Литье колоколов. Особенности технологии

Литье колоколов. Особенности  технологии.

Построение профиля колокола.

Работа мастера над будущим  колоколом начинается с расчетов и построения чертежа его профиля. От решения этой первоначальной задачи будут зависеть голос, прочность  и внешний вид колокола. Обычно заказчик определяет массу нужного  ему колокола, но иногда задается и  его основной тон. То и другое зависит  от определенного соотношения размеров всех частей формы колокола. Главные  параметры — это нижний диаметр, высота и толщина стенки, причем стенки колокола постепенно утоньшаются соответственно диаметру, идя снизу вверх.

Вариантов построения формы колокола множество, есть т. н. «немецкий» профиль, «французский», «английский», «русский», — но принцип всегда один: все  части формы рассчитываются по единому  модулю и должны быть ему кратны. Величина модуля задается толщиной стенки в месте удара, т. е. в наиболее утолщенной части, которую русские  мастера назвали «бой». Рассчитывается бой в зависимости от массы  и тона будущего колокола по специальным  таблицам. Далее по осевой линии  стенки колокола строятся линии внутреннего  и наружного профиля. Вся система  пропорций основана на свойствах  логарифмической спирали. От соотношения толщины боя к диаметру колокола зависит и его прочность. В старинных колоколах (до XV в.) это соотношение было равно 1:12 и 1:13; у русских колоколов XIX в. — 1:15. Чем тоньше стенки колокол а, тем ниже его основной тон и пластичнее звук.

Итак, прочность и красоту звучания колокола определяет соотношение трех основных параметров: диаметра, высоты и толщины стенок. При этом существующий, выверенный многовековой практикой  метод не дает точно рассчитанного  способа определения верхнего диаметра колокола. В итоге каждый мастер имеет свой собственный, хранимый в  тайне профиль колокола, хотя все  мы пользуемся единым принципом его  построения. Мой «секретный метод» могу раскрыть отчасти: из всех старых колоколов, которые привелось мне  увидеть и услышать, больше других мне нравятся русские колокола XVII в. Их я внимательно изучал, обмерял  и по их подобию строю профиль  своих колоколов.

Когда чертеж будущего колокола готов, по нему изготавливаются два лекала: для внутреннего профиля колокола и для наружного. Далее начинается создание объемной формы колокола из кирпича и глины.

Формовка колоколов.

Колокола формуются обыкновенно по способу вольной глиняной мазки, при помощи шаблонов, и только небольшие колокольчики формуются в опоках. Мазку производят или в литейном чану, или же внутри сушильной камеры, если таковая имеется надлежащих размеров.  
     На отечественных колокольных заводах формовка колоколов производится так: сначала приготовляют сердечник. На него наносится временная рубашка, и уже по этой последней выделывается кожух.  
     Сушка формы производится на месте сжигания горючего материала, внутри пустой формы сердечника.  
     Формовку начинают тем, что в центре литейного чана устанавливают временную стойку, которая своим нижним концом может вращаться в гнезде, закопанной в землю доски, а в верхнем - в бруске, уложенном на верхние края чана. На стойку наколачивают временный шаблон и по круговой линии, описываемой им, выкладывают цоколь из кирпича с замком и затем приблизительную форму сердечника, до половины его высоты.  
  Для кладки цоколя употребляются обыкновенные кирпичи и в стенках его делают каналы, для притока воздуха, необходимого для сжигания горючего материала. Самый сердечник выкладывается из сырцовых кирпичей, формованных из тощей формовочной глины и высушенных на воздухе или слегка прожаренных в сушилке. Когда кладка дойдет до половины высоты сердечника, стойку с шаблоном снимают.  
     В кладку сердечника заделывают железный крест с коническим гнездом посередине и в это гнездо вставляют нижнюю пятку железного шпинделя. Верхний конец последнего помещают в скобу, приделанную к лежащему на чане брусу; передвигая последний, устанавливают шпиндель в отвесное положение, после чего брус закрепляют. Затем на шпинделе надевают шаблонную доску с начерченным на ней контуром стенок колокола и несколькими параллельными контурами, которые постепенно урезываются.  
    Сначала урезывают шаблон по первому контуру сердечника, выкладывают тело его и наносят на него слой тощей шишечной глины, сначала обыкновенной, а затем смешанной с мелкоистолченным и просеянным кирпичем и формовочным песком.  
     Изготовив окончательно контур сердечника, обмазывают его с помощью кисти пеплом, разболтанным в мыльной воде для образования изолирующего слоя.   На шаблоне имеется выступ, которым вырезается в верхней части сердечника коническое гнездо, для помещения короны колокола.   После сердечника приступают к мазке рубашки, постепенно урезывая шаблон до второго контура. На сердечник наносят слой пластической жирной глины, а для того, чтобы не получились трещины при сушке, в массу закладывают волокна льна.  
  После окончательного выглаживания наружного слоя рубашки по второму контуру, дают ей просохнуть; огонь внутри формы тушат и дают ей охладиться. Затем наносят на глиняную поверхность кистью слой жидкой смеси из сала, мыла и воска, проглаживают и дают просохнуть на воздухе. Когда все это сделано, накладывают на поверхность рубашки, в соответствующих местах, рельефные украшения - пояски, надписи, изображения святых и т.п. Эти части формируются отдельно из воска в гипсовых формах и, слегка подогретые, прилепляются к составу, покрывающему рубашку.

