Текст книги "Художественная обработка металла. Закрепление камней в изделиях и художественное литье"

Художественная обработка металла
Закрепление камней в изделиях и художественное литье

Различают несколько способов закрепления камней и изделии: закрепки крапанновые, гризантные, гладкие, корнеровые, штрихами и некоторые другие.

Место, в которое крепится камень, называется кастом (оправой).

Каст должен прочно и длительно удерживать камень, подчеркивать его красоту, служить связующим звеном между металлической частью изделия и камнем.

Из основных видов закрепок наиболее распространенной является закрепка крапанами.

Крапана напоминают лапки, концы которых загибаются и со всех сторон охватывают камень.

При гризантной закрепке верхняя часть каста плотно обжимается и ободок металла вокруг камня отделывается мелкой насечкой, называемой гризантом.

При гладкой закрепке камень крепят в каст и без каста в высверленном гнезде. Края каста или гнезда заполировывают гладилом, и камень прочно удерживается в изделии.

При конеровой закрепке закрепление камня в шинке (ободке) кольца вынимают металл или высверливают гнездо, по краю которого специальным резцом надвигают стружку металла к закрепляемому камню и затем накатывают из этой стружки корнера, которые и закрепляют камень в касте.

Штриховую закрепку выполняют в кольцах и других ювелирных украшениях. Этот вид закрепки осуществляют путем поднятия из тела оправы с помощью резца тонкой стружки, которая и удерживает в касте камень.

Вставки из недорогих камней с граненых стекол закрепляют также клеем. После закрепления камней в оправе проверяют надежность их крепления, а затем изделия еще раз полируют на круге из шерсти.

Особенности производства художественных изделий из металла

Существует множество различных ручных и механических способов художественной обработки металлов. Они обладают различными свойствами и качествами. Одни способы являются очень древними, но не потерявшими своей ценности и в наши дни, например, гравирование, дифовка, литье, филигрань и т.п. Они, как и прежде, основаны на приемах ручной художественной обработки. Приемы эти трудоемки, малопроизводительны, требуют известного мастерства и применимы для уникальных произведений, например чеканка, насечка и т.д. Другие способы возникли сравнительно недавно на основе новых научных открытий и развития техники – гальванопластика, новейшие виды литья, электрохимические способы обработки и т.д.

Выбирая ту или иную технологию для воплощения своего художественного замысла, мастер должен, кроме экономической эффективности, учитывать особенности различных способов обработки, влияющих, как на сам процесс формообразования изделий, так и на его эстетическую сторону.

Следует учитывать, что художественное изделие, выполненное той или иной технологией, приобретает присущие ей определенные черты и характерные особенности.

Так, детали, выточенные на токарном станке, отличаются точностью, четкостью форм, а кованые или дифованые – мягкостью и пластичностью.

Обработка резанием позволяет получать острые углы и четкие грани, а листовая штамповка постоянно связана с необходимостью применять изгибание только по радиусам, хотя и минимальным.

Поэтому уже при проектировании художественных изделий мастер должен учитывать специфические особенности материала и способы его обработки, так как существует определенная взаимозависимость между материалом и его обработкой.

Некоторые металлы и сплавы хорошо обрабатываются многими способами. Например, золото и серебро можно и отливать, и ковать, они хорошо режутся и обрабатываются давлением.

Однако имеются металлы, технологические свойства которых довольно ограничены.

Например, чугун хорошо отливается и режется, но в силу своей хрупкости он не обрабатывается давлением (ковкой, штамповкой и др.).

Наоборот, красная медь плохо отливается и режется, но хорошо обрабатывается ковкой, штамповкой, чеканкой.

Художественное литье

Литье является одним и самых древних способов обработки металлов путем заливки расплавленного металла в специальные формы. Археологические раскопки подтверждают, что уже за 5000 тысяч лет до нашей эры люди умели отливать металл. Памятники античной греческой и римской культуры являются весьма совершенными образцами литейного дела.

В древней Руси литье было известно с периода скифской культуры. В раскопках обнаружены не только прекрасные ажурные отливки из золота и серебра, но и большое количество медных и бронзовых отливок, представляющих ювелирные и культовые изделия, а также и орудия производства литейщиков – печи и горны, в которых плавили металл, а также каменные формы для отливки.

