專利名稱：金屬富勒氏體的固態(tài)鐵-碳基體及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬和金屬合金，例如鐵-碳鋼，特別是涉及一種新型晶體結(jié)構(gòu)的鋼或類似鋼和物質(zhì)，在其中碳以富勒氏球分子的形式存在，并且與鐵形成金屬富勒氏體晶格。
術(shù)語“鋼”用來表示鐵和小百分?jǐn)?shù)碳的合金。在某些命名中，“鋼”指的是碳含量約為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達2.25%或更多的合金。雖然嚴(yán)格的百分?jǐn)?shù)界限可能隨命名法而不同，但通常將具有高碳含量的合金稱做“鑄鐵”而不稱做鋼。
正如熟悉鋼的人們通常所知道的那樣，鐵和碳以兩種主要的狀態(tài)存在，即鐵素體(鐵)和滲碳體，后者是化合物碳化鐵，其化學(xué)通式為Fe3C。
大多數(shù)鋼還含有附加元素如錳、硅、磷、硫、氧、以及痕量其他元素。其他的鋼含有相當(dāng)百分?jǐn)?shù)的某些元素如鎳、鉻、鉬、釩或鈦，它們使所得到的鋼具有各種適用的或所希望的性能。
正如多個技術(shù)領(lǐng)域的熟悉人員所知道的那樣，鋼被用于結(jié)構(gòu)、船殼、汽車車身、機械和機器零件、纜索、磨料、化工設(shè)備，以及許多其他用途如輪胎加固帶等等。在這些用途當(dāng)中，鋼應(yīng)當(dāng)按照期望地呈現(xiàn)許多金屬性能，包括壓縮強度，拉伸強度，延性，硬度，以及作為使用金屬而具有有利特性的其他有關(guān)性能。
術(shù)語“富勒氏球(Fullenes)”指的是最近假設(shè)并發(fā)現(xiàn)的分子碳的形式，在其中碳原子結(jié)合形成球體或類似球體的結(jié)構(gòu)。由于這些分子的結(jié)構(gòu)與建筑師BuckmiusterFuller命名并設(shè)計的測地圓頂結(jié)構(gòu)之間的相似性，這種分子已被命名為“富勒氏球”，并且基本的和最穩(wěn)定的分子，即包含60個碳原子的球體已被命名為“buckminsterfullerene”。由于相同的原因，富勒氏球也被稱做“布克球”(buckyball)。
最好的可以獲得的證據(jù)表明，富勒氏球在1985年被首先證實和分離，并且在DonalaHuffman和他的同事們在Arizona大學(xué)發(fā)現(xiàn)一種形成它們的較簡捷的方法時，他們在1990年開始的研究取得了快速的進展(Huffman“Solide”PhysicsToday，Nov，PP22～29)。在最近兩年中，富勒氏球受到了極大的關(guān)注，這是因為它們明顯具有高的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，而且這種穩(wěn)定性與基子其分子結(jié)構(gòu)而做出和期待和預(yù)言相符合。
由于多種化學(xué)以及機械的原因，一種特殊尋找到的富勒氏球的用途是使用較大的尺寸的富勒氏球分子(近似1毫微米，nm即10-9米)，用來“封裝”金屬原子以生成理論上稱為金屬富勒氏球的分子，或者說生成如同本文所使用的具有十分獨特性能的金屬富勒氏體，然而迄今為止，在數(shù)量上或以適于商用的成本產(chǎn)生金屬富勒氏體，尚未達到成功。
從而，本發(fā)明的目的是開發(fā)一種在同素異構(gòu)金屬材料中制造金屬富勒氏體的方法。
本發(fā)明的另一個目的是開發(fā)一種類似鋼的金屬合金，它與另外的具有同樣化學(xué)組成的傳統(tǒng)鋼相比具有改善的性能，并通過將獨特的富勒氏球結(jié)構(gòu)引入鋼或類似鋼的合金的晶體結(jié)構(gòu)中來達到。
本發(fā)明用一種金屬富勒氏體的固態(tài)鐵-碳基體，以及制造這種固體的方法來達到這些目的。按照目前最佳的理解，看來金屬富勒氏體是以環(huán)繞鐵分子的富勒氏球分子的形態(tài)，環(huán)繞鐵分子行或鏈的富勒氏球分子鏈的形態(tài)，以及二者相結(jié)合的形態(tài)存在，以形成均勻的更大的復(fù)合結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨特的和改善的性能，但另一方面具有與傳統(tǒng)材料類似的化學(xué)組成。
另一方面，本發(fā)明包括一個獨特的新型金屬富勒氏體材料族，而本文所述的鐵-碳就是該材料的一個例子，這些新材料由同素異構(gòu)的金屬材料(以鋁、鉻、鈷、銅、鐵、鉬、鎳、鉑、鈦、鎢、以及釩為基的)構(gòu)成，在其中碳是首要組分，并且還可以摻入任何適宜的合金化組分，以保證所述材料的性能。
再一個方面，本發(fā)明包括一種生產(chǎn)本文所述與鋼類似的合金的方法。該方法包括將同種同素異構(gòu)金屬的高碳同素異構(gòu)金屬組份和低碳同素異構(gòu)金屬組份，以足以形成具有所需碳含量的混合物的量加以混合;將該混合物加熱至高碳組份變?yōu)橐后w的溫度，但同時低于低碳組份變?yōu)橐后w的溫度;并且對該具有所需碳含量的混合物暫時在這個同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的溫度范圍內(nèi)保溫，保溫時間應(yīng)足以使存在的碳形成富勒氏球和富勒氏球的鏈。使得在該混合物中形成富勒氏球和富勒氏球的鏈。
本發(fā)明的上述和其他的目的、優(yōu)點和特征，以及達到它們的方式，由下面的與附圖相結(jié)合對本發(fā)明的詳細(xì)敘述將變得更加容易明白，這些


了較佳的和示范性的實施方案。熟悉金屬，金屬合金和晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)人員應(yīng)理解的是，有關(guān)本發(fā)明的許多信息包括在這些圖中。因而一開始先對它們作簡要敘述，然后在其后的說明書部分作更詳細(xì)的敘述。
圖1，2(a)，3(a)和35是本發(fā)明適宜試樣的X射線衍射圖;
圖4和5是一般普通鋼和本發(fā)明的各自橫斷面的光學(xué)顯微照片;
圖2(b)，3(b)，以及6-16是本發(fā)明適宜試樣的透射式電子顯微照片(TEM);
圖17，18和19是本發(fā)明的化學(xué)分析光譜;
圖20-28是本發(fā)明類似試樣的掃描隧道(STM)顯微照片，其中結(jié)構(gòu)以淺和深的明暗程度而標(biāo)繪;
圖29-33是以三種尺寸的表面狀態(tài)標(biāo)繪的本發(fā)明試樣的STM顯微照片;
