Алюминий

Из истории литья скульптуры из алюминия

В "Естественной истории" Плиния есть рассказ о том, что однажды во дворец Тиберия явился мастер, изготовлявший различные изделия из металла, и хотел подарить императору металлический сосуд, который по виду был похож на серебро, но отличался чрезвычайной легкостью. На вопрос императора, где был найден этот металл, мастер ответил, что он его приготовил из глинистой земли. Тиберий спросил мастера, не знает ли еще кто-нибудь о существовании и способе приготовления этого металла. На это мастер ответил, что кроме него лишь один Юпитер знает эту тайну. У императора возникло опасение, что новый металл понизит цену на золото и серебро, и он велел немедленно разрушить мастерскую римского мастера, открывшего алюминий, а его самого обезглавить^*.

^*("Веrg und Hiittenman Zeitung", №-??, № 7)

Этот рассказ Плиния является единственным источником сведений о якобы открытом в античное время алюминии.

Открытие алюминия относится к началу XIX века, когда в 1825 году этот металл был получен в свободном виде. Только шестьдесят пять лет спустя было положено начало современной алюминиевой промышленности.

Алюминий стали называть "серебром из глины" и "металлом будущего"; в то время он еще не находил широкого практического применения, хотя из него уже изготовляли мелкие поделки и галантерейные изделия. Но этому металлу придавали огромное значение и предвещали большое будущее. По этому поводу можно прочесть любопытные строки в романе Н. Г. Чернышевского "Что делать?", опубликованном в 1861 году. И действительно, алюминий стал одним из важнейших металлов современности, нашедшим самое широкое применение во всех областях, техники, в архитектуре, изобразительном искусстве и в быту. Еще далеко не раскрыты все превосходные декоративные качества этого металла, хотя практика показывает, что он с каждым годом находит все большее применение в прикладном искусстве и скульптуре.

Первое получение алюминия связано с квасцами, представляющими собой химические соединения алюминия. Само слово "алюминий" происходит от латинского "алюмен", что означает вяжущий.

В начале XIX века этот металл русскими учеными назывался различно: "алумием", "глинием" и "алюминием". Название "глиний" в России удержалось до 70-х годов прошлого века. В работе Д. И. Менделеева "Основы химии" упоминается это название: "Алюминий, или металл квасцов ("алюмен"), поэтому называется иначе глинием, что находится в глине".

Первые попытки получить алюминий в свободном состоянии были сделаны знаменитым английским ученым Деви (1778-1829). Его работы по разложению глинозема электролитическим путем (для чего Деви применял вольтов столб) относятся к 1810 году. Но алюминий в свободном состоянии был впервые получен в 1825 году датским физиком Эрстедом (1777-1851). Первые же принципы промышленного получения алюминия были разработаны немецким ученым Велером (1800-1882), который продолжил опыты Эрстеда и в 1827 году получил порошкообразный алюминий. Велер также впервые установил факт образования на алюминии оксидной пленки, защищающей металл от окисления. Дальнейшие работы по получению алюминия связаны с французскими учеными. Большое практическое значение имели работы Сен-Клер-Деви л я (1818-1881). Первое промышленное получение алюминия было осуществлено во Франции в городе Руане в 1855-1856 годах^*.

^*(Беляев А. И. Очерки по истории металлургии легких металлов. - "Труды истории естествознания и техники АН СССР", 1959, т. 20)

"История развития алюминиевого производства очень коротка: она прошла на глазах у нынешнего поколения - три всемирные выставки в Париже наглядно представили главнейшие моменты истории этого развития". - писал в 1878 году один из авторов "Технического сборника".

"В 1855 году в "Plais de I'industrie" впервые появляется алюминий в больших слитках под пышным названием "серебро из глины". Спустя двенадцать лет, на выставке 1867 года, этот редкий металл появился уже в обработанном виде. - к этому времени многочисленные трудности, стоявшие на пути его фабрикации, рафинирования и формовки, были почти преодолены. Посетители впервые тогда познакомились с важнейшим сплавом алюминия и меди, то есть с алюминиевой бронзой, а также с отливкой из чистого алюминия. Выставка 1878 года показала дальнейший заметный прогресс в производстве и применении алюминия^*".

