Zunächst einmal ist es wichtig zu verstehen, dass Härteprüfungen Materialfehler verhindern. Lieber die falsche Prüfmethode wählen, als Geld zu verschwenden oder grundlegende Defekte zu übersehen. Unterschiedliche Metalle erfordern unterschiedliche Vorgehensweisen.
Was ist Härte?
Härte ist ein Maß für den Widerstand gegen bleibende Verformung. Man drückt etwas in ein Material und beobachtet, wie tief es eindringt. Härtere Materialien widerstehen tieferem Eindringen. Einfache physikalische Gesetze haben komplexe Auswirkungen.
Für dieses Verfahren gibt es verschiedene Skalen, da sich unterschiedliche Materialien unterschiedlich verhalten. Stahl erfordert eine bestimmte Herangehensweise, Aluminium eine andere und Keramik eine ganz andere. Eine einheitliche Skala würde überall Kompromisse bedeuten. Ingenieure verabscheuen Kompromisse.
Der größte Irrtum ist die Annahme, Härte sei gleichbedeutend mit Festigkeit. Das ist falsch. Härte misst den Widerstand gegen das Eindringen in eine bestimmte Region. Festigkeit hingegen misst die Belastbarkeit. Glas ist zwar hart, aber dennoch leicht zu beschädigen.
Die 6 gebräuchlichsten Methoden zur Bestimmung der Metallhärte
Beherrsche diese sechs Methoden. Alles andere sind Spezialvarianten. Jede Methode hat spezifische Anwendungsgebiete, in denen sie ihre Stärken ausspielt.
Rockwell-Härteprüfung
Zunächst ist es wichtig zu wissen, dass Rockwell die Eindringtiefe unter Last misst. Zuerst wird eine geringe Last aufgebracht, dann eine hohe, und anschließend wird die Tiefendifferenz gemessen. Der Test ist schnell, liefert einen direkten Messwert und erfordert keine Berechnungen. Er ist aus gutem Grund ein bewährtes Verfahren in der Industrie.
Drei Härtegradstufen dominieren die Metallbearbeitung. HRC verwendet eine Last von 150 kgf mit einem Diamantkegel-Eindringkörper für gehärteten Stahl und Hartmetalle. HRB verwendet eine Last von 100 kgf mit einer Stahlkugel für weichere Metalle wie Aluminium und geglühten Stahl. HRA verwendet 60 kgf mit einem Diamantkegel für dünnen Stahl und Hartmetall.
Brinell-Härteprüfung
Sie sollten wissen, dass beim Brinell-Verfahren ein großer Kugeleindringkörper unter hoher Belastung eingesetzt wird. Der Eindruckdurchmesser wird optisch gemessen. Der große Eindruck gleicht Materialschwankungen aus. Das Verfahren eignet sich ideal für grobkörnige Werkstoffe wie Guss- und Schmiedeteile.
Warum Brinell-Härteprüfung? Gussteile weisen inhomogene Strukturen auf. Kleine Eindringverfahren erfassen harte Stellen, verfehlen aber weiche Bereiche und liefern somit unbrauchbare Werte. Die große Eindringtiefe der Brinell-Härteprüfung mittelt alle Werte. Dadurch erhalten Sie repräsentative Härtewerte.
Vickers-Härteprüfung
Anschließend sollten Sie wissen, dass Vickers einen Diamantpyramiden-Eindringkörper verwendet. Gemessen wird die Diagonale des quadratischen Eindrucks. Für alle Härtegrade wird derselbe Eindringkörper verwendet. Die Prüflast reicht von 1 gf bis 100 kgf.
Die Vielseitigkeit des Lastbereichs macht Vickers universell einsetzbar. Die Mikrohärteprüfung arbeitet mit 1 bis 1000 gf, die Makrohärteprüfung mit 1 bis 100 kgf. Das Prüfprinzip ist dasselbe, nur die Skalen sind unterschiedlich. Ein einziges Verfahren eignet sich für alles, von weichen Beschichtungen bis hin zu gehärtetem Hartmetall.
Knoop-Härteprüfung
Knoop verwendet hingegen einen länglichen Diamant-Eindringkörper. Dieser erzeugt einen asymmetrischen Eindruck und misst ausschließlich die lange Diagonale. Die Belastungen reichen von 10 bis 1000 gf.
Die Knoop-Härteprüfung ist dann angebracht, wenn die Vickers-Härteprüfung zu Rissen in der Probe führen würde. Dies gilt insbesondere für spröde Materialien wie Keramik und Glas, sehr dünne Beschichtungen, bei denen die Tiefe entscheidend ist, sowie für Prüfungen in Randbereichen mit begrenztem Platzangebot. Auch anisotrope Materialien, bei denen die Richtung eine Rolle spielt, sollten geprüft werden.