Укрепив украшения, приступают к мазке  кожуха, урезывая шаблон по третьему контуру. Обливают поверхность формы жидким составом из тонкого, просеянного сквозь сито, порошка формовочной глины, смешанного с конским калом, также  пропущенном и просеянном, коровьей шерстью и рубленым льном. Эту операцию повторяют несколько раз, пока получится слой толщиной в 5-7 мм, причем жидкая масса проникает во все углубления рельефных украшений колокола и плотно, отчетливо их заполняет.

После просушки нескольких таких слоев, снова разводят огонь внутри формы  и начинают смазку наружных слоев  кожуха их жирной глины. По мере разогревания формы, восковые украшения, нанесенные на рубашку, плавятся, частью стекают, частью всасываются глиной, оставляя на их месте пустоты, которые при  отливке заполняются металлом.  
  Для того, чтобы предохранить кожух от растрескивания во время сушки, в его массу вмазывают льняные волокна или телячью шерсть, а для сообщения кожуху устойчивости в глину заделывают железные ребра и обручи, к которым ребра привязывают проволокой. Этот железный каркас заменяет опоку. На поверхность законченного кожуха накладывают такие же, но более толстые ребра, верхние концы которых выгнуты в виде крючьев для подцепки подъемным краном; нижние же их концы загнуты под нижнюю крышку кожуха. Кроме того, поверх ребер загоняются железные обручи и стягиваются болтами.

После этого кожух снимают, устанавливают  его на козлах и тщательно осматривают  его поверхность, исправляют рельефные  украшения, затирают трещинки, покрывают  чернилами и просушивают, сжигая солому. Одновременно острым ножом  разрезают рубашку и удаляют  ее по частям с сердечника. После  удаления рубашки, осматривают сердечник, заглаживают неровности и трещины  и приступают к окончанию верхней  части сердечника. Для этого необходимо, прежде всего, удалить шпиндель (шаблонодержатель) и положив в центральную пустоту горючий материал, зажигают его. Одновременно на края сердечника накладывают железную решетку или чугунную плиту, на которой из кирпича выкладывают форму свода колокола и заканчивают ее пористой тощей глиной. Через оставленное в голове сердечника отверстие засыпают внутреннюю его пустоту сухим песком для удаления воздуха, и затем отверстие заделывается. На законченный сердечник наставляют исправленный и отделанный кожух, причем, благодаря замку, смыкание их произойдет правильно.  
Модель короны колокола отливается из смеси воска и сала в гипсовую разборную форму. Саму модель обмазывают пластической массой, а затем наносят на ее жирную пластическую глину несколько слоев. В глину заделывают железные ребра и, кроме того, два железных прута, выпускаемые концами наружу для удобства поднятия и переноски формы. Литники и выпары устраиваются на самой модели, приливая их к ней из легкоплавкого сплава.  
     Более крупные короны формуют по частям и затем соединяют в одно целое. Собрав кожух на сердечнике и вставив в гнездо форму короны, замазывают швы глиной, связывают проволокой и производят заливку, пока форма не потеряла жара, сообщенного ей огнем, и не успела впитать в себя сырости. Пустое пространство между стенками формы и литейного чана надо засыпать песком и гарью и утрамбовать.  
     Заливку бронзой производят без помощи ковшей, а дорожкой, проведенной от печи, для чего форму погружают в литейный чан.