^*("Технический сборник", 1878, № 11)

Дореволюционная Россия не имела своего алюминия главным образом из-за отсутствия достаточного количества электроэнергии и низкого уровня промышленности. Тем не менее русские ученые успешно работали в области металлургии алюминия и внесли ценный вклад в мировую металлургическую промышленность.

Выдающимся русским ученым, работавшим в области металлургии алюминия, был Н. Н. Бекетов (1826-1911), работы которого легли в основу современной металлургии алюминия (алюмотермии).

Другим выдающимся русским ученым, проведшим обширные экспериментальные работы (1910-1912) по электрометаллургии алюминия, был П. П. Федотьев (1864-1934). Работы П. П. Федотьева в советское время были завершены фундаментальным трудом, вышедшим в 1934 году под названием "Электролиз в металлургии". Эта работа и в настоящее время служит руководством в современной металлургии алюминия.

Первый русский алюминий электролитическим путем был получен в 1913 году русскими учеными Н. А. Пушкиным, Э. X. Дишлером и М. С. Максименко, стремившимися к созданию отечественного производства. Россия в то время ежегодно потребляла до 80 тысяч пудов алюминия, ввозившегося из-за границы^*.

^*("Известия Петроградского электротехнического института", 1914, вып. X)

Большое значение для развития алюминиевой промышленности имело обнаружение в Тихвинском уезде бокситов^*. Открытие было сделано бывшим моряком П. Н. Тимофеевым в 1916 году.

^* (Бокситовая глина содержит: Аl₂0₃ - 40-70%, СаО до 10%, Si0₂ до 15%; Fe₂0₃ до 15%.)

Несмотря на блестящие открытия и исследования русских ученых в области металлургии алюминия, царское правительство не смогло создать в России алюминиевой металлургической промышленности. Только после Великой Октябрьской социалистической революции были созданы условия для развития алюминиевой промышленности в нашей стране.

Решающее значение для развития алюминиевой промышленности в СССР имел план ГОЭЛРО, разработанный по указанию В. И. Ленина в 1920 году.

Впервые советский алюминий был получен в 1921 году электролизом глинозема, извлеченного из алунитов Журавлинского месторождения на Урале. Вступившая в 1925 году в эксплуатацию Волховская гидроэлектростанция стала первой крупной энергобазой для алюминиевых заводов.

В конце 1932 года была пущена Запорожская ГЭС, ставшая энергетической базой второго алюминиевого завода - Днепровского, пущенного в июне 1933 года. В 1943 году, в дни войны, было создано два алюминиевых завода - в Кузбассе и на Северном Урале, выдавших первую плавку в День Победы - 9 мая 1945 года.

Большой вклад в развитие алюминиевой металлургии внесли профессор Ю. В. Баймаков, автор работы "Электролиз в металлургии", и профессор В. М. Гуськов, чья работа "Электролитическое рафинирование алюминия", изданная в 1945 году, имела исключительно большое научное и промышленное значение. В настоящее время сплавы алюминия находят применение почти во всех областях техники.

Появление технического алюминия, как мы указывали, относится к пятидесятым годам XIX века. Цена на алюминий была еще высокой - металл расценивался вполовину стоимости серебра. Поэтому алюминий находил ограниченное распространение и применялся главным образом для некоторых галантерейных поделок - оправ к лорнетам, биноклям и т. п. изделиям, для которых легкость была лучшим качеством. Вскоре его стали применять и для небольшой по размерам декоративной скульптуры. Так, в 1856 году во Франции из алюминия отливали орлов, украшавших древки знамен французских войск^*.

^*("Горный журнал", 1856, № 12)

Одной из первых известных алюминиевых скульптур была декоративная композиция, выставленная на Лондонской выставке в 1862 году. По этому поводу в "Горном журнале" за 1863 год можно найти следующее сообщение:

"Рассматривая художественную группу лошадей из алюминия... несмотря на изящество этих вещей, нельзя не прийти к мысли, что будучи сделаны из золота или серебра, они были бы еще блистательнее и богаче, нежели из алюминия..." Далее в сообщении говорилось: "...нынешняя цена его составляет 50% цены серебра^*".

