本发明涉及金属和金属合金，例如铁-碳钢，特别是涉及一种新型晶体结构的钢或类似钢和物质，在其中碳以富勒氏球分子的形式存在，并且与铁形成金属富勒氏体晶格。 术语“钢”用来表示铁和小百分数碳的合金。在某些命名中，“钢”指的是碳含量约为0.02-1.5%（重量）的任何合金，但在其他的一些用法中指的是含碳多达2.25%或更多的合金。虽然严格的百分数界限可能随命名法而不同，但通常将具有高碳含量的合金称做“铸铁”而不称做钢。
正如熟悉钢的人们通常所知道的那样，铁和碳以两种主要的状态存在，即铁素体（铁）和渗碳体，后者是化合物碳化铁，其化学通式为Fe3C。
大多数钢还含有附加元素如锰、硅、磷、硫、氧、以及痕量其他元素。其他的钢含有相当百分数的某些元素如镍、铬、钼、钒或钛，它们使所得到的钢具有各种适用的或所希望的性能。
正如多个技术领域的熟悉人员所知道地那样，钢被用于结构、船壳、汽车车身、机械和机器零件、缆索、磨料、化工设备，以及许多其他用途如轮胎加固带等等。在这些用途当中，钢应当按照期望地呈现许多金属性能，包括压缩强度，拉伸强度，延性，硬度，以及作为使用金属而具有有利特性的其他有关性能。
术语“富勒氏球（Fullenes）”指的是最近假设并发现的分子碳的形式，在其中碳原子结合形成球体或类似球体的结构。由于这些分子的结构与建筑师Buckmiuster Fuller命名并设计的测地圆顶结构之间的相似性，这种分子已被命名为“富勒氏球”，并且基本的和最稳定的分子，即包含60个碳原子的球体已被命名为“buckminsterfullerene”。由于相同的原因，富勒氏球也被称做“布克球”（buckyball）。
最好的可以获得的证据表明，富勒氏球在1985年被首先证实和分离，并且在Donala Huffman和他的同事们在Arizona大学发现一种形成它们的较简捷的方法时，他们在1990年开始的研究取得了快速的进展（Huffman“Solide”Physics Today，Nov，PP22～29）。在最近两年中，富勒氏球受到了极大的关注，这是因为它们明显具有高的化学和物理稳定性，而且这种稳定性与基子其分子结构而做出和期待和预言相符合。
由于多种化学以及机械的原因，一种特殊寻找到的富勒氏球的用途是使用较大的尺寸的富勒氏球分子（近似1毫微米，nm即10-9米），用来“封装”金属原子以生成理论上称为金属富勒氏球的分子，或者说生成如同本文所使用的具有十分独特性能的金属富勒氏体，然而迄今为止，在数量上或以适于商用的成本产生金属富勒氏体，尚未达到成功。
从而，本发明的目的是开发一种在同素异构金属材料中制造金属富勒氏体的方法。
本发明的另一个目的是开发一种类似钢的金属合金，它与另外的具有同样化学组成的传统钢相比具有改善的性能，并通过将独特的富勒氏球结构引入钢或类似钢的合金的晶体结构中来达到。
本发明用一种金属富勒氏体的固态铁-碳基体，以及制造这种固体的方法来达到这些目的。按照目前最佳的理解，看来金属富勒氏体是以环绕铁分子的富勒氏球分子的形态，环绕铁分子行或链的富勒氏球分子链的形态，以及二者相结合的形态存在，以形成均匀的更大的复合结构。这些结构呈现出独特的和改善的性能，但另一方面具有与传统材料类似的化学组成。
另一方面，本发明包括一个独特的新型金属富勒氏体材料族，而本文所述的铁-碳就是该材料的一个例子，这些新材料由同素异构的金属材料（以铝、铬、钴、铜、铁、钼、镍、铂、钛、钨、以及钒为基的）构成，在其中碳是首要组分，并且还可以掺入任何适宜的合金化组分，以保证所述材料的性能。
再一个方面，本发明包括一种生产本文所述与钢类似的合金的方法。该方法包括：将同种同素异构金属的高碳同素异构金属组份和低碳同素异构金属组份，以足以形成具有所需碳含量的混合物的量加以混合;将该混合物加热至高碳组份变为液体的温度，但同时低于低碳组份变为液体的温度;并且对该具有所需碳含量的混合物暂时在这个同素异构转变的温度范围内保温，保温时间应足以使存在的碳形成富勒氏球和富勒氏球的链。使得在该混合物中形成富勒氏球和富勒氏球的链。
本发明的上述和其他的目的、优点和特征，以及达到它们的方式，由下面的与附图相结合对本发明的详细叙述将变得更加容易明白，这些附图说明了较佳的和示范性的实施方案。熟悉金属，金属合金和晶体结构的技术人员应理解的是，有关本发明的许多信息包括在这些图中。因而一开始先对它们作简要叙述，然后在其后的说明书部分作更详细的叙述。
图1，2（a），3（a）和35是本发明适宜试样的X射线衍射图;
