Bewährte Verfahren der Härteprüfung

Grundlagen der Härteprüfung

Die Härte der allermeisten Werkstoffe, insbesondere der Metalle, wurde in den letzten 250 Jahren mit ständig verfeinerten Methoden untersucht.. Die allgemein gebräuchlichen Härteprüfverfahren liefern wichtige und aussagekräftige Werkstoffkennwerte von hoher Aussagekraft. Sie geben Aufschluss über Eigenschaften wie Langlebigkeit, Festigkeit, Flexibilität und Fähigkeiten verschiedenster Arten von Materialien, vom reinen Werkstoff über vorbereitete Proben bis zu den daraus gefertigten Produkten. Die Härteprüfung wird in den verschiedensten Branchen genutzt und hat gerade in Branchen wie Bauwesen, Luft- und Raumfahrttechnik, Automobilbau, Qualitätssicherung, Analyse von Materialversagen und anderen Produktions- und Industriebereiche einen besonderes hohen Stellenwert.

Was ist eine Eindringhärteprüfung?

Die grundlegendste und gängigste Definition ist der Widerstand eines Materials gegen bleibende, plastische Verformung. Hierbei wird ein Eindringkörpers mit spezieller Geometrie und definierten Eigenschaften über einen bestimmten Zeitraum unter Krafteinwirkung in das Material gedrückt. Anschließend werden am entstandenen Eindruck bzw. Abdruck entweder die Tiefe oder andere Geometriemaße gemessen. Das Rockwell-Verfahren ist wegen der schnell erlangbaren Ergebnisse die meist verwendete Methode und wird typischerweise bei Metallen und Legierungen eingesetzt. Das Ergebnis ist ein Wert, der auf der Eindringtiefe oder dem nicht zurückgebildeten Eindruck basiert.

Bedeutung von bewährten Verfahren

Für genaue und zuverlässige Rockwell-Härteergebnisse ist unbedingt sicherzustellen, dass Bediener und die verwendeten Methoden die ordnungsgemäßen Prüftechniken und Praktiken befolgen. Wegen der inhärenten Genauigkeit und Präzision von Rockwell-Prüfungen müssen die Härteprotokolle und Normen strikt befolgt werden. Da die Maßeinheit für einen normalen Rockwell-Punkt gerade einmal 0,002 mm entspricht, ist sofort verständlich, dass eine derart genaue Messung auch ein ebenso präzises Messsystem und Vorgehen erfordert. Eine nicht ordnungsgemäße Vorbereitung oder Ausführung einer Rockwell-Härteprüfung kann zu fehlerbehafteten Prüfdaten oder falschen Messwerten führen und kann damit dazu beitragen, dass ein hergestelltes und ausgeliefertes Produkt nicht den Standards entspricht. Dies kann schädliche und verheerende Auswirkungen auf das Verhalten und die Sicherheit der Produkte haben, in diese Materialien verwendet werden.

Rockwell-Prüfverfahren - Prüfskala

  • Materialtyp
  • Probendicke
  • Fläche / Breite
  • Prüfposition
  • Materialhomogenität
  • Skalengrenzen

Materialtyp

Die Befolgung sinnvoller Vorgehensweisen und die Einhaltung der anwendbaren Standards ist relativ unkompliziert und trägt in hohem Maß zum Erhalt von richtigen und präzisen Ergebnissen bei. Jedem Rockwell-Prüfprozess muss eine Bestimmung der geeigneten Härteskala für das zu prüfende Bauteil vorangehen. Es gibt 30 verschiedene Rockwell-Skalen, von denen Rockwell HRC und HRB die meisten Anwendungen für die Prüfung von Stahl, Messing und anderen Metallen abdecken. Mit zunehmender Verbreitung anderer Werkstoffe als Stahl und Messing sowie der Notwendigkeit zur Prüfung dünnwandiger Materialien und Stahlbleche wurde ein grundlegendes Verständnis der bestimmenden Faktoren bei der Auswahl der korrekten Skala erforderlich, um eine genaue Rockwell-Prüfung zu ermöglichen. Dabei gilt es nicht nur, zwischen der normalen Härteprüfung und der Prüfung der Oberflächenhärte mit jeweils drei unterschiedlichen Kräften zu wählen, sondern auch zwischen Diamant-Eindruckkörpern und Stahlkugel-Eindringkörpern mit Durchmessern von 1,5 bis 12,5 mm Durchmesser. Häufig werden bereits in der Designphase des Materials entsprechende technische Spezifikationen verfasst, und der Prüfer kann bei der Auswahl auf die dokumentierten Skalenanforderungen zurückgreifen. Falls keine Spezifikation existiert oder Zweifel an der Eignung einer vorgegebenen Skala bestehen, sollte anhand der folgenden, für die Auswahl der Skala maßgeblichen Faktoren eine Analyse erfolgen:

Materialdicke

Fehlt eine spezifizierte Härteskala, sollte die Materialart bestimmt und mit den einschlägigen Tabellenwerken verglichen werden, in denen die typischen Skalenarten für das gegebene Material aufgeführt sind. In der Regel basieren diese Werke auf historischen Daten und empirischen Informationen. Als Faustregel gilt, dass die größte für das Material vertretbare Kraft verwendet werden sollte, da ein größerer Eindruck die höchste Sicherheit bietet und am wenigsten von der Oberflächenbeschaffenheit des Materials beeinflusst wird. In der Regel werden Diamanteindringkörper für gehärteten Stahl und andere sehr harte Materialien verwendet, während Kugeleindringkörper eher für Werkstoffe wie Messung, Kupferlegierungen oder Aluminium eingesetzt werden. Die Materialzusammensetzung ist ein wichtiger Auswahlfaktor für die Bestimmung der geeigneten Prüfmethoden und -techniken. Es ist jedoch eine Reihe weiterer extrem wichtiger Materialeigenschaften zu beachten.

Abstützung

Von primärer Bedeutung bei der Auswahl der Skala ist die Materialdicke. Da sich die 30 Rockwell-Skalen durch die gesamte Prüfkraft sowie die Art der Eindringkörper unterscheiden, führt eine gegenüber der Materialdicke zu hohe Kraft oder Belastung letztlich zu einer Beeinflussung durch den Aufnahmestempel. Eine derartige Störung des Materialstroms kann zu falschen Messwerten und einer Fehlinterpretation der tatsächlichen Härte des Materials führen. ASTM stellt die Anforderungen der Skalen an die Materialdicke sowohl in tabellarischer als auch in graphischer Form dar. Diese Daten sollten bei einer auf der Materialdicke basierenden Entscheidung über eine geeignete Skala herangezogen werden. Eine allgemeine, näherungsweise Richtschnur ist, dass die Materialdicke mindestens das 10-fache des Eindrucks bei Verwendung eines Diamanteindringkörpers bzw. mindestens das 15-fache der Eindringtiefe bei Verwendung eines Kugeleindringkörpers betragen sollte. Wenn erforderlich, kann die tatsächliche Eindringtiefe eines Eindrucks berechnet werden, um sicherzustellen, dass diese Anforderung erfüllt ist. Im Allgemeinen sollte dies jedoch nicht erforderlich sein, da die Referenztabellen und Kurven für eine fundierte Entscheidung ausreichen. Als letzte Regel sollte am Material der Auflage keine Verformung (an der Unterseite) feststellbar sein.

Rechtwinkligkeit

Auch die Abstützung einer Probe ist bei Rockwell-Härteprüfungen von großer Bedeutung, da an dieser Methode auch eine Tiefenmessung beteiligt ist. Da sich jede Bewegung der Probe auf Eindringkörper und Messsystem überträgt, führt jede Bewegung einen Messfehler in die Prüfung ein. Aufgrund der feinen Auflösung dieser Prüfung (ein Rockwell-Punkt auf der normalen Skala entspricht 0,002 mm) kann eine Bewegung von 0,025 mm bereits einen Fehler von 10 Rockwell-Punkten ausmachen. Der Aufnahmestempel muss passend zur Probengeometrie gewählt werden und eine volle und uneingeschränkte Auflage bieten. Gleichermaßen muss der Stempel ausreichend steif sein, um jedwede Verformung während der Prüfung auszuschließen. Bestimmte Kriterien müssen von allen Aufnahmen erfüllt werden. Ein guter Ausgangspunkt für Referenzinformationen ist die ASTM E18 mit ihren allgemeinen Richtlinien und Empfehlungen zur Härte des Aufnahmestempels. Tragschulter und Oberfläche, auf der die Probe ruht, müssen parallel zueinander stehen, und der Stempel muss die Probe senkrecht zum Eindringkörper bereitstellen. Auflagefläche und Schultern müssen frei von Kerben, Kratzern und Schmutz sein sowie konstruktiv in der Lage sein, die Probe während der Prüfung zu tragen. Aufnahmen sollten regelmäßig - typischerweise vor jedem Gebrauch - geprüft und ausgetauscht werden, wenn sie sich nicht mehr in einem einwandfreien Zustand befinden. Beschädigte, verkerbte oder verschmutze Eindringkörper können zu einer beträchtlichen Drift und Problemen mit der Wiederholbarkeit der Härtemessung führen. Für die verschiedenen, zu prüfenden Probengeometrien werden eine Reihe standardisierter und kundenspezifischer Vorrichtungen angeboten. Einige Beispiele für häufig eingesetzte Aufnahmen sind flache Aufnahmen für plane Flächen, „V“-förmige Aufnahmen für zylindrische Körper und der Zylinderamboss für Teile mit größerem Durchmesser. Weitere gängige Aufnahmen sind der Amboss mit Punktauflage, der einen kleinen, erhabenen Auflagepunkt hat und der zur Prüfung kleiner, dünner oder unregelmäßig geformter Teile sowie von Prüflingen eingesetzt wird, die keine flachen Unterseiten haben. Da der Kontakt zwischen dem Prüfling und dem direkt unter dem Eindruckkörper befindlichen Teil der Auflage von immenser Bedeutung ist, minimiert der kleine, erhabene Auflagepunkt durch Reduzierung der Kontaktfläche mögliche Effekte, die durch die unzureichende Planheit der Kontaktfläche entstehen. Nicht ebene Proben sollten mit der gekrümmten Seite nach unten auf die Punktauflage gelegt werden, um am Prüfort einen sicheren Kontakt mit der Aufnahme zu erhalten. Als Aufnahme für dünne, tafelförmige Produkte wird ein Amboss mit Diamantpunktauflage empfohlen. Diese Aufnahme besitzt eine leicht erhabene, flache und polierte Diamantoberfläche, die den Prüfling aufnimmt und Schäden sowie störende Einflüsse verhindert, die bei einer Standardaufnahme auftreten würden. Diese Aufnahme wird nur in Verbindung mit 15-T- oder 30-T-Rockwell-Skalen eingesetzt. Von der Verwendung eines Diamant-Eindruckkörpers mit einem Amboss mit Diamantpunktauflage wird jedoch abgeraten, da hier ein Bruch von Eindruckkörper und Aufnahme möglich wäre. Für die Prüfung der Außenfläche dünnwandiger Rohre wird der Schwanenhals-Amboss empfohlen. In der Regel wird er auf eine Spindel oder Aufnahmehalterung des Prüfgeräts aufgeschraubt und besitzt am Ende einen Kern als Auflage für die Probe, die über diesen Kern gelegt wird. um Einflüsse der Nachgiebigkeit während der Prüfung zu unterbinden. Für größere Teile stehen Prüftische mit großem Durchmesser zur Verfügung oder ein Aufspanntisch mit T-Nuten, an dem sich die Probe festklemmen lässt. Wegen ihrer Größe und des Gewichts von T-Nuttischen können diese mit Rockwell®-Härteprüfmaschinen eingesetzt werden, bei denen der Eindringkörper nach unten auf einen feststehenden Tisch geführt wird, der am Sockel der Prüfmaschine befestigt ist. (Im Gegensatz z. B. zu einer Zuführung über eine Spindel.) Eine weitere praktische Vorrichtung ist die Vari-Rest-Auflage zur sachgerechten Abstützung langer Teile.

Abstände zwischen Eindringstellen

Eine grundlegende Anforderung bei der Härteprüfung ist, dass die einzudrückende Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung des Eindringkörpers stehen muss und dass sich der Prüfling während des Prüfzyklus nicht bewegen oder rutschen darf. Eine Studie hat gezeigt, dass bei einer HRC-Skala der Einfluss einer angezeigten Neigung von einem Grad zwischen Probenoberfläche und Eindruckkörper-Achse zu einem Härtefehler von 5% führen kann- Um eine genaue Prüfung sicherzustellen, darf der Neigungswinkel nie mehr als 2 Grad betragen. Der senkrechte Stand des Eindringkörpers zur Probe wird durch viele Faktoren beeinflusst, darunter die gegenüberliegenden Materialflächen, der Druckstempel und mechanische Komponenten im Prüfgerät. Weiterhin haben auch Eindringkörper und Eindringkörperhalter eine entscheidende Bedeutung für die Rechtwinkligkeit.

Zylindrische Prüfung und Korrekturfaktoren

Bei der Prüfung von Proben oder Probenblöcken muss ein ausreichender Abstand zwischen den Eindrücken sowie zum Rand sichergestellt sein, um zu verhindern, dass neue Eindrücke von benachbarten Eindrücken oder dem Rand beeinflusst werden. Allgemein ist akzeptiert, dass der Abstand zwischen den Mitten zweier Eindrücke mindestens das Dreifache des Eindruckdurchmessers betragen muss. Für den Abstand zum Probenrand gilt, dass die Mitte des Eindrucks mindestens um das Zweieinhalbfache des Eindruckdurchmessers vom Rand der Probe entfernt sein muss. Durch diese Mindestabstände soll erreicht werden, dass ein Eindruck nicht durch die Härtung und den Materialfluss in der Umgebung des vorhergehenden Eindrucks beeinflusst wird. Weiterhin wird durch den Mindestabstand auch eine ausreichende Abstützung des Kontaktbereichs für den Eindruck sichergestellt.

Oberflächenbeschaffenheit

Beim Prüfen von zylindrischen Oberflächen zeigt sich in den Ergebnissen in der Regel ein geringerer Härtewert als bei einer flachen Probe. Ursache hierfür ist die Krümmung des Prüflings. Das Ausmaß dieses Effekts ist von der angewandten Kraft, der Härte des Materials; der Größe und der Form des Eindrucks sowie vom Durchmesser des Prüflings abhängig. Wenn die Prüfung nur zu Kontrollzwecken dient und alle anderen Faktoren (Probendurchmesser, Skala und Eindruckkörper) konstant sind, reichen die Informationen als Vergleichsdaten und Benchmark für anschließende Prüfungen aus. In den meisten Fällen ist es jedoch besser, die Härte des runden Materials mit dem Härtewert einer Tafel zu vergleichen, so dass Korrekturfaktoren erforderlich sind. Im Fall einer zylindrischen Probe führt der reduzierte seitliche Widerstand gegen den Eindringkörper dazu, dass dieser tiefer in den Werkstoff eindringt. Dies wiederum bedeutet eine geringere Härte des Werkstoffs. Wenn der Durchmesser der Probe mehr als 25 mm beträgt, bietet die Oberfläche eine für genaue Messungen ohne Korrekturfaktoren ausreichende Struktur. Bei Proben mit geringerem Durchmesser muss ein entsprechender Korrekturfaktor auf das Ergebnis angewandt werden. Die meisten digitalen Rockwell-Prüfgeräte verfügen über die Möglichkeit, zylindrische Durchmesser zu messen und mit einem Korrekturfaktor automatisch zu korrigieren. Bei manuellen Messgeräten mit Rundskala ist der Korrekturfaktor den hierzu veröffentlichten ASTM-Tabellen zu entnehmen. Im Gegensatz zu konvexen Proben leisten konkave Oberflächen dem Eindringkörper erhöhten seitlichen Widerstand. Dies resultiert in einer geringeren Eindringtiefe und somit in einer scheinbar größeren Härte. In diesem Fall ist vom Messergebnis ein Korrekturwert zu subtrahieren. Hinweis: Jegliche Korrektur liefert nur ungefähre Ergebnisse. Die Einhaltung exakter Spezifikationen sollte deshalb nicht erwartet werden. Außerdem ist bei einer zylindrischen Probe die exakt radiale Ausrichtung des Eindringkörpers schwierig.

