Il nichel svolge la sua funzione nell'acciaio inossidabile solo se combinato con il cromo.
1. Nichel come elemento di lega nell'acciaio inossidabile
Il nichel è un materiale eccellente resistente alla corrosione e un elemento di lega critico nell'acciaio legato. Come elemento che forma l'austenite nell'acciaio, il nichel deve raggiungere un contenuto del 24% per ottenere una struttura puramente austenitica nell'acciaio al nichel a basso tenore di carbonio. È solo quando il contenuto di nichel raggiunge il 27% che la resistenza dell'acciaio alla corrosione in determinati supporti cambia in modo significativo. Pertanto, il nichel da solo non può costituire l'acciaio inossidabile. Tuttavia, quando nichel e cromo coesistono nell'acciaio inossidabile, l'acciaio inossidabile contenente nichel esibisce molte proprietà preziose.
Da ciò si evince chiaramente che il ruolo del nichel come elemento di lega nell'acciaio inossidabile è quello di modificare la struttura dell'acciaio ad alto contenuto di cromo, migliorando così la resistenza alla corrosione e la lavorabilità dell'acciaio inossidabile.
2. Manganese e azoto come sostituti del nichel nell'acciaio inossidabile al cromo-nichel
Sebbene l'acciaio austenitico al cromo-nichel abbia molti vantaggi, negli ultimi decenni si è assistito a uno sviluppo e a un'applicazione su larga scala di leghe resistenti al calore a base di nichel e di acciai resistenti al calore contenenti meno del 20% di nichel. Inoltre, il crescente sviluppo dell'industria chimica ha aumentato la domanda di acciaio inossidabile. Tuttavia, le riserve minerali di nichel sono limitate e concentrate in poche regioni, il che determina uno squilibrio tra domanda e offerta a livello globale. Di conseguenza, la scienza della conservazione del nichel e della sua sostituzione con altri elementi è diventata un focus di ricerca e produzione, in particolare nei paesi con scarse risorse di nichel. In questo contesto, manganese e azoto vengono utilizzati per sostituire il nichel nell'acciaio inossidabile e nell'acciaio resistente al calore.
3. Il manganese ha un effetto simile sull'austenite come il nichel
ma con alcune distinzioni. In particolare, il manganese non forma austenite; invece, riduce la velocità critica di tempra dell'acciaio, aumenta la stabilità dell'austenite durante il raffreddamento, inibisce la decomposizione dell'austenite e aiuta a mantenere la struttura austenitica a temperatura ambiente. Il manganese ha un effetto minimo sul miglioramento della resistenza alla corrosione dell'acciaio. Ad esempio, aumentare il contenuto di manganese nell'acciaio da 0 al 10,4% non modifica significativamente la sua resistenza alla corrosione in aria o in ambienti acidi. Questo perché il manganese ha un impatto trascurabile sull'aumento del potenziale dell'elettrodo di soluzioni solide a base di ferro e anche l'effetto protettivo del film di ossido formato è piuttosto basso. Di conseguenza, sebbene esistano acciai austenitici legati al manganese nell'industria (come 40Mn18Cr4, 50Mn18Cr4WN, acciaio ZGMn13, ecc.), non vengono utilizzati come acciaio inossidabile.
Il ruolo del manganese nella stabilizzazione dell'austenite nell'acciaio è circa la metà di quello del nichel. In confronto, anche il 2% di azoto può stabilizzare l'austenite nell'acciaio e il suo effetto è persino maggiore di quello del nichel. Ad esempio, per ottenere una struttura austenitica a temperatura ambiente in acciaio contenente il 18% di cromo, ora nell'industria vengono utilizzati acciaio inossidabile a basso contenuto di nichel con manganese e azoto al posto del nichel, nonché acciaio inossidabile al cromo-manganese-azoto con nichel. In alcuni casi, queste alternative hanno sostituito con successo il classico acciaio inossidabile al cromo-nichel 18-8.
