CN104727970B - 一种铝基复合材料发动机活塞及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有更高机械强度的铝基复合材料发动机活塞，包括高强度支撑骨架和耐磨损填充铝料；所述高强度支撑骨架由表面涂覆有碳化硅的长碳纤维缠绕排布而成，且包括活塞顶部增强缠绕结构和活塞裙部销孔增强缠绕结构；在前一结构中，位于活塞顶部的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维其两端延伸至活塞裙部；在后一结构中，位于活塞销孔处的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维围绕活塞销孔绕一圈后两端反向围绕活塞裙部延伸，且所述活塞顶部增强缠绕结构缠绕在所述活塞裙部销孔增强缠绕结构外；所述耐磨损填充铝料为短碳纤维增强铝基复合材料。本发明还公开了上述铝基复合材料发动机活塞的制备方法。

Description

一种铝基复合材料发动机活塞及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料发动机活塞及其制备工艺，属于铝基复合材料发动机活塞生产制造技术领域。

背景技术

发动机活塞是关系发动机和整车性能的重要零部件，发动机在工作的时候，活塞顶部的温度可达到400℃，而且活塞需要瞬时接触爆炸燃烧的高温气体，瞬时接触的温度可达2000℃以上，同时需要承受燃油爆炸燃烧产生5～10 MPa甚至更高的巨大气压，因而要求发动机活塞具有高温状态下强度高且耐磨损等特点。此外，随着发动机向大功率、大扭矩、低油耗、低噪声、低排放的方向发展，同时还要求发动机活塞具有质轻、热膨胀系数小、导热性好等特点。为了使发动机活塞满足上述耐高温、耐磨、耐蚀等性能的要求，现有技术中的发动机活塞通常采用纤维增强铝基复合材料来生产制造高功率的重型发动机活塞。

中国专利文献CN 101775563 B公开的一种碳纤维增强的铝基活塞材料及其制备方法，提供了现有技术中常用的铝基复合材料发动机活塞的制备方法，其主要工艺为：将表面涂覆有碳化硅的短碳纤维预热至500～600℃，然后直接加入740～780℃的熔融铝液中，通过频率为20 KHz的超声波传感器对熔融铝液和表面涂覆有碳化硅的短碳纤维进行搅拌，使之混合均匀；然后将混合均匀的熔融液浇注到预热温度为150℃的金属型模具中浇铸成型，最后经T6热处理即制得。

发明内容

本发明对现有技术中铝基复合材料发动机活塞及其制备工艺作出进一步地改进，提供一种机械强度更高的铝基复合材料发动机活塞，并优化其制备工艺。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种铝基复合材料发动机活塞及其制备工艺，包括：高强度支撑骨架和包覆在所述高强度支撑骨架外并用于填充成型的耐磨损填充铝料；

所述高强度支撑骨架由表面涂覆有碳化硅的长碳纤维缠绕排布而成，所述高强度支撑骨架包括活塞顶部增强缠绕结构和活塞裙部销孔增强缠绕结构；在所述活塞顶部增强缠绕结构中，位于活塞顶部的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维其两端延伸至活塞裙部；在所述活塞裙部销孔增强缠绕结构中，位于活塞销孔处的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维围绕活塞销孔绕一圈后两端反向围绕活塞裙部延伸，且所述活塞顶部增强缠绕结构缠绕在所述活塞裙部销孔增强缠绕结构外；

所述耐磨损填充铝料为短碳纤维增强铝基复合材料。

本发明提供的铝基复合材料发动机活塞与现有技术相比较，具有以下优点：

本发明所述的铝基复合材料发动机活塞，以高强度支撑骨架增强机械强度，以耐磨损填充铝料保证耐磨性能，由于全部采用高强度支撑骨架则会增加碳纤维的用量而导致铝基的量不足，难以保证导热性、耐温性和耐蚀性等性能，而仅用少量的高强度支撑骨架，而用不含碳纤维增强的单纯的铝基作为填充铝料，则难以满足发动活塞耐磨损性能的要求。

此外，本发明提供的优选地高强度支撑骨架包括活塞顶部增强缠绕结构和活塞裙部销孔增强缠绕结构：

活塞顶部增强缠绕结构是考虑到活塞工作时，活塞顶部的作用力需要通过活塞裙部传递至连杆，连杆的力也需要通过活塞裙部传递至活塞顶部，因此活塞裙部和活塞顶部之间的连接至关重要，通过使位于活塞顶部的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维其两端延伸至活塞裙部，从而使活塞顶部施加的力分散到整个活塞裙部，使活塞裙部施加的力分散到整个活塞顶部，而不仅仅只是活塞裙部和活塞顶部之间的连接处受力。

