Колокольная бронза. Есть ли альтернатива?

Прежде всего, необходимо сказать, что сегодня существует 3 типа колокольных изделий, которые отличаются принципиально не только своим предназначением, но и своими характеристиками.

Церковные колокола. Они проектируются по модульному принципу (т.е. методом внешнего подобия), где диаметр, высота и толщина четко увязаны. Основным критерием качества русских колоколов является благозвучие (хотя определенный тон и художественное оформление также играет свою роль). У нас колокололитейщики используют чаще всего «русский» профиль, который предполагает получение обертонально богатых и «певучих» колоколов.

Сигнальные колокола (рынды). Эти колокола проектируются по упрощенному принципу в соответствии с ГОСТ 8117-74. Использование их самое разное, но основное требование к ним — это сила звучания (хотя некоторые образцы этих изделий не лишены определенного благозвучия).

Поддужные колокольчики. Они отличаются от колоколов тем, что по всей высоте имеют одинаковую толщину стенок. Их звучание часто имеет шумовой эффект хотя иногда с приятным звучанием.

Бронзовый благовестник колокольни храма Александра Невского

Бронзовый благовестник колокольни храма Александра Невского

Несомненно, колокола своему широкому распространению обязаны прежде всего церковному применению. Колокольчики известны человечеству давно, но в христианском мире в первые четыре столетия они использовались редко. Они делались литыми, кованными, клепанными, имели небольшие размеры и самую различную форму, но главное, они плохо звучали. Но вот в начале V века в провинции Кампания, центре медеплавильной промышленности бывшего Неаполитанского государства, стали отливать изделия в форме полевых колокольчиков. Колокола «зазвучали» и стали быстро распространяться по всей Европе.

Оптимальный состав колокольной бронзы определился уже тысячу лет назад — это 80 % меди и 20 % олова с разбросом соотношения 3 %. Именно при таком соотношении сплав, имея достаточную жесткость и прочность, обладает хорошими звуковыми качествами.

Неправильность в составе ведет к более быстрой порче колокола или к ухудшению акустических характеристик. Так, избыток олова делает колокол очень хрупким, но с более приятным звуком, а малое количество олова дает противоположный результат.

Но еще в давние времена было замечено, что на ухудшение акустических свойств колокольной бронзы сильное воздействие оказывают примеси, которых должно быть не более 2-3 %. Некоторые из них (свинец, железо, сера, мышьяк, алюминий) сильно влияют на звук в количестве даже сотые доли процента, другие (цинк, серебро) допускают большие пределы. Каких-либо экспресс анализов в колокололитейном производстве никогда не было и нет. Обычно чистота сплава достигается применением гарантированно чистых (не хуже 0,99) меди и олова. Использование старых колоколов и лома цветных металлов приводит всегда к ухудшению качества заливаемого сплава по причине содержащихся в них примесей и выгорания олова. Кроме того, колокольная бронза при переплавке становится более густой и хрупкой, происходит поглощение оловом кислорода и переход при этом металлического олова в оловянную кислоту, которая резко ухудшает звучание бронзы. Для исправления этого явления в расплав добавляют древесный уголь или фосфор (фосфористую медь), которые раскисляют оловянную кислоту.

Итак, колокольная бронза является сплавом желтого цвета с плотностью 8,6 кг/дм3 и температурой плавления 880°С. В изломе хороший сплав должен быть однородным, мелкозернистым, с серебряным (иногда серо-стальным) блеском.

Неоднородность в сплаве говорит о плохом перемешивании исходных металлов. Большие кристаллы в изломе указывают на недостаток олова, а чуть заметные кристаллы — на его излишек. При остывании жидкого расплава образуются кристаллические структуры, в том числе интерметаллид Cu 31 Sn 8, отвечающий за звуковые качества сплава. Чем больше образуется этого интерметаллида в сплаве, тем лучше звучит бронза. Этот процесс кристаллизации (ликвации) зависит от чистоты исходных материалов, температуры заливки и скорости охлаждения. Последние параметры оптимизируются опытным путем, так как при медленном охлаждении образуется больше интерметаллида Cu 31 Sn 8, но начинается расслоение меди и олова и медь, как более тяжелый металл, оседает вниз, делая сплав неоднородным.