^*("Горный журнал", 1863, № 4)

В середине XIX века в Петербурге существовал завод статуарного литья, принадлежавший Морану и Плеске^*. Это было большое предприятие, которое занималось отливкой из бронзы монументальной и декоративной скульптуры. Завод был построен в 1838-1840 годах. В 1867 году завод Морана участвовал во Всемирной выставке в Париже, где демонстрировал гальванопластическую и литую скульптуру. Эти годы связаны как раз с работами русского ученого Н. Н. Бекетова, который в 1865 году разработал промышленный способ получения алюминия. Можно полагать, что первые экспериментальные работы по художественному литью из алюминия производились на заводе Морана, где, вероятно, и была отлита Диана Габийская, о чем свидетельствует надпись на основании статуи: "Поль Моран и К°^**".

^*(Справочник "Статистические сведения о фабриках и заводах". СПб., 1863)

^**(Одндралов Н. В. Кто отлил Диану Габийскую. - "Декоративное искусство СССР", 1958, № 12)

Следует добавить, что в шестидесятых годах XIX века литейная алюминиевая промышленность уже носила полупроизводственный характер. По этому поводу в 1863 году в "Горном журнале" сообщалось: "Редакция "Горного журнала" сочла своей обязанностью указать на возникшую промышленность по той важности, которую алюминий приобретает ежедневно все более и более, особенно в виде алюминиевой бронзы, соперничающей уже со сталью". К концу XIX века алюминий уже находил самое разнообразное применение в декоративно-прикладном искусстве^*.

^*(В 1899 году из алюминия некоторые мастерские производили мебель. В том же году для крейсера "Апраксин" был сооружен из алюминия иконостас ("Всемирно-техническое обозрение", 1899, № 5 и 6).)

Современная скульптура из алюминиевых сплавов является главным образом декоративной скульптурой, а также станковой портретной. Но наиболее широко алюминий и его сплавы применяются для скульптуры, входящей в различные архитектурные сооружения. Применение скульптуры из алюминиевых сплавов распространено в современной архитектуре Запада. Это объясняется многими соображениями: высокими антикоррозийными свойствами алюминия и его сплавов, не изменяющихся в условиях атмосферы современных городов, технологичностью и дешевизной этого металла, его высокими литейными свойствами, низкой температурой плавления (658°С), малой объемной массой (2,7 т/м³), сравнительной легкостью монтажа скульптуры на месте ее установки и, наконец, тем, что алюминий приобретает со временем красивую патину. Кроме того, алюминий не дает потеков окислов на каменных материалах (при установке на постаментах или монтаже на фасадах зданий), как это бывает у бронзы. Наиболее приемлемые марки алюминия для литья скульптуры - АЛ-8 и АЛ-13.

Примеров скульптуры из алюминиевого сплава, служащей для украшения современных архитектурных сооружений, очень много. Скульптурой из алюминиевых сплавов украшен в 1952 году в городе Лионе (Франция) новый мост на реке Роне или, точнее, четыре тимпана моста (скульптор А. Ренер, архитектор Китченер).

Для моста были отлиты четыре двухфигурные тематические композиции, символизирующие рыбные богатства рек, навигацию, плодородие и радость, доставляемую водой^*.

^*(Тимпаны моста украшены четырьмя двухфигурными композициями - "Рыбные богатства страны", "Навигация", "Плодородие" и "Радость, доставляемая водой".)

Отлитая скульптура была слегка отполирована и затем анодирована, но не тонировалась (сохранен цвет блестящего алюминия), что хорошо гармонирует со светлым фоном тимпанов моста^*.

^*("Revue de L'Aluminium". 1952, № 184)

Другим примером применения алюминиевой скульптуры в архитектуре может служить скульптура на здании библиотеки в городе Лугано (Швейцария), выполненная в 1948 году^*.

^*("Revue de L'Aluminium". 1948, № 142)

В 1950 году в США была отлита большая двухфигурная композиция из сплава алюминия массой 550 кг, установленная в Нью-Йорке перед новым входом в парк Барнета^*.

