Thép không gỉ vì sao không gỉ: lớp màng crom và lúc inox vẫn gỉ

Thép không gỉ không gỉ vì nó chứa ít nhất khoảng 10,5% crom. Crom phản ứng với oxy trong không khí, tạo ra một lớp oxit crom dày chỉ vài nanomet, trong suốt, bám chặt lên bề mặt và chặn oxy, nước tiếp xúc với sắt bên dưới. Khi bị xước, lớp này tự hình thành lại trong vài phút, miễn là có oxy. Nhưng "không gỉ" chỉ có nghĩa là gỉ rất chậm trong điều kiện bình thường, chứ không phải không bao giờ gỉ.

Sắt gỉ thế nào, và crom chen vào ra sao

Thép thường bị gỉ vì sắt phản ứng với oxy và nước thành oxit sắt ngậm nước, thứ bột màu nâu đỏ quen thuộc. Vấn đề không chỉ là có gỉ mà là gỉ sắt xốp, bở và chiếm thể tích lớn hơn sắt ban đầu. Nó nứt, bong ra, để lộ lớp sắt mới bên dưới, và quá trình cứ thế ăn sâu dần.

Crom cũng bị oxy hoá, thậm chí còn "háo" oxy hơn sắt. Điểm khác biệt nằm ở sản phẩm. Oxit crom tạo thành một màng cực mỏng, đặc, liên tục và bám khít vào kim loại. Một khi màng đã phủ kín, phản ứng gần như dừng lại vì oxy không còn đường đi vào. Người ta gọi hiện tượng này là thụ động hoá (passivation), và lớp màng là màng thụ động.

Màng này mỏng tới mức mắt thường không thấy, đó là lý do inox vẫn sáng bóng màu kim loại. Nhôm và titan cũng tự bảo vệ theo cách tương tự bằng lớp oxit của chính chúng.

Vì sao lại là con số 10,5%

Khi lượng crom quá ít, các đảo oxit crom không nối được với nhau thành một màng liên tục, và gỉ sắt vẫn chen vào giữa. Từ khoảng 10,5% crom trở lên, màng trở nên liên tục và bền. Đó là lý do tiêu chuẩn châu Âu EN 10088 định nghĩa thép không gỉ là thép có tối thiểu 10,5% crom và hàm lượng carbon không quá 1,2%. Nhiều mác thép dùng trong bếp và trong y tế có 16–18% crom để màng bền hơn.

Ai làm ra thép không gỉ

Không có một người phát minh duy nhất. Đầu thế kỷ 20, nhiều nhà luyện kim ở Anh, Đức, Pháp và Mỹ cùng nghiên cứu hợp kim sắt – crom. Cái tên hay được nhắc nhất là Harry Brearley ở Sheffield, Anh. Năm 1913, ông làm việc với thép crom cao và nhận ra mẫu thép của mình không bị dung dịch khắc axit ăn mòn như thép thường. Sheffield, vốn là thủ phủ dao kéo, nhanh chóng biến phát hiện này thành dao ăn không gỉ.

Cũng trong khoảng thời gian đó, tại hãng Krupp ở Đức, Benno Strauss và Eduard Maurer đăng ký sáng chế thép crom – niken, tiền thân của dòng inox 18/8 phổ biến nhất hiện nay. Lịch sử khoa học vật liệu đầy những phát hiện "song song" như vậy, khi nhiều nhóm cùng đứng trước một câu hỏi chín muồi.

Các họ inox: không phải inox nào cũng như nhau

Ngoài crom, người ta thêm niken, molypden, mangan, nitơ để chỉnh cấu trúc tinh thể và khả năng chống ăn mòn. Có bốn họ chính, cộng thêm vài mác người Việt gặp hằng ngày:

Niken giữ cho thép ở cấu trúc austenit, dẻo, dễ dập thành nồi và chống ăn mòn tốt. Niken đắt, nên mác 201 thay bớt niken bằng mangan để giảm giá. Molypden trong 316 giúp màng thụ động chịu được ion clorua, thứ kẻ thù số một của inox.

Phép thử nam châm: hiểu đúng để khỏi bị lừa

Ở chợ, nhiều người dí nam châm vào nồi để "thử inox thật". Phép thử này chỉ nói lên cấu trúc tinh thể, không nói lên chất lượng:

• Inox 430 hút nam châm mạnh nhưng vẫn là inox thật, chỉ là họ ferrit. Đáy nồi bếp từ cố ý dùng loại này vì bếp từ cần vật liệu nhiễm từ.
• Inox 201 không hút nam châm, giống 304, nhưng chống gỉ kém hơn rõ rệt trong môi trường ẩm, mặn, chua.
• Inox 304 bị dập sâu, uốn gấp có thể hút nhẹ ở chỗ biến dạng vì một phần cấu trúc chuyển sang dạng nhiễm từ. Đó không phải dấu hiệu hàng giả.

