Konzepte 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. Zusammen mit anderen durch Versuchsreihen ermittelten werkstoffwissenschaftlichen Kennwerten, wie der Zug- und Druckfestigkeit, liefern sie entscheidende Bewertungskriterien.

Welchen Stellenwert und welchen Nutzen haben die Material- und Härteprüfverfahren?

Betrachten wir die damit gewonnene Information und deren Bedeutung für Bauwesen, Luft- und Raumfahrttechnik, Automobilbau, Qualitätssicherung, Analyse von Materialversagen und andere Produktions- und Industriebereiche. Die Bestimmung dieser Werkstoffeigenschaften eröffnet wertvolle Erkenntnisse über Haltbarkeit, Festigkeit, Flexibilität und Fähigkeiten verschiedenster Arten von Komponenten vom reinen Werkstoff über vorbereitete Proben bis zu den daraus gefertigten Produkten.

Die Härteprüfung ist eine weit verbreitete Form der Materialprüfung. Sie ist relativ einfach durchzuführen, sie ist normalerweise minimal oder vollständig zerstörungsfrei, und die erforderliche Ausrüstung ist im Vergleich mit anderen Materialuntersuchungsverfahren kostengünstig. Außerdem kann sie üblicherweise direkt am Bauteil ohne wesentliche Änderungen durchgeführt werden. Mit dem Fortschreiten der Elektronik und Computertechnik haben sich die Prüfverfahren und Geräte entscheidend verbessert. Die Frühformen der Härteprüfung bestanden aus einfachen Ritzprüfungen. Diese Prüfungen beruhten auf einem Stab mit ansteigender Härte vom einen zum anderen Ende. Der bestimmende Faktor für die Härtestufe einer Probe war der Längenabschnitt des Stabs, in dem die ritzende Probe einen Kratzer formen konnte. Spätere Formen der Härteprüfung bestanden aus dem Ritzen in Materialoberflächen mit einem Diamant und dem Messen der Breite des erzeugten Kratzers. In der Folge entwickelte sich die erste Eindringprüfung mit einer Stahlkugel, die unter Krafteinwirkung in den Werkstoff gedrückt wurde. Mit den steigenden Produktionsanforderungen und der beginnenden Globalisierung wurden immer weiter verfeinerte Verfahren und Maschinen entwickelt. Die Anforderungen der Schwerindustrie, das Versagen ganzer Konstruktionen und die wachsende globale Infrastruktur verlangten nach genauen und effizienten Prüfverfahren. In der jüngsten Zeit führten die bedeutenden Fortschritte bei der Hardware, Elektronik und Software zu einem Entwicklungssprung bei den Härteprüfgeräten, die schnell, zuverlässig und mit höchster Genauigkeit entscheidende Informationen über Werkstoffeigenschaften liefern.

Was genau ist eine Eindringhärteprüfung?

Die grundlegendste und gängigste Definition ist der Widerstand eines Materials gegen bleibende, plastische Verformung. Während andere Arten der Härteprüfung, wie das Rückprall-, elektromagnetische und Ultraschallverfahren in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz gelangen und die Härte mittels anderer Techniken ermitteln, ist die Eindringprüfung ein zuverlässiges, überschaubares und allgemein verständliches Prüfverfahren. 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. Diese Abmessungen fallen bei weicheren Werkstoffen größer aus. Allgemein gebräuchliche Härteprüfverfahren sind Rockwell (Eindringtiefe oder unentdeckter Eindruck), Knoop/ Vickers und Brinell (Eindringfläche). Das Rockwell-Verfahren ist wegen der schnell erlangbaren Ergebnisse die meist verwendete Methode und wird typischerweise bei Metallen und Legierungen eingesetzt. Die Knoop- und Vickers-Verfahren sind besser geeignet für dünne Materialien, Beschichtungen und eingebettete metallographische Teile. Das Brinell-Verfahren eignet sich für Gusseisen, Aluminium und Anwendungen im Stahlbau. Einige Härteprüfungen lassen sich mit einem Handgerät innerhalb von Sekunden durchführen. Der bei der Härteprüfung erzeugte Eindruck kann entweder durch Überschleifen beseitigt werden oder er ist so klein, dass er weder die Funktion noch das Aussehen des Bauteils beeinflusst. Weil die Prüfung an dem Bauteil selbst erfolgt, kann vor der Auslieferung an den Kunden entweder jedes Bauteil oder stichprobenhaft geprüft werden.

