本發明屬于非晶合金技術領域，具體涉及一種可由低成本的多組元低合金鋼為基礎合金及其應用，通過添加類金屬元素、去除部分合金元素或添加工業純鐵的方式開發了性能（高μe、低hc、高的bs）優異的新型鐵基軟磁非晶鋼,該鐵基軟磁非晶鋼屬于鐵基非晶合金的范疇。

背景技術：

在我國，非晶材料屬于新材料產業“十二五”和“十三五”規劃的國家重點新產品，具有綠色節能的顯著特點。與傳統鋼材相比，非晶鋼因其優異的物理和化學性能引起了廣大科研人員及企業人員的加倍關注。2003年美國s.josephpoon等首次提出“無磁性非晶鋼合金”的概念，報道了fe-mo-(b，c)系和fe-zr-b系無磁性非晶鋼合金，其最大尺寸達4mm(s.josephpoon,etal.applphyslett，2003，83(6)：1131～1133)。

2004年美國的v.ponnambalam通過稀土的進一步微合金化，研發了鐵基塊體無磁非晶鋼fecrmo(y,ln)cb(ln為鑭系元素)，其中直徑在1.5～12mm的圓柱形棒材實現了鐵基塊體非晶尺寸上的一個重大突破(v.ponnambalam,etal.jmaterres，2004，19(5)：1320～1323)。

2004年呂昭平等也提出了結構非晶鋼的概念，采用傳統吸鑄的方法制備了塊體無磁性非晶鋼合金fecrcomomncby系，其直徑達到12mm的圓柱形棒材且具有優異的力學性能，但是該合金系也沒有磁性，限制了其工業的應用（luzp,etal.physrevlett，2004，92(24)：245503-1～245503-4）。

2005年，我國哈爾濱工業大學的沈軍等通過在12mm的非晶成分的基礎上用少量的原子比為7%co元素替換合金中的一部分fe元素，制備出目前世界上最大的16mm的塊體非晶鋼合金fecocrmocby系（shenj,etal.applphyslett，2005，86：1519071～151907-3）。

然而，這些具有高玻璃形成能力的鐵基塊體非晶鋼合金不僅要使用高純度元素(至少99.9%)和稀土或鑭系元素，而且還需在較高的真空條件下才能制備，這些因素造成了高額的生產成本和繁瑣的加工工藝，從而限制了此種非晶亞穩態材料的工業應用。因此，降低成本和復雜的工藝來制備鐵基塊體非晶鋼合金，從而達到工業化生產和應用是人們所追求的。

2007年h.x.li等人利用工業原材料采用銅模吸鑄的方式制備出了直徑為6mm的fecsibpcralmo塊體非晶鋼合金系（lihx，etal.scriptamater.，2007，56：1035～1038）。2009年s.l.wang等人在6mm成分的基礎上加入1%的co，通過用cr來代替部分fe成功制備出了7mm的棒材fecsibpcralmoco(wangsl，etal.materchemphys.，2009，113：878～883)，這在工業上是一個突破，但由于力學性能和磁性能較低，一直沒有應用到實際生產中。

中國專利文獻cn106282849a公布了一種非晶復合結構鋼，其通過應力誘導下發生γ奧氏體向ε馬氏體相變對金屬玻璃基體增強增韌，降低其屈強比，獲得了良好的塑性變形能力和高的強度，但是其沒有磁性特征。

上述這些合金系雖具有較高的非晶形成能力，但由于此類合金系含有較多的反磁性離子（如cr等）的存在，大多呈現為無磁性，或僅有很弱的磁性，bs在1.0t左右，且μe值偏低及hc值較大，無法滿足當代社會需求量越來越大的磁性材料所需要的高磁性能。除此之外，這些合金系中還含有大量的mo、co等貴金屬元素，增加了生產的成本。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提供一種高性能的新型鐵基軟磁非晶鋼，其具有高的μe、低的hc、高的bs，且其成型性好、制備工藝條件寬松、生產成本低廉。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

設計一種鐵基軟磁非晶鋼，其由feacbsicmndpesfcrgalhniibj和不可避免的雜質組成，以原子百分比計，其中a為74～80，b為0.02～0.06，c為9.10～11，d為0～0.25，e為0.1～0.2，f為0～0.05，g為0～1.6，h為0.03～0.07，i為0～1，j為11.10～13，a+b+c+d+e+f+g+h+i+j=100。

