Kovolití

Úvod

Odlévání kovů slouží odpradávna k výrobě jak užitkových tak dekorativních předmětů. Tato technologie umožňuje zpracovávat kovy, které nejde snadno zpracovávat do jiných tvarů např. kováním a zároveň umožňuje vyrobit předměty prakticky jakéhokoli tvaru, jehož výroba jiným postupem by byla nemožná či neposkytovala dostatečnou kvalitu.

Tento pracovní postup nabízí jako jediná pravěká technologie možnost výroby naprosto identických výrobků a s tím související vysokou produktivitu výroby. Nevýhodou odlévání je především vysoká náročnost na přípravu a vysoká provázanost jednotlivých částí procesu které vedou k výrobě finálního výrobku. Tedy pokud se jedna z částí procesu selže, selže celý proces. Např. nekvalitní uhlí, nevhodné rozměry výhně, netěsnící či vlhké formy, atd. Výčet věcí, který může neblaze ovlivnit celý proces je rozsáhlý a žádný začínající kovolitec by se jím neměl nechat odradit.

Použité materiály a vybavení

Při odlévání kovů je třeba mít připraveno celou řadu vybavení a materiálu, v následujících odstavcích se zmíníme o vybavení nutném pro odlévání v experimentálních podmínkách.

Odlévaný materiál

Odlévat lze prakticky všechny kovy, avšak pro účely experimentální archeologie jsou podstatné především:

Dřevěné uhlí

K roztavení kovu je potřeba dosáhnout odpovídající teploty tání. Při tavbě olova či cínu snadno vystačíme s malým ohýnkem ze suchého dřeva. Pro dosažení vyšších teplot je však již potřeba používat topení výhradně dřevěným uhlím. Dřevěné uhlí si můžeme jednak vyrobit sami v milíři nebo koupit dřevěné uhlí na grilování.

Výheň - tavicí pec

Výheň je místo, ve kterém se snažíme spalováním dřevěného uhlí a vháněním vzduchu z měchů dosáhnout teploty potřebné pro roztavení kovu umístěného v nádobce (tyglíku). Rozměry výhně odpovídají rozměrům tyglíku a jeho rozměry odpovídají množství taveného kovu. Naše zkušenosti ukazují, že vnitřní okraj výhně by měl být přibližně o 5-10cm větší než průměr tyglíku. Pokud by průměr byl menší nebude v prostoru okolo tyglíku dostatek uhlí a nebude tak možno dosáhnout dostatečné teploty. U příliš velké výhně nedochází ke spalování dřevěného uhlí rovnoměrně okolo tyglíku a vznikají místa v blízkosti tyglíku, kde uhlí hoří pomalu a nevydává tedy takovou teplotu jakou potřebujeme pro tavbu.

Výška výhně je ovlivněna několika faktory. Čím je vyšší tím více uhlí se do ní vejde je tedy možné v ní dosáhnout vyšší teploty a zároveň se zlepšuje tah vzduchu, který usnadňuje dmychání (výheň se chová jako komín, čím vyšší tím více nasává vzduchu). Výška je omezena možností manipulace s tyglíkem uvnitř výhně (uložení, vyjmutí, přidání materiálu). Výheň by měla být co nejvyšší, zároveň však dostatečně přístupná pro práci s tyglíkem - což je ovlivněno použitými nástroji pro vyjmutí tyglíku.

