Cơ chế chống gỉ inox: bí mật lớp màng crom thụ động

Inox chống gỉ không phải vì “không có sắt”, mà nhờ một lớp màng crom thụ động cực mỏng, bền và tự tái tạo. Hiểu cơ chế này là nền tảng để chọn mác inox phù hợp (304, 316, 201, 430, duplex), thiết kế chống ăn mòn, xử lý bề mặt sau hàn và bảo trì đúng, đặc biệt trong môi trường Việt Nam có hơi ẩm và clorua cao.

Lớp màng crom thụ động là gì?

– Bản chất: Khi hàm lượng Cr trong thép ≥10,5%, bề mặt tiếp xúc với oxy sẽ hình thành một lớp oxit crom giàu Cr (chủ yếu Cr2O3 kèm hydroxide/oxyhydroxide) dày khoảng 1–3 nm. Lớp màng này ngăn trao đổi điện tử/ion, cắt đứt chuỗi phản ứng oxy hóa sắt nên thép không bị gỉ đỏ.
– Tự phục hồi: Nếu bị xước nhẹ, chỉ cần có oxy và độ ẩm, lớp màng tái sinh trong vài giây đến vài phút. Đây là khác biệt cốt lõi so với sơn phủ: lớp thụ động là “tự chữa lành”.
– Điều kiện tồn tại: Cần môi trường có oxy hòa tan. Trong khe hở kín, nước đọng thiếu oxy, lớp thụ động suy yếu và dễ bị phá vỡ.

Hóa học và điện hóa của tính thụ động

– Màng hai lớp: Lớp trong giàu Cr2O3 đặc sít; lớp ngoài hydrat hóa có lẫn oxit sắt. Thành phần và độ dày phụ thuộc pH, thế điện cực và hợp kim hóa.
– Ngưỡng phá vỡ và tái thụ động:
– Thế phá màng (Epit): khi vượt ngưỡng trong môi trường chứa Cl−, xảy ra ăn mòn cục bộ (điển hình là ăn mòn lỗ). Với 304 trong dung dịch NaCl, Epit thấp hơn 316 do thiếu Mo.
– Thế tái thụ động (Erp): sau khi rửa sạch ion Cl− và có oxy, màng có thể tái tạo nếu thế trở về vùng thụ động.
– Vai trò nguyên tố hợp kim:
– Cr: tạo/ổn định màng thụ động. Ngưỡng ~10,5% là điều kiện để được coi là “stainless”.
– Mo: tăng kháng ăn mòn lỗ/khe bằng cách ức chế hòa tan anốt trong hố ăn mòn và đẩy Erp lên cao.
– N: tăng kháng khe, cải thiện tái thụ động; đặc biệt hiệu quả trong thép duplex/austenitic N cao.
– Ni: ổn định tổ chức austenit (tăng dẻo, bền), gián tiếp giúp màng ổn định trong nhiều môi trường axit oxi hóa.

Vì sao ≥10,5% Cr là “ngưỡng” inox?

Ở hàm lượng này, tốc độ hình thành Cr2O3 vượt tốc độ hòa tan, tạo một màng liên tục che phủ bề mặt. Thêm Cr làm giàu Cr trong màng, giảm khuyết tật, tăng độ bền điện hóa. Tuy nhiên, chỉ Cr thôi chưa đủ cho môi trường clorua khắc nghiệt; cần Mo và/hoặc N để chống ăn mòn cục bộ tốt hơn.

Ăn mòn cục bộ: kẻ thù của lớp thụ động

Ăn mòn lỗ (pitting)

– Tác nhân: ion Cl−; nhiệt độ càng cao càng nguy hiểm. Nhiễm muối biển, nước bắn sóng, chất tẩy có clorua đều làm tăng rủi ro.
– Nhiệt độ khởi phát ăn mòn lỗ (CPT) tham khảo trong dung dịch clorua tiêu chuẩn:
– 304: khoảng 10–20°C
– 316/316L (2–2,5% Mo): khoảng 25–35°C
– 2205 duplex: khoảng 50–60°C
(Giá trị thay đổi theo nồng độ, pH, bề mặt, tiêu chuẩn thử; chỉ dùng để định hướng.)

Ăn mòn khe (crevice)

– Xuất hiện ở bulong-khớp, gioăng, ghép gối. Trong khe, oxy cạn kiệt, pH giảm, Cl− tập trung → màng thụ động suy sụp.
– Thiết kế chống khe là biện pháp rẻ và hiệu quả nhất.

