Сравнительная петрография природных материалов и синтетических минеральных сплавов каменного литья

Синтетическими минералами принято называть все заменители и имитации природных минералов, созданные с помощью различных технологий синтеза. Целью этих технологических процессов является получение аналога, максимально приближенного по свойствам и составу к природному минералу. Наибольшее распространение получили синтетические аналоги драгоценных камней и самоцветов. Большинство выпускающихся сегодня синтетических минералов удовлетворяют нужды именно ювелирной промышленности. Однако в последнее время в связи с развитием техники и возрастающими требованиями, предъявляемыми к материалам, используемым в промышленности, все чаще возникает необходимость в тех- нических минералах. Естественно, что для обеспечения требуемого объема и стабильности свойств технические каменные материалы необходимо синтезировать.

Синтез промышленных минералов (технических камней) отличается от синтеза ювелирных не только по причине значительной разницы в свойствах и составе, но и по причине разных задач, которые должна решить данная технология. При синтезе промышленных разновидностей каменных материалов важно не просто максимально приблизиться в характеристиках к природному аналогу, а усилить эксплуатационные характеристики, т.е. получить более совершенный материал, чем его природный аналог.

На сегодняшний день существуют лишь несколько разновидностей синтетических минералов, из которых не больше пяти являются техническими и выпускаются в промышленном масштабе. В большинстве своем технические синтетические камни относятся к разряду пьезооптических материалов. Актуальным является получение синтетических технических камней для других сфер промышленной деятельности. В частности высока потребность в синтетических каменных абразивных материалах, а также в различных видах минерального сырья, которые исполняют роль специализированных добавок, покрытий и т.д.

В данной работе мы рассматриваем именно эти разновидности синтетических минеральных материалов. Цель исследования – определить, насколько материалы, объединенные по принципу изготовления термином «симиналы», корректно называть синтетическими техническими камнями или промышленными синтетическими минеральными сплавами, а также в какой мере и каким именно разновидностям тех или иных горных пород соответствуют различные виды симиналов.

Термин симинал – это результат сокращения словосочетания «синтетические минеральные сплавы», он объединяет группу материалов, полученных из огненно-жидких расплавов минеральных пород естественного и техногенного происхождения.

Если рассматривать симиналы в контексте классификации промышленных минералов (рис. 1), то можно сказать, что они займут несколько важных позиций (выделены более насыщенным цветом).

Рис. 1 . Классификация промышленных минералов

Таким образом, мы составили свою классификацию симиналов (рис. 2), в которой объединили два признака – сферу применения и сырьевую основу материала. Поскольку симиналы – материалы относительно новые, то эта классификация не отражает всего возможного разнообразия, которое может быть достигнуто в результате их синтеза. Однако можно четко выделить три основные группы: абразивостойкие, термосплавоустойчивые, сварочные (монокомпонент обмазки электродов для сварки под флюсом).

Было изготовлено несколько образцов из различного сырья каждой группы, затем все образцы были подвергнуты петрографическому исследованию с помощью оптического микроскопа в проходящем свете [1]. Оценивались состав и структурные особенности образцов, полученные данные сравнивались с общеизвестными свойствами природных минералов и горных пород.

Первая группа рассматриваемых материалов – абразивостойкие симиналы. Данный вид материалов получают в основном из монокомпонентной шихты на основе базальта (Чехия) или на основе сложной многокомпонентной шихты на основе горнблендита (Первоуральск) с добавлением хромовой руды и плавикового шпата.

Химический состав абразивостойкого симинала, полученного из базальта, представлен в табл. 1. На рис. 3 приведены изображения, полученные с помощью цифровой фотосъемки при петрографических исследованиях. Все они были сделаны на разных образцах с целью получения статистистически более верных результатов.

На рис. 3, а и б изображены структуры, характерные для базальтовых симиналов при заливке огненно-жидкого минерального расплава в разовые песчаноглинистые формы. В результате петрографического исследования шлифов из полученных симиналов выявлена порфировая структура, т.е. минеральные образования в образце сильно отличаются друг от друга по размеру. При этом наблюдаются признаки пилотакситовой и вариолитовой структуры, это означает, что в ней содержится небольшое количество стекла, а вариоли

Рис. 3 . Структура абразивостойких сими-налов на основе базальта:

а - образец, изготовленный в песчаноглинистой форме, ув. 50, николи скрещены; б - образец, изготовленный в песчаноглинистой форме, ув. 40, николи скрещены; в - образец, изготовленный в металлической форме при центробежном литье, ув. 50, николи скрещены

Рис. 4. Структура природных базальтов: а - оливиновый; б - океанический; в - толеи-товый

(«оспины») сложены радиально расположенными волокнами плагиоклаза, между которыми распределены зерна пироксена и стекло.

