elements, and the holding member.
  • WC tungsten carbide
  • the surface layer has an indentation hardness of 10 to 15 GPa.
  • the surface layer has a gradient layer portion having an indentation hardness smaller than the indentation hardness of the surface layer on the side adjacent to the mixed layer.
  • the iron-based material is a high-carbon chromium bearing steel, carbon steel, tool steel, or martensitic stainless steel.
  • the underlayer is a layer mainly composed of Cr and WC.
  • the wheel support device of the present invention is a wheel support device that includes a rolling bearing mounted on an outer diameter surface of an axle and rotatably supports a rotating member that rotates with the wheel by the rolling bearing.
  • the rolling bearing according to the present invention is characterized in that:
  • the rolling bearing is a tapered roller bearing.
  • a large-diameter side end surface of the tapered roller serving as the rolling element and an end surface of a large flange formed on the inner ring make rolling contact and sliding contact.
  • the rolling bearing is a bearing that supports a main shaft to which a blade of a wind power generator is attached, and the bearing includes two rows of rollers arranged in the axial direction as the rolling elements between the inner ring and the outer ring. It is a double-row self-aligning roller bearing in which the outer raceway surface is spherical and the outer peripheral surface of the roller is formed along the outer raceway surface.
  • the inner ring is provided between the two rows of rollers on the outer peripheral surface of the inner ring, and a middle flange that is in sliding contact with an axially inner end face of each row of rollers, and is provided at each end of the outer peripheral surface of the inner ring, A small flange that is in sliding contact with the axially outer end face of each row of rollers, wherein the hard film is formed on the outer peripheral surface of at least one row of the rollers of each row. I do.
  • the main shaft support device for wind power generation of the present invention is a main shaft support device for wind power generation that supports a main shaft to which a blade is attached by one or more bearings installed in a housing, wherein at least one of the bearings is provided.
  • the double-row self-aligning roller bearing wherein in the double-row self-aligning roller bearing, a bearing portion of a row farther from the blade has a larger load capacity than a bearing portion closer to the blade.
  • the rolling bearing of the present invention has a hard film having a predetermined film structure including DLC on a surface of at least one bearing member selected from an inner ring, an outer ring, a rolling element, and a cage, and the hard film is formed of another bearing.
  • the surface layer has an indentation hardness of 9 to 22 GPa, even when it comes into contact with other members under conditions of high load or poor lubrication and slippage, or under conditions where foreign matter is mixed in. Excellent seizure resistance of hard film.
  • the hard film is formed on the rolling surface of the rolling element, has excellent peeling resistance, and can exhibit DLC original characteristics.
  • rolling bearings have excellent seizure resistance, abrasion resistance, and corrosion resistance, and have a long life with little damage to the sliding surface even under severe lubrication conditions including non-lubrication conditions and lubrication environments with foreign substances. Become.
  • the wheel support device of the present invention includes the rolling bearing of the present invention as a rolling bearing mounted on the outer diameter surface of the axle, the sliding surface has excellent friction wear resistance and excellent long-term durability.
  • the main shaft support device for wind power generation of the present invention supports at least the main shaft on which the blades are mounted by the rolling bearing of the present invention, even under high load or poor lubricating conditions and slipping conditions, the hard film can be peeled off. Excellent bearing properties, long bearing life, and maintenance-free.
  • the bearing is a double-row self-aligning roller bearing in which two rows of rollers are arranged in the axial direction between the inner ring and the outer ring, and at least one of the two rows of rollers is provided. Since the hard film is formed on the outer peripheral surface of the wind turbine generator main shaft bearing, a larger thrust load is applied to one of the two rows of rollers.
  • a hard film such as a DLC film has a residual stress in the film, and the residual stress varies greatly depending on the effect of the film structure and the film forming conditions, and as a result, the peeling resistance is also greatly affected. Further, the peeling resistance also changes depending on the conditions under which the hard film is used.
  • the inventors of the present invention have repeatedly verified the lubricating condition is poor (under boundary lubrication) by a reciprocating sliding test or the like under the condition of sliding contact, and as a result, the film structure of the hard film formed on the surface of the rolling bearing is determined. And that the indentation hardness of the hard film surface layer is particularly within a predetermined range, thereby improving the peeling resistance under such conditions.
  • this hard film has excellent peeling resistance even under lubrication conditions in which foreign matter is mixed, which is a condition of actual use of the bearing, and can suppress raceway surface damage due to indentations formed by the foreign matter.
  • the present invention has been made based on such findings.
  • FIG. 1 is a sectional view of a deep groove ball bearing in which a hard film described later is formed on inner and outer raceway surfaces
  • FIG. 2 is a sectional view of a deep groove ball bearing in which a hard film is formed on a rolling surface of a rolling element.
  • the deep groove ball bearing 1 includes an inner race 2 having an inner raceway surface 2a on the outer periphery, an outer race 3 having an outer raceway surface 3a on the inner periphery, and a plurality of rolling elements rolling between the inner raceway surface 2a and the outer raceway surface 3a.
  • the rolling elements 4 are held at regular intervals by a holder 5.
  • the seal member 6 seals the openings at both ends in the axial direction of the inner and outer rings, and seals the grease 7 in the bearing space.
  • a hard film 8 is formed on the outer peripheral surface (including the inner raceway surface 2a) of the inner ring 2, and in the rolling bearing of FIG.
  • the hard film 8 is formed on the outer ring raceway surface 3a (including the outer ring raceway surface 3a)
  • the hard film may be formed on at least one surface of the inner ring, the outer ring, the rolling elements, and the rolling elements according to the application.
  • the hard film 8 is formed on the rolling surface of the rolling element 4. Since the rolling bearing of FIG. 2 is a deep groove ball bearing, the rolling element 4 is a ball, and its rolling surface is the entire spherical surface.
  • the hard film 8 is formed on the rolling element, the hard film 8 is formed at least on a rolling surface (such as a cylindrical outer periphery). I just need.
  • tapered roller bearings used for wheel support devices and double-row self-aligning roller bearings used for main shaft support devices for wind power generation will be described later.
  • the inner ring raceway surface 2 a of the deep groove ball bearing is a circular curved surface having an arc-shaped cross section in the axial direction in order to guide the ball as the rolling element 4.
  • the outer ring raceway surface 3a is also a circular curved surface having an arc-shaped cross section in the axial direction.
  • the radius of curvature of this arc groove is generally about 0.51 to 0.54 dw, where dw is the steel ball diameter.
  • the inner ring raceway surface and the outer ring raceway surface are at least curved in the circumferential direction.
  • the inner raceway surface and the outer raceway surface are curved in the axial direction in addition to the circumferential direction.
  • the inner raceway surface and the outer raceway surface may have any of the above shapes.
  • the inner ring 2, the outer ring 3, the rolling elements 4, and the retainer 5, which are the bearing members on which the hard film 8 is to be formed are made of an iron-based material.
  • the iron-based material any steel generally used as a bearing member can be used, and examples thereof include high-carbon chromium bearing steel, carbon steel, tool steel, and martensitic stainless steel.
  • the surface on which the hard film is formed preferably has a Vickers hardness of Hv650 or more.
  • Hv is 650 or more, the difference in hardness from the hard film (underlayer) can be reduced, and the adhesion can be improved.
  • a nitride layer is formed by a nitriding treatment before the hard film is formed.
  • the nitriding treatment it is preferable to perform a plasma nitriding treatment in which an oxide layer that hinders adhesion is unlikely to be formed on the substrate surface.
  • the hardness of the surface after the nitriding treatment is preferably Vvs hardness of Hv1000 or more in order to further improve the adhesion with the hard film (underlying layer).
  • the surface roughness Ra of the surface on which the hard film is formed is preferably 0.05 ⁇ m or less. If the surface roughness Ra exceeds 0.05 ⁇ m, it becomes difficult to form a hard film at the tip of the roughness protrusion, and the film thickness is locally reduced.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of the hard film 8 in the case of FIG.
  • the hard film 8 includes (1) an underlayer 8a formed directly on the inner raceway surface 2a of the inner race 2, and (2) a WC formed on the underlayer 8a. It has a three-layer structure including a mixed layer 8b mainly composed of DLC and (3) a surface layer 8c mainly composed of DLC formed on the mixed layer 8b.
  • a sudden change in physical properties is avoided by forming the hard film into a three-layer structure as described above.
  • the underlayer 8a is an underlayer formed directly on the surface of each bearing member serving as a base material.
  • the material and structure are not particularly limited as long as they can ensure the adhesion to the base material.
  • Cr, W, Ti, Si, or the like can be used as the material.
  • the underlayer 8a is preferably a layer mainly composed of Cr and WC in consideration of the adhesion to the mixed layer 8b.
  • WC has an intermediate hardness or elastic modulus between Cr and DLC, and hardly causes concentration of residual stress after film formation.
  • the mixed layer 8b is an intermediate layer interposed between the underlayer and the surface layer.
  • the WC used for the mixed layer 8b has an intermediate hardness and elastic modulus between Cr and DLC, and hardly causes residual stress concentration after film formation.
  • the content of WC in the mixed layer is reduced and the content of DLC in the mixed layer is increased continuously or stepwise from the underlayer 8a toward the surface layer 8c. Since the composition is graded, the adhesion on both surfaces of the underlayer 8a and the surface layer 8c is excellent. Further, the structure is such that WC and DLC are physically bonded in the mixed layer, and damage in the mixed layer can be prevented. Furthermore, since the DLC content is increased on the surface layer 8c side, the adhesion between the surface layer 8c and the mixed layer 8b is excellent.
  • the mixed layer 8b is a layer that couples the non-adhesive DLC to the base layer 8a side by WC by an anchor effect.
  • the surface layer 8c is a film mainly composed of DLC.
  • the surface layer 8c preferably has a relaxation layer portion 8d on the side adjacent to the mixed layer 8b. This is because when the film forming condition parameters (the amount of introduced hydrocarbon gas, the degree of vacuum, and the bias voltage) are different between the mixed layer 8b and the surface layer 8c, at least one of the parameters is set to avoid a sudden change of these parameters. This is a relaxation layer portion obtained by changing one of the layers continuously or stepwise. More specifically, the film forming condition parameters for forming the outermost layer of the mixed layer 8b are set as a starting point, and the final film forming condition parameters of the surface layer 8c are set as an end point. Change.
  • the composition ratio of the graphite structure (sp 2 ) and the diamond structure (sp 3 ) in the DLC structure is biased toward the latter, and the hardness is inclined (increased).
  • the indentation hardness of the surface layer of the hard film measured by the ISO14577 method is 9 to 22 GPa, preferably 10 to 21 GPa, more preferably 10 to 15 GPa, further preferably 10 to 15 GPa. ⁇ 13 GPa.
  • the indentation hardness of the relaxation layer is smaller than the indentation hardness of the surface layer 8c, and the indentation hardness of the relaxation layer is, for example, 9 to 10. 22 GPa.
  • the hardness of the relaxation layer is increased continuously or stepwise from the mixed layer side.
