Государственный комитет Российской Федерации по высшемуобразованию
Московский ГосударственныйИндустриальный Университет
(МГИУ)
Р Е Ф Е Р А Т
По дисциплине: «История науки и техники»
«Уникальные отливки«ДИКОВИНКИ»»
Группа: Студент: Преподаватель:
Москва 2000
Металлы подают
укрепление и красоту
важнейшим вещам в обществе потребным...
М. В. Ломоносов
«Слово о пользе химии» ОТЛИВКА В ОТЛИВКЕ
Подлинное мастерство художникаили умельца отличается от умения кустаря его беспредельностью и своеобразнойвнешней легкостью. Нередки случаи, когда творчество мастера граничит сдерзостью, с поразительной виртуозностью.
Вырезанные умельцем Востока изкости последовательно друг в друге шары, картины армянского умельца на маковомзерне, выкованный русским кузнецом тончайший цветок из стали и подкованнаяблоха — это не только развлечение или средство удивлять неискушенных, но истремление раздвинуть границы возможного в творческом труде.
Литейщики по своей природе, похарактеру труда — художники, которым также не чуждо желание превзойти этиграницы. Все выдающиеся отливки мира были заметными этапами в истории литья. Ноне каждому литейщику — истинному умельцу огненной профессии — было дано литьЦарь-колокол или открывать новый сплав. Настоящий мастер находил себя и в малыхформах.
Примером литья «диковинок» можетбыть отливка грузинского мастера I тысячелетия до н. э. из обычной для тоговремени бронзы (клад Б. А. Кухтина). Это небольшая рукоять для какого-тоособого копья или инструмента. Судя по форме, по литым геометрическим фигурамна остове, мастер был импровизатором и выполнял многое в отливке безпредварительного рисунка или образца, по наитию.
Рукоять представляет собой остовквадратного сечения, на двух противоположных гранях его отлиты различной формыуглубления без особой строгости в размерах, положении и размещении. На одной изэтих граней расположены извилистые углубленные линии, изображающие,по-видимому, змею. Верхняя часть остова разветвляется на три доли и переходит всвоеобразное навершие или захват для ручки. Литой рисунок детали рукояти несвидетельствует о большом мастерстве литейщика в графике и живописи. Многиеизделия того периода, а иногда и гораздо более ранних времен, стоят неизмеримовыше по художественности их орнаментовки, по литым изображениям и т. п. Бытьможет такая небрежность — нарочитый прием мастера, чтобы не отвлекать отглавной идеи его творения. Нижняя часть остова имеет коническое расширение, аее полая часть в разрезе напоминает контуры восьмерки. Внутри полой частинаходится самостоятельная отливка — стерженек с круглой головкой. В полой частирукояти выполнены треугольные отверстия при помощи специальных выступов формы,следы которой в виде треугольных углублений видны и на головке стерженька.Тщательный осмотр углублений в отливке, а также химический анализ металла иметаллографические исследования обеих частей рукояти, выполненные академикомГруз.CСP Ф. Н. Товадзе иего сотрудниками, свидетельствуют о том, что обе детали рукояти отлиты заодно:отливка в отливке. В этом устройстве отливки и заключается ее «хитроумие».
Нужнобыло обладать большим мастерством и изобретательностью, чтобы заодно получитьдве отливки, расположенных одна в одной, причем так, чтобы внутренняя свободновращалась в наружной. Совмещенные таким образом отливки можно было получитьлишь по восковым моделям, но при этом для изготовления их требовалась весьматонкая работа литейщика. Трудно сейчас определить практическую надобность втаком устройстве рукояти, но каково бы ни было ее назначение, техника литья исейчас заставляет нас восхищаться талантом литейщика, смастерившего такую«диковинку».ЦАРЬ-ЛЕВ
Говоряоб уникальных отливках, нельзя не вспомнить о чугунной отливке, которую еще еетворцы в глубокой древности окрестили Царем-львом. Отливка заслуживает такогоназвания не только потому, что изображает царя зверей, но и потому, чтоявляется самым крупным в мире литым изваянием льва.
