Thành phần Inox 304: Vai trò quyết định của Niken và Crom chi tiết

Inox 304 là mác austenit thông dụng nhất trong công nghiệp, được biết đến như “18-8” nhờ khoảng 18% Crom (Cr) và 8% Niken (Ni). Hai nguyên tố này quyết định bản chất không nhiễm từ, khả năng chống ăn mòn và tính gia công – hàn của 304. Bài viết đi thẳng vào thành phần hóa học chuẩn của Inox 304/304L/304H và phân tích vai trò then chốt của Ni và Cr, kèm các lưu ý lựa chọn theo điều kiện sử dụng tại Việt Nam.

Thành phần hóa học chuẩn của Inox 304, 304L, 304H

Tham chiếu tiêu chuẩn ASTM A240/A276, JIS G4304/G4305, EN 10088 (giá trị điển hình; có dao động theo tiêu chuẩn cụ thể và nhà sản xuất):
– Inox 304 (UNS S30400; EN 1.4301; SUS304)
– Cr: 18.0–20.0%
– Ni: 8.0–10.5%
– C: ≤0.08%
– Mn: ≤2.0%; Si: ≤1.0%
– P: ≤0.045%; S: ≤0.030%
– N: ≤0.10% (thường 0.03–0.07%)
– Fe: còn lại
– Inox 304L (UNS S30403; EN 1.4307; SUS304L)
– Giống 304 nhưng C ≤0.03% để chống nhạy cảm hóa (sensitization) khi hàn
– Dải Ni rộng hơn (ASTM thường 8.0–12.0%) để ổn định pha austenit khi giảm C
– Inox 304H (UNS S30409; EN 1.4948)
– C: 0.04–0.10% để tăng bền ở nhiệt độ cao; Ni thường 8.0–10.5%

Gợi ý cơ tính điển hình (trạng thái ủ): giới hạn chảy ≥205 MPa; bền kéo ≥515 MPa; giãn dài ≥40%; độ cứng ≤92 HRB.

Vì sao Crom là “chìa khóa” chống ăn mòn của 304?

Cơ chế màng thụ động Cr2O3

– Chỉ cần ≥10.5% Cr, thép đã có thể tự hình thành màng thụ động Cr2O3 rất mỏng, bền chặt, tự tái sinh khi bị trầy xước trong môi trường có oxy.
– Ở Inox 304, mức 18–20% Cr giúp:
– Tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn tổng quát trong khí quyển, nước sạch, nhiều môi trường hữu cơ – nhẹ.
– Cải thiện khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao so với thép thường.

Ảnh hưởng tới “độ bền rỗ” và công thức PREN

– Chịu rỗ (pitting) trong dung dịch clorua phụ thuộc mạnh vào Cr và Mo, một phần bởi N.
– Chỉ số PREN xấp xỉ: PREN = %Cr + 3.3×%Mo + 16×%N.
– 304: Cr ~18.5%, Mo ≈0, N ~0.05–0.10 → PREN khoảng 19–20.
– 316: Cr ~17%, Mo ~2.1%, N ~0.05–0.10 → PREN khoảng 23–26 (kháng rỗ tốt hơn 304).
– Hệ quả thực tế: 304 dùng tốt trong khí quyển trong đất liền, nhưng ở ven biển/ion Cl- cao có thể bị rỗ/ố trà (tea staining). Khi đó 316/316L là lựa chọn bền hơn.

Cr và vi cấu trúc, hàn

– Cr là nguyên tố tạo pha ferrit; tăng Cr làm tăng xu hướng xuất hiện ferrit δ (đặc biệt trong kim loại mối hàn).
– Trong hàn 304, một lượng nhỏ ferrit (FN ~3–10) là có lợi để tránh nứt nóng. Do đó vật liệu que/dây hàn thường dùng loại 308/308L (Cr và Ni được điều chỉnh để đạt FN mục tiêu).

Niken làm gì trong Inox 304?

Ổn định austenit, quyết định tính không nhiễm từ

– Ni là nguyên tố ổn định austenit. Với ~8–10.5% Ni, 304 có cấu trúc austenit ở nhiệt độ phòng, không nhiễm từ trong trạng thái ủ.
– Lưu ý: biến dạng nguội (cán nguội, dập sâu) có thể tạo mactenxit biến dạng, khiến 304 hơi hút nam châm – đây không phải dấu hiệu “không phải inox 304”.

