1.本发明属于钢铁生产技术领域，具体涉及一种基于亚快速凝固+轧制工艺的超高抗拉强度的低密度钢及其制造方法。
背景技术：
2.与传统的普通高强钢相比，先进高强钢最大的优势在于保证力学性能的同时减轻板材构建的厚度和重量，还具有良好的成型性、防撞凹性、抗疲劳性能、较高的加工硬化率，在各行各业显示良好的应用前景。fe-mn-c-al系低密度钢出现于上世纪年代，随着研究的深入，低密度钢的特殊性逐渐被挖掘出来。首先，该钢种密度比其他钢种要小，研究表明，每增加1％的al，钢的密度可以降低1.3％，同时可以显著提高层错能，每增加1wt％al，层错能增加9～11mj/m2。低密度钢的加工硬化机制不仅仅局限于高锰钢的相变诱导塑性及孪晶诱导塑性强化，微带诱导塑性、剪切带诱导塑性及动态滑移带细化等加工硬化机制也能用于强化低密度钢，同时纳米级第二相κ＇碳化物的弥散分布可以钉扎细化晶粒及通过nb、v、 ti的微合金化可以进一步强化其综合力学性能，包括屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等等。鉴于以上特点，低密度钢广泛应用于汽车、船舶制造行业等领域，通过降低重量，可以降低能源消耗、减少尾气排放。
3.迄今为止，人们就一直寻求金属材料“轻量、强度、韧性”三大指标的平衡。不过，强度和韧性始终是相互排斥的，很难达到获得高强度的同时仍然保证良好的塑性，因此，亟需一种具有高强度的同时又能保证高塑性的低密度钢板。目前 fe-mn-c-al系列低密度、高强度、高塑性钢的研究主要通过传统的冶炼、热轧、热轧后退火、酸洗、冷轧、冷轧后退火生产工艺进行制备，工艺复杂，成本较大，生产难度较大。
4.目前，现有的专利文献申请cn104928568a公开了一种抗拉强度≥800mpa、延伸率≥25％、密度≤7.5kg/m3的铁素体低密度高强度钢，其特点是该合金钢的化学组成成分重量％为：c：0.05-0.4％，mn:4.0-12％，al：3.0-7.0％，在这基础上加入了一种或者一种以上的v、ti、nb、v等微合金元素通过析出强化提高强度。专利文献cn104711494a公开了一种高强度高塑性的nial强化低密度钢，其特点是该合金钢的化学组成成分重量％为c：0.5-1.5％，mn:10-30％，al:5-12％，ni： 5-15％，抗拉强度达到1350mpa以上，延伸率达到10％以上。专利文献 cn108486492b公开了具有高强度高塑性低密度钢板的制造方法，其特点是该合金钢的化学组成成分重量％为c：0.7-1％，mn:13-20％，al:8-11％，ni:1-4％，si ＜0.1％，s＜0.01％，p＜0.01％，且加入微合金元素ti:0-0.1％，nb:0-0.1％， v:0-0.15％，通过热轧、酸洗后冷轧，再通过热处理的方式获得了抗拉强度为 1200mpa，延伸率为25％的钢板。专利文献cn108779528b公开了具有高延展性、低密度高强度奥氏体钢带，其特点是该合金钢的化学组成成分重量％为c： 0.65-0.9％，mn:5.0-20％，al:5.5-11％，0＜si≤0.15％，0＜cu≤0.34％，0＜cr≤0.14％，同时加入一种或者一种以上的v、ti、nb、v、zr等微合金元素，该钢带的抗拉强度≥800mpa、延伸率≥25％、密度≤7.3kg/m3。
5.上述四篇专利文献中公布的四种钢制品的制造方法均采用传统连轧工艺，需要经过多道次的热轧流程，流程长、能耗高，生产综合成本高，且由于合金元素高，连铸过程容易产生偏析，轧制过程轧制力大，容易形成裂纹，生产难度大，对于高抗拉强度、高延伸率的薄钢带的生产难度更大。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种基于亚快速凝固 +轧制工艺的超高抗拉强度的低密度钢及其制造方法，其化学成分及质量百分数为：c：0.6％-1.5％，mn：16％-25％，al：6％-12％，v：0.01％-0.2％，zr：0.01％-0.2％； si：0.01％-0.5％；cu：0.01％-2％；ni：0.05％-2％，余量为fe和杂质元素。采用亚快速凝固+轧制工艺，可以细化晶粒尺寸，减少元素偏析，降低高强度、高塑性钢的生产难度，制造出低密度和更优综合性能的薄钢带；本发明方法生产的热轧钢带，屈服强度在1450mpa以上，抗拉强度在1600mpa以上，延伸率在20％以上。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种基于亚快速凝固+轧制工艺的超高抗拉强度的低密度钢，其化学成分及质量百分数为：c：0.6％-1.5％，mn： 16％-25％，al：6％-12％，v：0.01％-0.2％，zr：0.01％-0.2％；si：0.01％-0.5％； cu：0.01％-2％；ni：0.05％-2％，余量为fe和不可避免的杂质元素。
