Wat maakt roestvrij staal roestvrij?

In 1913 ontdekte de Engelse metallurg Harry Brearley, die aan een project werkte om geweerlopen te verbeteren, per ongeluk dat het toevoegen van chroom aan koolstofarme staal geeft het vlekbestendig. Naast ijzer, koolstof en chroom kan modern roestvrij staal ook andere elementen bevatten, zoals nikkel, niobium, molybdeen en titanium.

Nikkel, molybdeen, niobium en chroom verhogen de corrosieweerstand van roestvrij staal. Het is de toevoeging van minimaal 12% chroom aan het staal waardoor het bestand is tegen roest, of minder 'vlekt' dan andere staalsoorten. Het chroom in het staal vormt samen met zuurstof in de atmosfeer een dunne, onzichtbare laag chroomhoudend oxide, de passieve film genoemd. De afmetingen van chroomatomen en hun oxiden zijn vergelijkbaar, dus ze pakken netjes samen op het oppervlak van het metaal en vormen een stabiele laag van slechts enkele atomen dik. Als het metaal wordt gesneden of bekrast en de passieve film wordt verstoord, zal er snel meer oxide worden gevormd en het blootgestelde oppervlak herstellen, waardoor het wordt beschermd door oxidatieve corrosie.

IJzer daarentegen roest snel omdat atomair ijzer veel kleiner is dan zijn oxide, dus het oxide vormt een losse in plaats van een dicht opeengepakte laag en schilfert af. De passieve film heeft zuurstof nodig om zichzelf te herstellen, dus roestvrij staal heeft een slechte corrosiebestendigheid in zuurstofarme en slecht circulerende omgevingen. In zeewater zullen chloriden uit het zout de passieve film sneller aantasten en vernietigen dan in een zuurstofarme omgeving kan worden hersteld.

De drie belangrijkste soorten roestvrij staal zijn austenitisch, ferritisch en martensitisch. Deze drie soorten staal worden geïdentificeerd door hun microstructuur of overheersende kristalfase.

• Austenitisch: Austenitische staalsoorten hebben austeniet als primaire fase (kubusvormig kristal op het oppervlak). Dit zijn legeringen die chroom en nikkel bevatten (soms mangaan en stikstof), gestructureerd rond de type 302-samenstelling van ijzer, 18% chroom en 8% nikkel. Austenitisch staal zijn niet hardbaar door warmtebehandeling. Het meest bekende roestvrij staal is waarschijnlijk Type 304, soms T304 of gewoon 304 genoemd. Type 304 chirurgisch roestvrij staal is austenitisch staal met 18-20% chroom en 8-10% nikkel.
• Ferritisch:Ferritische staalsoorten hebben ferriet (lichaamsgericht kubisch kristal) als hoofdfase. Deze staalsoorten bevatten ijzer en chroom, gebaseerd op de Type 430-samenstelling van 17% chroom. Ferritisch staal is minder ductiel dan austenitisch staal en is niet hardbaar door warmtebehandeling.
• Martensitisch: De karakteristieke orthorhombische martensiet-microstructuur werd voor het eerst waargenomen door de Duitse microscopist Adolf Martens rond 1890. Martensitische staalsoorten zijn koolstofarme staalsoorten die zijn gebouwd rond de type 410-samenstelling van ijzer, 12% chroom en 0,12% koolstof. Ze kunnen worden getemperd en gehard. Martensiet geeft staal een grote hardheid, maar het vermindert ook de taaiheid en maakt het bros, dus weinig staal is volledig gehard.

Er zijn ook andere soorten roestvrij staal, zoals door neerslag gehard, duplex en gegoten roestvrij staal. Roestvrij staal kan in verschillende afwerkingen en texturen worden geproduceerd en kan over een breed spectrum aan kleuren worden getint.

Er bestaat enige discussie over de vraag of de corrosieweerstand van roestvrij staal kan worden verbeterd door middel van passivering. Passivering is in wezen het verwijderen van vrij ijzer van het oppervlak van het staal. Dit wordt gedaan door het staal onder te dompelen in een oxidatiemiddel, zoals salpeterzuur of citroenzuur zuur oplossing. Omdat de bovenste laag ijzer wordt verwijderd, vermindert passivering verkleuring van het oppervlak.

Hoewel passivering de dikte of effectiviteit van de passieve laag niet beïnvloedt, is het nuttig bij het produceren van een schoon oppervlak voor verdere behandeling, zoals plateren of schilderen. Aan de andere kant, als het oxidatiemiddel onvolledig uit het staal wordt verwijderd, zoals soms gebeurt in stukken met strakke verbindingen of hoeken, kan spleetcorrosie ontstaan. Uit het meeste onderzoek blijkt dat het verminderen van corrosie van deeltjes aan het oppervlak de gevoeligheid voor putcorrosie niet vermindert.