Acciaio inossidabile: perché lo chiamiamo inossidabile?

Acciai inossidabili moderni e loro usi

Ciò che oggi chiamiamo acciaio inossidabile è disponibile in quattro famiglie che si riferiscono generalmente alla loro struttura cristallina microscopica e alle loro diverse fasi metallurgiche:

Acciai austenitici: l'acciaio inossidabile in fase austenitica è composto da nichel e molibdeno come principali elementi di lega e ha una struttura cristallina cubica a facce centrate. L'aggiunta di nichel ne aumenta la resistenza alla corrosione e la duttilità, mentre il molibdeno migliora la resistenza alla corrosione in condizioni acide. I gradi comuni di acciaio inossidabile austenitico sono 304 e 316.
Usi comuni: questo tipo di acciaio inossidabile è considerato resistente al calore ed è comunemente utilizzato per produrre scambiatori di calore, caldaie e forni. Altre applicazioni comuni dell'acciaio inossidabile austenitico sono componenti aerospaziali, elettronica, parti di locomotive e serbatoi chimici. Anche gli acciai inossidabili della serie 200 appartengono alla famiglia degli austenitici, ma hanno il manganese come ulteriore elemento di lega.

 

Acciai martensitici: la famiglia degli acciai inossidabili in fase martensitica utilizza carbonio e cromo come principali elementi di lega. A concentrazioni di carbonio più elevate, il materiale ha una struttura cristallina tetragonale a corpo centrato; concentrazioni inferiori di carbonio formano una struttura cristallina centrata sul corpo. La martensite si forma quando l'austenite viene raffreddata rapidamente a temperatura ambiente. L'acciaio inossidabile martensitico è comunemente noto come serie 400 di acciaio inossidabile, come i gradi 410, 420 e 440.
Usi comuni: l'acciaio inossidabile martensitico è comunemente utilizzato in applicazioni in cui si desiderano durezza e durata, come posate, utensili, pale di turbine, elementi di fissaggio e ingranaggi.

 

Acciai ferritici: l'acciaio inossidabile con fase ferritica non è magnetico e ha una struttura cristallina cubica a corpo centrato. I suoi principali costituenti leganti sono il cromo, il ferro (da cui il nome ferritico) e una bassa concentrazione di carbonio. L'acciaio inossidabile ferritico è quindi più morbido, ma ha anche una maggiore duttilità e una migliore formabilità, ma non può essere trattato termicamente. Esempi di acciaio inossidabile ferritico sono altri gradi della serie 400, come 409, 430 e 446.
Usi comuni: gli acciai inossidabili ferritici sono una scelta comune per utensili da cucina, componenti automobilistici e macchinari industriali.

 

Acciai duplex: l'acciaio inossidabile duplex è una miscela di acciaio austenite e ferrite.
Usi comuni: gli acciai duplex sono spesso utilizzati nell'industria petrolifera e del gas, della carta e chimica.

Le origini dell'acciaio inossidabile: le basi nel 1800

La storia dell'acciaio inossidabile è piena di scandali, simile alla storia del mio scienziato preferito, Nikola Tesla e del suo rivale Thomas Edison. Come la loro storia elettrizzante (gioco di parole), l'acciaio inossidabile proveniva da diversi uomini che si prendevano il merito del lavoro di un altro uomo. Ci sono interi paesi che ancora oggi discutono su chi sia l'"inventore" dell'acciaio inossidabile.

Anche se alcuni sostengono che l’acciaio inossidabile fosse utilizzato dai fabbri nell’antica India, nello Sri Lanka, nella penisola arabica e in Cina prima della rivoluzione industriale, queste storie non sono state ben documentate. Quello che sappiamo è che agli inizi del 1800, gli scienziati di diversi paesi osservarono un fenomeno con leghe metalliche contenenti cromo e ferro: erano in grado di resistere alla corrosione acida.

Un metallurgista francese, Pierre Berthier, è considerato il primo a riconoscere nel 1821 che una lega di acciaio resistente alla corrosione poteva essere prodotta aggiungendo cromo al ferro. Sebbene i metallurgisti giungessero a questa conclusione, non conoscevano ancora l’importanza di limitare il contenuto di carbonio in quelle stesse leghe per prevenire la corrosione intergranulare e la frattura dovuta alla fragilità. Ma avevano iniziato bene, scoprendo come il cromo alterava le proprietà fisiche di una lega metallica.

In Inghilterra nel 1872, John Clark e John Woods depositarono il primo brevetto ufficiale per quello che oggi consideriamo l’acciaio inossidabile. Chiamarono il loro prodotto una lega resistente all'acqua ed era notevolmente simile alle leghe moderne, ma il materiale conteneva ancora troppo carbonio.

Il primo a riconoscere ufficialmente la questione del carbonio fu un ricercatore noto semplicemente come Brustlein nel 1875. La sua rivelazione scatenò diversi decenni di ricerca per sviluppare la miscela ottimale di metalli e un metodo di produzione per lo sviluppo di acciaio a basso tenore di carbonio. Anche se oggi disponiamo di processi moderni per la creazione di leghe metalliche, la scienza di allora era rudimentale. Trovare un modo per separare il cromo dal carbonio in cui si trovava naturalmente è stato l’ostacolo principale alla produzione di acciaio a basso tenore di carbonio a base di cromo.
Circa due decenni dopo l'epifania del basso tenore di carbonio di Brustlein, nel 1895 Hans Goldschmidt sviluppò il processo di reazione alluminotermica per produrre/raffinare il cromo per renderlo privo di carbonio. Questo fu il punto di svolta che permise lo sviluppo del moderno acciaio inossidabile. Di seguito è mostrata la reazione chimica per quello che è noto anche come metodo di riduzione dell'alluminio per la produzione di cromo metallico.