  • the thickness of the hard film 8 (total of three layers) is preferably 0.5 to 3.0 ⁇ m. If the film thickness is less than 0.5 ⁇ m, the abrasion resistance and the mechanical strength may be inferior. If it exceeds 3.0 ⁇ m, the film tends to peel off. Further, the ratio of the thickness of the surface layer 8c to the thickness of the hard film 8 is preferably 0.8 or less. If this ratio exceeds 0.8, the gradient structure for physically coupling WC and DLC in the mixed layer 8b tends to be a discontinuous structure, and the adhesion may be deteriorated.
  • the peeling resistance is excellent.
  • the rolling bearing of the present invention by forming a hard film having the above-mentioned structural and physical properties, even when subjected to a load of sliding contact during use, wear and separation of the film can be prevented, and even in a severe lubrication state. Longer life with less damage to raceway surfaces. Further, even under lubricating conditions in which foreign matter is mixed, damage to the raceway surface due to indentations formed by the foreign matter can be suppressed, resulting in a long life.
  • FIG. 4 is a sectional view of the wheel support device of the present invention.
  • a steering knuckle 11 is provided with a flange 12 and an axle 13, and an axle hub 15 as a rotating member is formed by a pair of tapered roller bearings 14a and 14b mounted on the outer diameter surface of the axle 13. It is rotatably supported.
  • the axle hub 15 has a flange 16 on an outer diameter surface, and a stud bolt 17 provided on the flange 16 and a nut 18 threadedly engaged with the stud bolt 17, a brake drum 19 of a brake device, and a wheel disc 20 of a wheel. Is installed.
  • Reference numeral 21 denotes a rim mounted on the outer diameter surface of the wheel disk 20, and a tire is mounted on the rim.
  • the tapered roller bearings 14a and 14b correspond to a wheel supporting device.
  • the back plate 22 of the brake device is attached to the flange 12 of the steering knuckle 11 by tightening stud bolts 17 and nuts 18.
  • the back plate 22 supports a braking mechanism that applies a braking force to the brake drum 19, but is omitted in the drawing.
  • the pair of tapered roller bearings 14a and 14b that rotatably support the axle hub 15 are lubricated by grease sealed in the axle hub 15.
  • a grease cap 23 is attached to the outer end surface of the axle hub 15 so as to cover the tapered roller bearing 14b in order to prevent the grease from leaking from the tapered roller bearing 14b to the outside or infiltrating muddy water from the outside.
  • FIG. 5 is a partially cutaway perspective view showing an example of a tapered roller bearing.
  • the tapered roller bearing 14 includes an inner race 25 having a tapered inner raceway surface 25a on an outer peripheral surface, an outer race 24 having a tapered outer raceway surface 24a on an inner peripheral surface, and an inner raceway surface 25a and an outer raceway surface 24a.
  • a plurality of tapered rollers 27 that roll between them, and a retainer 26 that rotatably holds each tapered roller 27 with a pocket portion are provided.
  • the retainer 26 has a large-diameter ring portion and a small-diameter ring portion connected by a plurality of pillars, and accommodates tapered rollers 27 in pockets between the pillars.
  • a large flange 25c is formed integrally with the large diameter end
  • a small flange 25b is formed integrally with the small diameter end.
  • the inner ring in the tapered roller bearing has a small diameter side and a large diameter side when viewed in the axial direction because it has a tapered inner ring raceway surface, and ⁇ small flange '' is a flange provided at the small diameter side end portion, "Large collar” is a collar provided at the large diameter side end.
  • the rolling surface (tapered surface) 27a of the tapered roller 27 is subjected to rolling friction between the inner raceway surface 25a and the outer raceway surface 24a, and the small diameter end surface (small end surface) 27b of the tapered roller 27 is
  • the tapered roller 27 receives sliding friction with the inner end surface of the small flange 25b, and the large-diameter end surface (large end surface) 27c of the tapered roller 27 receives sliding friction with the inner end surface of the large flange 25c. Rolling friction and sliding friction also occur between the tapered rollers 27 and the retainer 26.
  • the small end surface 27b of the tapered roller 27 is subjected to sliding friction with the end surface of the small diameter ring forming the pocket portion, and the large end surface 27c of the tapered roller 27 is in contact with the end surface of the large diameter ring forming the pocket portion.
  • the grease is sealed to reduce such friction.
  • Known grease for rolling bearings can be used as grease.
  • the wheel supporting device of the present invention is characterized in that a hard film having a predetermined range of indentation hardness is formed on a surface which makes sliding contact between members in the device (particularly under boundary lubrication conditions). Therefore, the hard film is excellent in peeling resistance even when it comes into sliding contact with another member under poor lubrication conditions. Further, when used as a bearing for a wheel supporting device, there is a possibility that foreign matter may enter the bearing from the outside. However, since the hard film is formed, the bearing is excellent in peeling resistance even when foreign matter is mixed. In addition, since the swelling of the indentation formed on the bearing rolling surface is removed by the cutting effect of the hard film, the indentation starting point exfoliation resistance is excellent. Due to the low friction property of the hard film and the effect of preventing metal contact, the seizure resistance of the flange portion of the tapered roller bearing is also excellent.
  • a hard film is provided on the inner ring which is a bearing member.
  • the hard films 28 are formed on the inner end faces of the flanges (small flange 25b, large flange 25c) of the inner ring 25, respectively.
  • the hard film is provided on the collar portion of the inner ring, it is preferable to provide the hard film on at least the inner end face of the large collar, considering that the sliding friction in the large collar is greater than the sliding friction in the small collar.
  • the hard film 28 may be provided on the inner raceway surface 25a.
  • a hard film is provided on a tapered roller that is a bearing member.
  • the hard films 28 are formed on the small end surface 27b and the large end surface 27c, which are the axial end surfaces of the tapered rollers 27, respectively.
  • the hard film 28 may be provided on the rolling surface 27a of the tapered roller 27, and in this case, the hard film is provided on the entire surface of the tapered roller 27.
  • the location where the hard film is formed is not limited to the location shown in FIGS. 5 and 6, and at least one selected from an inner ring, an outer ring, a rolling element, and a cage that are in rolling contact and sliding contact with each other. It can be formed on any surface of the bearing member.
  • a hard film may be formed on the inner end face of the small-diameter ring or the inner end face of the large-diameter ring of the cage that makes rolling contact and sliding contact with the small end face or the large end face of the tapered roller.
  • a hard film may be formed on an inner end surface of the flange.
  • FIGS. 4 to 6 show tapered roller bearings as rolling bearings in the wheel supporting device.
  • any roller bearings that cause rolling sliding motion may be used.
  • cylindrical roller bearings and self-adjusting roller bearings may be used.
  • a roller bearing, a needle roller bearing, a thrust cylindrical roller bearing, a thrust tapered roller bearing, a thrust needle roller bearing, a thrust self-aligning roller bearing, and the like can be used.
  • both ends in the axial direction of the roller and the flanges at both ends in the axial direction of the bearing ring make rolling contact and sliding contact.
  • a wind power generator to which the rolling bearing of the present invention is applied will be described.
  • a large double-row spherical roller bearing 54 as shown in FIG. 10 is often used as a main shaft bearing in a large wind power generator.
  • the main shaft 53 is a shaft to which the blades 52 are attached, rotates by receiving wind force, and the rotation is increased by a speed increaser (not shown) to rotate the generator to generate electricity.
  • the main shaft 53 supporting the blade 52 receives an axial load (bearing thrust load) and a radial load (bearing radial load) due to the wind force applied to the blade 52.
  • the double-row self-aligning roller bearing 54 can simultaneously apply a radial load and a thrust load, and has an aligning property, so that it can absorb the accuracy error of the bearing housing 51 and the inclination of the main shaft 53 due to the mounting error, and The deflection of the main shaft 53 during operation can be absorbed. Therefore, the bearing is suitable as a bearing for a main shaft of a wind power generator (reference: NTN catalog “Bearing for a new generation wind turbine” A65. CAT. No. 8404/04 / JE, May 2003). 1 day).
  • the thrust load is larger than the radial load, and among the double-row rollers 57 and 58, the thrust load is reduced.
  • the receiving rows of rollers 58 will apply exclusively radial and thrust loads simultaneously. Therefore, the rolling fatigue life is shortened. Further, since a thrust load is applied, there is a problem that a sliding motion occurs at the flange and wear occurs. In addition, there is a problem that the load is light on the opposite row, and the rollers 57 slide on the raceway surfaces 55a, 56a of the inner and outer races 55, 56, causing surface damage and wear.
  • the rolling bearing of the present invention can be applied to a main shaft support device for wind power generation as a double-row self-aligning roller bearing.
  • FIGS. 7 is a schematic diagram of the whole wind power generator including the wind power generation spindle support device of the present invention
  • FIG. 8 is a diagram showing the wind power generation spindle support device of FIG. As shown in FIG.
  • the wind power generator 31 includes a double-row self-aligning roller bearing 35 (hereinafter, also simply referred to as a bearing 35) provided with a main shaft 33 to which a blade 32 serving as a wind turbine is attached, installed in a nacelle 34. ) So as to be rotatable, and a speed increasing device 36 and a generator 37 are installed in the nacelle 34.
  • the speed increaser 36 increases the rotation of the main shaft 33 and transmits the rotation to the input shaft of the generator 37.
  • the nacelle 34 is rotatably installed on a support base 38 via a swivel bearing 47 and is swung through a speed reducer 40 (see FIG. 8) by driving of a turning motor 39 (see FIG. 8). .
  • the turning of the nacelle 34 is performed to make the direction of the blade 32 face the wind direction.
  • two bearings 35 for supporting the main shaft are provided in the example of FIG. 8, one bearing may be provided.
  • FIG. 9 shows a double-row self-aligning roller bearing 35 that supports the main shaft of a wind power generator.
  • the bearing 35 has an inner ring 41 and an outer ring 42 which are a pair of races, and a plurality of rollers 43 interposed between the inner and outer rings 41 #, 42.
  • the plurality of rollers are interposed in two rows in the axial direction of the bearing. In FIG. 9, the roller in the row closer to the blade (left row) is 43a, and the roller in the row farther from the blade (right row) is 43a. 43b.
  • the bearing 35 is a radial bearing capable of performing a thrust load.
  • the outer raceway surface 42a of the bearing 35 has a spherical shape, and each roller has a spherical shape having an outer peripheral surface along the outer raceway surface 42a.
  • the inner race 41 is formed with multiple rows of inner raceway surfaces 41a having a cross-sectional shape along the outer peripheral surfaces of the rollers 43a and 43b in each of the left and right rows.
  • Small flanges 41b and 41c are provided at both ends of the outer peripheral surface of the inner ring 41, respectively.
  • a middle flange 41d is provided at the center of the outer peripheral surface of the inner ring 41, that is, between the left-row rollers 43a and the right-row rollers 43b.
  • the rollers 43a and 43b are held by a holder 44 for each row.
  • the outer peripheral surfaces of the rollers 43a and 43b are in rolling contact between the inner raceway surface 41a and the outer raceway surface 42a. Further, the axially inner end face of the roller 43a is in sliding contact with one axial end face of the middle flange 41d, and the axially outer end face of the roller 43a is slidingly contacted with the inner end face of the small flange 41b. Contact. The axially inner end face of the roller 43b is in sliding contact with the other axial end face of the middle flange 41d, and the axially outer end face of the roller 43b is in sliding contact with the inner end face of the small flange 41c. Contact. Grease is sealed to reduce these frictions. Known grease for rolling bearings can be used as grease.
