CN114458584A - 一种具有表面压应力的膜片及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种具有表面压应力的膜片及其制备方法和应用，属于压缩机技术领域。具有表面压应力的膜片包括：柔性片状基体和含氮层，柔性片状基体具有相对的两面。含氮层位于柔性片状基体的两面，含氮层产生压应力，含氮层产生的压应力为组织应力。含氮层与柔性片状基体之间的结合是冶金结合。本申请的具有表面压应力的膜片表面形成含氮层，从而使得膜片的两面产生压应力，当膜片处于凹凸(或弯曲)状态时，该压应力能够部分或全部抵消凹凸变形在凸出面产生的拉应力，使凸出表面承受的拉应力减小，甚至使凸出表面承受的应力从拉应力状态转变为压应力状态，从而抑制或阻止裂纹扩展，进而延长膜片的使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及压缩机技术领域，具体而言，涉及一种具有表面压应力的膜片及其制备方法和应用。
背景技术
隔膜式压缩机是一种压缩腔不存在泄漏的气体压缩专用设备。由于其所能提供的密封性能好、压力范围广、压缩比较大，因此被广泛应用于压缩输送高纯气体、贵重稀有气体、有毒有害气体和腐蚀性气体等。膜片是隔膜压缩机的核心部件，活塞推动油腔中的工作油液，进而推动膜片在膜腔中做往复运动，以改变气腔的工作容积，在吸、排气阀的配合下实现无泄漏的周期性工作过程。即膜片的使用寿命对压缩机的无故障运行时间等性能有重要的影响。
影响膜片使用寿命的因素包括外在因素和内在因素两类。其中，外在因素主要有压缩机型腔轮廓尺寸、气体纯洁度、压缩机运行状况等。内在因素主要有膜片材质、膜片硬度等。优化压缩机型腔设计方案可以有效提升膜片的使用寿命，迄今为止，通过优化型腔设计方案延长膜片使用寿命的方法已接近极限。降低膜片表面的粗糙度，也可以提升膜片的寿命，但对此缺乏细致的研究。尽管机械零件表面可以制造的非常光滑，但依然有一些微裂纹，膜片工作时会产生凹凸变形，凸出面的表面上会出现拉应力，如果表面上有微裂纹，则微裂纹在拉应力作用下会扩展，进而导致膜片疲劳开裂失效。
发明内容
本申请提供了一种具有表面压应力的膜片及其制备方法和应用，其能够制得具有表面压应力的膜片，从而长期抑制微裂纹的扩展，延长膜片的寿命。
本申请的实施例是这样实现的：
在第一方面，本申请示例提供了一种具有表面压应力的膜片，其包括：柔性片状基体和含氮层，柔性片状基体具有相对的两面。含氮层位于柔性片状基体的两面，含氮层产生压应力，含氮层产生的压应力为组织应力。含氮层与柔性片状基体之间的结合是冶金结合。
在上述技术方案中，本申请的具有表面压应力的膜片表面形成含氮层，从而使得膜片的两面产生压应力，当膜片处于凹凸(或弯曲)状态时，该压应力能够部分或全部抵消凹凸变形在凸出面产生的拉应力，使凸出表面承受的拉应力减小，甚至使凸出表面承受的应力从拉应力状态转变为压应力状态，从而抑制或阻止裂纹扩展，进而延长膜片的使用寿命。
且本申请的具有表面压应力的膜片的表面压应力为组织应力，其具有持久特性，不会在使用过程中消失，具有长期抑制微裂纹扩展的作用。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的示例中，柔性片状基体为高度为0.3～0.5mm、直径为400～500mm的圆柱形。
可选地，柔性片状基体的材质为奥氏体不锈钢。
在上述示例中，柔性片状基体的材质为奥氏体不锈钢，制得的膜片硬度较高、柔韧性较好。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第二种可能的示例中，含氮层的厚度为0.01～0.03mm。
