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 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,б,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

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. Приближенно кокилем можно считать такую литейную форму, которая удовлетворяет условию Х₃ меньше или равно Х₁ где Х₁ — характерный размер отливки (половина толщины стенки плоской, радиус цилиндрической и сферической отливок), Х₃ — толщина покрытия (краски, облицовки) металлической части формы.

Условие Х₃ меньше или равно Х₁ 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)”.

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; свидетельством 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.

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.

Возрастающая популярность процесса литья в кокиль обусловлена его несомненными достоинствами и рядом четко выраженных преимуществ перед традиционными способами изготовления отливок. Главные из них относятся к эффективности процесса литья и к качеству отливок. Повышение эффективности литейного производства связано с такими достоинствами литья в кокиль, как многократность использования литейных форм, рост производительности труда и снижение себестоимости отливок, улучшение качества отливок благодаря повышению точности и ускоренному охлаждению металла. Само 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

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.

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.