Автор: редакционная статья

Категории: литейное производство

Художественное литье – благородное ремесло

Стремление человека быть во власти не только человечества, но и всей природы, вполне закономерное явление.  За многие тысячи лет  человек сумел приручить немало животных, окультурить множество растений, открыть новые земли, добраться в космос, сделать множество открытий во всех областях и сферах науки, и немаловажно – человек научился добывать металл и использовать его практически во всем.

О чем мы думаем когда попадаем в музей? Или когда приходим за новыми впечатлениями  в древние замки? Даже гуляя в обычном парке, мы встречаем эти произведения искусства, которым много лет.  Скорей всего  мысль, а точнее вопрос  только один: как это возможно сделать из металла?

Скульптуры из металла – это , что ни на есть, классика жанра в своем роде. Если пересмотреть историю возникновения ремесла « художественное литье», то понимаешь, что ремесло это одно из первых возникших на земле.

В Египте найдены скульптуры, отлитые из бронзы, датирующиеся 3-им тысячелетием до нашей эры, в Китае — 2-м тысячелетием до нашей эры. Также художественное литьё широко использовалось в Древней Греции и в Древнем Риме. Пик художественного литья из бронзы пришёлся на XVII-XVIII век в Западной Европе, когда любой более-менее богатый человек желал увековечить себя в статуях и эпических композициях.

Статуи из дорогих металлов украшали абсолютно все королевские дворцы Западной Европы. Также, с развитием садово-паркового дизайна в тех же дворцах, появилась мода украшать сады и парки такими статуями.

На Киевской Руси в XI веке, впервые появилось литье как ремесло.  Мастера умело превращали жидкий металл в купола для храмов, церковную утварь, колокола, а для военных:  в пушки,  пушечные ядра и первые основы для огнестрельного оружия.
Мастер по литью из металла – во все времена считался уважаемым человеком. Аналогичное отношение было и к кузнецам.

В наше время данный промысел все так же есть и развивается с учетом современных технологий, новых техник плавки и использования самых разных сплавов металлов.

Металлы и сплавы для художественного литья

Бронза

Из всех металлов, бронза, самый первый из металлов, который широко применялся для изготовления домашней утвари, статуй и даже оружия. Вся заслуга в легкости обработки металла и отличных  литейных свойств.
Изделиям из нее не хватало твердости каменных орудий и остроты их лезвий. Для получения более прочного металла древние горняки искали соответствующие руды, в которых медь была бы рядом с другими веществами. Это улучшало бы свойства медного сплава (бронзы). Позже руды таких металлов (мышьяка, сурьмы, серебра, олова) начали добывать отдельно для добавления их в качестве лигатуры в шихту медной плавки.
Самая распространенная бронза – это сплав меди и с оловом, в иных случаях сплав меди со свинцом или никелем.  Когда в сплаве есть около  4-6% олова, бронза пластична, ее можно ковать, а если до 30% - то сплав  получается твердый и хрупкий. При содержании 33% олова,  сплав становится похожим на серебро, он называется белая бронза. Температура плавления меди - 1083 °С, в сплаве с оловом она снижается до 800 °С . Именно олово придает бронзе характерный желтоватый отлив, очень похожий на золото.
Среди неметаллических соединений чаще всего в состав бронзы входит фосфор. Фосфор придает бронзе дополнительную упругость, твердость, и увеличивает стойкость к коррозии.
Бронзы имеют высокие механические и антифрикционные свойства, коррозионную стойкость, хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием.