Ăn mòn tinh giới (intergranular) do “sensitization”

– Khi hàn/giữ 500–800°C, cacbit Cr hình thành tại biên hạt, rút Cr khỏi vùng kề cận → vùng này mất khả năng thụ động.
– Khắc phục: dùng mác L (304L/316L) hoặc mác ổn định hóa 321(Ti), 347(Nb); xử lý nhiệt đúng; làm sạch sau hàn.

Nứt ăn mòn ứng suất (SCC) trong clorua

– Austenitic Ni cao (304/316) dễ SCC ở T>60°C, clorua và kéo. Ferritic/duplex kháng SCC tốt hơn.

PREN: chỉ số dự báo chống ăn mòn lỗ

– Công thức phổ biến: PREN = %Cr + 3,3×%Mo + 16×%N.
– Giá trị tham khảo:
– 201: ~16–18 (Cr ~16–17, Mo≈0, N thấp) → kháng pitting thấp.
– 304/304L: ~18–19 → dùng tốt nội thất, khô ráo; không khuyến nghị gần biển.
– 316/316L: ~24–26 → phù hợp khu vực ven biển, thực phẩm, hóa chất nhẹ.
– 430 (ferritic): ~16–17 → chống gỉ kém hơn 304, hợp môi trường khô.
– 2205 duplex: ~34–38 → kháng pitting/khe cao, khuyến nghị nước biển, xử lý nước mặn.
– 904L/6Mo: >35–45 → ứng dụng hóa chất/clorua rất cao.
– Lưu ý: PREN không thay thế thử nghiệm thực tế; bề mặt, thiết kế, vệ sinh ảnh hưởng mạnh.

Ảnh hưởng môi trường điển hình tại Việt Nam

– Ven biển (Đồ Sơn, Sầm Sơn, Nha Trang, Vũng Tàu): sương muối, gió biển → 316L tối thiểu cho ngoại thất; duplex 2205 cho kết cấu, lan can sát mép nước.
– Đô thị ẩm, mưa axit nhẹ: 304 dùng được nếu vệ sinh định kỳ; tránh ố nâu (tea staining).
– Thực phẩm, y tế: 304/316 tùy hóa chất CIP; tránh dùng Javen (NaClO) lâu trên 304 nóng.
– Xử lý nước, RO, bồn chứa: 316L/duplex; kiểm soát khe, chọn gioăng phù hợp.

Xử lý bề mặt để duy trì tính thụ động

Sau gia công/hàn

– Loại bỏ vùng biến màu (heat tint) và xỉ hàn: pickling bằng hỗn hợp axit theo tiêu chuẩn (ví dụ ASTM A380/A967), rửa áp lực cao, trung hòa, sấy khô.
– Passivation: dùng axit nitric hoặc axit citric theo ASTM A967 để làm giàu Cr bề mặt, giúp màng thụ động ổn định.
– Không dùng HCl cho inox; hạn chế chà thép các-bon (gây nhiễm sắt).

Vệ sinh định kỳ

– Tần suất: ven biển 1–3 tháng/lần; đô thị 3–6 tháng/lần.
– Dụng cụ/chất tẩy: khăn mềm, nước sạch, chất tẩy trung tính pH≈7; rửa tráng kỹ.
– Tránh: chất tẩy chứa clorua, Javen nóng, bột mài thô. Nếu có ố nâu nhẹ, dùng gel tẩy chuyên dụng cho inox, sau đó rửa sạch.

Độ nhám và hoàn thiện bề mặt

– Bề mặt càng mịn (BA, No.4 mịn, electropolish) càng ít giữ muối/bụi → kháng ố và pitting tốt hơn. Mục tiêu Ra thấp (ví dụ <0,5–0,8 μm cho ngoại thất ven biển).

Thiết kế chống ăn mòn: quy tắc thực tiễn

– Tránh khe hở, ưu tiên hàn liên tục thay vì ghép chồng/bắt vít hở.
– Tạo thoát nước và thông gió; không để đọng nước muối.
– Cách ly điện giữa inox và thép các-bon/nhôm trong môi trường ẩm (miếng đệm nhựa, sơn cách điện) để giảm ăn mòn điện hóa.
– Chọn gioăng/phớt ít giữ muối; tránh mastic chứa clorua.
– Không để bề mặt tiếp xúc trực tiếp bê tông ướt lâu ngày có clorua; dùng lớp ngăn.

