Saturday, 20th July 2019

Производство колоколов

Posted on 14. Июн, 2012 by in Справочные материалы

Производство колоколов

До XVIII века большие колокола отливали в основном на Пушечном Дворе в Москве или непосредственно около колокольни. Первый пушечный двор называвшийся «Пушечной избой» был основан в    1479 году итальянцем Аристотелем Фиораванти у трех мостов из Фроловских ворот в Китай-Городе и сгорел в 1489 году, позже на Неглинке был построен «Пушечный Двор», который просуществовал несколько веков.

Собственную колокольную мастерскую одними из первых в 1686 году основала семья Моториных (потомки создали завод Финляндского в Москве). К середине XIX века число крупных заводов достигло примерно 50, но затем в связи с насыщением колоколами снизилось к началу XX века до   25 с производительностью около 2000 тонн в год, кроме этого существовало несколько мастерских, изготавливающих поддужные колокольчики.

Профессия колокололитейщика, часто совмещавшаяся с литьем пушек, очень ценилась и передавалась по наследству. При этом все литейщики состояли на государственной службе, имели большие льготы: освобождались от военной службы, подушного налога, наделялись землей, а также получали большое денежное жалование и вещевое довольствие.

Не каждый мог стать литейщиком, а только по рекомендации и с поручительства нескольких мастеров и пройдя 3 ступени обучения – от неквалифицированных рабочих до подмастерьев, выполнявших отдельные операции по литью, затем до помощников мастера, которые могли в случае необходимости заменить мастера.

Высшей наградой колокололитейщиков являлось «право герба», т.е. право изображать на своих колоколах государственный герб и поставлять их двору Его Императорского Величества. Это право не передавалось по наследству и наследники должны были его вновь завоевывать. Среди колокольных предприятий три Российских герба имел только завод П.Н. Финляндского, два герба – завод Оловянишниковых в Ярославле, по одному гербу – еще несколько заводов.

Процесс производства любого колокола начинается с разработки профиля.

Расчет профиля производится по модульному методу, т.е. за единицу измерения берется не метрическая единица (метр, сантиметр), а определенный отрезок, чаще всего максимальная толщина в ударном кольце. Формулу подобия колоколов в конце XVIII века вывел австрийский ученый Хладни:

F~T/D²√E/p

где: F – частота, T – толщина, D – диаметр колокола, Е – модуль упругости и P – плотность металла.

Сзв = √E/p  — скорость звука в металле, поэтому:

F~T/D² Сзв.

Звук колокола формируется при ударе языка об ударное кольцо и вызывает два вида колебаний – колебания диаметра и колебания толщины колокола.

Колебания диаметра колокола – унтертон (низкая октава), в связи с большими размерами диаметра колокола (по сравнению с толщиной стенки) колебания редкие и звучат дольше всего.

Колебания толщины колокола – высокая октава, в связи с малыми размерами толщины колебания частые и присутствуют не долго.

Основной тон колокола возникает как воздействие колебаний толщины ударного кольца на колебания диаметра колокола, при этом колебания толщины постепенно затухают, и остается только унтертон – низкое послезвучие.

Чем меньше толщина, тем меньше ее воздействие на унтернтон, таким образом колокола с тонкой стенкой при одном и том же диаметре колокола звучат ниже, но теряют в своем благозвучии.

В итоге расчетов по разработанным профилям изготавливаются 2 шаблона – внешнего и внутреннего контура.

Второй этап – изготовление форм будущего колокола – формовка.

Модель, повторяющая внешнюю поверхность колокола, и стержень, повторяющий внутреннюю, изготавливаются при помощи вращающегося шаблона, закрепленного на строго вертикальной оси. Узоры, орнаменты, иконы и уши изготавливаются из воска и прикрепляются на внешнюю модель, образуя точное повторение будущего колокола, т.н. «фальш-колокол». После этого фальш-колокол накрывается опокой (кожухом) и свободное пространство между колоколом и опокой заполняется формовочной смесью, после снятия опоки вся обнарядка переносится в зеркальном отражении, а воск выплавляется при помощи открытого огня. Перед заливкой металла происходит сборка моделей: внутри – внутренний стержень (болван), снаружи – опока, а образовавшееся пространство займет металл.

Старинные и современные способы формовки можно разделить на несколько групп:

1. Литье в керамику. Воздушная сушка. Самая качественная, быстрая и дорогая из применяемых технологий формовки, т.н. «шоу-процесс».

2. Литье в гипсовые формы. Необходима принудительная сушка в сушильном шкафу. Качество уступает керамическим формам.

3. Литье в глиняные формы. Самая долгая и грубая формовка из применяемых. Формовка происходит в несколько слоев глины (в зависимости от размера колокола

и толщины). Каждый слой укрепляется проволокой или соломой и должен просохнуть некоторое время.

Нестандартные технологии применяются реже:

4. Литье «в землю». Технология новая (не надо путать с литьем в землю в дореволюционное время, когда вместо металлических опок с ребрами жесткости керамическую форму просто зарывали в землю). Данная технология основывается на использовании многоразовых разборных ящиков с формовочной смесью из глины, песка и других. Обычно эта технология используется на крупносерийных заводах, дешевая, но дает самое низкое качество. Поверхность после заливки грубая, делать надписи и изображения на колоколе очень трудно из-за непрочности смеси. Во время заливки формовочная смесь может осыпаться, образуя различные дефекты в виде раковин (пустот), пузырьков и микротрещин.