Для исполнения художественных работ в технике литья могут применяться самые разные металлы и их сплавы. Для дорогих, уникальных изделий прежде и теперь используют золото, серебро, бронзу.

Художественное качество работы, выполняемой способом литья, зависит прежде всего от качества модели, по которой делается форма для литья.

Сам процесс литья составляет в значительной степени техническую работу, но он требует высокой квалификации, выполняющих ее мастеров.

Более того, мастеру приходилось дорабатывать отливку: зачищать швы на месте стыкования формы, снимать остатки литников (место, откуда шел в форму расплавленный металл), подчеканивать форму отдельных деталей.

В связи с этим и сама отливка выполняется по-разному.

Замечательным мастером был Андрей Чохов, отливавший колокола и пушки. Более полувека он проработал литейщиком и воспитал большое количество учеников.

Основным его произведением является "Царь-пушка" весом 40 т, представляющая собой образец художественного бронзового литья 16 века.

Не менее высоким образцом художественного литья является огромный "Царь-колокол", также отлитый из колокольной бронзы в 1735 году И.Ф. Моториным и его сыном Михаилом. Вес колокола достигает 200 т.

С конца 17 века начинает развиваться художественное статуарное литье. Одним из первых крупных литейщиков из бронзы и скульпторов был Карло Растрелли, приглашенный Петром I для работы в России.

Наиболее значительными его работами являются бронзовый бюст Петра I и статуя императрицы Анны, которую отливали русские мастера, а также Конная статуя Петра I, отлитая после смерти Растрелли литейщиком Мартелли и установленная в Петербурге.

Огромное влияние на развитие статуарного литья по восковой модели оказал Э.М. Фальконе, создавший "Медного всадника", над которым проработал 12 лет.

Талантливым бронзолитейщиком был скульптор П.К. Клодт, который довел до совершенства сложнейшую технологию отливки крупных фигур по восковым фигурам. Отлитая им статуя Николая I представляет собой шедевр литейного искусства.

Художественные отливки уральских заводов получили мировое признание. Они славятся камерной чугунной скульптурой, включая и тончайшее ажурное, почти ювелирное литье, создавая миниатюрные цепочки, каждое звено которых едва превышает в длину 3 мм и весит всего 0,5 грамма.

В дальнейшем для художественного литья характерна механизация литейного производства, освоение новой техники, внедрение новейших технологий литья, таких, как кокильное, оболочковое, центробежное и другие. На новой основе начали развиваться и старые способы литья.

В настоящее время имеются различные способы литья, которые позволяют отливать изделия различных размеров и веса – от нескольких граммов драгоценного металла в ювелирном деле до крупных статуй и памятников из чугуна и бронзы.

В области производства художественных изделий применяют такие способы литья, как центробежное литье, литье под давлением, в постоянные металлические формы, в оболочковые формы, в земляные формы, по выплавленным моделям.

Литье в земляные формы

Одним из древнейших способов литья, который не утратил значения и в наши дни является литье в земляные формы.

Процесс получения отливки этим способом заключается в том, что по модели или по шаблону из формовочной земли изготовляют литейную форму, которую заливают расплавленным металлом.

При извлечении готовой отливки форма разрушается и для следующей отливки процесс изготовления формы повторяется вновь, т.е. каждая форма служит только один раз.

Модели для приготовления литейных форм представляют собой копии авторского оригинала. Они изготовляются из гипса, дерева, пластмасс или металла в зависимости от тиража.

Гипсовые модели применяются для уникальных отливок или небольших серий, так как при формовке они быстро разрушаются. Чтобы увеличить прочность, их покрывают лаком.

Модели деревянные долговечнее, но от сырой земли они деформируются, коробятся и разбухают. Высыхая, они уменьшаются в размерах и растрескиваются.

Для упрочения деревянных моделей их красят и покрывают водонепроницаемым лаком.

Модели из пластмасс имеют гладкие и чистые поверхности, небольшой вес, водоустойчивость. Но они недостаточно прочны и не выдерживают больших тиражей.