圖34是通過本發(fā)明呈現(xiàn)的一種晶體結(jié)構(gòu)類型的模型;
圖35是放大200000倍的TEM顯微照片，示出了具有顯示與圖34模型對應(yīng)的結(jié)構(gòu)的實際試樣的一部份;
圖36是圖35的照相放大視圖;
圖37-39表示機械試驗數(shù)據(jù);
圖40或41用圖表顯示了本發(fā)明在成本和特性方面的優(yōu)點;
圖42是鐵-碳平衡圖。
本發(fā)明是一種宏觀固態(tài)的金屬富勒氏體基體以及一種方法，通過該方法能夠以商業(yè)可行的費用和數(shù)量，使用眾所周知的現(xiàn)有治金工藝和技術(shù)生產(chǎn)金屬富勒氏體基體族。
在一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明是一種類似鋼的固態(tài)金屬富勒氏體的鐵-碳基體。盡管涉及這些分子時所使用的術(shù)語和名稱是比較新的，但本文所使用的名稱代表著與流行文獻所用名稱相一致的一種嘗試。因此，術(shù)語“富勒氏球”表示具有球形或基本球形并封閉或幾乎完全封閉的類似籠狀的碳原子分子。術(shù)語“富勒氏體”表示富勒氏球分子的宏觀固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，而術(shù)語“富勒氏體”則表示其中的晶格由金屬原子和富勒氏球構(gòu)成的宏觀固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，并且還包括如本文所述的晶體結(jié)構(gòu)，在其中富勒氏球分子封閉一個金屬離子。
在本文中另外使用的術(shù)語“基體”表示主相或稱聚集體，在其中嵌有其他組分，而“鐵-碳”表示鐵和碳的固態(tài)同素異構(gòu)化合物，在其中鐵按重量占支配地位。
因而，在本發(fā)明產(chǎn)品實施方案的廣義上講，本發(fā)明包括一種金屬固體，該金屬固體包括同素異構(gòu)金屬的金屬-碳基體和同素異構(gòu)金屬的金屬富勒氏體。在更佳的實施方案中，該同素異構(gòu)金屬包括鐵，而該基體包括與鋼類似的鐵的富勒氏體的固態(tài)鐵-碳基體。
在其它實施方案中，同素異構(gòu)金屬選自下列物組鋁、鉻、鈷;銅、鐵、鉬、鎳、鉑、鈦、鎢、以及釩。
在某些實施方案中，該基體包括均一的基體，而金屬富勒氏體包括分子中具有60和70個碳原子的富勒氏球，或者包括具有較多或較少富勒氏球的較小或較大的分子，它們分別稱之為亞富勒氏球和過富勒氏體。
在目前最佳實施方案中，本發(fā)明包括一種包含金屬富勒氏體的鐵-碳基體的類似鋼的固體。其中的金屬富勒氏體包括鐵的富勒氏體。在一些特定的實施方案或同樣的實施方案的一些部分中，金屬富勒氏體包括準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)。
與類似的金屬尤其是用于比較目的的含碳約1.2%(重量)的鋼的組分相一致，本發(fā)明可含有約0.35%-7.0%的碳(重量)。
按照目前的最佳理解，金屬富勒氏體的鐵-碳基體是層狀結(jié)構(gòu)并且是非珠光體的，其晶體結(jié)構(gòu)或是密排六方晶格的，或是密排面心立方晶格的。在其他實施方案和一些實施方案的部分當(dāng)中，如同本文所進一步敘述的，本發(fā)明也可包括拉長的成纜式結(jié)構(gòu)。
圖1是本發(fā)明典型金屬富勒氏體的X射線衍射圖。如同本技術(shù)領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所了解的那樣，X輻射或“X射線”與晶體的交互反應(yīng)意味著由存在于三維晶格中的許多平面系之一反射輻射線。X射線由晶體結(jié)構(gòu)反射或衍射的方式，以及被反射或衍射的X射線形成的花樣，是晶體結(jié)構(gòu)的合適的識別描述符。
特別是圖1所呈現(xiàn)的花樣可以稱為圓環(huán)的“粉未衍射”型，而不稱為由珠光體顯現(xiàn)的單一布喇格衍射最大值。這些證實了該材料具有相對彼此任意有序的，相當(dāng)于10埃(1毫微米)的單一晶體領(lǐng)域。此外，該材料至少是ao＝0.428nm的面心立方。這相當(dāng)于最接近的Fe-Fe距離為0.302nm。與之比較，α-Fe是體心立方，其ao＝0.286nm，F(xiàn)e-Fe的最近距離為0.248nm。
圖1衍射花樣的一般特性由圖2和3說明。圖2(a)是用作比較的標(biāo)準(zhǔn)含碳1.2%的鋼衍射花樣和透射電子(TRM)顯微照片，該種鋼形成了在所屬技術(shù)領(lǐng)域中稱做“珠光體的”特征結(jié)構(gòu)(圖2b)。
圖3(a)示出了本發(fā)明類似含碳1.2%的實施方案中的X射線衍射花樣。圖2(a)和3(a)所示試樣的X射線衍射花樣。圖2(a)和3(a)所示試樣的X射線衍射花樣之間(并因而晶體結(jié)構(gòu)之間)的區(qū)別是極其明顯的。盡管不希望受任何特殊理論的限制，但本發(fā)明者相信圖1和圖3中所示的衍射花樣-即環(huán)狀對稱和光亮中心花樣-的確是所預(yù)計的包括富勒氏球，特別是包括封裝金屬原子(在此是鐵原子)的結(jié)構(gòu)。
為了進一步做比較的目的，圖4示出了取自普通鋼放大約50倍的橫截面視，而圖5(a)和(b)則分別是取自放大50倍和400倍的本發(fā)明橫截面視圖。普通鋼和本發(fā)明之間的區(qū)別也是相當(dāng)明顯的。
圖6，7和8進一步證實了本發(fā)明鐵-碳基體的獨特晶體結(jié)構(gòu)。在這方面應(yīng)當(dāng)理解的是，普通碳鋼通常是以該領(lǐng)域公知的“珠光體”結(jié)構(gòu)構(gòu)成。當(dāng)含碳接近0.80%(重量)的普通碳鋼由奧氏體形態(tài)穩(wěn)定的溫度范圍緩冷時形成珠光體，并且全部鐵素體和滲碳體一起沉淀在珠光體特有的層狀結(jié)構(gòu)中。在放大約1000倍的情況下，珠光體呈現(xiàn)暗層和亮層相間的花樣，它可能最好被說成是類似于不規(guī)則的和修補過的指紋。暗和亮部分的交替外觀是由于做為晶界并沿著奧氏體解理面首先沉淀(取決于碳含量不論是高于還是低于0.8%)的過量鐵素體或滲碳體的結(jié)果。
在此方面，由顯微照片(a)，(b)和(c)示出的圖6，一開始就具有十分類似于珠光體的形態(tài)，特別是類似于層狀的形態(tài)。為了比較，圖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。