Pro přívod vzduchu slouží tzv. dyzny, keramické "trubky" které zajišťují snadný průchod vzduchu z měchu do prostoru výhně. Zároveň směrují proud vzduchu, což je faktor, který významně ovlivňuje postup vzduchu uvnitř výhně a tím efektivitu dmychání. Není vhodné aby proud vzduchu mířil přímo na tyglík, vzduch prochází jen malou částí uhlí, zároveň dochází k ochlazování tyglíku a po "nárazu" vzduchu na tyglík dojde k rozbití proudu vzduchu, který se rozptýlí v okolo s malým efektem. Výhodnější je směřovat proud vzduchu podél tyglíku, vzduch prochází větší vrstvou uhlí, které bezprostředně sousedí s tyglíkem, a dochází k cirkulaci vzduchu v uvnitř výhně, což má za následek efektivnější hoření uhlí v prostoru okolo tyglíku. S orientací směru proudu vzduchu souvisí i prostorové rozležení dyzen po obvodu výhně. Je důležité, aby tyglík byl zahříván pokud možno ze všech stran rovnoměrně (omezuje se tím praskání tyglíku) a zároveň bylo dosaženo co nejvyšší teploty. Pozor! Při rozmisťování dyzen je třeba dbát na to, aby nemířily vzájemně proti sobě, při dmychání je pak vháněn jedním měchem do druhého plamen. Počet dyzen je přirozeně ovlivněn počtem měchů, čím více tím lépe. S počtem měchů však souvisí i počet mněchajících a následně prostor okolo výhně. Dyzna se nejlépe vyrábí obalením klacku hlínou, tloušťka trubky 2-3cm, dálka 10-15cm (záleží na konstrukci výhně). Klacek se po úpravě tvaru (na kráse nezáleží) vyjme a dyzna se nechá ve stoje vyschnout před umístěním do výhně nemusí být dyzna vypálena (výpal je vhodný pro zvýšení pevnosti v případě, že budeme dyzny převážet). Dyzna není pro konstrukci výhně nutná, může být nahrazenou pouhou dírou v těle výhně, avšak na rozdíl od díry nezmění svůj tvar a lépe vede vzduch.

Na dně výhně, kterou používáme je tzv. špalek, na kterém stojí tyglík, jenž umožňuje lepší kontakt uhlí s tyglíkem a zároveň vytváří prostor kam se propadá popel, nespalitelný materiál a jiné (např. kov z prasklého tyglíku). Špalek je z obyčejné jílové hlíny, kterou vymodelujeme do varu válce vysokého cca 8-10cm a průměru jako je vnější průměr tyglíku.

Samotná stavba výhně je relativně nenáročná, na základě předchozí úvahy o rozměrech výhně vybereme vhodné místo s dostatkem prostoru okolo a bezpečné vzdálenosti od stromů či jiných míst, která by mohla být ohněm poškozena. Vyhloubíme v zemi díru, lehce ji vymažeme jílovitou hlínou. Jamka by měla být hluboká tak, aby proud vzduchu z dyzen mířil zhruba do poloviny tyglíku stojícího ve středu naší jamky. Dyzny by zároveň měly být tak vysoko, aby se k nim snadno připojily měchy. Jako další krok je stavba těla výhně ze směsi jílovité hlíny s lehkou příměsí sena nebo trávy. Hlína by neměla být řídká, aby konstrukce při stavbě příliš nesedala. Tvar těla výhně je válcovitý, pouze na vrcholu je dobré výheň lehce zaklenout. Vnitřek výhně je dobré vyhladit, jelikož výstupky se vlivem žáru ve výhni natavují, uvolňují a padají v průběhu tavby na dno výhně a zanášejí tak její spodní část.

Měchy

Pro dosažení co nejvyšších teplot je nutno vhánět do prostoru výhně vzduch pomocí měchů. Množství potřebného vzduchu závisí především na velikosti výhně, její konstrukci a době za kterou požadujeme roztavení kovu. Naše provedení výhně si vyžaduje pro roztavení 2dcl bronzu cca 300-500litrů vzduchu (používáme dva měchy).

Druhů měchů je celá řada, a hlavními parametry jsou objem, účinnost a čas potřebný pro cyklus "nádech-výdech". Nejjednodušším měchem, který se nám osvědčil je měch bez jakékoli komory s manuálně ovládanou záklopkou. Je vyroben z dvou dřevěných desek, koženky (kůže je mnohem lepší, je však dražší), kožených pantů a trubky (kov, dřevo). Koženka je k deskám připevněna pomocí lepidla a hřebíčků, lze použít i možnost pomocí silných kožených pásků a hřebíčků.

Kleště

Pro práci se žhavým materiálem se používají dlouhé kovářské kleště, pro samotné odlévání jsou vhodné dlouhé kleště se zahnutými čelistmi. Minimální počet kleští jsou jedny zahnuté na odlévání a jedny rovné používané při samotném odlévání k odpichu nečistot (viz. Odlévání). Při odlévání lze používat i speciální typy kleští, sloužící k vyjmutí tyglíku z výhně nebo určené k odlévání kovu z velkých tyglíků ovládané dvěma litci (viz obrázek).

Formy

Na celém procesu odlévání jsou nejdůležitější formy, neboť na nich závisí jaký výrobek nakonec bude. Více se dozvíte, v kapitole věnované formám.

