JP3834617B2

JP3834617B2 - Bearing ball coating method

Info

Publication number: JP3834617B2
Application number: JP2002036212A
Authority: JP
Inventors: 裕治堀野; 昭義茶谷原; 由明杢野; 淳木野村; 信輝坪内
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: JP2003239978A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品、ベアリング、及びコーティング技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空中や潤滑油が使用できない環境下で使用される軸受けとしてのベアリングには、かじりを防止するため２硫化モリブデン等の固体潤滑剤を用いたり、ベアリング球の素材を従来の鋼からセラミックに変更したりするなどして対応されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の潤滑油を使用しないベアリングには、寿命、保守、信頼性、価格に問題があった。固体潤滑剤をコーティングする方法は、使用初期には目的を達するが、固体潤滑剤として用いられている２硫化モリブデンは非常に柔らかい物質であるから簡単に摩耗によって消耗してしまい短寿命となる。また、再利用するため再コーティングするにもベアリングを分解する必要があるなどにより、ベアリングの保守は、ベアリングの交換以外ではほとんど不可能である。最近開発されたセラミックベアリングは、かじりがなく潤滑剤を必要としない優れたものであるが、セラミック材料の欠点である低靱性のため破損による信頼性の低下が問題となる。また、セラミックベアリング球の製造には非常に精密かつ高度な技術が要求されるため低価格化は困難である。
【０００４】
そこで鋼球の表面のみセラミック化、つまりコーティングして強度と無潤滑特性を両立させる試みがなされて来たが、鋼球の表面に優れた密着性をもったコーティングを施す技術がなかったため十分な性能が得られていない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の項１〜項５のベアリング転動体のコーティング方法、その装置、およびその方法により製造されたベアリングに関する。
項１．プラズマ中に置いたベアリング転動体に負の電圧パルスを印加するプラズマイオン注入法を用いることを特徴とする、ベアリング転動体をコーティングする方法。
項２．ベアリング転動体が鋼球で、その鋼球を炭素でコーティングする項１に記載の方法。
項３．真空排気装置を備えたチャンバと、該チャンバ内にガスを導入するガス導入装置と、チャンバ内の所定位置に配置され、ベアリング転動体を転動自在に保持する保持具と、前記保持具を通してベアリング転動体に高電圧パルスを印加する高電圧パルス発生装置と、ベアリング転動体の周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生装置とを備えることを特徴とする、ベアリング転動体をコーティングするための装置。
項４．炭素の傾斜組成層及び炭素コーティングを備えたベアリング転動体。
項５．項２に記載の方法を用いてコーティングしたベアリング球。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下図面に示す実施態様を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
図１に、本発明による装置の例を示す。図１においては、炭素を含むプラズマ中においたベアリング球保持具の上に鋼球を置き、保持具をゆする、あるいは回転させるなどして動かすことによって鋼球をころがして回転させる。保持具に負の0.1〜100kVの高電圧パルスを印加すると、プラズマ中のイオンが鋼球表面に注入される。保持具の接している付近では鋼球表面に注入されないが、鋼球の回転によって均一に注入される。印加高電圧パルスの電圧を必要に応じて次第に低下させ、0〜20kVにすると、注入から成膜に移行し、硬質炭素コーティングが行われる。0.1〜20kVの範囲では、成膜及び注入が起こり、この時成膜が主に起こる。コーティングと基材（鋼球）との界面には、イオン注入によるミキシング層と呼ばれる傾斜組成層が形成され、非常に強固な密着性が得られる。
【０００７】
イオン注入またはコーティングを行なう前に、膜の密着性に悪影響を与える物質による鋼球表面の汚染を取り除くため、アルゴン等の不活性ガスを含むプラズマ中で鋼球をころがして回転させながら、電圧0.1〜20 kV、実施例では10 kV、パルス幅1μsec〜10msec、実施例では5μsec、繰り返し数0.1〜10000 pps、実施例では1000ppsの高電圧パルスを保持具に印加することにより、誘引衝突によるクリーニング（スパッタクリーニング）を行っても良い。
【０００８】
鋼球の表面に均一に注入及びコーティングするための保持具の機構は、図１の他に、真空蒸着で使用されている従来の方法が使用できる。
【０００９】
プラズマの発生方法は、高周波（RF）放電、アーク放電等様々な方法が応用でき、ガス又は固体原料が使用できる。
【００１０】
たとえば、メタン、アセチレン、トルエン等の炭化水素系ガスなどのガス原料の場合、特開2001-26887に記述されている高周波電力と高電圧パルスを同時に供給する技術が応用できる。この時、高周波電力の出力周波数の概念的な数値は数十kHz〜数GHzであり、出力電力は数百W〜数kW（可変）、パルス幅は数μsec〜数msec（可変）、繰り返し数は0.1〜5000 pps（可変）である。また、高電圧パルスの概念的な数値は100 V〜100 kVであり、パルス幅は1μsec〜10 msecである。
【００１１】
固体原料が、鉄、ニッケル、クロムなどの場合、特許2857743号に記述されている真空アークプラズマ源を利用することができる。
【００１２】
本発明におけるベアリング転動体の材料は、鋼に限定されず、金属、半導体のような導電体、セラミック、高分子フィルム材料、繊維等の誘電率を持つものなどからなるものである。
【００１３】
本発明におけるベアリング転動体は、任意の大きさを有する。ベアリング転動体の形状の例として、球状、円筒形、針状、円錐台形、たる形などが挙げられる。
【００１４】
ベアリング転動体上に形成されるミキシング層の厚みは、1〜数百 nmで、厚いほうが好ましい。しかし、この厚さの上限は保持具に印加できるパルス電圧の最大値と注入元素、および転動体の材質によって決まり、メタンプラズマ中で、100kVのパルス電圧を加えて鉄球に注入を行う場合、120 nm程度となる。また、その上のコーティング層の厚みは、数10 nm〜数十μmで、好ましくは1〜10μmである。
【００１５】
ベアリング転動体の保持具は、ゆすられたり、回転したりするので、ベアリング転動体が落ちないように、周囲が盛り上がったような形状をしている。また、保持具の材質としては、導電性のものであれば良く、ステンレス等の金属板あるいは転動体が落下しない程度の隙間をもつ金属メッシュなどが挙げられる。
【００１６】
本発明のベアリング転動体をコーティングするための装置（図１）は、一般的なプラズマイオン注入にも適用できる。
【００１７】
本発明は、ベアリング転動体以外の機械部品、例えば、車の金属ベルト、航空用部品や、車のチェーン、摩擦を受けるもの全てに使うことができる。また、本発明によりコーティングされたものに、さらに潤滑油などを用いることで、耐久性をさらに上げることもできる。
【００１８】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。
【００１９】
実施例１
実施例１において、特開2001-26887に記述されている高周波電力と高電圧パルスを同時に供給する技術を応用した、図２に示された装置を用いた。
【００２０】
図２に示す装置において、真空排気後、ステンレス球をのせた保持具を回転させながら、真空度0.5 Paまでメタンガスとアルゴンガスの混合ガス（混合比１：１）を導入し、13.56MHzの高周波電力をパルス状（幅50μsec、繰り返し数1 kpps）に印加するとともに、各パルスの100 μsec後に電圧10 kV、パルス幅5 μsecの高電圧パルスをフィードスルー（高電圧導入部）を通して、保持具に印加することにより、30分かけて表面のクリーニングを行う。
【００２１】