本發明鋼合金中fe的原子百分比含量在74～80(at%)范圍內，保證了非晶形成能力和高的bs。

在本發明鐵基軟磁非晶鋼制備過程中，可選擇由低合金鋼，比如fe95.57c0.05si0.81mn0.26p0.14s0.02cr1.9al0.06ni1.19（at%），為起始合金，該低合金鋼是由儲量豐富和價格低廉的礦源冶煉而成的，成品鋼種中合金純度很高，且本身含有一定量的對軟磁性能有益的合金元素ni、mn、al等元素、對耐蝕性有利的cr元素和對非晶形成能力有利的si、b、p、c元素，不必外加，合金鋼含有的這些元素會在一定程度上降低非晶鋼的成產成本。

目前，在我國能源消耗巨大和環境污染嚴重、且鋼鐵行業產能過剩情況下，及在建設“資源節約型，環境友好型”社會和去產能的政策引領下，本發明克服了傳統的（以高純的單質金屬或非金屬為原料）技術偏見，采用工業合金鋼來作為起始合金或基礎合金，通過添加微量的合金或類金屬元素來獲得綜合性能優異、成本低廉、節能環保的新型鐵基軟磁非晶合金鋼具有重大意義。

本發明合金鋼中的c元素與fe元素有較大的原子半徑差異，符合井上三原則中具有大原子半徑差的要求，c元素的合理適量添加有利于提高非晶形成能力，且c的適當加入有利于提高fesib合金的bs。

本發明合金鋼中mn元素的加入有利于非晶合金的熱穩定性和降低fesib非晶合金的鐵芯損耗，提高了合金的非晶形成能力。

本發明合金鋼中p元素的選擇用量有利于提高合金的非晶形成能力，且p對于fesibp合金在非晶相形成上的作用大于si和b。

在fesib中添加cr元素在一定程度上會降低合金的bs和居里溫度；但研究發現，cr元素的適量添加有利于提高非晶合金帶材的耐蝕性，有利于其在惡劣環境下的工業應用。

在fesib中優選添加一定量的ni元素有利于提高非晶軟磁性能，擴大非晶合金的過冷液相區范圍，提高非晶的穩定性。

在fesib系非晶質合金中添加一定量al能促進形成feasibbcald系非晶-納米晶態軟磁合金，提高bs等指標。

si的適量添加有利于fe基非晶的形成，但同時會阻礙電子在fe基非晶態合金中的運動，提高合金的電阻率，因而會起到降低渦流損耗的作用，且si含量在4(at%)以上時，可以顯著降低非晶條帶的渦流損耗，因而在本發明中綜合各種因素，si的含量范圍優選為9.17～11(at%)。

b與fe元素有較大的原子半徑差異，符合井上三原則中具有大原子半徑差的要求，有利于fe基合金的非晶化。實踐研究表明，b含量在9(at%)以上，可以顯著提高合金的非晶形成能力和穩定性，其含量低于5(at%)時，非晶軟磁材料的熱穩定性變差，但是當b含量高于18(at%)時，其含量的再增加基本上對合金非晶化沒有太大的貢獻，所以本發明中b含量的優選范圍為11.1～13(at%)。