Tyglík

Je nádoba, která je uložena ve středu výhně, uvnitř které je tavený kov. Zároveň je z této nádoby kov odléván do forem. Z toho plynou požadavky kladené na tvar a materiál tyglíku. Jeho velikost odpovídá požadovanému množství odlévaného kovu. Pozor! Čím více roztaveného kovu tím déle vydrží v tekutém stavu. Naopak příliš malé tyglíky, ačkoli nabízejí možnost zmenšení všech odvozených rozměrů, mají hlavní nevýhodu spočívající v rychlém chladnutí kovu, které může zapříčinit vznik nekvalitních odlitků. Jako materiál je vhodné používat šamotovou hlínu, která dobře snáší jednak vysoké teploty, ale především prudké teplotní rázy. Tloušťka stěn tyglíku musí být odpovídající zejména jeho hmotnosti. Čím větší (těžší) tyglík je tím musí být stěna silnější. Tyglík zhruba na 2-3dcl má sílu stěny okolo 1-1,5cm. K tyglíku též patří víčko, které zabraňuje padání uhlí a jiných nečistot do tyglíku. Víčko je kulatá placka ze šamotové hlíny s ouškem pro snadnou manipulaci. Jeho průměr je stejný jako vnější průměr tyglíku a tloušťka odpovídá tloušťce tyglíku. Tyglík by měl být vyšší než širší, zároveň však dostatečně stabilní, aby se snadno nepřevrhl. Vnitřek tyglíku je vhodné mírně vyhladit, aby nevznikala místa na kterých by se mohly zachycovat nečistoty a zároveň hladké stěny usnadňují vyčištění po odlévání od zbytků kovu a strusky.

Drobnosti, na které se zapomíná

Formy

Je několik základních typů forem, které se k odlévání používají. Základní dělení forem je na jedno či více použití.

Materiál na výrobu forem je velmi rozmanitý, nejjednodušší na výrobu jsou formy ze sádry, které však slouží pouze pro usnadnění práce, nelze je však rozhodně považovat za obdobu pravěkých forem. Tyto formy je důležité před odléváním důkladně předehřát, aby nedošlo k uvolnění vody do tekutého kovu, což vede k vzniku dutin uvnitř odlitku a zároveň velmi nebezpečnému prskání kovu. Materiálem na výrobu pravěkých forem je především keramická hlína. Tento materiál má celou řadu dobrých vlastností, počínaje plastičností, po vypálení pevností a možností odvádět při odlévání část vzduchu do těla formy. Nevýhodou je však problém sesychání hlíny před výpalem, které vede k změnám rozměrů a často i k ohýbání či jiné deformaci. Proto je velmi důležité sledovat proces schnutí a formu stavět při schnutí tak, aby nedocházelo především k tvarové deformaci formy. V pravěku velmi často používaným materiálem pro výrobu forem byl kámen, a jednak pískovec, ale i mastek a jiné horniny, které se dají dobře opracovávat a zároveň dobře snášejí vysoké teploty a jejich prudké výkyvy. Nejkvalitnějším materiálem na výrobu forem na více použití je bronz. Jelikož s rostoucím počtem lití klesá přesnost a kvalita formy (drobná poškození při vyjímání odlitků, etc.) je nutné formy z jiných materiálu po čase vyřadit. Zatímco kovové formy si dlouhodobě udržují vysokou přesnost a kvalitu (až 50lití) kamenné či keramické formy lze použít zhruba 10-15krát. Jejich nevýhodou je přirozeně velká náročnost výroby a zároveň nutnost přítomnosti vzduchových kanálků pro odvod vzduchu z formy. Vzduchové kanálky jsou součástí všech forem s tvarově náročnějšími odlitky, aby nevznikaly v odlitku dutiny do kterých se díky zadrženému vzduchu nedostal kov. Součástí formy je i nálevka, která slouží pro přívod tekutého kovu do formy a svým tvarem usnadňuje odlévání (tvar trychtýře).

Před samotným odléváním je vhodné formy předehřát v samostatném ohništi, při předehřátí se odstraní poslední zbytky vlhkosti na povrchu formy a zároveň se zlepší kvalita odlitků.

Tavba kovu

Jestliže jsme nashromáždili a vyrobili vše potřebné můžeme se pustit do odlévání. Nejprve je třeba zatopit ve výhni, pokud je výheň používána poprvé je třeba ji nejprve důkladně vysušit. Topit v ní dřevem zhruba 1-2hodiny a postupně v ní zvyšovat teplotu dmycháním. Vynecháním tohoto kroku sice dosáhneme stejných výsledků při odlévání, avšak za cenu vysoké spotřeby dřevěného uhlí a podstatně delší doby potřebné k roztavení kovu. Jestliže používáme již vysušenou (a částečně vypálenou) výheň stačí v ní rozdělat oheň a nějaký čas ji roztápět dřevem, tak aby byly žhavé uhlíky uvnitř celé výhně.