次に、保持具を回転させながら、真空度1.5 Paまでメタンガスを導入し、13.56MHzの高周波電力をパルス状（幅50μsec、1 kpps）に印加するとともに、各パルスの100 μsec後に電圧10 kV、パルス幅10 μsecの高電圧パルスを、フィードスルーを通して、保持具に印加する。その後、5時間保持して、硬質炭素コーティングを行った。この結果、膜厚0.4 μmの硬質炭素がステンレス球の全面の表面に均一に形成された。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマイオン注入法を応用して、ベアリング用などの鋼球に高い密着性及び耐久性を持った硬質コーティングを行うことができる。
【００２３】
上記のようにコーティングした鋼球を用いて潤滑剤を必要としないベアリングを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ベアリング転動体コーティング装置を示す。
【図２】図２は、実施例１で使用したベアリング球コーティング装置を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to mechanical parts, bearings, and coating technology.
[0002]
[Prior art]
For bearings used as bearings in vacuum or in environments where lubricating oil cannot be used, solid lubricants such as molybdenum disulfide are used to prevent galling, and the material of the bearing balls is changed from conventional steel to ceramic. It has been supported by doing.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional bearings that do not use lubricants have problems in life, maintenance, reliability, and price. The method of coating a solid lubricant achieves its purpose at the beginning of use, but molybdenum disulfide used as a solid lubricant is a very soft substance, so it is easily consumed by wear and has a short life. In addition, maintenance of the bearing is almost impossible except for replacement of the bearing because the bearing needs to be disassembled for re-coating for reuse. Recently developed ceramic bearings are excellent without galling and needing a lubricant, but due to the low toughness, which is a drawback of ceramic materials, there is a problem of reduced reliability due to breakage. In addition, the production of ceramic bearing balls requires very precise and advanced technology, so it is difficult to reduce the price.
[0004]
Therefore, attempts have been made to ceramicize only the surface of the steel ball, that is, to achieve both strength and non-lubricating properties by coating, but there was no technology to apply a coating with excellent adhesion to the surface of the steel ball. Performance has not been obtained.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a bearing rolling element coating method according to items 1 to 5 below, an apparatus thereof, and a bearing manufactured by the method.
Item 1. A method for coating a bearing rolling element, characterized by using a plasma ion implantation method in which a negative voltage pulse is applied to the bearing rolling element placed in plasma.
Item 2. Item 2. The method according to Item 1, wherein the bearing rolling element is a steel ball and the steel ball is coated with carbon.
Item 3. A chamber provided with an evacuation device, a gas introduction device for introducing a gas into the chamber, a holder disposed at a predetermined position in the chamber and holding a bearing rolling element in a freely rolling manner, and a bearing through the holder; An apparatus for coating a bearing rolling element, comprising: a high voltage pulse generator that applies a high voltage pulse to the rolling element; and a plasma generator that generates plasma around the bearing rolling element.
Item 4. A rolling element having a carbon gradient composition layer and a carbon coating.