图4和5是一般普通钢和本发明的各自横断面的光学显微照片;
图2（b），3（b），以及6-16是本发明适宜试样的透射式电子显微照片（TEM）;
图17，18和19是本发明的化学分析光谱;
图20-28是本发明类似试样的扫描隧道（STM）显微照片，其中结构以浅和深的明暗程度而标绘;
图29-33是以三种尺寸的表面状态标绘的本发明试样的STM显微照片;
图34是通过本发明呈现的一种晶体结构类型的模型;
图35是放大200000倍的TEM显微照片，示出了具有显示与图34模型对应的结构的实际试样的一部份;
图36是图35的照相放大视图;
图37-39表示机械试验数据;
图40或41用图表显示了本发明在成本和特性方面的优点;
图42是铁-碳平衡图。
本发明是一种宏观固态的金属富勒氏体基体以及一种方法，通过该方法能够以商业可行的费用和数量，使用众所周知的现有治金工艺和技术生产金属富勒氏体基体族。
在一个优选的实施方案中，本发明是一种类似钢的固态金属富勒氏体的铁-碳基体。尽管涉及这些分子时所使用的术语和名称是比较新的，但本文所使用的名称代表着与流行文献所用名称相一致的一种尝试。因此，术语“富勒氏球”表示具有球形或基本球形并封闭或几乎完全封闭的类似笼状的碳原子分子。术语“富勒氏体”表示富勒氏球分子的宏观固态晶体结构，而术语“富勒氏体”则表示其中的晶格由金属原子和富勒氏球构成的宏观固态晶体结构，并且还包括如本文所述的晶体结构，在其中富勒氏球分子封闭一个金属离子。
在本文中另外使用的术语“基体”表示主相或称聚集体，在其中嵌有其他组分，而“铁-碳”表示铁和碳的固态同素异构化合物，在其中铁按重量占支配地位。
因而，在本发明产品实施方案的广义上讲，本发明包括一种金属固体，该金属固体包括同素异构金属的金属-碳基体和同素异构金属的金属富勒氏体。在更佳的实施方案中，该同素异构金属包括铁，而该基体包括与钢类似的铁的富勒氏体的固态铁-碳基体。
在其它实施方案中，同素异构金属选自下列物组：铝、铬、钴;铜、铁、钼、镍、铂、钛、钨、以及钒。
在某些实施方案中，该基体包括均一的基体，而金属富勒氏体包括分子中具有60和70个碳原子的富勒氏球，或者包括具有较多或较少富勒氏球的较小或较大的分子，它们分别称之为亚富勒氏球和过富勒氏体。
在目前最佳实施方案中，本发明包括一种包含金属富勒氏体的铁-碳基体的类似钢的固体。其中的金属富勒氏体包括铁的富勒氏体。在一些特定的实施方案或同样的实施方案的一些部分中，金属富勒氏体包括准晶体结构。
与类似的金属尤其是用于比较目的的含碳约1.2%（重量）的钢的组分相一致，本发明可含有约0.35%-7.0%的碳（重量）。
按照目前的最佳理解，金属富勒氏体的铁-碳基体是层状结构并且是非珠光体的，其晶体结构或是密排六方晶格的，或是密排面心立方晶格的。在其他实施方案和一些实施方案的部分当中，如同本文所进一步叙述的，本发明也可包括拉长的成缆式结构。
图1是本发明典型金属富勒氏体的X射线衍射图。如同本技术领域熟练技术人员所了解的那样，X辐射或“X射线”与晶体的交互反应意味着由存在于三维晶格中的许多平面系之一反射辐射线。X射线由晶体结构反射或衍射的方式，以及被反射或衍射的X射线形成的花样，是晶体结构的合适的识别描述符。
特别是图1所呈现的花样可以称为圆环的“粉未衍射”型，而不称为由珠光体显现的单一布喇格衍射最大值。这些证实了该材料具有相对彼此任意有序的，相当于10埃（1毫微米）的单一晶体领域。此外，该材料至少是ao＝0.428nm的面心立方。这相当于最接近的Fe-Fe距离为0.302nm。与之比较，α-Fe是体心立方，其ao＝0.286nm，Fe-Fe的最近距离为0.248nm。
图1衍射花样的一般特性由图2和3说明。图2（a）是用作比较的标准含碳1.2%的钢衍射花样和透射电子（TRM）显微照片，该种钢形成了在所属技术领域中称做“珠光体的”特征结构（图2b）。
图3（a）示出了本发明类似含碳1.2%的实施方案中的X射线衍射花样。图2（a）和3（a）所示试样的X射线衍射花样。图2（a）和3（a）所示试样的X射线衍射花样之间（并因而晶体结构之间）的区别是极其明显的。尽管不希望受任何特殊理论的限制，但本发明者相信图1和图3中所示的衍射花样-即环状对称和光亮中心花样-的确是所预计的包括富勒氏球，特别是包括封装金属原子（在此是铁原子）的结构。
