Способ реставрации художественных произведений и их элементов, выполненных из черного металла
METHOD OF RESTORATION OF ART WORKS AND THEIR ELEMENTS MADE OF FERROUS METAL

В практике реставрации произведений искусства (монументальная, парковая и декоративная скульптура, в том числе рельефы, элементы архитектурного, скульптурного и металлического декора фасадов и интерьеров зданий; ограды, решетки, фонари, малые архитектурные формы, декоративное оформление мостов и т.д., (далее объекты реставрации), выполненных преимущественно из черного металла (чугун, сталь, кованное железо), для реставрации поверхности, восполнения утрат, а также восстановления участков с нарушенной целостностью (трещины, сколы, сквозные дефекты, поверхностные каверны, другие проявления коррозионных процессов и эвтектичности, механические повреждения), традиционно применяются горячие методы, такие как: наплавка и пайка, в том числе тиковая, с использованием легкосплавных припоев, а также вошедшее в широкое употребление с 50-х годов XX века - "холодное" шпатлевание поверхности пастообразными полимерными составами, в том числе металлонаполненными с последующим выравниванием. В дальнейшем отреставрированная поверхность покрывается лакокрасочными материалами (ЛКМ).
Предлагаемое изобретение решает те же задачи методом холодного газодинамического напыления (далее - ХГН) цинка и/или цинковых сплавов на поверхности художественных изделий и твердотельных форм перечисленных выше объектов реставрации, подвергающихся негативному атмосферному, а также механическому воздействию в процессе эксплуатации (ограждения, поручни, постаменты и т.п.). Изобретение может быть использовано в процессах реставрации, консервации, воссоздания объектов культурного наследия и может быть применено к вновь создаваемым изделиям перечисленного выше характера.
Известен способ нанесения металлосодержащих покрытий на объекты реставрации из медных сплавов (2201473 С2, 27.04.2003). В качестве напыляемого материала используются порошки меди или медных сплавов, а также цинк. Напыление осуществляют плазмотронами, газопламенными горелками, дуговыми металлизаторами и детонационно-газовыми пушками. В результате образуется пористая поверхность, поры которой дополнительно пропитываются ингибиторами коррозии. Основные недостатки, присущие всем способам термического напыления, состоят в том, что процесс осуществляют расплавленными или близким к этому состоянию частицами, нагрев которых осуществляют соответственно в плазменном, газопламенном, электродуговом и детонационно-газовом потоке.
1. При напылении плазменным способом в пятне напыления создается высокая температура, что вызывает коробление, провоцирует трещинообразование как во время воздействия плазмы, так и в дальнейшем бытовании объектов реставрации, выполненных из черного металла из-за изменения структуры старого металла с большим содержанием примесей.
2. Температурные напряжения в покрытии, уровень которых соизмерим, а иногда и превосходит адгезионную прочность, приводит к отслоению покрытия от поверхности изделия.
3. Сложность поддержания необходимых режимов напыления, стабильного горения дуги, обеспечения высокой скорости напыления и адгезии.
4. При использовании электродугового напыления вне зависимости от применяемого напыляемого материала (проволочного, шнурового, порошкового) на поверхности образуется грубое покрытие с высокой степенью шероховатости. Напыленный слой неустойчив к ударным, механическим, колебательным нагрузкам и к скручиванию.
5. К недостаткам детонационного напыления следует отнести низкую производительность, недостаточную надежность, большой уровень ударного нагружения и акустического шума близкого к 140 дБ, что вызывает необходимость работать в закрытом, звукоизолированном боксе, ограничивающем возможность реставрации объектов по габаритам.
6. Использование горючих газов в газопламенном и детонационном способе напылении привносит значительное содержание в покрытии углерода, азота, других соединений, которые в исходном металле объекта реставрации содержатся в допустимых примесных пределах.
Известен способ герметизации шва заливкой сплавом на основе свинца, позволяющего осуществить надежную герметизацию шва без дополнительной механической или химической обработки (RU 2284400 С2, 27.02.2005).
1. Не указан материал (металл или сплав), из которого выполнены объекты («памятники монументальной скульптуры и архитектуры...»), швы на которых заделываются предлагаемым способом.
2. Заделка трещин выполняется за счет гравитационных сил на горизонтальной и вертикальной плоскостях - предлагаемый нами способ допускает заделку трещин и утрат в целом с любого положения - не только сверху и сбоку, но и снизу.
3. Использование формовочного материала с литниковой системой создает усложнение процесса заделки швов, тогда как при использовании газодинамического напыления достаточно обеспечить заделку трещины листовым или другим по сортаменту материалом того же состава (вместо засыпки инородных сухих негорючих материалов) с последующей зачеканкой его в трещине и окончательном напылении порошковым материалом из цинка и/или цинкового сплава.
4. При заливке свинцом трещин по указанному способу, а также при растирании расплава свинца на объектах реставрации наблюдается возникновение воздушных пузырьков, полостей и пор вследствие газообразования при взаимодействии расплава и флюса, что снижает прочностные свойства такой заделки.
5. Нагрев и использование свинца в расплаве ведет к повышению требований безопасности на объекте, квалификации непосредственного производителя работ, а также противоречит требованиям экологичности метода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ реставрации объемных художественных произведений по патенту 2381106 (RU 2381106 С1, 21.11.2008)
Недостатками указанного способа являются:
1. Необходимо использовать высокотемпературный поток сжатого воздуха для нагрева частиц до 200-800°С, что вызывает перегрев подложки, и в случае реставрации исторического объекта недопустимо, а при высшем значении указанного диапазона возможно необратимое изменение в структуре металла объекта реставрации.
2. Низкие скорость напыляемых частиц и их кинетическая энергия приводят к пониженному коэффициенту использования порошка и соответственно к пониженной производительности способа.
3. Необходимость применения смеси порошка металла и в большом количестве оксида (см. п. 3 формулы) «не менее 5 мас. ч. алюминия, остальное оксид алюминия», требует создания высокопроизводительной системы утилизации при низкой производительности напыления. В нашем случае алюминий и оксид алюминия не применяются вообще.
4. Не указан материал (металл или сплав), из которого выполнены объекты реставрации («памятники и скульптуры»).
5. В качестве объектов реставрации указаны "объемные художественные произведения, например, памятники, скульптуры, барельефы, сосуды, покрытых выпуклым рисунком, преимущественно выполненные из металла". Предлагаемый способ, помимо скульптуры позволяет производить реставрационные работы на чугунных и кованых оградах, фонарях, архитектурных формах и т.д.
Сутью предлагаемого изобретения является применение технологии сверхзвукового ХГН в консервационных и реставрационных работах на объектах культурного наследия или при изготовлении и отделке вновь создаваемых изделий, преимущественно на оградах, фонарях, монументальных скульптурах, выполненных из черного металла, преимущественно из чугуна, железа и кованного железа, с целью придания материалу памятника либо поверхности объекта реставрации высоких антикоррозионных и механических свойств путем замены легкосплавных наплавляемых припоев и шпатлевок на цинк (цинковый сплав), обладающий более высокими адгезионными и когезионными прочностными свойствами при работах по восстановлению целостности объекта реставрации и последующего омоноличивания путем напыления по всей поверхности покрытия из цинка и/или цинкового сплава.
Традиционно в реставрационных работах после расчистки от старых деструктированных покрытий, в том числе ЛКМ и проведения работ по восстановлению целостности поверхности и твердотельной формы объекта реставрации преимущественно шпатлеванием, производили окрашивание поверхности слоями грунта и красок по принятым в реставрационной практике специальным окрасочным программам для предотвращения воздействия атмосферной коррозии. Стойкость ЛКМ, нанесенной непосредственно на черный металл, в условиях, например, промышленного города, где в основном сосредоточены скульптуры, ограды и элементы декора, невысока и составляет несколько лет, как правило не более 10, до первого проявления продуктов атмосферной коррозии на поверхности.
Наиболее эффективным способом реставрации поверхности и одновременно долговременной (десятки лет) защиты объектов реставрации является нанесение на его поверхность защитного цинкового покрытия методом ХГН. У цинка стационарный потенциал на 0,2-0,3 мВ более отрицательный, чем железо. Поэтому, цинк является протектором и при воздействии агрессивных сред (в виде электролитов) он медленно жертвенно растворяется за счет электрохимических реакций защищая ферритную подложку. Толщина цинкового покрытия для обеспечения длительного срока защиты, например, в 50 лет, должна составлять не менее 40-100 мкм. Дополнительное окрашивание цинковой поверхности рекомендованными ЛКМ для придания декоративного вида объекту реставрации и дальнейшее его перекрашивание в процессе бытования в силу деструкции ЛКМ и потери внешнего вида увеличит защиту не менее, чем на сто лет без излишнего вмешательства в объект культурного наследия с минимизацией финансовых затрат на реставрацию.