Колокольная бронза имеет как отрицательные, так и положительные качества. Среди отрицательных свойств — это низкая морозостойкость, уже при температурах минус 20-25°С сплав становится очень хрупким, что может привести к расколу колокола. Колокольная бронза при малой пластичности (она не катается и не куется) имеет большой коэффициент температурного расширения, что в случае местного нагрева может привести к большим напряжениям вплоть до растрескивания. Колокольная бронза обладает еще одним недостатком, который был выявлен только в последнее время. Как и все сплавы, она подвержена «старению», в результате которого она становится рыхлой и ее звуковые качества изменяются (звук становится более низким и время затухания уменьшается).

К положительным свойствам следует отнести малый коэффициент усадки (1/65), что позволяет качественно отливать высоко художественные изделия. Но главное, колокольная бронза имеет самый низкий коэффициент затухания звука, что делает ее незаменимой при изготовлении таких ударных инструментов с самозвучащим телом, как колокола.

Так в чем же дело? Почему встает вопрос об её альтернативе? Дело в том, что запасы меди и олова, являющихся основой для колокольной бронзы, как в России, так и во всем мире весьма ограничены. Ситуация сейчас такова, что колокололитейщики все больше и больше встречают трудности с приобретением чистых материалов. Поэтому сейчас и у нас в России и за рубежом ведутся исследования по поиску альтернатив классической колокольной бронзе. Поиски ведутся в двух направлениях:

  1. Частичная или полная замена олова, как более дорогого и дефицитного материала.
  2. Поиск сплавов на основе совершенно иных компонентов, менее дефицитных и более дешевых.

В первом направлении исследования в России велись уже давно, в основном с более дешевым цинком и серебром. Оказалось, что прибавка цинка вместо олова, хотя и медленно, но ухудшает как механические, так и звуковые качества колокольной бронзы. Периодически были попытки отливать церковные колокола просто из латуни (т.е. из сплава меди и цинка), но потом отказались — уж больно был звук невзрачный (в то же время из латуни льют до сих пор рынды и поддужные колокольчики).

Устройство церковного колокола

Устройство церковного колокола

Что касается серебра, то специальные исследования, проведенные в начале и конце ХХ столетия, убедительно показали, что в колоколах никогда не было серебра и его добавки в колокольную бронзу ухудшают ее звучание. Откуда же тогда исходит молва — чтобы получить «серебряный звон» нужно добавлять в сплав серебро. Специалисты едины во мнении — в этих слухах, прежде всего, были заинтересованы сами литейщики, которые пожертвованное серебро (серебряные изделия) кидали не в сплав, а в топку. После остывания печи расплавленное серебро собиралось и отдавалось храму или же литейщикам в качестве вознаграждения за работу. Во-вторых, в изломе колокольная бронза имеет серебристый блеск от кристаллов олова, что в глазах народа подтверждало эту легенду.

Сегодня некоторые литейщики, видимо, вновь вспомнили об этой легенде. Так, в рекламе Балтийского завода говорится о необходимости добавки до 7 % серебра (конечно за счет заказчика), чтобы получить «самые благозвучные колокола в мире».

Интересные исследования были проведены в 1970-х годах в городе Апольде (ГДР) в колокололитейной мастерской Шиллингов. Ими был разработан и запатентован новый колокололитейный сплав, не содержащий олова, — марганцевая бронза: около 75 % меди, остальное, марганец, цинк, алюминий, железо, кремний, углерод. Подобрав языки из соответствующего сплава, авторы изобретения уверяют, что колокола из нового сплава звучат не хуже чем из оловянистой бронзы, но только менее «певучи».

Один из "серебряных" колоколов Эрфурта, посвященный Косьме и Дамиану. Мастер Якоб Кёниг, 1625 год

Один из «серебряных» колоколов Эрфурта, посвященный Косьме и Дамиану. Мастер Якоб Кёниг, 1625 год

Опыт немецких литейщиков говорит о том, что в данном направлении есть еще не раскрытые возможности. Действительно, за последние десятилетия появились новые марки бронз и латуней. Первичные испытания некоторых из них показали хорошие звуковые качества и здесь есть над чем подумать исследователям.

Что касается использования других материалов для изготовления колоколов, то проблема эта не нова.

