ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИТЬЕ В КОКИЛЬ

1. ПРИЗНАКИ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА

По способу заполнения форм металлом и условиям формирова­ния в них отливок между литьем в кокиль и другими способами литья в металлические формы (центробежным, под давлением, намораживанием, выжиманием и др.) существует большее разли­чие, чем между литьем в кокиль и литьем в обычную песчаную форму. Сходство последних процессов бывает настолько большим, что часто практически трудно найти грань между ними: в кокилях сплошь и рядом применяют песчаные стержни или вставки, а в пес­чаных формах нередко устанавливают металлические холодиль­ники.

Согласно ГОСТ 17819—72 кокиль — это металлическая форма, которая заполняется жидким металлом под действием гравита­ционных сил. Рис. 1 дает некоторое представление о том, какие промежуточные варианты форм могут встречаться между песчаной (рис. 1, а) и полностью металлической (рис. 1, е) формами: некото­рые из «промежуточных» форм затруднительно определенно отнести к песчаным формам или к кокилям.

По конструктивно-технологическому признаку принято счи­тать [25, 107] кокилями литейные формы, металлические части которых составляют их основу и участвуют в формировании кон­фигурации и свойств отливки. На основании этого представленные на рис. 1, г, д формы следует называть кокилями, а на рис. 1,6, в — песчаными формами с наружными холодильниками. Иные названия «промежуточных» форм не рекомендуются. Следует указать, что именно сочетание в кокиле металлических и песчаных (или керамических) элементов позволяет в ряде случаев успешно применить литье в кокиль для получения деталей сложной кон­струкции. При этом лучше всего удается избежать препятствия усадке отливок и повысить стойкость форм.

С целью регулирования скорости затвердевания отливок рабо­чие поверхности кокиля облицовывают (футеруют) и окрашивают теплоизоляционными красками. Покрытия наносят на кокиль также и для того, чтобы защитить форму от воздействия жидкого

Д) в)

Рис. 1. Конструктивно-технологические признаки литейных форм: а — обычная песчаная; 6, в — песчаная с холодильниками; г — кокиль с песчаными

Вставками; д — кокиль с формой-вставкой; е — кокиль без вставок; 1 — песчаная форма; 2 — стержень; 3 — холодильник; 4 — кокиль; 5 — рабочая по­лость; 6 — опока

Металла и газовой коррозии и тем самым увеличить ее долговеч­ность. Покрытия позволяют значительно уменьшать термические напряжения в кокиле [16]. Толстый слой краски (облицовки) настолько снижает тепловое нагружение кокиля и скорость затвердевания отливки, что могут создаться условия, когда к моменту затвердевания отливки или даже к моменту ее выбивки начальная температура кокиля не изменится.

При постепенном увеличении толщины покрытия форма будет всегда проходить через такое состояние, когда трудно определить, является ли она кокилем, или обычной песчаной формой. «Превра­щение» кокиля в обычную песчаную форму зависит не только от толщины краски и облицовки, но и от толщины отливки. Переход металлической части формы из кокиля в опоку может быть точно рассчитан [20, 107]. Приближенно кокилем можно считать такую литейную форму, которая удовлетворяет условию X3 < X1, где X1 — характерный размер отливки (половина толщины стенки плоской, радиус цилиндрической и сферической отливок), X3 — толщина покрытия (краски, облицовки) металлической части формы.

Условие X3 X1 представляет собой математическое выраже­ние факта влияния кокиля на термические особенности формирова­ния отливки. Ускоренное охлаждение отливки в кокиле связано со свойствами металлического материала формы. Свойствами металла в качестве материала формы объясняются и две другие особенности рассматриваемого процесса. Речь идет о формировании отливки в газонепроницаемой и неподатливой форме. Исключение состав­ляют только некоторые специальные виды кокилей, которые в большей либо меньшей мере податливы и газопроницаемы. Такие формы рассмотрены в гл. X.

ГОСТ 17819—72 не допускаются термины-синонимы «постоян­ная форма» и «металлическая форма». Оба эти термина не равно­значны понятию «кокиль». Процесс получения отливок в кокилях, естественно, должен называться «литье в кокиль». За кокилями с относительно толстой облицовкой, наносимой по модели, утвер­дилось название «облицованный кокиль». Это название использо­вано в сборнике государственных стандартов «Кокили облицован­ные (ГОСТ 19507—74—ГОСТ 19516—74)».

2. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Литье в кокиль относится к прогрессивным специальным способам литья с большим будущим. Между тем, это один из древних способов изготовления отливок, появившийся чуть ли не на заре возникновения литейного ремесла. Во всяком случае литейщики прибегли к этому способу сразу же, как только воз­никла необходимость в массовом производстве отливок с точно воспроизводи­мыми размерами последних. Древние литейщики разных районов применили первые кокили независимо друг от друга. В настоящее время трудно установить, в какой части света и когда впервые стали использовать кокили. Однако досто­верно известно, что почти за пять веков до нашей эры литье в кокиль было развито на юго-востоке и в Северном Причерноморье — в Скифии. В это время в сельском хозяйстве ряда государств Востока началось широкое применение литых чугунных мотыг, серпов, осей телег и других сельскохозяйственных ору­дий труда и деталей оборудования. Огромную потребность в отливках не могли удовлетворить старые способы литья. Взамен их и был использован вновь открытый способ литья в чугунные кокили.

Скифы, пришедшие с Востока на Причерноморье в VII в. до нашей эры, создали здесь могущественное и обширное государство, добившееся больших военных успехов на Ближнем Востоке, в Малой Азии, противостоявшее сильным государствам на Западе. Для военных целей скифам необходимо было огромное количество пустотелых наконечников стрел, причем требовалось, чтобы эти наконечники стрел были строго одинаковы по своим размерам и массе.

Литейное ремесло в Скифии было высоко развито, об искусстве литья за­мечательных скифских котлов с восторгом писал Геродот; свительством тому служат также многие дошедшие до нашего времени литые изделия. Однако для массового изготовления наконечников стрел существовавшие ранее способы ли­тья, в том числе и литье по восковым моделям, оказались непригодными. Для решения проблемы литейщикам пришлось искать новые пути. Так скифами было впервые изобретено литье в кокиль. Правда, как указывает Б. А. Шрамко, одна из находок археологов — четырехместный кокиль дает основание предполагать, что в Причерноморье литье было известно и в доскифский период. Но других, более достоверных данных, подтверждающих такое предположение, пока не имеется.

Что касается археологических находок скифского периода, то они, как и находки периода Борющихся царств (403—221 гг. до н. э.), свидетельствуют об умелом использовании кокилей древними литейщиками.

Трудно сказать, почему эти древние способы литья в кокиль не получили широкого распространения и почему литейщики последующих столетий и эпох их не заимствовали. Во всяком случае не из-за несовершенства этих процессов. На рис. 2 и 3 приведены эскизы кокилей, свидетельствующие о том, что более 20 веков тому назад литейщики владели сложными способами литья в кокиль, используя даже металлические стержни. Интересно отметить, что после этого способ литья в кокиль не использовался литейщиками более 10 столетий, хотя не исключена возможность его неоднократного появления и исчезновения.

А) 6) В)

Рис. 3. Кокиль периода Борющихся царств (403—221 гг. до и. 9.) для литья чугунных мотыг:

1,2 — половинки кокиля; 3 — металлический стержень

•4

Рис. 2, Кокили Скифии для литья иакоиечииков стрел: а — часть кокиля; б — ме­таллический стержень; в — кокиль в сборе

«Пробелы» в истории литья в кокиль объясняются не утерей древних сек­ретов, а тем, что в разные периоды отсутствовали благоприятные условия эф­фективного использования кокилей. Такие условия появились в России в XVI в., когда потребовалось массовое изготовление чугунных пушечных ядер с доста­точным воспроизводством размеров и масс. Существовавшие в то время способы сравнительно развитого литейного производства в России не были пригодны для литья таких ядер, хотя с их помощью решались более сложные проблемы — из­готовление колоколов, пушек и других сложных и ответственных отливок. Воз­рожденный же способ литья в кокиль позволил решить проблему чугунных ядер. А когда отпала необходимость в чугунных ядрах, процесс литья в кокиль вновь «забыли» на несколько веков. Возрождается этот способ лишь в конце прошлого столетия, и уже для литья стальных заготовок: в 90 годах XIX в. на вагоно­строительном заводе в г. Риге было освоено литье в кокиль стальных дисков массой 200—300 кг. По тому времени литье стальных дисков было смелым инже­нерным решением, давшим значительный эффект. Простые кокили успешно были применены для литья чугунных вагонных колес с отбеленными ребордами.