  • the outer ring 42 is fitted and installed on the inner diameter surface of the bearing housing 45, and the inner ring 41 is fitted on the outer periphery of the main shaft 33 and supports the main shaft 33.
  • the bearing housing 45 has side walls 45 a covering both ends of the bearing 35, and a seal 46 such as a labyrinth seal is formed between each side wall 45 a and the main shaft 33. Since the sealing performance can be obtained by the bearing housing 45, the bearing 35 without seal is used.
  • the bearing 35 is a bearing for the main shaft of the wind power generator according to the embodiment of the present invention.
  • the double-row self-aligning roller bearing is characterized in that a hard film having a predetermined structure is formed on a surface that comes into rolling and sliding contact between the roller and another member (particularly under boundary lubrication conditions). Therefore, the hard film is excellent in the peeling resistance even when it comes into contact with another member under conditions of poor lubrication and slippage. Further, when used as a bearing for a main shaft of a wind power generator, there is a possibility that foreign matter may enter the bearing from the outside. However, since the hard film is formed, it is excellent in peeling resistance even in a state where foreign matter has entered. In addition, since the swelling of the indentation formed on the bearing rolling surface is removed by the cutting effect of the hard film, the indentation starting point exfoliation resistance is excellent. As a result, it is possible to exhibit the inherent characteristics of the hard film, to have excellent seizure resistance, abrasion resistance, and corrosion resistance, and to prevent damage due to metal contact of the double row spherical roller bearing.
  • a hard film 48 is formed on the outer peripheral surface of the inner ring 41 as a bearing member.
  • the outer peripheral surface of the inner ring 41 includes a raceway surface 41a, both axial end surfaces of the middle flange 41d, an inner end surface of the small flange 41b, and an inner end surface of the small flange 41c.
  • the hard film 48 is formed on the entire outer peripheral surface of the inner ring 41, and the hard film 48 is also formed on the surface that does not make rolling and sliding contact with the rollers 43a and 43b.
  • the location of the inner ring 41 on which the hard film 48 is formed is not limited to the embodiment shown in FIG.
  • a hard film is formed on at least one of the axial end surfaces of the middle flange 41d, the inner end surface of the small flange 41b, and the inner end surface of the small flange 41c, which are in sliding contact with the rollers 43a and 43b. Is also good.
  • the rollers in the row farther from the blade (rollers 43b) are compared with the rollers in the row closer to the blades (rollers 43a). And receive a large thrust load.
  • boundary lubrication tends to occur particularly at a portion that comes into sliding contact with the roller 43b. Therefore, the hard film may be formed only on the inner end face of the small flange 41c of the small flanges 41b and 41c in consideration of the fact that loads having different sizes act on the two rows of rollers arranged in the axial direction.
  • a hard film is formed on a surface which is in a condition of sliding contact (particularly rolling sliding contact) with another bearing member by boundary lubrication (low lambda condition). Rollers are also rolling between the inner and outer wheels and sliding.
  • the hard film shown in FIG. 9 is used under such conditions. Further, the location where the hard film is formed is not limited to the location shown in FIG. 9, but may be formed on any surface of at least one bearing member selected from the inner ring, the outer ring, the rollers, and the retainer, as described above. can do.
  • the hard film 48 is formed on the outer peripheral surface of the inner ring 41, but the hard film 48 may be formed on the surface of the outer ring 42 and the rollers 43a, 43b instead or in addition.
  • the hard film may be formed on the inner peripheral surface of the outer ring 42 (including the outer ring raceway surface 42a).
  • a hard film may be formed on both end surfaces of each of the rollers 43a and 43b.
  • a configuration in which a hard film is formed only on both end surfaces of the rollers 43b may be adopted. Further, a configuration in which a hard film is formed on the outer peripheral surfaces of the rollers 43a and 43b may be adopted. For example, a configuration may be adopted in which a hard film is formed on the outer peripheral surface of at least one of the rollers in each row.
  • the hard film is obtained by forming an underlayer 8a, a mixed layer 8b, and a surface layer 8c in this order on the film forming surface of the bearing member.
  • the formation of the underlayer 8a and the mixed layer 8b is preferably performed using a UBMS apparatus using Ar gas as a sputtering gas.
  • the principle of film formation in the UBMS method using a UBMS device will be described with reference to the schematic diagram shown in FIG.
  • the substrate 62 is an inner ring, an outer ring, a rolling element, or a cage, which is a bearing member to be formed into a film, and is schematically shown as a flat plate. As shown in FIG.
  • an inner magnet 64 a and an outer magnet 64 b having different magnetic properties at the center and the periphery of the round target 65 are arranged, and while forming a high-density plasma 69 near the target 65, the magnet 64 a , 64b of the magnetic force lines 66 reach the vicinity of the base 62 connected to the bias power supply 61.
  • the effect that the Ar plasma generated at the time of sputtering along the line of magnetic force 66a is diffused to the vicinity of the base material 62 is obtained.
  • Ar ions 67 and electrons travel along a magnetic field line 66a reaching the vicinity of the base material 62 by an ion assist effect that causes the ionized target 68 to reach the base material 62 more than in normal sputtering. And a dense film (layer) 63 can be formed.
  • the underlayer 8a is a layer mainly composed of Cr and WC
  • a Cr target and a WC target are used in combination as the target 65.
  • a WC target and (2) a graphite target and, if necessary, a hydrocarbon-based gas are used. Each time each layer is formed, the target used for each layer is sequentially replaced.
  • the underlayer 8a has a gradient composition of Cr and WC as described above, the composition is continuously or stepwise increased while increasing the sputtering power applied to the WC target and decreasing the power applied to the Cr target. Film.
  • a layer having a structure in which the content of Cr is smaller and the content of WC is higher toward the mixed layer 8b side can be obtained.
  • the mixed layer 8b is formed continuously or stepwise while increasing the sputtering power applied to the graphite target serving as the carbon supply source and decreasing the power applied to the WC target. As a result, a layer having a gradient composition in which the content of WC becomes smaller and the content of DLC becomes higher toward the surface layer 8c side can be obtained.
  • the degree of vacuum in the UBMS device (in the film formation chamber) when forming the mixed layer 8b is preferably 0.2 to 1.2 Pa. Further, the bias voltage applied to the bearing member serving as the base material is preferably 20 to 100 V. By setting such a range, the peeling resistance can be improved.
  • the formation of the surface layer 8c is also preferably performed using a UBMS apparatus using Ar gas as the above-mentioned sputtering gas. More specifically, the surface layer 8c is formed by using this apparatus, using a graphite target and a hydrocarbon-based gas in combination as a carbon supply source, and applying the hydrocarbon-based gas to the introduction amount 100 of Ar gas into the apparatus. It is preferable that the film is formed by depositing carbon atoms generated from a carbon supply source on the mixed layer 8b at a ratio of 1 to 15 introduced. In addition, it is preferable that the degree of vacuum in the apparatus is 0.2 to 0.9 Pa. The preferred conditions will be described below.
  • the indentation hardness and elastic modulus of the DLC film can be adjusted by using a graphite target and a hydrocarbon-based gas together as a carbon supply source.
  • a hydrocarbon-based gas methane gas, acetylene gas, benzene, and the like can be used, and are not particularly limited. However, methane gas is preferable from the viewpoint of cost and handleability.
  • the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas is 1 to 15 (parts by volume), preferably 6 to 15, relative to 100 (parts by volume) of the introduction amount of Ar gas into the UBMS apparatus (in the film formation chamber).
  • the degree of vacuum in the UBMS apparatus is preferably 0.2 to 0.9 Pa as described above. More preferably, it is 0.4 to 0.9 Pa, and still more preferably, it is 0.6 to 0.9 Pa. If the degree of vacuum is less than 0.2 Pa, the amount of Ar gas in the chamber is small, so that Ar plasma is not generated and film formation may not be performed. On the other hand, when the degree of vacuum is higher than 0.9 Pa, the reverse sputtering phenomenon is likely to occur, and the abrasion resistance may be deteriorated.
  • the bias voltage applied to the bearing member serving as the base material is preferably 50 to 150 V.
  • the bias potential with respect to the base material is applied so as to be negative with respect to the ground potential.
  • a bias voltage of 100 V means that the bias potential of the base material is -100 V with respect to the ground potential. Show.
  • a hard film used in the rolling bearing of the present invention a hard film was formed on a predetermined base material, and the physical properties of the hard film were evaluated. Evaluation of peeling resistance and the like was performed using a reciprocating sliding tester and a two-cylinder tester.
  • the base material, UBMS device, sputtering gas, and the like used for the evaluation of the hard film are as follows.
  • Base material properties SUJ2 quenched and tempered product Hardness 780 Hv
  • Substrate SUJ2 flat plate with mirror finish (0.02 ⁇ mRa)
  • Counterpart material SUJ2 ring ( ⁇ 40 ⁇ L12 sub-curvature 60) with grinding finish (0.7 ⁇ mRa)
  • UBMS device manufactured by Kobe Steel; UBMS202
  • Sputtering gas Ar gas
  • the conditions for forming the underlayer will be described below.
  • the inside of the film forming chamber is evacuated to about 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa, the substrate is baked with a heater, the substrate surface is etched with Ar plasma, and then a UBMS method is applied to a Cr target and a WC target by sputtering
  • the power was adjusted, the composition ratio of Cr and WC was inclined, and a Cr / WC gradient layer having a large amount of Cr on the substrate side and a large amount of WC on the surface side was formed.
  • the conditions for forming the mixed layer will be described below.
  • the film was formed by the UBMS method in the same manner as the underlayer.
  • methane gas which is a hydrocarbon-based gas
  • the sputtering power applied to the WC target and the graphite target was adjusted, the composition ratio of WC and DLC was inclined, and WC And a WC / DLC gradient layer having a large amount of DLC on the surface layer side was formed.
  • Fig. 12 is a schematic diagram of a UBMS device.
  • a non-equilibrium magnetic field is applied to a sputter evaporation source material (target) 72 on a substrate 71 placed on a disk 70 to increase the plasma density near the substrate 71 to increase the ion assist effect.
  • This is an apparatus having a UBMS function that can control the characteristics of a film deposited on a base material by performing (see FIG. 11).
  • a composite coating in which a plurality of UBMS coatings (including composition gradients) are arbitrarily combined can be formed on a substrate.
  • a base layer, a mixed layer, and a surface layer are formed as UBMS films on a ring serving as a base material.
  • Examples 1 to 6 Comparative Example 1
  • the substrates shown in Table 1 were ultrasonically cleaned with acetone, and then dried. After drying, this was attached to a UBMS device, and an underlayer and a mixed layer were formed under the above-mentioned forming conditions.
  • a DLC film as a surface layer was formed thereon under the film forming conditions shown in Table 1 to obtain a test piece having a hard film.
  • the hard film of Comparative Example 1 is assumed to be a conventional hard film having the same three-layer film structure as the hard films of Examples 1 to 6.
  • "Vacuum degree" in Table 1 is the degree of vacuum in the film forming chamber in the above-described apparatus. The following tests were performed using the obtained test pieces. The results are also shown in Table 1.
  • the indentation hardness of the obtained test piece was measured using a nanoindenter (G200) manufactured by Agilent Technologies.
