1.16. Materiały do odlewania dzwonów

A gdy będziesz dzwon ulewał
Czarodziejski dzwon,
Co by szczęścia pieśni śpiewał
Przecudowny ton
To nie wrzucaj doń metali
ni srebra, ani stali,
Ni we wrzątek strun lutnisty,
By dźwięk był jak lutnia czysty,
Ani ognia po iskierce,
Ale daj mu złote serce!
Daj mu serce.

Maria Rodziewiczówna, Straszny dziadunio

Barwa dźwięku zależy głównie od materiału, z którego wykonano dzwon. Dokładny skład chemiczny stopu odlewniczego był tajemnicą ludwisarzy przekazywą z pokolenia na pokolenie. Spotyka się dzwony wykonane z brązu, mosiądzu, żeliwa, stali, różnych stopów miedzi, aluminium, szkła i porcelany. Dzwony wykonane z materiałów niemetalowych charakteryzuje gorszy i mniej nośny dźwięk. Gęstość materiału wibrującego wpływa na częstotliwość drgań i brzmienie harmoniczne.

Dzwony odlewa się najczęściej z brązu. Jest to stop miedzi z cyną o zawartości około 80% miedzi i 20% cyny. Od najdawniejszych lat eksperymentowano, aby ustalić najlepsze proporcje dla dzwonów ze względów technicznych, takich jak łatwość odlania, dokładność odwzorowania dekoracji oraz walory muzyczne. Ostatecznie przyjęto, że najlepszy jest brąz o zawartości 78% miedzi i 22% cyny. Cyna dawniej była materiałem drogim (3 razy droższa od miedzi i 10 razy droższa od ołowiu), dlatego szukano tańszych rozwiązań. Zaczęto do stopu dodawać znacznie tańszy cynk. W ten sposób powstał stop trójskładnikowy zwany brązem cynowo-cynkowym, który przyjął się pod nazwą spiż. Z tych samych ekonomicznych względów dodawano do stopu ołów. Mimo że dodatki cynku i ołowiu były niewielkie, jakość stopu się pogarszała. Dzwon miał gorsze właściwości mechaniczne, nie pokrywał się patyną, a jego dźwięk był gorszy. Nie przeszkadzało to natomiast stosować spiż w innych odlewach nie narażonych na działanie sił dynamicznych. Z czasem zrezygnowano ze stosowania spiżu do produkcji dzwonów, a wybrano brąz o zawartości 78% miedzi i 22% cyny. Powszechne nazywanie brązu stosowanego do odlewania dzwonów spiżem jest nieprawidłowe, chociaż to określenie sprzed lat jest spotykane we współczesnej literaturze.

Spiż należący do brązów jest stopem miedzi Cu z cyną Sn, cynkiem Zn oraz ołowiem Pb. Zawartość cynku w stopie stanowi 2–7% a ołowiu 2–6%. Brąz (zawierający 15% cyny) do odlewania dzwonów był już stosowany w Chinach za panowania dynastii Zhou od 1100 do 221 roku przed naszą erą. W dzwonach odlewanych z brązu w XVI wieku cyna stanowiła od 16% do 25% zawartości wagowej. Stop spiżu może też zawierać domieszki cynku Zn, ołowiu Pb oraz kilkuprocentowe zawartości aluminium, berylu, kobaltu, manganu i niklu.

Na dźwięk dzwonu wpływa głównie zawartość cyny. Większa zawartość cyny poprawia jakość dźwięku. Barwa dzwonu staje się jaśniejsza i szlachetniejsza. Jednak przy zbyt twardym stopie istnieje niebezpieczeństwo pęknięcia dzwonu. Analiza chemiczna spiżu w dawnych dzwonach wykazuje domieszkę niklu na poziomie do 1,5–3%.

Zawartość niklu w spiżu wynikała z jego obecności w rudach miedzi stosowanych do sporządzania stopu. Niepożądany w spiżu jest ołów, dodawany czasami w małych ilościach dla poprawy lejności. Zawartość ołowiu w spiżu powoduje głuchy dźwięk dzwonu.

Brązy posiadają dobre własności wytrzymałościowe, są odporne na korozję i ścieranie. Charakteryzuje je szara barwa, której intensywność wzrasta wraz z zawartością cyny. Zależnie od składu brązy posiadają gęstość 7,5÷9,3 g/cm³, temperaturę topnienia 950÷1080°C, a skurcz odlewniczy 1,5÷2,5%.

Ludwisarze niemieccy dla wydobycia czystego dźwięku zalecali, aby zawartość innych pierwiastków w stopie była ograniczona do następujących ilości: 0,15% fosforu, 0,54% magnezu, 0,07% aluminium i 3,5% ołowiu.

