本发明涉及钢铁冶金、压力加工及热处理，尤其涉及一种气体氮碳共渗用超低碳冷轧钢板及其制造方法。
背景技术：
超低碳冷轧钢板具有硬度低延展性能优良的特点，广泛应用于各种需要冲压成型，尤其是超深冲的领域。近年来，随着生活水平的提高，人们对传统的铁锅及现有的不粘锅等炊具有了更高的要求，传统铁锅因冶炼过程中不可避免地含有mn、pb等有害元素，不粘锅的特氟龙涂层因具有潜在致癌风险而被人们广泛认识。
近期，一种绿色环保、对健康无害的纯铁炊具正逐渐取代现有的传统炊具，例如：日本的吉川极锅。
纯铁虽然具有成分上的优势和易冲压成型方面的优点，但是，成型后的钢板由于主要以铁素体组织为主，质地较软，即使采用普通的热处理工艺也很难达到满意的硬度和强度，同时其耐腐蚀性能差、易生锈也影响了其使用的效果。必须使用一种特殊的渗氮工艺，在增加成型后钢板硬度和强度的同时，还要提高其耐腐蚀性能。
传统的气体渗氮或氮碳共渗工艺主要针对中碳钢制品，例如：齿轮等要求具有耐磨、耐腐蚀的零件，超低碳钢的渗氮或氮碳共渗还是一个较新的领域，适合氮碳共渗的超低碳钢除了要在成分设计上满足强度和硬度要求的基础上，还要在耐腐蚀性能方面进行研制。cn96190898.x[新日铁株式会社]一种成型性和渗氮特性优良的渗氮钢及其冲压成型制品，它含有(以重量为基础)：c：0.0002～0.08％以下、si：0.005～1.00％、mn：0.010～3.00％、p：0.001～0.150％、n：0.0002～0.0100％、cr：0.15以上～5.00％、al：0.060以上～2.00％(当c含量为0.0002-0.0100％以下时，al成为0.10以上～2.00％范围内的选择性元素)以及选自ti：0.010～1.00％和v：0.010～1.00％中的1种或2种元素，其余是fe和不可避免的杂质，虽然成分设计上有一部分同属超低碳钢，但在耐腐蚀因子(铜)的设计上存在明显的不足，氮元素的钉轧效应易导致成型过程中产生拉伸横纹，其次锰含量偏高，不适合用于炊具制造。
因此，提供一种气体氮碳共渗用超低碳冷轧钢板及其制造方法对于解决目前炊具用钢具有十分重要的意义，同时也具有广泛的市场需求。
技术实现要素：
一种气体氮碳共渗用超低碳冷轧钢板及其制造方法。该钢板具有优良的冲压、成型性能，并且成型后的工件通过气体氮碳共渗或气体渗氮能够在钢板表面形成一定厚度高硬度、致密的耐腐蚀氮化物膜层，特别适合制造铁质炊具。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种气体氮碳共渗用超低碳冷轧钢板，冷轧钢板的化学成分重量百分比为：c0.002％～0.020％、si0.016％～0.030％、mn0.08％～0.16％、p≤0.015％、s≤0.012％、al0.030％～0.30％、cu0.01％～0.10％，其余为fe及不可避免的杂质。
各元素作用如下：
c：是钢材的主要强化元素，碳含量的高低，直接影响钢板的强度和延展性，碳含量降低，其强度下降，冲压和成型性能越好。同时，碳含量在一定范围内，越高越有利于渗氮形成高硬度、致密化合物膜层，因此，综合考虑两方面性能，本发明的c含量的重量百分比控制范围为0.002％～0.020％(wt)，优选为：0.010％～0.018％(wt)。
si：作为还原剂和脱氧剂，同时si在钢中具有较强的固溶能力，可增加钢材的强度与硬度，但si含量增加也增加钢材的脆性，影响其延伸率。因此，本发明采用低硅方案，si的重量百分比控制范围为0.016～0.030％(wt)。