8.优选地，杂质元素的化学成分及质量百分数符合p≤0.06％、s≤0.002％、n ≤0.003％。
9.相应地，本发明还公开了一种基于亚快速凝固+轧制工艺的超高抗拉强度的低密度钢的制造方法，包括如下步骤：
10.s1：按照上述的化学成分及质量百分数，冶炼制备钢水；
11.s2：将步骤s1制备的钢水经亚快速凝固工艺制备成铸带；
12.s3：将步骤s2制备的铸带经过一道次热轧制备成薄钢带；
13.s4：将步骤s3制备的薄钢带经气雾冷却系统冷却至600℃～800℃；
14.其中，所述的制造方法制造的热轧钢带的屈服强度在1450mpa以上，抗拉强度在1600mpa以上。
15.优选的技术方案是，所述的步骤s2中，具体操作为：将步骤s1制备的钢水采用单棍熔体旋转的方法凝固成薄铸带，铸带的厚度为1.4～2.5mm，宽度为 60mm～150mm。
16.优选的技术方案还有，所述的步骤s3中，一道次热轧压下量为20％～50％，薄钢带的厚度为0.9～1.7mm。
17.优选的技术方案还有，所述的步骤s3中，热轧终轧温度为850℃～1050℃。
18.进一步优选的技术方案还有，所述的制造方法制造的热轧钢带的金相组织为细小均匀的奥氏体和析出相，延伸率在20％以上，密度为6.2～7.2g/cm3。
19.本发明的优点和有益效果在于：
20.1、之前未见过采用亚快速凝固工艺形成铸带，通过一道次热轧生产低密度高强塑性钢的相关报道。
21.2、本发明的超高抗拉强度的低密度钢，成型性能更好，在凝固阶段，由于铸带厚度较薄并且凝固速度较快，可以降低合金元素的偏析，成分均匀，且在薄带钢中无明显的中心
p偏析带和长条状的mns夹杂带，表现出较高的韧性，有利于后续进行冷变形加工。
22.3、本发明的亚快速凝固工艺中，所添加的合金元素主要在铸带中以固溶态存在，可提高合金利用率。
23.4、本发明的超高抗拉强度的低密度钢，金相组织为细小均匀的奥氏体和析出相，具有优越的超高抗拉性能：屈服强度在1450mpa以上，抗拉强度在 1600mpa以上，延伸率在20％以上。
具体实施方式
24.下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
25.实施例1
26.采用本发明方法制造一种基于亚快速凝固+轧制工艺的超高抗拉强度的低密度钢，包括如下步骤：
27.s1：按照化学成分及质量百分数为：c：1.1％，mn：21％，al：9.8％，v： 0.15％，si:0.3％，ni：1.5％，zr：0.15％，cu：1.5％，p：0.06％，s：0.002％， n：0.003％，余量为fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备成分合格的钢水；
28.s2：将步骤s1冶炼合格的钢水经过单棍熔体旋转的方法凝固成薄铸带，厚度为1.9mm，钢水温度约为1500℃；
29.s3：将步骤s2制备的铸带经过一道次热轧下压量40％制备成薄钢带，薄钢带热轧后的温度为950℃；
30.s4：将步骤s3制备的薄钢带经气雾冷却至700℃；
31.所述的制造方法制造的热轧钢带的宽度为60mm，厚度为1.2mm，密度为6.8 g/cm3，屈服强度为1450mpa，抗拉强度为1660mpa，延伸率为20％。
32.实施例2
33.采用本发明方法制造一种亚快速凝固+轧制工艺的超高抗拉强度的低密度钢，包括如下步骤：
34.s1：按照化学成分及质量百分数为：c：1.2％，mn：22％，al：10.2％，v： 0.15％，zr：0.15％，cu：1.5％，si:0.3％，ni：1.5％，p：0.06％，s：0.002％，n：0.003％，余量为fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备成分合格的钢水；
35.s2：将步骤s1冶炼合格的钢水经过单棍熔体旋转的方法凝固成厚度为 1.9mm的铸带，钢水温度约为1560℃；