  • the measured value shows the average value of the depth (the place where the hardness is stable) which is not affected by the surface roughness, and was measured for each of ten test pieces.
  • ⁇ Thickness test> The thickness of the hard film of the obtained test piece was measured using a surface shape / surface roughness measuring device (Taylor Hobson: Foam Talysurf PGI830). The film thickness was determined by masking a part of the film forming part and calculating the film thickness from a step between the non-film forming part and the film forming part.
  • ⁇ Reciprocating sliding test> Using the reciprocating slide tester shown in FIG. 13, a test for the peeling resistance due to slip was performed on the obtained test piece. As shown in FIG. 13, in the test, first, a base material 73 (test piece) on which a hard film 74 is formed is placed on a pedestal on which a load cell 77 and an acceleration sensor 78 are attached. Then, the silicon nitride sphere 75 on which the load 80 is applied is placed on the hard film 74 of the test piece, and the silicon nitride sphere 75 is reciprocated in the horizontal direction under the following conditions. The silicon nitride sphere 75 is held in a counterpart material holder 76 connected to a vibrator 79.
  • the reciprocating sliding test was performed without lubrication, the load was increased at the following load increasing speed, and the load at which the friction coefficient increased due to peeling of the hard film was defined as the limit load (N).
  • N the load at which the friction coefficient increased due to peeling of the hard film
  • the maximum load was set to 120N
  • the maximum load was set to 100N.
  • the specific test conditions are as follows. (Test condition) Lubrication: No lubrication Sphere: 3/8 inch, silicon nitride sphere Load: 30-80N Load increase rate: 10 N / min Frequency: 60Hz Amplitude: 2mm
  • Table 1 shows the film forming conditions of each layer and the results of the reciprocating sliding test.
  • the test was performed twice for each of the example and the comparative example, and the results of each test are shown.
  • the substrate used and the film forming conditions of the mixed layer were the same.
  • the indentation hardness was 9 to 22 GPa, which was lower than the indentation hardness of the conventional hard film. The critical load tended to be large.
  • Example 7 to 10 Comparative Examples 2 to 4
  • the substrates shown in Table 1 were ultrasonically cleaned with acetone, and then dried. After drying, this was attached to a UBMS device, and an underlayer and a mixed layer were formed under the above-mentioned forming conditions.
  • a DLC film as a surface layer was formed thereon under the film forming conditions shown in Table 2 to obtain a test piece having a hard film.
  • Comparative Example 4 a test piece consisting of the base material itself was used without forming a hard film.
  • “Vacuum degree” in Table 2 is the degree of vacuum in the film forming chamber of the above-described apparatus.
  • the obtained test pieces were subjected to tests using the following two types of two-cylinder testing machines. The hardness test and the film thickness test were performed by the above-described test methods. The results are also shown in Table 2.
  • the two-cylinder testing machine includes a driving-side test piece 81 and a driven-side test piece 82 that comes into rolling and sliding contact. Each test piece (ring) is supported by a support bearing 84, and a load is applied by a load spring 85. Loaded.
  • reference numeral 83 denotes a driving pulley
  • reference numeral 86 denotes a non-contact tachometer.
  • a hard film is formed only on the driven-side test piece 82, and foreign matter is mixed between the drive-side test piece 81 and the driven-side test piece 82 in order to promote peeling of the hard film, and the hard film is peeled off after operation.
  • the sex was evaluated.
  • the specific test conditions are as follows.
  • Lubricating oil VG56 equivalent oil (oil with no foreign matter added) or oil containing the following foreign matter mixed with VG56 equivalent oil (foreign matter added oil)
  • Lubrication method dripping lubrication
  • Foreign matter powdered high-speed steel KHA30 100-180 ⁇ m, 10 g / l Oil temperature: 40-50 ° C
  • Maximum contact surface pressure 2.5 GPa
  • Rotation speed (test piece side) 300 min -1 (Material side) 300 min -1 Time: After operation for 1 hour with foreign matter-added oil, run up to 1 ⁇ 10 6 times with foreign matter-free oil
  • FIG. 15 shows an example of measurement of the height of the indentation rise.
  • the swelling height of the indentation formed on the driving side test piece was about 1.2 to 1.4 ⁇ m.
  • the busbar shape passing through the center of the indentation was acquired, and the maximum value of the busbar corrected by the radius of the test piece was measured as the indentation swelling height. There was a difference in how the swell was cut off in the load moving direction, and the indentation swell height on the upstream side in the load moving direction was adopted. The following formula was used to evaluate the residual ratio of the height of the indentation rise.
  • Lubricating oil VG56 equivalent oil (containing additives)
  • Lubrication method dripping lubrication Indentation condition: 15kgf diamond indenter for Rockwell test Oil temperature: 40-50 ° C
  • Maximum contact surface pressure 2.5 GPa
  • Rotation speed (test piece side) 300 min -1 (Material side) 300 min -1
  • Test cycle Runs up to 1 ⁇ 10 6 load cycles
  • the hard films having relatively high hardness had a high ability to remove the bulge of the indentation of the mating material, but had low peeling resistance under the condition that foreign matter was mixed.
  • the hard films having comparatively low hardness had a reduced indentation removal ability as compared with Comparative Examples 2 and 3, but significantly improved the peeling resistance against inclusion of foreign matter.
  • the indentation hardness was 10 to 15 MPa, almost no peeling of the hard film was observed. This proved that the rolling bearing of the present invention was excellent in peeling resistance even under lubricating conditions in which foreign matter was mixed.