Наиболее прочны и долговечны металлические модели из бронзы, чугуна, алюминия. Наиболее экономичны алюминиевые.

Они легче по весу, не ржавеют, достаточно долговечны.

Модель по размеру обычно делают несколько больше оригинала на величину линейной усадки, чтобы отлитое по ней изделие после усадки соответствовало размерам оригинала или чертежа.

При изготовлении модели учитывают также последующую механическую обработку отливки, поэтому она должна иметь припуск на обработку. Простые модели, цельные, например, модель невысокого барельефа, т.е. изделие, на поверхности которого нет поднутрений и выступов, которые мешали бы снятию формы.

При отливке более сложных по конфигурации изделий применяют разъемные модели, а также модели с отъемными частями. Такие модели изготовляют разрезанными на две более или менее равные части в соответствии с линией разъема опок.

Обе половинки соединяются между собой шипами, плотно входящими в соответствующие гнезда на другой половине модели.

При формовке каждая часть модели извлекается из формы отдельно, чем существенно облегчает процесс формовки.

При отливке изделий с выступающими частями все детали, которые мешают извлечению модели из формы, делаются съемными. В начале формовки модель собирается, при этом все съемные детали закрепляются на ней при помощи специальных шипов, шпилек, винтов и т.п., а после того, как модель заформована, крепежные детали удаляются и модель беспрепятственно извлекают из формы.

При этом отъемные части остаются в форме, потом их вынимают, каждую отдельно.

Модели для пустотелых отливок имеют на боковых стенках специальные выступы – знаки.

При формовке эти выступы-знаки образуют в форме углубления – отпечатки, на которые укладываются песчаные стержни, служащие для образования внутренней полости в отливке. Стержни изготавливают отдельно в стержневых ящиках, которые делают разъемными для удобства извлечения готовых стержней.

Стержни сушатся в сушильных печах, а затем их укладывают в готовую литейную форму. Для малых серий стержневые ящики делают из гипса или дерева, а для массового отлива – из металла.

Формовочная земля служит для изготовления форм и стержней. Она состоит из смеси песка и глины.

При формовке сложных, крупных художественных изделий применяют формовочные смеси, в которых глины содержится до 25 процентов. При формовке простого мелкого литья используют до 12 процентов глины. Формовочная смесь имеет важное значение для качества отливки.

Смеси тщательно составляют, испытывают их свойства, из которых наиболее важными являются пластичность – способность смеси давать точные отпечатки модели; газопроницаемость – способность смеси пропускать пары и газы через стенки формы; податливость – способность смеси не препятствовать усадке металла при затвердении, т.е. немного уменьшаться в размерах.

Смеси должны быть огнеупорными, давать возможность отливке медленно и равномерно остывать, исключая образование корки, которую называют закалкой.

Формы в основном изготавливаются из наполнительной смеси. Небольшой слой, непосредственно прилегающей к поверхности модели, изготовляют из облицовочной смеси, которая должна обладать пластичностью, прочностью, газопроницаемостью, огнеупорностью, податливостью и малой теплопроводностью.

От ее свойств зависит в основном качество отливки. Иногда в качестве формовочных смесей используют природные земли. Такая земля представляет большую ценность.

Изготовление земляных форм производится в специальных металлических рамках – опоках. Опоки обеспечивают земляной форме прочность при переноске и заливке ее металлом.

Обычно форму приготовляют в двух опоках, плотно соединенных между собой штырями, однако для формовки более сложных изделий могут использовать три-четыре опоки.

Опоки могут быть ручными, т.е. предназначаться для обычного литья и крановые, которые отличаются большой толщиной стенок, большими размерами и приспособлениями для подъема их краном. Они предназначены для отливки памятников, крупных фигур и т.п.

Наиболее удобны сварные ручные опоки из фасонной стали, или опоки, литые из алюминий и чугуна.

Крановые опоки отливают из чугуна. Они снабжены специальными ребрами для лучшего удержания формовочной смеси, которые можно переставлять в зависимости от размера модели. Для приготовления форм применяют также сита, лопаты, совки, трамбовки для уплотнения смеси, счищался, душники для наколки газовых каналов, деревянные молотки для набивки кусковых форм, гладилки, ланцеты (для приглаживания и исправления форм, иголки для отъема кусков и т.д.

