Inox và Nhôm: so sánh trọng lượng, độ cứng và chống oxy hóa

Trong bức tranh tổng thể so sánh kim loại, bộ đôi Inox và Nhôm thường được đặt lên bàn cân khi cần kết cấu nhẹ nhưng bền và chống ăn mòn. Bài viết này đi thẳng vào 3 tiêu chí kỹ thuật mà kỹ sư, nhà thầu, chủ xưởng quan tâm nhất: trọng lượng, độ cứng/độ bền, và khả năng chống oxy hóa/ăn mòn – kèm số liệu, ví dụ tính nhanh và khuyến nghị chọn mác vật liệu cho điều kiện Việt Nam.

Tóm tắt nhanh: Inox vs Nhôm

– Trọng lượng: Nhôm ~2.70 g/cm3, Inox ~7.9–8.0 g/cm3 → Nhôm nhẹ khoảng 1/3 Inox.
– Độ cứng vững (stiffness): Inox có mô đun đàn hồi ~193 GPa, Nhôm ~69 GPa → Inox cứng vững gấp ~2.8 lần ở cùng tiết diện.
– Độ cứng/độ bền (hardness/strength): Phụ thuộc mác và trạng thái nhiệt luyện. 6061-T6 có giới hạn chảy cao hơn Inox 304 ủ mềm, nhưng Inox có thể tăng cứng do biến dạng và giữ độ bền tốt ở nhiệt cao.
– Chống oxy hóa/ăn mòn: Cả hai đều tạo màng oxit bảo vệ. Trong môi trường clorua (gần biển, bắn tóe muối), Inox 316 trội hơn 304 và thường bền hơn Nhôm chưa anod. Nhôm cần anod/ phủ tốt để chống rỗ/pitting.

Trọng lượng: tác động lên thiết kế, vận chuyển và lắp đặt

Mật độ và hệ quả

– Inox austenit (304/304L/316/316L): 7.9–8.0 g/cm3
– Nhôm (5052/6061/6063): ~2.70 g/cm3

Ý nghĩa thực tế:
– Giảm khối lượng chết: Nhôm giúp giảm tải cho móng, khung, bản lề, cơ cấu nâng.
– Vận chuyển/lắp dựng: Cùng một kích thước, bộ phận bằng Nhôm dễ thao tác hơn, tiết kiệm nhân công/thiết bị nâng.

Ví dụ tính nhanh trọng lượng

– Tấm 1 m2 dày 1.0 mm:
+ Inox: 8.0 kg
+ Nhôm: 2.7 kg
– Tấm 1 m2 dày 2.0 mm:
+ Inox: 16.0 kg
+ Nhôm: 5.4 kg
– Ống tròn Ø38.1 x 1.5 mm (ước tính A ≈ π·D·t = 179.6 mm2):
+ Inox: 1.44 kg/m
+ Nhôm: 0.49 kg/m
– Hộp 40 x 40 x 1.2 mm (A ≈ 186 mm2):
+ Inox: ~1.49 kg/m
+ Nhôm: ~0.50 kg/m

Bù độ cứng vững bằng tăng chiều dày

Để đạt cùng độ cứng uốn EI, với cùng bề rộng, chiều dày Nhôm cần ≈ 1.41× Inox (vì (E_inox/E_nhom)^(1/3) ≈ (193/69)^(1/3) ≈ 1.41).
Dù tăng dày, trọng lượng Nhôm vẫn thấp hơn: ρ_nhom/ρ_inox × 1.41 ≈ 2.7/8.0 × 1.41 ≈ 0.48 → Nhôm vẫn chỉ ~48% trọng lượng Inox ở độ cứng tương đương.

Độ cứng, độ bền và độ cứng vững: phân biệt rõ để chọn đúng

Mô đun đàn hồi (stiffness)

– Inox austenit: ~193–200 GPa
– Nhôm: ~69–71 GPa
Kết luận: Với cùng hình học, kết cấu Inox biến dạng ít hơn gần 3 lần dưới cùng tải.

