鋼板表面形貌對(duì)汽車(chē)外板涂裝質(zhì)量的影響研究

蔡 捷 黃道兵 杜 蓉 白會(huì)平

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)質(zhì)量的要求日益提高，對(duì)汽車(chē)噴涂后漆膜的外觀質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。影響鋼板噴漆后外觀的因素很多，其中鋼板的表面形貌是其中重要的一環(huán)。鋼板的表面形貌通常劃分為表面波紋度和疊加在波紋度之上的表面粗糙度。兩者的關(guān)系在于，表面波紋度是表面呈現(xiàn)的周期較長(zhǎng)的起伏，波長(zhǎng)尺度約為1～10mm，而表面粗糙度則是依附于表面波紋度之上更為細(xì)致的高低分布，波長(zhǎng)尺度約為2～800μm。評(píng)價(jià)汽車(chē)涂裝質(zhì)量的主要指標(biāo)為桔皮和鮮映性參數(shù)，本文的目的就是研究鋼板表面形貌參數(shù)對(duì)涂裝后的桔皮和鮮映性指標(biāo)的影響，從而尋找適當(dāng)?shù)匿摪灞砻嫘蚊矃?shù)以適應(yīng)鋼板沖壓成形、涂裝附著力和涂裝外觀質(zhì)量的綜合要求，以指導(dǎo)鋼廠更好的滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)的需求。

1 評(píng)定汽車(chē)板涂裝質(zhì)量的主要指標(biāo)

1.1 桔皮

汽車(chē)涂裝中，漆膜表面的波紋稱(chēng)為桔皮。桔皮是表面波紋的光學(xué)輪廓，是油漆最常見(jiàn)的缺陷之一，影響因素眾多，控制難度高。對(duì)桔皮的評(píng)價(jià)，目前各大車(chē)廠基本上都采用專(zhuān)業(yè)的桔皮儀進(jìn)行測(cè)量。桔皮儀是利用激光聚焦在被測(cè)表面，模擬人的視覺(jué)，定量測(cè)定表面波紋的光學(xué)輪廓，直觀了解被測(cè)區(qū)域的桔皮情況。其機(jī)理是當(dāng)光線(xiàn)聚焦在波紋表面時(shí)，由于表面存在波紋，當(dāng)光線(xiàn)照在波峰和波谷時(shí)，反射光最強(qiáng)，儀器檢出最大信號(hào)；光線(xiàn)打在斜坡上時(shí)，由于反射角的變化，儀器檢出信號(hào)最小。因此測(cè)得的信號(hào)頻率正好是被測(cè)表面機(jī)械輪廓頻率的二倍，而與人眼觀察到的光學(xué)輪廓相一致。因此，桔皮儀定量測(cè)得的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地反映了表面波紋的光學(xué)輪廓。桔皮儀應(yīng)用數(shù)學(xué)濾波的方式將結(jié)構(gòu)尺寸>0.6mm的測(cè)量數(shù)據(jù)歸納為長(zhǎng)波，代表了表面較長(zhǎng)波幅的變化，數(shù)值越小外觀越好；將結(jié)構(gòu)尺寸 <0.6mm的數(shù)據(jù)歸納為短波，代表較短波幅的變化，數(shù)值越小外觀越好，短波常常會(huì)疊加在長(zhǎng)波上[1]。

1.2 鮮映性

汽車(chē)涂裝中要求漆膜外觀光滑平整，光亮如鏡，通常采用鮮映性(Distinctness of image)指標(biāo)來(lái)表征涂裝后外觀的光澤度和成像清晰度。鮮映性通常用DOI值來(lái)表示，其測(cè)量機(jī)理為以入射角為30°的光線(xiàn)照射漆膜表面，檢測(cè)其鏡面反射角反射的強(qiáng)度Rs和偏離反射角±0.3°的散射光強(qiáng)度R0.3，DOI值計(jì)算公式如下：

DOI值反映的是反射光與入射光之間光的強(qiáng)度的比值，描述了反射光在一定方向上的強(qiáng)弱程度。反射光在方向上的差異導(dǎo)致了漆膜的成像清晰度有所不同，也間接反映了漆膜表面的幾何變化。DOI值越高，漆膜成像越清晰銳利，漆膜的外觀越好，因此鮮映性DOI值能很好的描述和評(píng)定汽車(chē)涂裝的外觀質(zhì)量[2]。

2 鋼板表面形貌參數(shù)

