Tại sao thép không gỉ lại không bị gỉ?
Thép không gỉ đã trở thành một vật liệu quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày, từ các dụng cụ nhà bếp đến các công trình kiến trúc hiện đại. Nhưng điều gì làm cho loại hợp kim sắt sáng bóng này không bị gỉ sét như thép thông thường?
Quá trình oxy hóa và rỉ sét
Rỉ sét là kết quả của phản ứng hóa học khi sắt tiếp xúc với oxy trong môi trường không khí hoặc nước. Quá trình này hình thành nên oxit sắt, làm kim loại dần bị ăn mòn, mất tính năng cơ học và mất thẩm mỹ. Ngay cả thép, một hợp kim của sắt với lượng carbon nhỏ, cũng không thoát khỏi nguy cơ này. Việc các công trình, xe cộ hay thiết bị bị rỉ sét khiến chúng mất độ bền và có thể trở nên nguy hiểm.
Tuy nhiên, thép không gỉ lại dường như miễn nhiễm với quá trình này. Cơ chế bảo vệ của thép không gỉ nằm ở thành phần hóa học của nó, đặc biệt là sự hiện diện của crôm. Theo giải thích của Tim Collins, một nhà khoa học vật liệu và tổng thư ký của tổ chức Worldstainless, crôm trong thép không gỉ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra một lớp oxit crôm (Cr2O3) "thụ động" trên bề mặt. Lớp này ngăn chặn sự tiếp xúc giữa oxy trong không khí hoặc nước với sắt, từ đó ngăn cản quá trình oxy hóa và hình thành rỉ sét.
Thép không gỉ khác biệt nhờ vào thành phần hóa học đặc biệt, chứa từ 62% đến 75% sắt, 1% carbon và hơn 10,5% crom. Ngoài ra, nó thường bao gồm một vài phần trăm niken, giúp tăng cường độ cứng và dễ dàng gia công.
Cấu tạo của thép không gỉ
Thép thông thường là sự kết hợp của khoảng 99% sắt và một lượng nhỏ carbon từ 0,2% đến 1%. Trong khi đó, thép không gỉ chứa ít sắt hơn, chỉ từ 62% đến 75%, và bao gồm hơn 10,5% crôm, ngoài ra còn có các nguyên tố khác như niken để gia tăng độ bền. Chính thành phần crôm giúp hình thành lớp bảo vệ, đồng thời làm cho thép không gỉ trở nên khác biệt.
Đặc biệt, lớp oxit crôm chỉ dày vài nanomet và không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng có thể tự phục hồi nếu bị tổn hại. Điều này khiến thép không gỉ trở thành một vật liệu lý tưởng cho các lĩnh vực đòi hỏi tính vệ sinh và an toàn cao, như sản xuất thực phẩm, thiết bị y tế và các ứng dụng trong môi trường ăn mòn.
Crom đóng vai trò then chốt trong khả năng chống gỉ của thép không gỉ. Khi tiếp xúc với oxy trong môi trường, crom phản ứng tạo ra một lớp oxit crom (Cr2O3) trên bề mặt kim loại. Lớp này rất mỏng, chỉ vài nanomet và vô hình với mắt thường.
Lịch sử phát minh thép không gỉ
Thép không gỉ được phát minh tình cờ vào năm 1912 bởi nhà luyện kim người Anh, Harry Brearley. Trong quá trình nghiên cứu để tạo ra hợp kim ngăn chặn sự ăn mòn cho nòng súng, ông đã tạo ra một loại hợp kim từ sắt, crôm, carbon và niken. Tuy nhiên, hợp kim này không phù hợp cho mục đích ban đầu và bị bỏ mặc bên ngoài trời. Vài tuần sau, Brearley phát hiện ra rằng hợp kim này vẫn giữ được độ sáng bóng mà không bị rỉ sét. Nhờ đó, ông đã phát triển và giới thiệu loại vật liệu này với thế giới vào năm 1915.
Hiện nay, thép không gỉ chiếm khoảng 4% tổng lượng thép tiêu thụ trên toàn cầu mỗi năm, tương đương gần 2 tỷ tấn. Dù vậy, chi phí sản xuất thép không gỉ cao hơn đáng kể so với thép thường, gấp từ ba đến năm lần. Điều này là do việc sản xuất thép không gỉ cần nhiều nguyên tố kim loại đặc biệt, như molypden để sử dụng trong môi trường dưới nước. Chính vì lý do này, thép thường vẫn được sử dụng phổ biến hơn, đặc biệt là trong các ứng dụng không cần tính chống rỉ sét cao hoặc khi có thể bảo vệ bằng lớp sơn hoặc lớp phủ.
Thép không gỉ được phát hiện tình cờ vào năm 1912 bởi nhà luyện kim người Anh Harry Brearley.
Ứng dụng và tiềm năng của thép không gỉ
Thép không gỉ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong sản xuất thực phẩm. Theo nhà khoa học thực phẩm Kantha Shelke từ Đại học Johns Hopkins, thép không gỉ có ưu điểm lớn về khả năng chống lại sự ăn mòn do axit thực phẩm và hóa chất tẩy rửa, một ưu điểm vượt trội so với nhôm và đồng. Bên cạnh đó, thép không gỉ không gây ô nhiễm hay làm bẩn thực phẩm, và với bề mặt không xốp, nó dễ dàng vệ sinh hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe về vệ sinh trong chế biến thực phẩm và y tế.
Nhờ những ưu điểm về độ bền, khả năng chống ăn mòn và tính an toàn, thép không gỉ đang ngày càng khẳng định vị thế quan trọng của mình trong các ngành công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, chi phí cao vẫn là một trở ngại lớn, khiến thép không gỉ chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực yêu cầu chất lượng và tính bền vững cao, như y tế, thực phẩm và hàng không vũ trụ.
Hiện nay, thép không gỉ chiếm khoảng 4% tổng lượng thép được sử dụng trên toàn cầu, tương đương gần 2 tỷ tấn mỗi năm. Mặc dù chi phí sản xuất cao hơn thép thông thường từ ba đến năm lần, nhưng những lợi ích mà nó mang lại là không thể phủ nhận.
Thép không gỉ không chỉ là một bước tiến lớn trong ngành luyện kim mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Khả năng chống ăn mòn đặc biệt của nó giúp kéo dài tuổi thọ của các công trình và thiết bị, đồng thời đảm bảo an toàn và vệ sinh cho con người.