В дальнейшем кокили нашли еще более широкое применение для литья самой разнообразной продукции: вагонных колес, буферов электровозов, тяже­лых корпусов редукторов, различной аппаратуры, хозяйственных изделий, тонкостенной посуды и т. д. Впервые было освоено массовое литье в кокиль чугунных изделий толщиной менее 3 мм.

Советскими учеными была разработана строго научная теория литья в ко­киль. Большой вклад в теорию и практику кокильного литья внес основополож­ник советской научной школы специальных способов литья проф. Н. Н. Руб­цов. Многие труды советских ученых переведены почти на все основные языки мира. Советский опыт заимствовали многие технически развитые страны. Литье в кокиль особенно успешно развивается в странах социалистического содруже­ства: ГДР, ЧССР, ПНР и др.

В настоящее время многие цехи и заводы полностью заменили песчаные формы на кокили, получив при этом большой экономический эффект и значи­тельно улучшив качество отливок. Положительный опыт накоплен на заводах «Водоприбор» (Москва), им. П. Монтина (г. Баку), им. Малышева (г. Харьков), «Красный Октябрь» (г. Харьков), сельскохозяйственного машиностроения им. Октябрьской революции (г. Одесса), «Вольта» (г. Таллин), моторном (г. Барнаул) и др.

Значительные работы по изысканию новых конструкций кокилей, их ма­териала, способов изготовления и эксплуатации выполнены в физико-техни­ческом институте АН БССР, научно-исследовательском институте специальных способов литья (НИИСЛ), МВТУ им. Баумана, Харьковском автомобильно- дорожном институте и в других научных организациях, а также на заводах.

3. достоинства литья в кокиль и области его применения

Возрастающая популярность процесса литья в кокиль обуслов­лена его несомненными достоинствами и рядом четко выраженных преимуществ перед традиционными способами изготовления отли­вок [19—21, 25, 52, 53, 106, 107]. Главные из них относятся к эф­фективности процесса литья и к качеству отливок. Повышение эффективности литейного производства связано с такимиУдостоин – ствами литья в кокиль, как многократность использования литей­ных форм, рост производительности труда и снижение себестоимо­сти отливок, улучшение качества отливок благодаря повышению точности и ускоренному охлаждению металлауСамо собой разу­меется, что снижение брака отливок, повышение их точности, сни­жение припусков на обработку и т. п. обеспечивает повышение эффективности процесса литья.

Снижение расхода формовочных материалов. С заменой всей или части песчаной формы кокилем сокращается расход формовоч­ных материалов. Польза при этом не только в том, что снижаются затраты на доставку и подготовку формовочных материалов, а ра­зовые формы заменяются многократно используемыми, но и в том, что значительно улучшаются условия труда литейщиков, меньше загрязняется окружающая среда.

Уменьшение источников брака. Известно, что литейная форма находится в сложных условиях взаимодействия с отливкой. До­стоинство кокиля заключается в том, что характер этого взаимодей­ствия более стабилен, чем в песчаной форме. В результате число трудно управляемых факторов, обусловливающих брак отливок, уменьшается.

Качество отливок и свойства сплавов. Затвердевание отливки в кокилях обеспечивает более высокую плотность металла, а также более высокие механические свойства по сравнению со сплавами, полученными в песчаных формах. Исключением является чугун: в силу особых условий кристаллизации в чугуне кокильных отли­вок часто образуются карбиды и феррито-графитная эвтектика, отрицательно сказывающиеся на свойствах изделий. Так, износо­стойкость, вязкость и другие свойства чугуна кокильных отливок нередко ниже, чем в отливках, полученных в песчаных формах. Правда в настоящее время существуют надежные меры повышения таких свойств. Как правило, отливки, полученные в кокилях, имеют хорошие точность и чистоту поверхности, малые припуски на обработку, что значительно облегчает их дальнейшую обра­ботку.

