Härteprüfung

Härte wird definiert (nach Adolf Martens) ... 

Härte ist der mechanische Widerstand, den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines anderen Körpers entgegensetzt. Bei der Härteprüfung wird durch den härteren Körper (Vickers + Rockwell = synthetischer Diamant / Kugel | Brinell = Wolfram-Karbid-Kugel | Knoop = Diamant-Rhombus) unter Beaufschlagung einer definierten Prüfkraft das Material auf das Maximum verdichtet. Insbesondere bei duktilen, gut umformbaren Werkstoffen ist es wichtig, dass die durch die Normen vorgegebene Prüfkraft-Haltedauer eingehalten wird da bei diesen mittelharten / weichen Metallen eine Umformung (Fließen) auch noch nach mehreren Sekunden fortschreitet. Besonders gut ist dieses Verhalten erkennbar (Video rechts: Sekunde 16 - 26):
* bei der Rockwell - Härteprüfung
* mit analogem Zeiger - Rockwell- Härteprüfgerät
* bei der Prüfung weicher Materialien (<40 HRC)
Selbst nach 5 Sekunden Haltezeit der Hauptkraft wandert der Zeiger immer noch ein wenig weiter und verharrt erst sehr spät auf der endgültigen Position: Das Material wird nicht weiter verdichtet.
Härteprüfung unter Einhaltung der Prüfkraft-Einwirkdauer: Sekunden (+ Toleranzen)
* Vickers / Brinell: 
14 (>10 bis <15)
* Rockwell: Vorkraft: 3 (1 - 4 ) | Prüfgesamtkraft: 5 (2 - 6) | Ablesung bei Vorkraft (entlastet): 4 (1 - 5)

 


 

Härte / Härteprüfung als Qualitätsmerkmal

Die Härteprüfung ist in modernen Qualitäts-Sicherungssystemen eine unverzichtbare Prüfung um die Härte eines Werkstoffs, Bauteils, Beschichtung, partiellen Härtung zu bestimmen. 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 die hohe Härte (Kugellager ca. 60 HRC) die Grundlage 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 würden 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 durch Rissbildung und Rissfortsatz.

 

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. Zum Beispiel kann in einem Härteofen ein Temperatursensor ausfallen und die Wärmebehandlung fehlerhaft sein. Daher ist die Härteprüfung in verschiedenen Stadien des Prozess unabdingbar zur Sicherung des Fertigungsprozesses.

 


 

Geeignetheit des Härteprüfverfahrens - Härte / Werkstoff-Homogenität

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 (Wolfram-Karbid) 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 ebenfalls entscheidend. Ist das Material porig (z. B. Grauguss) würde die sehr spitze Vickers-Diamantpyramide eventuell in diese Pore eindringen und das Ergebnis wäre unbrauchbar. Ein inhomogener Werkstoff muss 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.

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 zur Auswahl des Härteprüfverfahren mit Vor- und Nachteilen

 

 Härteprüfer  Brinell

 Typisches Material

 Vor- und Nachteile

 - Universal-Härteprüfer Vickers Brinell (Rockwell) Tischgeräte Prüfkraft <250 kpf / <3000 kpf
 - Standgeräte für raue Umgebungsbedingungen und schwere Prüfstücke
 - schwenkbarer Radial-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)

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

 + porige, inhomogene Werkstoffe Grauguss etc.: einzig mögliches Verfahren

 + gut geeignet für weiche Werkstoffe (große Eindringkörper-Oberfläche
    verhindert tiefes einsinken)
 + optisches Verfahren: Vorbeurteilung der Prüfposition möglich

  - nicht für hohe / sehr hohe Härte geeignet (Kugel-Schädigung / Abgeplattung)

  - Vorbehandlung (schleifen) Prüfstelle erforderlich da optische Vermessung

  -  aufwendiger als Rockwell-Härteprüfung

  Härteprüfer Vickers

 Typisches Material

 Vor- und Nachteile

 - Universal-Härteprüfmaschinen Vickers Brinell (Rockwell) Tischgeräte Prüfkräfte  bis < 250 kpf

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

 - Kleinkraft-Härteprüfmaschine HV 0,3 - HV10

 - Vickers-Härteprüfmaschine HV 0,3 - HV 30

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

 - Nano-Vickers Härteprüfmaschine HV0,001 - HV1 (oder deutlich höher ...)

