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

Thép không gỉ (inox) là một trong những vật liệu thay đổi cục diện công nghiệp, từ dao kéo đến nhà máy hóa chất, từ kiến trúc đến xử lý nước. Hiểu lịch sử ra đời của thép không gỉ giúp kỹ sư và nhà thầu nắm cốt lõi: vì sao thêm Cr, Ni, Mo lại biến thép carbon thành vật liệu bền ăn mòn; các mác 304/316/430/410 xuất hiện thế nào; và công nghệ luyện kim đã hoàn thiện chúng ra sao. Đây là hướng dẫn hoàn chỉnh, độc lập, đi thẳng vào nguồn gốc, mốc thời gian và hệ quả kỹ thuật – một phần thiết yếu trong kiến thức nền tảng về thép không gỉ.

Vì sao thép “không gỉ”? Nguyên lý thụ động hóa của Cr

– Bản chất: Khi hàm lượng Cr trong thép ≥10,5% (thực tế thiết kế 12–18%), bề mặt tự hình thành màng oxit Cr2O3 mỏng (2–5 nm), liền lạc và tự tái tạo – gọi là lớp thụ động.
– Vai trò nguyên tố:
– Cr: hình thành lớp thụ động, nâng khả năng chống rỉ nền.
– Ni: ổn định tổ chức austenit (γ), tăng dẻo, dai, cải thiện khả năng hàn.
– Mo: tăng chống rỗ (pitting) và kẽ nứt ăn mòn trong môi trường Cl- (nước biển, hóa chất).
– N: tăng bền, chống rỗ, đặc biệt trong duplex/austenit cao hợp kim.
– C: cần kiểm soát thấp (L-grades) để tránh “nhạy cảm” (kết tủa Cr-carbide ở biên giới hạt gây ăn mòn tinh giới).
– Chỉ số gợi ý chọn vật liệu: PREN ≈ %Cr + 3,3×%Mo + 16×%N
– 430: ~17
– 304: ~18–19
– 316: ~24–25
– 2205 duplex: ~35+

Dòng thời gian: từ ý tưởng đến vật liệu chiến lược

1821 – Pierre Berthier: manh nha ý tưởng

– Nhà luyện kim Pháp ghi nhận hợp kim Fe–Cr chịu ăn mòn trong axit nitric tốt hơn thép thường. Chưa thể thương mại do công nghệ luyện Cr còn hạn chế.

1872 – Woods & Clark (Anh): bằng sáng chế hợp kim chịu axit

– Đề xuất hợp kim Cr cao (≈30%Cr) kháng axit. Thực tế khó luyện/đúc và giòn; vẫn chưa là “thép không gỉ” sử dụng rộng rãi.

1898–1905 – Goldschmidt và ferrochrome tinh khiết

– Quy trình nhiệt nhôm (aluminothermic) cho ferrochrome sạch hơn, mở khóa khả năng nấu luyện hợp kim Fe–Cr với tạp chất thấp – tiền đề cho thép không gỉ.

1904–1911 – Léon Guillet, Monnartz: khoa học nền tảng

– Léon Guillet (Pháp) hệ thống hóa tổ chức và thành phần Fe–Cr–Ni.
– Monnartz và cộng sự (Đức) chứng minh cần ngưỡng Cr ~12–13% để đạt tính thụ động chống rỉ bền vững.

1913 – Harry Brearley (Sheffield): “Rustless Steel”

– Nấu luyện hợp kim khoảng 12,8%Cr, C thấp–trung bình để làm nòng súng, nhận thấy bề mặt không rỉ trong điều kiện ẩm – mốc khai sinh thép không gỉ martensitic (nhóm 410/420).

1912–1919 – Từ 18/8 đến kiến trúc hiện đại

– Eduard Maurer và Benno Strauss (Krupp, Đức) phát triển austenit 18%Cr–8%Ni (tiền thân 304), nhanh chóng phổ biến trong dao kéo, hóa chất và ốp kiến trúc (đỉnh cao là các công trình thép không gỉ 1930s).

1920s–1930s – Chuẩn hóa các mác kinh điển

– W. H. Hatfield (Firth, Anh) tối ưu 18/8 (304), giới thiệu biến thể có Mo (316) để kháng Cl- tốt hơn.
– Các mác ổn định hóa bằng Ti/Nb (321/347) ra đời nhằm chống ăn mòn tinh giới sau hàn; phát triển phép thử Strauss (tiền thân ASTM A262).