Чтобы к модели смесь не прилипала, ее опыливают толченым древесным углем или графитом.

Чтобы металл не пригорал к форме, перед заливкой ее внутреннюю поверхность покрывают сажей – коптят, или окрашивают специальными формочными красками, которые состоят из угольной пыли или графита, размешанного в воде.

Процесс изготовления формы, или формовка, заключается в следующем: модель кладут в опоку, установленную на подмодельную доску, и припыливают ее угольным порошком. Затем через сито насевают облицовочную смесь слоем до 30 мм. После этого опоку до краев заполняют наполнительной смесью.

Смесь насыпают слоями и уплотняют трамбовкой. Излишек земли удаляют счищалкой и душником накалывают каналы для выхода газов.

Затем опоку переворачивают и на нее устанавливают другую, в которую укладывают модели литника и выпора, чтобы в форму образовались два канала – один для заливки ее металлом, а другой – для отвода газов – выпор, представляющий собой брусок небольшого сечения.

После этого модели припыливают и вторую опоку так же, как и первую, заполняют формовочной смесью и уплотняют.

Верхнюю опоку снимают и из формы осторожно извлекают модель. Одновременно при помощи пинцета прорезают питатель – узкий канал, соединяющий полость формы с литником. Для получения пустотелых отливок в форме устанавливается заранее изготовленный и высушенный стержень. После этого форма закрывается и заливается расплавленным металлом.

Сложным и трудоемким процессом литья является кусковая формовка скульптурного литья – бюстов, фигур и т.д. Сущность кусковой формовки заключается в том, что вся форма составляется из отдельных кусков, которые потом объединяются двумя раковинами, размещенными в верхней и нижней опоках, что позволяет вынуть модель из готовой формы, не повредив ее, так как при этом каждый кусок формы снимается с модели отдельно.

После извлечения модели из формы она вновь собирается, причем каждый кусок устанавливается на свое место. Все эти операции выполняются с большой осторожностью, так как куски, изготовленные из формовочной смеси, очень хрупки. Для образования полости в отливке изготовляют стержень.

При отливке уникальных изделий кусковой формовкой стержень изготавливается непосредственно в форме.

Для этого нижнюю опоку с готовой землей припыливают и наполняют формовочной землей, уплотняя ее руками. Делают это осторожно, чтобы не повредить кусков, образующих форму. Затем из железной перфорированной трубки изготавливают каркас стержня и, обмазав его белой глиной, укладывают на нижнюю опоку так, чтобы концы каркаса (знаки) опирались на стенки формы. Затем опять выше краев насыпают формовочную смесь и придают ей примерную форму полости верхней опоки. Верхнюю опоку припыливают и несколько раз покрывают и уплотняют ею формовочную смесь.

С полученного стержня ланцетом срезают слой земли, равный желаемой толщине будущей отливки.

Для того, чтобы слой был более равномерным, поверхность стержня предварительно накалывается на глубину среза специальной наколкой, после чего легко срезается слой земли на глубину накала.

Просушенный стержень укрепляется в полости формы таким образом, чтобы он не сместился, ибо перекос или смещение стержня приводит к браку.

При отливке небольших мелких скульптур большими сериями обычная кусковая формовка заменяется кусковой формовкой в стержнях, для чего куски формы изготовляются в специальных металлических стержневых ящиках, каждому куску соответствует свой стержневой ящик. Этот способ ускоряет и облегчает кусковую формовку.

В случае формовки по разборной модели, уже не форму, а модель делают составной из отдельных кусков, каждый из которых легко и беспрепятственно извлекается из формы. Разборные модели изготавливают из латуни и бронзы. Все части модели отделывают, подгоняют, особенно в местах соединений.

При формовке архитектурного литья (части фонтанов, постаменты памятников и т.п.) применяют шаблонную формовку. Шаблонная формовка производится без моделей, при помощи специальных шаблонов.

