“Uw dierbare motor onder het stof? Niet bij ons!”
“Uw dierbare motor onder het stof? Niet bij ons!”

Roest is genadeloos

Roestplekken op je vrijwel nieuwe auto, dat is om razend van te worden. Als het daar nu maar bij bleef. Maar roest kan ook levensgevaarlijke situaties veroorzaken. En roest kost een lieve duit. Alleen al in Nederland miljarden per jaar. Is daar nou niets tegen te doen?

Bij de ruïne van de Quwwat-ul-Islam-moskee, een van de bezienswaardigheden in de Indiase hoofdstad New Delhi, staat een merkwaardige, ijzeren pilaar. Het zeven meter hoge en zes ton zware gevaarte is al zestien eeuwen oud. Een inscriptie uit de vierde eeuw van onze jaartelling vermeldt dat koning Chandra (vermoedelijk Chandra Gupta II, 375-413 na Chr.) de zuil liet oprichten na een overwinning op zijn vijanden.

Het volksgeloof wil dat je met je rug tegen de pilaar gaat staan. Wie de zuil met beide armen naar achteren kan omvatten, valt geluk ten deel. Geen wonder dus, dat de ijzeren pilaar elke dag bezoekers trekt! Maar tussen al die gelukzoekers zie je van tijd tot tijd ook geleerden. Iedere keer opnieuw verwonderen die zich over het blauwzwarte oppervlak van het gevaarte. Een wetenschappelijke bijzonderheid is namelijk dat de ijzeren pilaar niet roest.

Nog steeds zijn materiaaldeskundigen het er niet over eens hoe dit verschijnsel moet worden verklaard. Vroeger dacht men dat het gebrek aan roest kwam door de geringe luchtvochtigheid in Delhi. Maar dat is natuurlijk onzin, want anders zou daar geen enkel ijzeren voorwerp roesten. Bovendien regent het in Delhi tijdens de jaarlijkse moesson ook pijpenstelen. Een holte bovenin de pilaar komt dan vol te staan met water. Toch vind je ook daarin absoluut geen roest.

Zou het iets te maken kunnen hebben met de samenstelling van de pilaar? Tests wijzen uit dat het ijzer ervan bijzonder zuiver is. De pilaar bestaat voor 99,72 procent uit ijzer. De rest bestaat uit kleine spoortjes koolstof, silicium, fosfor, en nog een paar andere elementen. Hoe zestienhonderd jaar geleden ijzer in zo'n zuivere vorm kon worden gemaakt, is al op zich een raadsel.

Volgens Dilip M. Salwi, van de Science Reporter in New Delhi, is het niet zo dat de pilaar helemaal nooit is aangetast. Zijn oppervlak is namelijk bedekt door een minuscuul laagje ijzeroxyde. Maar dat bestaat uit zwart gehydrateerd magnetiet (Fe3O4-H2O) in plaats van de gebruikelijke, donkerbruine schilfers ijzer(III)oxyde Fe2O3-H2O).

"Eén theorie over het ontstaan van ijzerroest luidt dat zich eerst magnetiet vormt," rapporteert Salwi. "Daarop vormt zich dan ijzer(III)oxihydraat (FeO(OH)) en vervolgens het brokkelige, bruingekleurde ijzer(III)oxyde. Maar bij de pilaar eindigde het proces met de vorming van magnetiet. Kennelijk was de gevormde laag zo hard en afsluitend, dat hij de pilaar beschermde voor verdere corrosie. Wellicht heeft het raadsel iets te maken met de manier waarop de pilaar werd gesmeed? Vroeger werd bij ons het ijzer in lagen uitgehamerd. Vervolgens werden die lagen weer aan elkaar gesmeed. Door dat proces telkens te herhalen, zijn wellicht metaalslakken aan het oppervlak gekomen. Hebben die misschien een beschermende laag gevormd?

"Ook wordt gedacht aan de mogelijkheid dat de pilaar een soort coating kreeg. Volgens de inscriptie uit de vierde eeuw was hij de standaard van god Vishnu. Maar er is nog een tweede inscriptie uit de elfde eeuw, die meldt dat de zuil hiernaar toe werd verplaatst door koning Taur Anangpal II. Die wilde de wederopbouw van Delhi in 1052 ermee gedenken. Het is dus heel goed mogelijk dat de pilaar voortdurend onderworpen is geweest aan allerlei festivals en religieuze riten.

Zoals je wel vaker ziet in ons land, worden voorwerpen daarbij ingewreven met boter of plantaardige oliën. Die konden samen met stofdeeltjes die in het vet bleven plakken weleens een extra beschermend laagje hebben gevormd. In ieder geval blijven metallurgen zich suf piekeren. Want één ding is duidelijk: wie het raadsel van de ijzeren pilaar doorgrondt, heeft misschien óók een oplossing voor het wereldwijde roestprobleem in handen!"

Roest: hoeveel schade wordt daardoor niet aangericht? Volgens het Nederlands Corrosie Centrum in Rotterdam wordt voor de geïndustrialiseerde wereld rekening gehouden met 3 à 4 procent van de Bruto Nationaal Produkt per jaar. Voor een land als Nederland komt dat neer op een jaarlijks verlies van minstens vijf tot zeven miljard Euro (!). En dát zijn alleen nog maar de directe kosten, bestaande uit de vernietiging van kapitaal, gebruik van duurdere materialen en methoden om corrosie te voorkomen. De indirecte kosten - bijvoorbeeld wegens een doorgeroest vat of een machine die niet meer kan draaien - bedragen misschien nog wel het dubbele.

Roest is ook overal om ons heen. Zo krijgt iedere autobezitter vroeg of laat te maken met roest. Vooral in onze streken, waar 's winters pekel op de wegen wordt gestrooid. Roestvorming op de carroserie van een auto is nog maar een esthetisch probleem. Maar na verloop van tijd worden ook de dragende delen van het chassis aangetast. Dan duurt het niet lang meer totdat het voertuig wordt afgekeurd. Daarom blijven autofabrikanten speuren naar nieuwe en betere corrosiebeschermende maatregelen. ML-behandelingen, deklagen aanbrengen, galvaniseren met zink; bij sommige merken lukt dat beter dan de andere. Er zijn er nog steeds bij waarvan de verkoper van de concurrent zal opmerken dat zo'n auto al in de folder staat te roesten.

En dan is er de onzichtbare roest. Want ook gewapend beton, jarenlang synoniem met het begrip 'onverwoestbaar', blijkt door roest te worden aangetast. Wanneer niet-gecoat wapeningsstaal door poriën in het beton wordt blootgesteld aan vocht en lucht, treedt zelfs diep in dat beton corrosie op. Het volume van roest - ijzer, gebonden met zuurstof en water - bedraagt circa 2,3 maal dat van ijzer. Roest wapeningsstaal, dan wordt het beton dus naar buiten weggedrukt. Op den duur onstaan zo scheuren, waardoor de inwerking van buitenaf nog meer vrij spel krijgt. Soms treden daarbij buitengewoon gevaarlijke situaties op. Zo stortte op 20 mei 1980 een deel in van de congreshal in het voormalige West-Berlijn. Voornaamste oorzaak: het roesten van het wapeningsstaal.

Roest rust nooit

Roest, leren we op school, is geoxideerd ijzer: ijzer dat zich heeft verbonden met zuurstof. Als het zo simpel was, zou je roest effectief kunnen bestrijden door te zorgen dat er geen zuurstof bij het ijzer komt. Maar zo eenvoudig is het niet.

Staal (want daar praten we over, zuiver ijzer wordt nooit gebruikt) is geen homogene stof. Bij staalbereiding wordt schroot aan de 'smelt' toegevoegd. Vaak bestaat dat uit samengesperste autowrakken die aluminium en koper bevatten. Staal bevat dus ook andere metalen.

Tussen de kristallen van twee verschillende metalen heerst altijd een klein spanningsverschil, het zogenoemde potentiaalverschil. Zorgt een geleidende vloeistof, bijvoorbeeld zure regen, voor contact tussen de kristallen, dan ontstaat er een elektrisch stroompje. Het gevolg hiervan is dat het minst edele metaal in oplossing gaat. Loopt de stroom bijvoorbeeld tussen een ijzer- en een koperdeeltje, dan gaat het ijzer in oplossing. De opgeloste ijzerdeeltjes verbinden zich met zuurstof en er ontstaat roest, dat altijd water bevat. Dat laatste is funest, want zelfs één molecuul water in de corrosielaag is voldoende om het proces gaande te houden.

Roest overschilderen helpt niet. Onder de laklaag vreet roest gewoon verder. Omdat het volume van een corrosieproduct groter is dan het oorspronkelijke staal, zal de verflaag op den duur barsten. Door de barst kan water dringen, waardoor het proces weer wordt versneld. Om roest te bestrijden moet het metaal dus eerst zeer grondig worden ontroest.

In de praklijk gebeurt dat door het metaal te stralen. Daarna wordt er zo snel mogelijk een hechtende verflaag op aangebracht. Snelheid is geboden, omdat ijzerdeeltjes zich ook zonder water aan zuurstof binden.

Roest terug veranderen in staal is in theorie mogelijk door het geroeste voorwerp in een plasma te plaatsen. Een plasma ontstaat als een gas een zodanige temperatuur krijgt dat alle elektronen worden losgerukt van hun atomen. Onder invloedt van zo'n plasma komen de roestmoleculen in zo'n heftige beroering dat de binding tussen de ijzer- en zuurstofatomen wordt verbroken. Die zuurstof kan worden afgevoerd en er blijjft puur ijzer over. Althans in theorie, want in de praktijk blijkt het proces nog zo duur dat alleen kunstvoorwerpen zo worden behandeld. Een roestige spijker moet bijvoorbeeld zes uur lang onder een plasmadouche liggen om weer van staal te worden. Het in stand houden van een plasma vreet stroom en bovendien neemt de tijdsduur van de behandeling toe, naarmate de voorwerpen en de hoeveelheid roest groter worden. De autoindustrie vaart daar wel bij, want anders reed ieder van ons in een oldtimer rond. Om dit roesten van binnenuit van bruggen, parkeergarages en andere betonnen bouwsels tegen te gaan, wordt tegenwoordig steeds vaker gewerkt met kathodische bescherming. Daarbij wordt een zwakke gelijkstroom op het wapeningsstaal gezet. Benodigd is slechts een vermogen 10 watt per honderd vierkante meter. In afgelegen gebieden kan de noodzakelijke stroom dus ook ook met behulp van zonnepanelen worden opgewekt. Beton dat onder stroom is gezet, wordt immuun gemaakt tegen roesten van binnenuit.

Roestbestrijding door middel van elektrische stroom? Jazeker, want uit materiaalonderzoek blijkt dat roesten voornamelijk is terug te voeren tot een elektrochemisch proces. Elektrochemisch wil zeggen dat tijdens scheikundige processen elektronen worden uitgewisseld. Met andere woorden: dat daarbij stroompjes lopen.

Verantwoordelijk voor die elektrische stroompjes zijn het metaal zelf en de inwerking erop van lucht en water. Zelfs als een metaal niet nat aanvoelt, bevindt zich door de luchtvochtigheid nog altijd een uiterst dun laagje water op het oppervlak. Die vloeibare waterfilm is elektrisch geleidend. Vooral als daarin nog eens vuil of strooizout is opgelost. Ook het metaal zelf is niet puur en bevat insluitsels of verontreinigingen. Samen met de plaatselijke verschillen in de waterfilm zorgen die voor piepkleine potentiaalverschillen langs het oppervlak. Zo heeft elke staalconstructie zijn eigen 'galvanische elementen'. Die mini-batterijtjes blijken de grote boosdoeners te zijn.

Aan de negatieve pool van een mini-batterijtje lost namelijk ijzer op. Daar ontstaan ijzerionen. Aan de positieve pool splitst water zich in waterstof (dat als gas ontwijkt) en hydroxyde-ionen. De negatief geladen hydroxyde-ionen binden zich met de positief geladen ijzerionen tot ijzerhydroxyde. Dat is een roodbruin metaalzout, dat bij verdere blootstelling aan de zuurstof van de lucht overgaat tot donkerbruine schilfers ijzer(III)oxyde: roest. Het lijkt dus het ei van Colombus. Zet ijzer onder stroom, en het roesten stopt omdat de vorming van ijzerionen wordt verijdeld. Niet iedere staalconstructie hoeft echter permanent onder stroom worden gezet. Want kathodische bescherming ontstaat ook door het aanbrengen van een dun zinklaagje. Zink is namelijk 'onedeler' dan ijzer, zodat daarvan eerder elektronen zullen ontsnappen. In plaats van ijzer lost het zink op. Het eindprodukt van zinkcorrosie het 'zinkpatina') is echter hard en vormt ook een afsluitende laag. Zo valt het corrosieproces vrijwel stil.

Zelfs bij beschadigingen van de zinklaag tot op het staal roest dat nauwelijks. Zolang er nog wat zink in de buurt overblijft, blijft de elektrische stroom de goede kant op gaan. Toch vormt het verzinken van staal een nieuw probleem op zich. Want door de toename van verzinkt staal neemt de hoeveelheid 'schoon' staal af en dreigt daarvan zelfs een tekort te ontstaan. Voor het gieten van motorblokken van auto's hebben de producenten bijvoorbeeld zinkvrij staal nodig. Zink kan namelijk bellen vormen in het staal, waardoor zwakke plekken ontstaan. Oud roest, dat zink bevat kan, kan dus niet weer opnieuw worden gebruikt. Tenzij de staalfabrieken kostbare methoden toepassen om het zink weer van het staal te scheiden.