Колокольная бронза.

Мало кто знает, что церковный  колокол изготавливают из смеси: бронзы, меди, олова, при очень большой  температуре плавления. Такой состав обеспечивает эхо и громкий звук готового изделия: колебания диаметра-это низкая октава и толщины-это высокая октава. Под общим названием бронзы в технике известно несколько составов меди с оловом, с преобладанием первого из этих металлов. Медь и олово могут сплавляться в весьма различных пропорциях, но для отливки изделий применяются только некоторые определенные сплавы.  
     Примесь к меди олова для образования бронзового сплава увеличивает твердость меди, делая ее звонкой и легкоплавкой, но в то же время и хрупкой. При содержании олова не превышающем 25%, бронза будет иметь желто-красный цвет и сохраняет присущую чистой металлической меди степень вязкости и тягучести. При увеличении содержания олова вязкость и тягучесть заменяются хрупкостью, причем цвет бронзы из красноватого переходит в стально-серый. Таким образом содержание олова в бронзе не должно превышать предельных 25% без риска уменьшить к худшему свойства сплава. Так сплав из 65 частей меди и 35 частей олова обладает наибольшей степенью твердости, но в то же время хрупок. Затем, с увеличением в сплаве содержания олова до 50% , сплав делается мягким, приближаясь по своим свойствам к металлическому олову.  
  Бронза на воздухе окисляется быстрее металлической меди, покрываясь зеленоватым налетом окиси. Таким налетом бывают покрыты все античные бронзовые статуи и другие предметы, отлитые из этого сплава, открываемые в земле как археологические находки.  
     Кроме основных составных частей меди и олова в бронзовых отливках всегда можно открыть присутствие других примесей, составляющих или следствие недостаточной очистки сырых материалов, употребленных для переплавки, или же введенных в сплав для сообщения ему специальных качеств и, главным образом, для его удешевления. К таким примесям относятся: железо, марганец, никель, свинец, цинк, фосфор, мышьяк, сера и сурьма.  
     Примесь к бронзе цинка придает сплаву красный, желтоватый оттенок. Цинк в небольших дозах, до 2%, подмешанный к бронзе, действует благоприятно, повышая способность бронзы отчетливо заполнять формы и уменьшая склонность к образованию раковин. При содержании цинка более нормального количества, бронза теряет свойственные ей характеристики, сообщая металлу характер латуни.

Свинец ухудшает физические свойства бронзы, а железо повышает твердость  и увеличивает температуру плавления, но зато способствует получению доброкачественных  отливок.  
     Никель увеличивает твердость и уменьшает вязкость бронзы.  
     Примеси мышьяка, сурьмы, серы и фосфора, даже в самых малых дозах, делают бронзу хрупкой, а потому не должны быть допускаемы.  
     Независимо от состава сплава, получение хороших отливок зависит также от способа обращения с металлом при плавке и разливке в формы, а также и физических изменений, которые произойдут в вылитом в форму сплаве.  
     Добротность отливок много зависит от быстроты охлаждения металла в форме. При быстром охлаждении металла отливка будет иметь мелкозернистое сложение, которое служит признаком крепости и плотности сплава. Поэтому, если для отливки будет употреблена металлическая форма, то бронза может быть более перегрета, чем при отливке в земляные сухие формы.