^*("The Foundry". 1950, № 102)

В 1957 году на школьном здании в городе Амьене (Франция) установлена пятиметровая статуя из листового алюминия скульптора Колла Морини. Статуя смонтирована на каркасе, укрепленном на подставке из фасонного железа^*.

^*("Revue de L'Aluminium". 1957, № 213)

Отечественная скульптура из алюминия

В советской скульптуре алюминиевые сплавы получили наибольшее распространение за последние годы, что объясняется тем, что раньше скульпторы широко применяли бронзу, а к алюминию прибегали для отливки небольшой настольной скульптуры.

За последние годы заводами художественного литья ("Монументскульптура" и Мытищинским заводом художественного литья имени Е. Ф. Белашовой) отлито из алюминия различными способами значительное количество разнообразной монументальной, станковой и декоративной скульптуры.

Интересными работами в алюминиевом сплаве являются: "В космос" скульптора В. Г. Шевченко (скульптура установлена в Рязани, Краснодаре и на Артемовской районной электростанции имени С. М. Кирова, высота статуи 2,4 м); "Защитники Брестской крепости" скульптора А. Потрываева (скульптура установлена в Бресте); "Колхозница со снопом" скульптора С. Буякина (высота статуи 2 м); "Эстафета мира" скульптора И. А. Тенеты (высота группы 2 м); "Купальщица" скульптора А. Е. Чусовой (скульптура установлена в Сахалинске, Анапе, Челябинске, Краснодаре, высота статуи 2 м); "Аквалангистка" скульптора А. А. Абрамовой (скульптура установлена в Куйбышеве, высота статуи 2,17 м); памятник Олегу Кошевому скульптора Л. М. Писаревского в Москве у школы № 622.

Кроме перечисленных работ, следует упомянуть о работах из алюминиевого сплава, экспонированных на республиканской выставке изобразительного искусства в Москве в 1962 году. Наиболее интересными произведениями, созданными из этого сплава, являются работы скульптора В. Е. Цигаля-портреты Н. Г. Чернышевского, П. И. Устюжина, К. Г. Гимадаева, статуях "Сплавщица" скульптора К. И. Суворовой и "Целина" скульптора А. В. Семченко, а также портрете Курчавина работы скульптора Л. Н. Николаева и декоративной скульптуре "В поле" Г. А. Шульца.

Все эти скульптуры созданы с тонким пониманием пластики этого металла, которая особенно интересно выявлена в портрете Н. Г. Чернышевского работы В. Е. Цигаля и в "Светлане" этого же автора.

Декоративная отделка скульптуры из сплавов алюминия

Для предохранения от коррозии и потемнения, для сохранения блестящей поверхности или для ее тонирования скульптура из алюминия и его сплавов обрабатывается в электролитической ванне (на аноде), после чего на поверхности металла образуется тонкая и прозрачная стекловидная пленка, отличающаяся высокой твердостью и придающая скульптуре приятный мягкий тон.

Наиболее распространенным электролитом для анодирования сплавов алюминия является 20%-ный раствор серной кислоты. Для получения толстых пленок рекомендуется вести процесс при низких температурах - от минус 5 до плюс 5°С. При ведении процесса в условиях комнатной температуры в электролит вводят моноэтаноламин - 150 г/л. При этом повышается скорость роста оксидной пленки и ее толщина^*.

^*(В 20%-ном растворе серной кислоты при плотности тока 1,0 а/дм² в течение 20 минут можно получить оксидную пленку толщиной 3-5 мкм.)

Режим работы электролита: температура электролита 15-23° С, плотность тока на аноде 1,5-2 а/дм², напряжение на ванне - 11 - 28 в (повышенное напряжение тока необходимо для силуминов), продолжительность оксидирования 30-40 мин. Характерной особенностью образующейся оксидной пленки является не только ее твердость и прозрачность, но и микропористость. Благодаря микропористости оксидная пленка может быть окрашена водными растворами специальных органических красителей, адсорбирующих в поры оксидной пленки; при этом окрашенная оксидная пленка не теряет блеска, присущего металлу. Для окрашивания в золотистый и бронзовый цвета применяются красители в следующих соотношениях (в г):