可选地，含氮层为含氮奥氏体，和/或含氮层为韧性含氮化合物。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第三种可能的示例中，含氮层产生的压应力为300～1000MPa。
第二方面，本申请示例提供了一种上述的具有表面压应力的膜片的制备方法，其包括：准备柔性片状基体，对柔性片状基体的两面进行增氮处理以分别形成含氮层。
含氮层为含氮奥氏体和/或韧性含氮化合物。
在上述技术方案中，本申请的具有表面压应力的膜片的制备方法简便，制得的膜片之表面压应力具有持久特性。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的示例中，上述增氮处理包括盐浴渗氮处理或氮离子注入处理。
在上述示例中，氮离子注入处理能够使得氮原子进入到铁原子晶格的间隙位置，引起晶格畸变，以形成含氮奥氏体层，从而使得膜片的表面产生压应力；盐浴渗氮处理能够在膜片表面形成韧性含氮化合物层，从而使得膜片的表面产生压应力。
结合第二方面，在本申请的第一方面的第二种可能的示例中，上述盐浴渗氮处理的温度为420～500℃。
在上述示例中，在420～500℃下有利于氮原子在较短时间内扩散进入膜片表面形成含氮化合物，使得膜片的表面产生压应力。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第三种可能的示例中，完成上述盐浴渗氮处理后，将柔性片状基体置于400～450℃的盐浴中氧化10～15min。
在上述示例中，完成盐浴渗氮处理后，将柔性片状基体置于400～450℃下继续氧化10～15min，能够调整膜片的表面压应力大小，从而得到表面压应力为300～1000MPa的膜片，同时消除含氮化合物的脆性，使其具有一定的韧性。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第四种可能的示例中，上述柔性片状基体通过以下方法制得：
将奥氏体不锈钢带冲裁成圆坯，将圆坯校平，制得柔性片状基体。
在第三方面，本申请示例提供了一种上述的膜片在隔膜式压缩机中的应用。
在上述技术方案中，本申请的具有持久特性表面压应力的膜片应用到隔膜式压缩机中，能够保证压缩机有较长的无故障运行时间。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1制得的膜片的表面的金相组织图；
图2为本申请实施例1制得的膜片的表面的物相分析结果图，其中S代表含氮奥氏体；
图3为本申请实施例1制得的膜片沿深度方向的应力分布图；
图4为本申请实施例1制得的膜片表面的压痕图；
图5为本申请实施例2制得的膜片的表面的金相组织图；
图6为本申请实施例3制得的膜片的表面的金相组织图；
图7为本申请实施例4制得的膜片的表面的金相组织图；
图8为本申请实施例5制得的膜片的表面的金相组织图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下针对本申请实施例的一种具有表面压应力的膜片及其制备方法和应用进行具体说明：
本申请提供一种具有表面压应力的膜片，其包括：柔性片状基体和含氮层。
柔性片状基体具有相对的两面。含氮层位于柔性片状基体的两面，含氮层产生压应力，含氮层产生的压应力为组织应力。含氮层与柔性片状基体之间的结合是冶金结合。
柔性片状基体的材质为奥氏体不锈钢，制得的膜片硬度较高、柔韧性较好，并可以产生凹凸变形。
柔性片状基体为高度为0.3～0.5mm、直径为400～500mm的圆柱形。
在本申请的一种实施方式中，柔性片状基体为高度为0.4mm、直径为450mm的圆柱形。在本申请的其他一些实施方式中，柔性片状基体的高度还可以为0.3mm、0.35mm、0.45mm或0.5mm，柔性片状基体的直径还可以为400mm、410mm、420mm、430mm、440mm、460mm、470mm、480mm、490mm或500mm。