Металлические формы, как обладающие большей теплопроводностью, быстро охлаждают металл и не дают сплаву распадаться на отдельные части. Массивная же форма, при большом  перегреве металла, не в состоянии  предотвратить это нежелательное  явление.  
     Усадка бронзы больше чугуна и почти равна стали. Что касается мер, которые должны быть приняты против большой усадки, то они общие с теми, которые принимаются при отливке чугуна и стали.  
     Получение неплотных и нечистых отливок может произойти по причине химических реакций, происходящих в сплаве во время его переплавки и остывании. Так при переплавке меди и олова, последнее, обладая большим сродством с кислородом, выгорает быстрее меди. Вот почему при составлении сплава необходимо брать олова значительно больше против теоретического расчета.  
     Бронза в расплавленном состоянии имеет свойство поглощать значительное количество кислорода и затем снова освобождает его при остывании. При быстром остывании отливки, сплав принимает густую консистенцию, вследствие чего пузырьки кислорода не могут пробиться сквозь него и выйти из формы, причем образуется множество мельчайших раковин. Вот почему необходимо как при разливке, так и при остывании бронзы защищать ее от действия кислорода, посыпая расплавленный металл порошком угля.  
     Так как олово окисляется быстрее меди, то при составлении бронзового сплава сначала плавят медь, и когда она совсем разжижается, бросают в ванну олова, стараясь поднять возможно выше температуру ванны для поддержания сплава в весьма жидком состоянии, способствующем более тесному перемешиванию обоих металлов.  
    Быстрота ведения плавки до некоторой степени понижает возможность окисления металлов, т.е. угар их. Поэтому печи для плавки надо устраивать так, чтобы они доводили сплав до требуемой температуры в возможно кратчайший срок. Тем не менее, несмотря на все предосторожности, совершенно избежать окисления металлов при переплавке нельзя; угар бывает от 4 до 10%.  
     Колокольная бронза содержит на 80 ч. меди 20 ч. олова. Она должна удовлетворять следующим требованиям: издавать при ударе полный и чистый звук и обладать значительной крепостью и упругостью. Хороший колокольный металл отличается плотным, мелкозернистым изломом, серовато-белого цвета.

Язык колокола при литье изготавливают  из мягких сортов стали. Он должен при  звоне, бить точно в само ударное  кольцо колокола, потому что, если будет  подвешен выше, то он не озвучит всех обертонов звука, а ниже – возможен полный раскол колокола. Как видите не простая эта работа-литье колокола.

Литье колоколов.

После долгих недель работы над формой колокола, поиск наилучшего для него профиля, подбор и изготовление икон, декора и надписей. Настал великий  момент — день отливки колокола.

В подовой печи разводят огонь и  закладывают медь, которая плавится в течение 5-6 часов. Мастер все это  время постоянно следит, чтобы  пламя не ослабевало и медленно, постепенно температура приближалась к точке плавления меди (1083 °С). Далее температуру быстро поднимают  до 1200-1300 °С и вбрасывают нужное количество олова. Полученный сплав тщательно перемешивают длинными деревянными шестами, раскисляя металл. Сплав охлаждают до температуры 1080 °С и вышибают снаружи печи пробку. Жидкий металл, стремительно вырываясь из отверстия, течет по желобу и наполняет форму. До этого момента от загрузки олова в печь должно пройти не более 10 минут, иначе олово выгорит. Если температура будет меньше 1080 °С, тело колокола выйдет пористым, если больше — будет чересчур большой процент угара, а сплав в наиболее толстых участках стенки колокола выйдет неоднородным: легкое олово разделится с тяжелой медью, что окажет вредное влияние на звук.

Готовность сплава, кроме точного  определения температуры, можно  определить старинным способом: опустить в него деревянную палочку. Если бронза готова, она застывает на ней в  виде стеклообразной корки. При правильном заполнении формы металл глухо журчит (более резкие звуки говорят о  пузырях в сплаве, что ведет  к раковинам в колоколе). Колокол  стынет несколько дней, затем его  вынимают из ямы, очищают от пригоревшей  глины изнутри и снаружи, а  затем тщательно обрабатывают каждый сантиметр поверхности. Теперь колокол  можно приподнять и попробовать  звук. На моем заводе колокола ни в коем случае не обтачиваются, что часто  делается на других предприятиях для  «подправления звука».

На основе вышеописанного способа  существуют различные способы литья  колоколов: 
1. Литье в керамику, самое качественное, быстрое и дорогое . 
2. Литье в гипсовые формы, требует принудительной сушки, и качество уступает керамике. 
3. Литье в глиняные формы, самый дорогой способ.