Η σκουριά είναι μια διαρκής απειλή για τον σίδηρο, ο οποίος οξειδώνεται εύκολα τόσο στον αέρα όσο και στο νερό. Ακόμη και ο χάλυβας - ένα σκληρό κράμα σιδήρου με ίχνη άνθρακα - σκουριάζει εύκολα, πράγμα που σημαίνει ότι η οξείδωση καταστρέφει τον χάλυβα σε κτίρια, αυτοκίνητα και συσκευές.
Όμως, όπως υποδηλώνει το όνομά του, ο ανοξείδωτος χάλυβας δεν φαίνεται να σκουριάζει. Ποιο είναι λοιπόν το μυστικό του;
Με απλά λόγια, η χημεία του ανοξείδωτου χάλυβα εμποδίζει το οξυγόνο στον αέρα και το περιβάλλον να φτάσει στο σίδηρο του χάλυβα, αποτρέποντας την επιβλαβή αντίδραση οξείδωσης.
Ο κανονικός χάλυβας σκουριάζει όταν ο σίδηρος αντιδρά χημικά με το οξυγόνο για να σχηματίσει οξείδιο του σιδήρου. Αν και η σκουριά γενικά δεν είναι επιβλαβής για τον άνθρωπο, μπορεί να διαβρώσει τον σίδηρο και να τον κάνει επικίνδυνο και άσχημο.
Ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι κράμα σιδήρου–άνθρακα–χρωμίου με ελάχιστη περιεκτικότητα σε χρώμιο 10,5% κ.β. Το χρώμιο δημιουργεί ένα μικροσκοπικό στρώμα (10–100 nm) τριοξειδίου του χρωμίου (Cr2O3), το οποίο προστατεύει το μεταλλικό υπόστρωμα από την οξείδωση και την διάβρωση. Εκτός από χρώμιο, οι ανοξείδωτοι χάλυβες μπορεί να περιέχουν και άλλα κραματικά στοιχεία, όπως νικέλιο, μολυβδαίνιο, μαγγάνιο, κ.λπ.
Το χρώμιο είναι το κλειδί για την αντοχή στη σκουριά του ανοξείδωτου χάλυβα, είπε στο Live Science ο επιστήμονας υλικών Tim Collins , γενικός γραμματέας της Worldstainless, ενός μη κερδοσκοπικού οργανισμού που εδρεύει στο Βέλγιο και συμμαχεί με τον βιομηχανικό όμιλο World Steel Association.
Το χρώμιο αντιδρά με το οξυγόνο στο περιβάλλον - συνήθως στον αέρα, αλλά και υποβρύχια - για να δημιουργήσει ένα «παθητικό στρώμα» οξειδίου του χρωμίου (Cr2O3) στην επιφάνεια του μετάλλου. Αυτό το στρώμα εμποδίζει το οξυγόνο να φτάσει στο σίδηρο στον χάλυβα για να δημιουργήσει σκουριά, εξήγησε ο Collins.
Τυχαία ανακάλυψη
Ο πρώτος που ανακάλυψε ότι το χρώμιο προσδίδει στον χάλυβα αντοχή στην διάβρωση ήταν ο Γάλλος Pierre Berthier το έτος 1821. Αλλά εκείνη την εποχή, οι χάλυβες είχαν υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα με αποτέλεσμα ο ανοξείδωτος χάλυβας να είναι πολύ εύθραυστος.
Το 1872, οι βρετανοί Woods και Clark έλαβαν δίπλωμα ευρισιτεχνίας για κράμα σιδήρου με 30–35% χρώμιο και 1,5–2% βολφράμιο, που παρουσιάζει υψηλή αντοχή στην διάβρωση από οξέα. Ωστόσο, η δυσκολία παραγωγής χάλυβα με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα (< 0,15%) παρέμενε εμπόδιο στην ανάπτυξη των ανοξείδωτων χαλύβων.
Το εμπόδιο αυτό ξεπεράστηκε το 1893, όταν ο Γερμανός Hans Goldschmidt επινόησε την αλουμινοθερμική αποξείδωση του χάλυβα. Η ανακάλυψη του Goldschmidt επέτρεψε στις χαλυβουργίες να παράγουν στους μεταλλάκτες τους χάλυβα με υψηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο και πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα, και κατόπιν να αποξειδώνουν τον τηγμένο χάλυβα με την προσθήκη μεταλλικού αλουμινίου.
Στις αρχές του 20ού αι., Γάλλοι, Βρετανοί, Γερμανοί και Αμερικανοί ερευνητές παρασκεύασαν και μελέτησαν πολλά κράματα Fe-Cr-Ni που αντιστοιχούν στις σημερινές ποιότητες AISI-SAE 300 και AISI-SAE 400. Από το 1909, η γερμανική εταιρεία Krupp AG άρχισε να κατασκευάζει πλοία χρησιμοποιώντας χάλυβες που περιείχαν χρώμιο και νικέλιο.
Το 1913, ο Βρετανός μεταλλουργός Harry Brearley επινόησε στο Sheffield της Αγγλίας τους μαρτενσιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες και πρότεινε τη χρήση τους για την παραγωγή μαγειρικών σκευών. Ο Harry Brearley ονόμασε τους νέους χάλυβες «rustless», δηλ. «ασκούριαστους».
Λίγο καιρό μετά, τους έδωσε το όνομα «stainless», δηλ. «ακηλίδωτους» ή «άσπιλους». Γι′ αυτόν τον λόγο, ο Harry Brearley θεωρείται ο εφευρέτης του ανοξείδωτου χάλυβα.
Ο διάδοχος του Harry Brearley στο εργαστήριο Brown-Firth, ο W. H. Hatfield παρασκεύασε το 1924 τον ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα 18/8 (18% Cr, 8% Ni), που έκτοτε παραμένει ο πιο αντιπροσωπευτικός και ο πιο διαδεδομένος ανοξείδωτος χάλυβας.
Η επιστήμονας τροφίμων από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins Kantha Shelke είπε στο Live Science ότι ο ανοξείδωτος χάλυβας έχει πολλά πλεονεκτήματα έναντι των εναλλακτικών: είναι ανθεκτικός στη διάβρωση από τα οξέα των τροφίμων και τις χημικές ουσίες καθαρισμού - σε αντίθεση με το αλουμίνιο και τον χαλκό - και δεν μολύνει ή λερώνει τα τρόφιμα που αγγίζει.
Ακόμα και οι ανοξείδωτοι χάλυβες παθαίνουν διάβρωση. Μόνον που στην περίπτωση των ανοξείδωτων χαλύβων, η διάβρωση μπορεί να μην δημιουργεί την εμφανή σκουριά που παρατηρείται στην επιφάνεια των κοινών χαλύβων. Οπότε τα αποτελέσματα της διάβρωσης των ανοξείδωτων χαλύβων μπορεί να είναι ξαφνικά και με καταστρεπτικές συνέπειες. Η διάβρωση των ανοξείδωτων χαλύβων συμβαίνει κατά πολλούς τρόπους.