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类高档冷轧钢板产品——印铁镀锡钢板、涂装汽车面板、装饰装潢钢板对视觉美观性的要求，关乎钢板表面微观形貌的光物理效应，具体表现为色彩特性、反光特性、粗细特性、映像特性、均匀特性和轮廓清晰度等。针对其中印铁镀锡钢板表面视觉美观性要求，将用户需求指标化并定量化镀锡钢板表面光泽度控制目标值，根据光泽度测量原理建立金属表面光泽度理论计算模型，并经批量工业生产试验实测数据验证光泽度理论模型的正确性后，研究揭示钢板表面微观形貌对表面光泽度的影响机制，获得钢板表面微观形貌参数Ra值和Pc值对表面光泽度的影响规律。应用光泽度计算模型将用户要求的光泽度控制目标进一步转化为镀锡钢板生产中可控的Ra值和Pc值的控制目标，并针对某条国内最先进DI材镀锡钢板连续生产线，研究提出镀锡钢板表面光泽度控制的工艺方法和技术，投入长期生产稳定使用后使产品的光泽度质量完全满足了用户的严格要求，创造了显著的经济和社会效益。
0前言
板带是钢铁工业的主干产品，在日常生活中应用广泛。人们在使用板带钢过程中，除了要求其满足承载性、耐腐蚀、强度等基本功能外，也越来越关注带钢表面的视觉效果，重视板带钢表面的视觉美观性。目前常见到的对视觉美观性有要求的板带钢产品主要包括印铁镀锡钢板、涂装汽车面板以及装饰装潢钢板。
镀锡钢板又称马口铁，它可以制成不同类型的食品、饮料罐、日用品包装盒等。为了提高马口铁的装饰性能，一般都会对马口铁进行印刷，俗称印铁。印铁工艺不仅增加了产品的美观性，而且一种具有创造性和适合市场需求的包装也会极大地促进产品销售。印铁工艺属于平板胶印，其原理是利用水、墨相斥的特点，并借助印刷压力，经橡皮布把印版图文转印到马口铁。由于印铁过程金属表面光滑，金属表面不具有吸收能力，同时马口铁存在后续加工(弯曲、压型、拉延及翻边)，因此需要首先保证油墨涂层与马口铁表面之间必须具有良好的结合强度，并在此基础上提高印铁表面的视觉美观性。目前针对印铁图文表面的视觉美观性要求主要有色彩艳丽、图文清晰、光泽明亮、表面均匀。尤其当印铁表面涂覆透明油墨时，需要利用到马口铁表面自有的金属美观特性，对其表面提出了更高的视觉美观性要求。目前针对镀锡薄板印铁过程研究主要涉及印刷粘附性研究，以及印铁表面印刷质量的控制和在线监测，而针对钢板表面微观形貌对镀锡板印铁表面美观性研究较少，如李瑞等[6]采用分形法研究了镀锡板表面光泽度和明度与其表面分形维数之间的关系。
涂装钢板以其优异的耐腐蚀性、装饰性等广泛应用于国民经济的各个环节，其中以汽车面板最具代表性。汽车面板的涂装工艺与印铁工艺存在明显的不同，汽车涂装一般采用喷涂，且涂层表面厚度可达100μm左右，可完全覆盖钢板表面小尺度的粗糙轮廓，且人们要求漆膜表面的视觉美观性也与印铁表面存在差异，重点关注漆膜表面的映像清晰度、表观平滑不存在橘皮缺陷、表面均匀等[7]。目前针对汽车面板涂装视觉美观性，孔宪梅等研究了毛化技术生成的表面微观表面形貌与漆膜鲜映性之间的关系，MEZGHANI等采用连续小波变换分析了钢板表面粗糙度参数和波纹度参数与钢板表面鲜映性关系。
日常生活中常见的建筑用结构外板、五金制具、生活金属器具、高档金属工艺品等都对钢板表面视觉美观性提出不同要求，我们将此类产品统称为装饰装潢钢板。在这类钢板使用过程中，由于材料本身(不锈钢、铜等)具有良好的耐腐蚀性以及耐磨损性经常不经涂镀而直接应用，并且为提高此类钢板表面视觉美观性一般会进行表面处理，如抛光、喷砂、磨削等。而人们针对这类装饰装潢钢板的视觉美观性要求主要涉及表面反光特性亮光表面或亚光表面、表面粗细特性如平滑或存在纹理、表面均匀等。目前针对此类装饰装潢用钢板表面视觉美观性，陈金山等重点分析了不锈钢表面光泽度的主要影响因素并提出相应的控制手段。
通过对上述目前广泛使用的三大类钢板的视觉美观性要求进行归纳分析，发现用户重点关注的是钢板表面的色彩特性、反光特性、粗细特性、映像特性、均匀特性和轮廓清晰度等与钢板表面微观形貌的光物理效应相关的特性。针对此，本文将此类表面微观形貌影响的微观尺度下视觉美观性定义为一种钢板微观表面质量，并与钢板表面粘附和损伤类的宏观尺度表面质量相区别。其中，反光特性指人眼对表面明暗的感知(光亮表面或亚光表面等)，涉及表面微观形貌对光线反射的能力；粗细特性指人眼可识别的表面纹理形状(平滑表面或纹理表面)，涉及表面微观形貌中较大尺度的形貌特征；映像特性指人眼识别漆膜表面反射物体图像的清晰程度，涉及表面微观形貌中较小尺度形貌对光的散射；轮廓清晰度指人眼可识别的最小轮廓曲线，涉及人眼可识别的最小光斑及其在表面微观形貌上的反射；均匀特性指上述针对点的视觉美观性要求扩展至面，涉及上述美观性要求在面上的均匀程度。