活塞裙部销孔增强缠绕结构是考虑到活塞销孔用于连接连杆，磨损较严重且承受较大的撞击力，容易老化开裂，因此表面涂覆有碳化硅的长碳纤维围绕活塞销孔绕一圈，使活塞销孔耐磨性能大幅提高，且可以使受撞击部位的力可以分散至活塞销孔四周，同时表面涂覆有碳化硅的长碳纤维围绕活塞销孔绕一圈后两端反向围绕活塞裙部延伸，使活塞销孔受到的力分散至活塞裙部四周，再通过缠绕在所述活塞裙部销孔增强缠绕结构外所述活塞顶部增强缠绕结构将力均匀传递至活塞顶部，活塞顶部至活塞销孔的力也同理反向传递，以避免使作用力集中于活塞销孔与活塞顶部之间的连线位置造成机械强度的短板。

本发明同时也提供了上述铝基复合材料发动机活塞的制备工艺，包括以下步骤：

步骤一、制备表面涂覆有碳化硅的长碳纤维：通过送丝轮放丝和收丝轮牵引，使长碳纤维浸入碳化硅混杂悬浮液中，然后依次经过低温干燥、中温干燥脱水、高温脱水致密化处理后备用；

步骤二、制备表面涂覆有碳化硅的短碳纤维：将长碳纤维切短，浸入碳化硅混杂悬浮液中，超声震荡，然后依次经过低温干燥打散、中温干燥脱水再打散、高温脱水致密化处理后备用；

步骤三、制备高强度支撑骨架：将步骤一制备的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维缠绕排布成具有顶部、裙部和销孔的活塞骨架结构，表面涂覆有碳化硅的长碳纤维先围绕活塞销孔绕一圈后两端反向围绕活塞裙部延伸，缠绕形成活塞裙部和活塞销孔，然后再由活塞裙部一侧经活塞顶部向活塞裙部另一侧缠绕，使位于活塞顶部的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维其两端均延伸至活塞裙部；

步骤四、耐磨损填充铝料填充成型：将步骤三制得的高强度支撑骨架置于浇注模中，然后将步骤二制得的表面涂覆有碳化硅的短碳纤维经预热后与熔融铝液混合，经超声充分混合均匀后浇注到浇注模中，使活塞浇铸成型，最后经T6热处理即制得。

本发明提供的铝基复合材料发动机活塞的制备工艺与现有技术相比较，除具有上述铝基复合材料发动机活塞产品的优点外，还具有以下优点：

本发明的制备工艺有区别的制备表面涂覆有碳化硅的长碳纤维和表面涂覆有碳化硅的短碳纤维，由于短碳纤维断面的面积占总表面积的比重较大，因此本发明采用先将长碳纤维切短然后再进行浸入碳化硅混杂悬浮液中的工艺制备表面涂覆有碳化硅的短碳纤维，从而避免短碳纤维断面与熔融铝液产生界面反应，从而进一步提高耐磨损填充铝料的品质性能，使铝基复合材料发动机活塞的耐磨性能好。

附图说明

图1为本发明所述的一种铝基复合材料发动机活塞的高强度支撑骨架侧面结构示意图（为便于表示结构，图中的弧面为展平后的视图）；

图2为本发明所述的一种铝基复合材料发动机活塞的高强度支撑骨架顶面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1和图2所示，为本发明所述的一种铝基复合材料发动机活塞结构示意图。本发明所述一种铝基复合材料发动机活塞，包括：高强度支撑骨架和包覆在所述高强度支撑骨架外并用于填充成型的耐磨损填充铝料；所述高强度支撑骨架由表面涂覆有碳化硅的长碳纤维缠绕排布而成，所述高强度支撑骨架包括活塞顶部增强缠绕结构1和活塞裙部销孔增强缠绕结构2；在所述活塞顶部增强缠绕结构1中，位于活塞顶部3的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维其两端延伸至活塞裙部4；在所述活塞裙部销孔增强缠绕结构2中，位于活塞销孔5处的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维围绕活塞销孔5绕一圈后两端反向围绕活塞裙部4延伸，且所述活塞顶部增强缠绕结构1缠绕在所述活塞裙部销孔增强缠绕结构2外；所述耐磨损填充铝料为短碳纤维增强铝基复合材料。

上述铝基复合材料发动机活塞的制备工艺包括以下步骤：

步骤一、制备表面涂覆有碳化硅的长碳纤维：通过送丝轮放丝和收丝轮牵引，使长碳纤维浸入碳化硅混杂悬浮液中，然后依次经过低温干燥、中温干燥脱水、高温脱水致密化处理后备用；具体地，步骤一详细工艺参数可以参考中国专利文献CN 1059937 C中记载的内容。

