Применение ионно-плазменных технологий для востановления и консервации объектов культового медного литья

ИСТОРИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 4. С. 227-230.

УДК 069.44:538.945

Л.В. Татаурова, П.В. Орлов, К.Н. Полещенко

ПРИМЕНЕНИЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ДЛЯ ВОСТАНОВЛЕНИЯ И КОНСЕРВАЦИИ ОБЪЕКТОВ КУЛЬТОВОГО МЕДНОГО ЛИТЬЯ*

Рассмотрена проблема восстановления и консервации объектов культового медного литья из археологических памятников. Проведена апробация эффективности применения ионно-плазменных технологий для очистки и защиты артефактов. Сформулированы перспективы разработки комплексной ионно-плазменной технологии для очистки, защиты и декорирования медных изделий.

Ключевые слова: медное культовое литье, ионно-плазменные технологии, консервация, методика.

Введение

В результате археологических исследований памятников позднего Средневековья и Нового времени в Западной Сибири накопилось значительное количество страврографических материалов, однако специальных обобщающих публикаций, включающих типологию культового медного литья данной территории, до сих пор нет. Представительная коллекция крестов-тельников, полученная при раскопках русских комплексов XVII-XIX вв., имеется и в Омском Прииртышье. Однако пока ее невозможно ввести в научный оборот.

Одной из причин является плохая сохранность изделий, не позволяющая полноценно представить артефакт в публикации: не читается иконография на лицевой стороне, не поддается расшифровке молитва на обороте креста, это не позволяет определить временные рамки изготовления и использования (старообрядческий или никонианский) изделия. Другая причина, которая не дает ввести материал в научный оборот - это дорогостоящие процедуры обработки и консервации археологического металла, которые при наличии представительной коллекции, требуют значительных финансовых вложений.

Преодолеть эти проблемы возможно благодаря разработке и применению методик, использующих ионно-плазменные технологии.

Проблема восстановления и консервации объектов культового медного литья

Проблема реставрации археологического металла в мировой практике является одной из самых сложных. Традиционные методы стабилизации активной коррозии, применяемые до настоящего времени, как правило, вызывают частичные утраты поверхности предмета. Использование щадящих техник консервации требует впоследствии специальных условий хранения, что не всегда возможно. На сегодняшний день в отечественной и мировой реставрационной практике используют в основном химическую, химико-механическую и электролитическую очистку металла. Однако эти методики лишь на время и в определенных условиях приостанавливают процессы коррозии.

* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, государственный контракт № 14.740.11.1392.

© Л.В. Татаурова, П.В. Орлов, К.Н. Полещенко, 2012

Для защиты от коррозии предметов из меди, медных сплавов и серебра музейными реставрационными лабораториями всего мира используется контактный ингибитор бензотриазол. Бензотриазол [БТА] СбНБЮ реагирует с солями одновалентной и двухвалентной меди и образует полимерные соединения, которые не растворяются в воде и устойчивы при температуре до 200 °С. Благодаря образованию новых нерастворимых соединений бензотриазол задерживает также развитие «бронзовой болезни». Зарубежные реставраторы рекомендуют защищать бензотриазолом как очищенные археологические предметы, так и предметы, на которых сохранен коррозионный слой или благородная патина. Как показывает опыт, бензотриазол защищает музейные предметы из цветных металлов и очищенные археологические предметы. Металл, на котором активный коррозионный процесс уже начался, или предметы, с которых коррозионные продукты удалены не полностью, бензот-риазолом не защищаются.

Основная задача реставрации археологических предметов - предотвратить их разрушение. Одновременно при реставрации должна быть выявлена форма предмета, детали рельефа и пр. Современный принцип реставрации предписывает сохранение особенностей археологического металла, т. е. на поверхности должен быть сохранен специфический коррозионный слой. Для этого в металле следует приостановить все коррозионные процессы, т. е. он должен быть стабилизирован. К сожалению, старая школа реставрации использовала главным образом химическую или электролитическую очистки, в результате которых удалялись все продукты коррозии, обнажался металл, который затем патинировался в коричневый цвет для придания предмету древнего вида. В результате такой реставрации археологические находки теряли не только внешнее своеобразие, но иногда и целостность формы, в том случае если коррозия была сквозной. Московские реставраторы считают перспективным в этом плане использование танина. В результате его применения поверхность металлического изделия и поверхность коррозионного слоя, включая поры в нем, закрываются монослоем молекул атмосферостойких металлических производных танина, похожим на слой фенольного лака, что приводит к ингибированию поверхности изделия.

Целю данной работы стала апробация эффективности применения ионно-плазменной технологии путем нанесения ультратонких (в пределах 100 нанометров) защитных пленочных покрытий для сохранения объектов культового литья. Отдельной задачей исследования является подбор цвета покрытия, соответствующий исходному цвету артефакта.