Бронзы маркируются буквами Бр. Легирующие элементы сказываются начальной буквой названия этого элемента: А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мг - магний, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ф - фосфор, Ц - цинк за буквами указывается содержание легирующих элементов в процентах.
Бронзы оловянные, обрабатываемых давлением (ГОСТ 5017-74 [2]):
БрО6,5Ф0,4 (олова 6,5%, фосфора 0,4%, остальное - медь). Имеет прочность 343 ... 442 МПа, твердость 67 ... 87 HB. Изготавливают пружины, детали машин;
БрО4Ц3; (Олова 4%, цинка 3%, остальное - медь). Имеет прочность 295 ... 392 МПа, твердость 48 ... 67 HB. Токопроводящие пружины, контакты штепсельных разъемы, детали химической аппаратуры;
БрО7Ф0,2 (олова 7%, фосфора 0,2%, остальное - медь). Имеет прочность 372 ... 442 МПа, твердость 82 ... 92 HB. Изготавливают пружины, зубчатые колеса, втулки, прокладки высоконагруженных машин;
Бронзы оловянные литейные (ГОСТ 613-79 [3]):
БрО3Ц7С5Н1 (олова 3%, цинка 7%, свинца 5%, никеля 1%, остальное - медь). Имеет прочность 176 ... 206 МПа, твердость 60 HB. Детали, работающие в масле паре или пресной воде.
БрО5Ц5С5 (олова 5%, цинка 5%, свинца 5%, остальное - медь). Имеет прочность 147 ... 176 МПа, твердость 60 HB. Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников .;
БрО10Ц2. Имеет прочность 216 ... 225 МПа, твердость 64 ... 74 HB. Используют для изготовления подшипников, паровой и водяной арматуры, деталей трения, антифрикционных деталей и гребных винтов;
БрО10С10. Имеет прочность 176 ... 196 МПа, твердость 67 ... 74 HB. Используют для изготовления подшипников скольжения, работающих при высоких удельных нагрузках.
Бронзы безоловянные обрабатываемых давлением (ГОСТ 18175-78 [4]):
БрА7 (алюминиевая бронза). Имеет прочность 432 ... 490 МПа, твердость 63 ... 72 HB. Детали для химического машиностроения, скользящие контакты;
БрК3Мц1 (кремнистая бронза). Имеет прочность 343 ... 392 МПа, твердость 66 ... 77 HB. Детали всех видов для химических аппаратов, пружины и упругие детали, детали для судостроения, а также сварных конструкций.
БрК1Н3 (марганцевая бронза). Имеет прочность 392 ... 442 МПа, твердость 67 ... 77 HB. Ответственные детали в моторостроении, направляющие втулки.
БрКд1 (CuCd1), БрМг0,3 (Кадмиевая и магниевая бронзы). Имеют прочность 256 ... 332 МПа, твердость 48 ... 67 HB. Коллекторы электродвигателей, детали машин контактной сварки и другие детали.
БрБ2 (бериллиевой бронзы). Имеет прочность 392 ... 588 МПа, твердость 125 ... 144 HB. После термической обработки (закалки и старения) имеет прочность 1300 ... 1400 МПа, а твердость 280 ... 300 НВ. Изготавливают ответственные пружины и мембраны, упругие контакты в электрических устройствах, а также безыскровая инструмент.
Бронзы безоловянные литейные (ГОСТ 493-79 [5]). Имеют высокую прочность, антифрикцийнисть, применяются для изготовления деталей, работающих в тяжелых условиях:
БрА10Ж3Мц2. Имеет прочность 578 МПа, твердость 98 ... 118 HB. Изготавливаются зубчатые колеса, втулки, клапаны;
БрС30, БрС30Н2. Имеет прочность 490 МПа, твердость 25 HB. Используется для изготовления тяжелонагруженных подшипников;
БрА10Ж4Н4Л. Имеет прочность 578 МПа, твердость 157 ... 167 HB. Детали химической и пищевой промышленности, а также детали, работающие при повышенных температурах.

