Conservation methods of iron artifacts recovered from the marine environment

Abstract

The survivors of iron artifacts in marine archaeological conditions are rarely in a good state. Long term burial of the artifacts in the marine environment often leads to porous, pits friability, salt encrustation, physical damage and severe corrosion that lead to reduce the lifetime of the metal artifacts. Among the variety of chlorine containing compounds, akaganeite is the only one that was evaluated by XRD in the iron coupons and artifacts. Also, chloride ions were assessed by silver nitrate test and EDS. The removal of chloride ions is absolutely essential for the conservation of iron artifacts. Desalination treatment is one of the most laborious and time-consuming of conservation treatments. The results by X-ray diffraction, EDS (Energy dispersive spectrometer) and silver nitrate test proved that cast iron artifacts contain chlorides at higher amount than the wrought objects before the treatment. The efficiency of dechlorination treatment methods is often compared by determining the chloride ion removal and the final appearance of the objects by using further methods of investigation and analyses. We tried in this study to assess desalination treatment methods that can save time and remove a large percentage chloride from the iron artifacts. Many methods of desalination or dechlorination of iron artifacts from the marine environment can be utilized in the conservation laboratories or in marine excavation situ to prevent further damage after being removed from the saline environment. Four methods of dechlorination of underwater iron archaeological objects are used in Demokritos as chemical treatment (NaOH) and/or hydrogen plasma reduction. Recent successes in hydrogen plasma led us to choose this method for dechlorination. From the literature review of desalination, the chemical solution such as sodium hydroxide is the most effective one in the desalination treatment of iron archaeological objects. The conclusions of the experimental tests are as follows: The best way for desalination of the marine iron artifacts is by immersing them firstly in 1-2% sodium hydroxide in 13.5-pH combined with plasma reduction. After the application of these methods, it is less probable for the iron artifacts to be re-corroded. The formation of a stable passivating layer on iron surface artifacts after using 1-2% NaOH combined with plasma reduction was accomplished. At 80 to 300°C, the plasma does not chemically affect the surface or the metallurgical properties. Most of the chloride ions were released during the early stage of desalination. The objective of the dechlorination is to find out if one of these methods is convenient for the conservator to stabilize the metal artifacts from the marine environment. From our work, we can say that modern technological methods, such as plasma reduction, was used to support the conventional methods of conserving archaeological objects as mechanical and chemical treatment. The percentage of removed chlorides increased with time; and temperature of the plasma. The same dependence on time and on temperature was observed for the desalination with sodium hydroxide. The few coupons, as well as the two iron artifacts were completely free from chlorides, while the major quantity of chlorides was removed from the others iron objects.

Τα χρόνια υπολείμματα σιδήρου που συναντάμε σε αρχαιολογικά ευρήματα μέσα στην θάλασσα είναι σπάνια σε καλή κατάσταση. Η μακροχρόνια παραμονή των αντικειμένων στο θαλάσσιο περιβάλλον, συχνά οδηγεί σε πορώδη κατάσταση, ευθρυπτότητα, εναπόθεσn αλάτων, υλική φθορά και σοβαρή διάβρωση με συνέπεια τη μείωση της διάρκειας ζωής των αντικειμένων. Από το σύνολο των ενώσεων που περιέχουν χλώριο, ο ακαγανίτης είναι το μόνο που εντοπίστηκε από το ΧRD (περίθλαση ακτίνων Χ) σε πειράματα σιδήρου και αντικειμένων. Επίσης, ιόντα χλωρίου εντοπίστηκαν από το νιτρικό άργυρο και το EDS (Φασματόμετρο Ενεργειακής Διασποράς) . Η αποχλωρίωση είναι απολύτως απαραίτητη για τη διατήρηση των αντικειμένων σιδήρου. Η αφαλάτωση είναι μία από τις πιο επίπονες και χρονοβόρες από τις θεραπείες συντήρησης. Τα αποτελέσματα με XRD (περίθλαση ακτίνων Χ), EDS (Φασματόμετρο Ενεργειακής Διασποράς) και δοκιμές νιτρικού αργύρου απέδειξαν ότι τα αντικείμενα από χυτοσίδηρο περιέχουν χλώριο σε ποσό μεγαλύτερο από αυτό των αντικειμένων σφυρήλατου σιδήρου πριν από τη θεραπεία. Η αποτελεσματικότητα των μεθόδων θεραπείας με αποχλωρίωση εξαρτάται από την απομάκρυνση ιόντων χλωρίου και την τελική εμφάνιση των αντικειμένων με τη χρήση περαιτέρω μεθόδων έρευνας και αναλύσεων. Έγινε προσπάθεια σε αυτή τη μελέτη να αξιολογηθούν οι μέθοδοι επεξεργασίας αφαλάτωσης που μπορεί να εξοικονομήσουν χρόνο και να αφαιρέσουν ένα μεγάλο ποσοστό χλωρίου από τα αντικείμενα σιδήρου. Πολλές μέθοδοι αφαλάτωσης ή αποχλωρίωσης του σιδήρου σε αντικείμενα από το θαλάσσιο περιβάλλον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα εργαστήρια συντήρησης ή σε θαλάσσιες επιτόπου εκσκαφές για την πρόληψη περαιτέρω βλάβης μετά την απομάκρυνση του αλατούχου περιβάλλοντος. Τέσσερις μέθοδοι αποχλωρίωσης των υποθαλάσσιων αρχαιολογικών αντικειμένων σιδήρου χρησιμοποιούνται στο Δημόκριτο ως χημική επεξεργασία με καυστικό νάτριο (NaOH) και / ή υδρογόνο του πλάσματος. Οι πρόσφατες εργασίες στο πλάσμα υδρογόνου, οδήγησαν στην επιλογή αυτής της μεθόδου για αποχλωρίωση. Από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση της αφαλάτωσης, το χημικό διάλυμα καυστικού νατρίου είναι το πιο αποτελεσματικό στη θεραπεία αφαλάτωσης του σιδήρου αρχαιολογικών αντικειμένων. Τα συμπεράσματα των πειραματικών δοκιμών έχουν ως εξής: Ο καλύτερος τρόπος για την αφαλάτωση των θαλάσσιων αντικειμένων σιδήρου, είναι βυθίζοντας τα, αρχικά σε 1-2% καυστικό νάτριο με 13,5 pH και έπειτα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο μείωσης του πλάσματος. Μετά από την εφαρμογή αυτών των μεθόδων, είναι λιγότερο πιθανό τα εκθέματα του σιδήρου να ξανά- διαβρωθούν. Η δημιουργία ενός σταθερού στρώματος σε αντικείμενα σιδήρου μετά τη χρήση του 1-2% NaOH σε συνδυασμό με τη μέθοδο μείωσης του πλάσματος ολοκληρώθηκε. Σε θερμοκρασία από 80 έως 300°C, το πλάσμα δεν επηρεάζει χημικά την επιφάνεια ή τις μεταλλουργικές ιδιότητες του αντικειμένου. Τα περισσότερα από τα ιόντα χλωρίου απελευθερώθηκαν κατά τη διάρκεια του αρχικού σταδίου της αφαλάτωσης. Ο στόχος της αποχλωρίωσης είναι να μάθουμε αν μία από αυτές τις μεθόδους είναι βολική για τον συντηρητή, για τη σταθεροποίηση των αντικείμενων μετάλλου από το θαλάσσιο περιβάλλον. Από τη δουλειά που κάναμε, μπορούμε να πούμε ότι οι σύγχρονες τεχνολογικές μέθοδοι, όπως η μείωση του πλάσματος, χρησιμοποιήθηκαν για να υποστηρίξουν τις συμβατικές μεθόδους της διατήρησης των αρχαιολογικών αντικειμένων, όπως είναι η μηχανική και η χημική επεξεργασία. Το ποσοστό των αφαιρεθέντων χλωριδίων αυξήθηκε με το χρόνο και την θερμοκρασία του πλάσματος. Η ίδια εξάρτηση από το χρόνο και τη θερμοκρασία παρατηρήθηκε για την αφαλάτωση με καυστικό νάτριο. Λίγα πειράματα, καθώς και δύο αντικείμενα σιδήρου ήταν εντελώς απαλλαγμένα από χλωρίδια, ενώ η μεγαλύτερη ποσότητα των χλωριδίων αφαιρέθηκε από τα υπόλοιπα σιδερένια αντικείμενα.