Введение

Сплавы металлов, используемые в традиционном литейном деле и наборе горячим методом

В полиграфии термин "типографский металл" относится к металлическим сплавам, используемым в традиционном литейном деле и наборе горячим методом. Исторически типографский металл представлял собой сплав свинца, олова и сурьмы в различных пропорциях, в зависимости от области применения – будь то индивидуальное механическое литье отдельных литер для ручного набора, механическое литье строк или механический набор отдельных литер и изготовление стереоформ. Используемые пропорции находятся в диапазоне: свинец 50–86%, сурьма 11–30% и олово 3–20%. Сурьма и олово добавляются к свинцу для повышения прочности и уменьшения разницы между коэффициентами расширения матрицы и сплава. Помимо прочности, общие требования к типографскому металлу заключаются в том, чтобы он обеспечивал точную и четкую отливку, сохраняя правильные размеры и форму после охлаждения. Также он должен легко отливаться при относительно низкой температуре плавления, не растворять железо в расплаве, а формы и литники должны оставаться чистыми и простыми в обслуживании. В настоящее время машины Монотип могут использовать широкий спектр различных сплавов. Оборудование для механического литья строк использует сплавы, близкие к эвтектическим.

История

Хотя знания о литье мягких металлов в формы были хорошо известны задолго до Иоганна Гутенберга, его открытие сплава, обладающего твердостью, долговечностью и способностью четко воспроизводить форму, является фундаментальным элементом его решения проблемы печати с использованием подвижных литер. Этот сплав при охлаждении давал значительно меньшую усадку, чем чистый свинец. Помимо этого, Гутенберг разработал краски, которые хорошо прилипали к металлическим литейным формам, и способ смягчения ручной бумаги для качественного получения оттиска.

Требуемые характеристики

Недорогой, в изобилии встречающийся в виде галенита и легко обрабатываемый, свинец обладает многими идеальными характеристиками, но сам по себе он не обладает достаточной твердостью и не позволяет получать отливки с четкими деталями, поскольку расплавленный свинец сжимается и провисает при охлаждении и затвердевании. После многочисленных экспериментов было установлено, что добавление типографского олова, получаемого из касситерита, улучшает способность литер выдерживать износ в процессе печати, делая их более прочными, но не хрупкими. Несмотря на терпеливые попытки подобрать различные пропорции обоих металлов, решение второй части проблемы сплава для литья оказалось очень сложным без добавления третьего металла – сурьмы. Алхимики показали, что при нагревании стибнита, сульфидной руды сурьмы, с железным ломом получается металлический сурьмянец. Типолитчик обычно добавлял в тигель порошкообразный стибнит и подковы, чтобы расплавить свинец, олово и сурьму в сплав для литья. И железо, и сульфиды отбрасывались в процессе. Добавление сурьмы обеспечило необходимые улучшения в свойствах, таких как твердость, износостойкость и, особенно, четкость воспроизведения дизайна литеры, благодаря ее свойству уменьшать усадку сплава при затвердевании.

Состав типа металла

Типографский сплав — это сплав свинца, олова и сурьмы в различных пропорциях, зависящих от области применения, будь то отливка отдельных литер для ручного набора, механический линотипный набор или отливка отдельных литер для машинного набора и стереоформ. Используемые пропорции находятся в диапазоне: свинец 50–86%, сурьма 11–30% и олово 3–20%. Основные характеристики этих сплавов следующие:

Свинец

Тип металла — сплав свинца (Pb). Чистый свинец — относительно недорогой металл, мягкий, поэтому его легко обрабатывать, и его легко отливать, так как он плавится при 327 °C (621 °F). Однако он сжимается при затвердевании, что приводит к получению букв, недостаточно четких для печати. Кроме того, чистые свинцовые литеры быстро деформируются в процессе использования, что является прямым следствием легкости обработки свинца. Свинец исключительно мягок, ковок и пластичен, но обладает низкой прочностью на разрыв. Окись свинца — яд, который в первую очередь поражает функции мозга. Металлический свинец более стабилен и менее токсичен, чем его окисленная форма. Металлический свинец не впитывается через кожу, поэтому с ним можно обращаться, соблюдая осторожность, с гораздо меньшим риском, чем с оксидом свинца.

Олово

Олово (Sn) повышает текучесть расплавленного сплава и делает отливку прочной, придавая сплаву износостойкость. Оно тверже, жестче и прочнее свинца.

