Theorie der Härteprüfung gemäß Vickers | Brinell | Rockwell

Definition der Härte eines Werkstoffs

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)

 


 

Härteprüfung als Qualitätsmerkmal von Werkstoffen

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.

 


 

Eignung eines Härteprüfverfahrens abhängig vom Werkstoff

Die Härte der verwendeten Materialien und Bauteils kann extrem unterschiedlich sein. Nicht jedes Härteprüfverfahren ist für jede Härte und / oder jedes Material geeignet. Die Werkstoffhärte kann zu hoch sein so das selbst eine extrem harte Brinell-Kugel aus Wolfram-Karbid beschädigt und abgeplattet wird. In diesem Fall muss 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 - 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 z. B. mit einer Brinell - Kugel Ø 5 oder 10 mm geprüft werden (Belastungsgrad 10). Einzelne Poren spielen dann eine geringe Rolle. Wegen dieser unterschiedlichen Werkstoff-Eigenschaften muss ein Härteprüfverfahren gewählt werden, bei dem die Ergebnisse durch die Materialstruktur nicht beeinflusst werden. Ein geeignetes Verfahren kann anhand der Tabelle unten gewählt werden.

Wegen der Vielfältigkeit der zu prüfenden Werkstoffe gibt es leider kein Härteprüfverfahren, dass 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 nicht eingegangen wird.

 

 Vergleich der Härteprüfverfahren nach Brinell | Vickers | Rockwell

 

 Härteprüfer  Brinell

 Typisches Material

 Vor- und Nachteile

 - Universal-Härteprüfer Vickers Brinell Rockwell Prüfkraft <250 kpf oder <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 + Messlupe / VideoMesslupe: 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 / Abplattung)

  - 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  <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

 - oft reine Rockwell-Härteprüfgeräte, üblich auch Universal-Härteprüfmaschinen

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

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

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

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

 

 

 

 - 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