CN117778923A - 一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法及复合材料 - Google Patents
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Abstract
一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，先对圆钢丝进行热处理，再对热处理后的圆钢丝依次进行一次热镀、二次热镀，以在圆钢丝的外部包覆热镀合金层，该热镀合金层包括居内的锌铁合金过渡层与居外的锌铝稀土合金镀层，然后对热镀后圆钢丝依次进行拉拔、冷轧以制成扁钢丝，最后在扁钢丝表面包覆热塑性材料层，此时，获得的复合材料为层状结构，由内至外依次包括扁钢丝、锌铁合金过渡层、锌铝稀土合金镀层、热塑性材料层。本设计不仅外层的附着力较佳，后续使用中不易脱落，而且整体耐腐蚀效果较强，生产工艺可操作性强，成本可控。
Description
技术领域
本发明涉及一种刮水片骨架结构用复合材料，属于复合材料领域，尤其涉及一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法及复合材料。
背景技术
目前，挡风玻璃刮水片是雨刮系统的重要组成部件，而刮水片中起骨架结构增强作用的材料，不仅要求较高的结构强度，还要求较高的防腐蚀性能，对刮水片的性能、整体重量、使用寿命等影响极大，一般都采用复合材料。
现有用于挡风玻璃刮水片骨架结构的复合材料主要包括：扁钢丝表面涂覆有塑胶层，以及扁钢丝表面电镀锌。
扁钢丝表面涂覆有塑胶层：是利用PET材料热塑性的特性，采用连续热挤出的方式将其均匀的涂覆在扁钢丝表面，具备一定的耐腐蚀性能，但镀层的强度与牢固性较弱，在后续使用过程中，如弹片折弯或加工时，塑胶层容易脱落，另外，制成刮水片后使用过程中也有脱落的风险，从而导致扁钢丝裸露于空气中，进而导致耐腐蚀能力下降。
扁钢丝表面电镀锌：是通过电解作用使扁钢丝表面附着一层薄锌膜，能起到防止钢基体腐蚀的作用，但电镀的锌膜只是沉积附着于钢基体的表面，两者之间无过渡层保护，镀层附着力较差，在弹片折弯或加工时，锌膜也容易脱落，导致钢基体直接暴露于空气中，导致耐腐蚀能力下降。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的外层的附着力较差，后续使用中容易脱落的缺陷与问题，提供一种外层的附着力较佳，后续使用中不易脱落的刮水片骨架结构用复合材料的制备方法及复合材料。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
第一步：对圆钢丝进行热处理，以使圆钢丝的金相组织中索氏体含量大于或等于95％；
第二步：先将热处理后的圆钢丝在无氧化条件下预热至440—460℃，再浸入熔融的锌液中进行一次热镀，然后在出口处抹拭钢丝表面并快速冷却，以形成锌铁合金过渡层，再浸入熔融的锌、铝、稀土合金液中进行二次热镀，然后在出口处抹拭钢丝表面并快速冷却，以形成锌铝稀土合金镀层，从而在圆钢丝的外部包覆热镀合金层，进而获得热镀后圆钢丝；
第三步：先对热镀后圆钢丝用圆形孔腔模具拉拔若干道次，再用平辊连续冷轧若干道次，以制成所需尺寸的扁钢丝；
第四步：先对扁钢丝预热，再将热塑性材料挤出包覆至扁钢丝表面，以形成热塑性材料层，然后冷却，以获得所述刮水片骨架结构用复合材料。
所述第二步中，所述锌、铝、稀土合金液的组成成分及质量含量为：铝4.5％—6.6％，稀土元素0.08％—0.12％，其余为锌。
所述第二步中，所述圆钢丝外部的热镀合金层的重量为100—140g/m2。
所述第三步中，所述扁钢丝外部的热镀合金层的重量为30—60g/m2。
所述第一步中，所述热处理是指：
先对圆钢丝进行连续加热以使其组织结构发生奥氏体化转变，再对奥氏体化后的圆钢丝进行等温淬火，以获得热处理后的圆钢丝。
所述第二步中，所述出口处抹拭钢丝表面是指：在出口处用99.99％的高纯氮气抹拭钢丝表面。
所述第二步中，所述快速冷却是指：用常温水快速冷却；其中，一次热镀后的快速冷却结束后，圆钢丝的温度为80—120℃。