Царь-лев(Шицзы-ван) был отлит из чугуна более 1000 лет тому назад (в 954 г.). Почему отлитбыл именно лев, сказать трудно. В Китае львы вообще не водятся, хотя ихизображения (весьма мало напоминающие истинный облик львов) у ворот дворцов,жилых зданий, на перилах мостов и в ряде других мест встречаются очень часто.Лев — олицетворение стража и могущества. Летопись гласит, что один опальныймастер после его помилования в честь владыки Поднебесной создал эту уникальнуюотливку. Лев был отлит на территории одного из монастырей, расположенного унебольшого города. Со времени его литья многое изменилось: не осталось от храмаи следа, да и сам город переместился почти на 15 км от своего прежнегоместа, но эта чугунная отливка сохранилась до сих пор.
Высотаотливки больше 5,5 м, длина больше 5 м, вес около 100 т.По данным древних летописей, раньше между ног изваяния свободно проезжалателега с лошадью, но за длительные годы оно сильно вросло в землю и теперь,чтобы пройти под животом льва, человеку среднего роста надо изрядно нагибаться.Отливка пустотелая, покоится она на специальной плите, глубоко осевшей в грунт.Подробному изучению самой отливки и технологии ее литья способствовало то, чтоотливка сильно разрушена, а вокруг нее, то есть в местах, где велась подготовкак формовке и заливке, вырыты сейчас в поисках воды четыре глубоких колодца. Этопозволило измерить во всех характерных местах толщину тела отливки, по шлакам иостаткам кусков формы в колодцах определить особенности формовки и плавкиметалла и, используя некоторые архивные данные, полностью восстановитьтехнологию литья.
Формабыла выполнена по глиняной рубашке. Наружная ее часть состояла из отдельныхкусков, плохо припасованных друг к другу, так что следы заливов сохранились досих пор весьма четко. Они видны и на фотографии, хотя слой ржавчины панекоторых местах отливки достигает 10 мм. Для отделения глиняной рубашкиот стержня и кожуха формы применялась прослойка из груботканого холста.
Вте времена в Китае существовали лишь небольшие однофурменные вагранки дляплавки чугуна. Они и были использованы при выплавке металла для Царь-льва.Следов тигельной металлургии чугуна не обнаружено. Этими мелкими печами,которые легко переносились и при надобности наклонялись, было, по-видимому,усеяно большое пространство вокруг формы. Печи имели слишком малуюпроизводительность, а небольшая толщина тела некоторых мест отливки (несмотряна местное утолщение ее литниковыми каналами) не позволяла вести заливкуслишком медленно и длительно. От каждой печи по небольшому каналу выпускалсяметалл, к нему по мере приближения к форме присоединялись ручейки от печей,расположенных на пути к форме.
Отом, что именно такой способ плавки и заливки был применен, свидетельствуетустройство чаши в форме, которая так и осталась на отливке. Возможно, в этучашу заливали также чугун из ручных ковшей, принося его из печей, установленныхдальше зоны действия чугунных ручейков.
Рис. 1. Чудодейственные тазы «четырех рыб»:
а — ханьчжоуский;
б — чунцинский. />
Древние литейщики применяли много техническихвыдумок, принимали трудные и оригинальные решения и создали литой монумент,вызывающий восхищение у современных специалистов. Однако этот выдающийсяпамятник старины находится в весьма плачевном состоянии. Отливка простоялатысячу лет на открытом воздухе и ее частично разрушила ржавчина. Стоит этотчудесный лев среди поля и над ним даже шалаша простого нет. В отливке ужеразрушена брюшина, сбита голова (она закреплена временно мельничным жерновом).Неповторимое творение древних литейщиков, созданное на тысячелетия, обречено нагибель.
