Производство металлических отливок в древнем Китае

К 500 году до н.э. в Китае уже существовал технологически совершенный способ стопочного литья: одновременной заливкой металлом многоярусных форм получалось большое количество одинаковых изделий.

Одной из наиболее распространенных технологий древности, восходящей по крайней мере к династии Ся (с XXI по XVI в. до н.э.), является бронзовое литье в Китае. Менее известно за пределами Китая достижение первого тысячелетия до нашей эры — массовое производство железных (то есть из сплавов на основе железа) отливок. Китайские литейщики отливали монеты, пряжки для конских сбруй, детали упряжи, повозок и другие мелкие изделия способом стопочного литья, что позволяло производить их в больших количествах.

Суть метода состояла в том, что формы ставились одна на другую стопкой и заливались расплавленным металлом через общий стояк. Одновременно можно было заливать десятки форм, экономя при этом и металл и топливо. Метод стопочного литья, возникший в Китае между 800 и 500гг. до н.э., применяется и по сей день.

Остатки литейных производств, использовавших указанную технологию, были обнаружены в провинциях: Хэнань, Шаньдун, Шэньси и Цзянсу во время недавних археологических раскопок. Пожалуй, самой значительной находкой, сделанной около десяти лет назад, явилась обжиговая печь, которую обнаружили западнее г. Вэньсяня сотрудники Хэнаньского провинциального музея Ли Цзинхуа и Тан Вэнсин. Печь была основной частью крупного литейного производства периода Восточной Ханьской династии (с 24 по 220 г. н.э.).

В печи нашли несколько сотен не пострадавших от времени комплектов форм, конструкция которых
позволяла за один цикл получать более 80 отливок. Многие формы так хорошо сохранились, что исследователям удалось отлить в них металлические изделия точно так же, как это делалось почти 2000 лет назад.

Процесс производства

Для производства литейных форм использовалась как жидкая масса, так и густая пластичная глина. Форму нужной конфигурации можно получить, вдавливая в кусок густой глины деревянную или металлическую модель либо обмазывая ее жидкой глиной и слой за слоем просушивая. В этом случае модель извлекается из точно повторяющей ее конфигурацию затвердевшей оболочки. Полученные формы использовались многократно.

Для удаления из глины остатков влаги, уменьшения возможности образования паровых пузырьков, вызывающих дефекты на поверхности отливок, и повышения прочности литейных форм их просушивали и подвергали обжигу. Обжиг необходим еще и потому, что расплавленный металл, залитый в вынутые из печи горячие формы — как это делалось в вэньсяньской литейной, — затвердевает медленно, заполняя все полости формы.

Обжиговая печь со сложенными стопкой формами в том виде, в каком она была воссоздана исследователями. Цветными стрелками показан путь горячих газов. Вэньсяньская печь имела 3 м в ширину и 7,4 м в длину. Температура в печи, очевидно, превышала 700 °С.

Замедленное остывание расплава было чрезвычайно важно, так как многоярусные формы вэньсяньской литейной имели очень узкие литниковые каналы, соединяющиеся со стояком, а преждевременное затвердевание металла в этих каналах могло привести к дефектам в отливках. Вместе с тем увеличение диаметра каналов не упростило бы само производство.

В то время китайцы применяли не обычный серый чугун, известный на Западе, а белый, твердость которого значительно выше, и, чем шире были бы каналы, тем больше литники, которые необходимо срезать с отливок, приложив в этом случае больше усилий для обработки изделий, что в свою очередь снизило бы производительность труда.

Бронза — первый сплав, литье которого осуществлялось в Китае в больших масштабах, в основном состоит из
меди. Но поскольку залежи медных руд значительно уступают залежам железных, неудивительно, что постепенно в Китае, как и во всем мире, основным «рабочим» металлом становится железо. В Европе и в Азии, вплоть до Индии, первые железные изделия производились с помощью плавки и последующей ковки. В результате плавки получали пористую, наполненную шлаками заготовку, из которой во время ковки «выбивали» большую часть вязкого шлака. Затем железо нагревалось в горне и обрабатывалось молотом на наковальне, превращаясь в орудия труда, оружие, украшения.

Иным было производство железа в Китае. В отличие от европейцев и народов Западной Азии китайцы, используя больше топлива и нагнетая больше воздуха в плавильные печи, создавали условия для полного расплавления железной руды и получали металл, богатый углеродом и свободный от шлака.

Углерод — важный компонент, так как с повышением его содержания в сплаве снижается точка плавления металла. Так, чистое железо начинает плавиться только при температуре 1535 °С, и вплоть до XIX в. не удавалось получить такую температуру плавления. Если же сплав на основе же-леза содержит 4,3% углерода, то он полностью переходит в жидкое состояние при температуре 1130 °С, что лишь примерно на 80 °С выше температуры плавления бронзы.

Обнаружив это свойство, китайские литейщики, в совершенстве владевшие искусством бронзового литья, применили уже существующую технологию к обогащенному углеродом металлу, используя при этом сырье, имевшееся в изобилии.

Формы, изготовленные 2000 лет назад, составили стопкой, соединили и залили расплавленным металлом. В результате археологи получили 18 конских мундштуков (слева) и семь осевых втулок (справа). Втулок меньше, так как их высота больше.