  • the rolling bearing of the present invention for example, the DLC film is formed on the inner and outer raceway surfaces and the rolling surfaces of the rolling elements, and a severe lubricating state (for example, poor lubricating state, slipping contact conditions or foreign matter is mixed). Even when the DLC film is operated under lubricating conditions, the DLC film has excellent peeling resistance and exhibits the characteristics of the DLC body, so that it has excellent seizure resistance, abrasion resistance, and corrosion resistance. For this reason, the rolling bearing of the present invention can be applied to various uses including the use under severe lubrication conditions. In particular, it is suitable for application to a wheel supporting device or a main shaft supporting device for wind power generation.

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Abstract

高荷重または潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下や異物が混入した条件下で他部材と接触する場合でも、ＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮させることで、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる転がり軸受を提供する。深溝玉軸受（１）は、外周に内輪軌道面（２ａ）を有する内輪（２）と、内周に外輪軌道面（３ａ）を有する外輪（３）と、内輪軌道面（２ａ）と外輪軌道面（３ａ）との間を転動する複数の転動体（４）と、転動体（４）を保持する保持器（５）を備え、内輪軌道面（２ａ）等に硬質膜（８）が成膜されてなり、硬質膜（８）が他の軸受部材と転がり接触および滑り接触するものであり、この硬質膜（８）は、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、表面層のＩＳＯ１４５７７法により測定される押し込み硬さが９～２２ＧＰａである。

Description

転がり軸受、車輪支持装置、および風力発電用主軸支持装置
　本発明は、軸受部材である内輪、外輪、転動体、保持器表面にダイヤモンドライクカーボンを含む硬質膜を成膜した転がり軸受に関する。また、該転がり軸受を適用した車輪支持装置や風力発電用主軸支持装置に関する。
　硬質カーボン膜は、一般にダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと記す。また、ＤＬＣを主体とする膜／層をＤＬＣ膜／層ともいう。）と呼ばれている硬質膜である。硬質カーボンはその他にも、硬質非晶質炭素、無定形炭素、硬質無定形型炭素、ｉ－カーボン、ダイヤモンド状炭素など、様々な呼称があるが、これらの用語は明確に区別されていない。
　このような用語が用いられるＤＬＣの本質は、構造的にはダイヤモンドとグラファイトが混ざり合った両者の中間構造を有するものである。ダイヤモンドと同等に硬度が高く、耐摩耗性、固体潤滑性、熱伝導性、化学安定性、耐腐食性などに優れる。このため、例えば、金型・工具類、耐摩耗性機械部品、研磨材、摺動部材、磁気・光学部品などの保護膜として利用されつつある。こうしたＤＬＣ膜を形成する方法として、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理的蒸着（以下、ＰＶＤと記す）法、化学的蒸着（以下、ＣＶＤと記す）法、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング（以下、ＵＢＭＳと記す）法などが採用されている。
　従来、転がり軸受の軌道輪の軌道面や、転動体の転動面、保持器の摺接面などに対し、ＤＬＣ膜を形成する試みがなされている。ＤＬＣ膜は、膜形成時に極めて大きな内部応力が発生し、また高い硬度およびヤング率を持つ反面、変形能が極めて小さいことから、基材との密着性が弱く、剥離しやすいなどの欠点を持っている。このため、転がり軸受における上記各面にＤＬＣ膜を成膜する場合には、密着性を改善する必要性がある。
　例えば、中間層を設けてＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、鉄鋼材料で形成された軌道溝や転動体の転動面に、クロム（以下、Ｃｒと記す）、タングステン（以下、Ｗと記す）、チタン（以下、Ｔｉと記す）、珪素（以下、Ｓｉと記す）、ニッケル、および鉄の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、この下地層の構成元素と炭素とを含有し、炭素の含有率が下地層の反対側で下地層側より大きい中間層と、アルゴンと炭素とからなりアルゴンの含有率が０．０２質量％以上５質量％以下であるＤＬＣ層とが、この順に形成されてなる転動装置が提案されている（特許文献１参照）。
　また、アンカー効果によりＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、軌道面にイオン衝撃処理により１０～１００ｎｍの高さで平均幅３００ｎｍ以下の凹凸を形成し、この軌道面上にＤＬＣ膜を形成した転がり軸受が提案されている（特許文献２参照）。
　例えば、転がり軸受は、自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支持するための車輪支持装置などに適用される。後輪駆動型車両における前輪の如き非駆動輪を支持する車輪支持装置においては、ステアリングナックルに設けられたアクスル（ナックルスピンドル）上に２個の転がり軸受を取付け、その転がり軸受によって回転自在に支持されたアクスルハブの外径面にフランジを設け、このフランジに設けられたスタッドボルトと、これにねじ係合されるナットによってブレーキ装置のブレーキドラムおよび車輪のホイールディスクを取付けるようにしている。また、ステアリングナックルに設けられたフランジにバックプレートを取付け、そのバックプレートによってブレーキドラムに制動力を付与する制動機構を支持するようにしている。上記のような車輪支持装置においては、アクスルハブを回転自在に支持する転がり軸受として、負荷容量の大きい剛性の高い円すいころ軸受が用いられる。この円すいころ軸受は、アクスルとアクスルハブ間に充填されたグリースによって潤滑される。
　車輪支持装置に用いられる転がり軸受は、高速、高荷重という過酷な使用条件のため、特に、円すいころの大径側の端面と鍔部の端面とで滑り運動するため、グリースの潤滑油膜が破断しやすくなる。潤滑油膜が破断すると金属接触が起こり、発熱、摩擦摩耗が増大する不具合が発生する。そのため、高速、高荷重下での潤滑性および耐荷重性を向上させ、潤滑油膜破断による金属接触を防止する必要があり、極圧剤含有グリースを使用して、その不具合を軽減している。
　従来、高速下で、高荷重のかかる車輪支持装置の例として、ニッケル、テルル、セレン、銅、鉄の中から選択される金属を含む有機金属化合物がグリース全量に対して、２０重量％以下含まれることを特徴とするグリースを封入した鉄道車両用軸受が知られている（特許文献３参照）。
　しかしながら、ころ軸受の使用条件がｄＮ値１０万以上という高速条件下での潤滑など過酷になるにつれて、従来のグリースではころ軸受の使用が困難になるなどの問題がある。車輪支持装置用ころ軸受は、内、外輪の軌道面と転動体である「ころ」との間に転がり摩擦が、鍔部と「ころ」との間に滑り摩擦が発生する。転がり摩擦に比べると滑り摩擦は大きいので、使用条件が過酷になると鍔部の焼付きが生じやすくなる。そのためグリースの交換作業等が頻繁になりメンテナンスフリー化を達成できないという問題がある。
特許第４１７８８２６号公報 特許第３９６１７３９号公報 特開平１０－１７８８４号公報
　転がり滑り運動において発生する高い接触面圧下ではフレーキングの防止は容易でなく、特に滑り摩擦により強いせん断力が発生し得るような潤滑・運転条件においてはより困難となる。ＤＬＣ膜の適用が検討される摺動面は、潤滑状態が悪く、滑りを伴うといった状況であることが多く、一般的な転がり軸受における運転状況より厳しい場合が多い。また、異物が混入した状態で使用されることがあるため、その状態での焼き付き、摩耗などを抑制する必要があるが、異物が噛み込んだ際の局所的な高面圧および母材の変形に対しての耐剥離性の確保はさらに困難である。
　上記した特許文献１、２の技術は、硬質膜の剥離防止などを図ったものであるが、得られた転がり軸受について、使用条件に応じた要求特性を満足させるべく、ＤＬＣ膜を適用する際の膜構造や成膜条件には更なる改善の余地がある。
　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、高荷重または潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下や異物が混入した条件下で他部材と接触する場合でも、ＤＬＣ膜の耐剥離性を向上させ、ＤＬＣ膜本来の特性を発揮させることで、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる転がり軸受の提供を目的とする。また、上記転がり軸受を適用した車輪支持装置および風力発電用主軸支持装置の提供を目的とする。
　外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、上記内輪軌道面と上記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体と、上記転動体を保持する保持器とを備え、上記内輪、上記外輪、上記複数の転動体、および上記保持器が鉄系材料からなる転がり軸受であって、硬質膜は、上記内輪、上記外輪、上記転動体、および上記保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に直接成膜される下地層と、該下地層の上に成膜されるタングステンカーバイト（以下、ＷＣと記す）とＤＬＣ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、該硬質膜が他の軸受部材と転がり接触および滑り接触するものであり、上記表面層のＩＳＯ１４５７７法により測定される押し込み硬さが９～２２ＧＰａ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ることを特徴とする。
　上記表面層の押し込み硬さが１０～１５ＧＰａであることを特徴とする。
　上記表面層は、上記混合層との隣接側に、上記表面層の押し込み硬さよりも小さい押し込み硬さの傾斜層部分を有することを特徴とする。
　上記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする。
　上記下地層が、ＣｒとＷＣとを主体とする層であることを特徴とする。
　本発明の車輪支持装置は、アクスルの外径面上に取付けられた転がり軸受を備え、該転がり軸受によって車輪と共に回転する回転部材を回転自在に支持する車輪支持装置であって、上記転がり軸受が、本発明の転がり軸受であることを特徴とする。
　上記転がり軸受が、円すいころ軸受であり、該円すいころ軸受は、上記転動体である円すいころの大径側の端面と、上記内輪に形成された大鍔の端面とが転がり接触および滑り接触する軸受であり、上記円すいころの大径側の端面および上記内輪の大鍔の端面の少なくとも一方に上記硬質膜が形成されていることを特徴とする。
　上記転がり軸受が、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する軸受であり、該軸受が、上記内輪と上記外輪との間に、上記転動体として軸方向に並んで２列にころを介在させ、上記外輪軌道面を球面状とし、上記ころの外周面を上記外輪軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受であることを特徴とする。
　上記内輪は、該内輪の外周面において上記２列のころ間に設けられ、各列のころの軸方向内側の端面と滑り接触する中鍔と、上記内輪の外周面の両端にそれぞれ設けられ、各列のころの軸方向外側の端面と滑り接触する小鍔とを備え、上記各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に上記硬質膜が形成されていることを特徴とする。
　本発明の風力発電用主軸支持装置は、ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受によって支持する風力発電用主軸支持装置であって、上記軸受のうち少なくとも一個が上記複列自動調心ころ軸受であり、該複列自動調心ころ軸受において、上記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとしたことを特徴とする。
　本発明の転がり軸受は、内輪、外輪、転動体、および保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に、ＤＬＣを含む所定の膜構造の硬質膜を有するとともに、該硬質膜が他の軸受部材と転がり接触および滑り接触する条件で使用される軸受である。中間層がＷＣとＤＬＣの混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）であり、傾斜組成とされているので、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。これに加えて、上記表面層は、押し込み硬さが９～２２ＧＰａであるので、特に高荷重または潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下や、異物が混入した条件下で他部材と接触する場合でも硬質膜の耐焼き付き性に優れる。
　上記構造により、該硬質膜は、例えば、転動体の転動面に形成されながら耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本来の特性を発揮できる。その結果、転がり軸受は、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れ、無潤滑状態を含む苛酷な潤滑状態や、異物混入潤滑環境下でも摺動面などの損傷が少なく長寿命となる。
　本発明の車輪支持装置は、アクスルの外径面上に取付けられた転がり軸受として本発明の転がり軸受を備えるので、摺動面の耐摩擦摩耗性に優れ、長期耐久性に優れる。
　本発明の風力発電用主軸支持装置は、ブレードが取付けられた主軸を少なくとも本発明の転がり軸受で支持するので、高荷重または潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下であっても硬質膜の耐剥離性に優れ、軸受の長寿命となり、メンテナンスフリー化にも寄与する。また、該軸受が、内輪と外輪との間に、軸方向に並んで２列にころを介在させた複列自動調心ころ軸受であり、２列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に硬質膜が形成されているので、２列のころのうち一方の列のころに、より大きなスラスト荷重がかかる風力発電機主軸用軸受の特有の使用状態に適している。
