Тоже о литье пушек.
Еще раз о пушках при ЛепантоПлавное изложение истории сражения при Лепанто вновь прервем небольшим отступлением, на этот раз о характеристиках артиллерии второй половины XVI века, которые вызвали наибольшее количество вопросов в комментариях к предыдущим постам.
читать дальше
Начнем с качества артиллерийских орудий, имевшихся на вооружении сторон в морском сражении 1571 года. Прежде всего отметим, что практически все корабельные орудия той эпохи большого и среднего калибра отливались из бронзы, – сплава, основными компонентами которого являлись медь и олово. Из железа изготавливали в основном малокалиберные стволы, находящиеся на вооружении сухопутных войск или частных парусных судов. Железные стволы как правило не отливали, а изготавливали путем сварки (горячей ковки) собранных в трубу железных пластин, охваченных железными же обручами. Литье железных орудий относится к более поздним периодам истории.
Отливка орудий из чугуна, попытки которой предпринимались еще в конце XV века, находилась пока на экспериментальной стадии. Низкое качество чугунных стволов приводило к довольно частым из разрывам. Поэтому появление «серийных» орудий из чугуна можно отнести лишь к XVII веку. В этом рассказе о них мы говорить не будем.
Назовем кратко основные этапы отливки бронзовых орудий.
1. Изготовление модели будущего орудия в масштабе 1:1.
2. Изготовление формы.
3. Плавка бронзы.
4. Литье.
5. Охлаждение готового изделия и освобожнение его от формы.
Для изготовления модели подбирали деревянную болванку-сердечник круглой или граненой конической формы соответствующих размеров, которую помещали на кóзлы. Вращая заготовку, на нее наматывали жгуты из соломы, стараясь приблизительно следовать будущей форме орудия.
Иллюстрация из «Энциклопедии» Дидро и Даламбера. Хотя эта и следующие гравюры относятся к более поздней эпохе, технология литья пушек из бронзы изменилась мало
Далее формовщики вручную наносили на сердечник слой за слоем глины, смешанной с песком и водой, давая каждому слою просохнуть на воздухе. Над последним слоем из жирной глины с шерстью работал опытный модельщик, придавая ему необходимую форму с помощью лекал.
Полученная модель была несколько длиннее ствола, в ней предусматривался воронкообразный прилив (materozza), в котором должен находиться избыток бронзы при заливке формы, обеспечивающий заполнение каверн и пустот при остывании изделия.
Затем к полученной модели добавляли цапфы (на расстоянии 0,3 длины ствола, считая от казенной части) и наносили орнамент из воска с помощью специальных форм. Всю модель покрывали слоем расплавленного воска, чтобы обеспечить более легкое последующее ее извлечение из формы.
После того, как модель хорошо просохнет, начинали изготовление литейной формы. Материалом служила смесь глины и песка. Материал для первого слоя разводили водой до такой степени, чтобы можно было наносить его с помощью кисти. Каждый слой просушивали на воздухе, так как наличие внутри воска не позволяло использовать подогрев. После накладки четырех-пяти первых слоев, начинали использовать более жесткую глину, и слегка подогревать форму для ускорения сушки. Таким путем доводили толщину стенок формы до четырех-пяти дюймов, в зависимости от калибра орудия (в дальнейшей истории толщину стенок крупнокалиберных орудий доводили до 300 мм). На верхний слой крепили каркас из металлических полос, связанных проволокой, для придания жесткости всей форме. После окончания просушки всех слоев глины на воздухе извлекали из формы модели цапф, а образовавшиеся отверстия заделывали глиной
Затем следовала окончательная просушка формы путем разведения под ней огня.
Готовую форму снимали с козел и извлекали из нее сердечник, за которым следовал соломенный жгут, разматывая который можно было освободить всю полость будущего ствола. После этого ствол ставили вертикально на железную подставку
Разводили огонь, в результате чего выплавлялись восковые модели декоративных украшений и ручек орудия, а также плавился нанесенный ранее слой между моделью и формой. Верхняя часть модели, ставшая после обжига хрупкой, легко разрушалась и извлекалась, оставляя чистую форму для отливки. По мере совершенствования технологии на этапе формовки модели делали специальные канавки, которые заполняли сначала соломой, а впоследствии канифолью. Эти канавки облегчали разрушение и извлечение модели из формы. Сердечники, как правило, использовались многократно. Затем в получившуюся форму вставляли новый сердечник, но уже по форме будущего канала ствола, и форма ствола была готова к заливке металла. Форму казенной части как правило изготавливали отдельно от формы ствола, после чего обе формы соединяли вместе.