與現有同類技術方案相比，本發明顯著的優勢體現在：

1.本發明成分中優選了對提高fe基非晶軟磁合金綜合性能有利的多個元素ni、cr、mn、al、p和c等；

2.本發明合金系m1和m2含有p、c元素，配料熔煉時不用單獨熔煉fep、feb合金、fec，增加了配制成分的準確性，簡化了熔煉工藝；

3.本發明合金成分具有(fe,m)80-(si,b)20成分特點，保持si/b為9/11不變，有利于非晶態的形成；

4.本發明合金條帶含有微量或不含貴金屬元素，在獲得高性能的同時降低了成本，有利于工業化的應用。

5.本發明模擬低合金鋼的成分，有利于未來直接調節鋼的成分通過快淬方法直接形成非晶鋼，降低傳統復雜的制備軟磁材料的工藝，進而降低生產成本，且能夠節能環保。

綜上，本發明鐵基軟磁非晶鋼具有優異的綜合性能，具有高的bs、高μe和高頻穩定性、低hc和良好的非晶形成能力，且其成型性好、制備工藝條件寬松、生產成本低廉。

附圖說明

圖1為本發明鐵基軟磁非晶鋼的xrd圖，圖中橫坐標為掃描角度，縱坐標為強度。

圖2為本發明鐵基軟磁非晶鋼的dsc圖，圖中橫坐標為溫度，縱坐標為放熱量。

圖3為本發明鐵基軟磁非晶鋼的不同外加磁場下的vsm圖，圖中橫坐標為磁場強度，縱坐標為磁化強度。

圖4為本發明鐵基軟磁非晶鋼的在不同外加頻率下的磁導率圖，圖中橫坐標為頻率，縱坐標為有效磁導率。

圖5為本發明鐵基軟磁非晶鋼的不同外加磁場下的矯頑力圖，圖中橫坐標為磁場強度，縱坐標為磁化強度。

圖1～5中，m1為實施例1，m2為實施例2，m3為實施例3，m4為實施例4，m5為實施例5，m6為實施例6。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明，但本發明的保護范圍并不局限于此。

本發明以下實施例所用的低合金鋼fe95.57c0.05si0.81mn0.26p0.14s0.02cr1.9al0.06ni1.19（at%）為鄭州永通特鋼提供，是由儲量豐富和價格低廉的礦源冶煉而成的，而且采用了大噸位的精良提純技術，因此合金純度很高。其它原料無特別說明的均為市售原料。

實施例1一種鐵基軟磁非晶鋼fe75.15c0.04si9.9mn0.20p0.11s0.02cr1.49al0.05ni0.94b12.10（at%），記作m1。其制備方法包括如下步驟：

1）配料：將低合金鋼fe95.57c0.05si0.81mn0.26p0.14s0.02cr1.9al0.06ni1.19（at%）、si（99.999wt%）、feb（b含量19.62wt%）、fep（p含量24.98wt%）、fec（c含量5wt%）按照所需要的元素比例進行配比。其中，合金鋼:feb:si=20.083:3.556:1.360。

2）熔煉母合金：將配制好的母合金成分放進氮化硼坩堝中，盡量讓密度大且熔點低的合金鋼或合金元素放在上面，然后放入真空感應熔鑄腔體中的感應線圈中，然后用機械泵和擴散泵抽真空，當真空度達到2.0×10^-3pa后充入0.04mpa的純度為99.999%的氬氣，作為保護氣體。然后開始熔煉母合金，熔煉完一次后，關掉電源，待完全冷卻后，繼續加熱熔煉，其過程連續四次，最終制備得到均勻的成分為m1的母合金錠。

3）噴帶：將熔煉好的母合金切開后，取6g放入底部開有圓孔且孔的直徑約為0.6～0.7mm的石英管中，然后放置在真空腔里的感應線圈中并固定在銅輪上方0.5mm高度處，采用機械泵和擴散泵抽真空至5.0×10^-3pa后充入0.04mpa的純度為99.999%的ar，然后開啟通有冷卻水的銅輪和感應加熱電源，然后在高純ar的保護下采用高頻感應加熱的方式使石英管中的母合金融化均勻，然后在石英管內外壓差約為0.05mpa下把熔融均勻的母合金噴射到高速旋轉的銅輪上，制備出實驗所用的薄帶。

實施例2一種鐵基軟磁非晶鋼fe76.11c0.04si9.45mn0.21p0.11s0.02cr1.51al0.05ni0.95b11.55（at%），記作m2。其制備方法包括如下步驟：

1）配料：將低合金鋼fe95.57c0.05si0.81mn0.26p0.14s0.02cr1.9al0.06ni1.19（at%）、si（99.999wt%）、feb（b含量19.62wt%）、fep（p含量24.98wt%）、fec（c含量5wt%）按照所需要的元素比例進行配比。其中，合金鋼:feb:si=20.348:3.369:1.283。

2）熔煉母合金：將配制好的母合金成分放進氮化硼坩堝中，盡量讓密度大且熔點低的合金鋼或合金元素放在上面，然后放入真空感應熔鑄腔體中的感應線圈中，然后用機械泵和擴散泵抽真空，當真空度達到2.2×10^-3pa后充入0.045mpa的純度為99.999%的氬氣，作為保護氣體。然后開始熔煉母合金，熔煉完一次后，關掉電源，待完全冷卻后，繼續加熱熔煉，其過程連續四次，最終制備得到均勻的成分為m2的母合金錠。

