Tại sao thép chrome (thép ổ lăn) dễ bị gỉ?

Nguyên nhân cơ bản khiến thép ổ lăn—đặc biệt là thép chrome hàm lượng carbon cao như thép 52100—dễ bị gỉ nằm ở thành phần hợp kim giàu carbon, giàu hợp kim của nó. Trong những vi cấu trúc nhất định, điều này tạo ra các bất đồng nhất điện hóa. Khi tiếp xúc với hơi ẩm và oxy từ môi trường, các yếu tố này kết hợp lại gây ra ăn mòn cục bộ và lan rộng rất nhanh.

I. Cơ chế ăn mòn vi cấu trúc và điện hóa

Thép chrome (như thép 52100 hoặc GCr15) chứa hàm lượng carbon và chromium cao. Sau khi xử lý nhiệt, nó tạo thành nền martensite với các carbide phân tán. Tuy nhiên, nếu quá trình luyện kim hoặc đúc liên tục không được kiểm soát tốt, vật liệu sẽ dễ xuất hiện các bất đồng nhất về cấu trúc như thiên tích, lỗ rỗng, tạp chất phi kim và phân bố carbide dạng dải.

• Hiệu ứng pin điện hóa: Những bất đồng nhất vi cấu trúc này tạo ra chênh lệch thế điện cực giữa các vùng khác nhau trên bề mặt vật liệu. Trong môi trường ẩm, những khu vực có thế thấp hơn (như vùng giàu carbon hoặc vùng ngay quanh các tạp chất) đóng vai trò anode, còn những khu vực có thế cao hơn đóng vai trò cathode. Điều này hình thành các pin điện hóa vi mô, làm tăng tốc quá trình hòa tan ở anode và khởi phát gỉ sét.
• Tác động của các pha thứ cấp: Trong thép ổ lăn truyền thống, sự hiện diện của các carbide eutectic lớn có thể phá vỡ tính liên tục của nền, làm giảm khả năng chống ăn mòn. Ngược lại, thép ổ lăn không gỉ hàm lượng nitơ cao cải thiện khả năng thụ động hóa bằng cách tinh chỉnh các pha thứ cấp (như nitride), cho thấy vi cấu trúc thô hoặc không đồng đều của thép chrome tiêu chuẩn khiến nó vốn đã dễ bị ăn mòn hơn.

II. Yếu tố môi trường và quá trình oxy hóa hóa học

Ngay cả khi cấu trúc bên trong hoàn toàn đồng nhất, thép 52100 vẫn là một hợp kim nền sắt có độ phản ứng cao, dễ phản ứng với môi trường xung quanh:

• Tác động cộng hưởng của nước và oxy: Sắt nguyên chất hoặc thép khá ổn định trong không khí khô. Tuy nhiên, khi có hơi ẩm và oxy trong không khí hòa tan vào đó, phản ứng oxy hóa điện hóa sẽ xảy ra trên bề mặt thép, tạo ra oxit sắt ngậm nước tơi xốp, rỗng (gỉ sét).
• Tính tự xúc tác của gỉ sét: Lớp gỉ tạo thành có thể nở ra tới tám lần thể tích ban đầu. Vì cấu trúc của nó rất xốp, nó không thể chặn oxy và hơi ẩm như màng thụ động oxit chromium đặc, bền trên thép không gỉ. Thay vào đó, nó hoạt động như một miếng bọt biển, hút thêm hơi ẩm và đẩy nhanh quá trình ăn mòn sâu hơn vào kim loại.
• Thẩm thấu của axit: Trong môi trường công nghiệp, ổ lăn thường xuyên tiếp xúc với các chất có tính axit hoặc kiềm, hoặc các sản phẩm phụ ăn mòn như aldehyde, ketone và axit carbonic sinh ra khi chất bôi trơn bị phân hủy. Những chất này phá hủy trạng thái bảo vệ của bề mặt kim loại, gây ra cả rỗ bề mặt lẫn ăn mòn diện rộng.

III. Quy trình sản xuất và tầm quan trọng của bảo vệ

Việc thép ổ lăn bị gỉ thường bị làm trầm trọng hơn bởi những thiếu sót trong quá trình sản xuất và biện pháp bảo vệ không đầy đủ:

• Độ sạch bề mặt và bảo quản: Trong quá trình sản xuất, vận chuyển và lưu kho, nếu dung dịch cắt gọt hoặc bụi mài còn lưu lại trên bề mặt ổ lăn, hoặc nếu các chi tiết được đặt trong môi trường độ ẩm cao mà không có dầu chống gỉ hiệu quả (như các loại dầu chuyên dụng gốc barium petroleum sulfonate), gỉ sét sẽ nhanh chóng hình thành.
• Thiếu màng thụ động: Khác với thép không gỉ, thép chrome tiêu chuẩn không thể tự tạo thành màng thụ động đặc, ổn định. Một khi lớp bảo vệ chống gỉ trên bề mặt (như màng dầu) bị suy giảm, nền thép trần sẽ bị phơi trực tiếp ra môi trường ăn mòn và bị oxy hóa nhanh chóng.