Инновации в золочении куполов

ИННОВАЦИИ ^ ЗОЛОЧЕНИИ КУПО/ЮВ

Одна из ярких особенностей православного храма - обязательное присутствие золотого цвета. Особенно это заметно в интерьере и церковном убранстве: оклады икон и Евангелия, кресты, кадило, потир - все эти символические предметы, как правило, покрыты нарядной позолотой. Но в первую очередь - это, конечно, купол храма, который ассоциируется с высшим, горним миром. Во многом благодаря традиции золочения купола православный храм воспринимается как микрокосм, объединяющий две сферы - земную и небесную. И уже потом замечаешь особую упорядоченность форм, свойственную православной архитектуре, как отражение неведомой человеку гармонии небесного мира.

Игорь Жоглик,

научный сотрудник Физико-технического института НАН Беларуси

Анатолий Гордиенко,

начальник НИЦ

Физико-технического

института

НАН Беларуси,

академик

Золочение металлов с применением натуральной позолоты с древности было не только непростым, но и порой опасным делом. Исторически сложились такие методы золочения с использованием натуральных компонентов, как огневое, сусальное и гальваническое. Первый (выпаривание ртути из амальгам) был признан слишком жестоким. Так, в XVIII в. при золочении куполов Исаакиевско-го собора (израсходовано более 100 кг золота) медленно отравилось парами ртути и умерло 60 мастеров-золотильщиков. Именно этот случай

сподвигнул в свое время Вер-нера Сименса на разработку способа гальванического золочения. Второй метод покрытия не требовал человеческих жертв, но являлся дорогостоящим и трудоемким процессом, особенно при работе с куполом храма.

Сусальное золото представляет собой листы тончайшей фольги толщиной от 0,1 до 0,7 микрона. Сам термин, означающий лицо или лицевую сторону, происходит от старославянского «сусаль». Золотят ею путем наклеивания на изделие листков материала. Работать руками с ними невозможно -рвутся. Чтобы произвести золочение, необходим специальный инструмент и определенное мастерство. В зависимости от того, какая будет использована проба, сусальное золото получается более или менее чувствительным к влиянию внешних факторов и климата.

Классическая сусаль имеет теплый желтый цвет самородного золота, так называемый «желтый огненный». Такие золотые листы (в настоящее время их обозначают 960-й пробой) начали применять в православной Руси как декор для различных предметов.

Сегодня золото именно этой пробы используют как каноничный материал, правила производства которого закреплены ГОСТ 6902-75.

На предприятии сусаль укладывается между листами особой бумаги в специальные книжки, одна из которых состоит из 60 листов золота размером 91,5x91,5 мм. Такой книги хватает примерно на половину квадратного метра золочения по ровной поверхности, их укладывают в упаковки по 10 шт. и защищают сургучной печатью.

При реставрационных работах используют как технологию гальванического золочения куполов, так и сусальное листовое покрытие. Реставраторы куполов в Санкт-Петербурге, например, в основном работают с сусалью, которая на фасадах из цветного металла сохраняется 30-35 лет. Но известны случаи, когда ожидаемого эффекта получено не было, покрытие держалось всего три года, затем начинались коррозия и отслоение пятнами.

Высокая стоимость сдерживает широкое применение методики. К примеру, золочение сусалью при толщине слоя золота 0,2-0,7 мкм оценивается более чем в 300 евро за 1 м2, гальваническое при слое 0,21 мкм - более 200 евро. Стоимость 1 м2 нитридтитанового покрытия толщиной 2-3 мкм -менее 20 евро, то есть в десятки раз дешевле. Поэтому ведется поиск альтернативных вариантов.

Один из них - золотистый нитрид титана, который близок по цвету и восприятию к золоту, но намного превосходит его по стойкости и сохранению блеска. К тому же этот способ экономически привлекательнее. Потребители

уже оценили по достоинству все преимущества нового материала и сподвигли разработчиков осваивать его производство.