Item 5. A bearing ball coated using the method according to Item 2.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 shows an example of a device according to the invention. In FIG. 1, a steel ball is placed on a bearing ball holder placed in a plasma containing carbon, and the steel ball is rolled and rotated by moving the holder by shaking or rotating it. When a negative high voltage pulse of 0.1 to 100 kV is applied to the holder, ions in the plasma are injected into the steel ball surface. Although it is not injected into the surface of the steel ball near the holder, it is injected uniformly by the rotation of the steel ball. When the voltage of the applied high voltage pulse is gradually lowered as necessary and is set to 0 to 20 kV, the process shifts from implantation to film formation and hard carbon coating is performed. In the range of 0.1 to 20 kV, film formation and implantation occur, and film formation mainly occurs at this time. A gradient composition layer called a mixing layer by ion implantation is formed at the interface between the coating and the base material (steel ball), and very strong adhesion is obtained.
[0007]
Before performing ion implantation or coating, in order to remove contamination of the steel ball surface by substances that adversely affect the adhesion of the film, the steel ball is rolled and rotated in a plasma containing an inert gas such as argon while a voltage of 0.1 is applied. ~ 20 kV, 10 kV in the example, pulse width 1 μsec to 10 msec, 5 μsec in the example, repetition rate 0.1 to 10000 pps, 1000 pps in the example, by applying a high voltage pulse to the holder, cleaning by induced collision ( Sputter cleaning may be performed.
[0008]
As a holding mechanism for uniformly injecting and coating the surface of a steel ball, a conventional method used in vacuum deposition can be used in addition to FIG.
[0009]
As a method for generating plasma, various methods such as radio frequency (RF) discharge and arc discharge can be applied, and a gas or solid material can be used.
[0010]
For example, in the case of gas raw materials such as hydrocarbon gases such as methane, acetylene, and toluene, the technology for simultaneously supplying high-frequency power and high-voltage pulses described in JP-A-2001-26887 can be applied. At this time, the conceptual value of the output frequency of the high frequency power is several tens of kHz to several GHz, the output power is several hundred W to several kW (variable), the pulse width is several μsec to several msec (variable), and the number of repetitions Is 0.1 to 5000 pps (variable). The conceptual value of the high voltage pulse is 100 V to 100 kV, and the pulse width is 1 μsec to 10 msec.
[0011]
When the solid raw material is iron, nickel, chromium or the like, a vacuum arc plasma source described in Japanese Patent No. 2857743 can be used.
[0012]
The material of the bearing rolling element in the present invention is not limited to steel, and is made of a metal, a conductor such as a semiconductor, a ceramic, a polymer film material, or a material having a dielectric constant such as fiber.
[0013]
The bearing rolling element in the present invention has an arbitrary size. Examples of the shape of the bearing rolling element include a spherical shape, a cylindrical shape, a needle shape, a truncated cone shape, and a barrel shape.
[0014]
The thickness of the mixing layer formed on the bearing rolling element is preferably 1 to several hundred nm, and is preferably thicker. However, the upper limit of this thickness is determined by the maximum value of the pulse voltage that can be applied to the holder, the injection element, and the material of the rolling element.In the methane plasma, when a pulse voltage of 100 kV is applied to the iron ball, About 120 nm. Further, the thickness of the coating layer thereon is several tens of nm to several tens of μm, preferably 1 to 10 μm.
[0015]
Since the bearing rolling element holder is shaken or rotated, the bearing rolling element has a shape that is raised so that the bearing rolling element does not fall. Further, the material of the holder may be conductive, and examples thereof include a metal plate such as stainless steel or a metal mesh having a gap that does not drop the rolling elements.
