Rollen af nikkel i rustfrit stål spilles først, efter at det er kombineret med krom.
1. Nikkel som legeringselement i rustfrit stål
Nikkel er et fremragende korrosionsbestandigt materiale og et kritisk legeringselement i legeret stål. Som et austenitdannende element i stål skal nikkel nå et indhold på 24% for at opnå en rent austenitisk struktur i lavkulstof nikkelstål. Det er først, når nikkelindholdet når 27 %, at stålets modstandsdygtighed over for korrosion i visse medier ændres markant. Derfor kan nikkel alene ikke udgøre rustfrit stål. Men når nikkel og krom eksisterer side om side i rustfrit stål, udviser det nikkelholdige rustfrie stål mange værdifulde egenskaber.
Heraf er det klart, at nikkels rolle som legeringselement i rustfrit stål er at ændre strukturen af højkromstål og derved forbedre rustfrit ståls korrosionsbestandighed og bearbejdelighed.
2. Mangan og nitrogen som erstatning for nikkel i krom-nikkel rustfrit stål
Selvom chrom-nikkel austenitisk stål har mange fordele, har de seneste årtier set en storstilet udvikling og anvendelse af nikkelbaserede varmebestandige legeringer og varmestyrkestål, der indeholder mindre end 20 % nikkel. Derudover har den voksende udvikling af den kemiske industri øget efterspørgslen efter rustfrit stål. Imidlertid er nikkels mineralreserver begrænsede og koncentreret i nogle få regioner, hvilket fører til en global udbuds-efterspørgselsubalance. Derfor er videnskaben om at bevare nikkel og erstatte det med andre elementer blevet et fokus for forskning og produktion, især i lande med knappe nikkelressourcer. Mangan og nitrogen bruges i denne sammenhæng til at erstatte nikkel i rustfrit stål og varmebestandigt stål.
3. Mangan har en lignende effekt på austenit som nikkel
men med nogle forskelle. Specifikt danner mangan ikke austenit; i stedet reducerer det stålets kritiske bratkølingshastighed, øger austenitstabiliteten under afkøling, hæmmer austenitnedbrydning og hjælper med at opretholde austenitisk struktur ved stuetemperatur. Mangan har en minimal effekt på at forbedre stålets korrosionsbestandighed. Hvis f.eks. manganindholdet i stål øges fra 0 til 10,4 %, ændrer det ikke væsentligt dets korrosionsbestandighed i luft eller sure miljøer. Dette skyldes, at mangan har en ubetydelig indvirkning på at hæve elektrodepotentialet i jernbaserede faste opløsninger, og den beskyttende effekt af den dannede oxidfilm er også ret lav. Selv om der findes austenitiske stål legeret med mangan i industrien (såsom 40Mn18Cr4, 50Mn18Cr4WN, ZGMn13 stål osv.), bruges de derfor ikke som rustfrit stål.
Mangans rolle i stabilisering af austenit i stål er omkring halvdelen af nikkel. Til sammenligning kan 2 % nitrogen også stabilisere austenit i stål, og dets virkning er endnu større end nikkel. For at opnå en austenitisk struktur ved stuetemperatur i stål indeholdende 18 % krom, anvendes nu i industrien lav-nikkel rustfrit stål med mangan og nitrogen som erstatning for nikkel, samt krom-mangan-nitrogen rustfrit stål med nikkel . I nogle tilfælde har disse alternativer med succes erstattet det klassiske 18-8 chrom-nikkel rustfrit stål.