Độ bền kéo, giới hạn chảy (tùy mác và trạng thái)

– Inox 304 (annealed 2B): Rp0.2 ~215 MPa; Rm ~505–620 MPa
– Inox 316 (annealed): Rp0.2 ~205 MPa; Rm ~515–620 MPa
– Nhôm 6061-T6: Rp0.2 ~240 MPa; Rm ~290 MPa
– Nhôm 5052-H32: Rp0.2 ~193 MPa; Rm ~228 MPa

Lưu ý:
– 6061-T6 có giới hạn chảy cao hơn 304 annealed; nhưng Inox có cường độ kéo tối đa cao hơn và chịu nhiệt độ cao tốt hơn.
– Inox work-hardening mạnh (gia công, cán nguội) có thể tăng Rp0.2 và độ cứng đáng kể.
– Nhôm nhóm 5xxx/6xxx trong trạng thái tôi cứng (H/T) cho tỉ số bền/trọng lượng tốt.

Độ cứng bề mặt (hardness)

– Inox 304/316 (annealed): ~70–90 HB; có thể lên ~150–200 HB khi biến cứng.
– Nhôm 6061-T6: ~95 HB; 5052-H32: ~60–70 HB.
Ý nghĩa: 6061-T6 cứng hơn 304 ủ mềm về Brinell; tuy nhiên Inox thường chống xước tốt hơn trong môi trường ma sát/va đập nhờ bề mặt thép cứng hơn khi biến cứng tại chỗ.

Khả năng chống oxy hóa và ăn mòn

Cơ chế bảo vệ

– Inox: Màng thụ động Cr2O3 tự tái sinh; 316 có Mo tăng khả năng chống rỗ/ăn mòn kẽ hở.
– Nhôm: Màng Al2O3 mỏng, bền; có thể tăng cường bằng anod hóa để cải thiện chống ăn mòn và độ cứng bề mặt.

Môi trường thực tế tại Việt Nam

– Khí hậu ẩm, mưa axit nhẹ đô thị: Cả Inox 304 và Nhôm anod hóa bền vững tốt.
– Gần biển/ nước lợ/ xịt muối:
+ 304 dễ rỗ/ố nâu (tea staining) → ưu tiên 316/316L, hoàn thiện bề mặt tốt, vệ sinh định kỳ.
+ Nhôm không anod hoặc anod mỏng dễ rỗ pitting và ăn mòn kẽ hở → dùng anod dày (AA20–25 µm), sơn/ powder coating và thiết kế thoát nước, tránh bẫy muối.
– Tiếp xúc thực phẩm/đồ uống: 304/316 đạt chuẩn vệ sinh, trơ với đa số thực phẩm; Nhôm có thể bị hòa tan trong môi trường axit/muối nếu không anod.

Ăn mòn điện hóa (galvanic)

Khi Nhôm tiếp xúc trực tiếp với Inox trong môi trường ẩm/muối, Nhôm sẽ hy sinh (anodic). Khuyến nghị:
– Cách điện bằng vòng đệm nhựa/ sơn/ băng keo cách điện.
– Tránh đọng nước tại mối tiếp xúc; chọn vít/buloong phù hợp và lớp phủ bảo vệ.

Chỉ số tham khảo

– PREN (stainless): 304 ~18; 316 ~24 → 316 chống rỗ clorua tốt hơn rõ rệt.
– Khoảng pH: Nhôm thụ động tốt ~pH 4–9; Inox duy trì thụ động rộng hơn, trừ môi trường clorua đậm đặc, axit halogen.