ТАЗЫ ССЕКРЕТОМ
Одиниз литых бронзовых тазов Востока, близкий по форме обычному хозяйственномутазу, носит название чудодейственного из-за своих способностей служить вкачестве зеркала. Если в такой таз налить чистой воды, то ее поверхность можетнастолько хорошо давать отражение, что его можно сравнить с отражением вобычном зеркале. Этот таз-зеркало отлит в I тысячелетии до н. э. (около 2500лет тому назад), найден недавно и его диковинные свойства еще не изучены.
По сохранившимся надписям удалось установить, чтопринадлежал этот таз одной из дочерей князя, которая, по-видимому, ииспользовала его как зеркало. Секрет таза заключается в особом сочетаниипреломления лучей в воде и подсвечивания их отражением лица, смотрящего в воду.Вряд ли такой таз был сделан специально как зеркало. Свойство выполнять функциюзеркала в нем, скорее всего, было замечено случайно и использовано без попытокповторения в других отливках.
Другой чудодейственный тазобладает иным свойством: при трении ладонями рук об ушки таза в нем «закипает»холодная вода. Устроен он чрезвычайно просто и по внешней форме напоминаетобычный таз, в котором варят варенье или моют посуду, отличаясь лишь наличиемушек. На бортах диковинного таза имеются торцовые ушки прямоугольной формытолщиной до 10 мм. На дне таза — литой выпуклый рисунок из кругов,спиралей и четырех рыб с чешуей в виде небольших пупырышек. Спиральные выпуклыелинии переходят на борта, где разветвляются и завихряются. Направление рыб испиралей — против часовой стрелки. Дно таза значительно толще бортов(соответственно 7 — 10 мм и 2 — 3мм). Если такой тазустановить на жесткую подставку с мягкой подкладкой (например, мокрое полотенцесвернутое жгутом), наполнить его на 3/4 — 2/3 холодной водой и начать теретьмокрыми руками вдоль ушек, то через 2—5 сек из таза начнут фонтанироватьмногочисленные струйки или потоки капелек воды. Создается полное впечатлениечрезвычайно бурного закипания поверхности воды или «дождя наизнанку».
/>
Рис. 2. Эскиз таза «двух драконов». Притрении мокрыми руками о гладкие поверхности ушек в определенном темпе возникаетзвук (писк), какой обычно получается при трении ладонями рук о перила лестницыили о другие хорошо отполированные предметы. Эти звуковые колебания —первопричина «закипания» воды. Они усиливаются или очищаются упругими бортами,как мембраной. С помощью спиральных выступов на стенках таза энергия звуковыхколебаний направляется пучком на дно. Сконцентрированная и получившаяопределенную направленность энергия колебательных движений выступающих частейтаза с силой выталкивает из воды отдельные потоки ее капель или даже струй навысоту до 15—40 см. Создается впечатление интенсивного кипения всей илицентральной части поверхности воды. При прикосновении рукой к бортам таза,уменьшении интенсивности или изменении направления трения кипение мгновеннопрекращается, но на поверхности воды образуется рябь устойчивого рисунка в видечетырехугольных фигур.
Таз«четырех рыб» не был специально изготовлен для осуществления в нем процесса«кипения» холодной воды. Этот эффект, по-видимому, был открыт впоследствиисовершенно случайно.
По сведениям китайских литейщиков, таз с«закипающей» холодной водой — единственный в мире; находится он в г. Ханьчжоу.Попытки создания второго такого же экземпляра не увенчались успехом. Но авторуудалось выяснить совсем иное. Действительно, в Ханьчжоу был старинный таз с«закипающей» водой, отлитый около 600 лет тому назад. Но от длительнойдемонстрации эффекта кипения он полностью пришел в негодность. Один из старыхсмотрителей музея нашел похожий таз у антикваров Шанхая и купил его. Этот новыйтаз «четырех рыб» (рис. 1, а) и демонстрировался последние годы. Возраст еготочно не установлен; может быть он ровесник первому, а может быть и намногомоложе. Таким образом, было выяснено, что теперешний Ханьчжоуский таз неединственный в мире. До него существовал подобный таз. Но и это не все.
