Verzunderung

Wärmebehandlung

Bildung von Oxiden (Zunder) auf der Oberfläche von Metallen im festen Zustand als Folge einer Wärmeeinwirkung in oxidierender Atmosphäre.

Die Verzunderung beruht auf der Reaktion des metallischen Grundwerkstoffes mit dem Sauerstoff der Luft oder mit Sauerstoff abspaltenden Verbindungen, zum Beispiel Wasserdampf oder Kohlendioxid.

Die Werkstoffzerstörung durch Zundern verläuft bei unlegiertem Gusseisen im Allgemeinen langsamer als bei unlegiertem Stahl. Die Graphiteinlagerungen halten den Zunder fest, sodass er als Schutzschicht wirkt. Bei Gusseisenwerkstoffen beginnt das Zundern bereits bei 250 °C, das jedoch bis zu Temperaturen von circa 400 °C so unbedeutend ist, dass es vernachlässigt werden kann. Eine weitere Temperatursteigerung führt dann aber zu einer Vervielfachung der Zunderungsrate, die bei höheren Temperaturen sehr schnell ansteigen kann.

Die Zunderbeständigkeit von unlegiertem Gusseisen mit Kugelgraphit ist etwas höher als die von Gusseisen mit Lamellengraphit, weil hier entlang der Graphitlamellen ein zusätzlicher Oxidationsangriff erfolgt, der bei den Graphitkugeln mit ihrem vorteilhaften Volumen/ Oberflächenverhältnis nicht eintritt. So ist ein GJL-250 bei Temperaturen von 550 °C nach 32 Wochen etwa doppelt so stark verzundert wie unlegiertes Gusseisen mit Kugelgraphit. Dieser Unterschied wird allerdings mit steigender Temperatur geringer. Ferritsches Gusseisen mit Kugelgraphit hat bei Temperaturen um 500 °C eine etwas bessere Zunderbeständigkeit als perlitische Sorten, aber auch hier verschwindet der Unterschied mit steigenden Temperaturen.

Die Zunderbeständigkeit kann durch Legierungselemente verbessert werden. Zinn und besonders Silizium (Bild) üben einen günstigen Einfluss aus. Ein zunderbeständiges Gusseisen mit Kugelgraphit wird mit größer 4 % Silizium erreicht und kann bei Temperaturen bis zu 800 °C eingesetzt werden. Wird mit 5 % Silizium legiert, kann die Einsatztemperatur knapp 900 °C betragen, bei einem Siliziumgehalt von 6 % sind 950 °C möglich. Auch Chrom wird häufig als Legierungselement zur Verbesserung der Zunderbeständigkeit eingesetzt.

Wird die Temperatur der Ferrit-/Austenitumwandlung überschritten, treten Volumenänderungen auf, die Mikrorisse erzeugen können. Auch dadurch wird die Verzunderung stark beschleunigt.

Die Graphiteinlagerungen im grauen Gusseisen öffnen dem Luftsauerstoff und aggressiven Gasen einen Weg in das Werkstoffinnere. Dabei kann es zu „innerer Oxidation“ kommen: es entsteht so bezeichneter „Unterzunder“. Das Eindringen der Gase wird vor allem durch groben Lamellengraphit gefördert. Graphitfreie Gusseisensorten (weißes Gusseisen, Hartguss) haben eine höhere Zunderbeständigkeit.

Für den Oxidationsablauf bei der Verzunderung lassen sich gewisse Zeitgesetze ableiten.

Hierfür gilt allgemein:

wobei

ΔG     - Gewichtszunahme (g) durch Verzunderung,
A     - Oberfläche der Probe (cm2),
k     - Zunderkonstante (g/cm2 · s) und
t     - Dauer der zunderbildenden Einwirkung


bedeuten.

Der Exponent (n) liegt in der Größenordnung zwischen 1 und 3. Bilden sich poröse oder leicht abplatzende Zunderschichten, verläuft die Gewichtszunahme fast linearproportional mit der Zeit, sodass n ≈ 1 ist. Treten aber fest haftende Zunderschichten auf, verlangsamt sich die Gewichtszunahme und der Exponent (n) erreicht Werte etwa zwischen n = 2 bis 3.
 

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