Wie werden diese gebräuchlichen Härteprüfverfahren durchgeführt?

Die Härteprüfung nach Rockwell basiert auf dem inversen Verhältnis zwischen der gemessenen zusätzlichen Eindringtiefe des Eindringkörpers aufgrund der aufgebrachten höheren Gesamt- oder Hauptkraft gegenüber der Eindringtiefe aufgrund der zuvor wirksamen (geringeren) Vorkraft. Zu Beginn wird ein geringere Kraft aufgebracht und eine Nullbezugsposition festgelegt. Dann wird die Hauptkraft aufgebracht und nach einem bestimmten Zeitraum wieder bis zur Vorkraft zurückgenommen. Die ermittelte Rockwell-Zahl ist die von der Nullbezugsposition aus gemessene Eindringtiefe bei aufgebrachter Hauptkraft. Die gesamte Ablaufdauer reicht von wenigen Sekunden bis zu 15 Sekunden bei Kunststoffen. Mit der Rockwell-Prüfung erhält man schnell und direkt das Ergebnis ohne die Erfordernis weiterer Dimensionsmessungen. Der meist gebräuchliche Eindringkörpertyp ist ein auf 120° geschliffener Diamantkonus für Prüfungen von gehärtetem Stahl oder Hartmetallen. Für die Prüfung weicherer Materialien werden typischerweise Wolframkarbidkugeln mit Durchmessern von 1/16" bis 1/2" verwendet. Die Kombination aus Eindringkörper und Prüfkraft bestimmt die Rockwell-Skala. Diese Kombinationen ergeben 30 verschiedene Skalen. Eine vollständige Rockwell-Härte besteht aus der festgestellten Härtezahl gefolgt von den Buchstaben HR und der Bezugsskala. Beispielsweise bedeutet die Härtezahl 63 HRC eine Härte von 63 auf der Rockwell-C-Skala. Höhere Werte bezeichnen härtere Werkstoffe wie gehärteten Stahl oder Wolframkarbid. Diese können HRC-Werte bis zu 70 HRC erreichen. Rockwell-Prüfkräfte können sowohl mit Prüfmaschinen mit geschlossenen Regelkreise und Kraftaufnehmer als auch mit Totgewichtmaschinen aufgebracht werden.