[0016]
The apparatus (FIG. 1) for coating the bearing rolling element of the present invention can also be applied to general plasma ion implantation.
[0017]
The present invention can be used for machine parts other than rolling elements, such as car metal belts, aviation parts, car chains, and parts that receive friction. Further, the durability can be further increased by further using a lubricating oil or the like for the coating according to the present invention.
[0018]
【Example】
Examples are shown below to further clarify the features of the present invention.
[0019]
Example 1
In Example 1, the apparatus shown in FIG. 2 to which the technology for simultaneously supplying the high frequency power and the high voltage pulse described in JP-A-2001-26887 was applied was used.
[0020]
In the apparatus shown in FIG. 2, after vacuum evacuation, while rotating a holder with stainless steel balls, a mixed gas of methane gas and argon gas (mixing ratio 1: 1) is introduced to a vacuum degree of 0.5 Pa, and a high frequency of 13.56 MHz is introduced. Electric power is applied in pulses (width 50 μsec, repetition rate 1 kpps), and after 100 μsec of each pulse, a high voltage pulse with a voltage of 10 kV and a pulse width of 5 μsec is passed through the feedthrough (high voltage introduction part) to the holder. When applied, the surface is cleaned over 30 minutes.
[0021]
Next, while rotating the holder, methane gas was introduced to a vacuum degree of 1.5 Pa, high frequency power of 13.56 MHz was applied in a pulse form (width 50 μsec, 1 kpps), and a voltage of 10 kV after 100 μsec of each pulse, A high voltage pulse with a pulse width of 10 μsec is applied to the holder through the feedthrough. Thereafter, it was held for 5 hours to perform hard carbon coating. As a result, hard carbon having a thickness of 0.4 μm was uniformly formed on the entire surface of the stainless steel sphere.
[0022]
【The invention's effect】
According to the present invention, a hard coating having high adhesion and durability can be applied to a steel ball for bearings or the like by applying a plasma ion implantation method.
[0023]
A bearing that does not require a lubricant can be produced using the steel balls coated as described above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a bearing rolling element coating apparatus.
FIG. 2 shows a bearing ball coating apparatus used in Example 1.

Claims

While rotating the rolling element of the bearing placed in the plasma, the bearing
Which comprises using a plasma ion implantation method applying a negative voltage pulse to the rolling elements, a method of coating the bearing rolling elements.

The method for coating a bearing rolling element according to claim 1, wherein high-frequency power is applied to the bearing rolling element together with a negative voltage pulse .

The method according to claim 1 or 2 , wherein the bearing rolling element is a steel ball, and the steel ball is coated with carbon.

A chamber provided with an evacuation device, a gas introduction device for introducing a gas into the chamber, a holder disposed at a predetermined position in the chamber and holding a bearing rolling element in a freely rolling manner, and a bearing through the holder; An apparatus for coating a bearing rolling element, comprising: a high voltage pulse generator that applies a high voltage pulse to the rolling element; and a plasma generator that generates plasma around the bearing rolling element.

Furthermore, a high frequency power is applied to the bearing rolling element through the holder.
The apparatus for coating a bearing rolling element according to claim 4, comprising a frequency power generation device.