Антимон

Антимон (Sb) — это металлоидный элемент, плавящийся при 630 °C (1166 °F). Антимон имеет кристаллический вид и одновременно является хрупким и легкоплавким. При легировании свинцом для производства типографского сплава, антимон придает ему необходимую твердость, чтобы сопротивляться деформации при печати, а также обеспечивает получение более четких отливок из формы, что позволяет создавать ясный и легко читаемый печатный текст на странице.

Сплавы для механических составов

Большая часть механического набора разделяется, по сути, на две конкурирующие технологии: литье строк (Линотип и Интертип) и литье отдельных литер (Монотип). В руководствах по литье монотипа (1952 года и более поздних изданий) упоминается как минимум пять различных сплавов, предназначенных для использования при литье, в зависимости от назначения шрифта и выполняемой работы. Хотя в целом литые литеры монотипа можно визуально идентифицировать по квадратному зарубу (в отличие от круглых зарубов, используемых для литейного шрифта), определить сплав без дорогостоящего химического анализа в лаборатории не представляется возможным. Помимо этого, две компании Monotype в США и Великобритании также изготавливали формы с "круглыми" зарубами. Типографы и печатники могли и заказывали изготовление форм по своим собственным спецификациям: высоту, размер, тип заруба, даже количество зарубов можно было изменить. Шрифты, отлитые с использованием этих специальных форм, можно идентифицировать только при известной литейной фабрике или типографии. + Сплавы металлов для литья, упомянутые в руководствах Monotype в Великобритании Sn/Sb (%) Жидкое состояние при (°C) Твердое состояние при (°C) Твердость по Бринеллю (Brinell) Назначение 1 6/15 261 240 23.0 Рутинное 2 10/16 273 240 27.0 Двойное (машинный и ручной набор) 3 9/19 286 240 28.5 Рутинный машинный набор 4 13/17 283 240 29.5 Каталоги 5 12/24 330 240 33 Дисплейный шрифт, работы повышенной сложности

В Швейцарии компания "Metallum Pratteln AG" в Базеле имела еще один перечень сплавов металлов. При необходимости можно было изготовить любой сплав по спецификации заказчика. Состав Sn/Sb (%) Жидкое состояние при (°C) Литье при (°C) Переплавка при (°C) Твердость Типографский 3/12 250 280 290 310 330 19 Ludlow 5/12 245 270 285 300 320 21 Lino/Intertype a 5/12 245 270 285 300 320 21 Lino/Intertype b 6/12 243 270 285 300 320 21.5 Lino/Intertype c 7/12 241 270 285 300 320 22 Стереотипирование 5/15 265 320 320 340 23 Стереотипирование 7/14 258 315 320 340 23 Monotype a 5/15 265 350 330 350 23 Monotype b 8/15 260 360 350 370 25 Monotype c 7/17 280 370 360 380 26 Monotype d 9/19 285 390 380 400 28.5 Monotype e 9.5/15 270 360 350 370 26 Monotype f 9.5/17 280 380 370 390 27.5 Monotype g 10/16 275 370 360 380 27 Регенерация a 9/11 — — — — Регенерация b 9/12 — — — — Регенерация c 9/16 — — — — Поддерживающий металл a 1/2 310 — 360 380 6 Поддерживающий металл b 3/5 295 — 340 360 14 Поддерживающий металл c 5/5 280 — 340 360 16 Литье шрифтов 5.5/28.5 360 — 420 430 29.5

Дрос

Регенерационный металл плавился в тигле для восполнения потерь олова и сурьмы, содержащихся в шлаке. При каждой переплавке типографского сплава олово и сурьма окисляются. Эти оксиды образуются на поверхности тигля и подлежат удалению. После перемешивания расплава на поверхности формируется серый порошок – шлак, который необходимо снимать. Шлак содержит извлекаемые количества олова и сурьмы. Переработка шлака должна осуществляться на специализированных предприятиях для извлечения чистых металлов с соблюдением экологических норм и экономической целесообразности.

Поведение биполярных сплавов

Чистый металл плавится и затвердевает просто при определенной температуре. Сплавы ведут себя иначе. В них наблюдается целый диапазон температур, на котором происходят различные процессы. Температура плавления любой смеси значительно ниже, чем у чистых компонентов.