本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。 本発明の転がり軸受の他の例を示す断面図である。 硬質膜の構造を示す模式断面図である。 車輪支持装置の一例を示す断面図である。 本発明の円すいころ軸受の一例を示す切欠き斜視図である。 本発明の円すいころ軸受の別例を示す切欠き斜視図である。 風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図である。 風力発電用主軸支持装置を示す図である。 本発明の複列自動調心ころ軸受の模式断面図である。 従来の風力発電機における主軸支持用の軸受を示す図である。 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。 往復動滑り試験機の概要を示す図である。 ２円筒試験機の模式図である。 圧痕の盛り上がり高さの測定例を示す図である。
　ＤＬＣ膜などの硬質膜は膜内に残留応力があり、残留応力は膜構造や成膜条件の影響により大きく異なり、その結果、耐剥離性にも大きな影響を及ぼす。また、耐剥離性は硬質膜が使用される条件によっても変化する。本発明者らは、往復動滑り試験などにより、例えば潤滑状態が悪く（境界潤滑下）、滑り接触する条件下で検証を重ねた結果、転がり軸受の表面に形成する硬質膜について、その膜構造を限定するとともに、特に硬質膜表面層の押し込み硬さを所定範囲内とすることで、該条件下での耐剥離性の向上が図れることを見出した。さらに、この硬質膜は、軸受の実使用条件である、異物が混入した潤滑条件下でも耐剥離性に優れ、異物により形成された圧痕による軌道面損傷を抑制できることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。
　本発明の転がり軸受を図１および図２に基づいて説明する。図１は、内・外輪軌道面に後述の硬質膜を形成した深溝玉軸受の断面図を、図２は転動体の転動面に硬質膜を形成した深溝玉軸受の断面図をそれぞれ示す。深溝玉軸受１は、外周に内輪軌道面２ａを有する内輪２と、内周に外輪軌道面３ａを有する外輪３と、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する複数の転動体４とを備える。転動体４は保持器５により一定間隔で保持されている。シール部材６により、内・外輪の軸方向両端開口部がシールされ、軸受空間にグリース７が封入されている。グリース７としては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。
　例えば図１（ａ）の転がり軸受では、内輪２の外周面（内輪軌道面２ａを含む）に硬質膜８が形成されており、図１（ｂ）の転がり軸受では、外輪３の内周面（外輪軌道面３ａを含む）に硬質膜８が形成されているが、適用用途に応じて内輪、外輪、転動体、および転動体の少なくとも１面に硬質膜が形成してあればよい。
　また、図２の転がり軸受では、転動体４の転動面に硬質膜８が形成されている。図２の転がり軸受は深溝玉軸受であることから、転動体４は玉であり、その転動面は球面全体である。図に示した態様以外の転がり軸受として、円筒ころ軸受や円すいころ軸受を用いる際に、該硬質膜８をその転動体に形成する場合は、少なくとも転動面（円筒外周など）に形成してあればよい。特に、車輪支持装置に用いられる円すいころ軸受や、風力発電用主軸支持装置に用いられる複列自動調心ころ軸受については後述する。
　図１および図２に示すように、深溝玉軸受の内輪軌道面２ａは、転動体４である玉を案内するため、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。同様に、外輪軌道面３ａも、軸方向断面が円弧溝状である円曲面である。この円弧溝の曲率半径は、一般的に鋼球径をｄｗとすると、０．５１～０．５４ｄｗ程度である。また、図に示した態様以外の転がり軸受として、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受を用いる場合では、これらの軸受のころを案内するため、内輪軌道面および外輪軌道面は、少なくとも円周方向で曲面となる。その他、自動調心ころ軸受などの場合、転動体としてたる型ころを用いるので、内輪軌道面および外輪軌道面は、円周方向に加えて、軸方向についても曲面となる。本発明の転がり軸受は、内輪軌道面および外輪軌道面が、以上のいずれの形状であってもよい。
　本発明の深溝玉軸受１において、硬質膜８の成膜対象となる軸受部材である内輪２、外輪３、転動体４、および保持器５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。
　これらの軸受部材において、硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカース硬さで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。
　上記硬質膜が形成される面において、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、基材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ス硬さで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。
　上記硬質膜が形成される面の表面粗さＲａは、０．０５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが０．０５μｍをこえると、粗さの突起先端に硬質膜が形成され難くなり、局所的に膜厚が小さくなる。
　本発明における硬質膜の構造を図３に基づいて説明する。図３は、図１（ａ）の場合における硬質膜８の構造を示す模式断面図である。図３に示すように、該硬質膜８は、（１）内輪２の内輪軌道面２ａ上に直接成膜される下地層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。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、基材となる各軸受部材の表面に直接成膜される下地層である。材質や構造は、基材との密着性を確保できるものであれば特に限定されず、例えば材質としてＣｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉなどが使用できる。これらの中でも、基材となる軸受部材（例えば高炭素クロム軸受鋼）との密着性に優れることから、Ｃｒを含むことが好ましい。 
　また、下地層８ａは、混合層８ｂとの密着性も考慮して、ＣｒとＷＣとを主体とする層であることが好ましい。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が発生し難い。特に、内輪２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、内輪２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、かつ、該混合層中の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、緩和層部分８ｄを有することが好ましい。これは、混合層８ｂと表面層８ｃとで成膜条件パラメータ（炭化水素系ガス導入量、真空度、バイアス電圧）が異なる場合、これらパラメータの急激な変化を避けるために、該パラメータの少なくとも１つを連続的または段階的に変化させることで得られる緩和層部分である。より詳細には、混合層８ｂの最表層形成時の成膜条件パラメータを始点とし、表面層８ｃの最終的な成膜条件パラメータを終点として、各パラメータをこの範囲内で連続的または段階的に変化させる。これにより、混合層８ｂと表面層８ｃとの急激な物性（硬度・弾性率等）の差がなくなり、混合層８ｂと表面層８ｃとの密着性がさらに優れる。なお、バイアス電圧を連続的または段階的に上昇させることで、ＤＬＣ構造におけるグラファイト構造（ｓｐ２）とダイヤモンド構造（ｓｐ３）との構成比率が後者に偏っていき、硬度が傾斜（上昇）する。
　後述の実施例に示すように、無潤滑状態で他部材と滑り接触する場合において硬質膜の耐剥離性を向上させるには、硬質膜の表面層の表面硬さを所定範囲にすることが重要となる。また、異物が混入した潤滑状態で他部材と転がり滑り接触する場合においても該硬質膜の表面層の表面硬さが重要となる。本発明の転がり軸受において、硬質膜の表面層のＩＳＯ１４５７７法により測定される押し込み硬さは９～２２ＧＰａであり、好ましくは１０～２１ＧＰａであり、より好ましくは１０～１５ＧＰａであり、さらに好ましくは１０～１３ＧＰａである。また、表面層８ｃが緩和層部分８ｄを有する構成では、表面層８ｃの押し込み硬さに比べて、緩和層の押し込み硬さは小さくなっており、該緩和層の押し込み硬さは、例えば９～２２ＧＰａである。なお、緩和層は、混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなっている。
　硬質膜８の膜厚（３層の合計）は０．５～３．０μｍ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場合があり、３．０μｍをこえると剥離し易くなる。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からなる３層構造とすることで、耐剥離性に優れる。
　本発明の転がり軸受において、以上のような構造・物性の硬質膜を形成することで、使用時に滑り接触の負荷を受けた場合でも、該膜の摩耗や剥離を防止でき、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。また、異物が混入した潤滑条件下においても、異物により形成された圧痕による軌道面損傷を抑制できるため長寿命となる。また、グリースを封入した転がり軸受において、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、本発明の転がり軸受では、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。
　本発明の転がり軸受を車輪支持装置に適用した例を図４に基づいて説明する。図４は本発明の車輪支持装置の断面図である。図４に示すように、ステアリングナックル１１にはフランジ１２と、アクスル１３とが設けられ、そのアクスル１３の外径面上に取付けた一対の円すいころ軸受１４ａ、１４ｂによって回転部材としてのアクスルハブ１５が回転自在に支持されている。アクスルハブ１５は、外径面にフランジ１６を有し、そのフランジ１６に設けたスタッドボルト１７と、そのスタッドボルト１７にねじ係合したナット１８によってブレーキ装置のブレーキドラム１９、および車輪のホイールディスク２０が取付けられている。２１はホイールディスク２０の外径面に取付けられたリムを示し、そのリム上にタイヤが取付けられる。図４においては、円すいころ軸受１４ａ、１４ｂが車輪支持装置に相当する。
　上記ステアリングナックル１１のフランジ１２にはスタッドボルト１７、ナット１８の締付けによってブレーキ装置のバックプレート２２が取付けられている。バックプレート２２にはブレーキドラム１９に制動力を付与する制動機構が支持されるが、図では省略してある。
　アクスルハブ１５を回転自在に支持する上記一対の円すいころ軸受１４ａ、１４ｂは、アクスルハブ１５内に封入されたグリースによって潤滑される。その円すいころ軸受１４ｂから外部にグリースが漏洩したり、外部から泥水が浸入するのを防止するため、アクスルハブ１５の外側端面に円すいころ軸受１４ｂを覆うようにしてグリースキャップ２３が取付けられている。
　本発明の車輪支持装置の円すいころ軸受の一例について図５により説明する。図５は円すいころ軸受の一例を示す一部切り欠き斜視図である。円すいころ軸受１４は、外周面にテーパ状の内輪軌道面２５ａを有する内輪２５と、内周面にテーパ状の外輪軌道面２４ａを有する外輪２４と、内輪軌道面２５ａと外輪軌道面２４ａとの間を転動する複数の円すいころ２７と、各円すいころ２７をポケット部で転動自在に保持する保持器２６とを備えている。保持器２６は、大径リング部と小径リング部とを複数の柱部で連結してなり、柱部同士の間のポケット部に円すいころ２７を収納している。内輪２５において、大径側端部に大鍔２５ｃ、小径側端部に小鍔２５ｂがそれぞれ一体形成されている。円すいころ軸受における内輪は、テーパ状の内輪軌道面を有することから軸方向に見て小径側と大径側とがあり、「小鍔」は小径側端部に設けられた鍔であり、「大鍔」は大径側端部に設けられた鍔である。
　上記構成において、円すいころ２７の転動面（テーパ面）２７ａは、内輪軌道面２５ａと外輪軌道面２４ａとの間で転がり摩擦を受け、円すいころ２７の小径側の端面（小端面）２７ｂは、小鍔２５ｂの内側端面との間で滑り摩擦を受け、円すいころ２７の大径側の端面（大端面）２７ｃは、大鍔２５ｃの内側端面との間で滑り摩擦を受ける。また、円すいころ２７と保持器２６との間でも転がり摩擦や滑り摩擦が発生する。例えば、円すいころ２７の小端面２７ｂは、ポケット部を形成する小径リングの端面との間で滑り摩擦を受け、円すいころ２７の大端面２７ｃは、ポケット部を形成する大径リングの端面との間で滑り摩擦を受ける。これらの摩擦を低減するために上記グリースが封入されている。グリースとしては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。
　円すいころ軸受１４の使用時には、円すいころ２７が大径側に押圧されることで、大鍔２５ｃと円すいころ２７とが滑り接触する部分の負担が特に大きいため、この部分が損傷しやすく軸受寿命に影響する。
　本発明の車輪支持装置は、該装置内の部材間で（特に、境界潤滑条件下で）滑り接触する表面に所定範囲の押し込み硬さを有する硬質膜が形成されていることを特徴とする。そのため、潤滑状態が悪い条件下で他部材と滑り接触する場合でも該硬質膜の耐剥離性に優れる。また、車輪支持装置用の軸受として使用される場合、軸受内に外部から異物が混入するおそれがあるところ、上記硬質膜が形成されているので、異物が混入した状態でも耐剥離性に優れる。また、軸受転走面に形成された圧痕の盛り上がりが硬質膜による切削効果により除去されるため、圧痕起点剥離耐性に優れる。上記硬質膜の低摩擦性および金属接触の防止の効果により円すいころ軸受の鍔部などの耐焼き付き性にも優れる。
　上記硬質膜の形成箇所について、図５の円すいころ軸受１４では、軸受部材である内輪に硬質膜が設けられている。具体的には、内輪２５の鍔部（小鍔２５ｂ、大鍔２５ｃ）の内側端面に硬質膜２８がそれぞれ形成されている。内輪の鍔部に硬質膜を設ける構成では、大鍔における滑り摩擦の方が小鍔における滑り摩擦よりも大きいことを考慮して、少なくとも大鍔の内側端面に硬質膜を設けることが好ましい。なお、内輪軌道面２５ａに硬質膜２８が設けられていてもよい。
