一种含碳纤维复合层的发动机活塞环的制作方法

本发明涉及发动机活塞零部件领域，特别涉及一种含碳纤维复合层的发动机活塞环。

背景技术：

随着延长汽车用发动机寿命以及提高燃油效率的市场要求，对发动机所使用的活塞环提出了宽度小且重量轻、低张力且摩擦损失小的要求。活塞环被安装在活塞上，用于实现汽缸内中的活塞的平滑往复运动，以及对高温的燃烧气体进行密封。安装有活塞环的活塞使汽缸内形成燃烧室，从而该燃烧室内的燃料的燃烧所产生的爆炸压力转化为曲轴的旋转。因此，要求安装于活塞的活塞环具有能够承受该燃烧室中的爆炸冲击，以及能够长时间地、稳定地密封高温的燃烧气体的功能。

活塞环早期失效的形式主要分为偏向磨损、过渡磨损、工作面擦伤、断裂、粘环等5种类型，在断裂失效形式中，主要影响因素是发动机工作不稳定和配合度不够精确、磨损方式和安装方式不正确、油环端面不平或者厚度不均，这些影响因素都会导致活塞环在工作过程中容易发生早期断裂，进而导致发动机工作不正常，例如，当发动机的活塞工作时，活塞环承受来自气缸的不均匀热冲击力、气缸的机械振动力和来自气缸的瞬时热流，活塞环上由于不均匀载荷和不均匀热量而产生热应力和形变趋势（不均匀热量致使活塞环局部过热区域热膨胀系数与周围区域不一致），特别是在发动机瞬时异常工作时，即产生瞬时过载和瞬时过热时，热应力变大，形变趋势进一步发展为使活塞环发生微弱形变，在这种长期工作环境下，致使活塞环因形变而发生断裂，或者非正常磨损，因而使活塞环过早失效。这些问题虽然发生概率较小，影响不大，但是还是存在发动机的安全隐患，由于这些问题并未得到足够重视，现有的活塞环的结构稳定性和安全性都不太理想，其工作周期都不及预期。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种含碳纤维复合层的发动机活塞环，通过提高活塞环的结构稳定性和安全性，有效提高活塞环的工作周期，尽可能地降低活塞环带来的安全隐患。

本发明采用的技术方案如下：一种含碳纤维复合层的发动机活塞环，包括活塞环本体，活塞环本体上包裹一层碳纤维复合层，碳纤维复合层包括多孔金属层和碳纤维层，碳纤维复合层通过挤压的方式与活塞环无缝连接，多孔金属层的表面不与气缸发生接触。

由于上述结构的设置，碳纤维复合层与活塞环本体紧密结合后，不均匀热量和不均匀载荷先传递至碳纤维复合层，碳纤维复合层在传递热量的同时，由于其具有的多孔金属层结构，热量和载荷的变化经多孔金属层结构吸收后，将会以较小的变化或者无变化表现出来，消散了因发动机的异常工作而产生的不均匀载荷和不均匀热量的系列问题，进而延长了活塞环对热量和载荷异动变化的反应时间，减小了热应力和形变趋势，起到了稳压和稳热的作用，最终延长了活塞环的工作周期；碳纤维层由于具有高强度、高模量等优点，能够与多孔金属层发生协同作用，使碳纤维复合层能更好地发挥出稳压和稳热的作用，有效地提高了活塞环的结构稳定性和安全性；同时，由于多孔金属层不耐磨且强度相对较低，因此多孔金属层的表面不能与气缸发生接触，以防止多开工金属层大量磨损，碳纤维由于具有良好的耐磨性和导热性，能够在保护多孔金属层免受磨损的同时，不影响活塞环的散热，提高了碳纤维复合板的适应性能。

进一步，多孔金属层由若干多孔金属箔片构成。

作为优选，多孔金属箔片由Cu-Al固溶体为基体相的金属多孔材料制成，其厚度为0.1-0.3mm，孔隙率为60-65%。

进一步，上述的Cu-Al固溶体为基体相的多孔金属箔片的制备方法包括以下步骤：

步骤1、将Cu粉和Al粉按质量比为4:6均匀混合形成混合料，然后按质量比为1:26将混合料加入乙醇、碳酸氢铵和PVB粘结剂的混合溶液中，其中乙醇、碳酸氢铵和PVB粘结剂的质量比为50：3:1，搅拌混合均匀，得到悬浊液；

