本发明涉及一种铸铁材料。本发明还涉及铸铁材料的应用。本发明涉及一种铸铁材料。该铸铁材料具有很高的温度不变性，并且尤其适用于温控工艺，例如用于连续或离散运行的压力机、研磨装置、配件和/或类似装置的衬里。术语“铸铁材料”可以指已铸造的或可铸造的黑色金属材料；因此，“铸”可以理解为指最初成形方法“铸造”。
背景技术：
1、de 10 2011 051 446 a1中说明了一种铸铁材料，这种铸铁材料具有很高的耐温性，通常适用于连续或离散运行的压力机的衬里，其中所公开的铸铁材料通过高硅含量防止碳化物的形成，因此无需进行衰变退火(zerfallsglühung)。在此添加铌来替代部分钼。
2、然而，这种在设计上具有普遍优势，并在实践中可用于多种应用情形的铸铁材料的缺点是，随着温度的升高，这种铸铁材料的长度会发生变化。这意味着在设计时就必须考虑冷却到室温时产生的收缩量，这是不方便的，或者在某些情况下对工艺技术来说甚至实际上是不可能的，因为收缩量不仅取决于部件几何形状和材料特性，还可能因组成的细微偏差和/或冷却过程中的环境影响，如环境中的气候条件而变化。
3、这在设计大型铸件时尤为有问题，因为不同的壁厚很难避免，而且也会因壁厚不同而出现局部不同的冷却速度。在大型铸件中也会出现相应较大的有效杠杆长度。例如，对于长度超过3m、5m甚至10m的大型铸件来说，几十分之一度的变形显然比普通铸件更具干扰性，具体取决于理解和不同的文献数据，这种变形范围从几厘米到最大约1.0m、1.5m或2m不等。
4、因此，大的铸件很容易导致模具变形，以及铸件、型件或压制件损坏，并且增加废品率或后处理工作量，甚至由于出现的残余应力产生的裂纹而无法进行单件铸造。
5、铸造工件的最大长度越长，这个问题就越大。
6、此外，这些问题在温控工艺的每个工艺周期中都会再次出现，并不局限于生产工艺本身。
7、如果大型铸件是挤压机部件，尤其是挤压工具，并且挤压机或挤压工具必须能够用于制造具有碳纤维或玻璃纤维成分的复合材料，则会产生进一步的问题。
8、因为具有碳纤维成分的复合材料，尤其是具有嵌入式碳纤维网格的热塑性塑料，例如cfk，本身具有极低的长度或体积膨胀性，其中在某些情况下，在纤维层的方向或与其成一定角度的，尤其是与其成正交的方向上存在很大差异，这以明显减弱形式也适用于玻璃纤维塑料gfk。
9、反过来，这种复合材料，尤其是在其热制造或加工过程中，相应地也很难承受强制膨胀。尤其是，如果所谓的“预浸料”或“有机板材”要在温控加工过程中进行加工，压制工具或压制底模的长度膨胀很容易成为加工可能性的决定性限制。因此，许多cfk部件目前仍然采用所谓的rtm方法浇铸，而不是由预浸料压制而成，尽管这样做往往会带来很大的不利因素，例如在可实现的均匀性和质量方面。例如，如果只有一个压制工具或底模部件的长度或体积发生变化，这种变化不同于预浸料或有机板材的长度或体积变化，或者一般而言不同于要生产或加工的工件的长度或体积变化，则至少载体层部分至少在区域上、内部或直至表面强制发生延伸位移，结果往往是至少一些结构部分也发生断裂，因此无法再保持计划的结构强度。
技术实现思路
1、本发明的目的是开发一种用于制造模具、压制工具或压力机和/或制造其衬里的铸铁材料，其长度和/或体积膨胀率尽可能小。这尤其适用于-60℃至440℃的温度范围，尤其是0℃至420℃的温度范围。
2、本发明的另一个目的是，在用该合金制造或以其作为衬里的工具模具中生产的工件可以很容易地拆卸下来，尤其是在拆卸要生产的工件之前，可以最大限度地减少、尤其是防止冷却过程中的相互收缩。
3、该目的通过一种铸铁材料实现，该铸铁材料中作为元素或化合物以重量百分比至少含有如下成分含量：
4、含量范围约为1.0％至4.0％的碳，
5、含量范围约为1.0％至5.0％的硅，
6、含量范围约为0.1％至1.5％的锰，