Для облегчения процессов формовки трудоемкие ручные операции заменяют различными приспособлениями и машинами.

Литье по выплавляемым моделям является очень древним способом, который применяли еще в Древнем Египте, Древней Греции и античном Риме, а также в эпоху Возрождения. Этим способом отливали свои статуи П.К. Клодт, Э.М. Фальконе,

В.П. Ефимов. В современных условиях он значительно изменен.

Смысл литья по выплавленным моделям заключается в том, что модель после ее заформовки удаляется из формы путем нагрева.

Состав, из которого модель изготовляется, плавится и вытекает из формы, поэтому форму после формовки нет необходимости разбирать. Это дает возможность формовать любые по сложности изделия целиком без применения кусков, стыки между которыми оставляют на поверхности отливки швы, однако в случае перекоса кусков всей отливке наносится непоправимый ущерб.

В настоящее время при отливке художественных изделий способ литья по выплавляемым моделям применяется в нескольких вариантах: для отливки крупных фигур, для обычного литья средних размеров и для ювелирного литья из драгоценных металлов.

В ювелирном деле восковое литье с успехом применяли древние римляне, изготовляя, к примеру, знаменитые браслеты в виде змей.

Применяя этот способ, сначала изготовляли по рисунку чертеж отливки, учитывая литейную усадку, равномерную толщину стенок, литейные радиусы и другие параметры. Затем по этому чертежу изготовляют металлическую модель – эталон изделия.

Модель снабжается специальным литником, который рассчитывается и отливается вместе с моделью.

При выпуске небольших серий с эталона снимают резиновую форму, а при сериях крупных изготавливают специальную разборную металлическую прессформу.

Пользуясь либо резиновой формой, либо металлической прессформой из специального модельного состава заготавливают выплавляемые модели. В качестве модельного состава для литья ювелирных изделий употребляют парафин (95 процентов) с добавлением полиэтилена (5 процентов).

Работая с резиновыми формами или, изготавливая тонкостенные ажурные модели, состав плавят и при температуре 80 градусов в жидком виде заполняют им формы.

Работая с прессформами, состав применяют в пастообразном состоянии.

Формы предварительно смазываются касторовым маслом, разведенным в спирте.

Аналогичным способом изготовляют модель массивного, конусообразного и несколько изогнутого литника. Этот литник служит основой для сборки модельного блока путем напаивания на него большого числа моделей изделий. Затем готовят огнеупорный состав из гидролизованного раствора этилсиликата и маршалит – тонко размолотый кварцевый песок.

В зависимости от характера моделей процентное соотношение компонентов в растворе может меняться, делая его более жидким или густым.

Маршалит составляет до 70 процентов, а остальные 30 – гидролизованный раствор этилсиликата.

Состав перемешивают и погружают в него модельный блок. Избытку состава дают стечь, после чего его обсыпают плавленным дробленым кварцем или кварцевым песком.

Плавленый дробленый кварц применять лучше, так как кварцевый песок при прокаливании, расширяясь, может деформировать формы особенно тонких ажурных изделий. После обсыпки формы сушат: 40 минут на воздухе при комнатной температуре, 30 минут в атмосфере, насыщенной аммиачными парами, и вновь 30 минут на воздухе, чтобы удалить аммиачных запах. Эти операции с последующей сушкой повторяют несколько пять раз, пока стенки огнеупорного покрытия не достигнут нужной толщины. После этого осуществляется формовка блока в стальной цилиндрической опоке, снабженной специальной скобой для закрепления ее на центробежной машине.

Для формовки употребляется сухой кварцевый песок с однопроцентной добавкой борной кислоты, которая, расплавляясь при прокаливании формы, служит связующим материалом. Торцы опоки заделывают тем же песчаным наполнителем, но с добавкой до 15 процентов водного раствора жидкого стекла, которое после затвердения придает необходимую прочность заформованной опоке.

Затем модельный состав выплавляется. Для этого опоку ставят в предварительно нагретый до 200°С сушильный шкаф литниковой чашей вниз. После того как модельный состав вытечет, опоку переносят в муфельную печь, где при температуре 850°С форму прокаливают от трех до пяти часов.