Gia công, hàn, hoàn thiện bề mặt

– Hàn:
+ Inox 304/316: MIG/TIG phổ biến; dùng dây ER308L/ER316L, kiểm soát nhiệt để hạn chế biến dạng và ăn mòn vùng ảnh hưởng nhiệt; có thể thụ động hóa sau hàn.
+ Nhôm 5xxx/6xxx: MIG/TIG với ER4043/ER5356; cần AC TIG để phá màng oxit; dẫn nhiệt cao nên cần dòng lớn, kiểm soát biến dạng bằng đồ gá.
– Gia công cắt gọt: Nhôm dễ gia công, tốc độ cao; Inox cần tốc độ thấp hơn, dao cứng, dầu tưới nguội tốt để tránh hóa bền nguội.
– Hoàn thiện:
+ Inox: Xước No.4, BA, gương; tẩy gỉ–thụ động hóa để tối ưu chống ăn mòn.
+ Nhôm: Anod hóa, sơn tĩnh điện; anod dày tăng chống mài mòn.
– Dung sai và biến dạng nhiệt:
+ Hệ số giãn nở: Inox 304 ~17.3 µm/m·K; Nhôm ~23–24 µm/m·K → Nhôm nhạy nhiệt hơn trong lắp ghép đa vật liệu.
+ Dẫn nhiệt: Inox 304 ~16 W/m·K; Nhôm ~160–200 W/m·K → Nhôm tản nhiệt tốt (vỏ tản nhiệt), Inox giữ nhiệt cục bộ (lưu ý khi hàn).

Tiêu chuẩn và mác thông dụng

– Inox:
+ Tấm/cuộn: ASTM A240 (AISI 304/304L/316/316L; JIS SUS304/SUS316)
+ Ống: ASTM A312 (hàn/đúc liền), ASTM A554 (ống trang trí)
– Nhôm:
+ Tấm 5052-H32 (ASTM B209): dễ hàn, chống ăn mòn biển tương đối tốt.
+ Thanh/đùn 6061-T6 (ASTM B221): độ bền cao, gia công tốt.
+ 6063-T5/T6: nhôm đùn kiến trúc, bề mặt anod đẹp.

Bài toán thiết kế: chọn Inox hay Nhôm?

– Ưu tiên Inox khi:
+ Môi trường clorua/ăn mòn khắc nghiệt → 316/316L cho ven biển, xử lý nước mặn.
+ Cần độ cứng vững cao với tiết diện mảnh (đỡ rung, võng).
+ Tiếp xúc thực phẩm/ dược (304/316), yêu cầu vệ sinh CIP/SIP.
+ Chịu nhiệt/ cháy, giữ cơ tính ở nhiệt cao.
– Ưu tiên Nhôm khi:
+ Giới hạn khối lượng nghiêm ngặt (kết cấu treo, di động, cơ cấu nâng).
+ Cần tản nhiệt (vỏ, phiến tản nhiệt).
+ Kết cấu kiến trúc yêu cầu bề mặt anod/ sơn nhẹ, thi công nhanh.
+ Khả năng gia công tốc độ cao, chi phí chế tạo thấp hơn cho khối lượng lớn.

Ứng dụng điển hình và gợi ý mác

– Ngoài trời nội đô (không mặn):
+ Inox 304 xước No.4/BA; Nhôm 6063 anod/sơn.
– Ven biển/ hồ nước mặn, bắn tóe muối:
+ Inox 316/316L, mối hàn thụ động hóa; Nhôm 5052/6061 với anod dày ≥20 µm + sơn, thiết kế tránh kẽ hở đọng muối.
– Khung máy, bệ đỡ chính xác:
+ Inox 304/316 khi yêu cầu cứng vững và ổn định; Nhôm 6061-T6 khi cần nhẹ, chấp nhận tăng chiều dày.
– Thực phẩm, đồ uống:
+ Bồn bể/đường ống: Inox 304/316; phụ kiện nhẹ/không tiếp xúc trực tiếp: Nhôm anod có thể dùng cho vỏ, máng dẫn khô.
– Cửa, mặt dựng kiến trúc:
+ Nhôm 6063-T5/T6 anod/sơn phổ biến; vị trí đặc biệt ăn mòn cao có thể cân nhắc Inox 316 cho phụ kiện, tay nắm, ốc vít.