Muốn biết chắc mác thép, cách đáng tin là nhìn ký hiệu dập trên sản phẩm của hãng uy tín, hoặc nhờ nơi có máy phân tích quang phổ huỳnh quang tia X cầm tay, loại máy các cơ sở thu mua kim loại thường dùng.

Khi inox vẫn gỉ: năm thủ phạm thường gặp

Màng thụ động chỉ tốt khi nó được tái tạo nhanh hơn tốc độ bị phá. Có những tình huống cán cân ấy đảo chiều.

Muối và clorua

Ion clorua trong muối, nước biển, nước tẩy javel có thể đục những lỗ li ti xuyên qua màng thụ động. Lỗ đã thủng thì bên trong thành môi trường axit, càng ăn sâu. Kiểu này gọi là ăn mòn rỗ. Lan can inox ở thành phố ven biển hay nổi chấm nâu là vì vậy. Để nước mắm, nước muối đọng lâu trong nồi cũng có thể để lại vết rỗ.

Khe kín thiếu oxy

Ở khe giữa hai tấm ghép, dưới vòng đệm, dưới lớp cặn bám lâu ngày, oxy không lọt vào được để vá màng. Chỗ đó gỉ trước trong khi bề mặt bên ngoài vẫn sáng. Gọi là ăn mòn khe.

Bị "nhiễm" sắt thường

Chà inox bằng búi sắt thép, cắt mài thép đen gần đồ inox, những mảnh sắt li ti bám lên bề mặt. Chúng gỉ, để lại vết nâu trông như inox bị gỉ. Thực ra là sắt lạ gỉ trên mặt inox, nhưng nếu để lâu, vết gỉ cũng có thể làm hỏng màng bên dưới.

Mối hàn bị nung sai

Khi hàn, vùng kim loại quanh mối hàn bị nung ở dải nhiệt nhất định. Carbon kết hợp với crom thành carbua ở ranh giới hạt, làm vùng lân cận nghèo crom và mất khả năng tự bảo vệ. Các mác "L" như 304L, 316L có ít carbon để giảm hiện tượng này.

Chất lượng thật thấp hơn quảng cáo

Hàng ghi "inox 304" nhưng thực chất là 201 hoặc mác kém hơn sẽ gỉ sớm ở chỗ ẩm. Đây là chuyện thương mại chứ không phải lỗi của vật liệu.

Giữ đồ inox bền lâu: vài thói quen đáng giữ

• Rửa sạch muối, axit sau khi nấu. Đừng để canh chua, nước mắm, nước muối nằm qua đêm trong nồi.
• Không dùng búi sắt thép. Dùng miếng cọ nylon, bông inox chuyên dụng, hoặc kem tẩy nhẹ, chà theo thớ xước của bề mặt.
• Tránh nước tẩy javel đậm đặc. Nếu buộc phải dùng để khử trùng, pha loãng đúng hướng dẫn và tráng lại thật kỹ bằng nước sạch.
• Lau khô. Nước cứng bay hơi để lại cặn trắng, cặn lâu ngày tạo khe kín.
• Vết cầu vồng sau khi đun nóng là lớp oxit dày lên do nhiệt, không độc. Có thể lau bằng giấm pha loãng rồi rửa sạch.
• Đồ ngoài trời gần biển nên chọn 316 và rửa nước ngọt định kỳ để trôi muối.

Góc nhìn hôm nay: một lớp áo mỏng hơn bọt xà phòng

Điều thú vị nhất ở inox là khả năng chống gỉ của nó không nằm trong khối thép mà nằm ở một lớp mỏng cỡ vài nanomet trên bề mặt, mỏng hơn cả màng bong bóng xà phòng. Lớp áo đó liên tục bị phá và tự vá, và toàn bộ độ bền của chiếc nồi phụ thuộc vào việc cuộc giằng co ấy nghiêng về phía nào.

Hiểu điều này giúp bạn suy luận cho mọi kim loại tự bảo vệ khác: nhôm, titan, đồng thau. Câu hỏi luôn là: môi trường có đủ oxy để vá màng không, có thứ gì như clorua hay axit đang phá màng không, có khe nào giữ ẩm không.

Muốn tìm hiểu sâu hơn, các hiệp hội như Worldstainless và Hiệp hội Phát triển Niken (Nickel Institute) có tài liệu miễn phí về chọn mác inox theo môi trường. Bảo tàng Kelham Island ở Sheffield, Anh, kể lại lịch sử ngành thép của thành phố, trong đó có giai đoạn ra đời thép không gỉ.