　また、図６の円すいころ軸受１４’では、軸受部材である円すいころに硬質膜が設けられている。具体的には、円すいころ２７の軸方向端面である小端面２７ｂおよび大端面２７ｃに硬質膜２８がそれぞれ形成されている。上記と同様、滑り摩擦を考慮して、少なくとも円すいころの大端面に硬質膜を設けることが好ましい。なお、円すいころ２７の転動面２７ａにも硬質膜２８が設けられていてもよく、その場合は円すいころ２７の表面全体に硬質膜が設けられることになる。
　また、円すいころ軸受において硬質膜の形成箇所は、図５と図６に示す箇所に限定されず、互いに転がり接触および滑り接触する、内輪、外輪、転動体、および保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の任意の表面に形成することができる。例えば、円すいころの小端面や大端面と転がり接触および滑り接触する保持器の小径リングの内側端面や大径リングの内側端面に硬質膜を形成してもよい。また、外輪に小鍔および大鍔が形成された円すいころ軸受では、該鍔部の内側端面に硬質膜を形成してもよい。
　図４～図６では、車輪支持装置における転がり軸受として円すいころ軸受を示したが、軸受部材間で転がり滑り運動が生じる軸受であればよく、円すいころ軸受以外にも、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受などを用いることができる。例えば、円筒ころ軸受の場合、ころの軸方向両端部と軌道輪の軸方向両端の鍔部とが転がり接触および滑り接触する。
　ここで、本発明の転がり軸受が適用される風力発電機について説明する。従来、大型の風力発電機における主軸用軸受には、図１０に示すような大型の複列自動調心ころ軸受５４が用いられることが多い。主軸５３は、ブレード５２が取付けられた軸であり、風力を受けることによって回転し、その回転を増速機（図示せず）で増速して発電機を回転させ、発電する。風を受けて発電している際に、ブレード５２を支える主軸５３は、ブレード５２にかかる風力による軸方向荷重（軸受スラスト荷重）と、径方向荷重（軸受ラジアル荷重）が負荷される。複列自動調心ころ軸受５４は、ラジアル荷重とスラスト荷重を同時に負荷することができ、かつ調心性を持つため、軸受ハウジング５１の精度誤差や、取付誤差による主軸５３の傾きを吸収でき、かつ運転中の主軸５３の撓みを吸収できる。そのため、風力発電用機主軸用軸受に適した軸受であり、利用されている（参考文献：ＮＴＮ社カタログ「新世代風車用軸受」Ａ６５．ＣＡＴ．Ｎｏ．８４０４/０４/ＪＥ、２００３年５月１日発行）。 
　ところで、図１０に示すように、風力発電用の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受においては、ラジアル荷重に比べてスラスト荷重が大きく、複列のころ５７、５８のうち、スラスト荷重を受ける列のころ５８が、もっぱらラジアル荷重とスラスト荷重を同時に負荷することになる。そのため、転がり疲労寿命が短くなる。また、スラスト荷重が負荷されることから、鍔で滑り運動が起こり摩耗を生じると言う問題があった。加えて、反対側の列では軽負荷となり、ころ５７が内外輪５５、５６の軌道面５５ａ、５６ａで滑りを生じ、表面損傷や摩耗を生じるという問題がある。そのため、軸受サイズが大きなものを用いることで対処されるが、軽負荷側では余裕が大きくなり過ぎて、不経済である。また、無人で運転されたり、ブレード５２が大型となるために高所に設置される風力発電機主軸用軸受では、メンテナンスフリー化が望まれる。
　これの対処として、本発明の転がり軸受を複列自動調心ころ軸受として、風力発電用主軸支持装置に適用することができる。本発明の転がり軸受を風力発電用主軸支持装置に適用した例を図７および図８に基づいて説明する。図７は本発明の風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図であり、図８は図７の風力発電用主軸支持装置を示す図である。図７に示すように、風力発電機３１は、風車となるブレード３２が取付けられた主軸３３を、ナセル３４内に設置された複列自動調心ころ軸受３５（以下、単に軸受３５とも言う。）により回転自在に支持し、さらにナセル３４内に増速機３６および発電機３７を設置したものである。増速機３６は、主軸３３の回転を増速して発電機３７の入力軸に伝達するものである。ナセル３４は、支持台３８上に旋回座軸受４７を介して旋回自在に設置され、旋回用のモータ３９（図８参照）の駆動により、減速機４０（図８参照）を介して旋回させられる。ナセル３４の旋回は、風向きにブレード３２の方向を対向させるために行われる。主軸支持用の軸受３５は、図８の例では２個設けられているが、１個であってもよい。
　図９は、風力発電機の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受３５を示す。この軸受３５は、一対の軌道輪となる内輪４１および外輪４２と、これら内外輪４１ 、４２間に介在した複数のころ４３とを有する。複数のころは、軸受の軸方向に２列に並んで介在し、図９では、ブレードに近い方の列（左列）のころが４３ａ、ブレードから遠い方の列（右列）のころが４３ｂとなっている。軸受３５は、スラスト負荷が可能なラジアル軸受である。軸受３５の外輪軌道面４２ａが球面状とされ、各ころは外周面が外輪軌道面４２ａに沿う球面形状のころとされている。内輪４１は、左右各列のころ４３ａ、４３ｂの外周面に沿う断面形状の複列の内輪軌道面４１ａが形成されている。内輪４１の外周面の両端には、小鍔４１ｂ、４１ｃがそれぞれ設けられている。内輪４１の外周面の中央部、すなわち左列のころ４３ａと右列のころ４３ｂ間には、中鍔４１ｄが設けられている。ころ４３ａ、４３ｂは、各列毎に保持器４４で保持されている。
　上記構成において、各ころ４３ａ、４３ｂの外周面は、内輪軌道面４１ａと外輪軌道面４２ａとの間で転がり接触する。また、ころ４３ａの軸方向内側の端面は、中鍔４１ｄの軸方向一方の端面との間で滑り接触し、ころ４３ａの軸方向外側の端面は、小鍔４１ｂの内側端面との間で滑り接触する。また、ころ４３ｂの軸方向内側の端面は、中鍔４１ｄの軸方向他方の端面との間で滑り接触し、ころ４３ｂの軸方向外側の端面は、小鍔４１ｃの内側端面との間で滑り接触する。これらの摩擦を低減するためにグリースが封入されている。グリースとしては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。
　図９において、外輪４２は軸受ハウジング４５の内径面に嵌合して設置され、内輪４１は主軸３３の外周に嵌合して主軸３３を支持している。軸受ハウジング４５は、軸受３５の両端を覆う側壁部４５ａを有し、各側壁部４５ａと主軸３３との間にラビリンスシール等のシール４６が構成されている。軸受ハウジング４５で密封性が得られるため、軸受３５にはシール無しのものが用いられている。軸受３５は、本発明の実施形態にかかる風力発電機主軸用軸受となるものである。
　上記複列自動調心ころ軸受は、ころと他部材間で（特に、境界潤滑条件下で）転がり滑り接触する表面に所定構造の硬質膜が形成されていることを特徴とする。そのため、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも該硬質膜の耐剥離性に優れる。また、風力発電機主軸用軸受として使用される場合、軸受内に外部から異物が混入するおそれがあるところ、上記硬質膜が形成されているので、異物が混入した状態でも耐剥離性に優れる。また、軸受転走面に形成された圧痕の盛り上がりが硬質膜による切削効果により除去されるため、圧痕起点剥離耐性に優れる。その結果、硬質膜本来の特性を発揮でき、耐焼き付き性、耐摩耗性、耐腐食性にも優れ、複列自動調心ころ軸受の金属接触に起因する損傷などを防止できる。
　硬質膜の形成箇所について以下に説明する。図９の形態の軸受３５では、軸受部材である内輪４１の外周面に硬質膜４８が形成されている。内輪４１の外周面は、軌道面４１ａ、中鍔４１ｄの軸方向両端面、小鍔４１ｂの内側端面、小鍔４１ｃの内側端面を含む。図９の形態では、内輪４１の外周面全体に硬質膜４８が形成されており、ころ４３ａ、４３ｂと転がり滑り接触しない面にも硬質膜４８が形成されている。硬質膜４８を形成する内輪４１の箇所は、境界潤滑条件下でころと滑り接触する表面に形成されていれば、図９の形態に限らない。例えば、各ころ４３ａ、４３ｂと滑り接触する、中鍔４１ｄの軸方向両端面や、小鍔４１ｂの内側端面、小鍔４１ｃの内側端面のうち、少なくともいずれかの端面に硬質膜を形成してもよい。
　また、上述したように、風力発電機主軸用軸受として自動調心ころ軸受では、ブレードから遠い方の列のころ（ころ４３ｂ）の方がブレードに近い方の列のころ（ころ４３ａ）に比べて、大きなスラスト荷重を受ける。この場合、ころ４３ｂと滑り接触する箇所では、特に境界潤滑となりやすい。そのため、軸方向に並ぶ２列のころに互いに大きさが異なる荷重が作用することを考慮して、小鍔４１ｂ、４１ｃのうち小鍔４１ｃの内側端面にのみ硬質膜を形成してもよい。
　上記複列自動調心ころ軸受では、他の軸受部材と境界潤滑（低ラムダ条件）で滑り接触（特に、転がり滑り接触）する条件となる表面に硬質膜を形成している。ころは 内外輪との間で転がりつつ滑りも生じている。図９に示す硬質膜は、このような条件下で使用されるものである。また、該硬質膜の形成箇所は、図９に示す箇所に限定されず、上記条件となるような、内輪、外輪、ころ、および保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の任意の表面に形成することができる。
　図９の形態では、内輪４１の外周面に硬質膜４８を形成したが、これに代えてまたは加えて、外輪４２や、各ころ４３ａ、４３ｂの表面に硬質膜４８を形成してもよい。外輪４２に硬質膜を形成する構成では、外輪４２の内周面（外輪軌道面４２ａを含む）に硬質膜を形成するとよい。また、各ころ４３ａ、４３ｂの表面に硬質膜を形成する構成では、各ころ４３ａ、４３ｂの両端面に硬質膜を形成してもよい。また、ころにかかる荷重の違いを考慮して、ころ４３ｂの両端面にのみ硬質膜を形成する構成としてもよい。また、各ころ４３ａ、４３ｂの外周面に硬質膜を形成する構成としてもよい。例えば、各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に硬質膜を形成する構成としてもよい。
　以下、硬質膜の形成方法について説明する。上記硬質膜は、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および混合層８ｂの形成は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用してなされることが好ましい。ＵＢＭＳ装置を用いたＵＢＭＳ法の成膜原理を図１１に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材６２は、成膜対象の軸受部材である内輪、外輪、転動体、または保持器であるが、模式的に平板で示してある。図１１に示すように、丸形ターゲット６５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石６４ａ、外側磁石６４ｂが配置され、ターゲット６５付近で高密度プラズマ６９を形成しつつ、上記磁石６４ａ、６４ｂにより発生する磁力線６６の一部６６ａがバイアス電源６１に接続された基材６２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線６６ａ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６２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６２付近まで達する磁力線６６ａに沿って、Ａｒイオン６７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６８をより多く基材６２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）６３を成膜できる。
　下地層８ａがＣｒとＷＣとを主体とする層である場合は、ターゲット６５としてＣｒターゲットおよびＷＣターゲットを併用する。また、混合層８ｂを形成する際には、（１）ＷＣターゲット、および、（２）黒鉛ターゲットと必要に応じて炭化水素系ガスを用いる。各層の形成毎に、それぞれに用いるターゲットを逐次取り替える。
　下地層８ａにおいて、上述のようなＣｒとＷＣの傾斜組成とする場合は、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。
　混合層８ｂの成膜時におけるＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は０．２～１．２Ｐａであることが好ましい。また、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は２０～１００Ｖであることが好ましい。このような範囲とすることで、耐剥離性の向上が図れる。
　表面層８ｃの形成も、上記のスパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用してなされることが好ましい。より詳細には、表面層８ｃ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１～１５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されたものとすることが好ましい。また、併せて、装置内の真空度を０．２～０．９Ｐａとすることが好ましい。この好適条件について以下に説明する。
　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することで、ＤＬＣ膜の押し込み硬さおよび弾性率を調整できる。炭化水素系ガスとしては、メタンガス、アセチレンガス、ベンゼンなどが使用でき、特に限定されないが、コストおよび取り扱い性の点からメタンガスが好ましい。炭化水素系ガスの導入量の割合を、ＡｒガスのＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）への導入量１００（体積部）に対して１～１５（体積部）、好ましくは６～１５、より好ましくは１１～１３とすることで、表面層８ｃの耐摩耗性などを悪化させずに、混合層８ｂとの密着性の向上が図れる。
　ＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は上記のとおり０．２～０．９Ｐａであることが好ましい。より好ましくは０．４～０．９Ｐａであり、さらに好ましくは０．６～０．９Ｐａである。真空度が０．２Ｐａ未満であると、チャンバー内のＡｒガス量が少ないため、Ａｒプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、真空度が０．９Ｐａより高いと、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。
　基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は５０～１５０Ｖであることが好ましい。なお、基材に対するバイアスの電位は、アース電位に対してマイナスとなるように印加しており、例えば、バイアス電圧１００Ｖとは、アース電位に対して基材のバイアス電位が－１００Ｖであることを示す。