Cr₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Metodo di riduzione dell'alluminio per la produzione di cromo

È un processo in cui l'ossido di cromo (e qualsiasi impurità naturalmente presente in esso come silicio, zolfo o carbonio) e l'alluminio vengono aggiunti a un contenitore di acciaio rivestito con un legante organico, allumina o ossido di magnesio e calore. La miscela viene accesa con perossido di bario per creare una reazione esotermica, ovvero vi è un rilascio netto di energia (calore) quando vengono prodotti il ​​cromo e le scorie risultanti.

Oggi, questo processo è ancora utilizzato per produrre sia cromo “puro” che ossido di alluminio per varie applicazioni di post-lavorazione. Le concentrazioni dei costituenti per la reazione chimica possono essere modificate per produrre diversi livelli di purezza dei metalli risultanti.

Progressi dell'acciaio inossidabile nel 1900

I primi anni del 1900 portarono diverse scoperte importanti nello sviluppo della famiglia delle leghe di acciaio inossidabile:

– Nel 1904 Leon Guilet scoprì diverse serie 400, leghe di acciaio inossidabile ferro-cromo e fece ricerche sulla serie 300, leghe ferro-nichel-cromo, sebbene non si rendesse conto che i metalli erano resistenti alla corrosione.

– P. Monnartz e W. Brochure scoprirono che l'aggiunta di cromo alla lega metallica ne aumentava la resistenza alla corrosione e quantificarono la concentrazione minima di cromo nel 10,5%. Hanno anche lavorato sui dettagli e sulla ricerca della maggiore resistenza alla corrosione che deriva dall'aggiunta di molibdeno.

Perché lo chiamiamo acciaio inossidabile

Il successivo grande progresso si verificò nel 1913, quando si ritiene che Harry Brearley abbia scoperto ufficialmente l'acciaio inossidabile nel tentativo di creare acciaio resistente all'erosione. Ora, Harry Brearly è probabilmente la risposta corretta alla domanda banale su chi ha inventato l'acciaio inossidabile, ma la verità non è così semplice. Ha sperimentato l'aggiunta di cromo all'acciaio, ma il resto della sua storia è intriso di mito.

Alcuni dicono che Brearly abbia gettato la sua lega metallica sperimentale nella spazzatura, solo per tirarla fuori più tardi e rendersi conto che l'acciaio non si è macchiato né arrugginito. Altri sostengono che abbia dovuto incidere il suo campione con acido nitrico per esaminarlo al microscopio, ma ha scoperto che il metallo non arrugginiva se esposto all'acido nitrico e ad altri acidi o agenti riducenti. Harry vide il potenziale della sua lega per essere utilizzata per le lame dei coltelli, ma non era supportato dai suoi datori di lavoro e non riusciva a far sì che la lega resistesse alla ruggine o alle macchie per lunghi periodi di tempo.

Così, a passi da gigante, il suo amico Ernest Stuart, il quale scoprì che indurendo le lame dei coltelli ne migliorava la resistenza alla ruggine e alle macchie. Brearly voleva chiamare il materiale "acciaio inossidabile", ma Stuart lo chiamò "acciaio inossidabile" per la sua capacità di resistere alle macchie dopo essere stato esposto a una soluzione di aceto.

Inoltre, mentre Brearly rivendica la scoperta dell'acciaio inossidabile, altri sostengono di averlo scoperto prima di lui, tra cui:

Nel 1908, Kupp Iron Works sviluppò una lega di cromo-nichel per un'applicazione marina.

Nel 1911, Elwood Haynes creò un acciaio resistente alla corrosione per sostituire le sue lamette da barba arrugginite.

Da 1911-1914, Becket e Dantsizen crearono alcune leghe di acciaio ferritico.

Nel 1912, Max Mauermann affermò di aver creato l'acciaio inossidabile, ma probabilmente creò solo un metodo di produzione praticabile per l'acciaio inossidabile. Ha depositato un brevetto per il processo, ma all'epoca era contestato e non è stato riconosciuto come inventore dell'acciaio inossidabile fino a dopo la sua morte.

La ricca storia dell'acciaio inossidabile e lo sviluppo delle varie qualità del materiale è dovuta agli sforzi di numerosi scienziati, ricercatori, metallurgisti e ingegneri. Nel corso dell’ultimo secolo, inoltre, i tipi di acciaio inossidabile, i metodi di produzione e i metodi di riciclaggio sono migliorati. Ora possiamo sfruttare e monopolizzare completamente il fenomeno naturale dell’ossidazione dell’acciaio inossidabile.

Dai suoi inizi controversi al suo presente altamente sofisticato e metallurgicamente interessante, l'acciaio inossidabile è un metallo incredibilmente versatile e robusto, adatto anche ai progetti più complessi.