Leeb-Härteprüfung
Darüber hinaus misst Leeb die Rückprallgeschwindigkeit. Dazu lässt er einen Aufprallkörper mit einer Wolframkarbidkugel auf eine Oberfläche fallen und misst anschließend die Rückprallhöhe. Je höher der Rückprall, desto härter das Material.
Mobile Prüfgeräte haben alles verändert. Man kann das Prüfgerät direkt zum Bauteil bringen, anstatt Proben zu entnehmen. Große Gussteile lassen sich vor Ort prüfen. Kranhaken können ohne Demontage verifiziert werden. Feldtests sind auch ohne Laborzugang möglich.
Shore-Härteprüfung
Die Shore-Härteprüfung eignet sich auch für Elastomere und weiche Kunststoffe. Ein federbelasteter Eindringkörper misst die Eindringtiefe. Für unterschiedliche Materialbereiche sind verschiedene Skalen erforderlich: Shore A für weichen Gummi, Shore D für harte Kunststoffe.
Gängige Härteskalen sind Shore A, Shore D und Shore 00 für extrem weiche Materialien. Jede Skala deckt einen bestimmten Härtebereich ab.
Vergleich und Umrechnung von Härteskalen
Eine Umrechnung zwischen verschiedenen Härtegraden ist erforderlich, wenn Lieferanten unterschiedliche Härtegrade angeben. Die Kundenspezifikation ist HRC, das Materialzertifikat hingegen HB. Daher ist eine Umrechnung notwendig.
Es gibt genormte Umrechnungstabellen für Stahl, wie z. B. ASTM E140, Rockwell zu Brinell, Brinell zu Vickers. Diese Tabellen sollten für Eisenwerkstoffe verwendet werden.
Wichtiger Hinweis: Umrechnungen sind Schätzwerte. Verschiedene Materialien verhalten sich bei der Umrechnung unterschiedlich.
Bei der Verwendung ungleicher Werkstoffe kommt es zu ineffektiven Umrechnungen. Die Umrechnung von warmgewalztem Stahl (HRC) in warmgewalzten Stahl (HRB) gelingt bei Stahl, schlägt jedoch bei Aluminium fehl. Die übergreifende Prüfung verschiedener Werkstoffklassen liefert unbrauchbare Ergebnisse. Für Nichteisenmetalle sind werkstoffspezifische Umrechnungsdaten erforderlich.
Wie Sie den richtigen Härtetest für Ihre Anwendung auswählen
Zuerst ist die Materialart ausschlaggebend. An zweiter Stelle stehen die Maschinenkapazitäten. Schließlich sollten Sie unbedingt die Genauigkeitsanforderungen berücksichtigen.
Überlegungen zur Materialart
Eisenmetalle werden bevorzugt nach Rockwell für die Herstellung und nach Brinell für den Guss verarbeitet. Nichteisenmetalle werden je nach Härtegrad nach Rockwell B oder Brinell verarbeitet. Bei sehr weichen Werkstoffen sind geringe Belastungen im Brinell-Verfahren erforderlich.
Bei gehärtetem und geglühtem Stahl verhält es sich völlig anders. Geglühter Stahl wird nach dem HRB-Verfahren bewertet. Wählt man eine ungeeignete Skala, verharren die Werte entweder in den Extrembereichen oder sind völlig sinnlos.
Homogene Strukturen können beliebigen Bearbeitungsprozessen unterzogen werden. Grobkörnige Strukturen erfordern einen sehr hohen Brinell-Eindringgrad. Gussmaterialien: Gusseisen, Bronze, Pulvermetallurgie.
Besondere Sorgfalt ist der Oberflächenbehandlung und Beschichtung zu widmen. Einsatzgehärtete Bauteile müssen nur leicht eingedrückt werden. Die Härtetiefe kann mit Vickers oder Knoop geprüft werden. Leeb eignet sich für eine schnelle Prüfung und kennt sich mit Genauigkeit aus.
Stichprobengröße und Geometrie
Für alle Eindringverfahren gelten Dickenbeschränkungen. Die Mindestdicke entspricht dem Zehnfachen der Eindringtiefe. Wird diese Regel nicht eingehalten, sind die Ergebnisse nicht aussagekräftig. Das Substrat beeinflusst die Messwerte.