7、含量范围约为36.5％至48.0％的镍，
8、含量范围约为0.01％至0.25％的铬，
9、含量最高约为0.15％的镁，
10、含量最高约为0.5％的铜，
11、含量最高约为约为0.08％的磷，
12、其余为铁和不可避免的杂质。
13、这样做的优点在于，铸铁材料从奥氏体晶格冷却下来，在-60℃至440℃的温度范围内，尤其是在0℃至420℃的温度范围内，体积和长度变化极小(正方向：体积或长度膨胀)。
14、此外，这种铸铁材料的体积变化行为至少在所述温度范围内与cfk材料的体积变化行为基本一致，这也是有利的。此外，由于石墨形式的碳析出，铸铁材料的导热性能明显优于铸钢材料，从而使部件在热加工过程中具有更有利的行为。
15、特别有利的是，这种铸铁材料的体积变化行为可以与gfk材料，尤其是cfk材料非常相似。令人惊讶的是，这不仅适用于涉及需要克服的、例如工艺规定的温差的绝对值，而且与在为类似目的制造的其他应用领域的合金中完全不同，还适用于长度和/或体积变化的整个过程。只有这样才能实现最小化或防止所形成的工件结构内微观或宏观位移的目标。
16、此外，与铸钢材料合金相比，作为铸铁材料的合金具有显著优势：由于在凝固过程中溶解的碳从熔体中析出，最终与铸铁形成一种复合材料。通过这种与材料的体积变化有关的析出过程，与铸钢相比，对铸铁的收缩性能产生了有利影响。这就导致了较低的收缩行为，最终也导致了较低的缩孔形成，并使得出现本身明确更加符合定义的行为--尤其是在温度影响下的长度或体积变化行为。此外，在工艺技术方面，由其生产的部件更容易以坚固的质量制造，最终也具有经济优势。同时，通常不需要进一步的热处理，这与铸钢相反，铸钢通常需要在最初的凝固过程后进行热处理。
17、除了所列元素外，铸铁材料中还可含有约0.0％至5.0％的杂质，优选0.0％至1.0％，更优选0.0％至0.5％。“所列”元素指的是权利要求中提到的目的性使用的合金成分，因此不能将其视为“杂质”。当废料被回收时，会加入其他材料，其导致更多元素的出现，如钠、钾、锶和周期表中的其他元素。因此会产生杂质，其中主要特性基本保留。因此，这些杂质也被称为“不可避免”或“无法避免”的杂质。
18、在另一个实施方案中，上述铸铁材料的碳比例范围约为1.0％至4.0％，优选约为1.0％至2.5％，特别优选约为1.3％至2.0％。
19、这样做的好处是，一方面，反应性物质不会很快与碳发生反应，从而使铸件更容易从上述铸铁材料制成的压制工具上分离。如果铸铁材料用于制造压制工具和/或压制阴模，这一点尤其有利，因为例如cfk或gfk的树脂就属于上述意义上的反应性物质。此外，上述范围内的碳比例会改变电负性，这有助于改善使用本合金生产的部件，尤其是压制工具或压制阴模的腐蚀行为，从而显著提高其在运行中的经济实用性。
20、替代性地，碳的比例可以在约2.0％至4.0％之间，优选约2.06％至4.0％，特别优选约2.2％至4.0％。例如，较高的碳比例会带来特别好的可铸造性。
21、在另一个实施方案中，上述铸铁材料的镍比例范围约为36.5％至48.0％，优选约为37.0％至45％，特别优选约为37.5％至43.0％，还要更加优选约为40.1％至43.0％。
22、这样做的好处是，即使在缓慢凝固过程中，铸铁材料也能保持奥氏体晶格，而不会转化成立方体中心晶格。此外，铸铁材料还具有顺磁性。晶格磁性地在体积上进行了预拉伸(vorgestreckt)。随着温度的升高，磁性减弱，内部长度变化增加。然而，由于晶格是预拉伸的，这两种效应在外部长度变化方面相互抵消，因此不会产生对外的长度变化。这意味着在居里温度以下，铸铁材料只会发生极小的长度变化。
23、因此，将本铸铁材料的晶体结构匹配于经历定义的温度范围的定义工艺，使得在所期望的温度范围内的磁约束对长度和/或体积膨胀具有最佳效果。
