Härteprüfung nach Vickers Brinell Rockwell

unabdingbar in der Qualitätssicherung

Ohne eine Härteprüfung kann nicht sichergestellt werden, dass der Produktionsprozess zu der gewünschten Härte des Produktes geführt hat. So müssen zum Beispiel die Bestandteile eines Kugellagers extrem hart sein um Milliarden Umläufe schadlos zu überstehen. In diesem Fall ist Härte ein wesentliches Merkmal für ein geringes Verschleißverhalten.

Andererseits gibt es Anforderungen bei denen die Härte eines Materials nicht zu hoch sein darf. Zum Beispiel wenn ein Material umgeformt werden muss (es würde brechen oder durch den Umformprozess würde Risse entstehen). Ebenfalls darf die Härte eines Bauteils nicht zu hoch sein wenn dieses mechanischen Belastungen ausgesetzt werden soll. Würde hier das Material zu hart (und damit zu wenig zäh) sein würden vorzeitig Risse entstehen. Diese führen zum vorzeitigen Versagen des Bauteils. Auch wenn die heutigen Fertigungsprozesse als sehr sicher angesehen werden können - letztlich können selbst kleine Veränderungen in dem Prozess dazu führen, dass sich die Härte dramatisch ändert. Daher ist die Härteprüfung in verschiedenen Stadien des Prozess unabdingbar notwendiger Schritt zur Sicherung des Fertigungsprozesses.

Härte wird definiert (nach Adolf Martens)

als der mechanische Widerstand, den ein Werkstoff dem mechanischen Eindringen eines härteren Körpers entgegensetzt.

Bei diesem Vorgang wird durch den härteren Körper (Vickers und Rockwell = synthetischer Diamant / Brinell Wolfram-Karbid-Kugel) das Material auf das Maximum verdichtet. Insbesondere bei duktilen (gut umformbaren) Werkstoffen ist es wichtig, dass die durch die Normen vorgegebene Haltedauer für die Prüflasten nicht unterschritten werden. Dies da bei diesen Werkstoffen eine Umformung (Fließverhalten) auch nach mehreren Sekunden noch erkennbar ist.

Härteprüfung unter Einhaltung der Prüflast-Einwirkdauer
Vickers / Brinell: Die Haltezeit wird typisch mit 14 Sekunden (Toleranz >10 bis < 15 Sekunden) vorgegeben.

Rockwell:
Vorkraft Einwirkdauer: 3 Sekunden (Toleranz 1 - 4 Sekunden)
Prüfgesamtkraft Einwirkdauer: 5 Sekunden (Toleranz 2 - 6 Sekunden)
Ablesezeit nach Entlastung bei Vorkraft: 4 Sekunden (Toleranz 1 - 5 Sekunden)

Zu den Angeboten Härteprüfmaschinen Rockwell / Vickers / Brinell

Härteprüfmaschinen gehören zu der Gruppe der Werkstoffprüfmaschinen bzw. Materialprüfmaschinen. Die einschlägigen, unten genannten Normen verwenden durchweg den Begriff Härteprüfmaschine/n. Da für den Begriff der Härteprüfmaschine keine Definition existiert werden in der Industrie auch die Begriffe Härteprüfer, Härteprüfgerät, Härtemessgerät, Härtemesser oder andere Abwandlungen genutzt.
Die Gruppe der Härteprüfmaschinen wird gemäß DIN EN ISO 6507-1 für das Verfahren Vickers (nur hier) je nach Prüfkraft in folgende Gruppen eingeteilt:
 