Разрабатываются ионно-плазменные системы и процессы, при которых в одном вакуумном цикле будет наноситься несколько микронов нитрида титана, затем несколько нанометров золота. Цвет этих слоев близок, «нано-золото» впитывается в структуру нитрида титана, который в свою очередь обеспечивает высокие механические характеристики. Экономия золота в тысячи раз! Подобные эксперименты уже проводились и дали отличные результаты. Этот «слоеный пирог» будет сочетать преимущества каждого слоя: основа из зеркальной нержавеющей стали - необходимую прочность, долговечность, высокую коррозионную устойчивость и зеркальный блеск; нитрид-титановое покрытие - необходимый золотистый цвет, износостойкость, долговечность цвета и блеска; «нанозолото» -сохранение канонических традиций без потери золота.

Исторически исследования процессов получения ни-тридтитановых покрытий проводились несколькими путями: классический термический способ - азотирование при температуре титанового покрытия около 1000 °С, но этот вариант вызывает значительное коробление листовой нержавеющей стали и ему отдается меньшее предпочтение; электронно-лучевой способ годится для деталей небольших размеров и имеет ряд недостатков, ограничивающих его популярность; реактивный магнетронный применяется при получении

нитридтитановых покрытий, но из-за ряда технологических особенностей не получил широкого распространения. Наиболее популярен вакуумный электродуговой метод, который представляет собой нанесение покрытий (металлических, керамических и композитных пленок) в вакууме путем конденсации на подложку материала из плазменных потоков, генерируемых на катоде-мишени в катодном пятне электрической дуги сильноточного низковольтного разряда. Этот способ известен под следующими названиями: катодно-дуговое осаждение, катодно-ионная

Свято-

Николаевский гарнизонный собор Брестской крепости

Храм Андрея

Первозванного в Минске

Церковь

Великомученицы Параскевы Пятницы в Полыковичах

бомбардировка (КИБ) или, по-другому, метод конденсации вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности.

Промышленное использование современных вакуумных электродуговых технологий берет свое начало в СССР. Работы по их созданию были начаты одним из научных коллективов Харьковского физико-технического института еще в конце 60-х гг. XX в. Разработанные здесь в 19761980 гг. установки получили название «Булат». Они были защищены шестью зарубежными патентами (в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Японии, Италии) в связи с проходившими в тот период переговорами с целью продажи лицензии.

В конце 70-х гг. XX в. советское правительство решило открыть данную технологию для Запада. В 1979 г. Джозеф Филь-нер, глава американской фирмы «Noblemet International»,

случайно узнал об этой технологии во время своей деловой поездки в СССР, увидев ее успешное применение в промышленности для упрочнения металлорежущего инструмента. В результате было подписано лицензионное соглашение и вместе с другими инвесторами для промышленного внедрения на Западе была специально создана фирма «Multi-Arc Vacuum Systems» («MAVS»), годовой доход которой за два года вырос до 5 млн долл. Фирме была продана исключительная лицензия на оборудование и технологию осаждения покрытий TiN на режущий инструмент из быстрорежущих сталей. Территория действия соглашения включала более 40 стран Северной Америки, Европы и Азии.

В 1980-1985 гг. осуществлялось патентование усовершенствований установки «Булат», переданной по лицензии, в итоге были получены охранные грамоты на 36 патентов в 15 странах.

Нитрид титана представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, имеет кубическую ГЦК-решетку типа NaCl (ал-мазоподобную), инертен к расплавленным металлам.

Стойкость TiN-покрытий в условиях атмосферы промышленного холода на нержавеющей стали не менее 50 лет, что подтверждено сертификатом соответствия № РОСС RU.AE10.H05495. Соответствует требованиям ГОСТ Р 90012001 (ISO 9000-2000) для строительно-монтажных работ.

На основании более чем 30-летнего опыта работы с аксиальными электродуговыми испарителями нами разработаны многочисленные модификации устройств,

источники питания и управления, исследованы фундаментальные свойства плазмы вакуумного электродугового разряда методами масс- и оптической спектроскопии. При нанесении нитридтитановых покрытий на детали относительно небольших размеров, таких как инструменты (сверла, метчики и т. п.), аксиальные испарители выполняют функцию отлично, а вот при осуществлении этого процесса в отношении крупногабаритной листовой подложки с зеркальной поверхностью на первый план выходят протяженные (линейные и планарные) испарители. Рассмотрим их достоинства и недостатки.

