Härteprüfung

Bestimmung der Härte durch den Vergleich von mehreren Werkstoffen, d. h. des Eindringungswiderstandes eines stets härteren Körpers in den zu untersuchenden Stoff. Die Bedeutung der Härteprüfung liegt darin, dass die Härte eine dem jeweiligen Zustand der Werkstoffe kennzeichnende, in weiten Grenzen veränderliche Eigenschaft ist, die sich leicht und schnell (oft ohne besondere Probenahme) ermitteln lässt und dass das geprüfte Teil dabei meistens nicht unbrauchbar wird. Außerdem lassen sich in gewissen Grenzen Rückschlüsse auf die Zugfestigkeit ziehen.

Führende Hersteller von Härteprüfmaschinen sind u. a. EMCO-TEST Prüfmaschinen GmbH, Qness GmbH, Zwick GmbH & Co. KG, Schütz + Licht Prüftechnik GmbH.

In der Technik wird die Härte von Metallen nach dem Eindruckverfahren gemessen, wobei ein Prüfkörper (Kugel, Kegel, Pyramide) aus Stahl, Hartmetall oder Diamant unter einer festgelegten Belastung in den zu prüfenden Werkstoff eindringt.

Man unterscheidet zwischen statischer Härteprüfungen bei der die Belastung langsam erfolgt (Härteprüfungen nach Brinell, Rockwell und Vickers) und dynamischer Härteprüfung (Poldi- bzw. Baumannhammer – Rücksprunghärte und Rücksprunghärteprüfung nach Shore), wo der Prüfkörper entweder stoßartig eindringt oder aufprallt.

Härteprüfung nach Brinell:


Bei der Härteprüfung nach dem schwedischen Ingenieur J. A. Brinell (1849 - 1925) wird eine Hartmetallkugel mit einer bestimmten Prüflast sowie einer festgelegten Einwirkdauer (10 bis 15 Sekunden für Stähle und Gusseisen und 10 bis 180 Sekunden für NE-Metalle und deren Legierungen) in den Werkstoff gedrückt, und als Härtemaß das Verhältnis der Last zur bleibenden Eindrucksoberfläche bestimmt. Diese Härteprüfung ist in der DIN EN ISO 6506-1 bis 4 genormt. Die früher verwendeten gehärteten Stahlkugeln sind nach der gültigen Norm ab 2006 nicht mehr zulässig. Die Norm schreibt jetzt für alle Stoffe Kugeln aus Sinterhartmetall vor. Die verwendeten Kugeln haben Durchmesser von 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 2 mm und 1 mm. Die Brinellhärte ist proportional dem Quotienten aus Prüfkraft F und Oberfläche A des bleibenden Eindruckes (Bild 1).

Glg. 1:
HBW = frac{0,102 cdot 2 cdot F}{A} = frac{0,102 cdot 2 cdot F}{pi cdot D (D - sqrt{D^2} - d^2)}

Nach der Norm DIN EN ISO 6506-1 muss immer der Härtewert, das Verfahren, der Kugeldurchmesser und die Prüfkraft angegeben werden, beispielsweise 300 HBW 10/3000.
Härtewert = 300; HBW = Prüfverfahren (W = Wolframkarbidhartmetall, Material der Prüfkugel); 10 = Kugeldurchmesser in mm; 3000 = Kraft F in N

Glg. 2: R_m = 3,25 cdot HBW

Bei un- und niedriglegierten Stählen besteht mit einer gewissen Toleranz eine direkte Beziehung zwischen der Brinellhärte und der Zugfestigkeit:

Härteprüfung nach Rockwell:


In ISO 6508-1 (DIN EN 10109) nach Stanley Rockwell genormte Härtemessung. Dabei ergibt sich die Rockwellhärte eines Werkstoffs im Gegensatz zu den Verfahren nach Brinell und Vickers aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers bei Anliegen einer bestimmten Vor- und Prüfkraft.

Mit einer vorgegeben Prüfkraft wird der Prüfkörper in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks gedrückt und so vorbelastet. Die Tiefe des Eindringens des Prüfkörpers bei Vorlast dient dabei als Bezugsebene. Anschließend wird der Eindringkörper mit mindestens zwei und maximal sechs Sekunden mit der Hauptlast belastet, dann wird sie wieder entfernt, so dass nur noch die Vorlast wirksam ist. Die Differenz der Eindringtiefen vor und nach Auflegen der Hauptlast ist das Maß für die Rockwellhärte des Werkstoffs.

Je nach angewandter Normskala berechnet sich der Wert der Rockwellhärte unterschiedlich aus der Eindringtiefe, die mit einer Messuhr festgestellt wird, welche mit der Prüfspitze verbunden ist. So wird bei Verfahren nach Skala C (HRC) ein kegelförmiger Prüfkörper aus Diamant verwendet.

Der Prüfablauf kann wie folgt beschrieben werden: Vorkraft aufgeben – Messuhr nullen – Hauptkraft zusätzlich aufgeben – Einwirkdauer abwarten (abhängig vom Kriechverhalten des Werkstoffes) – Hauptkraft aufheben – Härtewert an der Messuhr ablesen – Vorkraft aufheben.

Härteprüfung nach Vickers:

Härteprüfung nach DIN EN ISO 6507-1 bis 4 mittels eines Diamant-Eindringkörpers, der unter einer Prüfkraft in die Probenoberfläche eingedrückt wird. Diese Prüfung wurde im Jahr 1925 von Smith und Sandland entwickelte und nach der britischen Flugzeugbaufirma Vickers benannt, sie ist der Brinellhärteprüfung sehr ähnlich. Im Gegensatz zur Rockwellprüfung wird eine gleichseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° unter einer festgelegten Prüfkraft in das Werkstück eingedrückt (Bild 2).

Von dem bei der Härteprüfung erzeugten Eindruck in der Probenoberfläche werden die Diagonalen d gemessen; daraus bestimmt man den Mittelwert und berechnet die Vickershärte HV unter Berücksichtigung der Prüfkraft F in N nach Glg. 3:

Glg. 3:
HV= frac{0,102 cdot 2 cdot F cdot sin frac{136^circ}{2}}{d^2} approx 0,1891frac{F}{d^2}

Glg. 4:
d= frac{d_1 + d_2}{2}

Laut Norm muss auch hier immer das verwendete Prüfverfahren und die Prüfkraft angegeben werden, beispielsweise 600 HV 10.
610 = Härtewert; HV = Verfahren; 10 = Prüfkraft F in NNach DIN EN ISO 6507 sind die entsprechenden Prüfkräfte anzuwenden.

Außerdem ist die Härteprüfung nach Vickers in drei Bereiche zu unterteilen:

Härteprüfung nach Shore:

Ein wenig angewandtes Verfahren, bei dem ein Fallkörper von 20 g mit abgerundeter Diamantspitze, auch Fallhammer genannt, aus einer Höhe von 112 mm frei auf die Prüffläche, von der er wieder zurückspringt, fällt. Eine Spreizvorrichtung hält den Fallkörper in seiner höchsten Rücksprunglage fest, die dann ein Maß für die Härte ist. Es ist ein sehr simples Verfahren, die Präzision jedoch hängt sowohl von der Masse des Werkstücks (bei kleinen Werkstücken kann es leicht zum Verrutschen kommen) als auch von der perfekten Senkrechte der Fallachse ab. Der Härtewert wird in Shore Punkten ausgedrückt.

Film 1
Film 2
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