Stel dat je al het ijzer zou kunnen verzinken of met dekkende lagen van de lucht zou kunnen afsluiten? Ben je dan van roestvorming af? "Welnee," antwoorden daarop metaaldeskundigen, "want dan heb je altijd nog het probleem van bacteriën die het ijzer kunnen aantasten. Die vreten vanonder die deklagen of door het zink hun weg."

Bacteriën die ijzer eten? Het is nog maar een paar jaar geleden dat materiaaldeskundigen zich serieus buigen over deze vorm van biologische corrosie. Gregory Kobrin, een ingenieur bij duPont in Texas kreeg er bijvoorbeeld in 1985 mee te maken, toen opslagtanks om een onverklaarbare reden gingen lekken. "Dat waren volkomen nieuwe tanks," herinnert Kobrin zich. "En we wisten niet wat we ermee aan moesten. Totdat we ze met röntgenapparatuur doorlichtten en erachter kwamen dat er onder kleine putjes hele holten in het staal zaten. Daarin zaten hele kolonies staafvormige bacteriën. De bacteriën, inmiddels geïdentificeerd als soorten Rhodomicrobium en Citrobacter vormen slijmlaagjes, die ook weer gaan werken als de polen van een batterij. Zo lost het ijzer op, waarmee ze zich voeden. Sinds vorig jaar kennen ook geologen deze ijzeretende bacteriën. Zij achten ze verantwoordelijk voor hele fijne laagjes ijzerroest, die in sedimenten van vroegere zeeën zijn te vinden.

Nu is de mens de mens niet als zulke corroderende bacteriën niet zouden worden gebruikt. IJzer roest vanzelf. Maar er zijn inmiddels ook goudzoekende bacteriën gevonden. Hun zure slijm lost goud op. Dat slaan ze op in hun celwanden. De kleine goudbolletjes, die de goudzoekende avonturiers van de vorige eeuw uit water van beken en riviertjes in Alaska zeefden, zijn volgens de Amerikaanse geoloog John Waterson het produkt van zulke goudzoekende bacteriën. Hij ontdekte in Denver goudbolletjes met doorsneden van ongeveer 0,1 millimeter. Dat bleken met goud omhulde cellen van de bacterie Pedomicrobium manganicum te zijn. Na het afsterven van de bacteriën bleven de goudkapseltjes achter. Dezelfde bacterie wordt ook verantwoordelijk geacht voor het onstaan van de mysterieuze mangaanknollen. Die liggen verspreid op sommige plaatsen van de oceaanbodem.

Hoewel deze bovengenoemde ontdekkingen nog maar heel recent zijn, wordt er nu al driftig met goudetende, koperetende en zelfs uraniumetende bacteriën geëxperimenteerd. Ze kunnen namelijk prachtig worden ingezet bij de mijnbouw. In plaats van het erts te vermalen en uit te smelten, zet je dit soort bacteriën aan het werk. Zo zijn deze roestspoken in ieder geval nog ergens goed voor.

Bronnen:
Tekst: Kennislink.
Jack Harris: The expanding problem of rust; New Scientist, 15 januari 1987.
Janet Raloff: The Bugs of Rust; Science News, 20 juli 1985.
Friedrich Widdell e.a.: Ferrous iron oxidation by anoxygenic photothropic bacteria; Nature, 29 april 1993.
John Merson: Mining with microbes; New Scientist, 4 januari 1992.

Samenwerking OpslagBox Leeuwarden

Wij krijgen geregeld vragen omtrent de opslag van goederen. Omdat wij alleen opslagruimte voor oldtimers en motoren aanbieden, zijn wij hiervoor een samenwerking gestart met OpslagBox Leeuwarden. Wat OpslagBox Leeuwarden precies inhoudt, leest u hier.

Lees verder

Het belang van winterstalling

De meeste motorrijders rijden niet het hele jaar door en zetten de motor 's winters aan de kant, in een schuurtje, of onder een dekkleed. Maar ook als je wel altijd doorrijdt, is een goede stalling van je motorfiets erg belangrijk.

Lees verder

Roest is genadeloos

Roestplekken op je vrijwel nieuwe auto, dat is om razend van te worden. Als het daar nu maar bij bleef. Maar roest kan ook levensgevaarlijke situaties veroorzaken. En roest kost een lieve duit. Alleen al in Nederland miljarden per jaar. Is daar nou niets tegen te doen?

Lees verder