Härteprüfung nach Brinell

Brinell-Härteprüfung HB10/3000
Eine Brinell-Härteprüfung nach dem Verfahren HB10/3000 erfordert den Einsatz einer Hartmetallkugel mit dem Ø 10 mm sowie eine Prüflast von 3000 kpf
Zeichnung Brinell Härteprüfung (Wirkprinzip)
Die Zeichnung zeigt das Wirkprinzip der Brinell Härteprüfung

Ursprung der Brinell-Härteprüfung

Kurzbeschreibung
Der Ursprung der modernen, industriellen Härteprüfung wurde begründet durch den schwedischen Ingenieur Johan August Brinell. Dieser entwickelte das nach ihm benannte Härteprüfverfahren, das im Jahr 1900 auf der Weltausstellung in Paris vorgestellt wurde. Diese Härteprüfverfahren wird angewandt für die Härteprüfung von weichen bis mittelharten Metallen. 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 Materialien und für Werkstoffe mit inhomogener Stuktur.

  • unlegiertes Eisen, niedrig legierter Stahl / Baustahl
  • Aluminiumlegierungen, NE-Metalle: Messing, Kupfer ...
  • Gusseisen, Grauguss etc.
  • und inhomogene Strukturen (hier versagen fast alle anderen Metall-Härteprüfverfahren
  • Sintermetalle (ungesintert)
  • Holz (ISO 3350)

Kurzbeschreibung der Brinell-Härteprüfung:

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

Nach einer Belastungszeit von 10 bis 15 Sekunden (Stähle und Gusseisen) oder 10 bis 180 Sekunden (Nichteisen-Metalle und deren Legierungen) wird die Prüflast wieder zurückgenommen. Die Einhaltung der Belastungszeit ist wichtig um dem Fließverhalten des Materials rechnung zu tragen. Jedes Material besitzt ein Fließverhalten (weichere Materialinen höher): Über die Zeit kann der Eindringkörper weiter in das Material eindringen bis das der Eindringvorgang zum Stillstand gekommen ist bzw das Material nicht mehr weiter Verdichtet wird.

Durch eine optische Vermessung des Durchmessers des resultierenden Eindrucks im Werkstück wird die Oberfläche des Eindrucks bestimmt. Der zu bestimmende Durchmesser d wird aus dem Mittelwert von zwei um 90 Grad verdrehte Messungen gebildet (Durchmesser d1 und 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 meist eine Stahlkugel verwendet. Seit 2006 ist eine Hartmetallkugel vorgeschrieben. Je nach Homogenität, Materialdicke und Prüfsituation kommen Kugeln mit unterschiedlichem Durchmesser zum Einsatz: Ø 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 2 mm und 1 mm. Der Einsatz richtet sich ebenfalls nach der Härte der Werkstoffgruppe. Aus der Kombination des Kugeldurchmessers und der Prüfkraft ergeben sich unterschiedliche Belastungsgrade. So ist für Stahl ein Belastungsgrad von HB30 (Kraftverhältnis unter Bezug auf die Kugeloberfläche - Formel F/D²) und für weichere NE-Metalle eine Belastungsgrad von HB10 / HB5 / HB2,5 / HB1 vorzusehen.

Der Belastungsgrad errechnet sich aus der Kraft geteilt durch die Quadratzahl des Kugeldurchmessers (Formel F / D²) und
ermöglicht die richtige Wahl der Prüfbelastung bzw. Prüfmethode. Würde eine zu hoher Belastungsgrad (bezogen auf die Härte
des Materials) gewählt würde die Brinell-Kugel zu tief in das Material eingedrückt. Eine Auswertung ist dann nicht mehr möglich
bzw. falsch.
Zum Zeitpunkt der Entwicklung der Brinell Härteprüfung wurde die Prüflast noch in kg bzw. kp angegeben. Damit ermittelte
Härtewerte, Umwertungstabellen und Materialspezifikationen ihre Gültigkeit behielten wurden die Prüfkräfte beibehalten. Die
in der Tabelle genannten Belastungskräfte (nach dem Schrägstrich) nennen die Prüfkräfte in kp. Da die Umrechnung der
Prüfkräfte in Newton recht ungerade Werte ergeben würden wird in dieser Tabelle auf die metrologisch korrekte Angabe in
Newton verzichtet.

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 aufgezählt. Andere Verfahren sind möglich aber wegen der schlechten Vergleichbarkeit der Ergebnisse nicht üblich.

Die Messung des Durchmessers des Kugeleindrucks (Kugelkalotte) wird mit einem Mikroskop mit geringer Vergrößerung gemessen (je nach Kugeldurchmesser und Prüflast 14 - 100-fach). Die Brinell-Härte wird berechnet aus dem Verhältnis von Prüfkraft zu Eindruckoberfläche. Die Prüfkraft in Newton wird multipliziert 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 o. g. Formel die Kraft F in N, der Kugeldurchmesser D in mm und der mittlere Eindruckdurchmesser d in mm einzusetzen. Der Wert im Nenner ist das Ergebnis der Formel für die Oberflächenberechnung des erzeugten Kugeleindrucks (Kugelkalotte).

Normkonforme Angabe der Ergebnisse einer 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 Wolframkarbid-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

: 220 HBW 5/750/60

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.

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