Для того, чтобы выплавить изделие из золота (585 проба), его нагревают до 1100°С (температура плавления золота этой пробы составляет примерно 950°С) для лучшего заполнения и заливают в форму, которая подогревается до 700°С и устанавливается на центробежный станок.

После заливки форма быстро приводится во вращение со скоростью 160 оборотов в минуту. В течение 30 секунд металл твердеет, форма снимают со станка и охлаждают 4 часа.

Для того, чтобы освободить отливку от огнеупорной оболочки ее кипятят в щелочном растворе и промывают в горячей воде. Затем новые отливки отрезают от литника, который вновь идет в переплавку, отжигают и отбеливают в пяти процентном растворе азотной кислоты, промывают и просушивают.

Художественное литье в оболочковые формы применяется при отливке простых форм типа барельефа. Технология отлива: на нагретую до 300°С чугунную модельную плиту насыпают слой мелкого кварцевого песка, тщательно перемешанного со связующим материалом.

Таким материалом может быть искусственная смола пульвербакелит. При температуре 65°С она размягчается, при температуре 200°С расплывается и при температуре 300 – 350°С становится твердой.

Затем оболочку, которая представляет собой полуформу, снимают с плиты, изготовляют вторую форму и обе половинки скрепляют между собой зажимами, при необходимости, устанавливая внутрь оболочки такой же оболочковый стержень.

Далее форму устанавливают в стальной ящик, заменяющий опоку, и засыпают вокруг песком. В таком виде форма подается под заливку. После охлаждения оболочку разрушают и извлекают отливку.

При массовом производстве изделий данный способ при соответствующей автоматизации и механизации приносит экономический успех.

Литье в кокиль – постоянные металлические формы широко применяется в технике и в области художественного литья.

По сравнению с литьем в земляные формы этот метод имеет ряд существенных преимуществ.

Главное преимущество в том, что металлическая форма выдерживает большое количество заливок. Кокиль при легкоплавких отливках из алюминиевых, магнитных и цинковых сплавов достигает 100 тысяч заливок.

При отливке стальных и чугунных деталей число их гораздо меньше.

При литье в кокиль структура отливок получается мелкозернистой, поверхность чистой, не требующей никаких дополнительных механических обработок, кроме того, кокильное литье является очень точным.

Данный способ применим при крупносерийном производстве, так как стоимость производства кокилей высока.

Изготовляют их из чугуна, стали с тщательной ручной подгонкой и обработкой, которой занимаются граверы, лекальщики и другие высококвалифицированные специалисты. Для простых отливок металлические формы состоят из двух частей, для сложных изделий – из многих, включая, составные стержни.

При кокильном литье и форма, и стержни изготовлены из металла, при полукокильном, стержень изготавливают из песчаных смесей, как при литье в земляные формы.

Полукокильное литье применяют обычно для отливок из бронзы и чугуна.

В кокильном литье все основные процессы чаще всего автоматизированы и механизированы.

Литье под давлением представляет собой один из способов производства изделий из легкоплавких металлов – алюминиевых, цинковых и т.д. При этом способе металл заливается в кокили – металлические формы под давлением.

Давление создают специальные литейные машины. Отливки получаются с высокой точностью размеров, чистой поверхностью и отличаются тонкими стенками.

Минимальная толщина стенок при отливе из цинковых сплавов достигает 1 – 3 мм, из алюминиевых – 1,5 – 3,5 мм, из медных сплавов – 2 – 4 мм.

Литье под давлением дает возможность получать отливки сложные по конфигурации, но небольшие по размерам.

Для художественного литья этот метод применяют при массовом производстве изделий, так как формы для литья под давлением являются дорогим и сложным устройством, выполненном из высококачественных сталей.

При центробежном литье металл заливают в быстро вращающиеся формы, в которых под действием центробежных сил он прижимается к их стенкам.

Таким образом отливают трубы, колонны и другие изделия цилиндрической формы. Центробежное литье также применяют при изготовлении сложных фигурных изделий из драгоценных металлов. Кроме того, этот метод дает возможность получать двухслойные цилиндрические отливки из разных металлов, например, из бронзы и чугуна.