含氮层为含氮奥氏体和/或韧性含氮化合物。
含氮层的厚度为0.01～0.03mm。
在本申请的一种实施方式中，含氮层的厚度为0.019mm。在本申请的其他一些实施方式中，含氮层的厚度还可以为0.01mm、0.011mm、0.012mm、0.013mm、0.014mm、0.015mm、0.016mm、0.018mm、0.02mm、0.021mm、0.022mm、0.023mm、0.024mm、0.025mm、0.026mm、0.027mm、0.028mm、0.029mm或0.03mm。
含氮层产生的压应力为300～1000MPa。
在本申请的一种实施方式中，含氮层产生的压应力为1000MPa。在本申请的其他一些实施方式中，含氮层产生的压应力还可以为300MPa、400MPa、500MPa、600MPa、700MPa、800MPa或900MPa。
本申请的具有表面压应力的膜片表面形成含氮层，从而使得膜片的两面产生压应力，当膜片处于凹凸(或弯曲)状态时，该压应力能够部分或全部抵消凹凸变形在凸出面产生的拉应力，使凸出表面承受的拉应力减小，甚至使凸出表面承受的应力从拉应力状态转变为压应力状态，从而抑制或阻止裂纹扩展，进而延长膜片的使用寿命。
且本申请的具有表面压应力的膜片的表面压应力为组织应力，其具有持久特性，不会在使用过程中消失，具有长期抑制微裂纹扩展的作用。
本申请还提供一种具有表面压应力的膜片的制备方法，其包括：准备柔性片状基体，对柔性片状基体的两面进行增氮处理以分别形成含氮层。
含氮层为含氮奥氏体和/或韧性含氮化合物。
柔性片状基体可通过以下制备方法制得：
先将奥氏体不锈钢带冲裁形成圆坯，然后将圆坯校平，制得柔性片状基体。
增氮处理包括盐浴渗氮处理或氮离子注入处理。
氮离子注入处理能够使得氮原子进入到铁原子晶格的间隙位置，引起晶格畸变，以形成含氮奥氏体层，从而使得膜片的表面产生压应力；盐浴渗氮处理能够在膜片表面形成韧性含氮化合物层，从而使得膜片的表面产生压应力。
盐浴渗氮处理的温度为420～500℃。
在420～500℃下有利于氮原子扩散进入膜片表面形成含氮化合物，使得膜片的表面产生压应力。
在本申请的一种实施方式中，盐浴渗氮处理的温度为450℃。在本申请的其他一些实施方式中，盐浴渗氮处理的温度还可以为420℃、430℃、440℃、460℃、470℃、480℃、490℃或500℃。
盐浴渗氮处理是在盐浴中进行渗氮的热处理方法。盐浴渗氮处理方法相较于其他渗氮方法，更容易在较短时间内制得具有持久特性的表面压应力的膜片。
为了获得具有预设表面压应力的膜片，即为了获得表面压应力为300～1000MPa的膜片，完成盐浴渗氮处理后，对柔性片状基体进行氧化处理。
氧化处理包括将完成盐浴渗氮处理后的柔性片状基体置于400～450℃的盐浴中氧化10～15min。氧化处理能够使柔性片状基体表面的氮含量降低，从而调整膜片的表面压应力，并消除含氮化合物的脆性，提高含氮化合物层的韧性。
在本申请的一种实施方式中，氧化处理包括将完成盐浴渗氮处理后的柔性片状基体置于400℃的盐浴中氧化10min。在本申请的其他一些实施方式中，氧化处理包括将完成盐浴渗氮处理后的柔性片状基体置于410℃、420℃、430℃、440℃或450℃的盐浴中氧化11min、12min、13min、14min或15min。
相较于盐浴渗氮方法，氮离子注入处理造价昂贵；离子氮化方法可以在膜片表面形成含氮层，压应力的大小及化合物层的脆性与浴渗氮方法接近，但离子氮化方法过程中，膜片边缘容易产生尖端放电，两个平行面上可能因为打弧形成凹坑，进而影响膜片寿命；活性屏离子氮化方法可用于制造膜片的含氮层，但装炉量有限，生产效率较低。
本申请的具有表面压应力的膜片的制备方法简便，制得的膜片之表面压应力具有持久特性。
