本發明涉及一種非晶合金，更特別地說是指一種以原料全部為價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金制備的具有超低成本和高性能（優異的軟磁性能、優良的耐腐蝕性能和良好的力學性能）等優點的feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq非晶合金及其制備方法。

背景技術：

新材料作為一類性能獨特的材料，有關其基礎理論和實際應用的研究是包括國家中長期科學和技術發展規劃綱要、國家自然科學基金“十三五”發展規劃等政策在內的重點支持方向。針對該類材料的基礎研究對我國經濟和社會的發展具有特別重要的意義。發現于二十世紀六十年代的非晶合金（又稱金屬玻璃）就是一種最具代表性的新材料，一直受研究者的廣泛關注。而在眾多非晶合金中，fe基非晶合金，因具有高的非晶形成能力、優異的軟磁性能（高飽和磁化強度、低的矯頑力，高的磁導率以及低的損耗）、優良的耐腐蝕性能、高強度和高硬度等優點，使其作為新型結構功能一體化材料表現出十分重要的研究價值和非常廣闊的應用前景。研究表明：以fe基非晶合金制備的配電變壓器其鐵損值僅為相應類型的硅鋼系列變壓器的1/3~1/4，且其設備重量輕、體積小、工作效率高，可作為一種高效節能型配電變壓器，進而能降低相應的能源損耗和環境污染，具有良好的經濟和社會效益；在高侵蝕性溶液中，fe基非晶合金的腐蝕速率僅為常規不銹鋼的萬分之一，以其制備的核廢料的運輸與儲存用涂層材料、艦船與潛艇的易磨損腐蝕零部件涂層材料、隧道挖掘與石油鉆探設備的易磨損腐蝕零部件涂層材料，可顯著提高基體材料的服役性能與壽命；fe基非晶合金的斷裂強度高達3000mpa、維氏顯微硬度高達9gpa、相同硬度下耐磨性是工具鋼的10倍以上，其作為刀具材料與普通13cr鋼刀具材料相比耐久性更強。然而，已有的fe基非晶合金由于制備原料主要為價格昂貴的高純度（≥99.9wt.%）原料，因而都具有較高的成本，這嚴重制約了fe基非晶合金的應用。以b元素為例，高純度純b（99.9wt.%）的價格約是低純度（＜99wt.%）fe-b合金的50倍，那么在不同b含量的fe基非晶合金體系中由此可能會使具有相同名義成分的fe基非晶合金的研制成本相差約一倍或數倍。同時，對于同一種原料其純度越高相應的價格就越貴。例如，純度為99.99wt.%的純b其價格約是純度為99.9wt.%的純b的1.5倍，那么由此所產生的fe基非晶合金的研制成本差別就會更大。而合金全部組元由于原料純度所導致的總體成本差別將十分顯著。此外，申請者前期調研顯示：對于容量為4000kva的配電變壓器，如果以fe-si-b非晶合金研制，其潛在的成本比以s9型硅鋼研制要高30%左右，相應的價格貴約1.5萬元，這些高出的成本需要非晶合金變壓器至少運行3-5年才能回收，這就降低了由非晶合金變壓器高效節能優點所產生的良好經濟和社會效益；我國電力以煤炭為要能源，燃煤已成為空氣等環境污染的主要原因，需要通過使用由fe基非晶合金所研制的具有高效節能優點的變壓器等方式來解決該問題；在新能源領域，國家擬大力發展的風電、光伏裝機容量將快速增長，相應的對于由fe基非晶合金所研制的用于這些行業的高效節能型變壓器的需求量也將增大。而如果能降低fe基非晶合金的研制成本，那么將有助于推動fe基非晶合金的相關應用，進而促進該行業的整體發展。因此，迫切需要研制超低成本的新型fe基非晶合金。

另一方面，fe基非晶合金作為一種具有廣闊應用前景的新型材料，其實際服役環境可能是復雜多樣的，這就需要其能夠兼具有優異的磁性能、優良的耐腐蝕性能和良好的力學性能等優點以使fe基非晶合金能夠更好的滿足實際服役要求。