圖7進一步說明在有關(guān)看來是珠光體的簡要測定的基礎(chǔ)上能得出的結(jié)果，但是在做此測定時，它沒有更仔細(xì)地包括珠光體的特征晶界結(jié)構(gòu)。圖7(a)取自放大5000倍，而7(b)取自放大10000倍，二者都是圖6示出的同一試樣。
圖7(b)中對于類似帳篷的結(jié)構(gòu)特別有意義，這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)在一般金屬晶體結(jié)構(gòu)中是未預(yù)期到的，但與包括例如對富勒氏球所預(yù)期的螺旋式排列在內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)卻是一致的;參看Mcwilliams等人，“Sciene′sAmazingNewBuilolungBlolks，”BusinessWeek，December9，1991，Pages76-77。
正如本文最后所述，圖23也可視為證實了這種螺旋結(jié)構(gòu)。
但是圖8(a)和8(b)澄清了本發(fā)明中觀察到的結(jié)構(gòu)不是珠光體的結(jié)構(gòu)。放大20000倍的圖8(a)顯示出該層狀類型結(jié)構(gòu)不是鐵素體和滲碳體的交替連結(jié)的結(jié)果，而是由表明形態(tài)學(xué)特征的預(yù)，奧氏本核化的結(jié)點，發(fā)展的結(jié)構(gòu)，例如在鋁合金中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，換句話說它們是均勻的基體，放大倍數(shù)稍大于25000倍的圖8(b)與這種解釋相符。
圖6，7和8也是說明本發(fā)明另外被觀察到的和顯著的性能的例證，特別是它對于淬硬鋼和類似鋼的金屬不經(jīng)通常所需的回火和有關(guān)技術(shù)而形成極限硬度的能力。正如本文在后所述，通過在室溫的油中對本發(fā)明試樣的快速淬火可輕易地獲得洛氏硬度C標(biāo)度為62的硬度。更大的意義可能是，經(jīng)這種淬火后，材料的外貌是同樣的。如同治金領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知，淬火后這種基本相同的外貌總的來說是未預(yù)期到的。而預(yù)期的外貌是改變成反射呈現(xiàn)不同(即提高的)硬度的不同晶體結(jié)構(gòu)。
雖然本發(fā)明者不希望受到特殊理論的限制，但伴隨著有基本相同外貌的提高硬度的特征看來是與對壓縮條件下顯示出具有極好的穩(wěn)定性的富勒氏球的這些預(yù)測相符合。在本發(fā)明中，可看作是淬火改變了鐵的結(jié)構(gòu)，使從β變?yōu)棣粒亩鴾p小了面心立方結(jié)構(gòu)的總體積。這也好象是對富勒氏球分子作稍微壓縮作用，在通行理論中這應(yīng)當(dāng)提高它們的硬度(Huffmdn，SupraPage28)。但是，這是在沒有任何結(jié)構(gòu)變化下發(fā)生的，因而通過消除相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力賦予了極大的優(yōu)點。據(jù)此便賦予了進一步的優(yōu)點，即不需進行另外的回火或正火。
圖9(a)和9(b)進一步說明了與珠光體特性的某些區(qū)別。這些顯微照片的每一張都是本發(fā)明鐵-碳基體的同一試樣。圖9(a)試樣表面用2%奈塔爾硝酸乙醇腐蝕溶液(nital)腐蝕，而圖9(b)試樣表面用苦味酸侵蝕溶液(Picral)腐蝕?？梢钥闯觯玫膱D9(a)和9(b)的試樣外貌是同樣的，特別是明和暗花樣。當(dāng)試樣是一個普通珠光體時，圖象卻與一個另外的顛倒。即在圖9(a)中看來是暗的部分在圖9(b)中看來是亮的，而在圖9(a)中看來是亮的部分在圖9(b)中看來是暗的。因而圖9(a)和9(b)之間外貌的同一性進而證實了本發(fā)明的獨特結(jié)構(gòu)，盡管它含1.2%碳，而該含碳量應(yīng)當(dāng)限定出一種相當(dāng)普通的，期待具有珠光體結(jié)構(gòu)的鋼。
剩下的顯微照片說明-主要通過它們與珠光體的所期望的不同的外貌-本發(fā)明鐵-碳基體的獨特性質(zhì)。圖10(a)和10(b)示出了本發(fā)明斷裂試樣的電子顯微照片，放大倍數(shù)為5000倍(圖10(a))和7000倍(圖10(b))。圖11(a)和11(b)是斷裂試樣的類似顯微照片，放大倍數(shù)為1000倍(圖11(a))和2000倍(圖11(b))。這些是與珠光體斷裂試樣的正常外貌顯著不同的，特別是在圖11(a)中顯現(xiàn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)或“羽毛狀”結(jié)構(gòu)，在其中缺乏一般斷裂試驗過程中因珠光體而受到應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)力的證據(jù)。
圖12和13是為鑒別目的在全部說明書中分別稱之為“3591”和“3691”的本發(fā)明兩個試樣的掃描電子顯微照片，放大25000倍。圖12中的試樣是用2%奈塔爾硝酸乙醇腐蝕液腐蝕的，而圖13中的試樣是用氯化鐵即Fecl3腐蝕的。
圖14(a)和14(b)是使用2%Fecl3作為腐蝕液分別放大1000和30000倍的試樣顯微照片。使用這種特定腐蝕液顯影的花樣對于準(zhǔn)晶體型結(jié)構(gòu)而言正是預(yù)期到的(參看Stephens and Goldman，“The Structure of Quasi-Crystals，”Scientific American，April 1991.PP 44-53)。這同樣與不能證明這種準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)特征的普通珠光體結(jié)構(gòu)顯著不同。換句話說，本發(fā)明典型產(chǎn)物的試樣不以一般對亞共析產(chǎn)物所期望的方式與nital或Picral反應(yīng)。