Чугун

В нашей истории были периоды, когда вопрос замены колокольной бронзы другим сплавом, например чугуном, вставал ребром. Так, после нескольких поражений в Ливонской войне в 1570-х годах Русь лишилась большей части пушек, которые делались в то время как и колокола из оловянистой бронзы. В соответствии с указом царя Ивана Грозного все запасы меди и олова пошли на восстановление этих потерь. В этих условиях наши умельцы впервые попытались лить чугунные колокола, которые явно звучали хуже бронзовых и были менее долговечны.
Вторым таким крупным событием оказалось поражение Петра I под Нарвой в 1700 году, когда опять все наши пушки достались шведам. Чтобы их возместить, было изъято треть колоколов у Церкви, а все производство и использование бронзы было поставлено под жесткий контроль правительства. Опять мастера стали лить чугунные колокола. Но вскоре на Урале и других местах были найдены богатейшие запасы меди, а в Сибири олова. Так что к середине XVIII века Россия вышла на третье место в мире по их производству и вопрос об их дефиците для колокололитейного производства был снят.

Однако, как свидетельствуют исторические данные и дошедшие до нас образцы, все равно в центрах черной металлургии, созданных Петром I по всей России, продолжали отливать как церковные, так и сигнальные чугунные колокола. При этом мастера отметили одну особенность чугунных колоколов — чем больше их размер, тем лучше они звучали, приближаясь по звучанию к бронзовым. Поэтому в России очень часто лили многотонные колокола из серого чугуна. И хотя они быстро раскалывались, но были очень дешевые и их нетрудно было перелить заново.
Последняя вспышка массового литья чугунных колоколов была предпринята на Украине в середине 1990-х годов. На Днепродзержинском металлургическом комбинате решили оснастить все храмы республики дешевыми чугунными колоколами, но они настолько плохо звучали и так быстро кололись, что вскоре от этой затеи ничего не осталось.

Но не надо думать, что чугунные колокола пытались отливать только в России. Есть свидетельства тому, что их отливали и в Европе, и в Азии. Так, на звоннице Борисоглебского мужского монастыря (Ярославской обл.) висит 100-килограммовый чугунный колокол, отлитый в Германии в 1894 году.

Нам представляется, что возможности чугуна еще не исчерпаны. До сих пор колокола лили из самого дешевого (и плохо звучащего) серого чугуна с использованием традиционного профиля бронзовых колоколов. Согласитесь, что это слишком примитивно и с методической точки зрения не верно.

Сейчас намечены исследования в трех направлениях:

  1. Поиск таких сортов чугуна (легированных, ковких), которые совместно с определенной термообработкой давали бы улучшение качества звучания.
  2. Поиск своих оптимальных форм (профиля и соотношения основных размеров) для улучшения благозвучия чугунных колоколов.
  3. Поиск дополнительных мер для улучшения качества звучания, в частности путем проделывания в теле чугунных колоколов ряда сквозных щелей или отверстий (первичные исследования в этом направлении, проведенные в Московском Колокольном Центре, показали положительные результаты).

Как видим, ученным есть над чем поработать, но нужны серьезные исследования и просто так эту проблему не решить.

Сталь

Первые сведения о стальных колоколах относятся к XIX веку. Видимо, дешевизна малоуглеродистой и среднеуглеродистой сталей дали повод к экспериментальным попыткам отливки из них колоколов. Лучшие результаты были у среднеуглеродистой стали. Однако, как и с чугуном, лили стальные колокола примитивно, используя профиль бронзовых колоколов. Поэтому их отрывистый и жесткий звук напоминал больше лязганье, чем благозвучие. Есть сведения, что в ГДР в 1950-х годах пытались отливать стальные колокола и для улучшения их звучания использовали языки из латуни или других цветных металлов. Однако, дальше экспериментов это дело не пошло.

В 1990-х годах, пытаясь внести свою лепту в возрождении православного звона, в России некоторые наши оборонные предприятия решили предложить свои разработки. Так, Кирово-Чипецкий механический завод (г. Глазов) в ограниченном количестве стал производить колокола из циркониево-ниобиевых сплавов 110 и 125. Несмотря на то, что к этому проекту были подключены акустики и большие технические возможности, добиться большого успеха не удалось. Здесь также пошли по пути внешнего копирования формы бронзовых колоколов. Хотя колокола из этих сплавов звучали лучше прежних чугунных и стальных, но все равно заметно уступали по благозвучию бронзовым, да и храмы боялись покупать колокола из нетрадиционного материала.