Один аксиальный испаритель с катодом диаметром 50-150 мм обеспечивает охват площади пятна нитрид-титанового покрытия диаметром примерно до 300 мм, однако реальному потребителю необходимы листы с размерами 533x1600 мм и более. Для увеличения площади надо использовать несколько параллельно работающих аксиальных испарителей, например многокатодную так называемую «Ми1й-Агс»-систему. Ее недостатком является повышенная вероятность сбоев ввиду определенной нестабильности работы узла поджи-га и процесса инициализации дугового разряда. Это приводит к неравномерному формированию толщины и цвета покрытия.

Для получения равномерности подложку следует размещать в вакуумной камере дальше от испарителя, но на практике из экономии ее часто располагают ближе для охвата большей площади листов, а режимы работы подбирают

таким образом, чтобы неравномерность была незаметна визуально, поэтому покрытия выглядят «полосатыми».

Линейный испаритель находится в центре вакуумной камеры, а листовая подложка располагается максимально близко к ее стенкам. Если учесть, что площадь цилиндрической поверхности подложки в камере пропорциональна квадрату радиуса, даже при небольшом уменьшении этого показателя, например на 40% (для получения приемлемой равномерности покрытий), общая площадь покрытия подложки уменьшается в 2 раза. Иными словами, в вакуумных камерах одного габарита площадь покрытия при использовании линейного электродугового испарителя (ЛЭДИ) увеличивается примерно вдвое.

Еще один из существенных недостатков системы «Multi-Arc» - меньший коэффициент использования материала катода. Так, с помощью двух титановых катодов аксиальных испарителей в виде шайбы диаметром 80 мм и высотой 40 мм, имеющих суммарный вес около 2 кг, можно произвести покрытие порядка 100 м2 листового материала при толщине 2 мкм с общим весом около 1 кг, при которых коэффициент использования материала катода составляет 35% (с учетом веса азота), в то время как с помощью катода ЛЭДИ в виде титановой трубы диаметром 80 мм, длиной 500 мм, с толщиной стенки 10 мм и весом около 6 кг можно получить более 600 м2 листового материала при такой же толщине покрытий (2 мкм) с общим весом покрытия почти 6 кг, при этом коэффициент использования

материала катода составляет 70% (с учетом веса азота). Неиспользованная в покрытиях часть нитрида титана оседает на стенках камеры и поверхности анода, которые необходимо регулярно очищать, так как «налет» адсорбирует большое количество конденсата и приводит к ухудшению вакуумных параметров и браку цвета. В нашем случае чистка камеры проводится после каждой рабочей смены напыления.

Недостаток аксиальных испарителей - малая повторяемость цвета получаемой продукции. Для определенного ресурса работы катод изготавливается с запасом толщины до 50 мм. Однако поскольку теплопроводность титана относительно невысокая -22 Вт/мхК (для сравнения: у алюминия - 209 Вт/мхК, почти в 10 раз выше), температура поверхности катода во время работы аксиального испарителя поднимается выше 500 °С, что визуально подтверждается свечением после выключения аппарата. В плазменном потоке возникает больше нейтральной и капельной фазы, что вызывает появление белесого оттенка из-за наличия повышенного содержания в покрытиях непрореагировавшего титана и капельной фазы (наблюдается в виде светящихся искр и брызг, аналогично электродуговой сварке).

Условия охлаждения катода улучшаются по мере выработки: тон покрытий становится более золотистым, но при толщине менее 10-15 мм аксиальный испаритель перестает работать (не поджигается разряд). Между тем среднестатистический купол имеет площадь более 100 м2. Поскольку совмещение листов,

покрытых в начале и в конце партии с отличающимися тонами, недопустимо, а повторяемость цвета при использовании «Multi-Arc» получается неудовлетворительная - были прецеденты вплоть до судебных разбирательств по цветовой стабильности продукции, полученной с помощью аксиальных испарителей. В то же время форма катода линейного испарителя в виде трубы с относительно небольшой толщиной стенки (10 мм) обеспечивает практически идеальные условия охлаждения катода, его выработка заканчивается прогоранием титана до охлаждающей воды, цветовые характеристики получаемых покрытий остаются исключительно стабильными на протяжении более 800 м2 и повторяемость цвета сохраняется после замены катода.

Некоторые объекты требуют свыше 3000-4000 м2 продукции, ее характеристики при таких объемах крайне

Храм

Казанской иконы Божьей Матери в Барколабово

важны. Даже незначительное отличие оттенков у рядом расположенных листов неприемлемо и вынуждает мастеров сортировать их по цвету и месту расположения (на лицевой или тыльной стороне).

Преимущества системы с линейным испарителем очевидны: длина катода равна размерам покрываемого листа, равномерность получаемых покрытий отличная, максимально задействовано пространство вакуумной камеры, то есть обеспечена максимальная производительность оборудования,отличная повторяемость и стабильность. Но несмотря на то что линейный испаритель известен давно и успешно применяется для нанесения металлических покрытий типа Т1, Си, А1, нержавеющая сталь (для тонировки автомобильных стекол), синтез нитридтитановых покрытий с его помощью не обеспечивался. Связано это с тем, что физически линейный испаритель представляет собой простейшую плазменную схему диодного типа - катод и анод (стенки камеры установки) -и не содержит средств активации молекулярного азота до химически активного состояния.

К нам обратились настоятели храмов с просьбой нанести нитридтитано-вое покрытие на опытную партию крупногабаритных листов зеркальной нержавеющей стали. Результат получился отрицательным: листовая подложка полностью закрывала стенки вакуумной камеры (анода), и ввиду отсутствия щелей между подложками испаритель просто перестал функционировать, так как анод (стенки камеры) оказался полностью затененным.

Нужно было разрабатывать внутрикамерный анод.

После создания оптимальной конструкции внутри-камерного анода в виде набора электродов начались эксперименты с впрыском азота и подачей ускоряющего потенциала от различных типов источников питания опорного напряжения. Результат - полное повреждение зеркальной поверхности микродуговыми пробоями (как будто прошлись по зеркалу наждачной бумагой), покрытия имели бледно-золотистый цвет, не удовлетворяющий техническим требованиям. Потребовалась разработка устройств активации азота и питания ускоряющего потенциала подложки применительно к линейному электродуговому испарителю, при которых функционирование этих устройств во взаимодействии должно дать суммарный эффект при синтезе ни-тридтитановых покрытий требуемого цвета, обладающих запасом пластичности, достаточным для сохранения без отслаивания и иных повреждений при пластической деформации.

В итоге создана инновационная трехэлектродная ионно-плазменная система - линейный электродуговой триод (катод - анод - активатор), или так называемый ионно-плаз-менный триод, с помощью которого реализуется синтез Т1М-покрытий с необходимыми параметрами. Размер катода соответствует габаритам покрываемого листа, что позволяет наиболее эффективно использовать объем вакуумной камеры. Триод оснащен также активатором и ускоряющим потенциалом. Благодаря их синхронизированному

чередованию обеспечивается синтез нитридтитановых покрытий с необходимыми свойствами без повреждений зеркальной поверхности микродуговыми пробоями. Сами покрытия формируются с ультрадисперсной нанокристал-лической структурой за счет сочетания двух чередующихся физических механизмов (синтеза и конденсации). Таким образом достигается «дробление» структуры покрытий, так как при длительности импульсов синтеза от 1 до 10 миллисекунд формируются кристаллиты вакуумных конденсатов с размерами менее 0,1 нанометра.

Купола десятков культовых объектов покрыты с использованием листов зеркальной нержавеющей стали марки АШ-304 и А181-430 с нитридтитаном золотистого цвета. В их числе храм православной церкви Моги-левской епархии г. Могилева, Свято-Вознесенская церковь г. Чаусы, храм Архангела Михаила д. Сынковичи, Спасо-Вознесенский храм г. Горки, Спасо-Преображен-ский храм г. Шклова, Свято-Николаевский гарнизонный собор в Брестской крепости, храм иконы Казанской Божьей Матери в д. Барколабово, храм Рождества Иоанна Предтечи г. Минска, объекты государственного значения, в частности памятник героям войны 1812 г. в Полоцке, Дворец Независимости Республики Беларусь в Минске. СИ