In 1913 bleken enkele geweerlopen op een schroothoop vrij te blijven van roest. Hoe kwam dat?
Roestvrij staal is zeer geschikt voor de keuken.
Bestek, koksmes, spoelbak, kraan, pedaalemmer: iedereen heeft een keuken vol roestvrij staal. Het is ook onmisbaar in ziekenhuizen, industrie, bouw, vervoer en infrastructuur. Maar wat is het eigenlijk? Wat houdt het roestvrij?
Eerst even staal an sich: dat is ijzer waaraan tijdens het smelten een klein beetje koolstof is toegevoegd. Dat maakt het metaal veel sterker. In Turkije zijn stalen voorwerpen gevonden uit de late Bronstijd, zo’n 1800 tot 1400 v.Chr. Waarschijnlijk is het staal bij toeval uitgevonden, doordat er per ongeluk houtskool in het gesmolten ijzer terechtkwam. Doelbewuste staalproductie begon rond 500 v.Chr., en massaproductie vanaf de 19de eeuw.
De uitvinding van roestvrij staal zou ook zo’n voorbeeld zijn van serendipiteit: dat je bij toeval iets waardevols ontdekt. Het verhaal leest als een jongensboek: Harry Brearley werd in 1871 straatarm geboren in Sheffield (VK), in een eenkamerflat met acht broers en zussen. Hij moest op zijn twaalfde van school om te gaan werken als flessenwasser in de fabriek waar zijn vader staalarbeider was. Daar klom Harry op tot metaalexpert. En daar zou hij in 1913 hebben ontdekt dat een bepaalde partij afgedankte geweerlopen op de schroothoop niet was gaan roesten. Die partij was gemaakt van staal dat was versterkt met chroom.
Vaststaat dat Brearly experimenteerde met verschillende verhoudingen van ijzer, koolstof en chroom, om geweerlopen slijtvaster te maken. En vaststaat ook dat het hem opviel dat zijn chroomlegeringen niet roestten. Maar rond diezelfde tijd verschenen er ook Duitse en Amerikaanse patenten op Nirosta (nichtrostend Stahl) en rustless steel. Uiteindelijk kwam de term stainless steel (‘vlekvrij staal’) wereldwijd als winnaar uit de strijd. Wellicht dankzij die fijne alliteratie – die overigens een vinding zou zijn van een schoolvriend van Harry Brearley.
Hoe dan ook, chroom is in dit verhaal het geheime ingrediënt. Roest is een verzamelnaam voor ijzerverbindingen die ontstaan wanneer ijzer reageert met zuurstof en water. Het resultaat is een bros geheel dat afbladdert en steeds opnieuw toegang creëert voor zuurstof en water. Zo vreet roest zich een weg naar binnen.
Tenzij er minimaal 10,5 procent chroom in het staal zit. Chroom reageert ook met zuurstof, maar dat noemen we niet roesten. Die term is voorbehouden aan ijzer. Bij chroom heet het simpelweg oxideren. Wanneer chroommoleculen aan de buitenkant van het staal oxideren, vormen ze samen een ultradun laagje chroomoxide, van 1 tot 5 nanometer dik. Dit laagje is niet bros, maar juist hard en ondoorlatend. Daarmee stopt het de verdere oxidatie – en voorkomt het dus ook roesten.
Dit heet ook wel ‘passiveren’: het dunne laagje chroomoxide zorgt ervoor dat het staal verder nergens meer mee reageert. Niet met zuurstof en water, maar ook niet met bijvoorbeeld zuren in je eten, met schoonmaakmiddelen of met industriële producten. Maar was er niet iets met kankerverwekkende chroomverbindingen in oude legerverf? Jawel, maar dat gaat om een andere verschijningsvorm van chroom. In die verven zit zogeheten zeswaardig chroom, waarbij elk chroomatoom als het ware zes elektronen tekortkomt. Zeswaardig chroom oxideert tot chroom(VI)oxiden. Een daarvan is chromaat, dat goed in water oplosbaar is en sterk reageert met organische stoffen, waaronder ons dna. Dat verklaart waarom het zo schadelijk is. In roestvrij staal zit daarentegen driewaardig chroom. Als dat oxideert, krijg je chroom(III)oxide, dat onoplosbaar en stabiel is en nergens mee reageert. Ideaal dus voor keukengerei, maar ook in de industrie.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
Source: NRC