Oxidation, innere

Metallurgy
Oxidation eines Gefügebestandteils durch eindringenden oder eindiffundierenden Sauerstoff aus der Luft oder aus sauerstoffabspaltenden Verbindungen, zum Beispiel Oxiden, Wasserdampf, Kohlendioxid oder Schwefeldioxid.

Die Gefügeveränderung an Gussteilen aus Gusseisen mit Lamellengraphit treten besonders bei thermischer Wechselbeanspruchung der Gussteile deutlich auf.

Das im perlitischen Gusseisen mit Lamellengraphit enthaltene Silizium wird innerhalb der ferritischen Perlitphase als Silicoferrit und als bereits gebildete Silikate eingelagert. Silikate entstehen durch äußere Oxydationen bei Flüssigeisenumschüttvorgängen in oxydierender Atmosphäre, bei Impfvorgängen und nach Abnahme des Sauerstoffpartialdruckes beim Erstarren. Hierbei werden insbesondere Kieselsäure (SiO2) und Eisensilikat (Fe2SiO4) gebildet.

Unter Wirkung thermischer Einflüsse in Nähe der eutektoiden Umwandlungstemperatur (723 °C) beginnen die als „Wachsen oder innere Oxydation“ gekennzeichneten inneren Vorgänge im Gusseisen. Hierbei treten chemisch-physikalische Veränderungen sowohl innerhalb der perlitischen Phase als auch im Umfeld der Graphitlamellen auf.

Im ersten Stadium der inneren Oxydation werden die Zementitlamellen der Perlitphase angegriffen. Durch stetige Zunahme der Kohlenstofflöslichkeit im Eisen werden Teile aus den Zementitlamellen herausgetrennt und zum Teil anderswo wieder ausgeschieden, hierbei kommt es zuerst zur Verkürzung der Zementitlamellen und im Endstadium zur Koagulation des Zementits.

Ein weiteres Stadium kennzeichnet die thermische Oxydation von Silicoferrit zu Kieselsäure. Auf dem Diffusionsweg der Kieselsäure unter den bereits vorhandenen Silikaten kommt es zur Bildung von Silikatkomplexen. Diese diffundieren bis hin zu den Rändern der Graphitlamellen und bilden dabei Bänder, bestehend aus den Phasen Ferrit und Silikat (Bild 1). Das sich hierin befindliche Eisensilikat kennzeichnet diese Bänder durch seine dominante Schwarzfärbung.

Während anfänglich die so umhüllten Graphitlamellen noch stabil bleiben, kommt es bei anhaltender thermischer Belastung bis hin zur vollständigen Oxydation des Graphits (Bild  2). Als Sauerstofflieferant dienen hierbei überwiegend die komplexen Silikate. Neben der Verbrennung von Graphit kommt es außerdem zur Ferritoxydation unter Bildung von Eisenoxyden. Diese weisen ein deutlich größeres Volumen aus und führen neben anderen zum inneren Wachsen des Gusseisens bis hin zur Bildung von inneren Rissen durch die sich dabei aufbauenden Druckspannungen.

Die Zone innerer Oxidation wird auch Unterzunder genannt.

Bild 1: Bänder aus komplexen Silikaten und Ferrit entlang der noch nicht oxidierten Graphitlamellen, geätzt, (V = 1000 : 1).© Michael Franke, Franke Gießereitechnik
Bild 2: Innere Oxidation entlang der Graphitlamellen. Die Graphitlamellen sind von Bändern aus Silikaten und Ferrit umgeben, die auch Sauerstoffträger für die nachfolgende Graphitoxidation sind, ungeätzt, (V = 100 : 1).© Michael Franke, Franke Gießereitechnik

Taschenbuch der Gießerei-Praxis

Jährlich aktualisierte Ausgabe des Nachschlagewerks für das Gießereiwesen.