Lịch sử ra đời thép không gỉ: phát minh 1913 thay đổi thế giới

Thép không gỉ (inox) là một trong những vật liệu kỹ thuật có tác động lớn nhất tới thế kỷ 20–21. Hiểu lịch sử ra đời giúp người mới nắm vững nền tảng: vì sao thép “không gỉ”, các mác quan trọng hình thành thế nào, và chúng giải quyết những bài toán ăn mòn, vệ sinh, độ bền ra sao trong công nghiệp hiện đại.

Vì sao thép không gỉ là phát minh “đổi luật chơi”?

– Bản chất “không gỉ”: Với tối thiểu ~10,5% Cr, thép tự tạo một màng thụ động siêu mỏng (oxit Cr2O3 cỡ vài nm) bám chặt, tự phục hồi khi có oxy. Màng này là “tấm khiên” chống ăn mòn trong nhiều môi trường.
– Bộ tính năng “3 trong 1”: chống ăn mòn + cơ tính thép + khả năng làm sạch/vệ sinh cao. Điều này mở khóa các ngành: chế biến thực phẩm, hóa chất, nước sạch, y tế, kiến trúc, dầu khí, hàng hải, ô tô…
– Tính bền vững: vòng đời dài, tái chế cao (tỷ lệ phế liệu trong sản xuất thường >60%; thép không gỉ có thể được tái chế gần như vô hạn).

Dòng thời gian phát minh và thương mại hóa

1820–1900: Những viên gạch đầu

– 1820s–1860s: Faraday và Berthier thử hợp kim sắt–crôm; Robert Mushet (1861) làm thép Cr cao nhưng cacbon cũng cao, hình thành carbide làm suy yếu lớp thụ động nên chưa thật sự “không gỉ”.
– Cuối thế kỷ 19: Khoa học điện hóa phát triển, đặt nền tảng cho hiểu biết về “tính thụ động” của kim loại.

1904–1911: Đến ngưỡng nhận thức

– Léon Guillet (Pháp) hệ thống hóa hợp kim Fe–Cr–Ni, ghi nhận vai trò Ni đối với tổ chức austenit.
– 1911: Monnartz và Borchers (Đức) chỉ ra ngưỡng khoảng ≥12% Cr để hình thành màng thụ động ổn định – viên gạch quyết định cho khái niệm “stainless”.

1913: Brearley và “rustless steel” ở Sheffield

– Harry Brearley thử các mác thép Cr ~12–13% nhằm tăng bền mòn cho nòng súng. Ông nhận thấy mẫu 12,8%Cr–0,24%C hầu như không bị ăn mòn trong môi trường ẩm/axit nhẹ và đặt tên “rustless steel” (sau phổ biến là “stainless”). Ứng dụng đầu tiên: dao, nĩa, đồ gia dụng, rồi lan ra công nghiệp.

1912–1929: Thời kỳ 18/8 và chuẩn hóa

– Krupp (Đức): Eduard Maurer và Benno Strauss phát triển hợp kim austenit 18%Cr–8%Ni (đặt nền cho AISI 304) và thương hiệu Nirosta (Nicht Rostender Stahl).
– William H. Hatfield (Anh) phát triển 18/8 thương mại (khoảng 1924) và mác ổn định hóa bằng Ti (Type 321, khoảng 1929) để chống “nhạy cảm hóa” vùng hàn.

1940–1970: Đa dạng hóa mác và bùng nổ sản xuất

– Martensitic (410/420) cho dao kéo, tuabin; ferritic (430) cho trang trí, gia dụng.
– 17-4PH (AISI 630, thập niên 1940) mở ra thép không gỉ hóa bền kết tủa cho hàng không, khuôn, trục quay.
– Cuối 1960s: Công nghệ khử cacbon bằng Oxy–Argon (AOD) và VOD cho phép hạ C xuống rất thấp, kiểm soát N, S, P; chất lượng và sản lượng inox tăng vọt, giá thành giảm.

1970–nay: Duplex, siêu austenit và kỷ nguyên bền vững

– Duplex 2205/2507 kết hợp bền–chống rỗ cao (Mo, N), phù hợp nước biển, dầu khí.
– Siêu austenit (904L, 254SMO) cho môi trường Cl- khắc nghiệt; 316/316L trở thành “chuẩn” cho ven biển và hóa chất nhẹ.
– Sản lượng inox thế giới đã vượt 50 triệu tấn/năm; chuỗi tái chế và phân loại mác ngày càng tinh vi.

