Forscher im Kampf gegen Korrosion

Spurensuche im Stahl

Eine Schmelzspinn-Anlage stellt Bänder aus „Stahlglas“ her. Die geschmolzene Stahlmischung läuft aus dem Behälter (rot) auf eine rotierende Metalltrommel. Die Schmelze kühlt beim Auftreffen schlagartig ab und schießt als Bänder in einen Sammelbehälter. Bild vergrößern
Eine Schmelzspinn-Anlage stellt Bänder aus „Stahlglas“ her. Die geschmolzene Stahlmischung läuft aus dem Behälter (rot) auf eine rotierende Metalltrommel. Die Schmelze kühlt beim Auftreffen schlagartig ab und schießt als Bänder in einen Sammelbehälter. [weniger]

Forschung ist so etwas wie eine detektivische Spurensuche. Und so begab sich Julia Klemm bei ihrer Arbeit auf die Suche nach den Spuren von Chrom und Molybdän im Stahl. Wie groß ist ihr jeweiliger Anteil und wie ist der Stahl mikroskopisch zusammengesetzt, lauteten die Fragen. „Normaler, kristalliner Stahl wird bei einem Anteil von etwa zwölf Prozent Chrom rostfrei“, sagt Klemm. Erstaunlicherweise genügen aber bereits vier bis fünf Prozent Chromanteil als Korrosionsschutz bei einer ganz besonderen Sorte Stahl. Dieser Stahl ist „amorph“. Das heißt, dass die Atome in ihm nicht zu einer gleichmäßigen, dreidimensionalen Kristallstruktur sortiert sind. Stattdessen bilden sie ein unregelmäßiges räumliches Netzwerk, wie es typisch ist für Gläser. Echte Gläser werden beim Erstarren der Schmelze so zähflüssig, dass die Atome auf dem Weg zum ordentlichen Kristallgitter schlicht stecken bleiben. Metallschmelzen sind dagegen so dünnflüssig, dass das normalerweise nicht passiert. Will man sie an der Kristallbildung hindern, muss man die Atome schockartig in ihrer Bewegung einfrieren.

Für die Herstellung metallischer Gläser gibt es am Düsseldorfer Institut eine spezielle Anlage. Die geschmolzene Stahlmischung befindet sich in einem Zylinder, der im Boden eine trichterförmige Öffnung hat. „Diese Schmelze ist ungefähr 1350 bis 1450 Grad Celsius heiß“, erklärt Jazmin Duarte, die ebenfalls in der Abteilung von Martin Stratmann promoviert. Unter dem Behälter rotiert sehr schnell eine große, gekühlte Metallwalze. Aus dem geöffneten Zylinder läuft ein dünner Strahl der Schmelze auf sie. Sobald er auf der Walze auftrifft, kühlt der flüssige Stahl schlagartig ab und erstarrt praktisch sofort. Als silbrige Bänder schießt er von der rotierenden Walze nach der Seite weg und landet in einen Auffangbehälter.

Diese Bänder schimmern wie ein normales Metall, sind aber „Stahlgläser“. Metallische Gläser sind sehr hart, aber teuer. Deshalb werden sie nur selten technisch eingesetzt, zum Beispiel für die Köpfe edler Golfschläger. Die Düsseldorfer sind aber an einer anderen Eigenschaft interessiert. Wie ein erstarrter Teig ist der amorphe Stahl eine ganz gleichförmige Masse ohne kleine kristalline Körner. Alle beigemischten chemischen Elemente sind schön verteilt, wie Linsen und andere Zutaten in einer erstarrten Suppe. Das gilt auch für die beiden hier besonders wichtigen Elemente, Chrom und Molybdän. Spezielle Angriffspunkte für die Korrosion, etwa durch Ritzen zwischen Kristalliten, fehlen.

„Es ist also ein ideales Modellsystem“, erklärt Duarte. An dem Glas kann das Team untersuchen, wie die Korrosion in einer ganz gleichförmigen Stahlmasse ablaufen würde. Von dort tasteten sich die Forscherinnen mit abgeänderten Proben in drei weiteren Schritten an einen kristallinen Stahl heran, der stellvertretend für den Normalfall ist. In jedem Schritt konnten sie beobachten, wie der immer stärker werdende kristalline Charakter die Korrosion beeinflusst. Sie erhitzten dazu einen Teil ihrer amorphen Proben eine Weile auf 620 Grad Celsius, weitere Proben auf 650 Grad und einige schließlich auf 800 Grad Celsius.

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