一般情況下，先共析組分存在于轉(zhuǎn)變前奧氏體的晶界，并且在垂直區(qū)域照明之下看起來是極光亮的。在這方面，本發(fā)明典型產(chǎn)物的試樣與存在于亞共析和過共析材料中的先共析組分呈現(xiàn)出金相學(xué)的不同。在那些同樣照明并具有同樣或類似放大倍數(shù)的材料中，先共析滲碳體層通常比鐵素體層更薄。此外，滲碳體的薄膜(或晶界區(qū)域)在Picral或nital腐蝕后具有比鐵素體更加不規(guī)則的輪廓，并且還由銳線連結(jié)，而鐵素體的邊界區(qū)域在腐蝕后則不由銳線連結(jié)。這可以理解為是以下事實導(dǎo)致的結(jié)果鐵素體是鄰接的珠光體的連續(xù)相，這使得在這種鐵素體和先共析鐵素體之間幾乎沒有腐蝕的反差顯影。根據(jù)首次檢驗，這可認(rèn)為是與本發(fā)明典型產(chǎn)物試樣一致的相分析。然而剩余的數(shù)據(jù)表明本發(fā)明的試樣不是珠光體。特別是當(dāng)先共析組分是真正的滲碳體而連續(xù)相是均勻的(即滲碳體類型)時，銳級將在鄰接的珠光體聚集組織的先共析滲碳體和鐵素體之間顯影。在本發(fā)明典型產(chǎn)物的試樣中則沒有這種級存在，并且事實上連續(xù)相貫穿全部基體延伸，但對于轉(zhuǎn)變前奧氏體晶界的滑移面除外。
由奧氏體向本發(fā)明典型材料的轉(zhuǎn)變可看作是擴散過程的傳統(tǒng)實例。它與時間有關(guān)，并且轉(zhuǎn)變速度隨溫度的變化而顯著變化。產(chǎn)物的組成與母相產(chǎn)物的組成不同。在孕育期之后，富勒氏球為基的材料的聚集組織通常在奧氏體晶界處顯現(xiàn)出生核，并且富勒氏球晶體結(jié)構(gòu)的每個生核鏈生長成聚集組織，直至它碰到鄰接的聚集組織上為止。這些聚集組織是碳晶體的相互貫穿的富勒氏球鏈的單元，并且可在壓縮情況下在斷面上通過富勒氏球碳聚集組織的濃度引起的畸變波紋來識別。
本發(fā)明這種鐵-碳基體的非珠光體結(jié)構(gòu)的進一步驗證通過圖15、16，17和18說明。圖15是本發(fā)明鐵-碳基體的試樣，基于最初外貌的基體呈現(xiàn)具有層狀部分和晶界，但是正如本文所闡述的，這簡單地是晶體的外形，并不代表基體內(nèi)任何化學(xué)的或結(jié)構(gòu)的區(qū)別。圖16是更詳細(xì)呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)的該圖的一部份的放大視圖。圖15和16包括點I、D和L，它們分別示出了在顯微照片的間隙部分，暗部份和亮部分中的試樣位置。
圖17、18和19分別是對應(yīng)于點L(圖17)，點D(圖18)和點I(圖19)的EDS成分分析。如果點D和L是珠光體層狀，兩個點的化學(xué)組成則是相當(dāng)不同的滲碳體與鐵素體。鐵素體全部是鐵(Fe)，含有少量的雜質(zhì)，而滲碳體則是碳化鐵(Fe3C)，含有任何伴生的雜質(zhì)。相反，圖17，18和19則基本上同樣，從而證明了，圖15和16中的點I、D和L，或者實際上在試樣的任意部位中化學(xué)組成是相同的。換句話說，這證明該層狀是總體結(jié)構(gòu)的或形態(tài)學(xué)的特征，而不是化學(xué)上不同的層。
圖20-25是漸進地更為詳細(xì)的掃描和隧道效應(yīng)(STM)顯微照片系列，對其以較亮和較暗部分的二維表示形式標(biāo)繪出形態(tài)學(xué)的數(shù)據(jù)。在這些特殊的表示法中，較亮的部分代表較接近于掃描裝置的數(shù)據(jù)，而較暗的部分代替較遠的數(shù)據(jù)。特別是圖20和21是取自橫剖150nm截面的STM，并說明了呈現(xiàn)在此標(biāo)度上的主要形態(tài)學(xué)特征。
圖22和23都是取自橫剖100nm掃描，并漸進地示出了該結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)的狀況。特別是圖22示出了相當(dāng)大的金屬富勒氏體的鐵-碳偽球，它們表現(xiàn)出尺寸約10-20nm的占大部分。
圖23是另一個10nm的STM，它示出了象是雙螺旋線的富勒氏球的富勒氏體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是通過那些設(shè)想的晶體和化合物中富勒氏球的某些預(yù)期的性能而被推測的。例如F.N.DiecltrichasnotedbyMcwinams等人，Supraatpage77。應(yīng)當(dāng)理解的是，一個富勒氏球的理論推定尺寸是相當(dāng)于約1nm(參閱Huffman，SupraatP26)，并且由圖22和23可見，在這些顯微照片中，最小的可分辨物正是近似于該尺寸。
這一尺寸通過圖24和25被進一步證實，這兩個圖表示15nm的掃描，并因而是圖20-25中最大的放大倍數(shù)。圖24和25是相同的，但不同的是圖25包括有用于說明晶體結(jié)構(gòu)的110°重疊角。由圖24和25可見，存在有晶格，在其中占支配地位的結(jié)構(gòu)具有近似1nm的尺寸。如前所述，這正是與對C60富勒氏球分子所預(yù)測的結(jié)構(gòu)完全符合的C60。此外，已經(jīng)在晶體尺寸部分預(yù)測過的是，C60富勒氏球以密封封裝的，被說或是面心立方晶系(Lutl和Smalley，“Fullerenes”，ScientificAmerican，1991年10月，Pages54-63，atPage62;Huffman，SupraatPage26)，或是六方晶系(Haffman，alsoatPage26)的形狀封裝。圖25表明證實了這種排列，在其中示出的110°角疊加在顯微照片上，并使每根線都處于至少三個顯然是等同密度(即距離并因而同一平面)的物體的組合中。由圖25可見，110°角很好地重疊在等亮度的這些物體之上，并看來進一步證實了密閉封裝的假設(shè)，并且因而證實了在本發(fā)明的鐵-碳基體中富勒氏球分子的存在。
圖26和27是類似的顯微照片，除了數(shù)據(jù)被進一步表示為橫截面標(biāo)度分析并在每張照片的下面左邊外加了明暗圖象之外，圖26取自50nm而圖27取自20nm。在圖26的上部，兩個主要的拓?fù)鋵W(xué)特征之間的水平距離近似為2.09nm，再次與所期望的晶體尺寸相符合，在該晶體中1nm的富勒氏球鄰接另一個富勒氏球。
通過圖27的20nmSTM進一步證明了這一點，其中類似的形態(tài)距離被測量并顯示出在各峰值之間是相當(dāng)于約1nm，或者由一分子到它最近的間隙空間是相當(dāng)于約0.7nm，因而該數(shù)據(jù)再次與對C60尺寸范圍內(nèi)富勒氏球分子所期望的值相符合;即Huffman(SupraatPage26)指明了對于C60分子的籠的直徑為7.1埃(0.71nm).