Dawni ludwisarze do wsadu dodawali często złom starych naczyń miedzianych, cynkowo-ołowianych oraz przedmiotów zdobycznych. Często też odlewali dzwony ze złomu dzwonowego o nieznanym składzie. Dzwon odlany z nierozpoznanego stopu nie gwarantuje pożądanego dźwięku.

Legendy krążące o uzyskiwaniu szlachetnego dźwięku poprzez dodawanie złota lub srebra do stopu były rozpowszechniane przez samych ludwisarzy w celu uzyskania cennych kruszców od fundatorów czy rodziców chrzestnych dzwonu. Czyste srebro jest bardzo miękkie i łatwo się zużywa. Doświadczeni ludwisarze wiedzieli, że złoto w stopie daje właściwości podobne do ołowiu, a srebro nie ma żadnego wpływu na dźwięk dzwonu.

Dawni ludwisarze nie dysponowali przyrządami pozwalającymi określić zawartość pierwiastków w stopie. Stosowali jednak proste metody porównawcze: stapiali w dwóch stojących obok siebie tyglach różne kawałki stopu. Metal, który topił się wcześniej, zawierał więcej cyny, bowiem zawartość cyny w stopie obniża jego temperaturę topnienia.

Do odlewania dzwonów stosowany był również brąz aluminiowy, zwany białym brązem, zawierający od 4% do 8% aluminium. Kolor dzwonu odlanego z tego stopu jest bielszy od spiżu. Konstrukcja dzwonu z brązu aluminiowego ze względu na miękki metal musi być masywniejsza. Dzwony powstałe z tego brązu są brzmieniowo o wiele gorsze, wydają głuchy dźwięk i dlatego są rzadko wykonywane.

Mosiądz to stop miedzi z cynkiem o zawartości do 40% części wagowych. Jest on wytrzymalszy od brązu i posiada kolor pomarańczowożółty. Gęstość mosiądzu wynosi 8,4–8,7 g/cm³, temperatura topnienia 860-1060°C, skurcz odlewniczy 1,4÷2,2%. Dzwony odlane z mosiądzu zawierają często dodatki takich metali, jak cyna, aluminium, mangan, żelazo, nikiel, chrom. Stop ten posiada dobre właściwości odlewnicze. Jednak pod względem akustycznym dzwony odlane z mosiądzu nie posiadają dobrego rezonansu, a powstały dźwięk jest krótki.

Dzwony żeliwne i stalowe są tańsze od tych ze spiżu, ale nie dorównują im akustycznie. Dźwięk dzwonów stalowych mimo swej wyrazistości jest uboższy w tony składowe oraz generuje szumy i przydźwięki. Powstający ton okazuje się bardziej syczący niż dźwięczny.

Pierwsze duże dzwony stalowe dla kościołów powstały w połowie XIX wieku. Jeden z największych i najstarszych dzwonów stalowych o masie 15 ton, został odlany w 1867 roku na Światową Wystawę w Paryżu. Dzwon ten stoi jako pomnik przed ratuszem w Bochum. Drugi został zaprezentowany na wystawie wiedeńskiej w 1873 roku. Inny dzwon ze stali – ważący 5,4 tony Luther, odlany w 1927 roku w firmie Schilling i Lattermann, znajduje się w kościele ewangelicko-augsburskim w Erfurcie. Kolejny to dzwon Chrystusa Króla odlany przez firmę Ulrich i Weule, waży 4,5 tony i znajduje się w kościele św. Bonifacego we Frankfurcie-Sachsenhausen. Dzwony stalowe zwykle spotyka się w kościołach protestanckich.

Dzwony żelazne często ulegają korozji, a także nierzadko są podatne na uszkodzenia występujące w płaszczu. Dzwony stalowe znalazły największe zastosowanie w przemysłowych i komunikacyjnych urządzeniach sygnałowych.

Dla potrzeb muzycznych oraz dekoracyjnych wykonywane są dzwony ze szkła i porcelany. Instrumenty te rozwinęły się wraz z powstającymi manufakturami ceramicznymi. Słynną manufakturą wykonującą dzwony porcelanowe była założona w 1710 roku Königlich-Polnische und Kurfürstlich-Sächsische Porzellanmanufaktur w Miśni koło Drezna. Z zestawu dzwonków porcelanowych o różnej wielkości wykonywano instrumenty perkusyjne. Większość dzwonków porcelanowych cechowała się miniaturyzacją i przyjmowała charakter dekoracyjny.

W Ameryce, w pierwszej połowie XX wieku, rozpoczęto wykonywanie dzwonów ze specjalnie hartowanego szkła. Największy szklany dzwon znajduje się w szwedzkiej katedrze w Uppsali.