Цинковое покрытие, полученное с использованием метода ХГН обладает высокими физико-механическими свойствами - адгезионной и когезионной прочностью в 40-50 МПа (у легкосплавных припоев марок ПОС-30, ПОС-40, ПСР-40 разрешенными для применения в реставрационных целях, указанный параметр лежит в пределах 32-38 МПа); микротвердость покрытия 0,8-1 ГПа. Пористость закрытая, малая, размер в несколько микронов, и составляет 1-5%.
Помимо стандартных шпатлевок, включающих различные связующие и наполнители, широкое распространение получили цинкнаполненные композиции марок ZINGA, ЦВЭС, ЦИНОЛ. Несмотря на высокие коррозионные свойства цинка в качестве наполнителя (до 92% об.), низкая адгезия и старение полимерного связующего не обеспечивает долговременную защиту черного металла, а зачастую вредит памятнику в связи с образованием слоистой подпленочной коррозии.
Последовательность реставрационных работ по предлагаемому способу содержит операции подготовки поверхности - ее очистку до ювенильного металла, выполнение работ по реставрации участков с нарушенной целостностью с использованием метода ХГН, нанесение покрытия цинком и/или его сплавами методом ХГН толщиной 40-150 мкм по всей поверхности, перекрытие полученной цинковой поверхности ЛКМ или при необходимости перекрытие цинковой поверхности металлизацией методом ХГН металлами из группы медь, медные сплавы, нержавеющая сталь.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе нанесения покрытий, включающем формирование газопорошковой смеси, ускорение частиц смеси сверхзвуковым подогреваемым потоком газа и перенос их на обрабатываемый объект реставрации, новым является то, что подогрев рабочего газа производят в периодическом режиме, при этом длительность периода выдержки поверхности изделия в пятне напыления при температуре Т=50-100°С менее времени установления температурного равновесия в пятне напыления между рабочим газом и материалом обрабатываемого изделия, а размер частиц выбирают из группы 0,03-200 мкм. Температура и давление в форкамере сверхзвукового сопла выбирается в пределах 100-250°С и 1,0-4,0 МПа соответственно.
В качестве материала, используемого для восстановления участков с нарушенной целостностью при реставрации скульптур и элементов декора, изготовлении и отделки вновь создаваемых изделий используют порошки цинка и/или его сплавы.
При заделке сквозных отверстий в отливке, либо тонкостенной выколотной оболочке объекта реставрации, после вставки предварительно подготовленных металлических пластин (материала объекта реставрации) и закрытия сквозного отверстия, производят напыление по границе отверстия порошком цинка и/или цинкового сплава, и далее углубление напыляется «заподлицо» с поверхностью оболочки. При заделке несквозных дефектов в оболочке объекта реставрации производят заполнение углублений напылением порошка цинка и/или цинкового сплава.
В качестве материала покрытия при реставрации, изготовлении и отделке вновь создаваемых изделий (скульптур, элементов декора) из черного металла используют порошки цинка и/или цинковых сплавов, меди и/или медных сплавов.
Толщину покрытия обеспечивают в пределах 40-150 мкм.
Примеры реализации способа реставрации и получения цинковой поверхности методом ХГН на черном металле, впервые в мире внедренные в научно реставрационный оборот в Санкт-Петербурге на памятниках мирового культурного наследия - работы выполнялись по согласованным с Комитетом по государственному контролю, использованию и охране памятников истории и культуры (КГИОП) методикам.
Пример 1
В 2002-2003 гг. выполнялись реставрационные работы на пяти скульптурах ангелов Исаакиевского собора, расположенных под аттиками, выполненных в технике выколотной скульптуры из меди. На отдельных участках поверхности ее каркаса, выполненного из кованного железа производилось напыление цинка методом ХГН.
Пример 2
В 2004 г. выполнялась реставрация декоративной скульптуры "Лошадь", выполненной в технике литья из чугуна. Устранение сквозных трещин, реставрация поверхности и восполнение утрат производилось напылением цинка методом ХГН.
Пример 3
В 2005 г. выполнялись реставрационные работы на скульптурах сфинксов на Малой Невке, выполненных в технике литья из чугуна. На отдельных участках поверхности производилось напыление цинка методом ХГН.