 

 -  extrem harte Werkstoffe (+ Keramik)

 -  homogene Werkstoffe

 -  Stahlguss - gehärtete Werkstoffe

 - Härteverläufe CHD (EHT) SD (NHT) RHT

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

 + Vorbeurteilung der Prüfposition da optisches Verfahren

 + universellstes Verfahren von weich bis extrem hart

 + exakte Positionierung möglich da optisches Verfahren (Messmikroskop)

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

 - nicht für poriges Material geeignet (Grauguss)

 - homogenes Material / Gefüge erforderlich

 Härteprüfer Rockwell

 Typisches Material

 Vor- und Nachteile

 - Meist reine Rockwell-Härteprüfgeräte, üblich sind auch Universal-Härteprüfmaschinen

 - Universal-Härteprüfmaschinen (Vickers Brinell + Rockwell) Tischgeräte für Prüfkräfte < 250 kp

 - einfache Rockwell-Härteprüfer Messuhr analog / digital für HRC / HRB / HRA meist Totgewichte

 - hochwertige Rockwell-Härteprüfer Kraftmesszelle alle Rockwell-Verfahren + Kugeldruckhärte

 - einfache Super-Rockwell-Härteprüfer Messuhr analog / digital Prüfkraft meist mit Totgewichten

 

 

 

 - harte / sehr harte Werkstoffe (HRC)
 - Metalle mittelhart / weich (Rockwell-Kugel)
   (HRB häufig verwendet für Blech)

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

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

 + schnelle Prüfung (direkt nach Entlastung steht der Messwert zur Verfügung

 + preiswerte Gerätegattung da ohne optische Messeinrichtung

 + einfache Serienprüfung (auch automatisch im Roboter-Prüfsystem)

 - Auflagetisch muss sehr sauber gehalten werden

 - Prüfstück-Unterseite muss sehr glatt sein

 - keine exakte Positionierung möglich

 


 

Härteprüfung Rockwell: Animation und Video

Härteprüfung Rockwell

Messprinzip Tiefendifferenzmessung

Die Härteprüfung nach Rockwell beruht auf dem Prinzip der Messung des Eindringweges eines synthetischen Diamanten oder einer Kugel in das Prüfstück. Damit Unregelmäßigkeiten an der Probenoberfläche und Spiel im System ausgeglichen werden wird zunächst eine Vorlast aufgebraucht. Der Ablauf erfolgt sowohl bei einfachen analogen und elektronischen Geräten wie folgt:

  • Nach dem Aufbringen der Vorlast
    - 10 kp Rockwell
       oder
    - 3 kp Super-Rockwell
    wird das Mess-System (digitaler Messtaster / Messuhr) auf Null gestellt
  • Sodann wird die Hauptlast aufgebracht.
  • Nach einer definierten Haltezeit (die wegen einem eventuellen Fließverhalten eingehalten werden muss) wird diese Hauptlast wieder entlastet
  • Bei der Vorlast wird nun die Tiefungsdifferenz ermittelt.

Der Tiefungswert (mm verbleibende Eindringtiefe z. B. 0,080 mm) wird geteilt (Divisor 0,002).
Das Ergebnis wird von einem Festwert in Abzug gebracht. Der Restwert stellt die Rockwell-Härte dar.

 

Beispiel-Berechnung für Rockwell C (HRC)

 

100 - (h/0,002)

 

(h = mm verbleibende Tiefendifferenz)                 Beispiel 0,080 mm

 

100 - (0,080/0,002) = 60 HRC

 

 

Formeln für verschiedene Rockwell-Skalen HR (Härte Rockwell):

HR - Skalen

 

A | C | D

Konus

100 - (h/0,002)

B | E | F | G | H | K

Kugel

130 - (h/0,002)

N | T

Super-Rockwell

130 - (h/0,001)

Rockwell - Mindestabstand Prüfeindrücke / Randabstand

Der Abstand der Prüfeindrücke darf nicht zu dicht erfolgen. Die Härteprüfung beruht auf dem Prinzip der Materialverdrängung / Verdichtung. Diese führt zu einer Verfestigung die die Härte des Materials erhöht (Kaltverfestigung durch Umformung). Würden die Eindrücke zu dicht gesetzt würde die tatsächliche Härte durch die Kaltverfestigung des vorausgegangenen Härteprüfeindrucks verfälscht werden. Gemäß der Rockwell - Norm muss der Mindestabstand zweier Härteprüfeindrücke das 2,5-fache der Härte-Eindruckdiagonale betragen.

Weiterhin muss beachtet werden, 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. Diese hätte zur Folge das eine Härte ermittelt würde die geringer ist als die tatsächliche Härte des Werkstücks.

 

 

 

 


 

Härteprüfer für Rockwell Härteprüfung

Härteprüfer

Härteprüfmaschinen gehören zu der Gruppe der Werkstoffprüfmaschinen bzw. Materialprüfmaschinen. Die einschlägigen, unten genannten Normen verwenden durchweg den Begriff Härteprüfmaschine. 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 hierbei entstehende Härteprüfeindruck ist relativ klein (zumindest bei geringen Prüfkräften). 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 integrierte Prüfsoftware
  • Rockwell-Härteprüfmaschinen mit Elektronik und aufwendiger WINDOWS – Prüfsoftware mit Datenverarbeitung
  • Vickers und Brinell Härteprüfmaschinen mit Elektronik und aufwendiger WINDOWS – Prüfsoftware mit Datenverarbeitung
  • Bis hin zu Vollautomaten mit motorischem XY-Tisch für Vollautomatische Prüfsequenzen oder in Fertigungsanlagen integriert