所述第三步中，所述扁钢丝的表面粗糙度为Ra﹤0.2um；所述扁钢丝的抗拉强度为1800—2100Mpa。
所述第二步中，在对圆钢丝预热之前，需要对圆钢丝依次进行电解碱洗、多级串联水清洗、烘干操作；
所述第四步中，在对扁钢丝预热之前，需要对扁钢丝依次进行电解碱洗、多级串联水洗、电解酸洗、多级串联水洗、烘干操作。
一种复合材料，所述复合材料采用上述的制备方法制备而成，所述复合材料为层状结构，由内至外依次包括扁钢丝、锌铁合金过渡层、锌铝稀土合金镀层、热塑性材料层。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法及复合材料中，先对圆钢丝进行热处理，再对热处理后的圆钢丝依次进行一次热镀、二次热镀，在其表面包覆热镀合金层，该热镀合金层包括居内的锌铁合金过渡层与居外的锌铝稀土合金镀层，然后对热镀后圆钢丝依次进行拉拔、冷轧以制成扁钢丝，最后在扁钢丝表面包覆热塑性材料层；其中，锌铁合金过渡层是热浸镀工艺产生的过渡层，它是锌铁元素互相扩散生成的一种金属间化合物，属于化学反应，不仅镀层自身致密，结合力较强、不易脱落，而且利于后续锌铝稀土合金镀层的热镀与结合，使得整个热镀合金层与扁钢丝基体之间结合力明显提高，附着力显著增强，牢固性更强，后续使用中更不易脱落，耐腐蚀性能也能确保，会更优良。因此，本发明中镀层的附着力较佳，后续使用中不易脱落。
2、本发明一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法及复合材料中，在热镀获得热镀合金层的之后，先对热镀后圆钢丝依次进行拉拔、冷轧以制成扁钢丝，再在扁钢丝表面包覆热塑性材料层，该种设计能够先通过拔、冷轧以消除扁钢丝的表面缺陷，如毛刺、锌皮、锌瘤等影响后道工序加工的缺陷，提升表面光洁度与平整度，以达到后续包覆热塑性材料涂层工序对扁钢丝表面质量的严苛要求，利于热塑的顺利进行，获得高质量的热塑性材料层，提升层层之间的结合力，以在后续使用中不易脱落；
同时，本发明还优选在一次热镀、二次热镀之后，在出口处抹拭钢丝表面时，采用99.99％的高纯氮气抹拭钢丝表面，该设计也能够减少钢丝表面缺陷，使得钢丝表面锌层相对比较均匀，利于提升最终扁钢丝的表面光洁度与平整度；
此外，本设计是通过整个制备方法中的自带工序，如拉拔、冷轧，甚或抹拭来获得表面光洁度的高要求，而没有额外增设专门的处理步骤，如现有技术中采用光整机对表面进行二次加工，导致生产工序与制造成本显著增加，同时，刮水片骨架结构对扁钢丝基体的尺寸要求也极高，热镀完的扁钢丝若想通过光整的形式达到要求，工艺上难以实现；
因此，本发明不仅表面光洁度较高，利于实现高质量的热塑，而且生产工艺可操作性强，成本可控。
3、本发明一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法及复合材料中，在第一步需要对对圆钢丝进行热处理，该热处理优选为先对圆钢丝进行连续加热以使其组织结构发生奥氏体化转变，再对奥氏体化后的圆钢丝进行等温淬火，以获得热处理后的圆钢丝，从而使圆钢丝的金相组织中索氏体含量大于或等于95％，如此设计的优点在于：
只有索氏体含量大于或等于95％，才能支撑后续拉拔、轧制的顺利进行，而拉拔、轧制的顺利进行，不仅能利于达到后续包覆热塑性材料涂层工序对扁钢丝表面质量的严苛要求，利于热塑的顺利进行，获得高质量的热塑性材料层，而且能够提升扁钢丝的机械强度，使其抗拉强度能够达到2000Mpa左右，发挥结构增强的作用，此外，该种结构增强还利于本设计符合车用雨刮系统越来越向低成本、高使用寿命、轻量化方向发展的趋势，扩大本设计的应用范围；
因此，本发明不仅利于实现扁钢丝表面光洁，能提升热塑性材料层的结合牢固度，而且能够增强最终产品的机械强度，利于在车用雨刮系统中的广泛应用。
4、本发明一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法及复合材料中，最终产品由内至外依次包括扁钢丝、锌铁合金过渡层、锌铝稀土合金镀层、热塑性材料层这四层结构，其中，锌铁合金过渡层、锌铝稀土合金镀层共称为热镀合金层，该设计的优点包括：
首先，不仅扁钢丝、锌铁合金过渡层、锌铝稀土合金镀层、热塑性材料层各自具有较强的耐腐蚀效果，而且由内至外进行层层防护，能在整体上获取更强的耐腐蚀效果，进而增加使用寿命；