Латунь

Латунь – это также сплав. В ее состав входят медь и цинк. Цинк в этом сплаве может быть в количестве 36% и больше.   В состав также могут входить другие металлы, или неметаллы.
Медь и цинк растворяются друг в друге в любых пропорциях но несмотря на процентное соотношение меди и цинка, латуни считаются сплавами на основе меди. Латуни с содержанием цинка до 36% называются однофазными сплавами, или альфа-сплавами. Они прекрасно поддаются холодным методам обработки. Латуни с содержанием цинка более 37% называются двухфазными сплавами, или бета-сплавами. Они хорошо поддаются горячим методам обработки. Латуни с низким содержанием цинка (менее 20%) чаще всего используются для производства украшений и изготовление трубок. Латунь достаточно хорошо сваривается и прокатывается. Хотя покрытая лаком поверхность латуни чернеет на воздухе, но в массе она лучше сопротивляется воздействию окружающей среды, чем медь. Имеет желтый цвет и отлично полируется. Висмут и свинец вредно влияют на латунь, поскольку уменьшают способность к деформации в горячем состоянии.
Физические свойства латуни:
Плотность латуни составляет 8400-8730 кг / м3 [1].
Удельная теплоемкость при 20 ° C - 0,377 кДж · кг-1 · K-1.
Удельное электрическое сопротивление - (0,07 ... 0,08) × 10-6 Ом · м.
Температура плавления латуни в зависимости от состава достигает 900-940 ° C. С увеличением содержания цинка температура плавления снижается.
Предел прочности на разрыв - 310 ... 460 МПа.
Модуль Юнга - 78 ... 123 ГПа.
Коэффициент Пуассона - 0,37.
Модуль сдвига - 37 ГПа.

Силумин

Силуми́н — сплав алюминия с кремнием. Химический состав — 4-22 % Si, основа — Al, незначительное количество примесей Fe, Cu,Mn, Ca, Ti, Zn, и некоторых других. Некоторые силумины модифицируются добавками натрия или лития. Добавка всего 0,05 % лития или 0,1 % натрия позволяет увеличить содержание кремния в эвтектическом сплаве с 12% до 14 %. Сплавы Al-Si (силумины) обладают наилучшими литейными свойствами. В двойных сплавах Al-Si эвтектика состоит из твёрдого раствора и кристаллов практически чистого кремния. В легированных силуминах (АК9ч) помимо двойной эвтектики (легкоплавкости)имеются тройные и более сложные эвтектики. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность.
Плотность силуминовых сплавов от 2,5 до 2,94 г/см3.
По сравнению с алюминием такие сплавы обладают бо́льшей прочностью и износоустойчивостью, но уступают в этом дюралям — сплавам алюминия с медью, магнием и марганцем. Материал хрупок, при обработке крошится без образования длинной гибкой стружки в отличие от алюминия и меди.
В отличие от дюралюминия, силумины устойчивы к коррозии во влажной атмосфере и морской воде, в слабокислой и щелочной среде.
Применяются для литья деталей в авто-, мото- и авиастроении (напр., картеров, блоков цилиндров, поршней), и для производства бытовой техники (теплообменников, санитарно-технических запорных арматур, мясорубок), в скульптурной технике и в дешёвых электропневматических репликах оружия.
Поэтому, скульптура из данного сплава или любой элемент декора, который можно разместить на улице, или в саду – годами не поменяет свой вид.
Недостатком силумина является высокая пористость и грубая крупнозернистая эвтектика отливок, что сильно сказывается на повторяемости прочностных свойств получаемых деталей.

Цинк

Цинк в природе как самородный металл не встречается.
Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1—4 % Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50—60 % Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO. Образующийся при этом сернистый газ SO2 расходуется на производство серной кислоты. Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200—1300 °C: ZnO + С = Zn + CO. Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать кадмий.
Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожжённые концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка — 99,95 %, полнота извлечения его из концентрата (при учете переработки отходов) — 93—94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.
Цинк — важный компонент латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием (ЦАМ, ZAMAK) благодаря сравнительно высоким механическим и очень высоким литейным качествам очень широко используются в машиностроении для точного литья. В частности, в оружейном деле из сплава ZAMAK (-3, −5) иногда отливают затворы пистолетов, особенно рассчитанных на использование слабых или травматических патронов. Также из цинковых сплавов отливают всевозможную техническую фурнитуру, вроде автомобильных ручек, корпусы карбюраторов, масштабные модели и всевозможные миниатюры, а также любые другие изделия, требующие точного литья при приемлемой прочности.