Phân loại chính và thành phần tiêu biểu

Austenitic (Series 300/200)

– Không từ tính (ở trạng thái ủ), dẻo, hàn tốt, chống ăn mòn tổng quát tốt.
– 304/304L (18Cr–8Ni): tiêu chuẩn công nghiệp, F&B, kiến trúc nội thất, thiết bị y tế, bồn bể thông thường.
– 316/316L (16–18Cr, 10–14Ni, 2–3Mo): tăng chống rỗ kẽ (pitting) do Mo; khuyến nghị ven biển, hồ bơi, hóa chất nhẹ.
– 201/202 (Cr–Mn–N, Ni thấp): thay thế chi phí thấp cho môi trường khô, trong nhà; không phù hợp môi trường chloride/công trình ngoài trời khắc nghiệt.

Ferritic (Series 400, ví dụ 430)

– Từ tính, chi phí thấp, chống gỉ vừa phải; dùng cho trang trí trong nhà, thiết bị gia dụng, ống khói khô.

Martensitic (410/420/440)

– Tôi cứng được; dùng cho dao, tuabin, trục chịu mài mòn; chống gỉ kém hơn austenit.

Duplex (2205, 2507)

– Pitting cao, bền kéo gấp ~1,8–2 lần 304/316; dùng cho nước biển, khử mặn, bồn áp lực, ống dẫn dầu khí.

Hóa bền kết tủa (17-4PH)

– Bền cao, ổn định kích thước; dùng cho hàng không, khuôn, trục bơm, van.

Cơ chế chống gỉ và các giới hạn cần biết

– Màng thụ động cần oxy: trong kẽ hở kín, nước tù đọng thiếu oxy → ăn mòn kẽ hở.
– Clorua gây rỗ: Mo và N cải thiện chỉ số chống rỗ (PREN ≈ %Cr + 3,3×%Mo + 16×%N). 316L có PREN cao hơn 304L; duplex 2205 cao hơn 316L.
– Nhạy cảm hóa khi hàn (500–800°C): carbide Cr kết tủa ở ranh giới hạt làm suy yếu màng thụ động → chọn L-grade (C thấp) hoặc mác ổn định Ti/Nb (321/347), dùng quy trình hàn phù hợp và pasivation sau gia công.
– Nhiễm sắt bề mặt: hạt sắt ngoại lai là “mồi” rỉ; cần pickling/passivation hoặc làm sạch cơ học + hóa học đúng quy trình.

Quy trình luyện, gia công và bề mặt

– Luyện thép: Lò hồ quang (EAF) → tinh luyện AOD/VOD → đúc liên tục → cán nóng → tẩy gỉ → cán nguội → ủ→ tẩy gỉ → hoàn thiện bề mặt.
– Bề mặt phổ biến:
– 2B: mờ mịn, tiêu chuẩn công nghiệp, dễ vệ sinh.
– BA (Bright Annealed): sáng gương, trang trí–F&B.
– No.4/HL: xước hairline, kiến trúc–nội thất.
– Sau gia công/hàn: nên tẩy–thụ động hóa để phục hồi lớp Cr2O3.

Ứng dụng tiêu biểu (liên hệ thực tiễn Việt Nam)

– Nước sạch & xử lý nước thải: 304L/316L cho bồn, ống, van. Ven biển hoặc nước lợ → ưu tiên 316L/duplex 2205.
– Thực phẩm & đồ uống: 304/304L cho bồn sữa, bia; CIP dễ dàng; khu vực clorua cao (nước mắm, muối) → 316L.
– Kiến trúc: mặt dựng, lan can, thang máy: trong nhà 304/BA/No.4; ngoài trời gần biển → 316L/duplex; chọn hoàn thiện hạn chế bám bẩn.
– Dầu khí & hóa chất: 316L, 904L, duplex 2205/2507 tùy môi trường, nhiệt độ, Cl- và H2S.
– Xưởng cơ khí: 201 cho nội thất khô, không ăn mòn; 304/316 cho thiết bị tiếp xúc nước/axit nhẹ.