1930s – Ferritic 430 và martensitic 420 thương mại hóa

– Ferritic 430 (≈16–17%Cr, không Ni) cho đồ gia dụng, trang trí khô; martensitic 420 cho dao kéo, dụng cụ chịu mài mòn.

1940s–1950s – Chiến tranh, PH và mác 201

– Thép hóa bền kết tủa (PH) như 17-4PH (≈1948) cung cấp tỷ số bền/trọng lượng cao cho hàng không, năng lượng.
– 201 (Cr–Mn–Ni thấp, có N) phát triển trong bối cảnh khan hiếm niken, trở thành lựa chọn tiết kiệm cho nội thất, dân dụng khô.

1960s–1980s – Bước nhảy công nghệ luyện

– AOD/VOD giúp khử C và tạp chất sâu, kiểm soát N, S, P; nền tảng cho chất lượng ổn định và hợp kim cao.
– Duplex hiện đại (ví dụ 2205) phục hồi mạnh nhờ bổ sung N; cân bằng bền – chống ăn mòn – hàn.
– Đúc liên tục, tinh luyện thứ cấp và bề mặt hoàn thiện lạnh (2B/BA/HL/No.4) đa dạng hóa ứng dụng.

1990s–nay – Siêu hợp kim và lan tỏa ứng dụng

– Austenit cao hợp kim (904L), siêu duplex (2507), lean duplex (2101) tối ưu chi phí theo hiệu năng.
– Thép không gỉ phát triển nhanh ở châu Á, trong đó Việt Nam dùng rộng rãi 304/316/201/430 cho xây dựng, thực phẩm, nước sạch, y tế.

Gia đình thép không gỉ và mác tiêu biểu

– Austenit (phi từ tính, dễ hàn, dẻo):
– 304/304L: 18Cr–8Ni. Phổ biến nhất. Thiết bị thực phẩm, bồn, ống, kiến trúc. PREN ~18–19.
– 316/316L: 17Cr–10Ni–2Mo. Nước biển nhẹ, hóa chất, y tế. PREN ~24–25.
– 201: 16–17Cr, Ni thấp, Mn/N cao. Nội thất, trang trí khô; hạn chế trong môi trường Cl-.
– Ferrit (từ tính, Ni thấp, giá tốt):
– 430: 16–17Cr. Trang trí trong nhà, ốp tường, thiết bị bếp khô. Hạn chế hàn dày.
– Martensit (từ tính, tôi ram được, bền mài mòn):
– 410/420: 12–14Cr. Dao kéo, trục, khuôn chịu mài mòn; chống rỉ trung bình, cần bảo dưỡng.
– Duplex (50% ferrit–50% austenit, bền cao, chống rỗ tốt):
– 2205: 22Cr–5Ni–3Mo–N. Nước biển, bột giấy, dầu khí. PREN ~35.
– PH – Hóa bền kết tủa:
– 17-4PH: 17Cr–4Ni–Cu–Nb. Hàng không, bơm, trục yêu cầu bền cao và chống rỉ khá.

Công nghệ luyện – cán và tiêu chuẩn hóa

– Luyện/ tinh luyện:
– Lò điện hồ quang (EAF) + AOD/VOD để đạt C thấp (L-grades), kiểm soát N, Mo, Nb, Ti.
– Tẩy gỉ–thụ động hóa sau gia công/ hàn khôi phục lớp Cr2O3.
– Dạng và hoàn thiện bề mặt:
– Tấm/ cuộn: No.1 (nóng), 2B (lạnh mờ), BA (bóng ủ sáng), No.4/HL (xước), gương 8K.
– Ống hàn trang trí (A554), ống công nghiệp/áp lực (A312).
– Thanh, láp, dây (A276, A484).
– Tiêu chuẩn thông dụng:
– ASTM A240 (tấm/cuộn), A312 (ống hàn/đúc), A554 (ống trang trí), A276 (thanh), A270 (ống vệ sinh).
– JIS G4304/G4305 (tấm), G4303 (thanh), G3463 (ống chịu nhiệt).
– EN 10088 (hóa thành phần và sản phẩm).
– TCVN hiện hành chủ yếu hài hòa ASTM/JIS/EN trong thực tế giao dịch tại Việt Nam.