2.1 鋼板表面形貌的控制方式

鋼板的最終表面形貌是在平整工序由軋輥轉(zhuǎn)印復(fù)制而來(lái)。因而要控制鋼板表面形貌，就必須控制軋輥的表面形貌，也就是軋輥表面毛化處理后的表面粗糙度和表面波紋度。通常采用的軋輥毛化方式有四種：(1)噴丸毛化(Shot Blast Texturing，簡(jiǎn)稱(chēng)SBT)，其機(jī)理是采用噴丸機(jī)將高硬度的鋼丸、鑄鐵或硼化沙粒加速并撞擊旋轉(zhuǎn)的軋輥，使軋輥表面變形或脫落，從而實(shí)現(xiàn)表面毛化處理。其缺點(diǎn)是毛化過(guò)程隨機(jī)，非均勻分布，且軋輥硬度不能太高；(2)電火花毛化(Electro-discharge texturing，簡(jiǎn)稱(chēng)EDT)，其機(jī)理是對(duì)電極組施加脈沖電壓，產(chǎn)生高能電火花，從而在軋輥表面產(chǎn)生微小的凹坑，實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥的毛化，均勻性好，波紋度小，涂裝效果好，是目前應(yīng)用最多最成熟的軋輥毛化方式；(3)激光毛化(Laser Beam Texturing,簡(jiǎn)稱(chēng)LBT)，其機(jī)理是使用高能脈沖激光輻射軋輥表面，使輻照表面部分熔化甚至氣化，從而形成大量具有火山口形貌的毛花點(diǎn)，激光毛化形貌均勻可控，規(guī)則性分布，設(shè)備投資高，技術(shù)上尚未成熟，應(yīng)用前景較好；(4)電子束毛化(Electron Beam Texturing，簡(jiǎn)稱(chēng)EBT)，其機(jī)理是采用高能電子束加速照射軋輥表面，電子束與軋輥表面碰撞產(chǎn)生的能量使表面部分氣化從而形成凹坑，從而實(shí)現(xiàn)毛化處理，設(shè)備投資高，技術(shù)上不夠成熟，尚未大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。目前在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用最廣泛的鋼板產(chǎn)品多采用電火花軋輥毛化方式處理。

2.2 鋼板表面形貌參數(shù)

目前在鋼鐵企業(yè)和汽車(chē)行業(yè)中，鋼板表面形貌參數(shù)主要采用鋼板表面的二維輪廓參數(shù)來(lái)表征。其測(cè)量方法通常是采用接觸式探針掃描的方法采集鋼板表面截面的輪廓數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，所得到的形貌參數(shù)包括算術(shù)平均粗糙度Ra，均方根粗糙度Rq，平均峰谷深度Rz，平均輪廓波峰高度Rp，峰密度參數(shù)PC，波紋度參數(shù)Wca等。其中業(yè)內(nèi)使用最廣泛的表面形貌參數(shù)主要是Ra、PC和Wca，本文重點(diǎn)討論上述表面形貌參數(shù)對(duì)汽車(chē)板涂裝質(zhì)量的影響。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 鋼板表面形貌參數(shù)測(cè)量

鋼板為產(chǎn)線(xiàn)上采用EDT毛化軋輥平整后取樣得到不同Ra、PC、Wca的試片。測(cè)試設(shè)備為Hommel T8000探針式粗糙度測(cè)試儀，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為DIN EN10049。

試片的具體形貌參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試片表面形貌參數(shù)測(cè)定結(jié)果

3.2 涂裝試驗(yàn)和涂裝質(zhì)量測(cè)量

涂裝試驗(yàn)是在某汽車(chē)廠涂裝車(chē)間進(jìn)行的隨線(xiàn)掛片涂漆試驗(yàn)。涂裝的流程為：

水洗→堿洗→水洗→表調(diào)→磷化→電泳→烘干→面漆→烘干→清漆→烘干。其中脫脂及磷化處理藥劑采用的是日本帕卡瀨精公司的材料，油漆供應(yīng)商為立邦涂料，漆膜總厚度約65μm。試片一部分在電泳底漆完成后取下進(jìn)行表面粗糙度測(cè)試，一部分在清漆涂裝完成后進(jìn)行桔皮和鮮映性測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為BYK AW4846桔皮儀，測(cè)定涂裝后的長(zhǎng)短波和DOI值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試片涂裝質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

3.3 鋼板表面形貌與涂裝質(zhì)量的關(guān)系3.3.1 電泳涂漆粗糙度與鋼板表面粗糙度的關(guān)系

圖1是電泳涂漆前后粗糙度Ra的變化情況。從圖1中可以看出，進(jìn)行電泳涂漆后，由于涂料的流平，鋼板表面的粗糙度會(huì)大幅衰減，漆膜表面變得十分光滑，但鋼板表面粗糙度對(duì)電泳后的粗糙度仍有一定影響，總體來(lái)說(shuō)電泳后的Ra隨著鋼板Ra的增大而增大，但幅度有限，且與涂料的流平性存在較大關(guān)系[4]。一般來(lái)說(shuō)鋼板Ra較小，與漆膜的結(jié)合面積會(huì)變小，會(huì)導(dǎo)致漆膜附著力不佳，但Ra過(guò)大則會(huì)因底材過(guò)分粗糙而影響涂裝后的表面粗糙度和外觀。因而要求鋼板的Ra在一定的范圍之內(nèi)，通常為0.6～1.6μm。

圖1 鋼板Ra與電泳涂漆后Ra的變化關(guān)系

3.3.2 鋼板表面形貌與桔皮和鮮映性的關(guān)系

汽車(chē)涂裝后漆膜表面粗糙度的大幅衰減，其原因是漆膜的覆蓋使代表鋼板表面形貌高頻信號(hào)的Ra大幅衰減，但代表鋼板表面形貌低頻信號(hào)的Wca會(huì)部分保留下來(lái)，其衰減幅度較Ra的衰減要小的多，這些低頻成分的保留將會(huì)影響到漆膜的桔皮數(shù)據(jù)和鮮映性[3]。因而，通常認(rèn)為鋼板表面形貌參數(shù)Wca對(duì)涂裝質(zhì)量的影響較大，Wca主要來(lái)源于軋輥加工和鋼板軋制時(shí)機(jī)床和軋機(jī)的小幅、低頻振動(dòng)，對(duì)于鋼廠來(lái)說(shuō)控制手段有限，在工況穩(wěn)定的情況下通常維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。通過(guò)涂裝試驗(yàn)后的桔皮數(shù)據(jù)和DOI值的分析可以看出，在Wca基本一致的情況下，鋼板表面的形貌參數(shù)PC值對(duì)涂裝質(zhì)量有明顯影響。

圖2是鋼板表面PC值與涂裝后的桔皮長(zhǎng)短波數(shù)據(jù)的關(guān)系圖。由圖2可以看到，隨著PC值的提高，涂裝后的短波數(shù)值近似線(xiàn)性降低，而長(zhǎng)波數(shù)值則無(wú)明顯的變化規(guī)律。由于涂裝后漆膜表面粗糙度趨向一致，鋼板Ra對(duì)桔皮長(zhǎng)短波的影響非常小，影響桔皮長(zhǎng)短波數(shù)值的主要因素為鋼板表面的Wca、PC值和涂裝因素(包括漆膜的流平特性、細(xì)度和施工工藝等)，而在Wca基本一致的前提下，提高鋼板表面PC值則成為提高涂裝質(zhì)量的有效控制手段。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在Wca在0.6μm的水平下，鋼板表面PC值控制在70以上可以充分滿(mǎn)足涂裝桔皮的要求(垂直面：長(zhǎng)波<15，短波<30)。

圖2 鋼板表面PC值與涂裝后桔皮數(shù)據(jù)的關(guān)系

從圖3中鋼板表面PC值與涂裝后鮮映性DOI值的對(duì)應(yīng)關(guān)系中可以看出，隨著PC值的提高，涂裝鮮映性指標(biāo)DOI值呈明顯的上升趨勢(shì)。因?yàn)樵诮?jīng)過(guò)電泳和中涂之后漆膜的Ra受鋼板表面影響較小，趨向于一致，鋼板Ra的影響可近似忽略。在Wca水平相當(dāng)和涂裝條件近似的條件下，提高鋼板的PC值可顯著改善涂裝后的DOI值水平。

圖3 鋼板表面PC值與涂裝鮮映性DOI的關(guān)系

4 結(jié)論

汽車(chē)涂裝中漆膜桔皮與鮮映性影響因素眾多，不但包括了對(duì)底材的表面形貌要求，還包括了清洗、磷化、電泳、噴涂等各工藝環(huán)節(jié)的工藝控制和原材料質(zhì)量，但對(duì)于作為涂裝底材供應(yīng)商的鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，影響涂裝質(zhì)量的最重要的形貌參數(shù)是Wca、Ra和PC值。

由上述試驗(yàn)結(jié)果及分析可以看出，要使涂裝質(zhì)量達(dá)到汽車(chē)廠的要求，這幾個(gè)形貌參數(shù)必須滿(mǎn)足一定的要求，否則鋼板就不能用于汽車(chē)外板。從試驗(yàn)結(jié)果以及綜合考慮Ra和PC對(duì)于涂裝附著力的影響以及鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)控制難度和成本，建議的汽車(chē)外板形貌參數(shù)為：波紋度Wca≤0.65μm，粗糙度Ra0.6～1.2μm，PC值≥70cm-1。同時(shí)，針對(duì)目前汽車(chē)廠降低涂裝膜厚以及三涂改兩涂的趨勢(shì)，要獲得良好的涂裝效果，鋼廠必須提高鋼板形貌控制水平，努力的方向?yàn)榻档蚖ca，提高PC值，同時(shí)將Ra控制在不影響涂裝附著力的一個(gè)較低的范圍內(nèi)。

[1] 陳慕祖，陳衛(wèi)華，等.油漆桔皮的測(cè)定原理、方法與評(píng)價(jià)[J].涂料工業(yè)，1998，(6)：41-43.

[2] 孔憲梅，宋強(qiáng)等.冷軋鋼板表面形貌與漆膜鮮映性的關(guān)系研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1999，18(3)：63-66.

[3] 邊春利，李永亮，等.正交試驗(yàn)在面漆桔皮的影響因素研究中的應(yīng)用[J].上海涂料，2009，47(3)：37-40.

[4] 周杰，陳暮祖，等.油漆桔皮的影響因素及防治方法[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2003，(5)：41-44.