为了进一步做比较的目的，图4示出了取自普通钢放大约50倍的横截面视，而图5（a）和（b）则分别是取自放大50倍和400倍的本发明横截面视图。普通钢和本发明之间的区别也是相当明显的。
图6，7和8进一步证实了本发明铁-碳基体的独特晶体结构。在这方面应当理解的是，普通碳钢通常是以该领域公知的“珠光体”结构构成。当含碳接近0.80%（重量）的普通碳钢由奥氏体形态稳定的温度范围缓冷时形成珠光体，并且全部铁素体和渗碳体一起沉淀在珠光体特有的层状结构中。在放大约1000倍的情况下，珠光体呈现暗层和亮层相间的花样，它可能最好被说成是类似于不规则的和修补过的指纹。暗和亮部分的交替外观是由于做为晶界并沿着奥氏体解理面首先沉淀（取决于碳含量不论是高于还是低于0.8%）的过量铁素体或渗碳体的结果。
在此方面，由显微照片（a），（b）和（c）示出的图6，一开始就具有十分类似于珠光体的形态，特别是类似于层状的形态。为了比较，图6（a）取自放大100倍，6（b）取自放大1000倍，而6（c）取自放大2000倍。
图7进一步说明在有关看来是珠光体的简要测定的基础上能得出的结果，但是在做此测定时，它没有更仔细地包括珠光体的特征晶界结构。图7（a）取自放大5000倍，而7（b）取自放大10000倍，二者都是图6示出的同一试样。
图7（b）中对于类似帐篷的结构特别有意义，这种结构的出现在一般金属晶体结构中是未预期到的，但与包括例如对富勒氏球所预期的螺旋式排列在内的晶体结构却是一致的;参看Mcwilliams等人，“Sciene′s Amazing New Builolung Blolks，”Business Week，December 9，1991，Pages 76-77。
正如本文最后所述，图23也可视为证实了这种螺旋结构。
但是图8（a）和8（b）澄清了本发明中观察到的结构不是珠光体的结构。放大20000倍的图8（a）显示出该层状类型结构不是铁素体和渗碳体的交替连结的结果，而是由表明形态学特征的预，奥氏本核化的结点，发展的结构，例如在铝合金中发现的结构，换句话说它们是均匀的基体，放大倍数稍大于25000倍的图8（b）与这种解释相符。
图6，7和8也是说明本发明另外被观察到的和显著的性能的例证，特别是它对于淬硬钢和类似钢的金属不经通常所需的回火和有关技术而形成极限硬度的能力。正如本文在后所述，通过在室温的油中对本发明试样的快速淬火可轻易地获得洛氏硬度C标度为62的硬度。更大的意义可能是，经这种淬火后，材料的外貌是同样的。如同治金领域普通技术人员所知，淬火后这种基本相同的外貌总的来说是未预期到的。而预期的外貌是改变成反射呈现不同（即提高的）硬度的不同晶体结构。
虽然本发明者不希望受到特殊理论的限制，但伴随着有基本相同外貌的提高硬度的特征看来是与对压缩条件下显示出具有极好的稳定性的富勒氏球的这些预测相符合。在本发明中，可看作是淬火改变了铁的结构，使从β变为α，并从而减小了面心立方结构的总体积。这也好象是对富勒氏球分子作稍微压缩作用，在通行理论中这应当提高它们的硬度（Huffmdn，Supra Page28）。但是，这是在没有任何结构变化下发生的，因而通过消除相应的结构应力赋予了极大的优点。据此便赋予了进一步的优点，即不需进行另外的回火或正火。
图9（a）和9（b）进一步说明了与珠光体特性的某些区别。这些显微照片的每一张都是本发明铁-碳基体的同一试样。图9（a）试样表面用2%奈塔尔硝酸乙醇腐蚀溶液（nital）腐蚀，而图9（b）试样表面用苦味酸侵蚀溶液（Picral）腐蚀。可以看出，所得的图9（a）和9（b）的试样外貌是同样的，特别是明和暗花样。当试样是一个普通珠光体时，图象却与一个另外的颠倒。即在图9（a）中看来是暗的部分在图9（b）中看来是亮的，而在图9（a）中看来是亮的部分在图9（b）中看来是暗的。因而图9（a）和9（b）之间外貌的同一性进而证实了本发明的独特结构，尽管它含1.2%碳，而该含碳量应当限定出一种相当普通的，期待具有珠光体结构的钢。
剩下的显微照片说明-主要通过它们与珠光体的所期望的不同的外貌-本发明铁-碳基体的独特性质。图10（a）和10（b）示出了本发明断裂试样的电子显微照片，放大倍数为5000倍（图10（a））和7000倍（图10（b））。图11（a）和11（b）是断裂试样的类似显微照片，放大倍数为1000倍（图11（a））和2000倍（图11（b））。这些是与珠光体断裂试样的正常外貌显著不同的，特别是在图11（a）中显现的精细结构或“羽毛状”结构，在其中缺乏一般断裂试验过程中因珠光体而受到应力和扭转力的证据。