Такая техника декоративной отделки алюминиевых сплавов дает возможность окрашивать скульптуру не только в любой тон бронзы, но и в любые цвета, в зависимости от замысла скульптора. Цветное адсорбционное окрашивание может найти широкое применение в отделке декоративной скульптуры в целом или окраске только отдельных ее деталей. Примером окраски отдельных деталей скульптуры может служить декоративная (алюминиевая) статуя "Лыжник", установленная в Швейцарских Альпах в 1952 году, где полированный цвет алюминия сохранен в статуе, а лыжи адсорбционно окрашены в черный цвет, что создает интересный декоративный эффект, усиливающий выразительность скульптуры.

Производят декоративную отделку скульптуры из алюминия и его сплавов химическим способом. Для отделки металл предварительно тщательно обезжиривают щелочью и затем наносят оксидирующий раствор следующего состава (в г/л):

 Хромовокислый цинк......................4 
 Азотная кислота.........................3,5 
 Фтористый цинк..........................1,5 
 

Цвет оксидной пленки от желтого до золотистого.

После просушивания образовавшейся оксидной пленки скульптура покрывается прозрачным лаком.

Другим способом декоративной отделки скульптуры является нанесение золотистой пленки на поверхность скульптуры термическим способом. Для этого на скульптуру наносят тонкий слой расплавленного парафина, после чего ее поверхность обрабатывают пламенем паяльной лампы.

Для получения гаммы тонов от золотистого цвета до черного скульптуру покрывают тонким слоем тунгового масла (деревянное масло) и также обрабатывают пламенем лампы. В зависимости от того, сколько раз эта операция повторяется, алюминий может иметь золотистый, коричневый или черный цвет.

Так как тонирование алюминия и его сплавов чрезвычайно затруднительно, то часто скульпторы прибегают к копчению скульптуры над горящей резиной или березовой корой. Этот способ крайне ненадежен.

Нами может быть рекомендован химический способ, заключающийся в предварительной обработке металла в щелочи - в едком натрии или едком калии, промывке в воде и затем обработке в винно-кислом калии со щелочью; после указанной подготовки скульптура опускается в раствор сернокислой меди - 130 г медного купороса, растворенного в 1 л воды. Существует способ обработки небольшой скульптуры из алюминиевых сплавов 15-20%-ным раствором соляной кислоты.

Для крупногабаритной скульптуры применяют раствор, состоящий из хромовокислого цинка - 4 г/л, азотной кислоты - 3-5 г/л и фтористого цинка - 15 г/л.

Цвет покрытия от желтого до золотистого. Для оксидирования сварных швов дополнительно применяют раствор хромового ангидрида - 3-4 г/л с фторсиликатом натрия - 3-4 г/л.

Противокоррозийная стойкость алюминия и его сплавов

Сплавы алюминия для монументальной и крупной станковой скульптуры применяются сравнительно недавно, и мы не можем привести примеры достаточно длительной службы скульптуры из алюминия в атмосферных условиях. Приходится ограничиться некоторыми примерами сохранности сплавов алюминия с конца XIX века, главным образом в виде различных архитектурных деталей некоторых сооружений, причем эти архитектурные детали находились в менее благоприятных условиях, чем находится обычная скульптура.

Чистый листовой алюминий был применен в 80-х годах прошлого века для купольных покрытий. В те годы листами из чистого алюминия был покрыт купол одной из церквей в Риме, где это алюминиевое покрытие служит и поныне. В 1882 году в Питсбурге (США) был построен мост из сплавов на алюминиевой основе, в 1933 году он был расширен и продолжает функционировать до сих пор. В последующие годы из алюминиевых сплавов построены десятки мостов с пролетами до 200 м. Все эти примеры вполне убедительно подтверждают высокую стойкость алюминиевых сплавов в атмосфере современных городов.

Около 87 лет существует статуя "Эрос", созданная в 1893 году скульптором А. Жильбертом. Статуя установлена в Лондоне на куполе одного из зданий на площади Сэркус. Статуя смонтирована из отдельных деталей: нога статуи (на ней, собственно, статуя и держится) отлита из алюминия, а остальные детали чеканились из листового алюминия. Размеры статуи: высота 2 м 40 см, ширина 1 м 23 см, расстояние между крыльями - 1 м 80 см, размеры лука - 1 м 40 см, масса статуи - 190,5 кг.