Пироксен, который присутствует во всех образцах из чешского базальта, представлен моноклинными разновидностями. Порфировые вкрапленники оливина составляют 35–40 % от общего объема, их размер изменяется от 0,02 до 0,4 мм, преобладают зерна размером 0,1 мм.

Оливин представлен идиоморфными, таблитчатыми, ромбовидными или изометрическими кристаллами, подверженными вторичным изменениям – серпентинизации. В проходящем свете он бесцветный. На поверхности зерен видны тонкие прерывистые трещинки отдельности. Кроме оливина присутствуют, как уже говорилось ранее, порфировые включения рудного минерала (в количестве около 0,5%) размером до 0,2 мм.

На рис. 3, в представлено изображение структуры образца, полученного в еще менее благоприятных условиях для кристаллизации, в металлической форме при центробежном способе литья. Наблюдаются явные отличия от предшествующих: структура афировая, т.е. без четко выраженных крупных вкрапленников, основная масса мало раскри-сталлизована. Структура формируется из разных по форме и длине агрегатов плагиоклаза. Вкрапленники представлены кристаллами пироксена, оливина и рудного минерала. Текстура пористая.

Сравнение полученных данных о структуре базальтовых симиналов с известными данными о структуре базальтовых пород позволило установить, что образцы, структура которых формировалась при затвердевании расплава в песчано-глинистой форме, имеют четкое сходство с оливиновыми базальтами (рис. 4, а). Структурные характеристики почти идентичны, за исключением того что, в образцах симиналов стекла, как правило, больше, а размер агрегатов на порядок меньше. Что касается аналогов для образца, затвердевшего в металлической форме, то для него характерны сразу две разновидности ба- зальтов – океанического и толеитового типа (рис. 4, б и в) [2].

В случае базальтовых симиналов поиск аналогов был облегчен за счет того, что использовался один компонент для изготовления этого материала – непосредственно базальт, и, естественно, проследить соответствие с природными аналогами было значительно проще.

Более сложный случай – формирование структуры абразивостойких симиналов на основе горнблендита с добавлением хромовой руды и плавикового шпата. Химический состав компонентов шихты и симинала приведены в табл. 2 и 3.

На рис. 5 изображена структура образцов симиналов, полученных из расплавов на основе многокомпонентной горнблендитовой шихты. На рис. 5, а, б, в представлены структуры горнблендитового абразивостойкого симинала, полученного в песчано-глинистой форме. Структура их, как и базальтовых, порфировая, что объясняется одинаковыми условиями кристаллизации расплавов. Однако раскристаллизованность выше, чем у базальтовых. В структуре присутствуют порфировые выделения, представленные кристаллами магнетита изометрической формы размером от 0,01 до 0,09 мм и хромита размером от 0,01 до 0,07 мм. Зачастую выделения образуют вариоли, где в центре частица магнетита или хромита, а вокруг лучистые отложения амфиболов. Текстура всех образцов в разной степени полосчатая, пятнистая, кристаллические выделения соединяются между собой буроватой стекломассой (по всей видимости, микрокристаллической).

На рис. 5, г, д, е представлены структуры симиналов на основе горнблендита с ярко выраженной полосчатой структурой, по всей видимости, возникшей в результате переохлаждения расплава на стадии его дифференциации. Траектория текстурообразующих полос совпадает с движением расплава, что явно наблюдается на рис. 5, е, где представлен образец, полученный при центробежном литье в металлическую форму.