24、由铸铁材料制成的铸件，例如压力机的上工具和下工具，在0至420℃的温度范围内不会严重改变长度膨胀。对于cfk或gfk部件的制造，这可以使树脂固化至400℃以下，然后冷却，而不会出现由于压制工具的尺寸稳定性引起的压制件的干扰性扭曲。
25、在另一个实施方案中，上述铸铁材料中的镁比例约为0.020％至0.150％，优选约为0.040％至0.100％，特别优选约为0.065％至0.090％。
26、这样做的好处是，硫被结合，并且存在用于形成球状石墨的晶核。
27、在另一个实施方案中，上述铸铁材料的硅比例范围约为1.0％至5.0％，优选约为1.1％至5.0％，特别优选约为1.15％至5.0％，还要更加优选约为1.3％至5.0％。
28、这样做的好处是可以获得有利的组织结构。此外，作为副效应还能获得良好的强度和韧性以及足够的抗氧化性。
29、在另一个实施方案中，上述铸铁材料中铌的比例可低于0.33％，尤其是低于0.22％，特别尤其是低于0.11％。
30、尽管现有技术表明，铌可以使经历温控工艺的部件具有良好的耐温性，因此，如果压制工具用于温控压制工艺，例如生产和/或加工cfk部件，铌还可以对压制工具的生产、其衬里的制造和/或压制阴模的制造产生根本性的积极影响。然而，令人惊讶地发现，铌会干扰上述现象的比较权重，而且即使少量的铌也会对此处合金的温度膨胀行为产生负面影响，而不是像假设的那样，将预期的(长度或体积膨胀)曲线转移到更高的温度范围。
31、在一个实施方案中，上述铸铁材料的应用为，由该铸铁材料产生的铸件用于制造成形工具或压制工具和/或制造其衬里。
32、在另一个实施方案中，上述铸铁材料在压力机中用于作为上压制工具和下压制工具的材料，其中挤压工具以连续或离散的方式运行。
33、上述制造和/或实施方案中的铸铁材料优选用于压制工具的衬里，使铸铁材料与工件直接接触。在制造过程中，特别有利的是，相应的部件，例如压制工具、衬里和/或阴模，以这种方式可以用铸铁材料整体制造。
34、根据本发明的铸铁材料特别优选适用于制造厚壁、较大的铸件，这些铸件可用作制造玻璃纤维塑料(gfk)或碳纤维塑料(cfk)产品的模具。如果铸造工件的至少一个长度超过3000mm，尤其是至少5000mm，特别尤其是至少8000mm，或者甚至至少11500mm和/或铸件重量至少0.5t，尤其是至少0.75t，特别尤其是至少1.25t或者甚至至少2t，大于5t或者大于8t，则在本发明中称为较大的铸件。因此，在本发明的范围内，可以生产出最大壁厚超过100mm，优选超过200mm，特别优选超过300mm的大型铸件，其中铸件可以吸收很高的力。
35、令人惊奇的是，根据本发明的铸铁材料甚至可以使由铸铁材料整体制造的铸件的最大壁厚比超过1.41，在镍比例至少为37.5％的情况下甚至超过1.51，并且尤其令人惊奇的是，在镍比例超过39.25％的情况下甚至超过1.65，而不会实质上失去可匹配的、在上述范围内移动的体积变化行为的优点。这就更加令人惊讶了，因为迄今为止，人们一直认为镍含量超过36.0％的铸铁材料的制造不再具有任何进一步的优势，相反，不仅会造成不必要的昂贵，而且还会带来相当大的劣势。因此，在现有技术中，人们一直认为镍含量超过36.0％会从根本上阻碍铸铁材料组织结构的形成。
36、通过实现压制工具(或其衬里和/或其阴模)的这些特性，在这些尤其在一体式压制工具中用树脂和玻璃纤维毡或碳纤维毡制造的产品，基本上不会出现纤维断裂，而纤维断裂是由于铸件或模具翘曲造成的。模具翘曲可在次品上识别出，因为产品中会出现树脂变形，直至裂纹。这些变形会导致位于多个彼此叠置的玻璃纤维毡或碳纤维毡中的玻璃纤维或碳纤维断裂。因此，产品的壁厚和树脂的分布也会不同。此外，通过玻璃纤维毡或碳纤维毡的布置可以形成结构，该结构在最终布置中形成封闭或被覆盖的中空空间，其使得结构稳定，允许振动，并在与其他部件的相互作用中缓冲振动。因此，至关重要的是纤维不断裂，从而能够吸收外力。在成形过程或压制过程中，压制工具或成形工具相对于嵌入有gfk或cfk的树脂的尺寸稳定性可确保在0至420℃的温度范围内的配合。
