Aus dem Prüflabor: Schadensanalyse eines Küchenmessers

Ein Küchenmesser aus dem Pausenraum bricht beim Schneiden eines Apfels – ein scheinbar banaler Vorfall. Die anschließende werkstofftechnische Untersuchung zeigt jedoch ein klassisches Beispiel interkristalliner Korrosion in einem martensitischen Chromstahl. Ziel der Untersuchung ist die Ermittlung der Schadensursache sowie die Nennung von Abhilfemaßnahmen nach VDI Richtlinie 3822.

1. Schadensbeschreibung

Gegenstand der Untersuchung ist ein handelsübliches Küchenmesser aus dem Pausenraum der W.S. Werkstoff Service GmbH. Unter tatkräftiger Mithilfe unseres Vertriebs brach beim Zerteilen eines gewöhnlichen Malus domestica (Apfel) die Klinge ab – glücklicherweise ohne Verletzungen des Mitarbeiters.

2. Zustand

Das über viele Jahre stumpf gespülte und geschnittene Messer weist altersgemäße Abnutzungserscheinungen auf (Abb. 3). Größere plastische Deformationen oder ausgeprägte Korrosionsschäden sind nicht erkennbar. Bei genauer Betrachtung der Bruchfläche fallen jedoch Korrosionserscheinungen auf der der Schneide zugewandten Hälfte auf (Abb. 4).

3. Instrumentelle Untersuchungen

Chemische Analysen mittels optischer Emissionsspektrometrie

Ergebnisse der Vickers-Härteprüfung

Bemerkung: Die Anforderungen an die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs 1.4021 (X20Cr13) gemäß DIN EN 10088-2:2014-12 werden erfüllt. Auch die gemessene Härte liegt im für diesen Werkstoff üblichen Bereich.

4. Fraktografie mit dem Stereomikroskop

Vor der fraktografischen Untersuchung wurde die Bruchfläche mit einem nicht-korrosiven Bruchflächenreiniger im Ultraschallbad gereinigt (Abb. 5 und Abb. 6).

Im gereinigten Zustand lassen sich drei farblich und morphologisch unterschiedliche Bruchzonen erkennen:

1. Verriebener bzw. verhämmerter Anteil: Dieser Bereich entstand durch wiederholtes Aufeinanderschlagen der Bruchflächen und stellt den ältesten Bruchabschnitt dar.
2. Kristallin-korrodierter Bruchanteil: Dieser Bereich muss bereits vor dem endgültigen Bruch geöffnet gewesen sein, da sich sonst keine Korrosionsspuren gebildet hätten.
3. Kristallin-glänzender Anteil: Dabei handelt es sich um den frisch erzeugten Restgewaltbruch, der beim Bruchereignis durch den Mitarbeiter entstand.

5. Fraktografie im Rasterelektronenmikroskop (REM)

Die Untersuchung der Bruchzonen 1 und 2 im Rasterelektronenmikroskop zeigt ein überwiegend interkristallines Bruchbild mit aufgeweiteten („klaffenden“) Korngrenzen (Abb. 7). Bei höherer Vergrößerung sind lokale Wabenstrukturen erkennbar, die auf lokale plastische Verformungen hinweisen. Der zeitlich verzögerte Bruchablauf sowie die beobachtete Bruchflächenmorphologie sprechen insgesamt für einen korrosiv bedingten Bruchmechanismus.

6. Metallographische Schliffuntersuchung im Lichtmikroskop

Bei der Auswertung des Querschliffs M1 (Position siehe Bildausschnitt) werden mehrere Lochkorrosionsangriffe sichtbar (Abb. 9). In deren unmittelbarer Umgebung zeigen sich starke Korrosionsangriffe entlang der ehemaligen Austenitkorngrenzen (Abb. 10). Diese Form der selektiven Korrosion wird als interkristalline Korrosion bezeichnet. Eine Gefügeätzung zeigt, dass es sich um ein angelassenes martensitisches Härtungsgefüge handelt.

7. Fazit Schadensanalyse

Beim vorliegenden Schaden handelt es sich um einen Bruch infolge interkristalliner Korrosion. Bei dieser Korrosionsform werden bestimmte Gefügebereiche stärker angegriffen als andere. In nichtrostenden Stählen wie dem hier verwendeten martensitischen Chromstahl X20Cr13 sind insbesondere die ehemaligen Austenitkorngrenzen anfällig.

Ursachen hierfür sind die geringere Korrosionsbeständigkeit der Korngrenzen als Gefügestörstellen sowie die mögliche Bildung von Chromkarbiden an den Korngrenzen. Diese Karbide binden Chrom aus der umliegenden Matrix. Dadurch steht weniger Chrom für die Bildung der schützenden Chromoxidschicht zur Verfügung.

Der ermittelte Chromgehalt von etwa 12,5% liegt nur knapp über dem für die Passivschichtbildung erforderlichen Mindestgehalt von 10,5 %. Bereits natürliche Seigerungen, lokale Chromverarmung und die strukturelle Schwäche der Korngrenzen können daher ausreichen, um einen interkristallinen Angriff zu initiieren.

8. Schadensursache und Abhilfemaßnahmen

Die wahrscheinlichste Schadensursache liegt in der Missachtung eines bekannten Grundsatzes der Küchenpraxis: Scharfe Küchenmesser gehören nicht in die Spülmaschine. Die anschließende Bissprüfung des am Schadensereignis beteiligten Malus domestica ergab jedenfalls keine unzulässig hohen Härtewerte dieses ansonsten unauffälligen Pausensnacks.

Als Abhilfemaßnahmen werden daher empfohlen: ein gelber Spülschwamm, lauwarmes Wasser, sowie ein etwas weniger beherztes Zugreifen unserer Vertriebsabteilung.