Металлические модели обеспечивали массовое изготовление глиняных форм: а — вырезанная из дерева копия половины металлической пряжки; б — воспроизведение негативного оттиска в ящике с глиной; в — две негативныекопии из глины; г — форма из двух глиняных половинок для получения металлической модели; л — готовая металлическая модель, использовалась для производства сотен глиняных форм для пряжек е.

Особенности китайского литья

К середине первого тысячелетия до нашей эры производство отливок из железоуглеродистых сплавов получило широкое распространение в Китае. Из них делали орудия труда — топоры, молотки, лопаты, мотыги, лемехи плугов; украшения — пряжки, кольца; предметы домашнего обихода — горшки, жаровни; детали упряжи, повозок, оружие. Примерно с 300 г. до н.э. до 1100 г. н.э. — период значительного технического прогресса.

Скорее всего это был и период роста народонаселения. Связующим фактором этих процессов может служить железный плуг. Человеку стало под силу не только обрабатывать освоенные участки земли, но и распахивать целину. Именно плугом с железным лемехом поднимались в XIX в., к примеру, девственные прерии в Северной Америке. В Китае, как и в других странах, сначала плуг был деревянным.

Поэтому нетрудно представить себе, что появление железного плуга к концу первого тысячелетия до нашей эры произвело революцию в расширении площади пахотных земель, увеличении производства продуктов питания, что в свою очередь способствовало резкому росту населения страны. С развитием сельского хозяйства и ремесел стала возрастать потребность в транспортных средствах, в металлических изделиях для повозок и экипажей. В это время и появилась литейная в районе Вэньсяня.

В обжиговой печи этой литейной получали в основном металлические отливки для транспортных средств на
конной тяге. С помощью 500 наборов форм, найденных археологами, можно было изготовить 16 видов различных изделий 36 размеров. Среди них — мундштуки для удил, кольца и пряжки для сбруй, а также арматура для повозок: подшипники и осевые втулки. Кроме того, здесь были формы для литья гирек к безменам — простейшим рычажным весам, которые и по сей день можно встретить на рынках.

Три яруса стопочных форм открылись взору археологов во время раскопок около Вэньсяня. С помощью 500 найденных форм можно было изготовить 16 видов изделий 36 размеров.

В этот же период в других районах Китая для производства отливок применялись металлические формы (кокили). Правда, их использование ограничивалось литьем изделий несложной конфигурации: лемехов для плугов, топоров, мотыг и т.п. Соединяя полуформы кокилей, получали готовую литейную полость для заливки расплавленного металла. Подобные формы «постоянного пользования» отличались прочностью, имели толстые стенки, а их теплопроводность была значительно выше, чем у глиняных форм. Сборка кокиля, заливка расплавленным металлом, его затвердевание и извлечение горячей отливки занимали
считанные минуты — и кокиль вновь был готов для следующей заливки.

По сравнению с методом стопочного литья использование кокилей увеличивало производительность труда и
уменьшало себестоимость продукции, но сводилось лишь к изготовлению несложных отливок. И хотя подобные формы не были обнаружены в районе Вэньсяня, сам факт, что около двух тысячелетий назад в Китае применялись как металлические, так и глиняные формы, говорит о том, что любой метод, дающий увеличение выпуска продукции, внедрялся в литейное производство.

Чем же объясняется столь ранний расцвет технологически сложного литейного дела в Китае? Археологические раскопки подтверждают, что мастера прошлого обладали и незаурядными способностями и известной изобретательностью. Но при соответствующих условиях любой литейщик в любой стране и в любое время мог бы изобрести стопочное литье. Каковы же тогда были условия для этого в Китае?

Во-первых, наличие базовой технологии: задолго до возникновения черной металлургии в Китае процветало литье бронзы и гончарное производство. Во-вторых, социальные условия, служившие предпосылкой для технического развития страны. Представляются очевидными технологические и экономические преимущества в первом тысячелетии до нашей эры именно массового производства орудий труда, деталей
упряжи, украшений и прочего из доступного и дешевого сырья. Действительно, чем меньше стоил товар, тем
больше был на него спрос.

Поэтому значение факта появления стопочного литья, интересного самого по себе, неизмеримо возрастает в свете изучения социальных условий, в которых такое техническое новшество могло возникнуть.

Стопочное литье явилось важной ступенью в развитии литейного производства на заре китайской металлургии. Оно продолжает использоваться и по сей день. Например, на современном литейном заводе в Фошане в провинции Гуандун с помощью стопочного литья производятся шестерни и другие точные отливки, требующие строгого соблюдения размеров и хорошей подгонки.

Находки, сделанные в Вэньсяне и других районах Китая, не только дают китайцам возможность понять и
оценить наследие, но и способствуют дальнейшему прогрессу. Как писал Уайлдер, историк и эксперт в области технологии:

«Мы изучаем прошлое, потому что наше настоящее и будущее есть его продолжение. Оглядываясь назад, мы лучше видим то, что впереди».

Автор: Хуа Цзюемин

Жми «Нравится» и получай только лучшие посты в Facebook ↓

Производство металлических отливок в древнем Китае