Hiểu lầm thường gặp và sự thật kỹ thuật

– “Thép không gỉ là không bao giờ rỉ”: Sai. Trong môi trường Cl- cao, khe kẽ, ô nhiễm Fe tự do, hoặc hàn không làm sạch, vẫn có thể rỗ/đỏ bề mặt.
– “Không hút nam châm mới là inox xịn”: Sai một phần. Austenit (304/316) nguyên bản hầu như không từ, nhưng sau cán nguội có thể hơi nhiễm từ. Ferrit/martensit hút nam châm là bình thường.
– “304 dùng được ở biển”: Có điều kiện. 304 chịu sương muối nhẹ trong nhà; ngoài trời ven biển nên ưu tiên 316/duplex, thiết kế thoát nước tốt, bảo trì định kỳ.
– “201 thay 304 mọi nơi”: Không. 201 chỉ phù hợp môi trường khô, ít Cl-, không khuyến nghị vùng biển/điện phân.

Lựa chọn mác theo môi trường điển hình ở Việt Nam

– Nội thất khô, điều hòa: 201/430/304; chi tiết hàn dày ưu tiên 304L.
– Bếp thương mại, chế biến thực phẩm: 304/304L; nước muối, nước mắm: 316L.
– Ngoài trời đô thị xa biển: 304; khu công nghiệp có SO2/Cl- nên cân nhắc 316.
– Ven biển (<5 km, phun sương mặn): 316L hoặc duplex 2205 cho cấu kiện ngoài trời. - Nước sạch/RO, bồn/đường ống: 304L; có Cl-/khử trùng Clo cao: 316L hoặc 2205 tùy nồng độ. - Dao, khuôn chịu mài mòn: 420/410 (tôi ram), bảo dưỡng bề mặt chống gỉ. - Kết cấu yêu cầu bền cao và chống rỗ tốt: Duplex 2205. Quy trình chọn nhanh: 1) Xác định mức Cl-, nhiệt độ, khe kẽ. 2) Ưu tiên PREN phù hợp mục tiêu tuổi thọ. 3) Chọn L-grade nếu có hàn dày/nhạy cảm ăn mòn tinh giới. 4) Thiết kế thoát nước – tránh bám muối – vệ sinh định kỳ.

10 mốc lịch sử then chốt (tóm tắt)

– 1821: Berthier – Fe–Cr kháng axit.
– 1872: Woods & Clark – bằng sáng chế hợp kim Cr cao.
– 1898: Goldschmidt – ferrochrome sạch.
– 1904–1911: Guillet/Monnartz – cơ sở khoa học Fe–Cr–Ni, ngưỡng Cr.
– 1913: Brearley – “rustless steel” martensitic.
– 1912–1919: 18/8 austenit, khởi đầu 304.
– 1920s–30s: Hatfield hoàn thiện 304, 316; ra đời 321/347; phổ cập 430/420.
– 1940s–50s: 17-4PH; mác 201 do khan Ni.
– 1960s–80s: AOD/VOD; duplex hiện đại (2205).
– 1990s–nay: siêu austenit/duplex; bùng nổ ứng dụng toàn cầu và tại Việt Nam.

Kết luận

Từ quan sát ban đầu về tác dụng của Cr đến những bước đột phá như 18/8, 316, duplex và công nghệ AOD/VOD, thép không gỉ đã phát triển thành một họ vật liệu cực kỳ linh hoạt. Bài học cốt lõi cho kỹ sư và nhà thầu:
– Lớp thụ động Cr2O3 là chìa khóa – hãy chọn thành phần hợp kim và hoàn thiện bề mặt để nuôi dưỡng lớp này.
– Dùng PREN và bối cảnh môi trường (Cl-, nhiệt, khe kẽ) để quyết định mác: 304 cho đa dụng, 316 cho biển/hóa chất nhẹ, duplex cho khắc nghiệt, 201/430 cho ứng dụng khô – tiết kiệm.
– Ưu tiên L-grades và làm sạch sau hàn để tránh ăn mòn tinh giới.
Nắm được lịch sử là nắm được logic vật liệu: biết vì sao 304/316 “ra đời” sẽ giúp bạn chọn đúng inox cho dự án, tối ưu chi phí mà vẫn bền vững theo thời gian.