Corundum làm vật liệu mài: đá nhám emery, giấy nhám và đá mài oxit nhôm

Corundum là một trong những vật liệu mài quan trọng nhất của loài người: đá nhám emery tự nhiên, vốn là hỗn hợp corundum với oxit sắt, đã được dùng để mài đá từ thời cổ đại; còn ngày nay phần lớn giấy nhám, đá mài, đĩa cắt dùng hạt oxit nhôm nhân tạo, tức corundum nấu chảy từ bô-xít trong lò hồ quang điện. Nó được chọn vì cứng 9 trên thang Mohs, cứng hơn thép và hơn thạch anh, lại dai và rẻ hơn kim cương rất nhiều.

Vì sao muốn mài thì phải cứng hơn

Mài là dùng vô số hạt cứng sắc cạnh cào đi những mẩu vật liệu cực nhỏ. Nguyên tắc cơ bản: hạt mài phải cứng hơn vật bị mài. Thép đã nhiệt luyện cứng khoảng 6–7 Mohs, thuỷ tinh khoảng 5–6, thạch anh 7. Để mài được tất cả những thứ đó một cách hiệu quả, cần vật liệu cứng 9 trở lên. Ngoài kim cương, trong tự nhiên chỉ có corundum đáp ứng được ở quy mô lớn.

Ngoài độ cứng, một vật liệu mài tốt còn cần độ dai vừa phải. Hạt quá dai sẽ mòn tròn cạnh mà không vỡ, mài kém dần và sinh nóng. Hạt quá giòn thì vỡ vụn quá nhanh. Hạt lý tưởng vỡ dần thành những cạnh sắc mới trong lúc làm việc, gọi là "tự mài sắc". Các loại oxit nhôm khác nhau chủ yếu khác ở điểm cân bằng này.

Đá nhám emery: corundum của người xưa

Emery là một loại đá tự nhiên màu xám đen, chủ yếu gồm corundum hạt nhỏ trộn với magnetit hoặc hematit, đôi khi có spinel. Nó không đẹp, không trong, nhưng rất cứng. Mỏ emery nổi tiếng nhất là trên đảo Naxos thuộc quần đảo Cyclades của Hy Lạp, nơi emery đã được khai thác từ thời cổ đại; người Hy Lạp cổ dùng nó để mài và đánh bóng đá hoa trong điêu khắc, kiến trúc. Vùng Tiểu Á, nay thuộc Thổ Nhĩ Kỳ, cũng là nguồn emery lâu đời.

Trong nhiều thế kỷ, bột emery được rắc lên da, vải hoặc giấy có phết keo để làm công cụ mài, tiền thân của giấy nhám ngày nay. Ở các nền văn hoá chế tác ngọc và đá cứng, thợ dùng bột đá cứng trộn nước làm chất mài cho dụng cụ cưa, khoan; corundum và emery là một trong những chất mài cứng nhất họ có trong tay trước thời kim cương công nghiệp.

Tên tiếng Anh emery board (giũa móng tay giấy) vẫn còn lưu dấu emery, dù nhiều giũa móng hiện đại dùng hạt mài khác.

Oxit nhôm nấu chảy: corundum làm ra bằng điện

Emery tự nhiên có nhược điểm: thành phần không đồng đều, nhiều tạp chất sắt làm giảm hiệu quả. Cuối thế kỷ 19, khi điện năng trở nên rẻ ở một số vùng của Mỹ, các nhà sáng chế bắt đầu nấu chảy bô-xít, quặng nhôm, trong lò hồ quang điện ở nhiệt độ trên 2.000 °C. Khi để nguội, khối nóng chảy kết tinh thành corundum nhân tạo, rồi được nghiền, sàng thành hạt mài theo cỡ. Khoảng đầu thế kỷ 20, sản phẩm oxit nhôm nấu chảy mang thương hiệu Alundum của hãng Norton (Mỹ) là một trong những loại thương mại đầu tiên.

Cùng thời kỳ đó, năm 1891, Edward Acheson tạo ra cacbua silic, vật liệu nhân tạo cứng hơn corundum một chút. Từ đó hai vật liệu chia nhau thị trường: oxit nhôm dai hơn, hợp với thép và kim loại đen; cacbua silic sắc và giòn hơn, hợp với đá, gốm, thuỷ tinh, kim loại màu.