На юге Китая, в г. Чунцине, находится третий таз,способный привести к «кипению» холодную воду. Своими контурами этот таз (егоназывают «таз Хань») отличается от таза «четырех рыб», хотя и он на дне имеетрисунок из четырех рыб, расположенных также против часовой стрелки (рис. 1, б).Но спирали и разные завитки в «тазе Хань» повернуты по часовой стрелке, рисункивыполнены иначе и т. п. Однако вода в нем закипает при трении о ручки не менееинтенсивно, чем в тазу «четырех рыб».
Четвертый«чудодейственный» таз — таз «двух драконов» (рис. 2) — находится на севереКитая, в г. Дальнем. Он отличается от описанных формой, рисунком, размерами, ноэффект при трении дает тот же.
Во всех этих тазах есть нечто общее, определяющее ихчудесное свойство: квадратные ушки на тонких и упругих бортах; выпуклые рисункисо спиралями, исходящими со сравнительно толстого дна, разрисованного выпуклымиволнистыми пли прерывистыми изображениями; большая разница в толщине бортов идонной части таза.
Секрет«кипения» воды — в колебательном движении. Это было установлено на примерепростого стеклянного сосуда с водой, который подвергали действию колебательныхдвижений определенной частоты. Нет никаких сомнений, что и сейчас можноизготовить чудодейственный таз, обладающий этим интересным свойством.
ЛИТАЯ РУКАПЕТРА ВЕЛИКОГО
Литейщикиуже давно выступают как летописцы. Их летописи мало стираются временем. Литыелетописи распространены особенно широко у народов, которые считают каллиграфиюодним из видов искусства, дополнением к живописи или к разным видам прикладногоискусства. По ним пишутся истории, восстанавливаются древние языки, уточняютсяподробности больших событий, социальный строй, взаимоотношения между народами ит. п.
Русскиелитейщики издавна прибегали к изображениям письмен на отливках. Это были инадписи на надгробных плитах, и своеобразная буквенная орнаментовка (например,сплошь покрытые текстом уральские плиты), и средство прославления властьимущих.
Чтобызапечатлеть чей-то облик, скульпторы снимали с лица умершего восковую илигипсовую маску, служившую литейщикам подлинником — моделью для литья бюста илибарельефа. Но литейщики подарили нам много интересного, ненарочитого,зафиксированного экспромтом. Таким получилось литое изображение руки ПетраВеликого.
ПетрI много внимания уделял развитию литейного дела в России: поощрял мастеров, самспециально изучал за рубежом ремесло литейщиков, приглашал к себе на работулучших западных мастеров, ревностно следил за работой литейных заводов, частобывал там. Рассказывают, что во время посещения одного из литейных цехов Петр Iслучайно оперся рукой на приготовленную к работе формовочную смесь и сделал наней отпечаток своей руки, то есть литейную форму, моделью которой послужила егорука. Конечно, литейщики не упустили такого случая, заполнили форму жидкимметаллом и получили литую копию кисти царя Петра I.
Влитом тексте на оборотной стороне отливки (несколько таких отливок хранится вГосударственном историческом музее в Москве) сообщается следующее: «Снимокъ съоттиска руки Петра Великаго сдЪланнаго Имъ на пескъ въ основан-номъ Имъ-жечугунно-литейномъ заводъ въ 1707 г. въ г. Липецк!.. Подлинникъ хранится въздаши Липецкихъ ми-неральн. водъ. Йен. на заводт. Бр. Миловановыхъ въ Ли-пецкъ».
Таклитейщики запечатлели руку человека, сделавшего необычайно много для развития отечественноголитейного производства.
ОТЛИВКА ДЛЯЦАРЬ-МОЛОТА
ЗнаменитыйМотовилихинский завод в Перми подарил миру не одну техническую диковинку, неодну уникальную отливку. Об одной из них — об огромной чугунной пушке — ужеговорилось. Не менее выдающейся была отливка для уникального Царь-молота.