37、模具或压制工具不会变形。由于壁厚较高，树脂的固化时间稍长。然而，为了达到有效性，固化时间不应过长，温度的升高会对其产生积极影响。不过，这也意味着压制工具或成形工具的长度膨胀与玻璃纤维塑料或碳纤维塑料的长度膨胀完全一致或非常相似。
38、此外进一步有利的是，在使用cfk材料制成的薄片热塑性预浸料覆盖开放式压制工具的过程中，也能防止出现位移。因为为了由cfk材料生产大型部件，必须将许多这样的薄片(例如0.04mm至0.72mm)预浸料叠放在一起，在压力机关闭之前或关闭过程中，即使是最轻微的位移也足以导致压力机关闭状态下的压力分布产生强烈的不均匀性，从而使要生产的产品无法正常生产。
39、为了生产根据本发明的铸铁材料，需要在合适的熔炉中熔化废钢、粗铁、镍等材料。在熔体中加入铁硅孕育剂，以刺激核产生。必要时也可在浇铸池中加入。然后，浇铸温度应与待生产工件的壁厚相匹配，应在约1330℃至约1480℃的范围内，待生产工件的壁越薄，温度越高。
40、然后将熔体浇注到准备好的铸模中，其中铸模的中空部分代表所产生的成形工具或压制工具，例如上工具、下工具、辊子、压力机衬里。冷却后，将铸件取出并进一步加工或准备使用。
41、通常情况下，铸件必须再次加热至约550℃至约650℃，然后缓慢冷却以减少内应力。然后，铸件可以完成加工并作为衬里安装到成形工具或压制工具中，进而用于热塑性半成品，如有机板材或类似材料的成型工艺。令人惊奇的是，在根据本发明的铸铁材料合金中，尤其是在应用于制造大型铸件、生产精密部件几何形状的情况下，不需要如上所述的热处理，这在现有技术中是惯常的。
42、光学发射光谱法和x射线荧光法可用于确定铸铁材料的成分。为了确定球状石墨的形成，需要制备金相磨片，即提取材材料样品、切割并在显微镜下，例如用光学显微镜或扫描电子显微镜生成图像。球状石墨在图像中呈圆形，片状石墨在图像中呈细长形。
43、扫描电子显微镜可以具有用于测量x射线荧光的附件，这样至少可以通过磨片整体确定材料样品在x射线穿透区域的基本组成。这样就可以确定重量百分比，并与所要求保护的重量百分比进行比较。
44、球状石墨结构的有利形成也可以通过声速测量进行非破坏性的限定或验证，例如与具有上述缺点的铸钢结构进行比较。
45、由铸铁材料制成的铸件可用于制造成形工具或压制工具和/或制造其衬里，具有极大的优势。
46、此外，铸铁材料还可以大的优势用作上压制工具和下压制工具的材料，其中压制工具可连续或离散运行。
47、使用本铸铁材料可以特别经济地制造压制工具，尤其是用于具有较大工作面的压力机，其中围成工作面的至少一个长度至少为2m、3m、5m或甚至超过8m，由于其良好的缓冲性能和极低的热膨胀性能，本铸铁材料非常适合于制造压制工具。
48、此外，如果将铸铁材料用于制造压制工具或压制模具和/或制造其衬里，其中确切的化学组成与待压制材料，尤其是待压制复合材料各自的膨胀特性以及为此提供的加工温度相匹配，则具有特别的优势。
49、最后，在用于制造压制工具或压制模具和/或制造其衬里的方法中，在至少有一部分存在于熔体中的碳被析出以形成铸铁材料的铸造过程中，如果使用一种材料组合物来获得根据权利要求1至11中任一项所述的铸铁材料，则具有极大的优势，因为这种铸铁材料具有特别好的缓冲行为和极低的热膨胀行为。
50、关于上述发明主题，请参考同日提交的专利申请“冲压系统和冲压系统的冲压工具，以及制造工件的方法”，其公开内容也完整地是本专利申请的内容的组成部分。