Чугун

Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14% (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний): меньше — сталь. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун очень тверд.
Температура плавления чугуна - от 1 150 до 1 200 °C (от 2 100 до 2 190 °F), т. е. примерно на 300 °C (572 °F) ниже, чем у чистого железа.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

• передельный чугун — П1, П2;
• передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2,
• передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,
• передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
• чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);
• антифрикционный чугун
  • антифрикционный серый — АЧС,
  • антифрикционный высокопрочный — АЧВ,
  • антифрикционный ковкий — АЧК;
• чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
• чугун легированный со специальными свойствами — Ч.
  
  Это самые распространенные типы сплавов для изготовления литых деталей в сфере транспорта разных видов, элементов декора, инструментов разного назначения, оружия, произведений искусства, оград,  ворот  и др.
  Из дорогих металлов, используют золото и серебро.
  
  Следует отметить, что художественное литье это очень кропотливая и без преувеличения, ценная работа во всех отношениях. Потому что в результате мы получаем не просто красивый элемент, который можно поставить на видное место и гордиться им – мы получаем уникальность.
  В литье производственного направления такого нет. А здесь – дело мастера боится, как говорится.

Процесс изготовления скульптур из металла

Изготовление скульптуры, как бы не банально и странно не звучало, начинается с эскизирования. Создание эскиза это тот самый фундамент для будущего произведения от металла. Все должно быть точно и совершенно.
Далее, исходя из эскиза, создается шаблон, который будет взят за основу при изготовлении самой формы изделия, в которую будет заливаться металл.
Такие шаблоны зачастую изготавливают из пластилина, глины, гипса, дерева, пластмассы, металла. Также, шаблоном в будущем может служить и сама скульптура, если она изготовлена не в едином экземпляре. Если же скульптура изготовлена в одном экземпляре, то для изготовления точно таких скульптур, нужно создать шаблон из гипса. Довольно часто используются земляные формы для отливки изделия. Они просты в исполнении, доступны. Когда в такую форму с углублениями от изделия-шаблона, заливается металл, то при выемке готового изделия, она разрушается. Так как изготовлена из смеси глины и песка.
Материалы из которых можно создавать шаблоны скульптур:

• 1. Пластилин, гипс, пластик, дерево.
• 2. Воск, парафин, стеарин; технический желатин, столярный клей.
• 3. Полистирол (пенопласт) - ячеистый пластик.

.
Для получения нескольких одинаковых моделей скульптуры  применяют эластичную форму, используя для ее изготовления столярный клей или технический желатин. Второй материал более предпочтителен как в качественном отношении, так и по срокам приготовления.
С целью тиражирования восковых моделей для отливки одинаковых скульптур или деталей художественных произведений, например литых украшений для художественной ограды, изготавливают резиновую пресс-форму.

ДЕКОРИРОВАНИЕ СКУЛЬПТУР ИЗ МЕТАЛЛА

Когда изделие отлито, то самое время его усовершенствовать, придать художественный вид. Для этого проводится механическая и химическая обработки готового изделия.
При механической обработке скульптуру тщательно очищают, обезжиривают и отбеливают. Все эти действия обязательны, но не всегда применимы для того, или иного вида металла.
Очень часто готовому металлическому изделию требуется шлифовка. Поскольку после застывания металла часто остаются окиси. Их нужно удалять, дабы скульптура имела вид того металла, из которого она сделана. Для шлифовки используются абразивные материалы природного происхождения. Это натуральные камни. Такие как кварц, алмазы, корунды и т.д. Как более доступный и практичный вариант, можно использовать наждачную бумагу разной жесткости.
После механической очистки, скульптуру следует тщательно отполировать. Полировка придает характерный блеск, а также сглаживает мелкие неровности. Для полировки используются пасты из смеси мела, окиси хрома, алюминия, воды, нашатырного спирта и пр.
После всех необходимых процедур, изделие покрывают защитной пленкой для защиты от воздействий внешней среды, а так же декоративной.
Декоративная пленка не обязательный элемент, если само изделие изготовлено из такого металла, к примеру, золота или серебра, которому это будет просто лишне. А вот с металлами более простыми, можно добиться интересных эффектов, таких как перламутровые переливы, мраморный узор, шиммерный эффект, и схожести на дорогой металл. Для придания металлическим скульптурам определенных оттенков, используют такой метод как оксидирование.
Оксидирование — создание оксидной плёнки на поверхности изделия или заготовки в результате окислительно-восстановительной реакции. Оксидирование преимущественно используют для получения защитных и декоративных покрытий, а также для формирования диэлектрических слоёв. Различают термические, химические, электрохимические (или анодные) и плазменные методы оксидирования.