mn：其主要作用是固溶强化，可以增强钢材韧性和延展性，提高钢材的成型性能。但锰本身是对人体健康有害的元素，具有破坏人的神经系统的作用，但冶炼过程中锰较难去除，因此，综合上面因素本发明将mn的范围控制在0.08～0.16％(wt)。
p≤0.015％，钢中的杂质元素，越少越好。
s≤0.012％，钢中的杂质，越少越好。
al：铝在渗氮过程中可以优先与n形成氮化铝化合物，在钢中起到弥散强化作用，同时铝在钢中细化晶粒的同时还有提高耐腐蚀性能的作用，本发明中铝的重量百分比控制范围0.03％～0.30％(wt)，优选为：0.09％～0.20％(wt)。
cu：铜元素，在钢中具有提高耐腐蚀性能的作用，同时铜还是有益人体的微量元素，因此在本发明中其重量百分比的控制范围为0.01％～0.10％(wt)，优选为：0.03％～0.08％(wt)。
一种气体氮碳共渗用超低碳冷轧钢板的制造方法，制备的工艺路线为：铁水预处理–转炉冶炼–精炼处理–连铸–热连轧–层流冷却–冷轧酸轧–罩式退火–平整机组-重卷机组或横切机组–成品包装；
1)冶炼及连铸：冶炼时，采用真空脱气处理，减少钢中氮含量，连铸时，10℃≤钢水过热度≤30℃，铸坯拉速≤1.3m/min，拉速与过热度相匹配，核心是控制拉速的稳定，避免夹杂和尺寸波动；
2)热连轧：加热炉加热段温度1230～1270℃，精轧开轧温度1060～1100℃，终轧温度860～900℃，避免两相区轧制，促进组织均匀细化，减少带状组织，得到显微组织为铁素体加珠光体的热轧板卷，板厚为3.5～5.0mm；
3)冷轧后罩式退火：退火温度400℃～680℃，6-8小时；680℃～730℃，5-7小时；730℃保温8-9小时；730℃～700℃，2-3小时；700℃～640℃，3-3.5小时。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
一种气体氮碳共渗用超低碳冷轧钢板及其制造方法。该钢板具有优良的冲压、成型性能，并且成型后的工件通过气体氮碳共渗或气体渗氮能够在钢板表面形成一定厚度高硬度、致密的，具有优良耐腐蚀性能的氮化物膜层。同时，钢板中去除了对健康有害的杂质，并添加了有益健康的微量元素，特别适合制造铁质炊具。
附图说明
图1是本发明中冷轧罩式退火工艺图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式进一步说明：
一种气体氮碳共渗用超低碳冷轧钢板，冷轧钢板的化学成分重量百分比为：c0.002％～0.020％、si0.016％～0.030％、mn0.08％～0.16％、p≤0.015％、s≤0.012％、al0.030％～0.30％、cu0.01％～0.10％，其余为fe及不可避免的杂质。
各元素作用如下：
c：是钢材的主要强化元素，碳含量的高低，直接影响钢板的强度和延展性，碳含量降低，其强度下降，冲压和成型性能越好。同时，碳含量在一定范围内，越高越有利于渗氮形成高硬度、致密化合物膜层，因此，综合考虑两方面性能，本发明的c含量的重量百分比控制范围为0.002％～0.020％(wt)，优选为：0.010％～0.018％(wt)。
si：作为还原剂和脱氧剂，同时si在钢中具有较强的固溶能力，可增加钢材的强度与硬度，但si含量增加也增加钢材的脆性，影响其延伸率。因此，本发明采用低硅方案，si的重量百分比控制范围为0.016～0.030％(wt)。
mn：其主要作用是固溶强化，可以增强钢材韧性和延展性，提高钢材的成型性能。但锰本身是对人体健康有害的元素，具有破坏人的神经系统的作用，但冶炼过程中锰较难去除，因此，综合上面因素本发明将mn的范围控制在0.08～0.16％(wt)。
p≤0.015％，钢中的杂质元素，越少越好。
s≤0.012％，钢中的杂质，越少越好。
al：铝在渗氮过程中可以优先与n形成氮化铝化合物，在钢中起到弥散强化作用，同时铝在钢中细化晶粒的同时还有提高耐腐蚀性能的作用，本发明中铝的重量百分比控制范围0.03％～0.30％(wt)，优选为：0.09％～0.20％(wt)。
cu：铜元素，在钢中具有提高耐腐蚀性能的作用，同时铜还是有益人体的微量元素，因此在本发明中其重量百分比的控制范围为0.01％～0.10％(wt)，优选为：0.03％～0.08％(wt)。
一种气体氮碳共渗用超低碳冷轧钢板的制造方法，制备的工艺路线为：铁水预处理–转炉冶炼–精炼处理–连铸–热连轧–层流冷却–冷轧酸轧–罩式退火–平整机组-重卷机组或横切机组–成品包装；
1)冶炼及连铸：冶炼时，采用真空脱气处理，减少钢中氮含量，连铸时，10℃≤钢水过热度≤30℃，铸坯拉速≤1.3m/min，拉速应稳定，铸坯边部要求清理、修边。钢水过热度直接影响钢坯质量，过热度太低易引入杂质，过高将导致偏析，还可能引起拉漏事故发生，因此，本发明钢水过热度控制≥10℃、≤30℃，优选20±5℃；拉速与过热度相匹配，核心是控制拉速的稳定，避免夹杂和尺寸波动；
2)热连轧：加热炉加热段温度1230～1270℃，精轧开轧温度1060～1100℃，终轧温度860～900℃，避免两相区轧制，促进组织均匀细化，减少带状组织，得到显微组织为铁素体加珠光体的热轧板卷，板厚为3.5～5.0mm；
加热段温度选择1230～1270℃是为了防止钢坯过热、过烧；精轧温度选择1060～1100℃主要是降低机组负荷，终轧温度选择ar3以上可以促进组织均匀细化，减少带状组织。
3)冷轧后罩式退火：退火温度400℃～680℃，6-8小时；680℃～730℃，5-7小时；730℃保温8-9小时；730℃～700℃，2-3小时；700℃～640℃，3-3.5小时；具体退火工艺曲线见附图1。退火保温在再结晶温度以上，一是有利于铁素体均匀细化，降低组织强度，利于冲压成型，与冶炼中减少氮含量措施协同控制氮元素的钉扎效应，减少吕德斯带的形成，提高成品表面质量；二是减少由于冷轧产生的加工应力，降低材料硬度，为下一步冲压成型做准备。
最后经用户冲压后，进行氮碳共渗处理，具体参数可根据用户要求的工件强度与硬度确定淬火温度和降温速度。
下面通过实施例对本发明进行进一步说明。轧后样板进行罩式退火处理，并分别检测成型后经过规定的氮碳共渗处理的钢板硬度值，hv硬度均超过680，而采用本发明中的优选成分配方hv硬度可达到720以上，显示元件渗氮后具有较好硬度和膜层致密性。表1-表3分别是实施例的成分表、制备处理工艺表和性能表。
表1：成分表
表2工艺参数表
表3：性能表
注：1.氮碳共渗工艺，620℃调节气氛，控制氮势，以渗碳为主，时间1小时，然后580℃提高氨气比例，进行氮碳共渗，时间1.5小时，实际操作中可以对参数进行微调，以获得不同的产品性能。2.腐蚀速度为5％的nacl水溶液中，室温浸泡30天的测试结果。
渗氮层的致密性和硬度是影响产品耐腐蚀性能的关键因素，实施例显示，随着铝、铜含量的增加，钢板的维氏硬度和耐腐蚀性能都有一定幅度的提高，而氮化层厚度基本不变。