Cải thiện độ dẻo, độ dai và khả năng gia công

– Ni giúp 304 có độ dẻo, độ dai rất tốt, formability cao (phù hợp dập sâu chậu, bồn).
– Tốc độ hóa bền biến dạng cao → dễ đạt bền kéo sau gia công nguội, nhưng cần lưu ý lực khuôn và hồi đàn hồi.

Độ bền ăn mòn ứng suất (SCC) và môi trường clorua

– Ni cải thiện khả năng kháng SCC so với thép ferrit/mactenxit, nhưng 304 vẫn có nguy cơ SCC trong dung dịch clorua nóng (>60°C) dưới ứng suất kéo. Kiểm soát nhiệt độ, giảm ứng suất hoặc chuyển 316/duplex nếu môi trường khắc nghiệt.

Tương quan Ni/Cr: kiểm soát pha và tính năng theo sơ đồ Schaeffler

– Sơ đồ Schaeffler/DeLong dùng “Ni tương đương” và “Cr tương đương” để dự đoán tổ chức kim loại sau hàn.
– 304 (18Cr-8Ni) nằm vùng austenit có chút ferrit trong kim loại hàn (tốt chống nứt nóng).
– Vật liệu hàn ER308L/308L-16 được thiết kế nâng nhẹ Cr và điều chỉnh Ni nhằm đạt FN mục tiêu (thường 5–10) cho mối hàn 304/304L.

Nhạy cảm hóa (sensitization) và lựa chọn 304L/304H

– Ở 450–850°C, C có thể kết tủa Cr23C6 tại biên giới hạt, làm nghèo Cr cục bộ → ăn mòn kẽ hạt (IGC).
– 304L (C ≤0.03%) giảm mạnh nguy cơ này khi hàn chi tiết dày, không xử lý dung dịch sau hàn.
– 304H (C 0.04–0.10%) dùng cho ứng dụng nhiệt độ cao đòi hỏi độ bền rão; cần quy trình nhiệt luyện kiểm soát để hạn chế sigma và giòn do pha phụ.

Hiệu năng ăn mòn thực tế: 304 dùng ở đâu là “đúng chỗ”?

– Môi trường phù hợp:
– Khí quyển nội địa, nội thất, nước sạch, thực phẩm – đồ uống trung tính, nhiều môi trường hữu cơ, kiềm loãng, axit hữu cơ loãng.
– Thiết bị bếp, bồn chứa, băng tải F&B, ống dẫn nước sạch, trang trí nội thất.
– Môi trường cần cân nhắc/không phù hợp:
– Ven biển, hồ bơi, rửa CIP chứa Cl-, nước biển, môi trường muối/axit vô cơ mạnh: 304 dễ rỗ/ố trà/SCC. Ưu tiên 316/316L hoặc duplex 2205.
– Biện pháp tăng độ bền ngoài trời:
– Chọn bề mặt mịn (2B/BA hoặc No.4 chất lượng cao), tránh khe hở giữ muối, vệ sinh định kỳ, thụ động hóa sau gia công, tránh nhiễm sắt bề mặt.

So sánh nhanh theo “chìa khóa Ni–Cr”

– 201 (Cr ~16–17%, Ni ~3.5–5.5%, Mn/N cao): chi phí thấp, độ bền rỗ kém hơn 304, dễ ố trà ở biển; độ dập có thể tốt nhưng nguy cơ nứt ứng suất clorua cao hơn.
– 304 (Cr 18–20%, Ni 8–10.5%): cân bằng tốt giữa giá – hiệu năng; “chuẩn” cho đa số ứng dụng trong đất liền.
– 316 (Cr ~16.5–18.5%, Ni ~10–14%, Mo ~2–2.5%): chống rỗ Cl- vượt trội nhờ Mo; nên dùng cho ven biển, hóa chất có Cl-.
– 430 (Cr ~16–18%, Ni ~0%): ferrit, nhiễm từ, chống ăn mòn kém hơn 304 nhưng rẻ, phù hợp trang trí nội thất khô.