304, 316, 201, 430, duplex: chọn mác nào?

– 201: kinh tế, dùng nội thất khô, trang trí trong nhà. Không khuyến nghị ven biển/ngoài trời.
– 430: từ tính, rẻ; hợp môi trường khô, thiết bị gia dụng; kháng ăn mòn thấp.
– 304/304L: phổ biến, dễ gia công; dùng trong nhà xưởng khô, thực phẩm không clorua mạnh; cần vệ sinh nếu ngoài trời.
– 316/316L: có Mo; lựa chọn “an toàn” cho ven biển, nước công nghiệp có Cl−, y tế/hóa chất nhẹ.
– Duplex 2205: khi cần cơ tính cao và kháng pitting/khe vượt trội (nước biển, kết cấu bờ kè, xử lý nước mặn).

Nhận biết và xử lý “ố trà” so với gỉ thật

– Ố trà: lớp nhuộm nâu do hạt sắt bụi bám + muối; bề mặt dưới vẫn là inox. Thường tẩy sạch được bằng chất tẩy chuyên dụng/axit nhẹ theo hướng dẫn.
– Gỉ thật (ăn mòn): xuất hiện lỗ, rỗ, bong mảng; cần đánh giá nguyên nhân (clorua, khe, nhiễm Fe), làm sạch, pickling/passivation lại; có thể phải thay chi tiết nếu đã thủng.

Kiểm tra và tiêu chuẩn liên quan

– Làm sạch/passivation: ASTM A380/A380M; ASTM A967/A967M (axit nitric/citric).
– Khả năng pitting/khe: ASTM G48 (thử feri clorua); ASTM G150 (CPT điện hóa).
– Sương muối: ISO 9227 (để so sánh tương đối, không thay thế thử nghiệm hiện trường).
– Thuật ngữ ăn mòn: ISO 8044.
– Môi trường H2S/chua: NACE MR0175/ISO 15156 (lựa chọn vật liệu cho dầu khí).

Ví dụ ứng dụng nhanh

– Lan can khách sạn sát biển Nha Trang: chọn 316L hoặc 2205; hoàn thiện No.4 mịn hoặc electropolish; tránh khe, vệ sinh 1–2 tháng/lần.
– Bồn pha nước muối 2–3% ở 30°C: 316L tối thiểu; nếu nhiệt độ >40°C, xem xét duplex 2205.
– Dây chuyền CIP với HNO3 loãng: 304/316 hoạt động tốt; tránh HCl; kiểm soát nhiệt và nồng độ.

Tài liệu tham khảo

– ASTM A967/A967M – Standard Specification for Chemical Passivation Treatments for Stainless Steel Parts.
– ASTM A380/A380M – Standard Practice for Cleaning, Descaling, and Passivation of Stainless Steel Parts.
– ASTM G48; ASTM G150 – Pitting/CPT testing methods for stainless steels.
– ISO 8044 – Corrosion of metals and alloys — Basic terms and definitions.
– ISO 9227 – Corrosion tests in artificial atmospheres — Salt spray tests.
– NACE MR0175/ISO 15156 – Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production.
– Nickel Institute: Guidelines for corrosion resistant stainless steels; Technical Series publications.
– Outokumpu Stainless Steel Handbook.
– ASM Handbook, Vol. 13A: Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection.
– International Molybdenum Association (IMOA): Molybdenum’s role in stainless steel corrosion resistance.

Kết luận

– Khả năng chống gỉ của inox đến từ lớp màng Cr2O3 thụ động siêu mỏng, tự phục hồi khi có oxy.
– Mo và N nâng đáng kể kháng ăn mòn cục bộ; PREN giúp so sánh nhanh giữa các mác.
– Clorua, khe hở, nhiệt độ cao, nhiễm sắt và xử lý hàn sai là các nguyên nhân chính phá vỡ màng thụ động.
– Lựa chọn mác đúng theo môi trường, thiết kế giảm khe, hoàn thiện bề mặt mịn và vệ sinh định kỳ là “bộ tứ” đảm bảo độ bền lâu dài.
Cần tư vấn chọn mác inox, quy trình xử lý bề mặt hay báo giá tốt nhất cho dự án của bạn? Liên hệ Inox Cường Thịnh. Hotline: 0343.417.281. Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com