圖28也是另一個STM顯微照片，但取的是遍及150nmx150nm的掃描，并在15nm的水平測量。
圖29-34是另外的STM的數(shù)據(jù)，但在其中結(jié)果是以下述方式繪出用線而不同用明暗來代表，以示出三維的形態(tài)學(xué)圖。由這些圖中的每一幅可看出，沿X和Y軸標(biāo)明了取樣的區(qū)域，沿Z軸是被分析的深度。因而，圖29示出了一個被分析的部分，其在X和Y軸上都是200nm，而其在Z軸上的輪廓超過300nm。在這一水平面的細(xì)節(jié)，某些結(jié)構(gòu)清楚地顯現(xiàn)，其中如同所繪出的最大拓?fù)鋵W(xué)特征由所表示的下左轉(zhuǎn)至上右，同時最小的結(jié)構(gòu)特征花樣由上左轉(zhuǎn)至下右，這與圖34以及圖35和36TEM中所示出的本發(fā)明的“拉長的纜索”模型相符合。
圖30是稍微更大的細(xì)節(jié)水平面的類似顯微照片，其中被分析的Z軸尺寸僅為200nm，使某些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)更為明顯。如圖29，可看出通常較大的結(jié)構(gòu)特征組合由左轉(zhuǎn)至右。應(yīng)當(dāng)理解的是，這類如“左至右”等等的說法僅被用于對某些圖，特別是對這些圖中的形態(tài)學(xué)特征加以敘述的目的，而不作任何程度的限制或作為絕對的取向。
如前所述，C60富勒氏球分子的期望尺寸相當(dāng)于約1nm。在圖30中，有某些很小的結(jié)構(gòu)特征，它們具有圖30中的梯級外貌，該結(jié)構(gòu)特征相當(dāng)于約1nm，圖30在X和Y方向上給出了總的為150nm的掃描尺寸。
圖31也是另外的略為更詳細(xì)的視圖，它類似于圖29和30，其中被掃描的X和Y軸是150nm，但其中Z軸僅為100nm，因而繪出了稍微更大的放大倍數(shù)。可再看出某些主要的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在圖31的取向中看來是由上左轉(zhuǎn)至下右，同時較小的取向由下左轉(zhuǎn)至上右。此外認(rèn)為是C60富勒氏球分子的小的梯級特征同樣是可見的。
圖32的放大倍數(shù)比圖31稍微更小些，其中沿50nm取Z軸掃描。在該幅視圖中，某些三維特征變得更突出，但其它看來與本文另外的視圖和證據(jù)完全相符。
圖33是這一類型的下一個代表，并且取自沿X和Y軸150nm，但還取自僅沿乙軸50nm，以漸進地獲得更詳細(xì)的圖。在此情況下，可看出有許多占支配地位的不規(guī)則特征，它們以上右朝下左的取向運轉(zhuǎn)，并且在其中相當(dāng)于10nm左右的形態(tài)學(xué)特征清楚顯現(xiàn)。
雖然本發(fā)明者不希望受任何特殊理論的限制，但圖29-33表明的數(shù)據(jù)是與拉長纜索的金屬富勒氏體(圖34-36)相符合的。如同本文所使用的那樣，該措詞涉及一種結(jié)構(gòu)，在其中富勒氏球的束環(huán)繞鐵原子束被螺旋式封裝，以形成更大的被封裝的鐵的束。這個更大的被封裝的鐵的束然后依次再在晶格中環(huán)繞鐵原子被封裝，結(jié)果形成呈現(xiàn)在圖29-33中的整體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由于它類似于雙拉長鋼纜索而得名。
圖34-36進一步說明該拉長纜索結(jié)構(gòu)，其中的數(shù)據(jù)認(rèn)為是指明該結(jié)構(gòu)的。圖34是一幅模型的照片，其中通常的球面多邊形P(并代表富勒氏球分子)被附著在環(huán)繞鐵原子的芯C而被封裝的鏈中。這個類似纜索的結(jié)構(gòu)依次環(huán)繞更大的鐵芯F被封裝，結(jié)果形成拉長纜索結(jié)構(gòu)。
圖35是本發(fā)明試樣的TEM顯微照片，其中延伸部分E顯示出非常類似于圖34中模式的結(jié)構(gòu)。圖36是圖35的放大照片并再次顯示出證實了本發(fā)明材料部分的拉長纜索結(jié)構(gòu)。本發(fā)明這一證據(jù)顯然表明，晶體結(jié)構(gòu)的拉長纜索形式在本發(fā)明的材料中趨于占主導(dǎo)地位，但要理解到，這是由本發(fā)明描述的方法所提供的，并且不是限制。
從而，本發(fā)明具有金屬富勒氏體的類似鋼的固體鐵碳基體的全部特征。在某些情況下，它們形成準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)，而在另外一些情況下，形成拉長纜索取向、面心立方結(jié)構(gòu)，或密排六方晶格的晶體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的類似鋼的固體與其他類型的碳鋼相一致可含有約0.35～2.25%(重量)碳。本發(fā)明所進行的許多試驗是在含約1.2%(重量)碳的試樣上進行的，該含碳量是與其他鋼比較的有用數(shù)值?？梢灶A(yù)期，本發(fā)明可以用常規(guī)鋼相同的方法合金化，同時保留其優(yōu)良的特征和性能。
如上所述，本發(fā)明的類似鋼的固體形成一種均勻的，非珠光體薄層結(jié)構(gòu)。
該鐵碳固體具有優(yōu)良的耐磨性、與淬透性相結(jié)合的延性以及自回復(fù)特性。
由于其優(yōu)良的特性，本發(fā)明的類似鋼的固體具有廣泛的多種用途。要理解到，本文所列出的那些用途是舉例性的，而不是對由本發(fā)明產(chǎn)品可得到的用途類型的限定。這些用途包括工具和模具應(yīng)用、模具(例如用于金屬、塑料和復(fù)合物)、剪切具和模板、測量和探傷裝置、條鋼坯料、結(jié)構(gòu)元件、制造元件(包括不銹鋼、高和低碳材料，或其他合金)、大型鑄件、機械底座、磨損表面(例如研磨材料加工)、以及電力和電子應(yīng)用，如導(dǎo)體、復(fù)合材料(例如金屬-聚合物結(jié)合體)、半導(dǎo)體、電力和電子裝置(例如大型電阻)、磁體和磁力應(yīng)用。該材料可連續(xù)鑄造，或以任何其他方式鑄造，包括殼型鑄造和砂型鑄造。從化學(xué)觀點出發(fā)，預(yù)期本發(fā)明在一系列已為當(dāng)前對富勒氏球化學(xué)感興趣所預(yù)示的領(lǐng)域中具有用途，包括有希望的領(lǐng)域，如催化劑或醫(yī)藥用途。