Повышение производительности. Известно, что при произ­водстве отливок на изготовление песчаных форм, на приготовление формовочных материалов и на очистку отливок приходится до 80—90% всех трудовых затрат. При литье же в кокили многие из трудоемких операций либо совсем отпадают, либо объем их резко сокращается (например, на сборке форм и очистке отливок). Поэтому переход на литье в кокили часто позволяет повысить производительность труда в литейном цехе в 2—3 раза и больше. При этом ощутимое повышение труда достигается и в механических цехах.

Механизация и автоматизация. Кокили отличаются от обыч­ных песчаных форм большой жесткостью и высокой прочностью, достаточно высокой точностью и стабильностью размеров элемен­тов, а также точностью и надежностью сопряжения последних. Для управления качеством отливок при литье в кокиль прихо­дится учитывать меньшее число факторов, чем при литье в песча­ную форму. Такие, например, факторы, как влажность, огнеупор­ность и газотворность формы, в первом случае оказываются несу­щественными. Все это создает благоприятные условия для механи­зации и автоматизации процесса. И только механизированные и автоматизированные процессы литья в кокиль в состоянии конку­рировать с современными процессами литья в песчаные формы.

Уменьшение капитальных затрат. Для изготовления одних и тех же отливок в кокилях требуется значительно меньше произ­водственных площадей, чем при литье в песчаные формы. Это не только потому, что некоторые участки упраздняются или сокра­щаются (например, смесеприготовительные и обрубные), но благо­даря сокращению времени на сборку форм, затвердевание отливок и т. д. По опыту ряда заводов с переходом на кокильное литье съем с 1 м2 производственной площади увеличивается в 2—4 раза.

Следовательно, для создания литейных цехов и участков литья в кокиль требуется меньше капитальных затрат.

Ускорение подготовки кадров. Так как при литье в кокиль упрощаются многие технологические операции, а также заметно уменьшаются трудно устранимые источники брака, то значительно упрощается и задача подготовки кадров литейщиков. Если на подготовку квалифицированного формовщика иногда требуются годы, то квалифицированным кокильщиком становятся за не­сколько недель или, в крайнем случае, за два-три месяца.

Снижение себестоимости отливок. Многократность использо­вания кокилей, уменьшение затрат на изготовление форм значи­тельно удешевляют отливку. Этому же способствует снижение брака и улучшение качества отливок, а также уменьшение капи­тальных затрат, расхода металла и т. п. Все это в конечном итоге приводит к снижению себестоимости отливок. Во всех цехах страны, где внедрено литье в кокиль, себестоимость отливок на 20—30% ниже, чем в цехах с традиционными способами изготовле­ния отливок.

Изложенное характеризует технико-экономические преимущества литья в кокиль. Более подробные сведения по этому вопросу можно найти в гл. VII и в третьем и четвертом разделах. В гл. VII приведены наиболее общие критерии качества и эффективности и дается сравнение литья в кокиль с другими видами литья. В третьем и четвертом разделах указаны конкретные показатели каче­ства отливок из различных сплавов и экономической эффективности рассматри­ваемого способа литья.

Литье в кокиль успешно применяется в производстве отливок из серого и высокопрочного чугунов, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. В отдельных случаях в кокилях получают детали из стали и ковкого чугуна. Трудно найти такую отрасль машино­строения, где бы не занимались литьем в кокиль либо не исполь­зовали отливки, полученные таким способом.

В кокилях получают детали различных габаритных размеров, массы.

Весьма разнообразны конструктивные особенности отливок, получаемых в кокилях: от простых типа опорных плит, колосни­ков, болванок и втулок до сложных типа картеров двигателей, головок блоков цилиндров, ребристых корпусов электродвига­телей и стоек плугов. Литьем в кокиль получают детали с особыми свойствами: повышенной герметичности, износостойкости (напри­мер, чугунные с поверхностным и местным отбелом), окалино – стойкости и др. Важно подчеркнуть, что в кокилях производят детали различного, в том числе весьма ответственного назначения.