一種鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及其制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及其制備工藝，屬于鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞生產(chǎn)制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動(dòng)機(jī)活塞是關(guān)系發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)性能的重要零部件，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作的時(shí)候，活塞頂部的溫度可達(dá)到400°C，而且活塞需要瞬時(shí)接觸爆炸燃燒的高溫氣體，瞬時(shí)接觸的溫度可達(dá)2000°C以上，同時(shí)需要承受燃油爆炸燃燒產(chǎn)生5?10 MPa甚至更高的巨大氣壓，因而要求發(fā)動(dòng)機(jī)活塞具有高溫狀態(tài)下強(qiáng)度高且耐磨損等特點(diǎn)。此外，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向大功率、大扭矩、低油耗、低噪聲、低排放的方向發(fā)展，同時(shí)還要求發(fā)動(dòng)機(jī)活塞具有質(zhì)輕、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)活塞滿(mǎn)足上述耐高溫、耐磨、耐蝕等性能的要求，現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞通常采用纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料來(lái)生產(chǎn)制造高功率的重型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。
[0003]中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN 101775563 B公開(kāi)的一種碳纖維增強(qiáng)的鋁基活塞材料及其制備方法，提供了現(xiàn)有技術(shù)中常用的鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的制備方法，其主要工藝為:將表面涂覆有碳化硅的短碳纖維預(yù)熱至500?600°C，然后直接加入740?780 °C的熔融鋁液中，通過(guò)頻率為20 KHz的超聲波傳感器對(duì)熔融鋁液和表面涂覆有碳化硅的短碳纖維進(jìn)行攪拌，使之混合均勻；然后將混合均勻的熔融液澆注到預(yù)熱溫度為150°C的金屬型模具中澆鑄成型，最后經(jīng)T6熱處理即制得。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中銷(xiāo)基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及其制備工藝作出進(jìn)一步地改進(jìn)，提供一種機(jī)械強(qiáng)度更高的鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，并優(yōu)化其制備工藝。
[0005]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下:
一種鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及其制備工藝，包括:高強(qiáng)度支撐骨架和包覆在所述高強(qiáng)度支撐骨架外并用于填充成型的耐磨損填充鋁料；
所述高強(qiáng)度支撐骨架由表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維纏繞排布而成，所述高強(qiáng)度支撐骨架包括活塞頂部增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)和活塞裙部銷(xiāo)孔增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)；在所述活塞頂部增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)中，位于活塞頂部的表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維其兩端延伸至活塞裙部；在所述活塞裙部銷(xiāo)孔增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)中，位于活塞銷(xiāo)孔處的表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維圍繞活塞銷(xiāo)孔繞一圈后兩端反向圍繞活塞裙部延伸，且所述活塞頂部增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)纏繞在所述活塞裙部銷(xiāo)孔增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)外；
所述耐磨損填充鋁料為短碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0006]本發(fā)明提供的鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn): 本發(fā)明所述的鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，以高強(qiáng)度支撐骨架增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，以耐磨損填充鋁料保證耐磨性能，由于全部采用高強(qiáng)度支撐骨架則會(huì)增加碳纖維的用量而導(dǎo)致鋁基的量不足，難以保證導(dǎo)熱性、耐溫性和耐蝕性等性能，而僅用少量的高強(qiáng)度支撐骨架，而用不含碳纖維增強(qiáng)的單純的鋁基作為填充鋁料，則難以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)活塞耐磨損性能的要求。