本發(fā)明還包括形成本文所述與鋼類似的固體的方法。就最廣義來說，該方法包括通過冷卻曲線中斷熔態(tài)，以使該熔態(tài)保持在固化金屬通過同素異構(gòu)轉(zhuǎn)化階段的該點。更確切地說，該方法可看作為將其量足以形成一種含有較佳最終組分的所需碳含量的混合物的高碳金屬組分(較佳的必然是鐵)和低碳金屬組分混合。然后將該混合物加熱至這樣的溫度，高于該溫度時高碳成分變成液態(tài)而該溫度低于低碳成分變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。然后，將該混合物緩慢冷卻至最終組分的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)化相開始的溫度。最后，通過保持溫度，并且必要時增加熱量，經(jīng)過所存在的碳足以形成富勒氏球和富勒氏球鏈的時間，形成富勒氏球和富勒氏鏈。
在其他具體實施方案中，混合高碳同素異構(gòu)金屬組分和低碳同素異構(gòu)金屬組分的步驟可包括將選自鋁、鉻、鈷、銅、鐵、鉬、鎳、鉑、鈦、鎢和釩的同素異構(gòu)金屬的成分混合。
在其他較佳的具體實施方案中，加熱混合物的步驟包括將該混合物加熱至這樣的溫度，在該溫度時高碳成分為液態(tài)，而在該溫度時低碳成分為固態(tài)并且在該溫度時由該混合物所確定的固體將保持固態(tài)直至混合物在該溫度時達到平衡;將混合物加熱至較高溫度，在該溫度時混合物部分是液態(tài)，部分是同素異構(gòu)固態(tài)。
此外，形成富勒氏球和富勒氏球鏈的步驟可包括在必要時增加熱量以保持在含有所需碳含量的混合物的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)化溫度范圍內(nèi)的一個溫度。
在一個當(dāng)前最佳具體實施方案中，該方法包括將各成分混合，各成分中同素異構(gòu)金屬為鐵;加熱混合物的步驟包括將混合物加熱至鐵-碳平衡的第一溫度，該溫度高于高碳成分將為液態(tài)的溫度，而該溫度低于無論是低碳成分或該混合物均為液態(tài)的溫度，而形成富勒氏球和富勒氏球鏈的步驟包括加熱，然后將混合物保持在鐵碳平衡的溫度，在該溫度時，具有混合物所確定組分的鐵以一種其同素異構(gòu)形式和一種液態(tài)的混合物存在。
在較佳的具體實施方案中，加熱該混合物的步驟包括將混合物加熱至2280-2750°F溫度范圍，較佳為約2450°F，保持混合物的步驟包括將混合物的溫度保持在2280-2750°F溫度范圍，較佳在近似2450°F。
另一方面，該方法可包括將高碳組分熔化至完全液態(tài);以足以形成含有所需碳濃度的量將固態(tài)低碳組分引入高碳組分液態(tài)中，同時保持低于低碳組分變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，并通過將溫度保持在混合物的同素異構(gòu)相轉(zhuǎn)變開始的溫度，經(jīng)過足以使所存在的碳形成富勒氏球和富勒氏球鏈的時間，在混合物中形成富勒氏球和富勒氏球鏈。
在這一方面，圖42表示鐵-碳平衡體系并僅為了說明而不是限定的目的包括在本文中。熟悉冶金技術(shù)的人們將會認(rèn)識到，本發(fā)明的方法形式可類似地應(yīng)用于基于它們的平衡系統(tǒng)的其他金屬，包括可選擇的鐵合金，如那些摻入鉻或其他為其所需合金化特性的元素鐵合金。將會看到，按照本文實施例1，在較佳加熱溫度2450°F時，碳組分4.3%(即“高”碳組分)完全會是在平衡圖的液態(tài)部分范圍內(nèi)，而碳組分0.01%(“低”碳組分)則完全會是固態(tài)。然而，按照所述方法當(dāng)將組分混合并使其平衡時，將會看到，含有最終含量1.2%碳的鐵-碳當(dāng)保持在2450°F時，部分是固態(tài)而部分是液態(tài)。從而，使用在典型圖中所表示的金屬-碳平衡圖解，代表表示本發(fā)明方法的一種可選擇方式。
此外，由平衡圖中可以看到，“會是液態(tài)”或“會是固態(tài)”的表示或類似的表示是指可由現(xiàn)有技術(shù)的普通技術(shù)人員根據(jù)平衡圖所確定的溫度和條件，而不用非常規(guī)的試驗。
實施例1制備最終分析為1.2%碳、小于1%錳、小于1%硅，所有其他元素為痕量的本發(fā)明的第一份試樣。最終熔體大小為5磅合乎要求。相應(yīng)地將1.4磅4.3%碳材料(即鑄鐵)與3.6磅0.01%碳材料混合。添加少量0.25%硼砂作為脫氣劑。將充氣馬弗爐加熱至2250°F并將該材料置于馬弗爐中并復(fù)蓋。當(dāng)材料達到溫度為2250°F時，提高加熱至2450°F并保持20分鐘。然后將減少熱量降至2250°F經(jīng)10分鐘。當(dāng)熔化的材料失去其傳導(dǎo)性(ephoresence)時(通常在液態(tài)和固態(tài)之間產(chǎn)生光輻射或輝光)，將爐子重新加熱至2450°F并在該溫度短暫保持經(jīng)15分鐘。然后將爐子關(guān)閉并將移出的材料在坩堝中冷卻至室溫。本文所報導(dǎo)的生成的材料稱為“3591”試樣，具有的化學(xué)成分為1.21%碳、0.15%鉻、0.12%錳、0.89%硅、余量為鐵。該組分由AdvancedtestingLaboratoryofNorwood，Chio使用和測定。通過從測試?yán)煸嚇又星邢骺v向和橫向截面并多相制備和用2%Nital硝酸乙醇腐蝕試劑腐蝕測定顯微結(jié)構(gòu)。
這一檢測的結(jié)果說明了該試樣具有主要由含馬氏體基體的內(nèi)枝晶碳化物組成的顯微結(jié)構(gòu)。該顯微結(jié)構(gòu)通過從測試?yán)煸嚇忧邢骺v向和橫向截面并金相制備和用2%Nital硝酸乙醇腐蝕試劑腐蝕測定。這一相同的檢測表明該試樣具有的化學(xué)組成為(重量)1.21%碳、0.15%鉻、0.12%錳、0.89%硅，余量為鐵。
實施例2制備最終分析為約1.1%碳、小于1%錳、小于1%硅，全部其他元素為痕量的第二份試樣。最終熔體的大小再次為5磅。相應(yīng)地，將1.18磅含4.3%碳的材料與3.82磅0.01%含碳的材料混合。添加0.25%硼砂脫氣劑，并將充氣馬弗爐加熱至2250°F。將材料置于該爐中并復(fù)疬直至該材料達到2250°F。然后加熱提高至2550°F并保持20分鐘。然后減少熱量降至2250°F經(jīng)10分鐘。當(dāng)熔化的材料失去其傳導(dǎo)性時，再次加熱至2250°F并在該溫度短暫保持15分鐘。然后將爐子關(guān)閉并將移出的材料在坩堝中冷卻至室溫。
實施例3制備最終分析為1.6%碳、小于1%錳、小于1%硅、全部其他元素為痕量的第三份試樣。對該試樣，將1.89磅含4.3%碳的材料與3.11磅0.01%材料混合。將該混合物與0.25%硼砂混合并再次將充氣馬弗爐加熱至2250°F。將第二個爐子加熱至2450°F并將一個鑄模升溫至爐溫。將材料放置在第一個爐子的復(fù)蓋的坩堝中并加熱至2250°F，當(dāng)該材料達到2250°F時，將加熱提高到2375°F并短暫地在該溫度保持20分鐘。然后關(guān)閉第二個爐子并將材料從第一個爐子中移出，由坩堝中澆注入被加熱的鑄模中。然后移出加熱鑄模中的材料并冷卻至室溫。該材料報導(dǎo)為本發(fā)明固體材料的“3691”試樣。