Алюминий

В начале 1990-х годов во Всероссийском институте легких сплавов (Москва) были сделаны попытки литья церковных колоколов из некоторых алюминиевых сплавов, обладающих превосходными звуковыми качествами. Колокола получались певучие с приятным звуком. Причем, чем больше был их размер, тем лучше они звучали. Однако, при их эксплуатации вскоре выяснилось, что звуковое (ударное) кольцо быстро сминается от ударов языка, в результате колокол меняет свои звуковые характеристики и быстро раскалывается. Поэтому эти эксперименты не получили дальнейшего развития.

На Западе (Венгрия, США и др.) тоже пытались лить колокола из алюминиевых сплавов, но в основном малых размеров (сувенирные).

Титан

В начале 1990-х годов литейщиков колоколов также привлекли титановые сплавы, прежде всего из-за таких свойств как: малый удельный вес (вдвое меньше чем у бронзы), большая прочность и морозостойкость, стойкость к окислению. Попытки литья таких колоколов (в основном из сплавов ВТ5Л и ВТ20) были сделаны на Балашихинском литейном заводе (Московская обл.) и Павлоградском механическом заводе (Украина). Первые титановые колокола внешне копировали бронзовые и не отличались хорошим благозвучием (звук был довольно резкий и длился заметно меньше чем у бронзовых). Специальную термообработку колокола не проходили. Пытались улучшить звуковые характеристики путем подточки, но это не помогло (хотя к этим работам и были подключены акустики.

Вообще идея титановых колоколов была оригинальна и ее осуществление могли позволить себе только Россия и Украина, которые имели большие запасы этого металла и мощную базу по его производству (к тому же экспорт этого стратегического металла в любом виде всегда был ограничен). Однако после нескольких отливок данные работы были прекращены как в силу отсутствия интереса со стороны Церкви, так и резкого повышения цены на этот металл.

Другие сплавы

В Германии в начале XX века рекламировался как замена колокольной бронзы сплав никеля, меди и алюминия. Утверждалось, что по благозвучию он не уступает колокольной бронзе. Однако сведений о конкретных образцах из этого сплава не найдено.

Неметаллические материалы

Издавна умельцы многих стран пытались делать колокола из различных видов керамики, стекла, дерева и даже камня. В основном это были ритуальные или сувенирные изделия. Заметным исключением являются фарфоровые колокола города Мейссена (Германия). Эти колокола имеют своеобразную форму, отличную от бронзовых, и фарфоровые языки или молотки. Они обладают приятным звуком, но меньшей певучестью, что и определило их основное использование в курантах и карильонах.

Но эксперименты по поиску новых материалов продолжаются. В последнее время появились образцы колокольчиков из металлокерамики и стеклоуглерода. Однако это поделки энтузиастов-любителей, серьезных же исследований по-прежнему нет.

Как видно из выше приведенных фактов, проблема поиска альтернативы колокольной бронзе имеет длинную историю. В основном она решалась на базе практических потребностей и любительского эксперимента с копированием формы бронзовых колоколов и без серьезного привлечения науки (за исключением редких случаев). Да, к сожалению, данная проблема еще не привлекла к себе должного внимания ни материаловедов, ни металлургов, ни литейщиков. Нужны инициатива, средства и заинтересованность Церкви. Наша Русская Православная Церковь, конечно, выступает за сохранение традиций. Однако ситуация сегодня такова, что в России работают и восстанавливаются более 20 тысяч храмов. Из них более половины не имеют колоколов или используют рынды, поддужные колокольчики и металлические била различной формы (баллоны, рельсы, пластины и т.д.). Это не противоречит нашим традициям, но все-таки большинство храмов мечтает о бронзовых благозвучных колоколах. Способна ли наша колокололитейная промышленность обеспечить ими нужды Церкви в будущем? Пока, да. Но что будет дальше? Ясно одно — если такая проблема встанет со всей остротой в дальнейшем, то решить ее быстро будет трудно.

Виктор Шариков
руководитель Московского колокольного центра
Альманах «Машиностроение» №9, 15.09.2002

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *