химический состав и прочие характеристики природных абразивов

химический состав и прочие характеристики природных абразивов

Корунд (Corundum)

Главный минерал наждака и других горных пород, сходных с наждаком.
Минерал, кристаллический α-оксид алюминия (Al2O3), тригональной сингонии, дитригонально-скаленоэдрический.

Спайность мнимая, кажущаяся, из-за сильно выраженной отдельности, обусловленной полисинтетического двойникования.
Твёрдость по Моосу 9 (из природных минералов выше только у алмаза и муассанита (природный карбид кремния, очень редкий минерал)
Плотность 3,9 4 г/см³.
Температура плавления 2050 ?C.
Цвет широко варьирует от бесцветного и серого до различных оттенков красного, синего или фиолетового.
Обыкновенный корунд, входящий в состав наждака непрозрачный, крупно- или мелкозернистый, сероватого цвета.
Дихроичен. Иногда наблюдается иризация на сколах по спайности.
Блеск сильный металлический до матового. В некоторых случаях, благодаря закономерно расположенным включениям тончайших рутиловых иголочек, ориентированных по его главным кристаллографическим направлениям, наблюдается эффект астеризма. В этих случаях говорят о «звёздчатых» корундах (рубинах, сапфирах).
Химически стоек, нерастворим в кислотах.
Происхождение:
Типичный гипогенный минерал. Встречается в магматических породах, бедных кремнезёмом (типа сиенитов, нефелиновых сиенитов). Крупные кристаллы находятся в пегматитах, генетически связанных с указанными горными породами. Зерна и метакристаллы достигающие до 10 см в диаметре, характерны для метаморфических пород глубокой стадии метаморфизма гнейсов, гранатовых амфиболитов, гранулитов. Также образуется при контактово-метаморфических изменениях осадочных пород, богатых глиноземом наждак. Основную массу драгоценных разновидностей находят в россыпях.

Наждак (Emery)

Русское название заимствовано из турецкого (nаdžаk, "дубина").
В западноевропейских языках название заимствовано из греческого (англ. Emery, фр. Emeri, нем. Schmirgel).
Горная порода, состоящая из плотно сцепленных зерен минералов: корунда, гематита, магнетита, кварца, рутила, периклаза, герцинита.
Наждак образуется при контактовом метаморфизме бокситосодержащих горных пород различного происхождения. Механизм образования кристаллов главного абразивного составлящего наждака, корунда, довольно сильно отличается от механизмов образования других разновидностей корунда.
Корунд в наждаке характеризуется большой степенью загрязненности соединениями железа и титана, меньшей прочностью (что для целей шлифования является скорее плюсом) и твердостью и довольно мелким размером зерен (крупных кристаллов, пригодных для ювелирной промышленности не образуется вообще).
Абразивные свойства зависят от содержания корунда (тв. 8-9 по шкале Мооса), также шпинелей (герцинит, тв. 7,5-8).

Крупнейшее месторождение наждака находится на греческом острове Наксос, входящего в архипелаг Киклады. Здесь добывают наждак с античных времен (4-1 вв. до н.э.)
Также месторождения наждака есть в Турции, Индии, в некоторых европейских странах (Чехия, Словакия). В новые времена были открыты крупные месторождения корундовых горных пород, сходных или идентичных наждаку: на Мадагаскаре, в Южной Африке, США и Канаде, в России (на Урале: Борзовское, Кособродское, Ильменские горы, добыча со второго десятилетия 20-го века).
Со средних веков известны месторождения корундовых горных пород в Норвегии, которые использовались викингами для шлифования и заточки.
Но из-за довольно редкого нахождения этой горной породы в те времена, чаще встречаются (они же экспортировались викингами в соседние страны) менее производительные камни, содержащие не корунд, а гранаты. кварц, халцедон и кремень. Промышленная же добыча корунда в Норвегии началась только в новейшее время.

Наждак использовался и используется для обработки шлифованием различных материалов: камня, сталей и чугунов, бронзы, дерева; является сырьем для производства наждачной бумаги.
Несмотря на множество превосходных абразивных материалов, в том числе синтетических, наждак является хорошим, в некоторых случаях предпочтительным абразивным материалом там, где требуется более мягкое, аккуратное удаление заусенцев, зачистка от коррозии без сильного повреждения поверхности самого изделия или специфические виды полировки (со сглаживанием).
Надо заметить, что более мягкая работа наждака связано не только с меньшей прочностью корунда в нём по сравнению с чистыми разновидностями, но и благодаря примесям гематита и других минералов.
Основная масса природного наждака используется в виде довольно крупнозернистого (10-200 grit) и при этом очень дешевого абразивного зерна.

Круг применения наждака в мире (и подобных наждаку корундсодержащих камней) всегда был довольно ограниченный.
Связано это с редкостью месторождений.
Греция, Турция и окружающие страны-завоеватели или страны-экспортеры, получавшие наждак с Наксоса или Турции:
Римская империя, Византия, арабы, Османская империя - вот в общем и всё.
В Норвегии (упомянутой выше), Богемии, Германии наждак как основа шлифовального (и конечно заточного) инструмента "тонет" в гораздо более распространенных гранатовых, кварцевых, кремневых камнях.
Вероятно, в Индии наждак (корунд) также использовался для шлифования и заточки, но сведений об этом нет и его широкое использование известно только с новых времен.
В новое и новейшее время добыча и использование наждака и корундовых камней сходного генеза для шлифования и заточки достигли довольно крупных масштабов, но к концу 19-го - середине 20-го века сдали позиции синтетическим камням. Наждак сохраняет за собой некоторые ниши - ювелирное производство, ремонт кузовов автомобилей (наждачная бумага (Emery cloth), зачистка заготовок и изделий из чугуна (шлифовальные круги).
Открытые в 19 веке (некоторые только в 20-м) крупные месторождения наждака в США и Канаде не достигли славы и популярности арканзасского камня, так как с одной стороны эти камни не отличаются выдающимися качествами, а с другой стороны их открытие и начало добычи столкнулись с уже развивающимся производством синтетических абразивов.
Тем не менее, в продаже в США можно встретить камни с названиями Emery-Washita Stone и American Emery Sharpening Stone.

(источники Г. Смит, А. Е. Ферсман и др.)

Кварц (Quartz)

Главнейший и важнейший минерал, являющийся основным компонентом подавляющего большинства природных шлифовальных и точильных камней в мире.
Это вообще самый распространенный минерал на поверхности Земли.

Формула SiO2
Относится к тригональной кристаллической системе, но гексагональной сингонии.
Кристаллы шестигранные призмы, с одного конца (реже с обоих) увенчанные шести- или трёхгранной пирамидальной головкой, сочетающей грани двух ромбоэдров. Часто по направлению к головке кристалл постепенно сужается. На гранях призмы характерна поперечная штриховка. Монокристаллы кварца могут иметь правую и левую формы.

Цвет Коричневый, бесцветный, фиолетовый, серый, жёлтый
В чистом виде кварц бесцветен или имеет белую окраску из-за внутренних трещин и кристаллических дефектов.
Цвет черты Белая
Блеск Стеклянный, в сплошных массах иногда жирный
Твёрдость 7
Спайность несовершенная
Излом раковистый
Плотность 2,6 2,65 г/см³

В магматических и метаморфических горных породах кварц образует неправильные изометричные зёрна, сросшиеся с зёрнами других минералов, его кристаллами часто инкрустированы пустоты и миндалины в эффузивах.

В осадочных породах конкреции, прожилки, секреции (жеоды), щётки мелких короткопризматических кристаллов на стенках пустот в известняках и др. Также обломки различной формы и размеров, галька, песок.

Растворяется в плавиковой кислоте и расплавах щёлочей.

Температура плавления 1713 1728 ?C (из-за высокой вязкости расплава определение температуры плавления затруднено, существуют различные данные).

Диэлектрик и пьезоэлектрик.

Относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлаждённого расплава стекла.
Обладает развитым полиморфизмом.

Стабильная при нормальных условиях полиморфная модификация α-кварц (низкотемпературный).
Соответственно β-кварцем называют высокотемпературную модификацию.

β-кварц (высокотемпературный) имеет несколько разновидностей:
кристобалит
тридимит
коэсит
стишовит (образуется при очень высоком давлении и умеренной температуре, впервые обнаружен на месте эпицентра ядерного взрыва)
аморфный кварц природное кварцевое стекло, больше известное как обсидиан.

Но, что очень важно, несмотря на химическую идентичность, природные абразивы на основе кремнезема, очень сильно различаются по физическому состоянию и физическим свойствам.

Песчаник (Sandstone)

обломочная осадочная горная порода, представляющая собой однородный или слоистый агрегат обломочных зёрен размером от 0,1 мм до 2 мм (песчинок) связанных каким-либо минеральным веществом (цементом).
По минеральному составу обломочного материала выделяют олигомиктовые (обломки представлены двумя минералами) и полимиктовые (обломки представлены более, чем двумя минералами) разновидности. К олигомиктовым относят кварцевые песчаники (более 90 % обломочного материала составляет кварц), полевошпатово-кварцевые, слюдисто-кварцевые и др. (кварца 60 90 %).

Для шлифовки и заточки песчаники использовались очень широко, но преимущественно для обдирки из-за довольно крупного размера зерен.
Абразивные способности песчаников не высоки зерна в массе имеют окатанную форму.

Кварцит (Quartzite)

метаморфическая горная порода, состоящая в основном из кварца, крепкий и прочный кварцевый песчаник с кремнистым цементом, белый до светло-серого, очень трудный для обработки.
Генезис диагенез или метаморфизм кварцевого песка. Прочность на сжатие 100 450 МПа, твёрдость по шкале Мооса 7, огнеупорность до 1770 ?C. Состав: кварц 70-80 %, слюда, плагиоклазы, тальк и т. д. Текстура: массивная, сланцеватая, пятнистая. Структура: зернистая.

Всё, что выше сказано про песчаник о шлифовке, годится и для кварцита.

Микрокварцит (Microquartzite)

Микрокристаллическая или скрытокристаллическая разновидность кварцита.

Отличается размером зерна, которое достигает от единиц до десятков микрометров, в отличие от размеров зерна кварцита (десятки и сотни микрометров).
Зачастую содержание кварца в микрокварците значительно превышает таковое в кварцитах, песчаниках и других кремнеземных горных породах, вплотную приближаясь к скрытокристаллическим халцедонам (90-99%).

Строго говоря, термина микрокварцит нет ни в минералогии, ни в геологии, ни в петрографии.
В англоязычной литературе часто используется термин chert для выделения микрокристаллического кварцита, микроволокнистого халцедона и скрытокристаллического кремня в одну группу.

Микрокварциты интересны для нас, это:
Американские новакулиты (novalulite) (знаменитый Арканзас (Arkansas stone), выделяющийся особенным строением зерен кварца очень плотным и прочным сцеплением зерен, необычно острогранной их формой и однородностью размера зерна, его младшая сестра Вашита (Washita), совсем неизвестные у нас техасские, аризонские и вайомингские камни).
Белоречит белорецкий кварцит, русский арканзас .
Также широко использовались различные микрокварциты, не имеющие собственных имен (или их имена просто забылись) в Европе и Азии для шлифовки, заточки, доводки.

Яшма (Jasper)

Скрытокристаллическая горная порода, сложенная в основном кварцем, халцедоном и пигментированная примесями других минералов (эпидот, актинолит, хлорит, слюда, пирит, окислы и гидроокислы железа и марганца), полудрагоценный поделочный камень. Некоторые породы, традиционно относимые к яшмам, богаты полевым шпатом; это либо серые кварц-полевошпатовые роговики, либо кислые эффузивы (порфиры). Среди пород, причисляемых к яшмам, встречаются и почти бескварцевые, богатые гранатом (до 20 % андрадита). В древности под яшмами понимали прозрачные цветные (преимущественно зеленые) халцедоны.
Таким образом, химический состав яшмы примерно таков: SiO2 80 95 %; Al2O3 и Fe2O3 до 15 %; CaO 3 6 % (и др.).

Кристаллический сланец (Schist)

Среднезернистые метаморфические горные породы, с параллельным (слоистым) расположением минералов, входящих в их состав (слюды , хлорит , тальк , роговая обманка , графит , и другие).
Сланцы характеризуются сланцеватостью способностью легко расщепляться на отдельные пластины. Относятся к терригенным горным породам.
Сланцами принято называть горные породы, содержащие 50% и более пластинчатых и удлиненных минералов.

Глинистый сланец (Шифер) (Slate, Shale)

Мелкозернистые горные породы, сходные с кристаллическими сланцами, но характеризующиеся низкой степенью метаморфизма.
Для них характерно наличие слоёв неизмененных осадочных пород: глин, вулканического пепла.
Сланцы в основном состоят из кварца, мусковита, иллита, часто вместе с биотитом, хлоритом, гематитом, пиритом и, реже, апатитом, графитом, каолином, магнетитом, турмалином, цирконом, а также полевым шпатом.
Цвет обычен серый, зеленый, фиолетовый.
Глинистые сланцы содержат в основном каолинит, иллит, кварц, кальцит и др.

С древних времен широко используется для заточки режущего инструмента почти повсеместно в мире.
Знамениты высококачественные тонкозернистые сланцы, добывавшиеся в Европе:
валлийские, камбрийские, корнуольские в Великобритании; арденнские во Франции и Бельгии, бретаньские, анжуйские, савойские во Франции, лигурийские в Италии; португальские Валонго; германские тюрингские (особенно тонкозернистые), эйфельские, вестервальдские; галицийские в Испании.

Арденнские гранатсодержащие бельгийские сланцы (shale), известные как Le coticule de Vielsalm или Pierre beige (бежевый камень) (или Gele Slijpsteen, Belgischer Broken на голландском и немецком), содержат феноменальное количество гранатов (размер зерен 5-20 мкм) 35-40%).

Широко известны японские природные камни, в основной массе являющиеся тонкозернистыми сланцами с высоким содержанием однородного абразивного зерна.

В последнее время открыты месторождения сланцев, пригодных для заточки, в Китае (Гуанси-Чжуанский автономный район), Бразилии (Папагаюс, штат Минас-Жерайс), Южной Африке, Израиле.

Спасибо огромное за проделанный труд!

Originally posted by minorite:

Широко известны японские природные камни,
в основной массе являющиеся тонкозернистыми сланцами с высоким содержанием однородного абразивного зерна.

ситуация с японскими камнями не такая однозначная
среди них есть и вулканические туфы (нагура)
и разнообразные песчаники (конгодо, некоторые накадо)
и сланцы и камни смешанного происхождения ...

в Японии известно более 40 месторождений камней пригодных для заточки
и в каждом из них выделяют несколько страт с разной микроморфологией
и вероятно разным химсоставом...

Originally posted by Nikolay_K:

ситуация с японскими камнями не такая однозначная
среди них есть и вулканические туфы (нагура)
и разнообразные песчаники (конгодо, некоторые накадо)
и сланцы и камни смешанного происхождения ...

Европейские точно также, всех видов горных пород, описанных выше.
Еще наверное некоторые халцедоны пропустил, агаты, еще может что-то.
Полировочные и гладильные тоже пропустил.
А полировали то в Европе именно брусками, не тряпками, не композитами. Сейчас только ювелиры наверное придерживаются мнения, что добиться качественной полировки плоской поверхности можно только плоским бруском.
Да и настоящую полировку, когда металл выглядит как глубокое прозрачное озеро, сейчас не так просто.. . так на рыбью чешую похожа современная полировка, сверкает как котовы яйца елочная игрушка.
Это я к тому, что не только выбор типа инструмента играет роль, но прежде всего выбор абразива.

У Ярослава и еще у некоторых форумчан в описаниях выполненных заточек встречаются фразы типа "после этого стоило бы перейти на какой-нибудь твердый сланец". Т.е. вроде как подразумевается, что если не все, то многие сланцы обладают общими характеристиками, делающими их применимыми для одних и тех же этапов заточки.

Можно ли вообще каким-то образом классифицировать природные камни, увязав вид камня, химсостав и заточную операцию? Т.е. что-то вроде "сланцы хорошо подходят для "Х", потому что в их составе... "?

Слово сланец и есть увязка Сланец это не химсостав а общее свойство - это камни обладающие сланцеватостью, т.е. способностью к расслоению.

Originally posted by ivan-3:
Слово сланец и есть увязка Сланец это не химсостав а общее свойство - это камни обладающие сланцеватостью, т.е. способностью к расслоению.

+
Кроме того, в целом это камни которые весьма щадяще обращаются с кромкой и в большинстве случаев могут использоваться с их собственной суспензией, особенно которые помягче. Те, что потвёрже - обычно недурно подходят для окончательного финиша и придания однородности кромке, в т.ч. на бритвах. Это очень обобщённо, но как-то вот так.
Кстати, Иван, позвольте ещё раз сказать спасибо за прекрасный фиолетовый сланец - иногда он оказывается просто незаменим!
С уважением.

Originally posted by ivan-3:
Слово сланец и есть увязка Сланец это не химсостав а общее свойство - это камни обладающие сланцеватостью, т.е. способностью к расслоению.

Речь о том, какое практическое значение для заточки это имеет. И я не только про сланцы, просто они пришлись к слову. Чтобы не тыкаться вслепую "попробую этот камень, а дай-ка попробую арканзас, а теперь попробую микрокварцит", можно ли как-то более-менее классифицировать природные камни по группам, чтобы исходя из их состава, структуры, механизма воздействия на клинок советовать для определенных задач/этапов заточки/сталей определенные типы камней? Или все же чисто эмпирически пробовать и смотреть что получится?

Можно вывести только общие закономерности, но не подробные частности, ибо даже одна и та же сталь от разных производителей, или просто с разной ТО, будет вести себя, особенно на финишных этапах работы очень по-разному.
Недавно я в очередной раз убедился, насколько катастрофична и времязатратна для заточки, может оказаться такая разница.
В целом, по-моему фиксация собственного опыта в заточке, в виде обзоров, как раз и помогает выстроить какую-то закономерность. Некоторые темы в разделе, посвящённые определённым видам абразивов, по-моему дают достаточно информации, например тема об арканзасах, о Борайдах, о индиа и кристалонах, тема о бельгийцах, темы о керамике...
Всё равно умозрительно, не начав точить конкретный клинок, выстроить ему не то что оптимальный, но и просто беспроигрышный сет камней - сложно, максимум - можно определить базовый набор для этапов обдирка - грубая заточка - заточка. И то, обычно он всё равно на практике продиктуется не тем, что порекомендуют, а тем, что есть в арсенале у задающего вопрос.
Т.е. к чему это я:
Важно не создать диаграмму или "сетку" или как угодно назовите, для заточки тех или иных сталей, так как огромное количество факторов останутся переменными и неизвестными, а подробно изучить характер работы тех абразивов, которыми пользуетесь, причём не только отдельно взятых, но и их сочетания, так как на практике это играет зачастую даже бОльшую роль - удачное взаимодействие двух абразивов на смежных этапах работы, может обеспечить хороший результат, даже если один из них отдельно протестированный, по данной стали работает не оптимально. Именно на изучении всех этих аспектов можно и времязатраты экономить и производительность повышать.
По остальным абразивам, которых у Вас нету - можно воспользоваться обзорами участников раздела, чтобы получить представление - надо ли Вам это в арсенале, или нет, интересно попробовать, или можно без этого обойтись.
И стараться научиться тому, чтобы ещё на этапе обдирки начинать понимать поведение конкретного клинка, его взаимодействие с конкретным абразивом, прогнозировать его дальнейшее поведение на следующих этапах.
Разумеется, как в любом серьёзном деле, на такое подробное изучение процессов и собственного арсенала, уходит много времени. Но в какой области иначе?
Главное - нарабатывать собственную практику и статистику. И принимать к сведению информацию, которую дают другие, даже если она противоречива - есть что поанализировать и от каких ориентиров отталкиваться в собственных пробах.
А схему нарисовать, что для чего и как... . ну я мог бы наверное за недели три-четыре составить по опробованным мною абразивам, но опираться-то я буду на собственный опыт и впечатления, и каждый, кто сделает то же самое, будет опираться на собственный опыт. А тут дополнительных факторов возникнет ещё величайшее множество, учитывая индивидуальность каждого подхода и манеры работы.
Для того же чтобы сделать подобную схему хоть чем-то реально полезной, надо потратить наверное не один год, чтобы перебрать даже самые известные камни, по уйме серийной ножевой продукции перетестить всё это, с разными СОЖ, разной степенью доводки поверхности камней, в уйме мыслимых и немыслимых комбинаций абразивов, да ещё с обеспечением максимально идентичных условий тестов. Это монументальнейшая задача, для которой ни оборудования, ни квалификации, ни времени ни денег, думаю ни у одного участника раздела не найдётся.
Зато каждый желающий вносит по мере сил свой вклад в общую "копилку", и этим можно реально пользоваться.
Но как в любом обучении, по достижению определённого уровня, следует отправляться в "собственное плавание", и тут уже обретать свой путь!
ИМХО.
P.S.
Не надо отталкиваться от абразивов. Попробуйте оттолкнуться от понимания того, какой кромки, какой шероховатости, Вам требуется достигать на каком этапе, и в каких пределах допускаете люфт. И уже исходя из этого, подбираете абразив под задачу. Отчасти это конечно "эмпирически", но не просто "дай-ка попробую этим, нет этим, а может этим", а анализирую "попробовал этим, что мне это дало? устраивает или нет? Что я буду делать дальше, и могу ли сделать то, что хочу тем, что имеется? Если нет, то может на данном этапе надо попробовать что-то другое, более грубое, щадящее, с другой СОЖ" .. Как-то так, наверное..