Hạt mài tự nhiên được khai thác từ các mỏ dưới lòng đất, chúng tồn tại ở các dạng đá khối, các tảng vỉa, hoặc dạng cát. Hầu hết các loại hạt mài tự nhiên đều tồn tại ở dưới dạng thô do đó để có thể sử dụng được người ta cần phải có các công nghệ gia công chúng như nghiền, sàng, phân loại… Chất lượng của hạt mài tự nhiên bị ảnh hưởng rất nhiều bởi cấu trúc địa chất, địa tầng và lịch sử hình thành nên chúng [1].
• Nhóm phân tử
Các hạt mài thuộc nhóm phân tử chủ yếu là thuộc họ cacbon (graphit polymorph) có cấu trúc phân tử dạng lập phương ví dụ như kim cương hoặc rubi… Theo thống kê của hiệp hội khoáng sản thế giới [1] thì có khoảng 20% phân tử thuộc nhóm này được sử dụng làm đồ trang sứ, đá quý còn lại 80% được sử dụng làm hạt mài, chất cách điện, quang học…
43
Đặc điểm của các hạt mài thuộc nhóm phân tử là có độ đồng đều về kích thước hạt cao, có độ cứng rất lớn đạt tới 10Mohs và giá thành rất cao.
• Nhóm Carbides (SiC)
Nhóm Carbides (Moissanite SiC) được tìm thấy lần đầu tiên tại vùng Diablo Canyon của Arizona. Nhóm Carbides được hình thành bởi sự kết tinh của các khoáng chất trong đó thành phần SiC chiếm khoảng 97%. Hạt mài thuộc nhóm Carbides có cấu trúc tinh thể tồn tại dưới 3 phase chính:
- Carbides SiC - Cấu trúc tinh thể dạng 6H (Hexagonal)
- Carbides SiC (α - Moissanite) - cấu trúc tinh thể dạng 2H, 5H - Carbides SiC (β - Moissanite) - cấu trúc tinh thể dạng lập phương
Trong công nghệ cắt bằng TNASC thì hạt mài thuộc nhóm Carbides SiC không được sử dụng thường xuyên, nó chỉ được sử dụng khi gia công hoặc đánh bóng các loại vật liệu có độ cứng cao. Khi nghiên cứu ứng dụng các loại hạt mài thuộc nhóm Carbides người ta thấy rằng năng suất và chất lượng cắt rất cao nhưng tuổi thọ của ống hội tụ và buồng trộn bị giảm do hạt mài thuộc nhóm này có độ cứng cao (9,2 ÷ 9,6 Mohs). Vì vậy nhóm hạt mài này chỉđược sử dụng trong nghiên cứu và thí nghiệm khi cắt các vật liệu mới bằng TNASC.
• Nhóm Oxides
Nhóm oxides tự nhiên được hình thành bởi sự kết hợp giữa các nguyên tố kim loại với các nhóm như oxygen, nước, hydroxyl. Hạt mài thuộc nhóm oxides trong tự nhiên được đề cập đến gồm ba dạng chính sau:
Corundum (α-Al2O3): Đây là loại hạt mài có độ cứng cao, bền, dai có cấu trúc tinh thể ổn định không bị tác động bởi acids và môi trường. Trong công nghiệp loại hạt mài này được ứng dụng để mài các loại vật liệu có độ cứng cao như các loại thép dụng cụ, thép có độ bền cao…
Hematile (α-Fe2O3): Đây là loại hạt ôxides rất phổ biến trong tự nhiện, hạt mài hematile có độ cứng thấp tính ổn định không cao. Khi nghiên cứu ứng dụng loại hạt mài này trong công nghệ cắt bằng TNASC người ta đã kết luận rằng loại hạt mài này trong công nghệ cắt bằng TNASC bởi vì do có độ cứng thấp và tính ổn
44
định của tinh thể không cao nên nó bị vỡ vụn trong buồng trộn hoặ ngay khi va chạm vào bề mặt vật liệu do đó loại hạt mài chủ yếu được sử dụng trong công nghệ đánh bóng bề mặt.
Rutile (TiO2): Tương tự như Hematile Rutile (TiO2) cũng thuộc loại không được ứng dụng trong gia công vật liệu bằng TNASC do khả năng cắt vật liệu không tốt.
• Nhóm khoáng chất (Spinel Group)
Đây là nhóm gồm các ôxide có cấu trúc tương đương nhau. Trong tự nhiên thì nhóm này tồn tại ở khoảng 20 loại khác nhau nhưng chủ yếu là hợp chất 2 ôxits của các nguyên tố sau:
- Al+3: Nhóm khoáng chất của nhóm (Spinel subgroup) - Fe+3: Nhóm khoáng chất của sắt (Mantile subgroup) - Cr+3: Nhóm khoáng chất của Crom (Chromite subgroup)
Ilmenite (FeTiO3): Đây là loại khoáng chất rất quan trọng cho bất kỳ một quốc gia nào, đó chính là loại quặng dụng để chế tạo ra kim loại Titan. Hạt mài thuộc nhóm này có cấu trúc tinh thể dạng hexagon, màu trắng bạc, giòn, độ cứng đạt 5-6Mohs.
Magnetive (FeFe2O4, FeO, Fe2O3 or Fe3O4): Đây là nhóm khoáng chất rất quan trọng để chế tạo thép. Hạt mài thuộc nhóm này có cấu trúc tinh thể dạng lập phương thể tâm, màu đen bạc hoặc nâu đen, giòn, có độ cứng đạt 5,5-6,5Mohs.
Spinel (MgAl2O3, [MgFe]Al2O3): Đây là một nhóm quặng chỉ được ở một số vùng nhất định trên thế giới, nó gồm rất nhiều các loại có màu sắc khác nhau có thể được sử dụng làm đồ trang sức nhưng không thuộc nhóm đá quý. Hạt mài thuộc nhóm này có cấu trúc tinh thể dạng lập phương, có độ cứng đạt 7,5-8 Mohs.
• Nhóm Silicate (SiO4)
Gốc cơ bản của nhóm Silicate đều được kết hợp từ (SiAOB). Đây là nhóm khoáng chất rất đa dạng bao gồm nhiều nhóm nhỏ khác nhau có tính chất vật lý khác nhau, có loại có thể sử dụng làm hạt mài có loại không được sử dụng làm hạt
45
mài. Hiện nay trên thế giới loại hạt mài thuộc nhóm Silicate được sử dụng tương đối phổ biến và được chia thành các nhóm nhỏ sau [9]:
- Nhóm đá (Granet group) - Nhóm Olivine (Olivine group) - Nhóm hạch anh (Quartz group)
• Nhóm Phosphates
Nhóm phosphates được tổng hợp trong tự nhiên với công thức hóa học cơ bản là nhóm (AO4), nguyên tố A có thể là phốtpho (P), Arsenic, Vanadium (Va). Đặc điểm của nhóm này là các tính chất cơ lý không ổn định ví dụđộ cứng đạt từ 4- 7 Mohs. Hạt mài thuộc nhóm này chủ yếu được chế tạo từ quặng Aptite loại, này có công thức hóa học Ca5(PO4)3F (Flourapatite), có cấu trúc tinh dạng Hexagonal, giòn, độ cứng đạt 5 Mohs.