图12和13是为鉴别目的在全部说明书中分别称之为“3591”和“3691”的本发明两个试样的扫描电子显微照片，放大25000倍。图12中的试样是用2%奈塔尔硝酸乙醇腐蚀液腐蚀的，而图13中的试样是用氯化铁即Fecl3腐蚀的。
图14（a）和14（b）是使用2%Fecl3作为腐蚀液分别放大1000和30000倍的试样显微照片。使用这种特定腐蚀液显影的花样对于准晶体型结构而言正是预期到的（参看Stephens and Goldman，“The Structure of Quasi-Crystals，”Scientific American，April 1991.PP 44-53）。这同样与不能证明这种准晶体结构特征的普通珠光体结构显著不同。换句话说，本发明典型产物的试样不以一般对亚共析产物所期望的方式与nital或Picral反应。
一般情况下，先共析组分存在于转变前奥氏体的晶界，并且在垂直区域照明之下看起来是极光亮的。在这方面，本发明典型产物的试样与存在于亚共析和过共析材料中的先共析组分呈现出金相学的不同。在那些同样照明并具有同样或类似放大倍数的材料中，先共析渗碳体层通常比铁素体层更薄。此外，渗碳体的薄膜（或晶界区域）在Picral或nital腐蚀后具有比铁素体更加不规则的轮廓，并且还由锐线连结，而铁素体的边界区域在腐蚀后则不由锐线连结。这可以理解为是以下事实导致的结果：铁素体是邻接的珠光体的连续相，这使得在这种铁素体和先共析铁素体之间几乎没有腐蚀的反差显影。根据首次检验，这可认为是与本发明典型产物试样一致的相分析。然而剩余的数据表明本发明的试样不是珠光体。特别是当先共析组分是真正的渗碳体而连续相是均匀的（即渗碳体类型）时，锐级将在邻接的珠光体聚集组织的先共析渗碳体和铁素体之间显影。在本发明典型产物的试样中则没有这种级存在，并且事实上连续相贯穿全部基体延伸，但对于转变前奥氏体晶界的滑移面除外。
由奥氏体向本发明典型材料的转变可看作是扩散过程的传统实例。它与时间有关，并且转变速度随温度的变化而显著变化。产物的组成与母相产物的组成不同。在孕育期之后，富勒氏球为基的材料的聚集组织通常在奥氏体晶界处显现出生核，并且富勒氏球晶体结构的每个生核链生长成聚集组织，直至它碰到邻接的聚集组织上为止。这些聚集组织是碳晶体的相互贯穿的富勒氏球链的单元，并且可在压缩情况下在断面上通过富勒氏球碳聚集组织的浓度引起的畸变波纹来识别。
本发明这种铁-碳基体的非珠光体结构的进一步验证通过图15、16，17和18说明。图15是本发明铁-碳基体的试样，基于最初外貌的基体呈现具有层状部分和晶界，但是正如本文所阐述的，这简单地是晶体的外形，并不代表基体内任何化学的或结构的区别。图16是更详细呈现层状结构的该图的一部份的放大视图。图15和16包括点I、D和L，它们分别示出了在显微照片的间隙部分，暗部份和亮部分中的试样位置。
图17、18和19分别是对应于点L（图17），点D（图18）和点I（图19）的EDS成分分析。如果点D和L是珠光体层状，两个点的化学组成则是相当不同的渗碳体与铁素体。铁素体全部是铁（Fe），含有少量的杂质，而渗碳体则是碳化铁（Fe3C），含有任何伴生的杂质。相反，图17，18和19则基本上同样，从而证明了，图15和16中的点I、D和L，或者实际上在试样的任意部位中化学组成是相同的。换句话说，这证明该层状是总体结构的或形态学的特征，而不是化学上不同的层。
图20-25是渐进地更为详细的扫描和隧道效应（STM）显微照片系列，对其以较亮和较暗部分的二维表示形式标绘出形态学的数据。在这些特殊的表示法中，较亮的部分代表较接近于扫描装置的数据，而较暗的部分代替较远的数据。特别是图20和21是取自横剖150nm截面的STM，并说明了呈现在此标度上的主要形态学特征。
图22和23都是取自横剖100nm扫描，并渐进地示出了该结构的更详细的状况。特别是图22示出了相当大的金属富勒氏体的铁-碳伪球，它们表现出尺寸约10-20nm的占大部分。
图23是另一个10nm的STM，它示出了象是双螺旋线的富勒氏球的富勒氏体结构，该结构是通过那些设想的晶体和化合物中富勒氏球的某些预期的性能而被推测的。例如F.N.Diecltrich as noted by Mcwinams等人，Supra at page 77。应当理解的是，一个富勒氏球的理论推定尺寸是相当于约1nm（参阅Huffman，Supra at P26），并且由图22和23可见，在这些显微照片中，最小的可分辨物正是近似于该尺寸。