[0007]此外，本發(fā)明提供的優(yōu)選地高強(qiáng)度支撐骨架包括活塞頂部增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)和活塞裙部銷(xiāo)孔增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu):
活塞頂部增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)是考慮到活塞工作時(shí)，活塞頂部的作用力需要通過(guò)活塞裙部傳遞至連桿，連桿的力也需要通過(guò)活塞裙部傳遞至活塞頂部，因此活塞裙部和活塞頂部之間的連接至關(guān)重要，通過(guò)使位于活塞頂部的表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維其兩端延伸至活塞裙部，從而使活塞頂部施加的力分散到整個(gè)活塞裙部，使活塞裙部施加的力分散到整個(gè)活塞頂部，而不僅僅只是活塞裙部和活塞頂部之間的連接處受力。
[0008]活塞裙部銷(xiāo)孔增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)是考慮到活塞銷(xiāo)孔用于連接連桿，磨損較嚴(yán)重且承受較大的撞擊力，容易老化開(kāi)裂，因此表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維圍繞活塞銷(xiāo)孔繞一圈，使活塞銷(xiāo)孔耐磨性能大幅提高，且可以使受撞擊部位的力可以分散至活塞銷(xiāo)孔四周，同時(shí)表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維圍繞活塞銷(xiāo)孔繞一圈后兩端反向圍繞活塞裙部延伸，使活塞銷(xiāo)孔受到的力分散至活塞裙部四周，再通過(guò)纏繞在所述活塞裙部銷(xiāo)孔增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)外所述活塞頂部增強(qiáng)纏繞結(jié)構(gòu)將力均勻傳遞至活塞頂部，活塞頂部至活塞銷(xiāo)孔的力也同理反向傳遞，以避免使作用力集中于活塞銷(xiāo)孔與活塞頂部之間的連線(xiàn)位置造成機(jī)械強(qiáng)度的短板。
[0009]本發(fā)明同時(shí)也提供了上述鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的制備工藝，包括以下步驟: 步驟一、制備表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維:通過(guò)送絲輪放絲和收絲輪牽引，使長(zhǎng)碳纖維浸入碳化硅混雜懸浮液中，然后依次經(jīng)過(guò)低溫干燥、中溫干燥脫水、高溫脫水致密化處理后備用;
步驟二、制備表面涂覆有碳化硅的短碳纖維:將長(zhǎng)碳纖維切短，浸入碳化硅混雜懸浮液中，超聲震蕩，然后依次經(jīng)過(guò)低溫干燥打散、中溫干燥脫水再打散、高溫脫水致密化處理后備用;
步驟三、制備高強(qiáng)度支撐骨架:將步驟一制備的表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維纏繞排布成具有頂部、裙部和銷(xiāo)孔的活塞骨架結(jié)構(gòu)，表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維先圍繞活塞銷(xiāo)孔繞一圈后兩端反向圍繞活塞裙部延伸，纏繞形成活塞裙部和活塞銷(xiāo)孔，然后再由活塞裙部一側(cè)經(jīng)活塞頂部向活塞裙部另一側(cè)纏繞，使位于活塞頂部的表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維其兩端均延伸至活塞裙部；
步驟四、耐磨損填充鋁料填充成型:將步驟三制得的高強(qiáng)度支撐骨架置于澆注模中，然后將步驟二制得的表面涂覆有碳化硅的短碳纖維經(jīng)預(yù)熱后與熔融鋁液混合，經(jīng)超聲充分混合均勻后澆注到澆注模中，使活塞澆鑄成型，最后經(jīng)T6熱處理即制得。
[0010]本發(fā)明提供的鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的制備工藝與現(xiàn)有技術(shù)相比較，除具有上述鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明的制備工藝有區(qū)別的制備表面涂覆有碳化硅的長(zhǎng)碳纖維和表面涂覆有碳化硅的短碳纖維，由于短碳纖維斷面的面積占總表面積的比重較大，因此本發(fā)明采用先將長(zhǎng)碳纖維切短然后再進(jìn)行浸入碳化硅混雜懸浮液中的工藝制備表面涂覆有碳化硅的短碳纖維，從而避免短碳纖維斷面與熔融鋁液產(chǎn)生界面反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高耐磨損填充鋁料的品質(zhì)性能，使鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的耐磨性能好。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明所述的一種鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的高強(qiáng)度支撐骨架側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖(為便于表示結(jié)構(gòu)，圖中的弧面為展平后的視圖)；
圖2為本發(fā)明所述的一種鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的高強(qiáng)度支撐骨架頂面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面將結(jié)合具體的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容。
[0013]如圖1和圖2所示，為本發(fā)明所述的一種鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)活塞結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明所述一種鋁基復(fù)合材料發(fā)