Таблица 1. Химический состав абразивостойких симиналов на основе базальта из Чехии

Соде				ржание, %
SiO 2	TiO 2	Al 2 O 3	MgO	CaO	K 2 O+Na 2 O	FeO	Fe 2 O 3
45,5	1,7	15	12	11,5	2,4	9,1	3,5

Таблица 2 . Химический состав сырья для получения абразивостойкого симинала на основе горнблендита

Материал	Доля в шихте, %	Содержание, %
		2	« U	2	о и	о	о ex S	2	6 н	о S W z	2 и
Горнблендит	88	35–39	-	11– 16	7–12	4,3–7	9–14	7–14	1–2	до 2
Хромовая руда	3	6–7	-	-	0,8– 1,2	4–6	14,5– 15,5	8–15	-	-	30–32
Кварцевый песок	2	91–97	-	2–4	0,2– 0,6	1–2	0,8– 1,2	0,3– 0,5	-	-	-
Отработанная смесь	5	82–92	-	2–8	0,5– 2,5	2–3	1–2,5	0,5– 1	-	-	-
Плавиковый шпат	2	-	61– 92	прочие примеси

Таблица 3 . Химический состав симинала на основе горнблендита (Первоуральск)

Содержание, %
SiO 2	TiO 2	Al 2 O 3	MgO	CaO	K 2 O+Na 2 O	FeO	Fe 2 O 3	Cr 2 O 3
47,3	2,3	12,5	8,3	9,5	2,1	10,9	3,4	0,5

Согласно наблюдениям, полосы, формирующие структуру, стремятся к выстраиванию цепочек из сферолитов. В центре таких сферолитов расположены кристаллы магнетита или хромита (которые можно называть рудными выделениями). Встречаются случаи, когда в центре располагаются скелетные кристаллы этих же выделений или авгита. Эти центры окружены келифитовыми каемками, возникшими, предположительно, в результате уже вторичных кристаллизационных процессов. Каемки, как правило, представлены амфиболами.

Такие сочетания характеристик структуры, какие наблюдаются при изучении сими-налов на основе горнблендита, в одной породе в природе практически невозможно встретить. В общем случае можно сказать, что есть определенное сходство с гиперстеновым базальтом (рис. 6, а) и с оливиновым гиалобазальтом (рис. 6, б), однако кристаллы рудных соединений в симиналах не встречаются ни в миндалинах, ни в отдельных вкраплениях. Для них характерно наличие каемок как, например, в метаморфизованном (рис. 6, в) или в оливиновом габбро (рис. 6, г). Наиболее близкими по структуре являются микрогаббро (рис. 6, д), которые в природе относятся к кайнотипным, т.е. не затронутым вторичными изменениями. К тому же сходство между ними наблюдается и в размере структурных составляющих [3].

Таким образом, рассмотрев структуру абразивостойких симиналов и сравнив эти данные с аналогичными характеристиками при- родных горных пород, можно сделать следующие промежуточные выводы:

– чем меньше компонентов в шихте для получения симиналов, тем ближе они к природным аналогам, а, значит, синтез направлен в основном на выравнивание свойств, изначально заложенных в шихте, по всему объ-

• -    с увеличением числа компонентов в шихте структура симиналов, как правило, отдаляется от природных и начинает сочетать в себе уже признаки разных естественных пород, т. е. представляет собой уже материал, не имеющий близких аналогов в

  ему будущего изделия;

  

  где

  Рис. 5 . Структура симиналов, полученных на основе горнблендита, зафиксированная при скрещенных николях: а - получено в разовой песчано-глинистой форме, увеличение 50, б - получено в разовой песчано-глинистой форме, увеличение 50, в - получено в разовой песчаноглинистой форме, увеличение 100, г и д - структура с зафиксированной дифференциацией, увеличение 50, е - структура, полученная при литье в металлическую форму центробежным способом, увеличение 50

  
  

Таблица 4 . Шихтовой и химический состав фторфлогопита

Шихтовой состав, вес.% Химический состав, вес.% Кварцевый песок Гли но-зем Магнезит Крем-нефтористый калий SiO2 TiO2 Al2O3 MgO CaO K2O F2 34 12 32 26 41,07 0,09 11,37 26,97 1,42 8,79 10,26 природе, а значит, в полной мере синтетический;

• -    в структуре симиналов, синтезированных из многокомпонентной шихты, могут содержаться минералы, присутствующие и в шихте, однако, это возможно только для

тугоплавких составляющих, как правило, они вписываются в структуру, сформировав шуюся в результате синтеза;

• -    при высокотемпературном синтезе (расплавление компонентов шихты и получение огненно-жидкого расплава), с помощью которого получают симиналы и изделия из них, основность материала снижается относительно той, которой обладали отдельные компоненты шихты.

