Intelligentes Blech

76 Meter lang – das steht so in den vorab gelesenen Unterlagen, das sagt und schreibt sich leicht. Doch in der Versuchshalle des DOC Dortmunder OberflächenCentrums wandert der Blick ungläubig an dem verschachtelten Trumm hin und her, folgt Rohrleitungen, irrt metallene Laufgänge entlang und verfranst sich schließlich zwischen Schaltkästen und Kabelbündeln.

Michael Steinhorst findet an alledem nichts Verwirrendes. Für den Geschäftsführer des DOC, einer Gründung des Unternehmens ThyssenKrupp Stahl AG, ist die in dieser Konfiguration einzigartige Pilotanlage ein offenes Buch. „Das Herz der Anlage ist die PVD-Station“, winkt der promovierte Ingenieur den Besucher zu einem halb mannshohen, langen Kasten in der Mitte des Leviathans. PVD steht für Physical Vapour Deposition – Abscheidung eines Materials, das zuvor verdampft wurde.

Was sich hier als nur wenige Hundert Nanometer starke Schicht auf einem verzinkten Stahlband abscheidet, ist das Metall Magnesium. In einem Tiegel wird es auf so hohe Temperaturen gebracht, dass es verdampft. Durch Schlitzdüsen gelenkt, schlägt sich der Magnesiumdampf auf dem 30 Zentimeter breiten Band nieder. Silbrig glänzend und scheinbar endlos läuft es mit 60 Metern pro Minute durch die Anlage.

Damit die Magnesium-Abscheidung wie gewünscht funktioniert, herrscht in der PVD-Station ein Vakuum. „Wir können einen Unterdruck bis zu 10–5 Millibar erzeugen“, sagt Steinhorst – nur ein Hundertmillionstel des Umgebungsluftdrucks. Dadurch wird sicher gestellt, dass der Metalldampf auf dem Weg zur Bandoberfläche nicht abgelenkt wird oder durch Luftsauerstoff oxidiert.

Moment mal, wundert sich der Besucher: Wie soll das gehen? Wie hält man ein Vakuum in einem Kasten aufrecht, der zwei Löcher hat? Am einen Ende der PVD-Station liegt schließlich der Einlass-Schlitz für das laufende Stahlband und am anderen Ende der Auslass-Schlitz. DOC-Chef Steinhorst grinst spitzbübisch und verrät: „An Ein- und Auslass gibt es Schleusen mit angeschlossenen Hochleistungspumpen, die kontinuierlich die Luftvolumina in den Spaltöffnungen absaugen.“

Nach drei Vierteln des Weges taucht das Stahlband ins Kellergeschoss ab. Durch gezielte Wärmebehandlung vermählt sich dort die Magnesiumschicht mit einem Teil der darunter liegenden Zinkschicht zu einer Legierung, die die Chemiker mit dem unscheinbaren Kürzel MgZn2 benennen.

Im Labortrakt des Nachbargebäudes offenbart das solchermaßen beschichtete Stahlblech seine speziellen Qualitäten. In einem standardisierten Test werden dort verschiedene Stahlproben 120 Stunden lang mit einem Nebel aus fünfprozentiger Kochsalzlösung besprüht – eine Simulation der Bedingungen auf winterlichen Straßen.

Ein handelsübliches Stahlblech mit 7,5 Mikrometer Zinkauflage ist nach dieser fünftägigen Tortur fast vollständig von Rost überzogen. Ein Blech mit einer bloß halb so dicken Beschichtung aus Magnesium-Zink trägt nur auf rund zwei Prozent seiner Fläche Rostspuren. Und ein Blech mit 7,5 Mikrometer starker Magnesium-Zink-Beschichtung übersteht die fünf Tage Salznebel buchstäblich glänzend – ohne den geringsten Rostbefall. Bei ihm dauert es zehnmal so lange wie bei verzinktem Blech, bis sich unter dem Mikroskop die ersten Rostspuren offenbaren.

„Wir leisten hier Vorarbeiten für unsere Partner in der Automobilindustrie, die von ThyssenKrupp Stahl mit Blechen beliefert werden“, erklärt Steinhorst. „Wenn Bleche im Automobilbau eingesetzt werden, die mit der neuartigen Legierung in derselben Stärke beschichtet sind wie bisher nur mit Zink, lässt sich der Aufwand für Schutzmaßnahmen, zum Beispiel Hohlraumversiegelungen, herunterschrauben.“

Aber an dieser Stelle bleiben die DOC-Entwickler nicht stehen: In einer weiteren Station ihrer Bandpilotanlage bringen sie eine dünne Haut aus Siliziumdioxid und eine Silizium-Verbindung mit dem Namen Silan auf das jetzt mehrfach beschichtete Stahlblech auf – als Haftvermittler für weitere organische Beschichtungen.

Ein anderes Projekt am DOC befasst sich mit der Entwicklung und Markteinführung von so genanntem vorgrundiertem und vorgefüllertem Karosserieblech. „Gemeinsam mit unseren Partnern aus der Lackindustrie arbeiten wir daran, wesentliche Umfänge der heutigen Automobil-Lackierung zum Stahlhersteller zu verlagern“, sagt Steinhorst.

Die „kathodische Tauchlackierung“ stellt den Korrosionsschutz für die Karosserie sicher, und der „Füller“ schützt besonders steinschlaggefährdete Bereiche am Fahrzeug – beide Lackschichten sollen künftig bereits im Stahlwerk auf das Band aufgebracht werden. Das ist besonders für die Hersteller von Karosseriemodulen von Interesse: Sie können dann hohe Investitionskosten für neue Lackieranlagen einsparen.

Das Problem Rost lässt sich beeindruckend in Zahlen fassen. In den Industrieländern entsteht durch Korrosion, woran das Rosten von Eisen beziehungsweise Stahl den Löwenanteil ausmacht, ein Schaden von rund vier Prozent des Brutto-Inlandsproduktes – von der zerbröselnden Angel des Gartentors bis zur Autobahnbrücke, die durch Lochfraß in der Stahlarmierung zum Sanierungsfall wird. Die deutsche Volkswirtschaft kostete das Rosten im vergangenen Jahr den horrenden Betrag von 85 Milliarden Euro. Das entspricht einem Drittel des gesamten Bundeshaushalts 2004 (255,6 Milliarden Euro).

Angesichts dieses enormen Schadens ist der Kampf gegen die Korrosion schon lange ein Thema für die Forschung. Die Voraussetzung ist, zu begreifen, was bei Korrosionsprozessen überhaupt abläuft. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf (MPIE) beobachten jetzt sogar auf atomarer Ebene, was passiert, wenn eine Stahloberfläche zu rosten beginnt.

„Jedes der Luft ausgesetzte Gebrauchs-metall ist oberflächlich von einer Metalloxidschicht bedeckt“, erklärt Michael Rohwerder, Leiter der MPIE-Arbeitsgruppe „Molekulare Strukturen und Oberflächenmodifikation“. Worin sich die Metalle jedoch grundlegend unterscheiden, ist die Dicke, die chemische Reaktivität und die elektrische Leitfähigkeit dieser Oxidschicht.

„Bei Aluminium beispielsweise sieht man keine fortschreitende Korrosion wie beim Rosten von Eisen“, erläutert der Physiker. „ Die Aluminiumoxid-Schicht auf der Oberfläche ist chemisch reaktionsträge und elektrisch nichtleitend – sie schützt das metallische Aluminium, das darunter liegt, vor dem Angriff des Luftsauerstoffs.“

Letztlich bestehe das Prinzip der atmosphärischen Korrosion ja in der Weiterleitung von Elektronen aus dem Metall auf Moleküle des Luftsauerstoffs: Letzterer wird reduziert, das Metall oxidiert. Wenn freilich dieser Elektronen-Transfer durch eine Isolatorschicht unterbunden wird – durch die nichtleitende Oxidschicht –, findet keine Korrosion statt.

Anders beim Eisen: Die Eisenoxidschicht an der Grenzfläche zum umgebenden Luftozean ist elektrisch leitend. Wenn sie Kontakt mit Sauerstoff hat, können Elektronen aus dem darunter liegenden Eisen zu den aggressiven Gasmolekülen fließen – die Korrosions-Maschinerie läuft ungebremst weiter. Außerdem ist die Schicht uneinheitlich gebaut und enthält Eisen in mehreren Oxidationsstufen.

„Das ist eine Mischung unterschiedlicher Oxide, die sich ständig verändert und dabei chemisch mit ihrer Umgebung reagiert“ , schildert Rohwerder. Akut gefährlich werde es immer dann, wenn Luftfeuchtigkeit auf der Eisen-Oberfläche kondensiert oder beispielsweise Regen auf sie fällt: „In der Natur gibt es kein chemisch reines Wasser – es enthält immer gelöste Gase aus der Umgebungsluft, häufig auch Salze, die als Ionen vorliegen.“

Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle – was zur Folge hat: Sie können den Ladungstransport zwischen Reaktionspartnern aufrechterhalten, sozusagen den Stromkreis schließen. So läuft ein Reaktionszyklus ab, bei dem Eisen-Atome Elektronen abgeben, als Eisen-Ionen vorübergehend in Lösung gehen und sich dann mit Wasser und Sauerstoff in einem ersten Schritt zu einer roten Verbindung mit der Summenformel FeO(OH) abscheiden – vulgo: Rost.

„Wir haben seit kurzem ein spezielles Rasterelektronen-Mikroskop im Institut, in das man während der Aufnahme Gase einlassen kann“, sagt Rohwerder. REM-Aufnahmen finden normalerweise im Hochvakuum statt, damit die bildgebenden Elektronen nicht durch Gasmoleküle vorzeitig gebremst werden. „ Nun kann man mit 1,5 Nanometer Auflösung zuschauen, wie winzige Rostinseln wachsen“, schwärmt der Physiker.

Diesem Zerstörungsprozess schaut die Wissenschaft schon lange nicht mehr wehrlos zu. Um Eisen beziehungsweise Stahl vor dem Angriff von Luftsauerstoff zu schützen, haben sich Forscher und Techniker vergangener Jahrzehnte einiges einfallen lassen. Einer der am häufigsten beschrittenen Wege ist, das Eisen mit einer Schutzschicht zu überziehen, die es vor der aggressiven Umgebung abschirmt. Das können Lacke, Farben oder Edelmetalle sein, aber auch unedlere Metalle als Eisen. Das Musterbeispiel: Zink.

„Unedler“ heißt: Zink hat eine viel stärkere Neigung als Eisen, in Gegenwart von Luftsauerstoff und Wasser in Form von Zink-Ionen in Lösung zu gehen und schließlich eine Verbindung mit Sauerstoff einzugehen – zu oxidieren. Eine Zinkschicht, die eine Eisenfläche bedeckt, „opfert“ sich und korrodiert anstelle des darunter liegenden Eisens durch Luft- und Wasserkontakt oberflächlich zu Zinkoxid.

Danach kommt der zweite große Vorteil der Zink-Schutzschicht zum Tragen: Während Eisenrost instabil ist und den Luftsauerstoff nicht hindert, am darunter liegenden Eisen sein Zerstörungswerk fortzusetzen, ist das bei Zink anders – es bildet bei Luftkontakt eine dicke, stabile und isolierende Schicht aus. Seit Jahrzehnten ist mit einer 7,5 Mikrometer starken Zinkschicht überzogenes Stahlblech einer der Standardwerkstoffe für die metallverarbeitende Industrie.

Doch das Bessere ist immer des Guten Feind. Eine der attraktivsten aktuellen Entwicklungen ist das, was just am DOC Dortmunder OberflächenCentrum auf den Weg zur Praxistauglichkeit gebracht wird: die zusätzliche Beschichtung eines verzinkten Blechs mit Magnesium. Was in der Dortmunder Vakuum-Pilotanlage zur großtechnischen Einsatzfähigkeit heranreift, wird seit etwa fünf Jahren in den Labors des Düsseldorfer Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) von den physiko-chemischen Grundlagen her untersucht.

„Beim Aufdampfen von Magnesium auf eine Probe von verzinktem Blech wandern Magnesium-Atome in die Zink-Schicht ein“, erläutert Institutsleiter Martin Stratmann. Nach einem Erwärmungsschritt entsteht die „intermetallische Verbindung“ MgZn2 – eine geschlossene, dünne Haut aus Magnesium-Zink-Legierung auf dem verbliebenen Zink. „An dieser Legierung haben wir erstmals gesehen, dass sich die auf ihr gebildete Oxidschicht im Wesentlichen wie Magnesiumoxid verhält, das Metall jedoch – in punkto Korrosion – wie Zink.“

Diese speziellen Verhältnisse sind besonders bei vorlackiertem Stahl für die Automobilindustrie von Vorteil. Ausgehend von winzigen Defekten in der Beschichtung oder an der Grenzfläche, wie sie zwangsläufig beim Biegen und anderen Umformprozessen im Karosseriebau vorkommen, kann es zur gefürchteten „kathodischen Delamination“ kommen: So nennen die Fachleute einen rasch fortschreitenden, flächigen Fraß in der Zink-Schicht, der zur Ablösung großer Lack-Partien führt. Beschichtet man aber das Blech unter seiner Polymer-Haut mit der neuen Magnesium-Zink-Legierung, ist es dagegen gefeit.