Ví dụ so sánh cho kỹ sư thiết kế

– Tấm sàn thao tác yêu cầu độ võng giới hạn L/300, nhịp 600 mm:
+ Phương án Inox 304 dày 2.0 mm → thay bằng Nhôm 6061 dày ≈ 2.8 mm để đạt độ cứng tương đương. Trọng lượng giảm ~52%.
– Ống khung thiết bị Ø38 x 1.5 mm:
+ Nhôm giúp giảm tải đáng kể (0.49 vs 1.44 kg/m) nhưng cần kiểm tra ổn định uốn và mối nối (hàn/đinh tán).
– Phụ kiện ngoài trời ven biển:
+ Nếu dùng Nhôm, bắt buộc lớp anod/sơn và cách điện với vít Inox; nếu không, chọn Inox 316 để tối giản bảo trì.

Chi phí sở hữu trọn vòng đời

– Vật liệu: Đơn giá theo kg khác nhau theo mác/biến động thị trường; tính theo mét dài/m2 mới phản ánh đúng vì Nhôm nhẹ hơn.
– Chế tạo: Nhôm gia công nhanh, hàn cần kỹ thuật và máy phù hợp; Inox khó gia công hơn nhưng bề mặt hoàn thiện bền.
– Bảo trì: Inox 316 có thể chi phí đầu tư cao hơn nhưng bảo trì thấp ở môi trường mặn; Nhôm cần duy trì lớp phủ/anod và vệ sinh định kỳ để ngăn rỗ.

Lưu ý kỹ thuật quan trọng khi lắp ghép Inox – Nhôm

– Tránh cặp đôi điện hóa: dùng vòng đệm/ gioăng cách điện, sơn lót cách điện, dán băng keo butyl ở mặt tiếp xúc.
– Thoát nước, thông gió: loại bỏ kẽ hở đọng nước/muối.
– Chọn bulông: nếu buộc phải dùng bulông Inox trên chi tiết Nhôm, bảo vệ bề mặt Nhôm quanh lỗ bằng anod/ sơn và keo bịt kín.
– Xử lý mép cắt: Nhôm cần làm sạch bavia + phủ; Inox nên thụ động hóa sau gia công để tái tạo màng Cr2O3.

Kết luận: Chọn vật liệu theo ưu tiên kỹ thuật của bạn

– Nếu ưu tiên nhẹ, dễ gia công và tản nhiệt: chọn Nhôm (6061-T6 cho cơ tính, 5052-H32 cho chống ăn mòn tốt và hàn dễ). Tăng chiều dày ~1.4× để đạt độ cứng tương đương Inox, vẫn chỉ ~48% trọng lượng.
– Nếu ưu tiên cứng vững, vệ sinh và chống clorua mạnh: chọn Inox; 304 đủ dùng trong đô thị nội địa, 316/316L cho ven biển/nước mặn và hóa chất nhẹ.
– Cả hai đều chống oxy hóa nhờ màng oxit; nhưng trong muối/clorua, 316 vượt trội; Nhôm cần anod/ sơn và cách điện khi ghép với Inox.

Tóm lại: Nhôm thắng về trọng lượng và hiệu suất chế tạo; Inox thắng về cứng vững, bền ăn mòn khắc nghiệt và vệ sinh. Quyết định đúng đến từ môi trường làm việc, yêu cầu độ cứng/độ võng, phương pháp gia công và kế hoạch bảo trì. Khi còn băn khoăn giữa 304/316 và 5052/6061, hãy lấy bài toán môi trường và độ cứng làm điểm xuất phát, sau đó chốt theo khả năng gia công và chi phí vòng đời.