　本発明の転がり軸受に使用する硬質膜として、所定の基材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、往復動滑り試験機および２円筒試験機を用いて耐剥離性などの評価を行なった。
　硬質膜の評価用に用いた基材、ＵＢＭＳ装置、およびスパッタリングガスなどは以下のとおりである。
　（１）基材物性：ＳＵＪ２　焼き入れ焼き戻し品　硬さ７８０Ｈｖ
　（２）基材：鏡面研磨された（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２平板
　（３）相手材：研削仕上げ（０．７μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）
　（４）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２
　（５）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、下地層側でＷＣが多く表面層側でＤＬＣが多いＷＣ／ＤＬＣ傾斜層を形成した。
　表面層の形成条件は、各表に示すとおりである。
　図１２はＵＢＭＳ装置の模式図である。図１２に示すように、円盤７０上に配置された基材７１に対し、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）７２を非平衡な磁場により、基材７１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１１参照）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１～６、比較例１
　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、これを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１に示す成膜条件にて表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。なお、比較例１の硬質膜は、実施例１～６の硬質膜と同様の３層の膜構造を有する従来の硬質膜を想定している。表１における「真空度」は上記装置における成膜チャンバー内の真空度である。得られた試験片を用いて下記に示す各試験を行った。結果を表１に併記する。
＜硬度試験＞
　得られた試験片の押し込み硬さをアジレントテクノロジー社製：ナノインデンタ（Ｇ２００）を用いて測定した。なお、測定値は表面粗さの影響を受けない深さ（硬さが安定している箇所）の平均値を示しており、各試験片１０箇所ずつ測定した。また、得られた押し込み硬さの値から、換算式（ビッカース硬度（ＨＶ）＝押し込み硬さＨIT（Ｎ／ｍｍ2）×０．０９４５）に基づいて、ビッカース硬度に換算した。
＜膜厚試験＞
　得られた試験片の硬質膜の膜厚を表面形状・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）を用いて測定した。膜厚は成膜部の一部にマスキングを施し、非成膜部と成膜部の段差から膜厚を求めた。
＜往復動滑り試験＞
　得られた試験片について図１３に示す往復動滑り試験機を用いて、滑りによる耐剥離性の試験を行った。図１３に示すように、試験ではまず、ロードセル７７および加速度センサ７８が取り付けられた台座に硬質膜７４が形成された基材７３（試験片）を載置する。そして、試験片の硬質膜７４に、荷重８０が負荷された窒化珪素球７５を載せ、下記条件にて窒化珪素球７５を水平方向に往復動させる。窒化珪素球７５は、加振機７９に接続された相手材ホルダ７６に保持されている。往復動滑り試験は無潤滑で行い、下記の負荷増加速度で荷重を増加させ、硬質膜の剥離により摩擦係数が増大したときの荷重を限界荷重（Ｎ）とした。なお、実施例４では最大荷重を１２０Ｎとし、実施例５では最大荷重を１００Ｎとした。具体的な試験条件は以下のとおりである。
（試験条件）
　　潤滑：無潤滑
　　球：３/８インチ、窒化珪素球
　　荷重：３０～８０Ｎ
　　負荷増加速度：１０Ｎ／ｍｉｎ
　　周波数：６０Ｈｚ
　　振幅：２ｍｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に各層の成膜条件および往復動滑り試験の結果を示す。なお、往復動滑り試験は、実施例および比較例についてそれぞれ２回ずつ試験を実施し、各試験の結果をそれぞれ示した。各実施例と各比較例は、使用する基材および混合層の成膜条件は同一である。表１に示すように、表面層の成膜条件を変化させて表面層の押し込み硬さを変化させた結果、押し込み硬さが９～２２ＧＰａと、従来の硬質膜の押し込み硬さよりも低い範囲で限界荷重が大きい傾向を示した。特に、押し込み硬さが１０～１３ＧＰａの場合（実施例１、４、５）では、押し込み硬さが２４．５ＧＰａの場合（比較例１）の場合に比べて、限界荷重が顕著に増大した。これにより、本発明の転がり軸受は、潤滑状態が悪く、滑り接触する条件下でも耐剥離性に優れることが分かった。
実施例７～１０、比較例２～４
　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、これを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２に示す成膜条件にて表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。なお、比較例４は、硬質膜を形成せずに、基材自体からなる試験片とした。表２における「真空度」は上記装置における成膜チャンバー内の真空度である。得られた試験片を、下記に示す２通りの２円筒試験機を用いた試験に供した。なお、硬度試験および膜厚試験は上述の試験方法で行った。結果を表２に併記する。
＜２円筒試験機による耐圧痕性試験＞
　得られた試験片について図１４に示す２円筒試験機を用いて異物混入下での耐剥離性の試験を行なった。この２円筒試験機は、駆動側試験片８１と転がり滑り接触する従動側試験片８２とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受８４で支持されており、負荷用バネ８５により荷重が負荷されている。また、図中の８３は駆動用プーリ、８６は非接触回転計である。従動側試験片８２のみに硬質膜を形成し、該硬質膜の剥離を助長するために駆動側試験片８１と従動側試験片８２の間に異物を混入し、運転後の硬質膜の耐剥離性を評価した。具体的な試験条件は以下のとおりである。
　リング試験片の転動面内で０．５ｍｍ×０．５ｍｍの範囲で明度による２値化を行い剥離部面積を決定し、以下の計算式を用いて計測範囲内での剥離率を算出した。
（計測範囲内での剥離率）＝（剥離部面積）／（２値化対象範囲）×１００［％］
　リング試験片の外周における位置４箇所（０°、９０°、１８０°、２７０°）でそれぞれ算出した上記計測範囲内での剥離率の平均値を剥離率とした。
（試験条件）
　　潤滑油：ＶＧ５６相当油（異物未添加油）またはＶＧ５６相当油に以下の異物を混入した油（異物添加油）
　　給油方式：滴下給油
　　異物：粉末ハイス鋼　ＫＨＡ３０　１００～１８０μｍ 、１０ｇ／ｌ
　　油温：４０～５０℃
　　最大接触面圧：２．５ＧＰａ
　　回転数：（試験片側）３００ ｍｉｎ－１
　　　　　　（相手材側）３００ ｍｉｎ－１
　　時間：異物添加油で１ｈ運転後、異物未添加油で負荷回数１×１０６回まで運転
＜２円筒試験機による圧痕除去性試験＞
　得られた試験片について図１４に示す２円筒試験機を用いて圧痕除去性試験を行なった。従動側試験片８２のみに硬質膜を形成し、相手材である駆動側試験片８１に圧痕を形成した状態で試験を開始し、一定時間ごとに圧痕の盛り上がり部の変化を確認した。初期の圧痕盛り上がり高さ（試験前高さＡ）の時間変化を評価した。図１５に圧痕盛り上がり高さの測定例を示す。駆動側試験片に形成された圧痕の盛り上がり高さは、１．２～１．４μｍ程度であった。圧痕の中心を通る母線形状を取得し試験片半径で補正した母線の最大値を圧痕盛り上がり高さとして計測した。負荷の移動方向に対して盛り上がりの削れ方に差異がみられ、負荷の移動方向の上流側の圧痕盛り上がり高さを採用した。以下の計算式を用い圧痕盛り上がり高さの残存率として評価した。
（圧痕残存率）＝（試験後高さＢ)／（試験前高さＡ）×１００［％］
（試験条件）
　　潤滑油：ＶＧ５６相当油（添加剤含有）
　　給油方式：滴下給油
　　圧痕形成条件：１５ｋｇｆロックウェル試験用ダイヤモンド圧子
　　油温：４０～５０℃
　　最大接触面圧：２．５ＧＰａ
　　回転数：（試験片側）３００ ｍｉｎ－１
　　　　　　（相手材側）３００ ｍｉｎ－１
　　試験サイクル：負荷回数１×１０６回まで運転
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　試験の結果、比較的高硬度の硬質膜（比較例２、３）は、相手材の圧痕盛り上がりを除去する能力が高いものの、異物が混入した条件での耐剥離性が低かった。一方、比較的低硬度の硬質膜（実施例７～１０）は、比較例２、３に比べて、圧痕除去能力は低下したものの、異物混入に対する耐剥離性は大幅に向上した。特に、押し込み硬さが１０～１５ＭＰａの実施例７、８では硬質膜の剥離はほとんど見られなかった。これにより、本発明の転がり軸受は、異物が混入した潤滑条件下でも耐剥離性に優れることが分かった。
　ＤＬＣの適用が検討される摺動面・転動面は潤滑が希薄または滑り速度が速いなど苛酷な潤滑状態であることが多い。特に、異物が混入した潤滑油中での摺動および転動はより苛酷である。本発明の転がり軸受は、例えば、内・外輪軌道面や転動体の転動面にＤＬＣ膜が形成され、苛酷な潤滑状態（例えば、潤滑状態が悪く、滑り接触する条件下や異物が混入した潤滑条件下）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。このため、本発明の転がり軸受は、苛酷な潤滑状態での用途を含め、各種用途に適用可能である。特に、車輪支持装置や風力発電用主軸支持装置への適用に適している。
　１　　深溝玉軸受（転がり軸受）
　２　　内輪
　３　　外輪
　４　　転動体
　５　　保持器
　６　　シール部材
　７　　グリース
　８　　硬質膜
　１１　ステアリングナックル
　１２　フランジ
　１３　アクスル
　１４　円すいころ軸受（転がり軸受）
　１５　アクスルハブ（回転部材）
　１６　フランジ
　１７　スタッドボルト
　１８　ナット
　１９　ブレーキドラム
　２０　ホイールディスク
　２１　リム
　２２　バックプレート
　２３　グリースキャップ
　２４　外輪
　２５　内輪
　２６　保持器
　２７　円すいころ
　２８　硬質膜
　３１　風力発電機
　３２　ブレード
　３３　主軸
　３４　ナセル
　３５　複列自動調心ころ軸受（転がり軸受）
　３６　増速機
　３７　発電機
　３８　支持台
　３９　モータ
　４０　減速機
　４１　内輪
　４２　外輪
　４３　ころ
　４４　保持器
　４５　軸受ハウジング
　４６　シール
　４７　旋回座軸受
　４８　硬質膜

Claims (10)

  1. 　外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体と、前記転動体を保持する保持器とを備え、前記内輪、前記外輪、前記複数の転動体、および前記保持器が鉄系材料からなる転がり軸受であって、
    　硬質膜は、前記内輪、前記外輪、前記転動体、および前記保持器から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の表面に直接成膜される下地層と、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、該硬質膜が他の軸受部材と転がり接触および滑り接触するものであり、
    　前記表面層のＩＳＯ１４５７７法により測定される押し込み硬さが９～２２ＧＰａ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ることを特徴とする転がり軸受。
  2. 　前記表面層の押し込み硬さが１０～１５ＧＰａであることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
  3. 　前記表面層は、前記混合層との隣接側に、前記表面層の押し込み硬さよりも小さい押し込み硬さの傾斜層部分を有することを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
  4. 　前記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
  5. 　前記下地層が、クロムとタングステンカーバイトとを主体とする層であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
  6. 　アクスルの外径面上に取付けられた転がり軸受を備え、該転がり軸受によって車輪と共に回転する回転部材を回転自在に支持する車輪支持装置であって、
    　前記転がり軸受が、請求項１記載の転がり軸受であることを特徴とする車輪支持装置。
  7. 　前記転がり軸受が、円すいころ軸受であり、
    　該円すいころ軸受は、前記転動体である円すいころの大径側の端面と、前記内輪に形成された大鍔の端面とが転がり接触および滑り接触する軸受であり、
    　前記円すいころの大径側の端面および前記内輪の大鍔の端面の少なくとも一方に前記硬質膜が形成されていることを特徴とする請求項６記載の車輪支持装置。
  8. 　前記転がり軸受が、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する軸受であり、該軸受が、前記内輪と前記外輪との間に、前記転動体として軸方向に並んで２列にころを介在させ、前記外輪軌道面を球面状とし、前記ころの外周面を前記外輪軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
  9. 　前記内輪は、該内輪の外周面において前記２列のころ間に設けられ、各列のころの軸方向内側の端面と滑り接触する中鍔と、前記内輪の外周面の両端にそれぞれ設けられ、各列のころの軸方向外側の端面と滑り接触する小鍔とを備え、
    　前記各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に前記硬質膜が形成されていることを特徴とする請求項８記載の転がり軸受。
  10. 　ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受によって支持する風力発電用主軸支持装置であって、
    　前記軸受のうち少なくとも一個が請求項８記載の複列自動調心ころ軸受であり、該複列自動調心ころ軸受において、前記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとしたことを特徴とする風力発電用主軸支持装置。
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