步骤2、将悬浊液注入成型模具的模腔内，成型后烘干形成膜片；

步骤3、将膜片装入与该膜片外形相匹配的烧结模腔内，加热烧结后取出膜片即得。

进一步，多孔金属层直接与活塞环本体的表面接触，碳纤维层直接与活塞环本体的表面接触。以形成层层叠加的结构，使碳纤维复合层更好地传递热量和载荷。

进一步，多孔金属层与碳纤维板通过压制成型的方式形成碳纤维复合层，碳纤维复合层包裹在活塞环本体上，并通过挤压的方式与活塞环无缝连接。

作为一种替选技术方案，碳纤维层与多孔金属层相互交错并形成褶皱，然后通过压制成型的方式形成碳纤维复合层，碳纤维复合层包裹在活塞环本体上，并通过挤压的方式与活塞环无缝连接。通过此方式形成的碳纤维复合层的断面为波浪形结构，其也能使碳纤维复合层更好地传递热量和载荷，并且较层层堆积的结合强度要高，在长时间使用后，不易脱落。

作为优选，为保持活塞环原有的基本性能，减少添加层对活塞环的影响，碳纤维复合层的厚度为0.5-1.5mm，优选为0.8mm。

进一步优选，为保证碳纤维复合层具有上述作用，多孔金属层的厚度为0.2-0.6mm。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、碳纤维复合层与活塞环本体紧密结合后，消散了因发动机的异常工作而产生的不均匀载荷和不均匀热量的系列问题，进而延长了活塞环对热量和载荷异动变化的反应时间，减小了热应力和形变趋势，起到了稳压和稳热的作用，最终延长了活塞环的工作周期；

2、碳纤维层由于具有高强度、高模量等优点，能够与多孔金属层发生协同作用，使碳纤维复合层能更好地发挥出稳压和稳热的作用，有效地提高了活塞环的结构稳定性和安全性；同时，由于碳纤维具有良好的耐磨性和导热性，能够在保护多孔金属层免受磨损的同时，使碳纤维复合层不影响活塞环的散热性能，提高了碳纤维复合板的适应性。

附图说明

图1是本发明的一种含碳纤维复合层的活塞环安装在活塞上时的剖面部分结构示意图；

图2是本发明的碳纤维复合层结构示意图；

图3是本发明的碳纤维复合层的另一种结构示意图。

图中标记：1为活塞环本体，201为多孔金属层，202为碳纤维层，3为活塞，4为气缸。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图3所示，一种含碳纤维复合层的发动机活塞环，包括活塞环本体1，活塞环本体上包裹一层碳纤维复合层2，碳纤维复合层2包括多孔金属层201和碳纤维层202，碳纤维复合层2通过挤压的方式与活塞环本体1无缝连接，多孔金属层201的表面不与气缸4发生接触，如图1所示，活塞环安装在活塞3的环形腔内，碳纤维层与气缸4接触，以防止气缸4和活塞3磨损多孔金属层201。

更进一步地说，多孔金属层201由若干多孔金属箔片构成。

作为优选，多孔金属箔片由Cu-Al固溶体为基体相的金属多孔材料制成，其厚度为0.1-0.3mm，孔隙率为60-65%。

进一步，上述的Cu-Al固溶体为基体相的多孔金属箔片的制备方法包括以下步骤：

步骤1、将Cu粉和Al粉按质量比为4:6均匀混合形成混合料，然后按质量比为1:26将混合料加入乙醇、碳酸氢铵和PVB粘结剂的混合溶液中，其中乙醇、碳酸氢铵和PVB粘结剂的质量比为50：3:1，搅拌混合均匀，得到悬浊液；

步骤2、将悬浊液注入成型模具的模腔内，成型后烘干形成膜片；

步骤3、将膜片装入与该膜片外形相匹配的烧结模腔内，将烧结温度升至580℃，保温30min，再升温至1150℃，保温90min，然后随炉缓冷至室温，最后取出膜片即得。

更进一步地说，多孔金属层直接与活塞环本体的表面接触，碳纤维层直接与活塞环本体的表面接触。以形成层层叠加的结构，使碳纤维复合层更好地传递热量和载荷。

更进一步地说，如图2和图3所示，多孔金属层201与碳纤维板通过压制成型的方式形成碳纤维复合层2，碳纤维复合层2包裹在活塞环本体1上，并通过挤压的方式与活塞环无缝连接。

作为一种替选技术方案，如图3所示，碳纤维层202与多孔金属层201相互交错并形成褶皱，然后通过压制成型的方式形成碳纤维复合层，碳纤维复合层2包裹在活塞环本体1上，并通过挤压的方式与活塞环无缝连接。通过此方式形成的碳纤维复合层的断面为波浪形结构，其也能使碳纤维复合层更好地传递热量和载荷，并且较层层堆积的结合强度要高，在长时间使用后，不易脱落。

作为一种优选地实施方式，为保持活塞环原有的基本性能，减少添加层对活塞环的影响，碳纤维复合层的厚度为0.5-1.5mm，优选为0.8mm。

作为一种优选地实施方式，为保证碳纤维复合层具有上述作用，多孔金属层的厚度为0.2-0.6mm，优选为0.4mm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。