综上所述，不同种类钢板由于其使用领域的不同而有着不同的视觉美观性要求。本文拟针对目前广泛使用的镀锡钢板，从用户对视觉美观性的物理要求(色彩艳丽、图文清晰、光泽明亮、表面均匀)出发，研究选定视觉美观性描述指标，从机理上建立钢板表面微观形貌对钢板表面视觉美观性的影响模型，揭示表面微观形貌对视觉美观性的影响机制；同时，针对现场生产中钢板表面视觉美观性控制的急迫需求，研究镀锡板表面视觉美观性与表面微观形貌的关系和相应的钢板表面视觉美观性的调控工艺手段和生产控制技术。
1镀锡钢板表面视觉美观性的描述
指标与控制目标明度、鲜映度、光泽度和色差等是目前常用于表征金属表面微观形貌的光物理效应的主要指标，已被广泛使用并且都已建立规范的定义和成熟的测量方法，拥有标准化的测量仪器。从原理上看，它们有可能是描述镀锡钢板视觉美观性的合适指标。
因此，针对用户对镀锡钢板表面反光特性、粗细特性、映像特性、均匀特性和轮廓清晰的视觉美观性要求，结合某国际知名制罐企业所提出的要求，选择上述各项可能相关指标——明度、鲜映度和光泽度值，对用户所提供的全部标准样板和具有亮度不准、明暗不均、边缘模糊等问题的缺陷样板，进行实测研究与表征评价，以确定最合适的视觉美观性描述指标及其控制目标。
1.1描述指标的确定
明度是颜色的三属性(色彩、明度、纯度)之一，可衡量表面的明暗程度，采用Lab色空间法计算表面明度值。鲜映度通过测量反射光在0.3°的散射光强度获得表面的漫反射程度。光泽度是指在一定照度和角度的入射光的作用下，表面反射光强度。测量结果分别见图1～3。
如图1所示，标准镀锡板表面明度值低于缺陷镀锡板表面明度值，但两者没有明显区别。并不能反映出用户反馈的“标准镀锡板与缺陷镀锡板表面区别明显，标准镀锡板表面明亮、图文清晰而缺陷镀锡板亮度不准、明暗不均、边缘模糊”等视觉感受。因此判定，明度不能描述用户反映的镀锡板印铁视觉美观性问题，不适于标识此类镀锡板表面视觉美观性质量缺陷。
图1/2
图3
从图3可知，标准镀锡板与缺陷镀锡板表面光泽度值差别很大，标准镀锡板表面光泽度值较高且分布均匀，缺陷镀锡板表面光泽度值较低且波动很大。相对而言，实测光泽度值可以较准确反映用户对于标准镀锡板和缺陷镀锡板的不同视觉感受。由此判定，光泽度指标可以反映用户所提出的缺陷问题，较适于表征镀锡板表面视觉美观性质量缺陷。
图4
根据图4，首先对比标准板、正常板与缺陷板的三维表面微观形貌及纹理，可肯定正常、缺陷、标准镀锡板的生产过程采用了相同的表面控制工艺。
然后，选定合理的微观形貌控制目标参数，从粗糙度参数定义上来说，算数平均粗糙度Ra值是指在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值，表面峰密度Pc值是指在单位评定长度上超过了所设定的统计边界上限和下限的波峰和波谷的数目，因此Ra和Pc分别代表表面微观形貌的幅值特性和空间特性，这两个参数可以基本可以反映表面微观形貌的形状信息，同时从生产现场的应用角度来说，带钢表面Ra作为一种衡量产品表面质量的描述指标已广泛应用，而Pc值作为一个辅助观测量也已部分应用于实际生产，因此综合粗糙度参数定义和现场实际情况，选定Ra与Pc作为控制目标。
最后，分别实测对比正常、标准和缺陷镀锡板表面光泽度值及其算数平均粗糙度Ra值和表面峰密度Pc值，如表1所示。
表1
2镀锡板表面光泽度测量原理及模型
在镀锡板生产过程中，表面光泽度不能直接控制，但是可以通过在镀锡板表面微观形貌轧制转印过程中控制镀锡板表面微观形貌，进而实现对镀锡板光泽度的间接控制。因此，需要研究镀锡板表面微观形貌与表面光泽度关系，建立镀锡板表面光泽度计算模型。
2.1表面光泽度计算模型建立
光泽度是指在一定照度和角度的入射光的作用下，表面反射光比率或强度，镀锡板表面光泽度的影响因素包括镀锡板表面金属成分(内因)和镀锡板表面微观几何不平度(外因)。本文采用上海昕瑞仪器仪表有限公司生产的WGG60光泽度仪现场实测镀锡板表面60°的光泽度值，其测量原理为入射光斑(可见光)照射到物体表面，在入射光镜面反射的位置测量反射光的强度，得到其表面反射率值并与标准黑色玻璃板的反射率进行对比，定义标准黑玻璃板表面光泽度值为100，从而得到物体表面绝对光泽度值。
已知，当光波照射到金属表面时，由于金属中存在着大量的非束缚自由电子，在外界场的作用下，金属中能产生传导电流密度，这与光波照射到电介质表面时不同，此时由麦克斯韦方程组得到的波动微分方程为
方程式
式中
n——金属的折射率，等价于电介质的折射率，决定光波在金属中的传播速度；
K——衰减系数，决定光波在金属中传播时振幅的衰减特性。
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