5. Литье в графитовые или металлические разборные формы (кокиль). Такая технология из-за высокой стоимости самих форм практически не применяется. Пока она используется только для отливки небольших колоколов (до 150 кг) и не дает возможность наносить орнаменты, надписи и иконы. В качестве экспериментов при заливке металла в кокиль возможно использование вакуума или давления, что сильно удорожает процесс производства.

Еще на процессе формовки во внутреннюю модель колокола вставляется закладное кольцо, за которое будет подвешиваться язык.

Третий этап – приготовление металла и заливка.

Приготовление колокольной бронзы (температура плавления 880°C) происходит в печах или тиглях. Сперва в печь закладывается более тугоплавкая медь (1084°C), а перед самой заливкой колокола закидывают олово (232°C), чтобы оно не успело выгореть, в расплав опускают длинный еловый шест, который, обугливаясь, выделяет газы, перемешивающие бронзу.

Тигельная печь – это ковш, предназначенный для плавки металла весом не более 200-300 кг. При помощи подъемных механизмов его можно легко переносить по цеху к формам для заливки и разогревать любым топливом.

Пламенная печь может быть спроектирована для расплавки любого количества металла, в качестве топлива в таких печах используются горючие вещества, дающие длинное пламя (газ, мазут, дрова и т.п.).

Электродуговые и индукционные печи практически не используются, в связи с их дороговизной и малой производительностью (обычно, не более 5 тонн).

Основным материалом для производства колоколов служит «колокольная бронза», состоящая из 80% меди и 20% олова с колебанием  2% . Это соотношение является компромиссом между прочностью колокола и его звучанием. Избыток олова делает колокол очень хрупким, но с более приятным звучанием, а малое количество олова дает противоположные результаты.

Ходящая в народе молва, что добавление серебра улучшает звон колокола ошибочна и, скорее всего, связана с имеющими серебристый блеск кристаллами олова в местах изломов колокольной бронзы. Литейщики также были заинтересованы в этих слухах, принимая от народа серебряные изделия и монеты, якобы, для того, чтобы получить «серебряный» звон. Серебро же кидалось не в сплав, а в топку. После остывания серебро собиралось и отдавалось храму или литейщикам как вознаграждение.

Существует практика переплавки вышедших из строя разбитых колоколов, при этом свойства колокольной бронзы теряются – она становится густой и хрупкой, это объясняется поглощением сплавом кислорода и переходом олова в оловянистую кислоту и выгоранием олова.  Для восстановления оловянистой кислоты использовали перемешивание сплава еловыми шестами или добавлением древесного угля, в настоящее время для этого используют фосфор и фосфористую медь.

При остывании жидкий сплав, переходит из расплавленного в твердое-кристаллическое состояние и распадается на составные части интерметалидной структуры (Cu31Sn8), отвечающие за звуковые качества. Этот процесс «ликвации» зависит от температуры заливки сплава в форму и быстроты охлаждения.

Издревле колокольные мастера искали замену колокольной бронзе, пробовали чугун (первые чугунные колокола на Руси были отлиты при Иване Грозном), серебро, стекло, фарфор и другие материалы, в итоге пришли к выводу – самые лучшие результаты дает только использование колокольной бронзы.

Последний этап – обработка колоколов после литья.

После остывания металла (от одного дня на маленьких колоколах, до нескольких суток на больших) колокол осторожно освобождают от внутреннего стержня (болвана) и опоки, отчищают от формовочной смеси различными приспособлениями, а также срезается прибыль (излишек металла, образующийся при заливке колокола и выступающий над маточником).

В дальнейшем поверхность колокола подвергается пескоструйной обработке (песком под большим давлением), что придает ей матовость, а также полируются отдельные части колокола.

С течением времени колокольная бронза подвергается естественному окислению и покрывается темно-зеленой пленкой окиси меди (патиной), которая предохраняет металл от дальнейшего окисления.

По русской традиции колокола не подтачивают, а подбираются в звонницу из множества готовых по благозвучным звуковым интервалам.

Изготовление языка колокола.

Язык является важной частью колокола, определяющей его звук. Он должен быть изготовлен из мягкой стали (например, стали марок Ст. 3 — Ст. 5) и определенного веса в зависимости от размера колокола. При слишком легком языке звон колокола будет неполнозвучным, а слишком тяжелый язык может расколоть колокол.

Для колоколов до 50 пудов вес языка рассчитывается как 1/20-1/25 от веса колокола, от 50 до 300 пудов – как   1/25 – 1/30 и для более 300 пудов – как 1/30 – 1/40.

Форма языка может быть различной, но приближенной к маятнику: тонкая конусообразная ось с шаровидным (лучше бочкообразным) утолщением в нижней части. Язык должен бить точно в ударное кольцо колокола, если язык подвешен выше, то он не извлекает всех обертонов, а если ниже – возможен раскол колокола.

 Илья Дроздихин,
руководитель Московской Школы Звонарей

Tags: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

Поддержите наш сайт!
Оставьте комментарий к данной статье.

Для комментирования надо быть зарегистрированным ВКонтакте