綜上所述，開展以原料全部為價格低廉的低純度（＜99.9wt.%）工業合金開發具有超低成本和高性能等優點的feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq系非晶合金的研究，對顯著降低fe基非晶合金的研制成本以解決由于高成本問題所導致的應用瓶頸、拓展fe基非晶合金的潛在應用和豐富fe基非晶合金的基礎理論具有十分重要的意義。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種以原料全部為價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金開發的具有超低成本和高性能（優異的軟磁性能、優良的耐腐蝕性能和良好的力學性能）等優點的feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq非晶合金及其制備方法。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

本發明的一種fe基非晶合金，其化學式為feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq；式中各元素的含量以原子百分比（at.%）計，具體如下：b為0～5，c為0～2，d為0～5，e為0.005～10，f為0.03～3，g為0～20，h為0～20，i為0～5，j為0～5，k為0～6，l為0～3，m為8～15，n為0～6，o為5.5～12，p為0.2～5，q為0.001～2，余量為fe，且a+b+c+d+e+f+g+h+i+j+k+l+m+n+o+p+q=100。

本發明feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq非晶合金，優選成分為fe81.319mn0.05cr0.021p10.002c8.104si0.502s0.002。

本發明feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq非晶合金，優選成分為fe79.32mn0.051cr0.021al0.002p10.001c8.102b2si0.501s0.002。

本發明feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq非晶合金，優選成分為fe72.302mn0.051cr7.03al0.002p10.002c8.1b2si0.51s0.003。

本發明制備feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq非晶合金的方法，其包括有下列步驟：

步驟一：配料

按照feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq的化學式稱取含有式中相應組元的價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金：粗鋼、al-fe合金（鋁鐵合金）、fe-ti合金（鐵鈦合金）、v-fe合金（釩鐵合金）、cr-fe合金（鉻鐵合金）、mn-fe合金（錳鐵合金）、fe-co合金（鐵鈷合金）、ni-fe合金（鎳鐵合金）、zr-fe合金（鋯鐵合金）、nb-fe合金（鈮鐵合金）、mo-fe合金（鉬鐵合金）、w-fe合金（鎢鐵合金）、fe-p合金（鐵磷合金）、fe-b合金（鐵硼合金）、fe-c合金（鐵碳合金）和si-fe合金（硅鐵合金）；

所述feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq的化學式所用原料的質量百分比純度均小于99.9%；

所述feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq中各元素的含量以原子百分比（at.%）計，具體如下：b為0～5，c為0～2，d為0～5，e為0.005～10，f為0.03～3，g為0～20，h為0～20，i為0～5，j為0～5，k為0～6，l為0～3，m為8～15，n為0～6，o為5.5～12，p為0.2～5，q為0.001～2，余量為fe，且a+b+c+d+e+f+g+h+i+j+k+l+m+n+o+p+q=100；

步驟二：熔煉母合金錠

將步驟一稱量所得的原料放入真空感應熔煉爐中，調節爐內真空度≤1×10^－1，加熱溫度為1000℃～1800℃，熔煉時間2～20min，在熔煉條件下煉制1～5遍使原料熔煉均勻，隨爐冷卻后取出母合金錠；

步驟三：制備feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq非晶合金

將步驟二制備得到的feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq母合金錠放入快速凝固裝置的感應爐中將其完全熔化，通過噴鑄、凝固冷卻得到feaalbticvdcremnfcognihzrinbjmokwlpmbncosipsq非晶合金材料；相應的制備參數為，真空度為≤1×10^-1，感應電流250～650，熔煉溫度為1000～1800℃，熔煉時間為1～5min，噴鑄壓力為0.01～0.15，冷卻速度為10～10⁵k·s^-1。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

1.該合金以原料全部為價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金制得，與相應已有的fe基非晶合金相比其制備成本明顯降低（通常低純度工業合金的價格比相應高純度原料的價格至少低百分之五十），潛在的經濟效益高。為顯著降低fe基非晶合金的研制成本以推動其產業化發展提供了一種有效途徑，具有非常重要的理論研究與實際應用價值；