3）噴帶：將熔煉好的母合金切開后，取7g放入底部開有圓孔且孔的直徑約為0.6～0.7mm的石英管中，然后放置在真空腔里的感應線圈中并固定在銅輪上方0.6mm高度處，采用機械泵和擴散泵抽真空至6.0×10^-3pa后充入0.05mpa的純度為99.999%的ar，然后開啟通有冷卻水的銅輪和感應加熱電源，然后在高純ar的保護下采用高頻感應加熱的方式使石英管中的母合金融化均勻，然后在石英管內外壓差約為0.05mpa下把熔融均勻的母合金噴射到高速旋轉的銅輪上，制備出實驗所用的薄帶。

實施例3一種鐵基軟磁非晶鋼fe77.64c0.04si9.45mn0.21p0.11al0.05ni0.95b11.55（at%）

，記作m3。其制備方法包括如下步驟：

1）配料：按照母合金成分設計所需要的元素比例進行配比，其中feb（b含量19.62wt%）、fep（p含量24.98wt%）、fec（c含量5wt%）。

2）熔煉母合金：將配制好的母合金成分放進氮化硼坩堝中，盡量讓密度大且熔點低的合金鋼或合金元素放在上面，然后放入真空感應熔鑄腔體中的感應線圈中，然后用機械泵和擴散泵抽真空，當真空度達到2.4×10^-3pa后充入0.045mpa的純度為99.999%的氬氣，作為保護氣體。然后開始熔煉母合金，熔煉完一次后，關掉電源，待完全冷卻后，繼續加熱熔煉，其過程連續四次，最終制備得到均勻的成分為m3的母合金錠。

3）噴帶：將熔煉好的母合金切開后，取8g放入底部開有圓孔且孔的直徑約為0.6～0.7mm的石英管中，然后放置在真空腔里的感應線圈中并固定在銅輪上方0.8mm高度處，采用機械泵和擴散泵抽真空至5.5×10^-3pa后充入0.045mpa的純度為99.999%的ar，然后開啟通有冷卻水的銅輪和感應加熱電源，然后在高純ar的保護下采用高頻感應加熱的方式使石英管中的母合金融化均勻，然后在石英管內外壓差約為0.05mpa下把熔融均勻的母合金噴射到高速旋轉的銅輪上，制備出實驗所用的薄帶。

實施例4一種鐵基軟磁非晶鋼fe77.85c0.04si9.45p0.11al0.05ni0.95b11.55（at%），記作m4。其制備方法包括如下步驟：

1）配料：按照母合金成分設計所需要的元素比例進行配比，其中feb（b含量19.62wt%）、fep（p含量24.98wt%）、fec（c含量5wt%）。

2）熔煉母合金：將配制好的母合金成分放進氮化硼坩堝中，盡量讓密度大且熔點低的合金鋼或合金元素放在上面，然后放入真空感應熔鑄腔體中的感應線圈中，然后用機械泵和擴散泵抽真空，當真空度達到2.6×10^-3pa后充入0.045mpa的純度為99.999%的氬氣，作為保護氣體。然后開始熔煉母合金，熔煉完一次后，關掉電源，待完全冷卻后，繼續加熱熔煉，其過程連續四次，最終制備得到均勻的成分為m4的母合金錠。

3）噴帶：將熔煉好的母合金切開后，取8g放入底部開有圓孔且孔的直徑約為0.6～0.7mm的石英管中，然后放置在真空腔里的感應線圈中并固定在銅輪上方1.0mm高度處，采用機械泵和擴散泵抽真空至5.0×10^-3pa后充入0.04mpa的純度為99.999%的ar，然后開啟通有冷卻水的銅輪和感應加熱電源，然后在高純ar的保護下采用高頻感應加熱的方式使石英管中的母合金融化均勻，然后在石英管內外壓差約為0.05mpa下把熔融均勻的母合金噴射到高速旋轉的銅輪上，制備出實驗所用的薄帶。