其次，锌铁合金过渡层、锌铝稀土合金镀层、热塑性材料层的结合力较强，牢固度较高，具有较强的防脱落效果，从而延长耐腐蚀效果的持续时间；
因此，本发明不仅层层耐腐蚀，整体耐腐蚀效果较强，而且层层防脱落，利于延长耐腐蚀的效用寿命。
5、本发明一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法及复合材料中，在进行热镀合金层的制作时，先将热处理后的圆钢丝在无氧化条件下预热至440—460℃，再浸入熔融的锌液中进行一次热镀，然后在出口处抹拭钢丝表面并快速冷却，以形成锌铁合金过渡层，再浸入熔融的锌、铝、稀土合金液中进行二次热镀，然后在出口处抹拭钢丝表面并快速冷却，以形成锌铝稀土合金镀层，其中，一次热镀后的快速冷却不以降低至冷却介质的自身温度为目标，而是维持一个相对较高的温度，如80—120℃，从而能够不经预热，就能立刻进行二次热镀，节省工序，降低成本，并提升生产效率。因此，本发明两次热镀之间的衔接性较强，生产效率较高。
附图说明
图1是本发明中复合材料的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
第一步：对圆钢丝(优选采用高碳钢原材料制成，进一步优选C72D、SWRH72B、或70#中的任意一种)进行热处理，以使圆钢丝的金相组织中索氏体含量大于或等于95％；
第二步：先将热处理后的圆钢丝在无氧化条件下预热至440—460℃，再浸入熔融的锌液(优选锌液温度为450—460℃)中进行一次热镀，然后在出口处抹拭钢丝表面并快速冷却(优选采用常温水快速冷却)，以形成锌铁合金过渡层，再浸入熔融的锌、铝、稀土合金液(优选合金液温度为450—455℃)中进行二次热镀，然后在出口处抹拭钢丝表面并快速冷却，以形成锌铝稀土合金镀层，从而在圆钢丝的外部包覆热镀合金层，进而获得热镀后圆钢丝；
第三步：先对热镀后圆钢丝用圆形孔腔模具拉拔若干道次，再用平辊连续冷轧若干道次，以制成所需尺寸的扁钢丝；
第四步：先对扁钢丝预热(优选预热温度为250—270℃)，再将热塑性材料挤出包覆至扁钢丝表面，以形成热塑性材料层，然后冷却，以获得所述刮水片骨架结构用复合材料。
所述第二步中，所述锌、铝、稀土合金液的组成成分及质量含量为：铝4.5％—6.6％，稀土元素0.08％—0.12％，其余为锌。
所述第二步中，所述圆钢丝外部的热镀合金层的重量为100—140g/m2。
所述第三步中，所述扁钢丝外部的热镀合金层的重量为30—60g/m2。
所述第一步中，所述热处理是指：
先对圆钢丝进行连续加热(优选采用燃气明火炉或管式高频感应加热器进行)以使其组织结构发生奥氏体化转变，再对奥氏体化后的圆钢丝进行等温淬火(优选采用铅浴炉进行)，以获得热处理后的圆钢丝。
所述第二步中，所述出口处抹拭钢丝表面是指：在出口处用99.99％的高纯氮气抹拭钢丝表面。
所述第二步中，所述快速冷却是指：用常温水快速冷却；其中，一次热镀后的快速冷却结束后，圆钢丝的温度为80—120℃。
所述第三步中，所述扁钢丝的表面粗糙度为Ra﹤0.2um；所述扁钢丝的抗拉强度为1800—2100Mpa。
所述第二步中，在对圆钢丝预热之前，需要对圆钢丝依次进行电解碱洗(优选电解碱洗的介质为氢氧化钠溶液，浓度为80—120g/L，温度55—65℃)、多级串联水清洗(优选采用逐级溢流的方式，最后一级添加清水)、烘干操作；
所述第四步中，在对扁钢丝预热之前，需要对扁钢丝依次进行电解碱洗(优选电解碱洗的介质为氢氧化钠溶液，浓度为40—80g/L，温度50—60℃)、多级串联水洗(优选采用逐级溢流的方式，最后一级添加清水)、电解酸洗(优选电解酸洗的介质为稀硫酸，浓度为80—120g/L，温度为常温)、多级串联水洗、烘干操作。
一种复合材料，所述复合材料采用上述的制备方法制备而成，所述复合材料为层状结构，由内至外依次包括扁钢丝、锌铁合金过渡层、锌铝稀土合金镀层、热塑性材料层。
本发明的补充技术特征如下：
本发明中的锌、铝、稀土合金液中，铝与锌元素是合金状态，非单质状态，合金以后熔点与锌几乎相同，此时均是液态。其中，铝的含量限定为4.5％—6.6％的目的是增加锌液的流动性，同时还能大大增强镀层的耐腐蚀性能；
本发明中的挤出包覆操作采用螺杆挤出机，挤出机头部装有挤出模具，模具型腔尺寸可依据不同扁钢丝的尺寸来进行调整，将热塑性塑料粒子加热至熔融状态后利用螺杆将其输送至挤出模内，在扁钢丝表面形成一定厚度的包覆膜，再对包覆后的扁钢丝表面，利用23—27℃的水进行冷却，冷却后，再经过在线检测装置实时监测扁钢丝包覆膜的表面质量，质量合格后，收线制得成品。
本发明中的热塑性材料优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯(ABS)，以及它们添加改进剂(增润剂、色母、抗老化剂等)后的类似热塑性材料中的任意一种或任意混合物。
本发明中涉及表面粗糙度的Ra是指轮廓算术平均偏差值。
本发明中限定扁钢丝外部的热镀合金层的重量为30—60g/m2的原因是：低于该范围，镀层太薄，会降低耐腐蚀性能；高于该范围，则镀层太厚，不仅质量过剩导致成本增加，而且不利于轧制成形加工(太厚时，锌层轧制时易开裂)。
实施例1：
1.1、选用钢种为C72D、直径为10.0mm的盘条，经表面处理后粗拉至直径为6.5mm的圆钢丝；
1.2、采用燃气明火炉对上述直径为6.5mm的圆钢丝进行连续加热使其组织结构发生奥氏体化转变，钢丝出炉温度900—950℃；
1.3、采用铅浴炉对奥氏体化加热后的圆钢丝进行等温淬火，铅浴炉温度540—560℃，铅浴淬火后的圆钢丝的金相组织中索氏体含量大于或等于95％；
1.4、先将铅浴淬火后圆钢丝送入酸洗槽去除表面氧化皮，酸洗溶液介质采用盐酸，浓度为13—16％，温度为50—60℃，再烘干并收线，圆钢丝从放线至收线的整体运行速度为8.5—9米/分钟；
2.1、将上述圆钢丝通过电解碱洗槽，去除表面的油污等杂质，碱洗介质采用氢氧化钠溶液，浓度为80—120g/L，温度为55—65℃；
2.2、多级串联水清洗钢丝表面；
2.3、烘干钢丝表面；
2.4、使用99.99％的高纯氮气当作保护性气体，通过高频感应加热方式将圆钢丝预热至440—460℃，目的是加快圆钢丝在浸镀时表面铁元素与锌液的反应速度，减少浸镀时间，更有利于控制钢丝表面锌铁合金过渡层的重量；
2.5、预热后的圆钢丝浸入熔融的锌液中，锌液温度450—460℃，锌液的纯度大于99.995％，出口处用纯度为99.99％、压力可调的氮气抹拭圆钢丝表面，之后用常温水快速冷却；
2.6、再浸入熔融的锌、铝、稀土合金液中进行热镀，合金液温度450—455℃，合金液中铝的含量4.5％—6.6％，稀土元素含量0.08％—0.12％，其余为锌；出口处用纯度为99.99％、压力可调的氮气抹拭钢丝表面，之后用常温水快速冷却并收线，最终获得表面有热镀合金层的圆钢丝，热镀合金层的重量控制在100—140g/m2之内；
3.1、将直径为6.5mm、表面有热镀合金层的圆钢丝，先用圆形孔腔模具连续拉拔若干道次，表面热镀合金层也会跟随钢丝基体同步变形，制得直径为3.80mm的细圆钢丝；
3.2、将拉拔制得的直径为3.80mm的细圆钢丝，在连轧机上进行连续多道次冷轧成形，制得表面附有热镀合金层的扁钢丝：尺寸为0.9mm×7.0mm，尺寸公差范围为厚度±0.015mm、宽度±0.075mm，表面热镀合金层重量为30—60g/m2；
4.1、将0.9mm×7.0mm的扁钢丝放线出来后，先通过电解碱洗工艺去除表面的油污等杂质，碱洗介质采用氢氧化钠溶液，浓度为40—80g/L，温度为50—60℃；
4.2、多级串联水清洗扁钢丝表面；
4.3、电解酸洗，去除扁钢丝表面残余的微量氧化物，溶液介质采用稀硫酸，浓度为80—120g/L，温度为常温；
4.4、再次用多级串联水清洗扁钢丝表面；
4.5、烘干扁钢丝表面的水份，烘干装置采用热风管，长度1米，温度250℃；
4.6、扁钢丝挤出包覆前，需要预热，采用高频感应加热装置，预热温度250—270℃；
4.7、挤出包覆采用螺杆挤出机构，机器型号为行业通用的50机型，热塑性材料选用添加有增润剂、色母、抗老化剂的聚对苯二甲酸乙二醇酯(即PET)，将其制成的塑料粒子在螺杆中加将其热至250—260℃，成为熔融状态；挤出机头部装有空腔模具，扁钢丝从中经过时，通过螺杆的挤压力，将熔融状态的PET塑料均匀地涂覆在扁钢丝表面，扁钢丝在生产线上的运行速度为80—120米/分钟；
4.8、包覆后的扁钢丝，出模口后用水进行冷却，冷却水温度控制在23-27℃，使其快速凝固后在扁钢丝表面形成一定厚度的PET塑胶层；
5.1、冷却后，先经过表面缺陷在线检测装置，实时监测扁钢丝包覆PET塑胶层后的表面质量；
5.2、表面质量合格后，收线成卷。
一种复合材料，采用上述的制备方法制备而成，所述复合材料为层状结构，由内至外依次包括扁钢丝、锌铁合金过渡层、锌铝稀土合金镀层、热塑性材料层(即PET塑胶层)。最终成品尺寸为1.03mm×7.17mm，厚度与宽度公差分别为±0.03mm、±0.05mm，成品抗拉强度为1850—2050Mpa，热镀合金层重量为30—60g/m2，如下方的表一所示：
表一
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (10)
1.一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
第一步：对圆钢丝进行热处理，以使圆钢丝的金相组织中索氏体含量大于或等于95％；
第二步：先将热处理后的圆钢丝在无氧化条件下预热至440—460℃，再浸入熔融的锌液中进行一次热镀，然后在出口处抹拭钢丝表面并快速冷却，以形成锌铁合金过渡层，再浸入熔融的锌、铝、稀土合金液中进行二次热镀，然后在出口处抹拭钢丝表面并快速冷却，以形成锌铝稀土合金镀层，从而在圆钢丝的外部包覆热镀合金层，进而获得热镀后圆钢丝；
第三步：先对热镀后圆钢丝用圆形孔腔模具拉拔若干道次，再用平辊连续冷轧若干道次，以制成所需尺寸的扁钢丝；
第四步：先对扁钢丝预热，再将热塑性材料挤出包覆至扁钢丝表面，以形成热塑性材料层，然后冷却，以获得所述刮水片骨架结构用复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中，所述锌、铝、稀土合金液的组成成分及质量含量为：铝4.5％—6.6％，稀土元素0.08％—0.12％，其余为锌。
3.根据权利要求1或2所述的一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中，所述圆钢丝外部的热镀合金层的重量为100—140g/m2。
4.根据权利要求3所述的一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，其特征在于：所述第三步中，所述扁钢丝外部的热镀合金层的重量为30—60g/m2。
5.根据权利要求1或2所述的一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中，所述热处理是指：
先对圆钢丝进行连续加热以使其组织结构发生奥氏体化转变，再对奥氏体化后的圆钢丝进行等温淬火，以获得热处理后的圆钢丝。
6.根据权利要求1或2所述的一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中，所述出口处抹拭钢丝表面是指：在出口处用99.99％的高纯氮气抹拭钢丝表面。
7.根据权利要求1或2所述的一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中，所述快速冷却是指：用常温水快速冷却；其中，一次热镀后的快速冷却结束后，圆钢丝的温度为80—120℃。
8.根据权利要求1或2所述的一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，其特征在于：所述第三步中，所述扁钢丝的表面粗糙度为Ra﹤0.2um；所述扁钢丝的抗拉强度为1800—2100Mpa。
9.根据权利要求1或2所述的一种刮水片骨架结构用复合材料的制备方法，其特征在于：
所述第二步中，在对圆钢丝预热之前，需要对圆钢丝依次进行电解碱洗、多级串联水清洗、烘干操作；
所述第四步中，在对扁钢丝预热之前，需要对扁钢丝依次进行电解碱洗、多级串联水洗、电解酸洗、多级串联水洗、烘干操作。
10.一种复合材料，其特征在于：所述复合材料采用权利要求1所述的制备方法制备而成，所述复合材料为层状结构，由内至外依次包括扁钢丝、锌铁合金过渡层、锌铝稀土合金镀层、热塑性材料层。
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