2.可通過合理的成分設計與準確的計算對由制備該合金所用的價格低廉的低純度工業合金所可能引入的s、si、mn等雜質元素及其含量進行相應的調控，從而能夠將這些雜質元素解析為形成該合金所需的合金化元素，使其不會對該合金的形成與性能產生不利的影響；依此，可有效解決低純度原料中可能所含有的s、si、mn等雜質元素對非晶合金的形成與性能所產生的不利影響，進而使本發明的fe基非晶合金具有優良的性能；因而，在該合金的制備過程中無需增加額外的熔體凈化處理等除雜工藝即可依次通過常規的制備非晶合金所用的感應熔煉和快速凝固等工藝制得該合金的母合金及該合金；制備工藝簡單，不增加額外成本，實用性強；

3.以原料全部為價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金制備該合金，省略了為確保該合金成分的準確性和降低該合金的制備難度等而需單獨制備fe-p、fe-b和fe-c等中間合金的工藝環節，不僅簡化了該合金的制備工藝，而且有利于進一步降低該合金的制備成本；

4.形成該合金的成分范圍寬；該合金的非晶形成能力與性能的可調控性高；隨著該系列合金成分的變化，其臨界尺寸（dc）、飽和磁感應強度（ms）、矯頑力（hc）、維氏顯維硬度（hv）、斷裂強度（σf）、塑性變形（ε）和腐蝕速率（r）等，可分別在0.01~3mm、0.5~1.5t、0.5~8a·m^-1、7~13gpa、2.5~5gpa、0~0.1和0~1mm·year^-1間得到調控；同時，利用本發明所闡述的制備方法可制得兼具有超低成本、優異的軟磁性能、優良的耐腐蝕性能和良好的力學性能等綜合優點的fe基非晶合金。

附圖說明

圖1為三種優選成分鑄態合金試樣的x射線衍射（xrd）圖；

圖2為fe81.319mn0.05cr0.021p10.002c8.104si0.502s0.002鑄態非晶合金試樣的室溫磁滯回線圖；

圖3為fe79.32mn0.051cr0.021al0.002p10.001c8.102b2si0.501s0.002鑄態非晶合金試樣的差示掃描量熱（dsc）曲線；

圖4為fe79.32mn0.051cr0.021al0.002p10.001c8.102b2si0.501s0.002鑄態1非晶態棒材試樣的壓縮應力-應變曲線；

圖5為fe72.302mn0.051cr7.03al0.002p10.002c8.1b2si0.51s0.003鑄態非晶合金試樣在3wt.%nacl溶液中的動電位陽極極化曲線。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。

本發明實施例所涉及的原料為：中碳鋼（純度，98.051wt.%）、cr-fe合金（純度，98.24wt.%）、fe-p合金（純度，97.32wt.%）、fe-b（純度，97.126wt.%）合金和鑄鐵（純度，96.625wt.%）合金，這五種價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金。

實施例1

以原料全部為價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金制備具有超低成本和高性能等優點的fe81.319mn0.05cr0.021p10.002c8.104si0.502s0.002非晶合金的步驟有：

步驟一：配料

按成分計算并稱取所需的中碳鋼、fe-p合金和鑄鐵這幾種價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金原料；

步驟二：熔煉母合金錠

將步驟一稱量所得的原料放入真空感應熔煉爐中，調節爐內真空度為1×10^-2，加熱溫度為1100℃～1300℃，熔煉時間5min，在熔煉條件下煉制3遍使原料熔煉均勻，隨爐冷卻后取出母合金錠；

步驟三：制備非晶合金

將步驟二制備得到的母合金錠放入快速凝固裝置的感應爐中將其完全熔化，通過噴鑄、凝固冷卻得到該非晶合金材料；相應的制備參數為，真空度為1×10^-2，感應電流500～550，熔煉溫度為1100～1300℃，熔煉時間為2min，噴鑄壓力為0.05，冷卻速度為10⁵k·s^-1。