Der Grund: Hier findet praktisch kein Elektronen-Transfer zum stets präsenten Luftsauerstoff in dem umgebenden Lack statt. „Die Grenzfläche zwischen Metall und Polymerschicht ist aufgrund der elektrochemischen Bedingungen enorm stabil“, erläutert Stratmann: Die Delamination bleibt aus.

Wie dick die veredelnde Schicht auf einem Blech sein soll, ist Gegenstand eines ständigen Interessenkonflikts: Je dicker sie ist, desto besser schützt sie – doch um so mehr Probleme hat der Verarbeiter beim Schweißen des Blechs. Gerade Zink neigt dazu, an der Schweißnaht blasige Kraterränder oder gar „Durchschusslöcher“ zu bilden. Minimiert man die Zinkschicht, wird man das Schweißproblem los – aber im Gegenzug wächst das Korrosionsrisiko. „Hier kann die Magnesium-Zink-Beschichtung ihr Potenzial ausspielen“, sagt MPIE-Chef Stratmann. Das – verglichen mit herkömmlichem Zink-Blech – nur halb so stark beschichtete Magnesium-Zink-Blech lässt sich deutlich besser schweißen als das Standardprodukt. Doch die Experten am MPIE haben ihre Ziele noch höher gesteckt. Einen innovativen Weg, vor allem Schweißnähte noch korrosionsfester zu machen, sehen die Forscher darin, die schützende Beschichtung des Blechs zusätzlich mit einem dünnen organischen Film aus Polymeren zu überziehen: „Beim Laserschweißen zerfallen diese Polymere zunächst und rekombinieren dann zu hoch vernetzten Schichten, die die Schweißnaht oberflächlich abdichten“, erklärt Stratmann.

An zukunftsweisenden Ideen herrscht bei den Düsseldorfern kein Mangel, und in Kooperation mit dem DOC Dortmunder OberflächenCentrum bildet man ein ideales Team für die Umsetzung in die Praxis. Doch bis eine Innovation wie die Magnesium-Zink-Beschichtung tatsächlich breite Anwendung findet, geht viel Zeit ins Land.

Martin Stratmann schätzt: Für eine so grundlegende Neuentwicklung wie die MgZn2-Beschichtung könne es von der Grundlagenforschung bis zum Produkt leicht zehn Jahre und mehr dauern. Auch die Einführungsphase beanspruche Zeit: „Für das bereits etablierte verzinkte Stahlblech sind die verschiedenen Verarbeitungsschritte extrem ausgeklügelt – hier ein neues Produkt einzuführen, erfordert viel Anpassungsarbeit und auch Investitionen.“

Diese Investitionen könnten jedoch das Tor zu einer neuen Stahlwelt aufstoßen, sagt der MPIE-Chef – Stichwort: funktionelle Oberflächen. „Die bessere Schweißbarkeit des Blechs ist mit Sicherheit ein großer Vorteil. Den Stahl besser vor Korrosion zu schützen, ist Vorteil Nummer zwei. Aber die Oberflächen könnten zusätzlich, durch weitere Aufdampfschritte, selbstreinigend werden oder durch eine künstliche Patina wie beim Kupfer eine neue, attraktive Ästhetik gewinnen“, meint Stratmann.

Beim Aluminium sei das nicht anders gewesen: Nicht die verbesserte Korrosionsfestigkeit habe den Durchbruch der „ Eloxierung“ gebracht, bei der das Metall mit einer oberflächlichen Patina aus Aluminiumoxid überzogen wird – die Kunden schätzten einfach den matten Glanz, durch den ein Gegenstand erst so richtig edel „nach Alu“ aussah.

Vielleicht, spekuliert der MPIE-Chef, wäre das ein Weg, Stahlwaren künftig zum Image von veritablen Luxus-Artikeln zu verhelfen. ■

Thorwald Ewe