  

  а

  
  
  

  б

  
  
  

  в

  
  
  

  г

  
  
  

  д

  
  

Рис. 6 . Структуры природных горных пород, близких по некоторым структурным признакам к симиналам на основе горнблендита: а – гиперстеновый базальт, б – оливиновый гипобазальт, в – метаморфизованное габбро, г – оливиновое габбро, д – микрогаббро

Вторая группа рассматриваемых материалов – термосплавоустойчивые симиналы (способные выдерживать температурные перепады в агрессивных средах, например, в жидком магнии и т.д.). Данный вид материалов получают исключительно из многокомпонентных, безжелезистых шихт с добавлением галогенидных соединений. Часто компонентами шихты служат чистые соединения, а не горные породы. Единственный вид таких симиналов, который в настоящее время выпускается в промышленном масштабе, – это фторфлогопит. Именно поэтому он и рассматривается в нашем исследовании. Химический и шихтовой состав фторфлогопита указан в табл. 4.

На рис. 7, а, б, в представлены изображения структуры фторфлогопита. В отличие от абразивостойких симиналов у фторфлогопита структура полнокристаллическая, равномерно средне- и крупнозернистая, минеральная основа представлена плагиоклазом, подверженным вторичным изменениям. Кристаллы плагиоклаза серые, полупрозрачные. Наблюдаются резко удлиненные сечения игольчатой и удлиненнопризматической формы с заметным полисин- тетическим погасанием. Спайность, совершенная в одном направлении, состав соответствует кислому плагиоклазу. Рассматривать фторфло-гопит в сравнении с природными породами достаточно сложно, поскольку, по сути, он совмещает в себе признаки как основных, так и кислых пород, что, в принципе, невозможно. Поскольку состав шихты базируется не на природном, а на искусственном сырье, то значительная часть минеральных фаз, которые свойственны природным аналогам, во фторфлого-пите просто не встречаются.

Например, на рис. 8, а изображена структура, очень близкая к фторфлогопиту. Она принадлежит граносиениту, однако в природном материале можно найти агрегаты циркония, сфена и магнетита, которые отсутствуют во фторфлогопите. Размеры и форма зерен плагиоклаза, формирующего структуру термосплавоустойчивого симинала, очень близки к тем, которые встречаются в диабазе (рис. 8, б) и конга-диабазе (рис. 8, в), однако в симинале отсутствуют примеси кварца, а пироксен практически не встречается. Размер зерен во фтор-флогопите доходит до 10,2 мм, преобладают зерна изометрической формы размером 0,6 мм.

а

б

в

Рис. 7. Структура термосплавоустойчивого симинала (фторфлогопита): а – ув. 100 в скрещенных николях, б – ув. 250 в скрещенных николях, в – ув. 100 в поляризированном свете

Рис. 8 . Структура природных аналогов фторфлогопита: а – граносиенит, б – долерит (диабаз), в – конга-диабаз

Таким образом, рассмотрев структуру термосплавоустойчивого симинала и сравнив эти данные с аналогичными характеристиками природных горных пород, можно сделать следующие промежуточные выводы:

– благодаря синтезу можно получать более чистые по набору минеральных фаз материалы, с регулированием состава агрегатов;

– синтез позволяет совмещать в одном материале признаки кислых и основных пород, что в природе встретить практически невозможно;

– синтез позволяет получать синтетические минералы в полном смысле этого слова.

Третья группа рассматриваемых материалов – симиналы для сварочных материалов. Этот вид симиналов наиболее новый и малоизученный. Выбраны образцы симиналов, выполняющих роль монокомпонента обмазки электродов для сварки под флюсом. Отступая от темы исследования, следует уточнить, что аналогов данного материала в природе найти не удалось, поскольку его получение не подразумевало благоприятных условий для кристаллизации, а значит, и наблюдать в нем сформировавшиеся минералы не представилось возможным. Поэтому в качестве аналога был взят традиционный сварочный флюс, состоящий из природных соединений. В дальнейшем он был переплавлен специально для проведения данного исследования. Химические составы сварочного симинала, а также сравниваемого с ним аналога, полученного при сплавлении, представлены в табл. 5 и 6. На рис. 9, а и б изображена микроструктура полученного симинала, а на рис. 10, а и б – структура сравниваемого аналога. В первом случае заметно, что структура однородная, равномернозернистая, окраска светлокоричневого оттенка. Структура основной массы микрозернистая, в которую хаотично погружены зерна рудного минерала. Рудный минерал образует правильные изометрические зерна с ровными контурами размером от 0,01 до 0,2 мм. В некоторых случаях видны следы расплавления рудного минерала. Текстура пористая, поры в диаметре до 1 мм и более. Минеральных агрегатов не обнаружено.

