Nikkel speelt in roestvrij staal pas een rol als het gecombineerd wordt met chroom.
1. Nikkel als legeringselement in roestvrij staal
Nikkel is een uitstekend corrosiebestendig materiaal en een kritisch legeringselement in gelegeerd staal. Als austenietvormend element in staal moet nikkel een gehalte van 24% bereiken om een puur austenitische structuur te verkrijgen in koolstofarm nikkelstaal. Pas wanneer het nikkelgehalte 27% bereikt, verandert de corrosiebestendigheid van het staal in bepaalde media aanzienlijk. Daarom kan nikkel alleen geen roestvrij staal vormen. Wanneer nikkel en chroom echter naast elkaar bestaan in roestvrij staal, vertoont het nikkelhoudende roestvrij staal veel waardevolle eigenschappen.
Hieruit blijkt duidelijk dat nikkel als legeringselement in roestvrij staal de structuur van staal met een hoog chroomgehalte verandert en zo de corrosiebestendigheid en verwerkbaarheid van roestvrij staal verbetert.
2. Mangaan en stikstof als vervangers voor nikkel in chroom-nikkel roestvrij staal
Hoewel chroom-nikkel austenitisch staal veel voordelen heeft, hebben de afgelopen decennia een grootschalige ontwikkeling en toepassing gezien van nikkelgebaseerde hittebestendige legeringen en hittebestendige staalsoorten die minder dan 20% nikkel bevatten. Bovendien heeft de groeiende ontwikkeling van de chemische industrie de vraag naar roestvrij staal doen toenemen. De minerale reserves van nikkel zijn echter beperkt en geconcentreerd in een paar regio's, wat leidt tot een wereldwijd onevenwicht tussen vraag en aanbod. Bijgevolg is de wetenschap van het conserveren van nikkel en het vervangen ervan door andere elementen een focus geworden van onderzoek en productie, met name in landen met schaarse nikkelbronnen. In deze context worden mangaan en stikstof gebruikt om nikkel te vervangen in roestvrij staal en hittebestendig staal.
3. Mangaan heeft een soortgelijk effect op austeniet als nikkel
maar met enkele verschillen. Mangaan vormt specifiek geen austeniet; in plaats daarvan verlaagt het de kritische blussnelheid van staal, verhoogt het de stabiliteit van austeniet tijdens het afkoelen, remt het de ontleding van austeniet en helpt het de austenitische structuur bij kamertemperatuur te behouden. Mangaan heeft een minimaal effect op het verbeteren van de corrosiebestendigheid van staal. Bijvoorbeeld, het verhogen van het mangaangehalte in staal van 0 naar 10,4% verandert de corrosiebestendigheid in lucht of zure omgevingen niet significant. Dit komt omdat mangaan een verwaarloosbare impact heeft op het verhogen van het elektrodepotentiaal van vaste oplossingen op ijzerbasis, en het beschermende effect van de gevormde oxidefilm is ook vrij laag. Bijgevolg, hoewel austenitische staalsoorten gelegeerd met mangaan bestaan in de industrie (zoals 40Mn18Cr4, 50Mn18Cr4WN, ZGMn13 staal, enz.), worden ze niet gebruikt als roestvrij staal.
De rol van mangaan bij het stabiliseren van austeniet in staal is ongeveer de helft van die van nikkel. Ter vergelijking: 2% stikstof kan austeniet ook stabiliseren in staal, en het effect ervan is zelfs groter dan dat van nikkel. Om bijvoorbeeld een austenitische structuur te verkrijgen bij kamertemperatuur in staal dat 18% chroom bevat, wordt nu in de industrie gebruikgemaakt van roestvast staal met een laag nikkelgehalte waarbij mangaan en stikstof nikkel vervangen, en chroom-mangaan-stikstof roestvast staal met nikkel. In sommige gevallen hebben deze alternatieven met succes het klassieke 18-8 chroom-nikkel roestvast staal vervangen.