 Beschreibung

gebräuchlicher Name

Prüfkraft in Newton

Prüfverfahren

 Vickers- Mikrohärteprüfung

Mikro-Härteprüfmaschine

≤ 0,009.807 bis < 1,961

< HV0,001 bis < HV0,2

 Härteprüfung Vickers im Kleinkraftbereich

Kleinkraft-Härteprüfmaschine

1,961 ≤ bis < 49,03

HV0,2 bis < HV5

 Härteprüfung nach Vickers

Vickers-Härteprüfmaschine

F ≥ 49,03

> HV5

Da durch den Eindringkörper in das Material ein Eindruck erzeugt wird handelt es sich bei diesen Prüfung um eine zerstörende Prüfung. Ausgenommen davon ist jedoch das Metall-Härteprüfverfahren nach der Vickers-Norm DIN EN ISO 6507-1. Der hier (zumindest bei kleinen Prüfkräften) entstehende Härteprüfeindruck ist relativ klein. Dieser kann meist mit einfachen Mittel (Schleifpapier) entfernt werden. Daher wird das Härteprüfverfahren nach Vickers als ein zerstörungsfreies Härteprüfverfahren eingestuft.
Bei einem Härteprüfer handelt es sich um eine mechanische Vorrichtung bei dem ein Eindringkörper mit einer definierten Kraft beaufschlagt wird. Da der Eindringkörper härter ist als der zu prüfende Werkstoff dringt die Spitze des Endringkörpers in das Material ein. Kann der Eindringkörper tiefer eindringen entsteht ein größerer bzw. tieferer Eindruck. Die Eindruckgröße wird gemäß den Normen DIN EN ISO 6507-1 (Vickers) oder DIN EN ISO 6506-1 (Brinell) optisch vermessen. Bei den in der DIN EN ISO 6508-1 definierten Messverfahren wird (different zu den beiden o. g. Verfahren) nicht die Eindruckgröße (optisch) vermessen sondern es wird die Tiefen-Differenz des Eindrucks zur Qualifizierung genutzt. Für die Verfahren nach Brinell und Vickers ist eine optische Messeinrichtung erforderlich. Für die Verfahren nach Rockwell ist ein Tiefen-Wegmesssystem erforderlich.
Die erste kommerziell nutzbare Härteprüfmaschine wurde von dem Schweden Ernst August Brinell im Jahre 1900 entwickelt. Bei dieser Härteprüfmaschine wurde mittels Gewichtsbelastungssystem eine sehr harte Kugel in das zu prüfende Material eingedrückt. Die aufzubringende Prüfkraft wurde mittels Gewichten aufgebracht. Spätere Entwicklungen nutzten unter anderem auch Vorrichtungen bei denen die Prüfkraft mittels hydraulischer Pumpe oder Federkraft aufgebracht werden. Am weitesten verbreitet war bis Ende des 20. Jahrhunderts das Gewichtsbelastungssystem. Aktuell (in 2019) werden zwar noch Härteprüfmaschinen mit Gewichtsbelastungssystem (aus CHINA) oder Härteprüfmaschinen mit Feder-Belastungssystemen angeboten (Italien). Diese werden aber mehr und mehr durch genauer arbeitende elektronische Kraftmesszellen mit zugehörigem motorischem Belastungssystem im geschlossenen Regelkreis eingesetzt. Ebenfalls ist der Stand der Technik, dass die optischen Messsysteme (Messlupe, Mattscheiben) durch Kameramesssysteme und Bildanalyse-Systeme ersetzt.
Moderne Rockwell-Härteprüfmaschinen verwenden zudem keine Zeigerinstrumente (Messuhren) sondern hochauflösende elektronische Geber.
Der Weltmarktführer INNOVATEST liefert für jede Anwendung und jedes Budget geeignet Ausstattungen:

  • Rockwell- Härteprüfmaschinen mit Gewichtsbelastungssystem (geringes Budget / kein Stromanschluss)
  • Rockwell-Härteprüfmaschinen mit Kraftmesszelle und Zeigerinstrument (!)
  • Rockwell-Härteprüfmaschinen mit Elektronik und in die Elektronik integrierter Prüfsoftware
  • Rockwell-Härteprüfmaschinen mit Elektronik und aufwendiger WIN – Prüfsoftware mit Datenverarbeitung
  • Vickers und Brinell Härteprüfmaschinen mit Elektronik und aufwendiger WIN – Prüfsoftware mit Datenverarbeitung
  • Bis hin zu Vollautomaten mit motorischem XY-Tisch für Vollautomatische Prüfsequenzen oder in Fertigungsanlagen integriert

 

Geeignetheit der Härteprüfverfahrens für die Prüfung verschiedener Werkstoffe

Die Härte der verwendeten Materialien und Bauteils kann extrem unterschiedlich sein. Nicht jedes Härteprüfverfahren ist für jede Härte und / oder Material geeignet. Die Werkstoffhärte kann zu hoch sein, dass eine Kugel einer Brinell-Härteprüfung (Wolframcarbid) beschädigt und abgeplattet wird (in diesem Fall muss also ein Rockwell oder Vickers-Verfahren Anwendung finden). Für die Auswahl des Verfahrens ist die Homogenität des Materials mit entscheidend. Ist das Material porig (z. B. Grauguss) würde die sehr spitze Vickers-Diamantpyramide eines Vickers – Eindringkörpers in diese Pore eindringen und das Ergebnis wäre unbrauchbar. Ein inhomogener Werkstoff muss also mit einem Verfahren geprüft werden das eine "mechanische Mittelwertbildung" der Prüffläche ermöglicht. Dies ist z. B. Bei der Härteprüfmethode nach Brinell gegeben. Grauguss muss mit einer Brinell - Kugel Ø 5 oder 10 mm geprüft werden. Einzelne Poren spielen dann eine geringe Rolle. Wegen dieser unterschiedlichen Werkstoff-Eigenschaften muss ein Härteprüfverfahren gewählt werden, bei dem die Ergebnisse durch die Materialstruktur beeinflusst werden. Hierzu mehr in unten gezeigter Tabelle

Mindestdicke des Prüflings

Es ist darauf zu achten, dass ein dünnes Werkstück nicht durchstoßen wird bzw. die Mindestdicke des Prüfstücks nicht unterschritten wird. Dazu mehr bei den unterschiedlichen Verfahren. Wird die Mindestdicke des Prüfstücks unterschritten wird nicht mehr die Härte des eigentlichen Prüfstücks ermittelt sondern die Härte des Auflagetisches fließt in das Ergebnis ein.

Mindestdicke der Beschichtung: Soll die Härte einer dünnen Beschichtung (Layer) geprüft werden muss eine Prüflast gewählt werden die gering genug ist diese Schicht nicht zu durchstoßen. Für diese Prüfung wird meist eine Mikrohärteprüfung nach Vickers durchgeführt.

Mindestabstand zweier Prüfeindrücke

Ebenfalls darf der Abstand der Prüfeindrücke nicht zu dicht gewählt werden. Die Härteprüfung beruht unter anderem darauf, dass Material verdrängt wird. Diese Verdichtung führt zu einer Verfestigung die die Härte des Materials erhöht (Kaltverfestigung durch Umformung).

Randabstand eines Prüfeindrucks

Unbeachtet darf auch nicht bleiben, dass der Abstand eines Härteprüfeindrucks vom Rand eines Prüflings nicht zu gering sein darf da sonst die Gefahr besteht, dass das Material zum Rand der Probe nachgibt (dorthin fließt) und so der Eindringkörper tiefer eindringen kann - also eine Härte ermittelt wird die geringer ist als die tatsächliche Härte des Werkstücks.

Auswahl des geeigneten Härteprüfverfahrens

Wegen der Vielfältigkeit der zu prüfenden Werkstoffe gibt es leider kein Härteprüfverfahren, das für alle Anwendungen geeignet ist. Nachfolgend werden die wichtigsten Metall-Härteprüfverfahren erläutert. Für Kunststoffe und Gummi gibt es andere Härteprüfverfahren (Shore, Kugeldruckhärte) auf die hier jedoch nicht eingegangen wird.

 Tabelle der Härteprüfverfahren und deren Vor- und Nachteile

 

Brinell

Geräte

Typisches

Material

Vor- und Nachteile

Meist stationäre Härteprüfmaschinen üblich sind

- Universal-Härteprüfmaschinen
  (für Vickers Brinell + Rockwell)
  Tischgeräte für Prüflasten bis 250 kp und <3000 kp
 

- Standgeräte für raue Umgebungsbedingungen und
  schwere Prüfstücke

- schwenkbarer Bohrständer mit Prüfkopf
  (für große + schwere Prüfstücke)

- Portalbauweise mit Prüfkopf
  (für große + schwere Prüfstücke)

- portable Prüfzwinge mit Messlupe / Videokamera
  (für große + schwere Prüfstücke)