Cách chọn mác inox chuẩn cho dự án tại Việt Nam

– Xác định môi trường: trong nhà/ngoài trời; khoảng cách tới biển; nhiệt độ; hóa chất (Cl-, pH).
– Đặt mục tiêu chống ăn mòn: 201 (khô, trong nhà) → 304 (đa dụng) → 316 (clorua/ven biển) → duplex (clorua rất cao).
– Kiểm soát hàn và bề mặt: chọn L-grade khi hàn dày; quy trình tẩy–thụ động; thiết kế thoát nước, giảm kẽ hở.
– Chuẩn và chứng chỉ:
– Tấm/coil: ASTM A240; Ống hàn: ASTM A554; Ống đúc/đúc nguội: ASTM A312; Thanh: ASTM A276; Theo châu Âu: EN 10088.
– Yêu cầu MTC/COA, phân tích thành phần; ưu tiên nhà cung cấp có kiểm định XRF/OES.
– Kiểm tra nhanh tại xưởng:
– Nam châm: chỉ mang tính gợi ý (austenit có thể nhiễm từ sau gia công; 201 có thể không hút nam châm) → không dùng để “phân loại” mác.
– Moly-drop/thuốc thử Mo để phân biệt 304/316 tại chỗ; tốt nhất dùng thiết bị phân tích thành phần.

Những ngộ nhận phổ biến (và khắc phục)

– “Inox không bao giờ gỉ”: sai. Lựa chọn sai mác/bề mặt, thiết kế đọng nước/kẽ hở, hoặc nhiễm sắt sẽ gây rỉ nâu, rỗ. Cần chọn mác đúng và bảo trì.
– “Thử nam châm là đủ”: sai. Hãy yêu cầu chứng chỉ, dùng XRF và xét môi trường làm việc.
– “304 ở đâu cũng như nhau”: không. Thành phần, luyện kim, bề mặt, độ sạch và kiểm soát gia công quyết định tuổi thọ.
– “Không cần thụ động hóa sau hàn”: sai. Pickling/passivation là bước quan trọng phục hồi màng thụ động.

Mốc thời gian tóm tắt

– 1911: Monnartz xác lập ngưỡng ~12%Cr cho tính thụ động.
– 1913: Harry Brearley – “rustless steel” ở Sheffield.
– 1912–1924: 18/8 austenitic thương mại (tiền thân AISI 304).
– 1929: 321 (ổn định Ti) cho mối hàn bền ăn mòn kẽ hạt.
– 1940s: 17-4PH cho bền cao, hàng không.
– Cuối 1960s: AOD/VOD – sản xuất inox hiện đại.
– 1970s–nay: Duplex 2205/2507, siêu austenit; mở rộng ứng dụng toàn cầu.

Tiêu chuẩn, ký hiệu và cách gọi mác

– AISI/UNS: 304 (UNS S30400), 304L (S30403), 316 (S31600), 316L (S31603), 321 (S32100), 430 (S43000), 2205 (S32205/S31803), 17-4PH (S17400).
– ASTM/ASME: A240 (tấm/cuộn), A312 (ống đúc/hàn dùng cho áp lực), A554 (ống trang trí), A276 (thanh), A182 (mặt bích).
– EN 10088: danh mục mác theo tiêu chuẩn châu Âu (ví dụ 1.4301 cho 304; 1.4404 cho 316L).

Tài liệu tham khảo

– British Stainless Steel Association (BSSA) – History of Stainless Steel: https://www.bssa.org.uk/topics.php?cat=1
– Encyclopaedia Britannica – Stainless steel: https://www.britannica.com/technology/stainless-steel
– Outokumpu – The history of stainless steel: https://www.outokumpu.com
– International Stainless Steel Forum (ISSF) – Stainless Steel in Figures: https://www.worldstainless.org
– ASM Handbook (Metals/Corrosion) – Cơ chế thụ động và ăn mòn cục bộ: https://www.asminternational.org
– ASTM International – Tiêu chuẩn vật liệu inox (A240, A312, A554, A276): https://www.astm.org

Kết luận

Từ thí nghiệm 1913 của Brearley đến kỷ nguyên AOD và duplex, thép không gỉ đã tái định nghĩa thiết kế vật liệu: chống ăn mòn vượt trội, bền cơ học và vệ sinh cao. Đối với kỹ sư và chủ xưởng tại Việt Nam, chìa khóa là: hiểu cơ chế thụ động, đánh giá đúng môi trường (đặc biệt clorua), chọn mác theo PREN và tiêu chuẩn, kiểm soát hàn–bề mặt, và kiểm chứng mác bằng phân tích. Làm đúng ngay từ đầu sẽ tối ưu tổng chi phí vòng đời và độ tin cậy thiết bị.

Cần tư vấn chọn mác inox chuẩn cho dự án hoặc nhận báo giá tốt nhất? Liên hệ Inox Cường Thịnh – Hotline: 0343.417.281 – Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com