Дляпроковки больших стальных пушек требовался кузнечный молот необычной мощности —ударной силы до 160 т (вес падающих частей больше 50 т). Такихмолотов мир еще не знал. Предельная мощность самых крупных молотов Европы иАмерики в то время составляла лишь 30 т. Мощный молот был спроектированНиколаем Воронцовым (впоследствии директор Петербургского горного института) и17 февраля 1875 г. на нем отковали первую болванку весом 1000 пудов вприсутствии русских и зарубежных специалистов. На нем можно было коватьболванки весом больше 3000 пудов. Но не только мощностью славился на весь мирэтот молот, а и своей точностью. В подтверждение этого проводились такие опыты.Под боек молота клали карманные часы, а вокруг них укладывали стальные брускизначительно большей высоты. Ударом молота стальные бруски осаживали(расковывали) в лепешки до толщины часов. Последним ударом стекло часовразбивалось, но сами часы оставались неповрежденными. Работа молота-гигантаудивляла весь мир, им интересовались А. М. Горький, Д. И. Менделеев, адмирал С.О. Макаров, А. П. Чехов и другие выдающиеся люди нашей страны.
Очертанияэтого молота придал памятнику на горе Вышке инженер В. Е. Гомзиков — участниксобытий 1905 г. в Мотовилихе. Таким образом, монумент революционным борцам сталв то же время и памятником техническому чуду, прослужившему более 60 лет.
Ноне меньшим чудом является часть этого молота — литой его шабот (стул), которыйс полным основанием можно назвать Царь-отливкой: это самая крупная в миреотливка — ее вес составил больше 600 т. Процесс литья такого шабота пограндиозности замысла, по остроумию самой техники его исполнения, по размаху идерзости инженерной мысли не имеет в мире себе равного.
Дляприблизительного представления о сложности технических решений и об искусстверусских литейщиков, создавших Царь-отливку, можно привести несколькоинтересных данных. Для размещения формы шабота потребовался кессон глубиной 40 м.Дно его располагалось на 25 м ниже уровня воды р. Камы, на берегукоторой велись эти работы. Литейщики понимали, что малейшее просачивание вформу подпочвенных вод и соприкосновение их с жидким металлом повлечет за собойвзрыв огромной разрушительной силы, брак уникальной и дорогостоящей отливки ичеловеческие жертвы. Поэтому создание надежного кессона явилось инженернойпроблемой большой важности. Трудности создания могут стать понятными и неспециалистам, если учесть, что большую часть глубины кессона пришлось рыть вусловиях плывунов, постоянного притока воды. По той же причине, вероятно,литейщики столкнулись с большими трудностями и при самой формовке.
Невероятныйтруд, изобретательность и внимание потребовались литейщикам для того, чтобыизбежать в таких крайне неблагоприятных условиях спекания (сплавления) металлаотливки с материалом формы. Даже в обычных отливках жидкий металл проникает впоры формы, сплавляется с ее материалом, что приводит к полной негодностиотливки. В форме же Царь-отливки давление жидкого металла в десятки разпревышало давление в обычных отливках. Кроме того, если залитый в обычную формуметалл пребывает в жидком состоянии в течение нескольких минут, а затемзатвердевает, то в форме Царь-отливки он находился в жидком состоянии, то естьв состоянии наиболее активного воздействия на стенки формы, в течение десятковчасов.
Улитейщиков, отливавших мотовилихинский шабот, не было забот, которые бы невырастали в проблемы, беспрецедентные в их решении: все было ново, трудно,необычно, без дорог, проторенных на других заводах, в других странах.
