Corrosion resistance of low-nickel stainless steels

The above thesis is part of the study of corrosion phenomena that concern a specific class of materials, the stainless steels. It is proposed to examine how the chemical composition of different grades of the analysed materials might influence the resistance that they offer to the degradation problem. Therefore, the present work is focused on five stainless steel grades (AISI 441, AISI 201, AISI 202, AISI 444 and AISI 316) with different mechanical and chemical properties, to test the influence of these distinctions on the corrosion resistance through different kinds of corrosion tests. In order to choose which type of tests are the best suited to analyse a specific property of the samples, it was necessary a rigorous evaluation both from a corrosion resistance point of view and from Ni-release one, for the purpose of understanding which grade could be the best choice in specific working conditions. All the analysed samples were cut and prepared by the Mechanical Laboratories of Politecnico di Milano according to dimensional requirements indicated by the reference standards for each test. Using the EDS characterization test, it has been possible to characterize the elemental composition of materials that allows to determine the presence and distribution of elements in the analysed specimen. Using corrosion tests as potentiodynamic polarization, immersion tests with steps of chlorides in solution and accelerated corrosion tests such as crevice in a ferric chloride containing solution and in a simulate seawater solution and lastly atmospheric exposure tests in both industrial and marine environment, it has been investigated the influence of the chemical composition on pitting potential, critical chloride threshold and pitting initiation time of localized corrosion processes. Finally, the Ni-released tests have been conducted to evaluate the amount of nickel that is released from the stainless steels in the context of ensuring compliance with the safety legislations related to the human body contact. At the end of all these tests it has been possible to state that localized corrosion processes are mainly dependent from chemical composition of the stainless steels. Therefore, low-nickel stainless steels represent a promising alternative to traditional alloys, offering a balance between cost and performance, however they may not match the corrosion resistance of high-nickel counterparts in all environments, particularly in severe corrosive conditions, but advances in alloying techniques and surface treatments have enhanced their capabilities.

La seguente tesi tratta lo studio dei fenomeni di corrosione che riguardano una specifica classe di materiali, gli acciai inossidabili. Si propone di esaminare come la composizione chimica dei diversi materiali analizzati possa influenzare la resistenza che essi offrono al fenomeno della degradazione. Pertanto, il presente lavoro si concentra su cinque diversi tipi di acciai inossidabili (AISI 441, AISI 201, AISI 202, AISI 444 e AISI 316) con differenti proprietà meccaniche e chimiche. Per scegliere l’analisi adatta a valutare una specifica proprietà dei campioni, è stata necessaria una rigorosa valutazione sia dal punto di vista della resistenza alla corrosione che da quello del rilascio di Ni, allo scopo di comprendere quale acciaio inossidabile possa essere la scelta migliore in specifiche condizioni di lavoro. Tutti i campioni analizzati sono stati tagliati e preparati dai Laboratori Meccanici del Politecnico di Milano secondo i requisiti dimensionali indicati dalle norme di riferimento per ogni prova. Utilizzando il test di caratterizzazione EDS, è stato possibile identificare l’esatta composizione chimica dei materiali che consente di determinare la presenza e la distribuzione degli elementi nel campione analizzato. Invece, dalle analisi condotte tramite test di corrosione come la polarizzazione potenziodinamica, test di immersione con concentrazioni crescenti di cloruri in soluzione e test di corrosione accelerata come quello di crevice in una soluzione contenente cloruro ferrico e in una soluzione che simula le reali condizioni che si avrebbero in un ambiente con acqua di mare e infine test di esposizione atmosferica sia in ambiente industriale che marino, è stata studiata l'influenza della composizione chimica sul potenziale di pitting, sulla soglia critica di cloruri e sul tempo di inizio del fenomeno di pitting dei processi di corrosione localizzata. Infine, sono stati condotti test di rilascio di nichel per valutarne la quantità di rilascio dagli acciai inossidabili nel contesto del rispetto della conformità alle normative di sicurezza relative al contatto con il corpo umano. Alla fine di tutti questi test è stato possibile affermare che i processi di corrosione localizzata dipendono principalmente dalla composizione chimica degli acciai inossidabili. Infatti, gli acciai inossidabili a basso contenuto di nichel rappresentano un'alternativa promettente alle leghe tradizionali, offrendo un equilibrio tra costo e prestazioni, tuttavia potrebbero non eguagliare la resistenza alla corrosione delle controparti ad alto contenuto di nichel in tutti gli ambienti, in particolare in condizioni corrosive severe, nonostante ciò i progressi nelle tecniche di formazione di leghe e nei trattamenti superficiali ne hanno migliorato le loro capacità.