За этой статуей велись тщательные наблюдения, несколько раз она подвергалась обследованию. Статую "Эрос" снимали с купола в первую мировую войну, а также в 1932 году, и она простояла до 1938 года в парке, перед установкой в парке ее специально промывали и осматривали. Кроме этого, металл статуи, взятый из ее разных мест, был подвергнут лабораторному исследованию в 1918, 1932, 1942 и 1947 годах. При осмотре статуи на ней была обнаружена очень красивая патина, которая была оставлена.

В процессе этих исследований было также установлено, что на внутренние поверхности металла атмосферные реагенты оказали большее воздействие, чем на внешние. Исследователи объясняют это тем, что закрытые полости скульптуры не омываются дождями. Нижние части крыльев статуи оказались покрытыми белым налетом солей, но после промывки крыльев на металле каких-либо следов коррозии не осталось. Единственные следы изменения металла у статуи были обнаружены на луке, оказавшемся исключительно хрупким.

Лабораторное исследование небольшого слоя металла, снятого в 1947 году со статуи, показало разнородность металла в отдельных частях статуи, что указывает на неблагоприятные условия для сохранности металла^*.

^*(Материал статуи состоит из 98% алюминия, остальное - примеси, неравномерно распределенные в металле.)

Тем не менее статуя простояла до нашего времени. Это тем более примечательно, что в то время, когда статуя создавалась, то есть около 100 лет назад, еще не были известны современные сплавы алюминия, отличающиеся высокими противокоррозийными свойствами. - статуя была отлита из самого обычного алюминия, и эта статуя выдержала действие атмосферы такого города, как Лондон, с его дождями, туманами и фабричным дымом.

Таким образом, можно считать доказанным, что алюминий обладает высокой стойкостью против коррозии, даже в присутствии наиболее активных реагентов, находящихся в составе атмосферы городов.

Для статуарного литья применяют не только вторичные алюминиевые сплавы, но также и случайные сплавы, где могут содержаться включения нежелател ьных металлов, контакт с которыми чрезвычайно вреден для алюминия^*. Вот почему рекомендуется для скульптуры из алюминия и алюминиевых сплавов применять противокоррозийную защиту. Противокоррозийная защита должна заключаться прежде всего в том, что при выполнении скульптуры из алюминия и ее установке нельзя допускать соприкосновения металла скульптуры со сталью, с бетоном, кирпичом и деревом - все эти материалы в условиях влажной среды вызывают коррозию алюминия.

^*(Такими металлами, находящимися непосредственно в сплавах алюминия, могут быть цинк, олово, железо.)

Поэтому, если соединение алюминия со сталью неизбежно, сталь оцинковывают или кадмируют, а также ставят прокладки из листового текстолита (например для изоляции от стального каркаса). При соприкосновении алюминия с кирпичом или бетоном между скульптурой и бетоном прокладывают оцинкованное железо, дерево для изоляции пропитывают этинолевым лаком или между деревом и алюминием прокладывают 2-3 слоя тиоколевой ткани или прокладывают бумажную ткань, пропитанную грунтом АЛГ-1 или АЛГ-5.

Внутренняя часть скульптуры, на которой обычно образуется конденсационная влага, должна покрываться сначала грунтом АЛГ-1 или АЛГ-2, а затем двумя слоями лакокрасочной пленки.

Важным условием защиты металла от коррозии является тщательная промывка деталей скульптуры после анодирования, которое должно производиться до ее монтажа. После монтажа скульптуры сварные соединения и места, где анодная пленка разрушена, подвергают холодному оксидированию. Местное оксидирование производится путем смачивания мест с разрушенной оксидной пленкой при помощи салфеток, пропитанных в водном растворе хромового ангидрида 3-4 г/л и фторсиликата натрия с концентрацией 3-4 г/л. Раствор при помощи салфеток удерживается на обрабатываемых местах 8-10 минут.