现有采用机械方法使膜片产生表面压应力的方法，但是此方法制得的具有表面压应力的膜片在使用过程中，会随着隔膜式压缩机的升温而导致表面压应力消失，表面压应力的保持时间较短。
本申请还提供一种上述的膜片在隔膜式压缩机中的应用。
例如，一种隔膜式压缩机，其包括上述的膜片。
本申请的具有持久特性表面压应力的膜片应用到隔膜式压缩机中，能够保证压缩机的无故障运行时间长。
可选地，隔膜式压缩机为氢气压缩机。
以下结合实施例对本申请的一种具有表面压应力的膜片及其制备方法作进一步的详细描述。
实施例1
本申请实施例提供一种具有表面压应力的膜片及其制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备柔性片状基体
以301不锈钢作为原料，将301不锈钢带冲裁形成圆坯，然后将圆坯校平，制得高度为0.4mm、直径为450mm的圆柱形柔性片状基体。
S2、制备膜片
对制得的柔性片状基体的两面分别进行盐浴渗氮处理，盐浴渗氮处理的温度为480℃，时间为5h，然后将完成盐浴渗氮处理的柔性片状基体置于400℃的有氧环境中氧化10min，冷却至室温，制得具有表面压应力的膜片。
实施例2
本申请实施例提供一种具有表面压应力的膜片及其制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备柔性片状基体
以301不锈钢作为原料，将301不锈钢带冲裁形成圆坯，然后将圆坯校平，制得高度为0.4mm、直径为450mm的圆柱形柔性片状基体。
S2、制备膜片
对制得的柔性片状基体的两面分别进行盐浴渗氮处理，盐浴渗氮处理的温度为420℃，时间为8h，然后将完成盐浴渗氮处理的柔性片状基体置于400℃的有氧环境中氧化10min，冷却至室温，制得具有表面压应力的膜片。
实施例3
本申请实施例提供一种具有表面压应力的膜片及其制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备柔性片状基体
以301不锈钢作为原料，将301不锈钢带冲裁形成圆坯，然后将圆坯校平，制得高度为0.4mm、直径为450mm的圆柱形柔性片状基体。
S2、制备膜片
对制得的柔性片状基体的两面分别进行盐浴渗氮处理，盐浴渗氮处理的温度为500℃，时间为5h，然后将完成盐浴渗氮处理的柔性片状基体置于400℃的有氧环境中氧化10min，冷却至室温，制得具有表面压应力的膜片。
实施例4
本申请实施例提供一种具有表面压应力的膜片及其制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备柔性片状基体
以316L不锈钢作为原料，将316L不锈钢带冲裁形成圆坯，然后将圆坯校平，制得高度为0.4mm、直径为450mm的圆柱形柔性片状基体。
S2、制备膜片
对制得的柔性片状基体的两面分别进行盐浴渗氮处理，盐浴渗氮处理的温度为480℃，时间为5h，然后将完成盐浴渗氮处理的柔性片状基体置于450℃的有氧环境中氧化10min，冷却至室温，制得具有表面压应力的膜片。
实施例5
本申请实施例提供一种具有表面压应力的膜片及其制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备柔性片状基体
以301不锈钢作为原料，将301不锈钢带冲裁形成圆坯，然后将圆坯校平，制得高度为0.4mm、直径为450mm的圆柱形柔性片状基体。
S2、制备膜片
对制得的柔性片状基体的两面分别进行盐浴渗氮处理，盐浴渗氮处理的温度为480℃，时间为5h，然后将完成盐浴渗氮处理的柔性片状基体置于500℃的有氧环境中氧化10min，冷却至室温，制得具有表面压应力的膜片。
试验例1