Огромныетрудности возникли при одной из заключительных операций литья — заливке формы.Литейщики считают заливку хоть и ответственной, но самой простой операциейлитья. Заливка же шабота превратилась в почти непреодолимую трудность. Гдевзять сразу почти 650 т чугуна? Такое количество чугуна — почти суточнаявыплавка крупной доменной печи того времени. Но доменной печи наМотовили-хинском заводе не было. Русские литейщики предлагают дерзкий, никем неповторенный план: построить возле формы специальный металлургический цех.Огромный литейный цех для одной заливки! И такой цех был построен. По мощностимало какие современные цехи могут с ним стать в ряд. Литейщики Мотовилихипостроили специально вокруг формы двадцать крупных вагранок. Целые сутки потребовалосьлитейщикам, чтобы вывести эти вагранки «на старт», то есть привести их всеодновременно в рабочее состояние. А затем уже началась плавка металла. Вагранкис учетом периода наладки работали непрерывно в течение 120 ч. Металл многиедесятки часов непрерывно лился из леток вагранок по каналам прямо в форму.Такого еще мир никогда не знал, это никому не удалось повторить. Заливка формыбыла завершена благополучно.
Началосьостывание металла. Через месяц в форме просверлили дыру и замерили температуруповерхности отливки: она составила почти 700° С. В течение почти трех месяцевтепло отливки использовали медники, паяльщики и другие рабочие для расплавленияолова, припоев и т. п. Только через три месяца с момента заливки колоссальныйшабот в 630 т вынули из формы, передвинули, перевернули и установили наместе расположения молота без подъемных кранов, с помощью одних рычагов иблоков. Беспредельны возможности ума и рук человеческих!
ЛИТОЙ ПАРОВОЗ
Веслитых деталей в общем балансе всех металлических заготовок для современныхмашин составляет около 50%. На долю заготовок, полученных всеми прочимиспособами (сваркой, штамповкой, прокаткой и т. п.), приходится остальная частьвеса машин. Такое преимущественное положение литья объясняется рядом егодостоинств, одно из которых состоит в том, что литьем можно получить деталипрактически любых габаритных размеров, веса и конфигурации.
Рис. 3. Литая рама паровоза. />
Эти преимущества литья широко используютсяконструкторами. При переходе к литым заготовкам они в одной сложной отливкесовмещают большое количество деталей, получаемых любым другим способом. Правда,это усложняет работу литейщиков, но приносит огромную экономию предприятию вцелом. Возможности совмещения в одной литой конструкции большого количестваотдельных деталей практически не ограничены.
Примеромобъединения большого количества кованых деталей в одной отливке может бытьпаровозная рама с цилиндрами (рис. 3). Обычно многие узлы ее представляютсамостоятельные отливки, поковки или детали, изготовленные из проката. Такая жеотливка включает в себе два паровозных цилиндра, раму паровоза и другие детали,отлитые заодно, словом, чуть не весь паровоз. Отливка получилась не толькокрупной, но и чрезвычайно сложной. Ее общая длина почти 15 м, ширинаоколо 3 м, общий вес около 7 т. Изготовление литой паровознойрамы было связано с чрезвычайно большими трудностями: понадобилась новаясложная оснастка (опоки и др.), возникла необходимость в специальных мерахпредупреждения трещин в отливках и т. д. Но зато значительно снизилась трудоемкостьмеханической обработки и сборки машины. И хотя литейщикам пришлось решитьтрудную технологическую задачу, они с ней справились хорошо — ими была созданауникальная в своем роде отливка.
Приизучении такой сложной отливки возникают вопросы: насколько целесообразноизготовление подобных отливок? Где должна быть граница объединения отдельныхпростых деталей в сложную литую? На эти вопросы можно ответить правильно лишьна основе глубокого экономического анализа каждого случая, на основе учетаобщих затрат как на подготовительные, так и последующие после процесса литьяоперации.
Длясовременного литейного производства случаи создания огромных и весьмаответственных отливок нередки. Отливки для турбин мощных гидростанций, крупныхкомпрессоров и прокатных станов, отливки из новых сплавов с особыми свойствами,способными удовлетворять требованиям работы в тяжелых условиях (при большихдавлениях, весьма низких температурах и т.п.), отливки чрезвычайной сложности иповышенной точности требуют каждый раз особых решений, больших научных поисков,часто становятся выдающимися произведениями искусства литья.