Zatímco se roztápí výheň naplníme tyglík, kousky kovu který chceme tavit. Pokud se do tyglíku nevešlo tolik kovu kolik odpovídá jeho velikosti a vašim požadavkům není třeba zoufat. Po té co se kov roztaví je možné přidat další kov, prodlouží se tím sice doba tavby, ale není nutné dělit kov na malé kousky které by umožnili efektivnější naplnění tyglíku. Pokud víčko na tyglíku nesedí z důvodu vyčnívajících kousků kovu raději uberte kov, jelikož by se tyglík v průběhu tavby zaplnil nečistotami, které mohou způsobit zničení celé várky kovu (není nutné aby, víčko přiléhalo, stačí když dobře dosedá).

Po té, co je výheň řádně roztopena, vložíme dovnitř tyglík tak, aby dobře stál na špalku, a přiklopíme jej víčkem. Následně zasypeme výheň dřevěným uhlím a velmi pomalu dmycháme aby se tyglík nezahřál příliš rychle a neprasknul. Postupně zvyšující se rychlostí dmychání zvyšujeme teplotu a průběžně přikládáme uhlí a občas je sklepáváme do spodní častí výhně. Je velmi důležité aby uhlí bylo zejména před ústím dyzen, kde je nejvyšší teplota. Pokud tavíme cín či olovo nemusíme používat dřevěné uhlí a výheň, vystačíme si s ohništěm a dřevem. Jestliže tavíme jiný kov snažíme se uvnitř dosáhnout co nejvyšší teploty. Teplotu můžeme posuzovat podle barvy žhavého uhlí, září-li bíle jako žárovka dosahujeme v tomto prostoru teploty nad 1000°C. Doba tavby je ovlivněna množství taveného kovu, kvalitou výhně, množství vháněného vzduch a kvalitou uhlí. Tavba 3dcl kovu trvá obvykle okolo 40-60minut. Pokud je ve výhni již alespoň 5minut bílý žár je možno otevřít na chvíli tyglík a podívat se jak probíhá tavba či přidat další kov pokud je potřeba. Pozor! Každé otevření tyglíku nás stojí spoustu tepla a tedy času. Z toho důvodu není dobré dívat se do tyglíku zbytečně, ideální je pokud otevřeme tyglík právě kvůli jeho vyjmutí a odlití kovu.

Odlévání

V průběhu tavby je dobré dát předehřát formy, na to je potřeba zhruba nejméně půl hodiny (záleží na tom jak topíme v ohništi). Po předehřátí umístíme formy na místo určené pro odlévání a uložíme je do polohy určené pro lití, tak aby se nepřevrátili a byly dobře srovnané s terénem (důležité zejména u forem na volnou hladinu).

Když je kov v tyglíku roztaven je dobré zhodnotit jak teče. Tekutost je ovlivněna především teplotou, čím vyšší je teplota tím menší viskozita tekutého kovu a tím lépe se kov odlévá. Nejlepší je používat kov, který se chová jako voda nebo rtuť, zároveň je důležité, aby byl kov roztaven pokud možno v celém objemu tyglíku, jinak si nemůžeme být jisti jak velké množství kovu je roztaveno. Fakt, že není roztaven veškerý materiál též nasvědčuje, že teplota kovu je blízká teplotě tání a kov je tudíž ještě viskózní, je tedy vhodné dát kov ještě několik minut do výhně.