Auch die Mikro- oder Makrohärteprüfungen, meist Knoop- oder Vickers-Prüfung genannt, bestehen darin, einen Eindringkörper mit einer bestimmten Form in eine Prüfoberfläche zu pressen. Im Gegensatz zur Rockwell-Prüfung wird bei der Knoop- oder Vickers-Prüfung nur eine einzelne Prüfkraft aufgebracht. Der resultierende Abdruck bzw. die nicht zurückgebildete Fläche wird dann mit einem hochauflösenden Mikroskop in Kombination mit einem Fadenmessokular oder neuerdings mit einer automatischen Bildauswertungssoftware gemessen. Der Knoop-Diamant erzeugt einen länglichen, rautenförmigen Eindruck, dessen lange und kurze Diagonalen in einem Verhältnis von ungefähr 7 zu 1 stehen. Die Knoop-Prüfung ist überwiegend als Mikrohärteprüfung oder Mikroeindringhärteprüfung bekannt. Sie wird normalerweise mit einer Prüfkraft von 10 - 1000 g durchgeführt und eignet sich am besten für kleine Prüfbereiche oder für spröde Materialien, da im Bereich der kurzen Diagonale nur minimale Materialverformungen auftreten. Der Vickers-Diamant erzeugt einen pyramidenförmigen, quadratischen Eindruck mit einer Tiefe von etwa 1/7 der Diagonallänge. Die Vickers-Prüfung verfügt zur Abdeckung aller Prüferfordernisse über zwei deutlich voneinander getrennte Prüfkraftbereiche, den Mikrobereich (10 bis 1000 g) und den Makrobereich (1 bis 100 kg). Der Eindringkörper ist für beide Bereiche gleich, daher sind die Vickers-Härtebereiche über die gesamte Härtespanne für Metalle fortlaufend (üblicherweise 100 HV bis 1000 HV). Die Vickers-Prüfung wird überwiegend als Makroeindringprüfung bezeichnet und für einen weiter gefassten Materialbereich verwendet, einschließlich einsatzgehärteten und Stahlbauteilen. Bei Vickers sind die Eindrücke weniger empfindlich bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit als beim Knoop-Verfahren. Bei beiden Prüfverfahren wird der Härtewert anhand einer Formel ermittelt, die das aus der Fläche gewonnene Maß und die aufgebrachte Prüfkraft verwendet. Eine bequemere und heute üblichere Ermittlungsmethode für die Knoop- und Vickers-Härtewerte ist die Verwendung von Tabellen, elektronischen Rechnern oder elektronischer Bildauswertungsverfahren.

Ein anderes gebräuchliches Härteprüfverfahren, die Brinell-Prüfung, besteht darin, für die Dauer von 10 bis 30 Sekunden mit Hilfe einer Wolframkarbidkugel mit einem Durchmesser von 5 oder 10 mm eine konstante Last oder Kraft aufzubringen, in der Regel zwischen 500 und 3000 kgf. Die Dauer der Belastung stellt sicher, dass der Fließvorgang des Metalls beendet ist. Bei spezifischen Anwendungen werden manchmal geringere Kräfte und Kugeln mit kleineren Durchmessern verwendet. Genau wie beim Knoop- und Vickers-Verfahren wird beim Brinell-Verfahren nur eine einzige Prüfkraft aufgebracht. Nach dem Zurücknehmen der Last wird der entstandene runde Eindruck mit einem niedrig auflösenden Mikroskop oder einem automatischen Messgerät in mm gemessen. Das Brinell-Verfahren wird normalerweise verwendet, um Aluminium- und Kupferlegierungen bei niedrigeren Kräften oder Stahl und Gusseisen bei höheren Kräften auszumessen. Andere Werkstoffe oder hochgradig gehärteter Stahl werden in der Regel nicht mit dem Brinell-Verfahren gemessen. Aufgrund der Abmessungen des Eindringkörpers und der hohen aufgebrachten Kräfte ist die Brinell-Prüfung für die Bewertung von Oberflächenbeschaffenheiten teilweise von besonderem Nutzen. Brinell-Maschinen sind oft für die Aufnahme großer Teile konstruiert, wie Gussteile für Motoren oder Rohre großer Durchmesser.

Härteprüfungen spielen eine wichtige Rolle für die Materialprüfung, Qualitätssicherung und Akzeptanz von Bauteilen. Bei der Beurteilung einer Wärmebehandlung, einer Gefügestruktur oder einer Bauteilqualität sind wir auf entsprechende Daten angewiesen, um beurteilen zu können, ob ein Werkstoff die erwarteten Eigenschaften für seinen beabsichtigten Einsatz aufweist. Da sich eine Korrelation zwischen den Ergebnissen der Härteprüfung und den gewünschten Materialeigenschaften herstellen lässt, die genau diese Daten erzeugt, wird die Härteprüfung in vielen industriellen und Forschungsanwendungen eingesetzt. Dort kann sie sicherstellen, dass die Werkstoffe in den Dingen unseres täglichen Gebrauchs ihren Beitrag zu einer hoch entwickelten, effizienten und sicheren Welt leisten.

Lesen Sie dazu unsere Veröffentlichungen in der Publikation „Quality Magazine“, siehe folgender Link: