三類高檔冷軋鋼板產(chǎn)品——印鐵鍍錫鋼板、涂裝汽車面板、裝飾裝潢鋼板對視覺美觀性的要求，關(guān)乎鋼板表面微觀形貌的光物理效應(yīng)，具體表現(xiàn)為色彩特性、反光特性、粗細(xì)特性、映像特性、均勻特性和輪廓清晰度等。針對其中印鐵鍍錫鋼板表面視覺美觀性要求，將用戶需求指標(biāo)化并定量化鍍錫鋼板表面光澤度控制目標(biāo)值，根據(jù)光澤度測量原理建立金屬表面光澤度理論計(jì)算模型，并經(jīng)批量工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證光澤度理論模型的正確性后，研究揭示鋼板表面微觀形貌對表面光澤度的影響機(jī)制，獲得鋼板表面微觀形貌參數(shù)Ra值和Pc值對表面光澤度的影響規(guī)律。應(yīng)用光澤度計(jì)算模型將用戶要求的光澤度控制目標(biāo)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為鍍錫鋼板生產(chǎn)中可控的Ra值和Pc值的控制目標(biāo)，并針對某條國內(nèi)最先進(jìn)DI材鍍錫鋼板連續(xù)生產(chǎn)線，研究提出鍍錫鋼板表面光澤度控制的工藝方法和技術(shù)，投入長期生產(chǎn)穩(wěn)定使用后使產(chǎn)品的光澤度質(zhì)量完全滿足了用戶的嚴(yán)格要求，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
0前言
板帶是鋼鐵工業(yè)的主干產(chǎn)品，在日常生活中應(yīng)用廣泛。人們在使用板帶鋼過程中，除了要求其滿足承載性、耐腐蝕、強(qiáng)度等基本功能外，也越來越關(guān)注帶鋼表面的視覺效果，重視板帶鋼表面的視覺美觀性。目前常見到的對視覺美觀性有要求的板帶鋼產(chǎn)品主要包括印鐵鍍錫鋼板、涂裝汽車面板以及裝飾裝潢鋼板。
鍍錫鋼板又稱馬口鐵，它可以制成不同類型的食品、飲料罐、日用品包裝盒等。為了提高馬口鐵的裝飾性能，一般都會對馬口鐵進(jìn)行印刷，俗稱印鐵。印鐵工藝不僅增加了產(chǎn)品的美觀性，而且一種具有創(chuàng)造性和適合市場需求的包裝也會極大地促進(jìn)產(chǎn)品銷售。印鐵工藝屬于平板膠印，其原理是利用水、墨相斥的特點(diǎn)，并借助印刷壓力，經(jīng)橡皮布把印版圖文轉(zhuǎn)印到馬口鐵。由于印鐵過程金屬表面光滑，金屬表面不具有吸收能力，同時(shí)馬口鐵存在后續(xù)加工(彎曲、壓型、拉延及翻邊)，因此需要首先保證油墨涂層與馬口鐵表面之間必須具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上提高印鐵表面的視覺美觀性。目前針對印鐵圖文表面的視覺美觀性要求主要有色彩艷麗、圖文清晰、光澤明亮、表面均勻。尤其當(dāng)印鐵表面涂覆透明油墨時(shí)，需要利用到馬口鐵表面自有的金屬美觀特性，對其表面提出了更高的視覺美觀性要求。目前針對鍍錫薄板印鐵過程研究主要涉及印刷粘附性研究，以及印鐵表面印刷質(zhì)量的控制和在線監(jiān)測，而針對鋼板表面微觀形貌對鍍錫板印鐵表面美觀性研究較少，如李瑞等[6]采用分形法研究了鍍錫板表面光澤度和明度與其表面分形維數(shù)之間的關(guān)系。
涂裝鋼板以其優(yōu)異的耐腐蝕性、裝飾性等廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個環(huán)節(jié)，其中以汽車面板最具代表性。汽車面板的涂裝工藝與印鐵工藝存在明顯的不同，汽車涂裝一般采用噴涂，且涂層表面厚度可達(dá)100μm左右，可完全覆蓋鋼板表面小尺度的粗糙輪廓，且人們要求漆膜表面的視覺美觀性也與印鐵表面存在差異，重點(diǎn)關(guān)注漆膜表面的映像清晰度、表觀平滑不存在橘皮缺陷、表面均勻等[7]。目前針對汽車面板涂裝視覺美觀性，孔憲梅等研究了毛化技術(shù)生成的表面微觀表面形貌與漆膜鮮映性之間的關(guān)系，MEZGHANI等采用連續(xù)小波變換分析了鋼板表面粗糙度參數(shù)和波紋度參數(shù)與鋼板表面鮮映性關(guān)系。
日常生活中常見的建筑用結(jié)構(gòu)外板、五金制具、生活金屬器具、高檔金屬工藝品等都對鋼板表面視覺美觀性提出不同要求，我們將此類產(chǎn)品統(tǒng)稱為裝飾裝潢鋼板。在這類鋼板使用過程中，由于材料本身(不銹鋼、銅等)具有良好的耐腐蝕性以及耐磨損性經(jīng)常不經(jīng)涂鍍而直接應(yīng)用，并且為提高此類鋼板表面視覺美觀性一般會進(jìn)行表面處理，如拋光、噴砂、磨削等。而人們針對這類裝飾裝潢鋼板的視覺美觀性要求主要涉及表面反光特性亮光表面或亞光表面、表面粗細(xì)特性如平滑或存在紋理、表面均勻等。目前針對此類裝飾裝潢用鋼板表面視覺美觀性，陳金山等重點(diǎn)分析了不銹鋼表面光澤度的主要影響因素并提出相應(yīng)的控制手段。
通過對上述目前廣泛使用的三大類鋼板的視覺美觀性要求進(jìn)行歸納分析，發(fā)現(xiàn)用戶重點(diǎn)關(guān)注的是鋼板表面的色彩特性、反光特性、粗細(xì)特性、映像特性、均勻特性和輪廓清晰度等與鋼板表面微觀形貌的光物理效應(yīng)相關(guān)的特性。針對此，本文將此類表面微觀形貌影響的微觀尺度下視覺美觀性定義為一種鋼板微觀表面質(zhì)量，并與鋼板表面粘附和損傷類的宏觀尺度表面質(zhì)量相區(qū)別。其中，反光特性指人眼對表面明暗的感知(光亮表面或亞光表面等)，涉及表面微觀形貌對光線反射的能力；粗細(xì)特性指人眼可識別的表面紋理形狀(平滑表面或紋理表面)，涉及表面微觀形貌中較大尺度的形貌特征；映像特性指人眼識別漆膜表面反射物體圖像的清晰程度，涉及表面微觀形貌中較小尺度形貌對光的散射；輪廓清晰度指人眼可識別的最小輪廓曲線，涉及人眼可識別的最小光斑及其在表面微觀形貌上的反射；均勻特性指上述針對點(diǎn)的視覺美觀性要求擴(kuò)展至面，涉及上述美觀性要求在面上的均勻程度。
綜上所述，不同種類鋼板由于其使用領(lǐng)域的不同而有著不同的視覺美觀性要求。本文擬針對目前廣泛使用的鍍錫鋼板，從用戶對視覺美觀性的物理要求(色彩艷麗、圖文清晰、光澤明亮、表面均勻)出發(fā)，研究選定視覺美觀性描述指標(biāo)，從機(jī)理上建立鋼板表面微觀形貌對鋼板表面視覺美觀性的影響模型，揭示表面微觀形貌對視覺美觀性的影響機(jī)制；同時(shí)，針對現(xiàn)場生產(chǎn)中鋼板表面視覺美觀性控制的急迫需求，研究鍍錫板表面視覺美觀性與表面微觀形貌的關(guān)系和相應(yīng)的鋼板表面視覺美觀性的調(diào)控工藝手段和生產(chǎn)控制技術(shù)。
1鍍錫鋼板表面視覺美觀性的描述
指標(biāo)與控制目標(biāo)明度、鮮映度、光澤度和色差等是目前常用于表征金屬表面微觀形貌的光物理效應(yīng)的主要指標(biāo)，已被廣泛使用并且都已建立規(guī)范的定義和成熟的測量方法，擁有標(biāo)準(zhǔn)化的測量儀器。從原理上看，它們有可能是描述鍍錫鋼板視覺美觀性的合適指標(biāo)。
因此，針對用戶對鍍錫鋼板表面反光特性、粗細(xì)特性、映像特性、均勻特性和輪廓清晰的視覺美觀性要求，結(jié)合某國際知名制罐企業(yè)所提出的要求，選擇上述各項(xiàng)可能相關(guān)指標(biāo)——明度、鮮映度和光澤度值，對用戶所提供的全部標(biāo)準(zhǔn)樣板和具有亮度不準(zhǔn)、明暗不均、邊緣模糊等問題的缺陷樣板，進(jìn)行實(shí)測研究與表征評價(jià)，以確定最合適的視覺美觀性描述指標(biāo)及其控制目標(biāo)。
1.1描述指標(biāo)的確定
明度是顏色的三屬性(色彩、明度、純度)之一，可衡量表面的明暗程度，采用Lab色空間法計(jì)算表面明度值。鮮映度通過測量反射光在0.3°的散射光強(qiáng)度獲得表面的漫反射程度。光澤度是指在一定照度和角度的入射光的作用下，表面反射光強(qiáng)度。測量結(jié)果分別見圖1～3。
如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)鍍錫板表面明度值低于缺陷鍍錫板表面明度值，但兩者沒有明顯區(qū)別。并不能反映出用戶反饋的“標(biāo)準(zhǔn)鍍錫板與缺陷鍍錫板表面區(qū)別明顯，標(biāo)準(zhǔn)鍍錫板表面明亮、圖文清晰而缺陷鍍錫板亮度不準(zhǔn)、明暗不均、邊緣模糊”等視覺感受。因此判定，明度不能描述用戶反映的鍍錫板印鐵視覺美觀性問題，不適于標(biāo)識此類鍍錫板表面視覺美觀性質(zhì)量缺陷。
從圖3可知，標(biāo)準(zhǔn)鍍錫板與缺陷鍍錫板表面光澤度值差別很大，標(biāo)準(zhǔn)鍍錫板表面光澤度值較高且分布均勻，缺陷鍍錫板表面光澤度值較低且波動很大。相對而言，實(shí)測光澤度值可以較準(zhǔn)確反映用戶對于標(biāo)準(zhǔn)鍍錫板和缺陷鍍錫板的不同視覺感受。由此判定，光澤度指標(biāo)可以反映用戶所提出的缺陷問題，較適于表征鍍錫板表面視覺美觀性質(zhì)量缺陷。
根據(jù)圖4，首先對比標(biāo)準(zhǔn)板、正常板與缺陷板的三維表面微觀形貌及紋理，可肯定正常、缺陷、標(biāo)準(zhǔn)鍍錫板的生產(chǎn)過程采用了相同的表面控制工藝。
然后，選定合理的微觀形貌控制目標(biāo)參數(shù)，從粗糙度參數(shù)定義上來說，算數(shù)平均粗糙度Ra值是指在取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值，表面峰密度Pc值是指在單位評定長度上超過了所設(shè)定的統(tǒng)計(jì)邊界上限和下限的波峰和波谷的數(shù)目，因此Ra和Pc分別代表表面微觀形貌的幅值特性和空間特性，這兩個參數(shù)可以基本可以反映表面微觀形貌的形狀信息，同時(shí)從生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用角度來說，帶鋼表面Ra作為一種衡量產(chǎn)品表面質(zhì)量的描述指標(biāo)已廣泛應(yīng)用，而Pc值作為一個輔助觀測量也已部分應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，因此綜合粗糙度參數(shù)定義和現(xiàn)場實(shí)際情況，選定Ra與Pc作為控制目標(biāo)。
最后，分別實(shí)測對比正常、標(biāo)準(zhǔn)和缺陷鍍錫板表面光澤度值及其算數(shù)平均粗糙度Ra值和表面峰密度Pc值，如表1所示。
2鍍錫板表面光澤度測量原理及模型
在鍍錫板生產(chǎn)過程中，表面光澤度不能直接控制，但是可以通過在鍍錫板表面微觀形貌軋制轉(zhuǎn)印過程中控制鍍錫板表面微觀形貌，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對鍍錫板光澤度的間接控制。因此，需要研究鍍錫板表面微觀形貌與表面光澤度關(guān)系，建立鍍錫板表面光澤度計(jì)算模型。
2.1表面光澤度計(jì)算模型建立
光澤度是指在一定照度和角度的入射光的作用下，表面反射光比率或強(qiáng)度，鍍錫板表面光澤度的影響因素包括鍍錫板表面金屬成分(內(nèi)因)和鍍錫板表面微觀幾何不平度(外因)。本文采用上海昕瑞儀器儀表有限公司生產(chǎn)的WGG60光澤度儀現(xiàn)場實(shí)測鍍錫板表面60°的光澤度值，其測量原理為入射光斑(可見光)照射到物體表面，在入射光鏡面反射的位置測量反射光的強(qiáng)度，得到其表面反射率值并與標(biāo)準(zhǔn)黑色玻璃板的反射率進(jìn)行對比，定義標(biāo)準(zhǔn)黑玻璃板表面光澤度值為100，從而得到物體表面絕對光澤度值。
已知，當(dāng)光波照射到金屬表面時(shí)，由于金屬中存在著大量的非束縛自由電子，在外界場的作用下，金屬中能產(chǎn)生傳導(dǎo)電流密度，這與光波照射到電介質(zhì)表面時(shí)不同，此時(shí)由麥克斯韋方程組得到的波動微分方程為
式中
n——金屬的折射率，等價(jià)于電介質(zhì)的折射率，決定光波在金屬中的傳播速度；
K——衰減系數(shù)，決定光波在金屬中傳播時(shí)振幅的衰減特性。
由于金屬表面存在強(qiáng)烈的吸收，所以界面觀察到的現(xiàn)象幾乎是由反射引起的，改寫后的菲涅耳公式為