Виды оксидирования

• Термическое оксидирование осуществляется при нагреве в атмосфере кислорода или водяного пара. В случае оксидирования железа и низколегированных сталей такой процесс называется воронением.
• Химическое оксидирование — обработка расплавами или растворами окислителей, таких как хроматы, нитраты и т. п., как правило, для защиты от коррозии или создания декоративных покрытий.
• Электрохимическое оксидирование — оксидирование в электролитах, микродуговое оксидирование.
• Плазменное оксидирование осуществляется в низкотемпературной плазме, содержащей кислород, с помощью разрядов постоянного тока или ВЧ или СВЧ разрядов.

Защитное тонирование или патинирование скульптур из цветных металлов и сплавов

Особенно восприимчивы к тонированным покрытиям скульптуры из меди и ее сплавов: латуни и бронзы. 
Черный или серый цвет металлического изделия можно получить из меди и латуни можно придать с помощью разных оксидирующих растворов. 
Наиболее насыщенного цвета оксидных пленок на скульптуре из меди - от светло-коричневого - до коричнево-черного - можно получить, приготовив раствор в сочетании сернистого аммония с серной печенью.
Шоколадный цвет скульптурам из меди и латуни можно придать в растворе хлорида калия, сульфата никеля и сульфата меди. 
Коричневый цвет с красноватым оттенком скульптуры получают в растворе пятисернистой сурьмы в едком натрии. 
Красно-коричневый цвет латунным скульптурам придает водный раствор хлористого цинка и медного купороса в равном соотношении частей цинка и купороса. 
Коричневый и черный цвет на латунной скульптуре получают обработкой художественного изделия раствором гипосульфата и азотной, серной или соляной кислоты в воде. 
Оливковый и черно-коричневый цвет придаст скульптурам из латуни обработка раствором хлорокиси меди и нашатыря. 
Латунная скульптура становится черной в следующем растворе: в воде смешивают хлорокись меди и аммиак. Получится смесь зеленоватого цвета, а после выпадения осадка - сине-зеленого; в этом растворе и тонируют латунь; при этом скульптура не теряет своего блеска. Длительность обработки скульптуры не превышает нескольких секунд.
Оранжево-красным за несколько минут латунную скульптуру сделает раствор сернистого калия в воде. 
В старину латуни придавали и иные, казалось бы, совершенно неожиданные для этого сплава цвета. 
Фиолетовый цвет получали погружением скульптуры в раствор хлорной сурьмы; шоколадно-бурый - обжигом скульптуры окисью желе за и последующей полировкой свинцовым блеском. 
Цвет античной патины скульптурам из меди, бронзы и латуни можно придать обработкой их в растворе хлористого аммония и углекислого аммония в воде.

Литье, можно смело назвать ремеслом, которое оживляет металл. Мастера способны сделать по-настоящему впечатляющие вещи, которые будут «жить» и радовать человечество много веков.

София Неклеса
Источники использованные при написании статьи:
www.wikipedia.org
Материал мастера Дмитрия Кукколоса
«Технология художественного литья»
www.kukkolos.com
Фотографии собственность редакции.