СПОСОБ ЛИТЬЯ КОЛОКОЛОВ ИЗ ОЛОВЯНИСТОЙ БРОНЗЫ Российский патент 1999 года по МПК B22D21/00 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к литейному производству колоколов.

Известны старинные способы литья колоколов из бронзы в Китае, Японии, древней Греции и Руси, Германии и Англии /1; 2; 3/. Колокола сначала были бочкообразными, почти без украшений. Потом форма колоколов все более приближалась к стандартной конической и на них начинают появляться надписи и украшения. В соответствии с изменением формы изменялась и технология их изготовления. Старинные колокола назывались "Колокола Теофила". По Теофилу формовка колокола производилась следующим образом: при помощи шаблона готовили глиняный болван (стержень), нанося глину постепенно отдельными слоями. Затем на этот болван наносился слой из сала, смешанного с древесным углем такой толщины, которую должны были иметь стенки колокола, вырезали в этом слое надписи и украшения, которые выходили в отливке углубления. Затем наносили слоями глину, оплетали железными обручами и ставили в литейную яму для выплавления сала и сушки. В высушенную форму заливался расплавленный металл, последний заполнял полость между кожухом и стержнем, ранее занятую слоем сала.

Один из главных недостатков этого способа заключается в том, что кожух не снимался со стержня после просушки. При сушке формы небольшие частицы глины отваливались, искажая форму, вследствие чего внешняя форма колокола в большинстве случаев получалась весьма далекой от совершенства.

Отливка колоколов относилась к производству сугубо индивидуальному. Форма готовилась только для одной отливки, так что колокола по своим размерам, форме и весу почти никогда не повторялись.

"Колоколам Теофила" свойственны следующие особенности: небольшой уклон стенок колокола, одно большое подвесное ухо колокола, наличие вдавленных надписей и украшений.

В колоколах более позднего времени изготовления также наблюдается грубая неровная поверхность отливки, наличие нескольких треугольных углублений или точек на верхней части колокола - следов крепления кожуха колокола. Плавка по Теофину производилась в железном тигле, выложенном глиной снаружи и изнутри. Вокруг тигля возводился очаг, внутри которого разводился огонь, раздуваемый кузнечными мехами. После расплавления металла, тигель с расплавленным металлом вынимали из печи, переносили к форме и заливали ее.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, взятым за прототип, является способ литья колоколов в земляные (глиняные) формы по Оловянишникову /1/. В качестве металла использовали оловянистую бронзу (олово 20-23%; медь - остальное), которую расплавляли в графитовом тигле или на поду печи с пламенным нагревом. Расплавленный металл периодически перемешивали с помощью деревянных жердей или металлическими прутьями для получения более однородного сплава. После расплавления металл сливали из тигля по желобу или каналу в земляную (глиняную) форму, где он кристаллизовался и остывал.

Недостатками известного способа литья колоколов в земляные формы являются: большой угар металла из-за окисления, т.к. плавка ведется на воздухе; неоднородностью сплава из-за плохого, периодического перемешивания расплава; плохое качество поверхности отливки - пористость и шероховатость; высокая разнотолщинность и включения в теле отливки из-за низкой прочности земляной формы. Кроме того, литейную форму можно использовать только на одну заливку, а плохое качество поверхности и разнотолщинность отливки требуют обязательной механической обработки колоколов с последующей их индивидуальной настройкой для получения необходимого тона колокола.

Предлагаемый способ позволяет получать высококачественное литье колокола без газовых пор, шлаковых включений, пустот, усадочных раковин, т.е. высокоплотную и прочную отливку с гладкой поверхностью, не требующей механической обработки, с красивым и чистым звуком; многократно повторяемые размеры, форму и вес колокола.

Поставленная цель достигается тем, что весь процесс плавки металла, слив его в форму и кристаллизация отливки осуществляют в вакууме; в процессе плавки металла производится постоянное перемешивание его индукционными токами; слив расплавленного металла осуществляется с оптимальной скоростью в многоразовоиспользуемую графитовую форму, подогретую не ниже 400^oC, при этом температура верха формы выше на 100±10^oC ее низа, а после заполнения формы металлом продолжают подогрев ее верхней части до температуры 800-900^oC и выдерживают в течение 1-2 минут на 10 кг веса отливки до полной кристаллизации отливки.

Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что плавку, слив и кристаллизацию металла осуществляют в вакууме при остаточном давлении 1•10^-1 - 1•10^-2 мм рт.ст., перемешивание расплавленного металла-индукционными токами, слив металла осуществляют с оптимальной скоростью в многоразовоиспользуемую графитовую форму, подогретую до температуры не ниже 400^oC, при этом нагрев осуществляют так, чтобы температура верха формы была выше на 100±10^oC ее низа и после заполнения формы металлом продолжают подогрев ее верхней части до температуры 800-900^oC с выдержкой в течение 1-2 минут на 10 кг веса отливки.

