专利名称：一种碳素活塞环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种活塞环，特别是指一种碳素材料的活塞环。
背景技术：
活塞环安装在活塞头部的环槽内，是内燃机中最为关键的零件之一，它起 到密封燃烧室的作用，它在气缸内高速运动，直接和气缸内壁产生摩擦，是内 燃机中的易损零件，因此其性能的好坏直接影响着发动机的性能和维修周期。 目前市场上的活塞环多为铸铁材料或者钢质材料，为了提高活塞环的耐磨性能， 通常还要对活塞环的摩擦表面进行镀铬等表面硬化处理，还有一些是采用多层
镀附金属元素或者非金属元素。如中国专利200680022896. 7公开了一种至少部 分覆盖有层状结构的活塞环，该活塞环至少包括四层，它是在金属基体上先镀 附一层IVB、 VB和VIB族元素中至少一种元素，然后再在此层沉积一层包含类 金刚石的纳米复合材料组合物作为第二中间层，在第二中间层上在沉积一层类 金刚石的碳层。
活塞环的工作条件相当恶劣， 一是承受高温，其工作温度达350。C ~ 380°C， 正常工作时活塞和活塞环都会发生较大的体积膨胀；二是承受高压，汽油机、 气体机燃气最大爆发压力高达4 ~ 7Mpa,柴油机燃气最大爆发压力高达14 ~ 18 Mpa，三是高速往复运动，其运动速度达12-16m/s。因此需要活塞环具有良好 耐磨性能和润滑条件。目前钢铁材料或者复合的活塞环，由于这些金属材料的 密度大，热膨胀系数大，因此在设计过程中必须考虑正常运转时活塞环与活塞 环装配槽之间的间隙，也必须正确设计刚刚启动时活塞环与缸套内壁之间的润 滑条件。由于必须保证内燃机的正常运行，所以，在非工作状态或者说是内燃 机停止时、温度为大气环境温度的情况下，活塞环与活塞环装配槽之间都存在很大的间隙，造成启动的初期内燃机无力，漏气量大，有效功率低，并且燃油 消耗和润滑油消耗高，浪费大量的能源。所以一般的内燃机必须经过一段时间
的预热后才能正常工作；在到达正常工作温度后，活塞和活塞环的体积膨胀， 又增加了活塞与缸套之间的摩擦损耗，而且由于一般材料抗热负荷疲劳能力不 强，较易造成热疲劳失效破坏。目前的活塞环的动力性、经济性、节能环保性 能及其寿命都存在着^f艮大不足。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种耐高温、耐摩擦、在高温和常温两 种状况下体积变化比较小的活塞环。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是 一种^f灰素活塞环，这种活塞环由^f灰素材料制成。
本发明的进一步改进在于所述活塞环的碳素材料为碳基体材料或者碳纤 维材料。
上述技术方案的进一步改进在于所述碳基体材料是在石墨基体中渗入金 属的石墨-金属的互渗体。
上述技术方案的进一步改进在于所述金属包括铝、镁、银、铜、锑、钛、 钾、钠、钧、锶、钡中的至少一种。但不仅限于这几种金属。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的技术进步在于
本发明的活塞环由碳素材料制成，由于碳素材料的耐高温性能好，热膨胀 系数低，与金属活塞环相比可降低50%。内燃机在开始工作时，活塞环的温度在 由正常的环境温度变到350。C 380。C的正常工作温度过程中，体积膨胀小，因 此活塞环就能够和缸套进行严密的配合。活塞环和环槽之间的初始间隙可以做 的更小，在全热工作过程中尤其是内燃机工作的初始阶段，可以大大减少活塞 环与环槽之间的漏气量，降低油耗、节约能源、减少污染，并提高压缩比及有 效功率的输出，进而提高发动机的稳定性，减少咬缸机率。使内燃机能够很快 的进入正常工作状态，减少磨合时间和预热时间。通过优化可大大减少活塞、活塞环和缸套之间的摩擦，从而提高发动机寿命和系统稳定性，降低工作噪声。 碳基体材料和碳纤维材料具有优良的摩擦特性，由于碳材料的特殊性，活 塞环在工作时，会自动产生一层耐磨的微小颗粒，可进一步提高其耐磨强度， 减少了工作时活塞环的磨损，延长使用寿命，降低发动机油耗，其中燃油消耗
量可下降ioy。，润滑油的消耗量可减少4oy。。还可以减少废气的排放量，其中co释
放量可减少50%。用石墨为原料制造活塞环，碳材料是可再生资源，可对其进行
循环利用，进而达到节能环保和可持续发展的目的，适应了节能减排、可持续 发展以及环保政策的要求。
在活塞环选用^5炭素材料的同时，活塞也可以采用^f炭素材料，可以进一步提 高性能，节约能源。活塞头部选用石墨-金属的互渗体制成的碳素材料，其重量 轻、耐磨、抗磨性能好，尤其活塞环的韧性和强度可以大大提高，更有利于发 挥活塞的最大功效。
图1为一种碳素活塞环的示意图。
其中l.活塞环，2.开口， 3.截面。
具体实施例方式
下面对本发明做进一 步详细说明
实施例1
本实施例的活塞环如图1所示，其形状为一带有开口 2的圆环形活塞环， 活塞环l的截面如图所示。活塞环采用由石墨-铝互渗体制成的^炎基材料，是在 以石墨为基体的活塞环内渗入铝元素。本实施例适用于所有活塞式内燃机、活 塞式压缩机，包括汽油机、柴油机、气体机等。
实施例2
本实施例与实施例1的区别是活塞环的材料选用石墨-钛互渗体制成的碳基 材料，是在以石墨为基体的活塞环内渗入钛元素。
当然，石墨-金属的互渗体中的金属材料还可以是4^、 4艮、铜、锑、钠、钾、
54丐、锶、钡等金属的其中一种或者几种的共渗体，但不仅限于本发明列举的几种，或者其它可以提高活塞环强度和韧性的材料。石墨-金属的互渗体包括石墨与多种金属的多元互渗体。
实施例3
本实施例与实施例1的区别是活塞环的材料可以选用碳纤维材料。
权利要求
1、一种碳素活塞环，其特征在于活塞环由碳素材料制成。
2、 根据权利要求l所述的一种碳素活塞环，其特征在于所述活塞环的碳 素材料为碳基体材料或者碳纤维材料。
3、 根据权利要求2所述的一种碳素活塞环，其特征在于所述碳基体材料 是在石墨基体中渗入金属的石墨-金属的互渗体。
4、 根据权利要求3所述的一种碳素活塞环，其特征在于所述金属包括铝、 镁、4艮、铜、锑、4太、钠、钙、锶、钡中的至少一种。
全文摘要
本发明公开了一种碳素活塞环，包括由碳素材料制成的活塞环。碳素材料为碳基体材料或者碳纤维材料。碳基体材料是在石墨基体中渗入金属的石墨-金属的互渗体，金属包括铝、镁、银、铜、锑、钛、钠、钾、钙、锶、钡等多种。本发明的活塞环能够和活塞环装配槽进行严密的配合，使活塞环和活塞环装配槽之间的初始间隙可以做的更小，可以大大减少活塞环和活塞环装配槽之间的漏气量，并通过碳基材料的自润滑作用，减少拉缸现象，减少磨合时间和预热时间，降低油耗，并提高压缩比及有效功率的输出，进而提高发动机的稳定性，减少咬缸机率。
文档编号F16J9/28GK101649905SQ20091007543
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者刘津东, 刘献丰, 李征兵, 王季明 申请人:石家庄金刚内燃机零部件集团有限公司