分别取实施例1～5制得的膜片，检测其表面的金相组织，得到的金相组织图如图1、5～8所示，图1中L为19.033μm，图5中L为19.039μm，图6中L为18.545μm，图7中L为18.057μm，图8中L为18.551μm；并检测实施例1制得的膜片的表面的物相，其物相分析结果图如图2所示。
由图1～2、5～8可知，本申请实施例制得的膜片表面形成了厚度为0.01～0.03mm的含氮化合物，主要为氮化铁和氮化铬。
试验例2
取实施例1制得的膜片，分别测得其深度为4μm、7μm、10μm、13μm、16μm和19μm的应力，作出应力分布图，如图3所示。
由图3可知，本申请实施例1制得的膜片的表面压应力达到1000MPa。
试验例3
取实施例1制得的膜片，在其边缘非工作部位用维氏硬度计压出的压痕形貌，压痕周围未见脆裂，参照GB/T11354-2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》评定渗层脆性为1级。
由图4可知，本申请实施例1制得的膜片表面含氮化合物层具有一定的韧性。
试验例4
分别取实施例1制得的膜片，并应用到隔膜式氢气压缩机中，运行1000h后，未见异常，已经超过了常规膜片的寿命。
综上所述，本申请的具有表面压应力的膜片表面形成含氮层，从而使得膜片的两面产生压应力，当膜片处于凹凸(或弯曲)状态时，该压应力能够部分或全部抵消凹凸变形在凸出面产生的拉应力，使凸出表面承受的拉应力减小，甚至使凸出表面承受的应力从拉应力状态转变为压应力状态，从而抑制或阻止裂纹扩展，进而延长膜片的使用寿命。且本申请的具有表面压应力的膜片的表面压应力为组织应力，其具有持久特性，不会在使用过程中消失，具有长期抑制微裂纹扩展的作用。同时，柔性片状基体的材质为奥氏体不锈钢，制得的膜片硬度较高、柔韧性较好。
以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有表面压应力的膜片，其特征在于，所述具有表面压应力的膜片包括：
柔性片状基体，所述柔性片状基体具有相对的两面；
含氮层，所述含氮层位于所述柔性片状基体的两面，所述含氮层产生压应力，所述含氮层产生的压应力为组织应力；
所述含氮层与所述柔性片状基体之间的结合是冶金结合。
2.根据权利要求1所述的具有表面压应力的膜片，其特征在于，所述柔性片状基体为高度为0.3～0.5mm、直径为400～500mm的圆柱形；
可选地，所述柔性片状基体的材质为奥氏体不锈钢。
3.根据权利要求1所述的具有表面压应力的膜片，其特征在于，所述含氮层的厚度为0.01～0.03mm；
可选地，所述含氮层为含氮奥氏体，和/或所述含氮层为韧性含氮化合物。
4.根据权利要求1所述的具有表面压应力的膜片，其特征在于，所述含氮层产生的压应力为300～1000MPa。
5.一种权利要求1～4任一项所述的具有表面压应力的膜片的制备方法，其特征在于，所述具有表面压应力的膜片的制备方法包括：准备柔性片状基体，对所述柔性片状基体的两面进行增氮处理以分别形成所述含氮层；
所述含氮层为含氮奥氏体和/或韧性含氮化合物。
6.根据权利要求5所述的具有表面压应力的膜片的制备方法，其特征在于，增氮处理包括盐浴渗氮处理或氮离子注入处理。
7.根据权利要求6所述的具有表面压应力的膜片的制备方法，其特征在于，所述盐浴渗氮处理的温度为420～500℃。
8.根据权利要求6所述的具有表面压应力的膜片的制备方法，其特征在于，完成所述盐浴渗氮处理后，将所述柔性片状基体置于400～450℃的盐浴中氧化10～15min。
9.根据权利要求5所述的具有表面压应力的膜片的制备方法，其特征在于，所述柔性片状基体通过以下方法制得：
将奥氏体不锈钢带冲裁成圆坯，将所述圆坯校平，制得所述柔性片状基体。
10.一种权利要求1～4任一项所述的具有表面压应力的膜片在隔膜式压缩机中的应用。
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