將實施例1制得的fe81.319mn0.05cr0.021p10.002c8.104si0.502s0.002鑄態合金試樣經x射線衍射（xrd）（如圖1所示）、差示掃描量熱儀（dsc）、磁性能實驗、力學實驗對比分析，得出：其結構呈單一的非晶態；玻璃轉變溫度442℃，晶化溫度470℃；飽和磁感應強度為1.4t（如圖2所示）；維氏顯維硬度約8.1gpa；對折彎曲180°不斷裂。

實施例2

以原料全部為價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金制備具有超低成本和高性能等優點的fe79.32mn0.051cr0.021al0.002p10.001c8.102b2si0.501s0.002非晶合金的步驟有：

步驟一：配料

按成分計算并稱取所需的中碳鋼、fe-p合金、fe-b合金和鑄鐵這幾種價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金原料；

步驟二：熔煉母合金錠

將步驟一稱量所得的原料放入真空感應熔煉爐中，調節爐內真空度為1×10^-2，加熱溫度為1100℃～1300℃，熔煉時間5min；在熔煉條件下煉制3遍使原料熔煉均勻，隨爐冷卻后取出母合金錠；

步驟三：制備非晶合金

將步驟二制備得到的母合金錠放入快速凝固裝置的感應爐中將其完全熔化，通過噴鑄、凝固冷卻得到該非晶合金材料；相應的制備參數為，真空度為1×10^-2，感應電流450～500，熔煉溫度為1100～1300℃，熔煉時間為2min，噴鑄壓力為0.05，冷卻速度為10³k·s^-1。

將實施例2制得的fe79.32mn0.051cr0.021al0.002p10.001c8.102b2si0.501s0.002鑄態合金試樣經x射線衍射（xrd）（如圖1所示）、差示掃描量熱儀（dsc）（如圖3所示）、磁性能實驗、力學實驗對比分析（如圖4所示），得出：其結構呈單一的非晶態；玻璃轉變溫度440℃，晶化溫度465℃；飽和磁感應強度為1.33t；維氏顯維硬度約8.3gpa；斷裂強度約3.2gpa；塑性變形約1%（ε）。

實施例3

以原料全部為價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金制備具有超低成本和高性能等優點的fe72.302mn0.051cr7.03al0.002p10.002c8.1b2si0.51s0.003非晶合金的步驟有：

步驟一：配料

按成分計算并稱取所需的中碳鋼、cr-fe合金、fe-p合金、fe-b合金和鑄鐵這幾種價格低廉的低純度（<99.9wt.%）工業合金原料；

步驟二：熔煉母合金錠

將步驟一稱量所得的原料放入真空感應熔煉爐中，調節爐內真空度為1×10^-2，加熱溫度為1100℃～1300℃，熔煉時間5min，在熔煉條件下煉制3遍使原料熔煉均勻，隨爐冷卻后取出母合金錠；

步驟三：制備非晶合金

將步驟二制備得到的母合金錠放入快速凝固裝置的感應爐中將其完全熔化，通過噴鑄、凝固冷卻得到該非晶合金材料；相應的制備參數為，真空度為1×10^-2，感應電流450～500，熔煉溫度為1100～1300℃，熔煉時間為2min，噴鑄壓力為0.05，冷卻速度為10⁵k·s^-1。

將實施例3制得的fe72.302mn0.051cr7.03al0.002p10.002c8.1b2si0.51s0.003鑄態合金試樣經x射線衍射（xrd）（如圖1所示）、差示掃描量熱儀（dsc）、腐蝕行為實驗（如圖5所示）對比分析，得出：其結構呈單一的非晶態；玻璃轉變溫度445℃，晶化溫度472℃；飽和磁感應強度為0.87t；在3wt.%nacl溶液中具有自鈍化性，其自腐蝕電位約-0.188v，自腐蝕電流密度約0.002a·mm^-2，鈍化區約1v，鈍化電流密度約0.012a·mm^-2，腐蝕速率<1×10^-4mm·year^-1，耐腐蝕性能明顯優于sus304不銹鋼。

本發明的內容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。