Примеры смеси антимон/свинцовый

Добавление небольшого количества антимония (5–6%) к свинцу значительно изменит поведение сплава по сравнению с чистым свинцом: хотя температура плавления чистого антимония составляет 630 °C, эта смесь будет полностью расплавленной и однородной жидкостью даже при температуре до 371 °C. При охлаждении эта смесь останется жидкой даже при 355 °C, что является температурой плавления чистого свинца. Когда температура достигнет 291 °C, начнут формироваться кристаллы свинца, увеличивая когезию жидкого сплава. При 252 °C смесь начнет полностью затвердевать, при этом температура останется постоянной. Только после полного затвердевания смеси температура начнет снова понижаться. Использование смеси, содержащей 10% антимония и 90% свинца, задерживает образование кристаллов свинца примерно до 260 °C. Использование смеси, содержащей 12% антимония и 88% свинца, полностью предотвращает образование кристаллов, образуя эвтектику. Этот сплав имеет четкую температуру плавления – 252 °C. Дальнейшее увеличение содержания антимония более 12% приведет к преобладающей кристаллизации антимония.

Триполярные смеси

Добавление олова к этой биполярной системе еще больше усложняет поведение. Часть олова входит в состав эвтектики. Смесь, содержащая 4% олова, 12% антимония и 84% свинца, затвердевает при 240 °C. В зависимости от того, какие металлы присутствуют в избытке по сравнению с эвтектикой, образуются кристаллы, обедняющие жидкую фазу, пока вновь не сформируется эвтектическая смесь 4/12. Сплав 12/20 содержит множество смешанных кристаллов олова и антимония, которые и определяют твердость и износостойкость сплава. Увеличить содержание антимония без добавления олова невозможно, так как текучесть смеси резко снизится при понижении температуры в каналах оборудования. Кристаллы антимония могут забивать сопла.

Металлы, используемые на машинах для литья

Эвтектические сплавы используются в машинах Linotype и литейных машинах Ludlow для предотвращения засорения формы и обеспечения непрерывной и безотказной отливки. Сплавы, используемые в машинах Monotype, как правило, содержат больше олова для получения более твердых литер. Все литеры должны выдерживать давление при печати. Это требовало дополнительных вложений, но система Monotype и так была дорогостоящей.

Современное использование металлических типов

Жестокая конкуренция между различными механическими системами набора, такими как Линотип и Монотип, породила множество устойчивых мифов о типометалле. Пользователи Линотипа презирали Монотип, и наоборот. Однако машины Монотипа могут использовать широкий спектр различных сплавов; поддержание стабильно высокого производства требовало строгой стандартизации типометалла на предприятии, чтобы любыми средствами избежать перебоев в работе. Регулярно проводились повторные анализы для контроля состава сплава, поскольку при каждой переработке металла теряется около полупроцента олова из-за окисления. Эти оксиды удаляются вместе с шлаком при очистке поверхности расплавленного металла. Сегодня эта "борьба" утратила свою актуальность, по крайней мере, для Монотипа. Гораздо важнее качество отливаемого шрифта. Сплавы с высоким содержанием сурьмы, а следовательно, и олова, можно отливать при более высокой температуре, с меньшей скоростью и с более интенсивным охлаждением на монотипной композиционной машине или суперкастере. Несмотря на усилия по предотвращению смешивания различных типов типометалла в типографиях, использующих разные системы набора, на практике это часто случалось. Поскольку композиционная машина Монотипа способна работать с различными сплавами, случайное смешивание сплава Линотипа с отбракованным сплавом для литья шрифтов оказалось полезным. В механическом линейном наборе используются сплавы, близкие к эвтектическим.

Медь

Медь использовалась для упрочнения литейного сплава; этот металл легко образует смешанные кристаллы с оловом при охлаждении сплава. Эти кристаллы растут непосредственно под выходным отверстием сопла в машинах Монотипа, что со временем приводит к полной блокировке. Эти сопла очень трудно очистить, так как твёрдые кристаллы устойчивы к сверлению.

Цинк

Медные включения содержат цинк, который крайне нежелателен в сплаве для литья шрифтов. Даже незначительное количество – менее 1% – образует пылевидный налёт на поверхности расплава, который трудно удалить. Шрифты, отлитые из загрязнённого сплава, такого рода, имеют низкое качество, поэтому их следует выбрасывать и заменять свежим сплавом. Следовательно, медь и цинк необходимо удалять перед переплавкой. То же самое относится и к алюминию, хотя этот металл всплывает на поверхность расплава и его легко обнаружить и удалить до того, как он растворится в свинце.

Магний

Магниевые пластины крайне опасны в расплавленном свинце, поскольку этот металл легко воспламеняется и загорается в расплавленном свинце.

Железо

Железо практически не растворяется в типографском сплаве, хотя расплавленный металл постоянно находится в контакте с чугунной поверхностью плавильной печи.