Таблица 5. Химический состав сварочного симинала

	н	d	+ fa fa	о	о	о и	£ S ^z	и	d и	d й	н >8 (Z2	О и
47	1,27	12,02	8,13	0,25	10,78	10,66	1,83	3	5	0,025	0,03	<0,01

Таблица 6. Химический состав сравниваемого аналога

Сварочный флюс	Содержание компонентов , %
		d н	d	О % fa fa	о	о	о и	^z	и	d	d й	н (Z2	О и
АН-1	40	-	15	-	15	-	19	-	5	-	-	-	-

Рис. 9 . Структура сварочного симинала в проходящем свете: а – увеличение 50, б – увеличение100

б

а

Рис. 10 . Структура аналога – переплавленного традиционного сварочного флюса: а – в проходящем свете, увеличение 50, б –в скрещенных николях, увеличение 100

Во втором случае, т. е. при изучении традиционного сварочного флюса, установлено порфировое строение породы за счет присутствия кристаллов-вкрапленников, между которыми расположена основная масса микрокристаллической структуры. Порфировые вкрапленники (фенокристаллы) составляют 35% общего объема породы, они неравномерно распределены в микрокристаллическом базисе (65–70%). Фенокристаллы представлены биотитом (33% общего числа вкрапленников) и рудным минералом (2–3% общего числа вкрапленников).

Порфировые выделения биотита – в основном агрегаты с радиально-лучистым и розетковидным строением. Размер этих агрегатов в диаметре изменяется от 0,3 до 2,0 мм. Также встречаются одиночные агрегаты игольчатой, призматической и даже изометрической формы с размерами от 0,6 до 1,5 мм. Во многих кристаллах наблюдается весьма совершенная спайность в одном направлении. Характерно прямое погасание.

Рудный минерал представлен в виде изометрических зерен, расположен неравномерно по всему объему. Но можно заметить, что часто его расположение связано с расположением газовых пузырей. При этом контакте появляются своеобразные сферолиты. Это говорит о том, что рудный компонент может провоцировать начало раскристаллизации основной массы породы.

Таким образом, сравнивая симинал и переплавленный флюс, можно сделать следующие выводы:

– структура симиналов, как правило, более однородная, содержит меньше разрозненных минеральных образований;

– технология синтеза симиналов позволяет фиксировать процесс минералообразования на любой стадии, даже до их неполного формирования.

Подводя общие итоги, можно отметить следующее:

– чем меньше компонентов в шихте для получения симиналов, тем ближе они к природным аналогам, а, значит, синтез направлен в основном на выравнивание свойств, изначально заложенных в шихте, по всему объ- ему будущего изделия, такие материалы не вполне синтетические, в данном случае синтез может рассматриваться как разновидность обработки естественных горных пород;

– с увеличением числа компонентов в шихте структура симиналов, как правило, отдаляется от природных и начинает сочетать в себе уже признаки разных естественных пород, т. е. представляет собой уже материал, не имеющий близких аналогов в природе, а значит, в полной мере является синтетическим;

– в структуре симиналов, синтезированных из многокомпонентной шихты, могут содержаться минералы, присутствующие и в шихте, однако это возможно только для тугоплавких составляющих, как правило, они вписываются в структуру сформировавшуюся в результате синтеза;

– при высокотемпературном синтезе (расплавление компонентов шихты и получение огненно-жидкого расплава), с помощью которого получают симиналы и изделия из них, основность материала снижается относительно той, которой обладали отдельные компоненты шихты;

– благодаря синтезу можно получать более чистые по набору минеральных фаз материалы, с регулированием состава агрегатов;

– синтез позволяет совмещать в одном материале признаки кислых и основных пород, что в природе встретить практически невозможно;

– технология синтеза симиналов позволяет фиксировать процесс минералообразования на любой стадии, даже до их неполного формирования;

– технология синтеза синтетических минеральных сплавов позволяет получать минеральные расплавы, в которых могут быть сформированы, по сути, любые минеральные образования, свойственные данному химическому составу, причем в одном материале вполне могут сочетаться минералы, не сочетающиеся в одной породе в естественных условиях.