Brinell - Härteprüfung: Video Funktionsprinzip

Härteprüfung Brinell Kalotten-Eindruck

Ursprung der Brinell-Härteprüfung

Der Ursprung der modernen, industriellen Härteprüfung wurde durch den schwedischen Ingenieur Johan August Brinell begründet. Dieser entwickelte das nach ihm benannte Härteprüfverfahren, das im Jahr 1900 auf der Weltausstellung in Paris vorgestellt wurde. Das Verfahren ist nach DIN EN ISO 6506-1 - 6506-4 genormt. Als geeignete Materialen für die Prüfung nach Brinell können unten aufgeführte Werkstoffe genannt werden. Besonders geeignet ist dieses Härteprüfverfahren für weiche und mittelharte Materialien und für Werkstoffe mit inhomogener oder poriger Struktur (Lunker im Gusseisen).

 

Kurzbeschreibung der Brinell-Härteprüfung

Bei dieser Härteprüfmethode wird eine Hartmetallkugel mit definierter Prüfkraft (F) auf eine Prüfstück-Oberfläche aufgedrückt und dringt (je nach Härte) unterschiedlich tief ein. Die resultierende Kugeleindruck-Kalotte wird in seinem Durchmesser optisch vermessen. Anhand der unten genannten Formel lässt sich der Härtewert HBW (Härte Brinell Wolfram-Karbid-Kugel) errechnen.

 

Nach einer Belastungszeit von 10 bis 15 Sekunden (Stahl und Eisen) oder 10 bis 180 Sekunden (Nichteisen-Metalle und deren Legierungen) wird die Prüfkraft zurückgenommen. Die Einhaltung der Belastungszeit ist wichtig um dem Fließverhalten des Materials Rechnung zu tragen. Jedes Material besitzt ein Fließverhalten (weiche Materialien höher): Über die Zeit kann der Eindringkörper tiefer in das Material eindringen bis das der Eindring-Vorgang zum Stillstand gekommen ist bzw das Material nicht weiter verdichtet wird.

 

Durch eine optische Vermessung des resultierenden Eindruck-Duchmesser im Werkstück wird die Oberfläche des Eindrucks bestimmt. Der zu bestimmende Durchmesser d wird aus dem Mittelwert zweier um 90 Grad verdrehter Messungen gebildet (d1+d2)/2. Bei nicht kreisförmigem Eindruck (Ovalität) wird der zur Berechnung der Härte nötige Durchmesser aus dem größten d1 und kleinsten Durchmesser d2 gemittelt.

 

Früher wurde als Eindringkörper eine Stahlkugel verwendet. Seit 2006 ist eine Hartmetallkugel (Wolfram-Karbid) vorgeschrieben. Je nach Homogenität, Materialdicke und Härte kommen Kugeln mit unterschiedlichem Durchmesser zum Einsatz: Ø 10 | 5 | 2,5 | 2 | 1 | 0,625 mm. Welche Prüfmethode (Kombination des Kugeldurchmessers und der Prüfkraft) verwendet werden muss ergibt sich aus den unterschiedliche, erforderlichen Belastungsgraden. So ist für Stahl ein Belastungsgrad von HB30 (Kraftverhältnis in Bezug auf die Kugeloberfläche - Formel F/D²) und für weichere NE-Metalle eine Belastungsgrad von HB10 / HB5 / HB2,5 / HB1 zu verwenden.

 

Der Belastungsgrad errechnet sich aus der Kraft geteilt durch die Quadratzahl des Kugeldurchmessers (F / D²) und ermöglicht die richtige Wahl der Prüfbelastung bzw. Prüfmethode. Würde ein zu hoher Belastungsgrad (bezogen auf die Härte des Materials) gewählt so würde die Brinell-Kugel zu tief in das Material eingedrückt - eine Auswertung ist nicht mehr möglich bzw. falsch.

 

Zum Zeitpunkt der Entwicklung der Brinell Härteprüfung wurde die Prüfkraft noch in kg bzw. kp angegeben. Damit die ermittelten Härtewerte, Umwertungstabellen und Materialspezifikationen Gültigkeit behielten / behalten wurden die Prüfkräfte beibehalten - die Prüfmethoden behielten Ihre Bezeichnung die u. a. auf der Prüfkraft in kg (kgf) beruhen. Die in der Tabelle genannten Belastungskräfte (nach dem Schrägstrich) nennen die Prüfkräfte in kp. Da die Umrechnung der Prüfkräfte in Newton ungerade Werte ergibt wird in dieser Tabelle auf die metrologisch korrekte Angabe in Newton verzichtet.