Обсудим теперь важный вопрос: состав сплава для изготовления орудийных стволов. В годы высшего расцвета технологии отливки бронзовых орудий в начале XIX века артиллерийская бронза содержала 80 процентов меди, 10 процентов олова, 1 процент кремния и 2 процента цинка. Цинк обеспечивал лучшую текучесть расплавленной бронзы, тем самым снижал количество пор и каверен в отливке. Кремний (в различных бронзах его содержание колебалось от 0,03 до 1,5 процентов) уменьшал содержание в сплаве оксидов, что повышало твердость и износостойкость бронзового орудия.
В Венеции XVI века была изобретена технология, которая значительно повысила качество выплавляемой бронзы. Когда медь и олово (которые составляли 90 % состава будущего сплава) достигали в процессе плавки жидкого состояния, в расплав добавляли 10 процентов так называемой «венецианской латуни» (laton), представляющей собой сплав меди с добавлением минерала каламин (водосодержащий силикат цинка, современное название гемиморфит. Его состав (в %) 67,5 ZnO; 25 SiO2; 7,5 H2O). Благодаря добавке каламина в сплав вводили цинк и кремний. (Дело в том, что цинк в чистом виде был выделен А.С. Маргграфом лишь в 1746 году, почти два века спустя после рассматриваемой нами эпохи.) В одном секретном венецианском документе XVI века о составе артиллерийской бронзы написано: «per ogni mier de rame £ 80 de stagnio et £ 100 latton ...» («на каждую тысячу фунтов меди 80 фунтов олова и 100 фунтов латуни…»). К подбору исходных материалов для артиллерийской бронзы венецианцы подходили очень строго. На подконтрольных республике территориях было достаточно месторождений медных руд, в частности, большое месторождение находилось в районе Агордо неподалеку от Венеции, однако даже после предварительной очистки эти руды уступали привозным из Тироля. Поэтому правительство Венеции предпочитало покупать медь у германских купцов, несмотря на то, что цены на привозную медь после войны Камбрейской лиги подскочили с 40 до 70-80 дукатов за тысячу фунтов. Первоначально и латунь для изготовления качественных сплавов покупали в Германии, однако затем миланец Santin del Re нашел “… un nuovo modo di far latoni migliori de i Todeschi ….” (новый способ изготовления латуни, превосходящей латунь из Германии…). Ему было предложено вознаграждение в размере трех дукатов в месяц в обмен на поставки этой латуни а Арсенал по цене 4 дуката за каждую тысячу фунтов сплава. Современные исследования показали, что состав венецианской артиллерийской бронзы обеспечивал очень низкий по тем временам коэффициент линейного расширения - 0,77 %, а следовательно – высокое качество изготовленных из нее орудий.
В 1974 году был проведен химический анализ венецианской артиллерийской бронзы, образцы которой взяли из орудий, находящихся в Историческом военно-морском музее Венеции. Работы были организованы известным историком флота John Guilmartin в Лаборатории ВВС США. В доставленных образцах содержание олова составило от 3 до 10 %. Результаты количественного анализа бронзы образца, взятого у дульного среза, приведены в следующей таблице:
К этим данным надо подходить с осторожностью: состав сплава у поверхности изделия может сильно отличаться от состава в его внутренних областях. Посмотрим на диаграмму состояния медь-олово
Диаграмма состояния медь-олово, фрагмент
Как видно, температура плавления чистой меди 1083°С. Присутствие олова снижает температуру плавления сплава, в зависимости от концентрации олова, до 1030-820°С.
По мере остывания отливки происходит кристаллизация сначала фазы, содержащей небольшой процент олова, и лишь с понижением температуры начинают отвердевать фазы с большим содержанием олова: около половины всего изделия кристаллизуется в форме α-фазы, затем, при достижении содержания олова в оставшемся растворе до 18% происходит выделение переходной β-фазы, которая в дальнейшем переходит в композицию α- и δ-фаз. По этой причине у достаточно длинных отливок, находящихся в вертикальном положении (а именно к таким изделиям относятся артиллерийские стволы) состав сплава далек от гомогенности, и следовательно по характеристикам поверхностных слоев нельзя судить о составе бронзы во внутренних частях изделия.
В следующий раз продолжим обсуждение этого вопроса, подключив к нему характеристики бронзовый орудий из Османской империи.