Các loại oxit nhôm mài ngày nay

Dưới cái tên chung "oxit nhôm" là cả một họ vật liệu, khác nhau về độ tinh khiết, cấu trúc hạt và phụ gia:

• Oxit nhôm nâu: nấu từ bô-xít, còn chút titan và sắt, màu nâu xám. Dai, rẻ, dùng rộng rãi cho mài thô thép, đá mài thông dụng, giấy nhám đa năng.
• Oxit nhôm trắng: nấu từ alumina tinh khiết, giòn hơn, tự mài sắc tốt, mài "mát" hơn. Hợp với thép dụng cụ, thép đã nhiệt luyện, chỗ cần tránh nóng.
• Oxit nhôm hồng: oxit nhôm có pha một lượng nhỏ crom. Về bản chất, đó chính là ruby nhân tạo dạng hạt, màu hồng đến đỏ, tính chất trung gian giữa nâu và trắng.
• Oxit nhôm gốm (sol-gel): làm từ gel oxit nhôm nung kết, gồm các tinh thể cực nhỏ. Khi làm việc, hạt vỡ ra từng mảnh vi mô, luôn giữ cạnh sắc, bền hơn hẳn hạt nấu chảy. Loại này xuất hiện từ khoảng thập niên 1980 và ngày càng phổ biến trong đĩa mài, đai nhám cao cấp.
• Oxit nhôm – zirconi: hợp kim oxit nhôm với oxit zirconi, rất dai, dùng cho mài nặng.

Điều thú vị cho người mê đá: hạt mài màu hồng trên một số đá mài trong xưởng cơ khí và viên ruby trên nhẫn là cùng một thứ ở cấp độ nguyên tử, chỉ khác kích thước tinh thể, độ trong và cách người ta dùng.

Corundum có mặt ở đâu trong đời sống

Corundum mài được dùng theo ba dạng chính:

Số trên giấy nhám, như P80, P240, P1000, chỉ cỡ hạt: số càng lớn hạt càng mịn. Bột oxit nhôm siêu mịn được dùng để đánh bóng mẫu kim loại trong phòng thí nghiệm, đánh bóng đá quý mềm hơn nó, và có trong một số loại kem đánh bóng. Riêng ruby và sapphire thì không mài được bằng chính corundum một cách hiệu quả; thợ giác phải dùng bột kim cương.

Trong phun hạt làm sạch bề mặt kim loại, hạt oxit nhôm là lựa chọn thay thế cho cát thạch anh. Việc thay này không chỉ vì hiệu quả: phun cát thạch anh tạo ra bụi silic tinh thể cực mịn, nguyên nhân của bệnh bụi phổi silic, nên nhiều nơi khuyến cáo hoặc hạn chế dùng cát thạch anh để phun.

Góc nhìn hôm nay: an toàn khi dùng vật liệu mài

Corundum mài là vật liệu quen thuộc, nhưng xưởng mài có những nguy cơ thật:

1. Bụi: bụi oxit nhôm tự nó ít độc hơn bụi silic, nhưng khi mài, bụi sinh ra còn gồm kim loại, sơn cũ, chất kết dính và vật liệu đang mài. Mài đá, bê tông, gạch, gốm sinh bụi silic tinh thể, có thể gây bệnh bụi phổi silic không hồi phục. Luôn đeo khẩu trang lọc bụi đạt chuẩn, ưu tiên mài ướt và hút bụi tại chỗ.
2. Đá mài vỡ: đá mài quay ở tốc độ cao, nếu nứt có thể vỡ văng mảnh. Chỉ dùng đá có tốc độ cho phép phù hợp máy, giữ nguyên chắn bảo vệ, không dùng đá đã rơi hoặc có vết nứt.
3. Mắt và tai: đeo kính bảo hộ kín và bảo vệ tai khi dùng máy mài.

Muốn đọc thêm về corundum trong công nghiệp, báo cáo thường niên của Cục Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) về vật liệu mài và về bô-xít, alumina cung cấp số liệu sản xuất và ứng dụng theo năm. Trang emery và corundum trên Mindat.org cho thông tin địa chất về các mỏ emery, kể cả Naxos.