Предварительным этапом перед консервацией ионно-плазменными методами

является очистка поверхности объектов от грязи и окислов. Традиционно такая очистка производится механическими и химикомеханическими способами, что требует значительных трудозатрат и зачастую приводит к потере части информации, находящейся на объекте.

Нами была исследована возможность использования бесконтактных методов очистки поверхностей, в том числе с использованием ультразвуковых ванн. Варьируя химический состав очищающего средства и режимы ультразвукового воздействия, удалось добиться высокой степени очистки поверхности при сохранении всех ее морфологических деталей.

Однако, как показали наши исследования, такой метод не может быть применим к сильно истонченным коррозионным воздействием объектам. В этих случаях возможно их разрушение уже на предварительных стадиях подготовки поверхностей.

Также требует дальнейшего исследования возможность применения предложенных нами способов очистки поверхностей к медным объектам культового литья, содержащих на себе различные эмали, инкрустации и т. п.

Наиболее оптимальным, на наш взгляд, является применение предложенных нами способов очистки поверхностей к массовым коллекциям крестов (например, полученным в результате исследования погребальных комплексов, городских слоев), которые также нуждаются в консервации и реставрации, необходимой для различных статистических обработок (особенности изготовления, построение типологии, изучение иконографии и содержания молитв, и т. д.). Уникальные же кресты (особенно с вставками из эмалей и инкрустациями) целесообразно пока реставрировать и консервировать традиционными методами.

Финишная очистка поверхности от микроскопических частиц грязи и окислов производится в едином вакуумном цикле с собственно нанесением защитного покрытия. Полный цикл реализован нами на модернизированной установке ННВ-6.6. Установка предназначена для нанесения на изделие (инструмент) широкой гаммы многослойных, в том числе и композиционных, покрытий на основе различных соединений тугоплавких металлов (нитриды, карбиды, карбонитриды, оксиды, бориды). Принцип действия установки основан на использовании метода парофизического осаждения материала на подложку в вакууме.

Основным узлом установки является электродуговой испаритель, в котором испарение материала с поверхности катода происходит благодаря высокой концентрации энергии электрической дуги в «катодном пятне». Достигаемые высокие температуры обеспечивают испарение самых тугоплавких материалов, включая вольфрам и

Применение ионно-плазменных технологий для востановления и консервации..

229

графит. Предварительная обработка (очистка, активирование, нагрев) поверхности изделия осуществляется в результате воздействия высокоэнергетических потоков ионов инертного газа и осаждаемого материала в тлеющем плазменном разряде, что создает условия для формирования высококачественного покрытия оптимальной структуры и с хорошей адгезией к поверхности.

В качестве материала катодов в элек-тродуговых испарителях чаще всего используют титан. Возможно применение молибдена, вольфрама, циркония, хрома, ниобия, графита и других материалов. В качестве реакционного газа могут использоваться различные газы, в том числе азот. Оригинальная конструкция систем магнитной фокусировки плазменного потока испарителя, плавного регулирования напряжения высоковольтного источника питания, а также высокоточного регулирования привода стола установки позволяет подобрать технологический режим формирования высококачественного покрытия при максимальной производительности.

Возможности применения ионноплазменных технологий для защиты и декорирования артефактов

Применение новых материалов для реставрации культовых металлических предметов и сооружений одобрил в 1992 г. Патриарх Московский и Всея Руси Алексий II, когда увидел купола на храме Преображения Господня в Тушино, покрытые нитридом титана, который придал им вид золотых.

Нанесение декоративно-защитных покрытий с помощью вакуумных ионноплазменных (вакуумно-дугового и магнетронного) методов напыления находит широкое распространение благодаря экологической чистоте производства и высокому качеству получаемых декоративно-защитных плёнок [1; 2]. Факторами, сдерживающими дальнейшее распространение этих методов, являются:

- достаточно высокая стоимость оборудования;

- высокая требуемая культура производства;

- жёсткие требования к качеству и чистоте поверхности заготовок.

С помощью вакуумных методов нанесения защитно-декоративных покрытий возможно формировать плёнки из различных металлов и их соединений: титана, циркония, алюминия, серебра, хрома, никеля, ниобия, тантала, нержавеющей стали, нитрида титана (Т1МХ), нитрида циркония ^гМХ), оксида титана (ТЮХ), оксида циркония ^ЮХ), оксида алюминия (А1203), оксикарби-да титана (ТЮХ0у), оксикарбида циркония ^гСХ0у), карбонитрида титана (Т^уСг), карбонитрида циркония ^гХМуС2) и т. д. Путём применения различного сочетания реактивных газов (азота, ацетилена, кислорода, углекислого газа) можно получить практически любой цветовой оттенок.

Декоративно-защитные покрытия наносятся вакуумными методами на изделия из меди, латуни, мельхиора, нейзильбера, стали, алюминиевых сплавов, томпака, пластмасс, стекла, керамики и т. д. Для исправления недостатков шероховатости и фактуры поверхности заготовок, получения требуемых механических и коррозионных свойств поверхности изделий необходимо наносить на некоторые материалы дополнительно барьерные (запирающие) слои. В качестве барьерных слоёв применяются гальванические (хром, медь-хром), лакокрасочные материалы (например, при напылении на пластмассы). Иногда на декоративные покрытия наносятся защитные плёнки (например, лаковые при напылении на пластик).

Качество декоративно-защитных покрытий целиком и полностью определяется качеством поверхности заготовок (шероховатость, фактура и т. д.), качеством подготовки поверхности заготовок (наличие загрязнений, наличие окисных плёнок, степенью активации поверхности ионным травлением), культурой производства.

Вакуумное ионно-плазменное напыление является финишной операцией. Не допускается последующая механическая обработка деталей, их пайка, сварка.

Себестоимость нанесения декоративнозащитных покрытий зависит от характерного габарита, формы и материала деталей; требований, предъявляемых к покрытию; годовому объёму деталей (вакуумные ионноплазменные методы напыления относятся к промышленным методам производства). Цвета декоративно-защитных покрытий принято представлять в так называемых единицах «С1е1аЪ», полученных в результате обработки данных отражения покрытий от источника света, наиболее сильно приближающегося к спектральному распределению дневного света (типа «С») по параметрам: Ь* (блеск покрытия), + а* (красный цветовой компонент), -а* (зелёный цветовой компонент, + Ь* (жёлтый цветовой компонент), -Ь* (синий цветовой компонент).

Для получения декоративных покрытий металлического цвета на деталях из пластмасс широко используется в качестве материала катода алюминий. Алюминий обладает более высоким коэффициентом отражения, по сравнению с титаном, цирконием. Алюминий также является более легкоплавким металлом по сравнению с ними. Но так как поверхность алюминия очень быстро окисляется, необходимо на алюминиевую плёнку наносить защитное лаковое покрытие.

Нитриды титана и циркония (табл. 1-2) очень широко используются для получения покрытий золотого цвета. Недостатком покрытия золотого цвета на основе титана и циркония, по сравнению с золотыми покрытиями, является то, что он имеет более низкие коэффициенты отражения (табл. 3).

Таблица 1 Цветовые компоненты покрытий из "Шу в зависимости от расхода N2

Таблица 4 Цветовые компоненты покрытий из Их^Сг в зависимости от расхода N2 и С2Н2

РЫ2, веет. I* +а* +Ь*

15 72 0,7 6

20 75 0,8 5,5

25 74 0,87 5,7

35 73 0,5 12

38 73 0,63 18

40,5 75 1,5 22,3

44 71 3,2 34

47 70 6,4 35

РЫ2, веет. С2Н2, веет. +а* +Ь*

27,0 4,1 2,1 27,3

26,5 5,0 4,7 27,0

23,5 8,0 8,8 19,8

23,3 8,3 4,9 19,2

23,1 8,4 2,8 18,9

22,7 9,0 3,2 17,4

22,5 9,4 3,9 16,5

22,4 9,5 3,5 15,6

Таблица 2 Цветовые компоненты покрытий из WxNy в зависимости от расхода N2

FN2, веет I* +а* +ь*

50 75 0 2,2

100 75 0 3

150 78 0 2,1

200 73 0 2

Таблица 3 Сравнение цветов золота и нитрида титана

Материал/цвет 1* (блеск покр.) +а* +Ь*

Золото (24 кар.) 89 3,0 40

Нитрида титана 71 3,2 34

При использовании ацетилена, углекислого газа в качестве реактивных газов в процессе распыления титана и циркония возможно получить серые, чёрно-серые и коричнево-чёрно-серые цвета (табл. 4).

Следует отметить, что толщина наносимых защитных покрытий в наших исследованиях не превышала 100 нанометров. Результаты работ приведены на рис.

Перспективы исследований связаны с реализацией следующих этапов:

- подготовка коллекции литой медной пластики из археологических памятников Омского Прииртышья для очистки и консервации: фотографирование для фиксации первоначального вида и цвета артефакта, описание с указанием размеров и степени сохранности, с прорисовкой наиболее сохранившихся образцов;

- подбор опытных образцов из коллекции для испытаний по выбору оптимальных способов химической очистки;

- разработка методики для оценки эффективности химико-механических способов очистки поверхности предметов культового медного литья;

- химическая очистка опытных образцов различными способами, макросъемка для оценки качества, описание результатов, выбор на основе полученных данных оптимального способа очистки археологического металла на основе данных металлографического анализа;

- отработка режимов финишной очистки поверхности объектов ионно-вакуумными методами.

а

Внешний вид креста до

ЛИТЕРАТУРА

[1] Покрытия и обработка поверхности для защиты от коррозии и износа. / под ред.

К. Н. Страффорда, П. К. Датты, К. Дж. Гудже-

б

очистки и нанесения защитного покрытия

на ; пер. с англ. под ред. В. В. Кудинова. М. : Металлургия, 1991. 238 с.

[2] Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: получение, свойства, применение : пер. с англ. М. : Мир, 2000. 518 с.