步骤二、制备表面涂覆有碳化硅的短碳纤维：将长碳纤维切短，浸入碳化硅混杂悬浮液中，超声震荡，然后依次经过低温干燥打散、中温干燥脱水再打散、高温脱水致密化处理后备用；具体地，步骤二详细工艺参数可以参考中国专利文献CN 1059937 C中记载的内容，与中国专利文献CN 1059937 C中记载的内容不同的是，本发明先将长碳纤维切短然后再进行浸入碳化硅混杂悬浮液中，由于短碳纤维断面的面积占总表面积的比重较大，先对长碳纤维进行表面处理然后再切短，则短碳纤维断面由于未涂覆碳化硅隔离层，容易在高温下与熔融铝液产生界面反应，从而影响耐磨损填充铝料的品质性能，使铝基复合材料发动机活塞的耐磨性能下降。由于短碳纤维容易相互粘结，因此在浸渍时需要超声保证短碳纤维充分接触碳化硅混杂悬浮液，在干燥步骤中需要进行多次打散，以便于后续在熔融铝液中充分分散。

步骤三、制备高强度支撑骨架：将步骤一制备的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维缠绕排布成具有顶部、裙部和销孔的活塞骨架结构，表面涂覆有碳化硅的长碳纤维先围绕活塞销孔绕一圈后两端反向围绕活塞裙部延伸，缠绕形成活塞裙部和活塞销孔，然后再由活塞裙部一侧经活塞顶部向活塞裙部另一侧缠绕，使位于活塞顶部的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维其两端均延伸至活塞裙部。具体地，使位于活塞顶部的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维其两端均延伸至活塞裙部的绕法可以如图1和图2所示，由活塞顶部绕至活塞裙部，每一圈都为接头交错的矩形，平行绕一层再垂直于上一层的方向，由活塞顶部绕至活塞裙部再平行绕一层，形成类似圆柱体结构；镂空部和内凹部可以切除多余的碳纤维，为防止高强度支撑骨架松散，可以先将缠绕好的高强度支撑骨架浸入熔融铝液中，然后后取出冷却，再切除多余的碳纤维。

步骤四、耐磨损填充铝料填充成型：将步骤三制得的高强度支撑骨架置于浇注模中，然后将步骤二制得的表面涂覆有碳化硅的短碳纤维经预热后与熔融铝液混合，经超声充分混合均匀后浇注到浇注模中，使活塞浇铸成型，最后经T6热处理即制得。具体地，步骤四详细工艺参数可以参考中国专利文献CN 101775563 B中记载的内容。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种铝基复合材料发动机活塞，其特征是，包括：高强度支撑骨架和包覆在所述高强度支撑骨架外并用于填充成型的耐磨损填充铝料；

所述高强度支撑骨架由表面涂覆有碳化硅的长碳纤维缠绕排布而成，所述高强度支撑骨架包括活塞顶部增强缠绕结构（1）和活塞裙部销孔增强缠绕结构（2）；在所述活塞顶部增强缠绕结构（1）中，位于活塞顶部（3）的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维其两端延伸至活塞裙部（4）；在所述活塞裙部销孔增强缠绕结构（2）中，位于活塞销孔（5）处的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维围绕活塞销孔（5）绕一圈后两端反向围绕活塞裙部（4）延伸，且所述活塞顶部增强缠绕结构（1）缠绕在所述活塞裙部销孔增强缠绕结构（2）外；

所述耐磨损填充铝料为短碳纤维增强铝基复合材料；且制备工艺包括以下步骤：

步骤一、制备表面涂覆有碳化硅的长碳纤维：通过送丝轮放丝和收丝轮牵引，使长碳纤维浸入碳化硅混杂悬浮液中，然后依次经过低温干燥、中温干燥脱水、高温脱水致密化处理后备用；

步骤二、制备表面涂覆有碳化硅的短碳纤维：将长碳纤维切短，浸入碳化硅混杂悬浮液中，超声震荡，然后依次经过低温干燥打散、中温干燥脱水再打散、高温脱水致密化处理后备用；

步骤三、制备高强度支撑骨架：将步骤一制备的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维缠绕排布成具有顶部、裙部和销孔的活塞骨架结构，表面涂覆有碳化硅的长碳纤维先围绕活塞销孔绕一圈后两端反向围绕活塞裙部延伸，缠绕形成活塞裙部和活塞销孔，然后再由活塞裙部一侧经活塞顶部向活塞裙部另一侧缠绕，使位于活塞顶部的表面涂覆有碳化硅的长碳纤维其两端均延伸至活塞裙部；

步骤四、耐磨损填充铝料填充成型：将步骤三制得的高强度支撑骨架置于浇注模中，然后将步骤二制得的表面涂覆有碳化硅的短碳纤维经预热后与熔融铝液混合，经超声充分混合均匀后浇注到浇注模中，使活塞浇铸成型，最后经T6热处理即制得。