一種鋁基復合材料發(fā)動機活塞及其制備工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁基復合材料發(fā)動機活塞及其制備工藝，屬于鋁基復合材料發(fā)動機活塞生產(chǎn)制造技術領域。
【背景技術】
[0002]發(fā)動機活塞是關系發(fā)動機和整車性能的重要零部件，發(fā)動機在工作的時候，活塞頂部的溫度可達到400°C，而且活塞需要瞬時接觸爆炸燃燒的高溫氣體，瞬時接觸的溫度可達2000°C以上，同時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)動機活塞具有高溫狀態(tài)下強度高且耐磨損等特點。此外，隨著發(fā)動機向大功率、大扭矩、低油耗、低噪聲、低排放的方向發(fā)展，同時還要求發(fā)動機活塞具有質(zhì)輕、熱膨脹系數(shù)小、導熱性好等特點。為了使發(fā)動機活塞滿足上述耐高溫、耐磨、耐蝕等性能的要求，現(xiàn)有技術中的發(fā)動機活塞通常采用纖維增強鋁基復合材料來生產(chǎn)制造高功率的重型發(fā)動機活塞。
[0003]中國專利文獻CN 101775563 B公開的一種碳纖維增強的鋁基活塞材料及其制備方法，提供了現(xiàn)有技術中常用的鋁基復合材料發(fā)動機活塞的制備方法，其主要工藝為:將表面涂覆有碳化硅的短碳纖維預熱至500?600°C，然后直接加入740?780 °C的熔融鋁液中，通過頻率為20 KHz的超聲波傳感器對熔融鋁液和表面涂覆有碳化硅的短碳纖維進行攪拌，使之混合均勻；然后將混合均勻的熔融液澆注到預熱溫度為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)明對現(xiàn)有技術中銷基復合材料發(fā)動機活塞及其制備工藝作出進一步地改進，提供一種機械強度更高的鋁基復合材料發(fā)動機活塞，并優(yōu)化其制備工藝。
[0005]為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術方案如下:
一種鋁基復合材料發(fā)動機活塞及其制備工藝，包括:高強度支撐骨架和包覆在所述高強度支撐骨架外并用于填充成型的耐磨損填充鋁料；
所述高強度支撐骨架由表面涂覆有碳化硅的長碳纖維纏繞排布而成，所述高強度支撐骨架包括活塞頂部增強纏繞結(jié)構(gòu)和活塞裙部銷孔增強纏繞結(jié)構(gòu)；在所述活塞頂部增強纏繞結(jié)構(gòu)中，位于活塞頂部的表面涂覆有碳化硅的長碳纖維其兩端延伸至活塞裙部；在所述活塞裙部銷孔增強纏繞結(jié)構(gòu)中，位于活塞銷孔處的表面涂覆有碳化硅的長碳纖維圍繞活塞銷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纏繞結(jié)構(gòu)纏繞在所述活塞裙部銷孔增強纏繞結(jié)構(gòu)外；
所述耐磨損填充鋁料為短碳纖維增強鋁基復合材料。
[0006]本發(fā)明提供的鋁基復合材料發(fā)動機活塞與現(xiàn)有技術相比較，具有以下優(yōu)點: 本發(fā)明所述的鋁基復合材料發(fā)動機活塞，以高強度支撐骨架增強機械強度，以耐磨損填充鋁料保證耐磨性能，由于全部采用高強度支撐骨架則會增加碳纖維的用量而導致鋁基的量不足，難以保證導熱性、耐溫性和耐蝕性等性能，而僅用少量的高強度支撐骨架，而用不含碳纖維增強的單純的鋁基作為填充鋁料，則難以滿足發(fā)動活塞耐磨損性能的要求。
[0007]此外，本發(fā)明提供的優(yōu)選地高強度支撐骨架包括活塞頂部增強纏繞結(jié)構(gòu)和活塞裙部銷孔增強纏繞結(jié)構(gòu):
活塞頂部增強纏繞結(jié)構(gòu)是考慮到活塞工作時，活塞頂部的作用力需要通過活塞裙部傳遞至連桿，連桿的力也需要通過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重要，通過使位于活塞頂部的表面涂覆有碳化硅的長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活塞裙部，使活塞裙部施加的力分散到整個活塞頂部，而不僅僅只是活塞裙部和活塞頂部之間的連接處受力。
[0008]活塞裙部銷孔增強纏繞結(jié)構(gòu)是考慮到活塞銷孔用于連接連桿，磨損較嚴重且承受較大的撞擊力，容易老化開裂，因此表面涂覆有碳化硅的長碳纖維圍繞活塞銷孔繞一圈，使活塞銷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孔四周，同時表面涂覆有碳化硅的長碳纖維圍繞活塞銷孔繞一圈后兩端反向圍繞活塞裙部延伸，使活塞銷孔受到的力分散至活塞裙部四周，再通過纏繞在所述活塞裙部銷孔增強纏繞結(jié)構(gòu)外所述活塞頂部增強纏繞結(jié)構(gòu)將力均勻傳遞至活塞頂部，活塞頂部至活塞銷孔的力也同理反向傳遞，以避免使作用力集中于活塞銷孔與活塞頂部之間的連線位置造成機械強度的短板。
[0009]本發(fā)明同時也提供了上述鋁基復合材料發(fā)動機活塞的制備工藝，包括以下步驟: 步驟一、制備表面涂覆有碳化硅的長碳纖維:通過送絲輪放絲和收絲輪牽引，使長碳纖維浸入碳化硅混雜懸浮液中，然后依次經(jīng)過低溫干燥、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、制備高強度支撐骨架:將步驟一制備的表面涂覆有碳化硅的長碳纖維纏繞排布成具有頂部、裙部和銷孔的活塞骨架結(jié)構(gòu)，表面涂覆有碳化硅的長碳纖維先圍繞活塞銷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)明提供的鋁基復合材料發(fā)動機活塞的制備工藝與現(xiàn)有技術相比較，除具有上述鋁基復合材料發(fā)動機活塞產(chǎn)品的優(yōu)點外，還具有以下優(yōu)點:
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)明采用先將長碳纖維切短然后再進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，從而進一步提高耐磨損填充鋁料的品質(zhì)性能，使鋁基復合材料發(fā)動機活塞的耐磨性能好。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明所述的一種鋁基復合材料發(fā)動機活塞的高強度支撐骨架側(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合材料發(fā)動機活塞的高強度支撐骨架頂面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面將結(jié)合具體的實施例來說明本發(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合材料發(fā)動機活塞結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明所述一種鋁基復合材料發(fā)