Je-li kov dobře tekutý nastává samotný proces odlévání. Tento proces si vyžaduje, rychlost a přesnost. Předem je dobré projít si celý postup lití a zkontrolovat, zda je připraveno veškeré potřebné vybavení, formy jsou zafixovány ve vhodné poloze a veškeré nástroje jsou po ruce. Používáme-li malý tyglík a kov odlévá jeden litec je proces relativně jednoduchý. Nejprve odstraníme veškeré uhlíky, které by mohli po sejmutí víčka z tyglíku spadnout dovnitř. Opatrně sejmeme víčko a odložíme je stranou, tak aby nám nepřekáželo v práci. Pokud jsou uvnitř tyglíku nějaké uhlíky rychle je kleštěmi vyjmeme. Pomocí kovářských kleští vytáhneme tyglík z výhně, pokud je to potřeba odložíme jej na okamžik na pískové lože, abychom ho mohli lépe uchopit. Následně přeneseme tyglík k formám. Lehce nakloníme tyglík ve směru, kterým chceme vylévat kov z nádoby a necháme našeho pomocníka, aby odpíchl. Odpíchnutí se provádí pomocí hrábla či hřebíku, kterým se opatrně rozhrne škraloup na kovu, případně se odstraní nečistoty, které plavou na jeho povrchu a mohly by spadnout do formy. Nyní již nic nebrání tomu, abychom nalili kov do forem.

Kov odléváme v pořadí v jakém nám záleží na kvalitě odlitku, jelikož jak kov chladne zhoršuje se viskozita kovu a tím i schopnost vyplňovat formu. Samotné lití kovu z tyglíku je dobré si předtím než budete poprvé odlévat do forem vyzkoušet a odlít trochu olova či cínu přesně na místo kam si přejete či do jednoduché formy, aby jste až budete lít bronz či měď nebyli překvapeni chováním tekutého kovu. Po odlití kovu vrátíme tyglík opatrně zpět do výhně, aby buď pomalu vychladl nebo byl připraven na doplnění kovu a pokračování tavby.

Když formy vychladnou můžeme je otevřít, případně rozbít pokud jsme odlévali do forem na jedno použití. Opatrně vyjmeme odlitky a necháme je v klidu vychladnout (není spěch) pokud bychom hodili ještě horké odlitky do vody a vzápětí je vyndali, pak zejména v případě, že byl odlitek větší přijdeme snadno ke spálenině jelikož se ve vodě ochlazený povrch předmětu znovu zahřeje teplem naakumulovaném v hmotě odlitku.

Z odlitků pilkou či kladivem odstraníme nálitky, vzduchové kanálky a nálevku. Předmět pak dočistíme pomocí pilníku či kousku bronzu případně nabrousíme čepel. K broušení lze použít buď pilník nebo prakticky jakýkoli kámen, na broušení je velmi vhodný pískovec. Pro dokončení ostří použijeme buď tvrdého kamene nebo kousku bronzu.

Bezpečnost

Jelikož při odlévání kovů pracujeme s vysokými teplotami je třeba při práci dbát zvýšené opatrnosti a zajistit bezpečnost všech, kteří se přibližují k výhni, zejména pak těch kteří manipulují s rozžhaveným materiálem.

Odletující jiskry z výhně - všichni co nemají v blízkosti výhně co dělat se od ní musí držet dál. Zároveň ti kteří v blízkosti výhně pracují by měli mít na sobě oděv kterému jiskry příliš nevadí a zároveň je pokud možno celé zakrývá (dlouhé rukávy a nohavice, pokud možno pokrývka hlavy).

Žár v okolí výhně - při práci v bezprostřední blízkosti výhně by měly být nošeny jednak rukavice, vhodné jsou i kožené nátepníky či rukávy a kožená zástěra chránící tělo. Pro přikládání uhlí je vhodné používat lopatky namísto házení či sypání uhlí do výhně.

Tekutý kov - ti kteří odlévají či se jinak přibližují do blízkosti roztaveného kovu by měli mít veškeré výše uvedené vybavení a navíc brýle na oči a kožené návleky přes boty, ze kterých případný roztavený kov sklouzne na zem. Pokud by došlo k vypadnutí tyglíku s roztaveným kovem je nutno okamžitě uskočit a nesnažit se jej jakkoli zachytit a zároveň po nějaký čas na toto místo vůbec nevstupovat (stejně už nic nezachráníte). Jednak z důvodu možnosti šlápnutí na roztavený kov a za druhé pokud se kov rozlil na vlhkém místě začne okamžitě prskat a rozhazovat do okolí kapičky kovu.

Rozžhavené předměty - veškeré nástroje, které se používají na manipulaci s žhavým uhlím, tyglíkem, víčkem a předehřátými formami se přirozeně značně zahřívají musíme se proto starat, aby nedošlo ke zranění při dotyku s čelistmi kleští, které jsou podstatně žhavější než jejich konce. Zároveň je třeba dávat pozor na odložený tyglík a víčko po odlévání, velmi nebezpečné je též podcenit zdánlivě vychladlou výheň, která si dlouho udrží vysokou teplotu.