實施例4將含有最終分析為0.85%碳的產(chǎn)品，完全根據(jù)該基本產(chǎn)品的純度、爐子氣氛的控制，以及類似參數(shù)設(shè)計成含有小于1%錳存在以及同樣存在的小于1%硅、同時全部其他元素為痕量。基于所設(shè)計的最終熔體大小為5磅，將1.2磅含3.77%碳的產(chǎn)品與3.8磅含0.20%碳的產(chǎn)品混合。將該混合物與合適的脫氣產(chǎn)品，如硼砂混合，并引入爐中。將爐子(該爐子的類型無特別意義)加熱至2350°F并使材料在該溫度正火。在這一點將爐子提高到溫度2600°F并保持20分鐘。然后將爐溫降低到2400°F經(jīng)過為材料失去其不能冷凝性所需的時間周期(該材料趨于均勻收縮而不是形成縮孔)。在這一點將爐溫回復(fù)至2600°F并在該溫度短暫地保持15分鐘。將由爐中移出的材料冷卻至室溫或放入中間包中用于連續(xù)鑄造操作或類似操作。得到的材料與試樣3691的結(jié)構(gòu)一致，并具有全部碳含量0.85%。
實施例5再次將最終分析為2.25%的碳材料設(shè)計成含有小于1%錳、小于1%硅，以及全部其他元素為痕量。由54磅自鐵屑制得的4%鑄鐵產(chǎn)品得到100磅熔體。使用標(biāo)準(zhǔn)脫氣技術(shù)和裝置精煉該材料。利用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)和裝置調(diào)節(jié)碳含量。在任何標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)爐中將該材料熔化并在中間包中于2600°F正火。將粒狀的46磅1020低碳產(chǎn)品引入熔體中。然后將熔體和添加的球團的混和物重新加熱至并短暫地在2250°F保持15分鐘，并移至預(yù)熱的鑄錠容器或連鑄線。
實施例6再次將最終分析含0.35%的碳材料設(shè)計成含有小于1%錳、小于1%硅以及基于其余參數(shù)為痕量存在的其他元素?；谧罱K熔體大小為10磅，將0.81磅含4.3%的碳鑄鐵與9.2磅含0.01%碳的鐵以及合適的脫氣產(chǎn)品混合并經(jīng)由合適的容器引入爐中。將該爐子加熱至2450°F并在該溫度正火。然后將爐子提高至溫度為2750°F經(jīng)20分鐘。然后將爐子降低至一定溫度保持失去其不冷凝性所需時間，在這一點，重新將爐子回升至2750°F并在該溫度短暫保持15分鐘。從爐中移出該材料冷卻至室溫或移至中間包中以用于連鑄操作。得到的材料與上述3691試樣的結(jié)構(gòu)一致，并含有全部碳含量為0.35%。
將稱為3591的試樣也加熱至1700°F并在水中淬火。測得淬火后的硬度在洛氏硬度計C標(biāo)度上為63和64之間。此外，化學(xué)分析了試樣3591并測出含有如下組成(重量%)
碳1.21錳0.12硅0.89鐵余量由MetcutResearchAssociatesInc.inCincinnati，Ohio.進行了本發(fā)明試樣的壓縮試驗。在室溫下，通過斷裂的應(yīng)變速率為0.005in./in./min。如下所列試樣 Rc 試樣尺寸(吋) U.C.S.b0.2%(ksi) Y.S.C(ksi)3591a62 0.25dia×0.75 338.9 232.53591270.50dia×1.5109.663.3a)在室溫油中快速淬火b)極限抗壓強度c)屈服強度圖37-39表示通過指定的設(shè)備對本發(fā)明典型產(chǎn)品的試樣3591獨立進行的機械測試。試樣3591是連鑄單流道形成的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
圖37表示對本發(fā)明和Stellite6B典型產(chǎn)品的試樣3591的ASTMG77/D2714改性的比較分析。將該兩種材料淬硬至62Rc。如已清楚說明的，試樣3591的確優(yōu)于Stellite6B并在大于20000周期后顯示其表面的“自回復(fù)”一種與結(jié)構(gòu)一致的性能。相反，普通鋼僅測試至5000周期，之后它們就趨于斷裂。從而，通過這一試驗所測量的本發(fā)明材料的性能是最獨特的并且是高度有利的。
圖38和39說明了該材料的非常高的極限抗壓強度(U.C.S.)和屈服強度(Y.S.)(即也如上表中所歸納的)以及其Rc27基體的延性。
作為一種產(chǎn)品，這一具有金屬富勒體結(jié)構(gòu)的新的和新型產(chǎn)品族提供了一系列優(yōu)點。這些優(yōu)點包括通過大大降低全部熔化過程的能量需要的生產(chǎn)經(jīng)濟性;生產(chǎn)形成階段大量降低能量需要;鑄造成臨近精加工態(tài)的能力;生產(chǎn)的熱和冷成形階段極低的能量需要;在熱加工期間氧化皮或其他氧化物產(chǎn)生造成極少量的材料損失。
此外，本發(fā)明提供了符合含金屬物質(zhì)富勒氏球結(jié)構(gòu)的具體實施方案的特有的冶金性能。這些性能包括高抗壓強度而不用合金化;高抗拉強度而不用合金化;高延性而不用合金化;“自回復(fù)”其表面的能力而無材料損失或不必合金化;較高的耐磨性能而不用合金化;獨特的抗氧化性能而不用合金化;以及與使上述進一步合金化相適應(yīng)的能力。
本發(fā)明還解決了與金屬物質(zhì)密封和結(jié)合富勒氏球結(jié)構(gòu)的問題。
此外，本發(fā)明提供了在現(xiàn)有技術(shù)中未提出過的傳統(tǒng)時間-溫度-轉(zhuǎn)化(TTT)曲線的改進。
總之，本發(fā)明以經(jīng)濟和工業(yè)上可行的方式提供了一種以前尚未解決的，需要結(jié)合具有金屬富勒氏體結(jié)構(gòu)的碳的富勒氏球形式的操作成果。
在這一方面，圖40代表對本發(fā)明的材料(“Rhondite”)與ASTMG-77試驗為基礎(chǔ)的其他合適合金比較成本的耐磨性能曲線圖。圖40示出，本發(fā)明是所列出材料中最經(jīng)濟的成本。
在附圖及說明書中，已公開了本發(fā)明的展開較佳具體實施方案，盡管使用了專門的術(shù)語，但它們僅用于一般的和描述的意義而不是為了限定的目的，本發(fā)明的范圍陳述于如下權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種含有金屬-碳基體的金屬固體，其特征在于所述的金屬固體是一種同素異構(gòu)金屬和該同素異構(gòu)金屬的金屬富勒氏體的基體。
2.權(quán)利要求1的金屬固體，其中同素異構(gòu)金屬選自鋁、鉻、鈷、銅、鐵、鉬、鎳、鉑、鈦、鎢，以及釩。
3.權(quán)利要求1的金屬固體，其中所述金屬富勒氏體包括在分子中具有60和70個碳原子的富勒氏球。
4.一種金屬固體，該固體包含鐵和鐵一碳富勒氏球的鐵一碳基體。