Die benötigte Prüffläche variiert je nach Prüfverfahren. Brinell benötigt eine große, ebene Fläche, Rockwell weniger. Vickers eignet sich für kleine Teile. Wählen Sie das Prüfverfahren passend zur verfügbaren Prüffläche.
Gekrümmte Oberflächen und unregelmäßige Formen erschweren die Prüfung. Leeb eignet sich am besten dafür. Rockwell erfordert eine ebene Fläche. Brinell verlangt eine noch größere ebene Fläche. Vickers toleriert kleine ebene Flächen, benötigt aber optischen Zugang.
Wenn mobiles Testen die einzige Option ist, ist Leeb trotz Genauigkeitsbeschränkungen die beste Wahl. Man kann ein 450 kg schweres Gussteil nicht ins Labor transportieren. Bringen Sie das Testgerät stattdessen zum Gussteil.
Anforderungen an Genauigkeit und Auflösung
Die Produktionsqualitätskontrolle verwendet Rockwell- oder Brinellhärteprüfungen. Schnelle Prüfungen liefern eine ausreichende Genauigkeit. Sie helfen, Materialverwechslungen aufzudecken und die Wärmebehandlung zu überprüfen. Geschwindigkeit ist wichtiger als Präzision.
Forschung und Entwicklung erfordern Vickers-Messungen. Mikrostrukturanalyse, Beschichtungsoptimierung, Materialentwicklung. Präzision ist wichtiger als Geschwindigkeit. Dokumentieren Sie alles mit mikrometergenauer Genauigkeit.
Die Feldprüfung stützt sich trotz Einschränkungen auf Leeb. Überprüfen Sie die installierte Ausrüstung, kontrollieren Sie verdächtige Teile und durchsuchen Sie die Materialien. Eine grobe Genauigkeit ist besser als gar keine Daten. Untersuchen Sie kritische Befunde im Labor.
Ausrüstung kostet Geld. Schulungen kosten Geld. Kalibrierungen kosten Geld. Bevor Sie die Ausrüstung kaufen, müssen Sie daher die Gesamtkosten berechnen.
Häufige Fehler bei Härteprüfungen und wie man sie vermeidet
Fehler bei der Oberflächenvorbereitung beeinträchtigen die Messgenauigkeit. Zunder, Rost, Beschichtungen und raue Oberflächen können die Prüffläche stark beeinflussen. Reinigen Sie die Prüffläche mit einer Feile oder einem Schleifgerät. Die Oberflächenbeschaffenheit hat einen größeren Einfluss auf optische Messverfahren als die Rockwell-Härte.
Ein falscher Prüfabstand zwischen den Eindrücken ist ein Fehler. Der Mindestabstand entspricht dem Dreifachen des Eindringdurchmessers. Ein zu geringer Abstand ermöglicht die Wechselwirkung von Spannungsfeldern und führt zu unbrauchbaren Ergebnissen. Halten Sie die Abstandsvorgaben unbedingt ein.
Die falsche Skalenwahl kostet Zeit. Gehärteten Stahl mit HRB prüfen? Messwerte erreichen den Maximalwert. Aluminium mit HRC prüfen? Messwerte erreichen den Minimalwert. Die Skala muss dem erwarteten Härtebereich entsprechen.
Vernachlässigte Kalibrierung führt allmählich zu größeren Messfehlern. Eine jährliche Kalibrierung deckt Geräteabweichungen auf. Verwenden Sie vor kritischen Messungen zertifizierte Prüfblöcke. Dokumentieren Sie die Kalibrierungshistorie.
Umrechnungsfehler verstärken sich bei mehrfacher Umrechnung. Die Umrechnung von HRC über HB nach HV vervielfacht die Näherungsfehler. Führen Sie Umrechnungen nur einmal durch, wenn unbedingt nötig. Vermeiden Sie unbedingt mehrere Umrechnungen hintereinander.
Abweichungen von der zulässigen Probendicke führen zu fehlerhaften Messdaten. Die Eindringtiefe überschreitet die vorgegebene Dicke. Das Substrat beeinflusst den Messwert. Die Ergebnisse sind wertlos. Überprüfen Sie die Dicke vor der Prüfung.
Abschluss
Warum die Brinell-Härteprüfung bei Schwermaschinen bevorzugt wird: große Bauteile, grobe Mikrostrukturen und Stoßbelastung. Die Brinell-Eindringprüfung liefert bessere Mittelwerte der Materialeigenschaften als Verfahren mit kleinen Eindringtiefen. In anspruchsvollen Anwendungen ist die bewährte Zuverlässigkeit unerlässlich.