Andere wichtige, zu berücksichtigende Faktoren

Allgemein hat es sich gut bewährt, wenn das zu prüfende Material sauber, glatt und eben ist. Je nach verwendeter Rockwell-Skala unterscheidet sich der Grad der Oberflächengenauigkeit der Probe, ab dem die Härteprüfung beeinflusst wird. Bei geschliffenen Oberflächen liefern die gebräuchlichen Skalen im Allgemeinen genaue Ergebnisse. Allerdings steigt bei den geringeren Prüfkräften der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit und die Notwendigkeit einer glatteren Oberfläche verstärkt sich. Bei der 15 kgf-Skala mit der niedrigsten Härteprüfkraft wird eine polierte oder geläppte Oberfläche empfohlen. Vorsicht ist beim Endbehandeln der Oberfläche vor der Härteprüfung geboten, damit es durch die Bearbeitung nicht zu einer unbeabsichtigten Materialhärtung kommt.
    Bei der Durchführung von Rockwell-Prüfungen sind viele grundlegende, aber wichtige Faktoren zu berücksichtigen.
  • Wichtige Punkte sind Sauberkeit der Probe, der Probenaufnahmen, der Eindringkörper und jeglicher Kontaktflächen. Ebenso wichtig ist der Gesamtzustand der Maschine.
  • Auch der Umgebung der Maschine ist Beachtung zu schenken. Zu meiden sind Bereiche, an denen Vibrationen oder andere Einflüsse auftreten, die den Prüfvorgang oder die Bildauswertung beeinflussen könnten. Am Standort des Prüfgeräts ist ein konstantes Temperaturniveau einzuhalten, die Ast-Empfehlung liegt im Bereich von 50–95° F [10-35° C]. Ein Betrieb der Prüfmaschinen unter extremen Temperaturen kann nachteiligen Einfluss auf die Prüfdaten haben.
  • Wichtig sind auch tägliche, indirekte Kontrollen der Prüfgeräte; die verwendeten Skalen sind mit genormten Härtevergleichsplatten zu kontrollieren. Es wird empfohlen, diese Kontrolle nach Möglichkeit bei jedem Skalenwechsel und zu jedem Schichtbeginn durchzuführen. Die Vergleichsplatten sollten annähernd dem Bereich des Probenwerkstoffs entsprechen und nur mit der kalibrierten Seite verwendet werden. Zu Beginn sollten zwei „Setzungs“-Eindrücke erstellt werden, um einem späteren Setzen der Aufnahmen, Proben und Eindringkörper vorzubeugen. Diese Werte sind vor dem Start der Ergebnisprotokollierung zu verwerfen. Bei der Kontrolle sind fünf Messungen vorzunehmen, dabei müssen die Werte innerhalb der auf Vergleichsplatte und Zertifikat angegebenen Toleranz liegen. Bei einem negativen Kontrollbefund ist die Maschine bis zur Behebung der Fehlerursache außer Betrieb zu nehmen. Die Eindringkörper sind regelmäßig auf Beschädigungen zu untersuchen und gegebenenfalls sofort zu ersetzen.
  • Zwingend erforderlich zur Sicherstellung der Maschinenfunktion und Gewährleistung der Genauigkeitsanforderungen an eine Rockwell-Härteprüfung sind regelmäßige Wartungen und autorisierte Überwachungskontrollen. Gemäß ASTM werden jährliche Wartungen und Überwachungskontrollen für Rockwell-Härteprüfmaschinen empfohlen, wobei die Intervalle bei überdurchschnittlicher Beanspruchung zu verkürzen sind. Die Überwachungskontrolle muss von einer anerkannten Überwachungsinstitution durchgeführt werden, wobei der Überwachungskontrollbericht den Richtlinien des Rockwell-Prüfverfahrens gemäß ASTM E18 entsprechen muss.
  • Härteprüfungen sind ein wichtiges und nutzbringendes Materialprüfverfahren für die Qualitätssicherung, Akzeptanz und Leistungsfähigkeit von Bauteilen. Bei der Beurteilung einer Wärmebehandlung, einer Gefügestruktur oder einer Bauteilqualität sind wir auf entsprechende Daten angewiesen, um beurteilen zu können, ob die Werkstoffe in den Dingen unseres täglichen Gebrauchs ihren Beitrag zu einer hoch entwickelten, effizienten und sicheren Welt leisten. Die richtigen Techniken, die Verfolgung bewährter Vorgehensweisen und die strikte Einhaltung der Normen erbringen gemeinsam eine genaue und Nutzen bringende Rockwell-Härteprüfung.
Lesen Sie dazu unsere Veröffentlichungen in der Publikation „Industrial Magazine“.