5.權(quán)利要求4的金屬固體，該固體含有約0.35和7.0%(重量)之間的碳。
6.權(quán)利要求4的金屬固體，該固體包括一種形成結(jié)構(gòu)產(chǎn)物的鑄件。
7.一種金屬固體，其特征在于該固體甚至在沒有合金化時具有優(yōu)良的金屬性能，所述固體包括其中含碳量在約0.35和7.0%(重量)之間的鐵和鐵-碳富勒氏體的鐵-碳基體;并且其中鐵富勒氏體具有的結(jié)構(gòu)選自封閉在富勒氏球分子中的單個鐵原子;在多外鐵原子周圍包裹的富勒氏球分子;以及它們的結(jié)合。
8.一種形成鐵-碳鋼的方法，該鋼具有優(yōu)良的耐磨性，與淬透性相結(jié)合的延性，以及自回復(fù)特性，其特征在于在通過冷卻曲線的一個點時(在該點固化金屬通過由熔體中全部鐵和碳所確定的金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)化階段)中斷并短暫保持鐵-碳熔態(tài)，經(jīng)過足以使碳形成金屬富勒氏體相的時間周期，形成包含鐵和鐵-碳富勒氏體的鐵-碳基體的金屬固體。
9.一種在同素異構(gòu)金屬中形成金屬富勒氏體以制備具有優(yōu)良耐磨性，與淬透性相結(jié)合的延性，以及自回復(fù)特性的金屬的方法，其特征在于該方法包括在其量足以使混合物具有所需碳含量的相同同素異構(gòu)金屬組分的混合物中形成富勒氏球;將該混合物加熱到一定溫度，在該溫度下高碳組分將會是液態(tài)，而該溫度低于低碳成分將會是液態(tài)的溫度;以及通過進一步將該混合物加熱至含有所需碳含量的混合物的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)化溫度范圍內(nèi)的溫度，并在該溫度下短暫保持該混合物經(jīng)過足以使存在的碳形成富勒氏球的時間，在混合物中形成富勒氏球。
10.權(quán)利要求9的方法，其中將混合物加熱的步驟其特征在于將其量足以形成含有所需碳含量的混合物的相同同素異構(gòu)金屬的高碳同素異構(gòu)金屬組分和低碳同素異構(gòu)金屬組分的混合物加熱到一定溫度，在該溫度下高碳成分將會是液態(tài)而該溫度低于低碳組分將會是液態(tài)的溫度。
11.權(quán)利要求10的方法，其特征在于還有如下步驟以足以形成含所需碳含量的混合物的量將相同同素異構(gòu)金屬的高碳同素異構(gòu)金屬組分和低碳同素異構(gòu)金屬組分混合;然后將該混合物加熱至一定溫度，在該溫度下高碳成分將會是液態(tài)而該溫度低于低碳成分將會是液態(tài)的溫度。
12.權(quán)利要求11的方法，其特征在于還有如下步驟通過進一步將該混合物加熱至含所需碳含量的混合物同素異構(gòu)轉(zhuǎn)化溫度范圍內(nèi)的溫度，并在該溫度下短暫保持經(jīng)過足以使所存在的碳形成富勒氏球的時間，在混合物中形成富勒氏球的步驟之后，將該混合物冷卻至金屬固體形式。
13.權(quán)利要求11的方法，其中將高碳同素異構(gòu)金屬組分和低碳同素異構(gòu)金屬組分混合的步驟包括將這些成分混合，其中同素異構(gòu)金屬選自鋁、鉻、鈷、銅、鐵、鉬、鎳、鉑、鈦、鎢和釩。
14.權(quán)利要求11的方法，其中將混合物加熱的步驟包括將混合物加熱至一定溫度，在該溫度下高碳組分將會是液態(tài)，而低碳組分將會是固態(tài)，并且在該溫度下由該混合物所確定的固體將保持固態(tài)直至在該溫度下混合物達到平衡;將混合物加熱至更高溫度，在該溫度下該混合物部分是液態(tài)，部分是同素異構(gòu)固體。
15.權(quán)利要求11的方法，其中形成富勒氏球的步驟包括增加為在含所需碳含量混合物的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)化溫度范圍內(nèi)短暫保持該溫度所需的熱量。
16.權(quán)利要求11的方法，其中將高碳同素異構(gòu)金屬組分和低碳同素異構(gòu)金屬組分混合的步驟包括將同素異構(gòu)金屬為鐵的這些組分混合;將混合物合物加熱的步驟包括將混合物加熱至高于鐵-碳平衡時溫度的第一溫度，在該溫度下高碳組分全部成為液態(tài)，而該溫度低于無論是低碳成分抑或該混合物都成為液態(tài)的溫度;形成富勒氏球的步驟包括加熱，然后將混合物短暫保持在鐵碳平衡時的溫度，在該溫度下含有該混合物所規(guī)定成分的鐵以一種同素異構(gòu)形式和液態(tài)的混合物存在。
17.權(quán)利要求16的方法，其中加熱混合物的步驟包括將混合物加熱至2280-2750°范圍。
18.權(quán)利要求16的方法，其中短暫保持混合物的步驟包括將混合物短暫保持在2280-2750°溫度范圍。
19.一種形成鐵-碳金屬固體的方法，該固體具有優(yōu)良的耐磨性，與淬透性結(jié)合的延性，以及自回復(fù)特性，其特征在于通過將固態(tài)的低碳鐵組分引入高碳鐵組分的液態(tài)熔體中，其中這些組分以足以形成含所需碳濃度的混合物的相應(yīng)量存在通過將該混合物短暫保持在一定溫度經(jīng)過足以使存在的碳形成富勒氏球的時間，在該溫度下混合物的同素異構(gòu)相轉(zhuǎn)化開始。
20.權(quán)利要求19的方法，其中通過將固態(tài)低碳鐵組分引入高碳鐵組分的液態(tài)熔體中，這些組分的量以足以形成所需含碳濃度的混合物的相應(yīng)量存在以形成一種混合物的步驟，其進一步特征在于將固態(tài)低碳鐵組分引入高碳鐵組分的液態(tài)熔體中，其中這些組分以足以形成含所需碳濃度的混合物的相應(yīng)量存在，同時短暫地保持在低于低碳組分變成液態(tài)的溫度。
21.權(quán)利要求20的方法，進一步包括下述步驟在以足以形成含所需碳濃度的混合物的量將固態(tài)低碳鐵組分引入高碳鐵組分液態(tài)體中，同時短暫地將溫度保持在低于低碳鐵組分變成液態(tài)的溫度之前，將高碳鐵組分全部熔化為液態(tài)。
22.權(quán)利要求21的方法，該方法還包括將混合物冷卻至金屬固體形態(tài)的最終步驟。
全文摘要
公開了一種包含同素異構(gòu)金屬和該同素異構(gòu)金屬的金屬富勒氏體的金屬-碳基體的金屬固體，以及形成該固體的相關(guān)方法，該方法是在通過冷卻曲線的一個點時(在該點固化金屬通過由熔體中全部同素異構(gòu)金屬和碳所確定的金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)化階段)，中斷并短暫保持金屬-碳的熔態(tài)。
文檔編號C01B31/02GK1076222SQ9211528
公開日1993年9月15日 申請日期1992年12月31日 優(yōu)先權(quán)日1991年12月31日
發(fā)明者R·C·喬布 申請人:邁克羅梅特技術(shù)研限公司