Технический результат способа
Проведение процесса в вакууме обеспечило дегазацию металла, что исключает образование газовых пор и шлаковых включений в отливке; постоянное перемешивание расплавленного металла в процессе плавки, осуществляемое индукционными токами, позволило равномерно распределить олово в объеме меди и высокую гомогенность бронзы, а также снизить угар до 1%, слив металла с оптимальной скоростью позволили получать качественную поверхность отливки (отсутствие неслитин, утяжин, пор, трещин, пригаров); слив металла в многоразовоиспользуемую форму обеспечил повторяемость с высокой точностью воспроизводства колоколов по размерам, форме и весу; подогрев графитовой формы до температуры не ниже 400^oC и условии, что температура верха формы выше на 100±10^oC ее низа, обеспечил качественное заполнение всего объема формы без разрывов и неслитин; подогрев верха формы после заполнения ее металлом до температуры 800-900^oC с выдержкой 1-2 минут на 10 кг веса отливки до полной кристаллизации отливки позволили проводить подпитку и направленную кристаллизацию отливки, что исключило усадочную раковину и поры в теле отливки за счет выведения их в прибыльную часть; скорость кристаллизации отливки в графитовой форме выше, чем в земляной (глиняной), что позволило получать мелкозернистую структуру и уменьшить ликвацию.

В музыкальной акустике известны основные требования к "звучащему" материалу, а колокол - это музыкальный инструмент и один из наиболее сложных литейных изделий. Эти требования достижимы при наличии, в частности, высокой плотности материала (минимальной пористости), что обеспечен предлагаемым авторами способом литья колоколов.

Пример осуществления.

Работу проводили на индукционной вакуумной печи ДР-1. В тигель керамический или графитовый (толщиной ≈ 20 мм) загружали шихту: медь 80 мас.% и олово 20 мас.%. Под тиглем устанавливали графитовую форму, состоящую из корпуса, стержня и чаши для приема сливаемого металла. Печь вакуумировали и при остаточном давлении 1•10^-1 - 1•10^-2 мм рт.ст. включали электронагрев. Плавка металла весом 96 кг (шесть пудов) проводилась 2 часа 20 минут. В процессе плавки осуществлялось постоянное перемешивание расплавленного металла индукционными токами, проходящими через стенку тигля. Графитовая форма своей верхней частью устанавливалась в индуктор и поэтому одновременно с процессом плавки металла происходил нагрев формы, температура которой регулировалась величиной электрической мощности на индукторе (чем выше мощность, тем выше температура формы) и положением формы в индукторе (чем больше форма входит в индуктор по высоте, тем выше температура на ней при постоянной мощности).

При литье колокола массой 96 кг температура верха формы составляла 640±10^oC, а низа - 530±10^oC. Градиент температуры 110^oC необходим для обеспечения направленной кристаллизации отливки снизу вверх. Расплавленный металл сливали через дно тигля в чашу графитовой формы со скоростью 6 кг в секунду. После заполнения формы металлом ее температура поднималась на 60^oC. Нагрев верха формы продолжали, поднимая температуру до 900^oC, и выдерживали в течение 15 минут, после чего снимали мощность с индуктора. Кристаллизация отливки и ее охлаждение осуществлялись в печи.

Предлагаемый способ литья колоколов из оловянистой бронзы в отличие от прототипа обеспечивает получение высококачественных отливок без газовой и усадочной пористости, неметаллических и шлаковых включений, с мелкозернистой структурой, что обеспечивает высокую плотность, а следовательно, продолжительность, красоту, чистоту и мелодичность звучания, благозвучность колоколов; получаемое качество поверхности не требует механической обработки. Графитовая форма используется многократно (10-15 раз), обеспечивая высокую повторяемость размеров, формы и веса колокола.

По предлагаемому способу отлиты, прошли эксплуатационные и акустические испытания колокола массой, кг: 6, 8, 14, 20, 32, 50, 96, 160.

Звонницы, состоящие из 6-8 колоколов этого ряда, украшают храмы и церкви г. Москвы, Подмосковья, других городов России и своим мелодичным звоном радуют души россиян.

Источники информации
1. Оловянишников Н.И. История колоколов и колокололитейное искусство, М. , 1912, с. 393-400 (прототип).

2. Рубцов Н.Н. История литейного производства в СССР, М.: Машгиз, 1962, с. 102-119.

3. Журнал "Англия" N 4/1980 (76), стр. 2-12.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности, к литейному производству колоколов. Способ включает плавку металла, перемешивание расплавленного металла, слив его в форму и кристаллизацию отливки. Все операции плавки проводят в вакууме при остаточном давлении 1•10^-1 - 1•10^-2 мм рт. ст. Перемешивание расплава осуществляют индукционными токами. Слив расплава проводят с оптимальной скоростью в многоразовоиспользуемую графитовую форму. Форму предварительно подогревают до температуры не ниже 400^oС. При кристаллизации отливки в форме осуществляют подпитку металлом и выведение усадочной раковины в прибыль. Обеспечивается получение колоколов без газовой и усадочной пористости, неметаллических включений, с мелкозернистой плотной структурой. Колокола имеют красивое, чистое и мелодичное звучание. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ литья колоколов из оловянистой бронзы, включающий плавку металла, перемешивание расплавленного металла, слив его в форму и кристаллизацию отливки, отличающийся тем, что плавку металла проводят в вакууме при остаточном давлении 1 • 10^-1 - 1 • 10^-2 мм рт.ст. и постоянном перемешивании металла индукционными токами, а слив металла осуществляют в многоразовоиспользуемую форму, которую подогревают до температуры не ниже 400^oC, при этом нагрев осуществляют так, чтобы температура верха формы была выше на 100 ± 10^oC ее низа, а после заполнения формы металлом подогревают верхнюю часть формы до 800 - 900^oC и выдерживают в течение 1 - 2 мин на 10 кг веса отливки до ее полной кристаллизации. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что многоразовоиспользуемую форму выполняют из графита.