實施例5一種鐵基軟磁非晶鋼fe78.80c0.04si9.45p0.11al0.05b11.55（at%），記作m5。其制備方法包括如下步驟：

1）配料：按照母合金成分設計所需要的元素比例進行配比，其中feb（b含量19.62wt%）、fep（p含量24.98wt%）、fec（c含量5wt%）。

2）熔煉母合金：將配制好的母合金成分放進氮化硼坩堝中，盡量讓密度大且熔點低的合金鋼或合金元素放在上面，然后放入真空感應熔鑄腔體中的感應線圈中，然后用機械泵和擴散泵抽真空，當真空度達到2.8×10^-3pa后充入0.045mpa的純度為99.999%的氬氣，作為保護氣體。然后開始熔煉母合金，熔煉完一次后，關掉電源，待完全冷卻后，繼續加熱熔煉，其過程連續四次，最終制備得到均勻的成分為m5的母合金錠。

3）噴帶：將熔煉好的母合金切開后，取7g放入底部開有圓孔且孔的直徑約為0.6～0.7mm的石英管中，然后放置在真空腔里的感應線圈中并固定在銅輪上方1.1mm高度處，采用機械泵和擴散泵抽真空至6.0×10^-3pa后充入0.05mpa的純度為99.999%的ar，然后開啟通有冷卻水的銅輪和感應加熱電源，然后在高純ar的保護下采用高頻感應加熱的方式使石英管中的母合金融化均勻，然后在石英管內外壓差約為0.05mpa下把熔融均勻的母合金噴射到高速旋轉的銅輪上，制備出實驗所用的薄帶。

實施例6一種鐵基軟磁非晶鋼fe78.51c0.04si9.17p0.11al0.05ni0.92b11.20（at%），記作m6。其制備方法包括如下步驟：

1）配料：按照母合金成分設計所需要的元素比例進行配比，其中feb（b含量19.62wt%）、fep（p含量24.98wt%）、fec（c含量5wt%）。

2）熔煉母合金：將配制好的母合金成分放進氮化硼坩堝中，盡量讓密度大且熔點低的合金鋼或合金元素放在上面，然后放入真空感應熔鑄腔體中的感應線圈中，然后用機械泵和擴散泵抽真空，當真空度達到3.0×10^-3pa后充入0.05mpa的純度為99.999%的氬氣，作為保護氣體。然后開始熔煉母合金，熔煉完一次后，關掉電源，待完全冷卻后，繼續加熱熔煉，其過程連續四次，最終制備得到均勻的成分為m6的母合金錠。

3）噴帶：將熔煉好的母合金切開后，取6g放入底部開有圓孔且孔的直徑約為0.6～0.7mm的石英管中，然后放置在真空腔里的感應線圈中并固定在銅輪上方1.2mm高度處，采用機械泵和擴散泵抽真空至5.5×10^-3pa后充入0.045mpa的純度為99.999%的ar，然后開啟通有冷卻水的銅輪和感應加熱電源，然后在高純ar的保護下采用高頻感應加熱的方式使石英管中的母合金融化均勻，然后在石英管內外壓差約為0.05mpa下把熔融均勻的母合金噴射到高速旋轉的銅輪上，制備出實驗所用的薄帶。

將以上實施例中所得到的6種鐵基非晶態軟磁合金利用利用x射線衍射儀(x-raydiffraction，xrd；uitimaivdiffractometer，日本；cu-kα)檢測樣品的結構。采用差示掃描量熱法（netzschsta型differentialscanningcalorimetry，dsc）以20℃/min的升溫速率來測定樣品初始晶化溫度tx。可得到鐵基非晶態合金的xrd和dsc曲線，分別見圖1和圖2，具體tx值見表1。

將所得鐵基非晶態軟磁合金裝入石英管里，進行抽真空，真空度為2.0×10^-3pa時，進行封管處理，然后在箱式爐中進行去應力退火，退火溫度為tx-100℃，保溫時間10min左右。然后用振動樣品磁強計(vibratingsamplemagnetometer，vsm；7410，lakeshore，美國)測定退火試樣的bs，用直流磁滯回線測量儀(bhs-40，riken，日本)測定退火試樣的hc，用阻抗分析儀(4294a，agilent，美國)測量去應力退火試樣在不同頻率的外加激勵磁場下的μe，結果見表1、圖3、圖4、圖5。

表1軟磁非晶鋼m1～m6的綜合性能表