这一尺寸通过图24和25被进一步证实，这两个图表示15nm的扫描，并因而是图20-25中最大的放大倍数。图24和25是相同的，但不同的是图25包括有用于说明晶体结构的110°重叠角。由图24和25可见，存在有晶格，在其中占支配地位的结构具有近似1nm的尺寸。如前所述，这正是与对C60富勒氏球分子所预测的结构完全符合的C60。此外，已经在晶体尺寸部分预测过的是，C60富勒氏球以密封封装的，被说或是面心立方晶系（Lutl和Smalley，“Fullerenes”，Scientific American，1991年10月，Pages 54-63，at Page 62;Huffman，Supra at Page 26），或是六方晶系（Haffman，also at Page 26）的形状封装。图25表明证实了这种排列，在其中示出的110°角叠加在显微照片上，并使每根线都处于至少三个显然是等同密度（即距离并因而同一平面）的物体的组合中。由图25可见，110°角很好地重叠在等亮度的这些物体之上，并看来进一步证实了密闭封装的假设，并且因而证实了在本发明的铁-碳基体中富勒氏球分子的存在。
图26和27是类似的显微照片，除了数据被进一步表示为横截面标度分析并在每张照片的下面左边外加了明暗图象之外，图26取自50nm而图27取自20nm。在图26的上部，两个主要的拓扑学特征之间的水平距离近似为2.09nm，再次与所期望的晶体尺寸相符合，在该晶体中1nm的富勒氏球邻接另一个富勒氏球。
通过图27的20nmSTM进一步证明了这一点，其中类似的形态距离被测量并显示出在各峰值之间是相当于约1nm，或者由一分子到它最近的间隙空间是相当于约0.7nm，因而该数据再次与对C60尺寸范围内富勒氏球分子所期望的值相符合;即Huffman（Supra at Page 26）指明了对于C60分子的笼的直径为7.1埃（0.71nm）.
图28也是另一个STM显微照片，但取的是遍及150nmx 150nm的扫描，并在15nm的水平测量。
图29-34是另外的STM的数据，但在其中结果是以下述方式绘出：用线而不同用明暗来代表，以示出三维的形态学图。由这些图中的每一幅可看出，沿X和Y轴标明了取样的区域，沿Z轴是被分析的深度。因而，图29示出了一个被分析的部分，其在X和Y轴上都是200nm，而其在Z轴上的轮廓超过300nm。在这一水平面的细节，某些结构清楚地显现，其中如同所绘出的最大拓扑学特征由所表示的下左转至上右，同时最小的结构特征花样由上左转至下右，这与图34以及图35和36TEM中所示出的本发明的“拉长的缆索”模型相符合。
图30是稍微更大的细节水平面的类似显微照片，其中被分析的Z轴尺寸仅为200nm，使某些结构细节更为明显。如图29，可看出通常较大的结构特征组合由左转至右。应当理解的是，这类如“左至右”等等的说法仅被用于对某些图，特别是对这些图中的形态学特征加以叙述的目的，而不作任何程度的限制或作为绝对的取向。
如前所述，C60富勒氏球分子的期望尺寸相当于约1nm。在图30中，有某些很小的结构特征，它们具有图30中的梯级外貌，该结构特征相当于约1nm，图30在X和Y方向上给出了总的为150nm的扫描尺寸。
图31也是另外的略为更详细的视图，它类似于图29和30，其中被扫描的X和Y轴是150nm，但其中Z轴仅为100nm，因而绘出了稍微更大的放大倍数。可再看出某些主要的结构，这些结构在图31的取向中看来是由上左转至下右，同时较小的取向由下左转至上右。此外认为是C60富勒氏球分子的小的梯级特征同样是可见的。
图32的放大倍数比图31稍微更小些，其中沿50nm取Z轴扫描。在该幅视图中，某些三维特征变得更突出，但其它看来与本文另外的视图和证据完全相符。
图33是这一类型的下一个代表，并且取自沿X和Y轴150nm，但还取自仅沿乙轴50nm，以渐进地获得更详细的图。在此情况下，可看出有许多占支配地位的不规则特征，它们以上右朝下左的取向运转，并且在其中相当于10nm左右的形态学特征清楚显现。
虽然本发明者不希望受任何特殊理论的限制，但图29-33表明的数据是与拉长缆索的金属富勒氏体（图34-36）相符合的。如同本文所使用的那样，该措词涉及一种结构，在其中富勒氏球的束环绕铁原子束被螺旋式封装，以形成更大的被封装的铁的束。这个更大的被封装的铁的束然后依次再在晶格中环绕铁原子被封装，结果形成呈现在图29-33中的整体结构。该结构由于它类似于双拉长钢缆索而得名。