-  Stahlguss

-  NE-Metalle

-  weiche Metalle

-  Grauguss

-  inhomogene
   Werkstoffe

- Sintermetalle
  (ungesintert)

+ normiertes Härteprüfverfahren gem.
   DIN EN ISO 6506-1 und ASTM

+ bei porigen, inhomogenen Werkstoffen
   (Grauguss etc.) einzig mögliches Verfahren

+ gut geeignet für weiche Werkstoffe
   (große Eindringkörper-Oberfläche verhindert
    zu tiefes einsinken)

+ optisches Verfahren:
   Vorbeurteilung der Prüfposition möglich

- nicht für hohe und sehr hohe Härte geeignet
  (Kugel wird beschädigt / abgeplattet)

- Prüfstelle muss vorbereitet (geschliffen) werden
  da optische Eindruckvermessung

- etwas aufwendiger als Rockwell-Härteprüfung

Vickers

Geräte

Typisches

Material

Vor- und Nachteile

Meist stationäre Härteprüfmaschinen üblich sind

- Universal-Härteprüfmaschinen
  (für Vickers Brinell + Rockwell)
  Tischgeräte für Prüflasten bis 250 kp

- Universal-Härteprüfmaschinen (HV, HB, HR) mit:
  (HV1 - HV120)

- Kleinlast-Härteprüfmaschinen
  HV 0,3 – HV10

- Vickers-Härteprüfmaschinen
  HV 0,3 - HV 30

- Mikro-Härteprüfmaschinen
  HV0,01 - HV1 (HV2)

- Nano-Vickers Härteprüfmaschinen
  HV0,001 -

-  extrem harte
   Werkstoffe
   (+ Keramik…)

-  homogene
   Werkstoffe

-  Stahlguss

-  gehärtete
   Werkstoffe

- Härteverläufe
  CHD (EHT)
  SD (NHT)
  RHT

+ normiertes Härteprüfverfahren gem.
   DIN EN ISO 6507-1 und ASTM

+ Vorbeurteilung der Prüfposition da optisches
   Verfahren

+ universellstes Verfahren für weiche bis sehr
  harte Werkstoffe

+ extrem exakte Vorpositionierung möglich da
 optisches Verfahren mit Messmikroskop

+ einziges (exaktes) Verfahren zur Bestimmung
   der Härtetiefe (CHD, SD, RHT …)

- nicht für poriges Material geeignet
  (Grauguss …)

- homogenes Material / Gefüge erforderlich

Rockwell

Geräte

Typisches

Material

Vor- und Nachteile

Meist reine Rockwell-Härteprüfmaschinen
üblich sind aber auch Universal-Härteprüfmaschinen

- Universal-Härteprüfmaschinen
  (für Vickers Brinell + Rockwell)
  Tischgeräte für Prüflasten bis 250 kp

- einfache Rockwell-Härteprüfmaschinen
  mit analoger oder digitaler Messuhr
  Verfahren HRC / HRB / HRA
  meist mit Totgewichten

- höherwertige Rockwell-Härteprüfmaschinen
  mit Kraftmesszellen für alle Rockwell- Verfahren
  und Kugeldruckhärte (Kunststoff)

- einfache Super-Rockwell-Härteprüfmaschinen
  mit analoger oder digitaler Messuhr
  Verfahren
  meist mit Totgewichten

- harte und sehr harte Werkstoffe
(HRC)
 

- mittelharte
  bis weiche
  Metalle
  (Rockwell-
  Kugel)

+ normiertes Härteprüfverfahren gem.
   DIN EN ISO 6508-1 und ASTM

+ häufigstes Messverfahren / am meisten
   bekannt (Rockwell-C)

+ schnelle Prüfung (direkte nach der Entlastung
   kann der Messwert abgelesen werden

+ preiswerte Gerätegattung da ohne optische
   Messeinrichtung

+ einfache Serienprüfungen möglich
  (auch automatisiert in Roboter-Prüfsystemen)

- Auflagetisch muss sehr sauber gehalten werden

- Prüfstück-Unterseite muss sehr glatt sein

- keine exakte Positionierung möglich