 

Berechnungs
-Beispiel

Belastungsgrad
30

HBW10/3000

Prüfkraft 3000 kp
Kugel-Ø 10 mm

3000 / (10 x 10)

3000 / 100 = 30

Belastungsgrad

30

10

5

2,5

1,25

Kugel Ø 10

HBW10/3000

HBW10/1000

HBW10/500

HBW10/250

HBW10/125

Kugel Ø 5

HBW5/750

HBW5/250

HBW5/125

HBW5/62,5

HBW5/31,25

Kugel Ø 2,5

HBW2,5/187,5

HBW2,5/62,5

HBW2,5/31,25

HBW2,5/15,625

HBW2,5/7,8125

Kugel Ø 1,25

HBW1,25/46,875

HBW1,25/15,625

HBW1,25/7,813

HBW1,25/3,906

HBW1,25/1,953

Kugel Ø 1

HBW1/30

HBW1/10

HBW1/5

HBW1/2,5

HBW1/1,25

Kugel Ø 0,625

HBW0,625/11,72

HBW0,625/3,906

HBW0,625/1,953

HBW0,625/0,977

HBW0,625/0,488

Werkstoffe

Stahl
Stahlguss
Gusseisen
Temperguss

Al Aluminium > 55 HB
Al-Knetlegierungen
Al-Gusslegierungen
Mg-Legierungen
Ni-Legierungen
Zn-Legierungen
Gusslegierungen
Cu-Ni-Gusslegierungen
Cu Kupfer
Messing
Bronze

Al Aluminium
25 bis 55 HB
Zn Zink

Al Aluminium
< 25 HB

Pb Blei
Sn Zinn

 

In der Tabelle werden nur die häufigsten Verfahren genannt. Andere Verfahren sind möglich aber wegen der schlechten Vergleichbarkeit der Ergebnisse nicht üblich.

 

Die Messung des Durchmessers des Kugeleindrucks (Kugelkalotte) wurde mit einem Mikroskop mit geringer Vergrößerung gemessen (je nach Kugeldurchmesser und Prüflast 14 - 100-fach). Der aktuelle Stand der Technik nutzt  eine Videokamera mit automatischer Bildverarbeitung (Bildanalyse-Software): Die Brinell-Härte wird berechnet aus dem Verhältnis von Prüfkraft zu Eindruck-Oberfläche. Die Prüfkraft in Newton wird dividiert mit dem Wert 0,102 (Kehrwert von 9,81 = Faktor zur Umrechnung von Newton in kgf). Auf diese Weise entsprechen Messwerte der aktuellen Metrologie (für die allgemein eine Kraftangabe in Newton erforderlich ist) den Messwerten die mit der heute ungültigen metrologischen Einheit für Kraft (kg bzw. kgf) ermittelt wurden. Eine Umstellung auf gerade Werte Newton (Faktor 9,81) ist nicht sinnvoll das sonst alle vorhandenen Härteprüfmaschinen, Auswerte-Algorithmen, Messwerte, etc. umgestellt werden müssten.

Zur Berechnung der Brinell-Härte ist in u. g. Formel die Kraft F in N, der Kugeldurchmesser D in mm und der mittlere Eindruck-Durchmesser d in mm einzusetzen. Der Wert im Nenner ist das Ergebnis der Formel für die Oberflächenberechnung des erzeugten Kugeleindrucks (Kugelkalotte).

Normkonforme Angabe Brinell - Härteprüfung

 


Gemäß DIN EN ISO 6506-1 aus 03/2006 muss der Härtewert, dass Verfahren, der Durchmesser der Kugel und die Prüfkraft immer mit angegeben werden.

Beispiel

: 246 HBW 10/3000

Dabei bedeutet

: 246

= Härtewert

 

: HBW 

= Härte Brinell mit Wolfram-Karbid Hartmetall-Kugel

 

: 10 

= Kugeldurchmesser D in mm

 

: 3000 

= Prüflast (Kraft F) in kg bzw. kgf

 Bei einer Prüflastbeaufschlagung >15 s muss die Dauer der Belastung ebenfalls genannt werden.

 Beispiel

: 246HBW 10/30000/60

Bei nicht oder gering legierten Stählen kann der Brinellhärte mit gewisser Toleranz in Zugfestigkeit (Rm in N/mm² bzw. MPa) umgewertet werden. Hierzu kann der Faktor Rm ˜3,5 verwendet werden.

 

Brinell-Normen:
•          Europäisch & international: EN ISO 6506-1
•          Amerikanisch: ASTM E10-08

 

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