图34-36进一步说明该拉长缆索结构，其中的数据认为是指明该结构的。图34是一幅模型的照片，其中通常的球面多边形P（并代表富勒氏球分子）被附着在环绕铁原子的芯C而被封装的链中。这个类似缆索的结构依次环绕更大的铁芯F被封装，结果形成拉长缆索结构。
图35是本发明试样的TEM显微照片，其中延伸部分E显示出非常类似于图34中模式的结构。图36是图35的放大照片并再次显示出证实了本发明材料部分的拉长缆索结构。本发明这一证据显然表明，晶体结构的拉长缆索形式在本发明的材料中趋于占主导地位，但要理解到，这是由本发明描述的方法所提供的，并且不是限制。
从而，本发明具有金属富勒氏体的类似钢的固体铁碳基体的全部特征。在某些情况下，它们形成准晶体结构，而在另外一些情况下，形成拉长缆索取向、面心立方结构，或密排六方晶格的晶体结构。
本发明的类似钢的固体与其他类型的碳钢相一致可含有约0.35～2.25%（重量）碳。本发明所进行的许多试验是在含约1.2%（重量）碳的试样上进行的，该含碳量是与其他钢比较的有用数值。可以预期，本发明可以用常规钢相同的方法合金化，同时保留其优良的特征和性能。
如上所述，本发明的类似钢的固体形成一种均匀的，非珠光体薄层结构。
该铁碳固体具有优良的耐磨性、与淬透性相结合的延性以及自回复特性。
由于其优良的特性，本发明的类似钢的固体具有广泛的多种用途。要理解到，本文所列出的那些用途是举例性的，而不是对由本发明产品可得到的用途类型的限定。这些用途包括工具和模具应用、模具（例如用于金属、塑料和复合物）、剪切具和模板、测量和探伤装置、条钢坯料、结构元件、制造元件（包括不锈钢、高和低碳材料，或其他合金）、大型铸件、机械底座、磨损表面（例如研磨材料加工）、以及电力和电子应用，如导体、复合材料（例如金属-聚合物结合体）、半导体、电力和电子装置（例如大型电阻）、磁体和磁力应用。该材料可连续铸造，或以任何其他方式铸造，包括壳型铸造和砂型铸造。从化学观点出发，预期本发明在一系列已为当前对富勒氏球化学感兴趣所预示的领域中具有用途，包括有希望的领域，如催化剂或医药用途。
本发明还包括形成本文所述与钢类似的固体的方法。就最广义来说，该方法包括通过冷却曲线中断熔态，以使该熔态保持在固化金属通过同素异构转化阶段的该点。更确切地说，该方法可看作为将其量足以形成一种含有较佳最终组分的所需碳含量的混合物的高碳金属组分（较佳的必然是铁）和低碳金属组分混合。然后将该混合物加热至这样的温度，高于该温度时高碳成分变成液态而该温度低于低碳成分变为液态的温度。然后，将该混合物缓慢冷却至最终组分的同素异构转化相开始的温度。最后，通过保持温度，并且必要时增加热量，经过所存在的碳足以形成富勒氏球和富勒氏球链的时间，形成富勒氏球和富勒氏链。
在其他具体实施方案中，混合高碳同素异构金属组分和低碳同素异构金属组分的步骤可包括将选自：铝、铬、钴、铜、铁、钼、镍、铂、钛、钨和钒的同素异构金属的成分混合。
在其他较佳的具体实施方案中，加热混合物的步骤包括将该混合物加热至这样的温度，在该温度时高碳成分为液态，而在该温度时低碳成分为固态并且在该温度时由该混合物所确定的固体将保持固态直至混合物在该温度时达到平衡;将混合物加热至较高温度，在该温度时混合物部分是液态，部分是同素异构固态。
此外，形成富勒氏球和富勒氏球链的步骤可包括在必要时增加热量以保持在含有所需碳含量的混合物的同素异构转化温度范围内的一个温度。
在一个当前最佳具体实施方案中，该方法包括将各成分混合，各成分中同素异构金属为铁;加热混合物的步骤包括将混合物加热至铁-碳平衡的第一温度，该温度高于高碳成分将为液态的温度，而该温度低于无论是低碳成分或该混合物均为液态的温度，而形成富勒氏球和富勒氏球链的步骤包括加热，然后将混合物保持在铁碳平衡的温度，在该温度时，具有混合物所确定组分的铁以一种其同素异构形式和一种液态的混合物存在。
在较佳的具体实施方案中，加热该混合物的步骤包括将混合物加热至2280-2750°F温度范围，较佳为约2450°F，保持混合物的步骤包括将混合物的温度保持在2280-2750°F温度范围，较佳在近似2450°F。
另一方面，该方法可包括将高碳组分熔化至完全液态;以足以形成含有所需碳浓度的量将固态低碳组分引入高碳组分液态中，同时保持低于低碳组分变为液态的温度，并通过将温度保持在混合物的同素异构相转变开始的温度，经过足以使所存在的碳形成富勒氏球和富勒氏球链的时间，在混合物中形成富勒氏球和富勒氏球链。
在这一方面，图42表示铁-碳平衡体系并仅为了说明而不是限定的目的包括在本文中。熟悉冶金技术的人们将会认识到，本发明的方法形式可类似地应用于基于它们的平衡系统的其他金属，包括可选择的铁合金，如那些掺入铬或其他为其所需合金化特性的元素铁合金。将会看到，按照本文实施例1，在较佳加热温度2450°F时，碳组分4.3%（即“高”碳组分）完全会是在平衡图的液态部分范围内，而碳组分0.01%（“低”碳组分）则完全会是固态。然而，按照所述方法当将组分混合并使其平衡时，将会看到，含有最终含量1.2%碳的铁-碳当保持在2450°F时，部分是固态而部分是液态。从而，使用在典型图中所表示的金属-碳平衡图解，代表表示本发明方法的一种可选择方式。
此外，由平衡图中可以看到，“会是液态”或“会是固态”的表示或类似的表示是指可由现有技术的普通技术人员根据平衡图所确定的温度和条件，而不用非常规的试验。
实施例1
制备最终分析为1.2%碳、小于1%锰、小于1%硅，所有其他元素为痕量的本发明的第一份试样。最终熔体大小为5磅合乎要求。相应地将1.4磅4.3%碳材料（即铸铁）与3.6磅0.01%碳材料混合。添加少量0.25%硼砂作为脱气剂。将充气马弗炉加热至2250°F并将该材料置于马弗炉中并复盖。当材料达到温度为2250°F时，提高加热至2450°F并保持20分钟。然后将减少热量降至2250°F经10分钟。当熔化的材料失去其传导性（ephoresence）时（通常在液态和固态之间产生光辐射或辉光），将炉子重新加热至2450°F并在该温度短暂保持经15分钟。然后将炉子关闭并将移出的材料在坩埚中冷却至室温。本文所报导的生成的材料称为“3591”试样，具有的化学成分为：1.21%碳、0.15%铬、0.12%锰、0.89%硅、余量为铁。该组分由Advanced testing Laboratory of Norwood，Chio使用和测定。通过从测试拉伸试样中切削纵向和横向截面并多相制备和用2%Nital硝酸乙醇腐蚀试剂腐蚀测定显微结构。
这一检测的结果说明了该试样具有主要由含马氏体基体的内枝晶碳化物组成的显微结构。该显微结构通过从测试拉伸试样切削纵向和横向截面并金相制备和用2%Nital硝酸乙醇腐蚀试剂腐蚀测定。这一相同的检测表明该试样具有的化学组成为（重量）：1.21%碳、0.15%铬、0.12%锰、0.89%硅，余量为铁。
实施例2
制备最终分析为约1.1%碳、小于1%锰、小于1%硅，全部其他元素为痕量的第二份试样。最终熔体的大小再次为5磅。相应地，将1.18磅含4.3%碳的材料与3.82磅0.01%含碳的材料混合。添加0.25%硼砂脱气剂，并将充气马弗炉加热至2250°F。将材料置于该炉中并复疬直至该材料达到2250°F。然后加热提高至2550°F并保持20分钟。然后减少热量降至2250°F经10分钟。当熔化的材料失去其传导性时，再次加热至2250°F并在该温度短暂保持15分钟。然后将炉子关闭并将移出的材料在坩埚中冷却至室温。
实施例3
制备最终分析为：1.6%碳、小于1%锰、小于1%硅、全部其他元素为痕量的第三份试样。对该试样，将1.89磅含4.3%碳的材料与3.11磅0.01%材料混合。将该混合物与0.25%硼砂混合并再次将充气马弗炉加热至2250°F。将第二个炉子加热至2450°F并将一个铸模升温至炉温。将材料放置在第一个炉子的复盖的坩埚中并加热至2250°F，当该材料达到2250°F时，将加热提高到2375°F并短暂地在该温度保持20分钟。然后关闭第二个炉子并将材料从第一个炉子中移出，由坩埚中浇注入被加热的铸模中。然后移出加热铸模中的材料并冷却至室温。该材料报导为本发明固体材料的“3691”试样。
实施例4
将含有最终分析为0.85%碳的产品，完全根据该基本产品的纯度、炉子气氛的控制，以及类似参数设计成含有小于1%锰存在以及同样存在的小于1%硅、同时全部其他元素为痕量。基于所设计的最终熔体大小为5磅，将1.2磅含3.77%碳的产品与3.8磅含0.20%碳的产品混合。将该混合物与合适的脱气产品，如硼砂混合，并引入炉中。将炉子（该炉子的类型无特别意义）加热至2350°F并使材料在该温度正火。在这一点将炉子提高到温度2600°F并保持20分钟。然后将炉温降低到2400°F经过为材料失去其不能冷凝性所需的时间周期（该材料趋于均匀收缩而不是形成缩孔）。在这一点将炉温回复至2600°F并在该温度短暂地保持15分钟。将由炉中移出的材料冷却至室温或放入中间包中用于连续铸造操作或类似操作。得到的材料与试样3691的结构一致，并具有全部碳含量0.85%。
实施例5
再次将最终分析为2.25%的碳材料设计成含有小于1%锰、小于1%硅，以及全部其他元素为痕量。由54磅自铁屑制得的4%铸铁产品得到100磅熔体。使用标准脱气技术和装置精炼该材料。利用标准技术和装置调节碳含量。在任何标准工业炉中将该材料熔化并在中间包中于2600°F正火。将粒状的46磅1020低碳产品引入熔体中。然后将熔体和添加的球团的混和物重新加热至并短暂地在2250°F保持15分钟，并移至预热的铸锭容器或连铸线。
实施例6
再次将最终分析含0.35%的碳材料设计成含有小于1%锰、小于1%硅以及基于其余参数为痕量存在的其他元素。基于最终熔体大小为10磅，将0.81磅含4.3%的碳铸铁与9.2磅含0.01%碳的铁以及合适的脱气产品混合并经由合适的容器引入炉中。将该炉子加热至2450°F并在该温度正火。然后将炉子提高至温度为2750°F经20分钟。然后将炉子降低至一定温度保持失去其不冷凝性所需时间，在这一点，重新将炉子回升至2750°F并在该温度短暂保持15分钟。从炉中移出该材料冷却至室温或移至中间包中以用于连铸操作。得到的材料与上述3691试样的结构一致，并含有全部碳含量为0.35%。
将称为3591的试样也加热至1700°F并在水中淬火。测得淬火后的硬度在洛氏硬度计C标度上为63和64之间。此外，化学分析了试样3591并测出含有如下组成（重量%）：
碳 1.21
锰 0.12
硅 0.89
铁 余量
由Metcut Research Associates Inc.in Cincinnati，Ohio.进行了本发明试样的压缩试验。在室温下，通过断裂的应变速率为0.005 in./in./min。如下所列：
试样 Rc 试样尺寸(吋) U.C.S.b0.2%
(ksi) Y.S.C(ksi)
3591a62 0.25dia×0.75 338.9 232.5
3591 27 0.50dia×1.5 109.6 63.3
a）在室温油中快速淬火
b）极限抗压强度
c）屈服强度
图37-39表示通过指定的设备对本发明典型产品的试样3591独立进行的机械测试。试样3591是连铸单流道形成的结构产品。
图37表示对本发明和Stellite 6B典型产品的试样3591的ASTM G77/D2714改性的比较分析。将该两种材料淬硬至62Rc。如已清楚说明的，试样3591的确优于Stellite 6B并在大于20000周期后显示其表面的“自回复”：一种与结构一致的性能。相反，普通钢仅测试至5000周期，之后它们就趋于断裂。从而，通过这一试验所测量的本发明材料的性能是最独特的并且是高度有利的。
图38和39说明了该材料的非常高的极限抗压强度（U.C.S.）和屈服强度（Y.S.）（即也如上表中所归纳的）以及其Rc27基体的延性。
作为一种产品，这一具有金属富勒体结构的新的和新型产品族提供了一系列优点。这些优点包括：通过大大降低全部熔化过程的能量需要的生产经济性;生产形成阶段大量降低能量需要;铸造成临近精加工态的能力;生产的热和冷成形阶段极低的能量需要;在热加工期间氧化皮或其他氧化物产生造成极少量的材料损失。
此外，本发明提供了符合含金属物质富勒氏球结构的具体实施方案的特有的冶金性能。这些性能包括：高抗压强度而不用合金化;高抗拉强度而不用合金化;高延性而不用合金化;“自回复”其表面的能力而无材料损失或不必合金化;较高的耐磨性能而不用合金化;独特的抗氧化性能而不用合金化;以及与使上述进一步合金化相适应的能力。
本发明还解决了与金属物质密封和结合富勒氏球结构的问题。
此外，本发明提供了在现有技术中未提出过的传统时间-温度-转化（TTT）曲线的改进。
总之，本发明以经济和工业上可行的方式提供了一种以前尚未解决的，需要结合具有金属富勒氏体结构的碳的富勒氏球形式的操作成果。
在这一方面，图40代表对本发明的材料（“Rhondite”）与ASTMG-77试验为基础的其他合适合金比较成本的耐磨性能曲线图。图40示出，本发明是所列出材料中最经济的成本。
在附图及说明书中，已公开了本发明的展开较佳具体实施方案，尽管使用了专门的术语，但它们仅用于一般的和描述的意义而不是为了限定的目的，本发明的范围陈述于如下权利要求中。