Gia công, hàn và xử lý nhiệt: lưu ý để “giữ” ưu thế Ni–Cr

– Gia công tạo hình: tốc độ hóa bền cao; cần bôi trơn tốt, khuôn nhẵn; có thể ủ giải ứng suất sau tạo hình nặng.
– Hàn:
– Ưu tiên 304L cho mối hàn không xử lý nhiệt sau hàn.
– Vật liệu hàn: ER308L/E308L; kiểm soát năng lượng đường, hạn chế vùng ảnh hưởng nhiệt lớn để tránh nhạy cảm hóa.
– Làm sạch, tẩy gỉ–thụ động hóa sau hàn để phục hồi màng Cr2O3.
– Ủ dung dịch (solution anneal): ~1010–1060°C rồi làm nguội nhanh để hòa tan carbide và tái tạo austenit đồng nhất.

Kiểm chứng thành phần: tránh nhầm inox 201/430 thành 304

– Nam châm không đủ: 304 có thể hơi hút sau cán nguội; 201/430 có thể cho phản ứng tương tự. Không dùng nam châm làm tiêu chí duy nhất.
– PMI/XRF cầm tay: đo nhanh Ni/Cr/Mn/N để phân biệt chính xác (201 Ni thấp, Mn cao; 430 không có Ni).
– Giấy chứng chỉ vật liệu (MTC) theo EN 10204 3.1: kiểm tra heat number, mác, thành phần và cơ tính theo ASTM/JIS/EN.
– Thử ăn mòn tại xưởng: chỉ thực hiện bằng quy trình an toàn; tránh các “mẹo” axit đồng nguy hiểm và thiếu chính xác.

Lựa chọn mác theo điều kiện sử dụng phổ biến ở Việt Nam

– Đồ bếp, bồn nước trong nhà, nội thất khô: 304/304L là tối ưu về chi phí – hiệu năng.
– Ngoài trời đô thị (xa biển) và có bảo trì: 304 vẫn phù hợp; chú trọng hoàn thiện bề mặt và vệ sinh định kỳ.
– Ven biển (<5–10 km) hoặc hơi sương muối: ưu tiên 316/316L để giảm ố trà/rỗ; nếu buộc dùng 304, cần thiết kế chống đọng muối và lịch vệ sinh nghiêm ngặt. - Hệ ống/thiết bị F&B, dược: 304L cho hàn nhiều; CIP có Cl- nóng → cân nhắc 316L. - Nhiệt cao (khói, lò): 304H hoặc các mác chuyên dụng chịu nhiệt; tham khảo điều kiện vận hành cụ thể.

FAQ ngắn: các câu hỏi kỹ thuật thường gặp

– Vì sao 304 có khi hút nam châm? Vì hóa bền biến dạng tạo mactenxit; ủ dung dịch sẽ giảm từ tính.
– 304 có Mo không? Không theo tiêu chuẩn; nếu cần Mo để kháng rỗ thì dùng 316/316L.
– 304 bị gỉ nâu là do đâu? Thường là rỗ/ố trà do Cl-, hoặc nhiễm sắt bề mặt sau gia công; xử lý bằng tẩy gỉ–thụ động hóa và cải thiện vệ sinh.
– Chọn 304 hay 304L? Nếu có hàn đáng kể hoặc chi tiết dày, 304L an toàn hơn với ăn mòn kẽ hạt; chi tiết không hàn có thể dùng 304.

Kết luận

Crom (18–20%) và Niken (8–10.5%) là hai “đòn bẩy” quyết định bản chất của Inox 304: Cr tạo màng thụ động Cr2O3 cho chống ăn mòn nền tảng, còn Ni ổn định austenit, đem lại độ dẻo, độ dai và khả năng gia công – hàn vượt trội. Tỷ lệ Ni/Cr phù hợp giúp 304 cân bằng tốt giữa hiệu năng và chi phí, nhưng trong môi trường clorua khắc nghiệt, 304 có thể rỗ hoặc ố trà – khi đó 316/316L là lựa chọn đúng. Để khai thác tối đa ưu thế Ni–Cr, hãy chọn đúng biến thể (304/304L/304H), dùng vật liệu hàn phù hợp, xử lý bề mặt sau gia công và xác thực thành phần bằng PMI/MTC. Với các nguyên tắc này, 304 sẽ đạt tuổi thọ và độ tin cậy cao trong đa số ứng dụng công nghiệp tại Việt Nam.