36.s3：将步骤s2制备的铸带经过一道次热轧下压量40％制备成薄钢带，薄钢带热轧后的温度为950℃；
37.s4：将步骤s3制备的薄钢带经气雾冷却至710℃；
38.所述的制造方法制造的热轧钢带的宽度为80mm，厚度为1.2mm，密度为6.8 g/cm3，屈服强度为1470mpa，抗拉强度为1680mpa，延伸率为23％。
39.实施例3
40.采用本发明方法制造一种亚快速凝固+轧制工艺的的超高抗拉强度的低密度钢，包括如下步骤：
41.s1：按照化学成分及质量百分数为：c：1.0％，mn：21％，al：10.5％，v： 0.2％，zr：0.2％，cu：1.5％，si:0.3％，ni：1.5％，p：0.06％，s：0.002％，n： 0.003％，余量为fe和不可避免的杂质元素，冶炼制备成分合格的钢水；
42.s2：将步骤s1冶炼合格的钢水经过单棍熔体旋转的方法铸成厚度为1.9mm 的铸带，钢水温度约为1540℃；
43.s3：将步骤s2制备的铸带经过一道次热轧下压量45％制备成薄钢带，薄钢带热轧后的温度为950℃；
44.s4：将步骤s3制备的薄钢带经气雾冷却至720℃；
45.所述的制造方法制造的热轧钢带的宽度为80mm，厚度为1.0mm，密度为6.8 g/cm3，屈服强度为1460mpa，抗拉强度为1680mpa，延伸率为24％。
46.本发明的一种基于亚快速凝固+轧制工艺的超高抗拉强度的低密度钢的制造方法，采用亚快速凝固+轧制工艺，减少了元素偏析，细化了晶粒，降低了高强度、高塑性钢的生产难度，且实现了低密度和更优综合性能(抗拉强度≥1600mpa、延伸率≥20％)的薄钢带的生产。
47.经测试实施例1～3制备的超高抗拉强度的低密度钢的金相组织均为细小均匀的奥氏体和析出相。
48.高强度、高塑性低密度钢中各元素的作用如下：
49.c：c元素的作用主要与mn、al元素形成κ＇-碳化物，形成析出强化、弥散强化，提高钢的强度，c是奥氏体形成元素，可以促进奥氏体的形成，同时又可以降低钢的密度，但是，c含量过多会形成过多的κ＇-碳化物，反而对合金的延伸率形成不利的影响。
50.mn：mn元素是奥氏体形成元素，可以促进奥氏体的形成，对钢的强塑性是十分有利的，且mn元素可以和c、al元素形成κ＇-碳化物，通过析出强化和弥散强化作用进一步提高钢的强塑性，mn元素的密度比fe元素略低，不会增加钢的密度，同时mn元素又比较便宜，但是，过量的添加mn元素会使得钢在时效过程析出大量的β-mn相，该相为硬质相，会大大降低钢的塑性，因此， mn含量的控制在一个范围之内，本发明的含量为16％-25％。
51.al：al元素会大大降低钢的密度，与c、mn元素形成κ＇-碳化物，通过析出强化和弥散强化作用进一步提高钢的强塑性，但是al含量过高会增加钢的成本，因此，al含量的控制在一个范围之内，本发明的含量为6％-12％。
52.v：v元素通过在钢种形成碳氮化物而有效提高钢的强度和韧性，添加v一方面会增加成本，在亚快速凝固条件下可以溶入更多的v元素，更加有利于后期的析出，起到更好的析出强化的效果，另一方面，v会在晶界上析出从而在钢带上产生裂纹，因此，v的浓度控制在0.01％-0.2％。
53.zr：zr元素可以去除钢种的n元素，抑制形成aln。在亚快速凝固条件下， zr也能起到细化晶粒的作用。但是，zr元素比较昂贵，会增加钢的成本。因此， zr元素的含量控制在0.01％-0.2％。
54.si:si元素可以脱氧，si元素也可以降低钢的比重，提高钢的强度，但是硅含量过高会降低钢的焊接性能，因此，允许si的最高含量为0.5％。
55.cu:cu元素可以稳定奥氏体，且cu元素比ni元素便宜，在亚快速凝固条件下可以溶入更多的cu元素，降低cu元素的偏析，降低开裂倾向，更好的达到固溶强化的效果，如果cu
含量过高，高温下，cu在晶界上以液体存在会引起界面的脆性，因此，cu的浓度必须在0.01％-2％之内。
56.ni:ni元素可以稳定奥氏体且提高堆垛层错能，ni集中在钢的表面还可以改进钢的耐腐蚀性和耐氧化性，可以抑制腐蚀过程中h的吸收，在亚快速凝固条件下可以溶入更多的ni元素，更好的达到固溶强化的效果。因此，ni的添加含量为0.5％-3％之内。
57.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。