Die Geschichte der Härteprüfung

Die Geschichte der Härteprüfung

Härteprüfungen werden an den meisten Werkstoffen, und insbesondere an Metallen, in der einen oder anderen Form bereits seit mehr als 250 Jahren durchgeführt und geben wichtige Aufschlüsse über die Eigenschaften eines Werkstoffs. Die Bedeutung dieses Kennwerts kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Die bei einer Härteprüfung gewonnen Informationen können Kennwerte aus anderen Prüfverfahren wie z.B. Zug- oder Druckprüfungen ergänzen und werden häufig in Verbindung mit diesen eingesetzt. Um die Bedeutung der Werkstoff- und Härteprüfung zu ermessen, denke man nur an die Rolle der dadurch gewonnenen Daten und deren Bedeutung für mechanische Strukturen, für Luftfahrt, Automobilbau und Qualitätssicherung, für die Versagensanalyse und viele andere Bereiche von Industrie und Technik. Die Bestimmung dieser Materialeigenschaften ermöglicht wertvolle Erkenntnisse zur Haltbarkeit, Festigkeit, Biegsamkeit und Leistungsfähigkeit einer Vielzahl von Prüfkörpern, von Rohmaterialien über bearbeitete Proben bis hin zu fertigen Bauteilen. Im Lauf der Jahre wurden verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Härte von Werkstoffen entwickelt und mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt. Im Verlauf der Entwicklung von den anfänglichen Kratzprüfungen zur modernen automatischen Härteprüfung mit bildgebenden Verfahren ist die Härteprüfung zu einem effizienten, präzisen und wertvollen Verfahren der Werkstoffprüfung geworden.

Prüfverfahren und Geräte haben sich im Lauf der Zeit und insbesondere in den letzten Jahren signifikant weiterentwickelt, gestützt durch die parallele Entwicklung von moderner Elektronik, Rechnertechnik, Hardware und Programmierungsmöglichkeiten. Andererseits waren jedoch die früheren einfachen Verfahren der Härteprüfung, wie z.B. die einfachen Kratzprüfungen, für die Bedürfnisse der jeweiligen Zeit durchaus ausreichend. Eine der frühestens Formen der Härteprüfung mit einem Härteprüfstab geht bis auf das Jahr 1722 zurück. Diese Prüfungen basierten auf einem Prüfstab, dessen Härte von einem Ende zum anderen anstieg. Der Bereich, in dem das zu prüfende Material einen Kratzer in den Stab einbringen konnte, war der bestimmende Faktor für die Härte der Probe. In der Folge, nämlich 1822, wurden Formen der Härteprüfung eingeführt, bei denen die Materialoberfläche mit einem Diamanten geritzt und die Breite der daraus resultierenden Linie gemessen wurde, eine Prüfung, die später als Mohs-Härteskala bezeichnet wurde, und die in manchen Bereichen auch heute noch eingesetzt wird. Die Mohs-Härteskale umfasst 10 Minerale, die vom härtesten (Diamant) bis zum weichsten (Talk) geordnet sind. Jedes Mineral kann die in der Skalenhierarchie darunter liegenden einritzen. Die Mohs-Skala ist nicht linear, der Unterschied in der Härte zwischen 9 und 10 ist wesentlich höher als der zwischen 1 und 2. Um ein Beispiel für die Größenordnungen auf der Mohs-Skala zu nennen: ein gehärteter Werkzeugstahl liegt auf der Skala etwa bei 7 oder 8. Im Lauf der nächsten 75 Jahre wurden diese Kratzprüfungen verbessert, unter anderem durch die Entwicklung von Vorrichtungen mit integriertem Mikroskop, Probentisch und Diamanten, mit denen steigende Prüfkräfte bis 3 g aufgebracht werden konnten. Das zu prüfende Material wurde unter verschiedenen Kräften geprüft und mit Standardritzmustern mit bekanntem Wert verglichen. Bei einer anspruchsvolleren Variante dieses Systems kam ein Diamant zum Einsatz, der am Ende einer kegelförmig zulaufenden Feder montiert war. Das andere Ende wurde mit einem Waagebalken mit einem 3g-Gewicht verbunden. Das zu prüfende Material wurde manuell mit einem Handrad und einem Schneckenradsystem bewegt, auf dem oben ein Probentisch und eine Haltevorrichtung für das Material saß. Das Material wurde dann unter gleichbleibendem Druck verfahren und der daraus resultierende "Schnitt" im Material unter einem Mikroskop mit Fadenkreuz-Okular vermessen. Eine für das Verfahren spezifische mathematische Formel wurde dann zur Bestimmung der Härte verwendet.

Noch später kamen dann Eindringhärteprüfungen auf; eine frühe Form, die ca. 1859 entwickelt wurde, basierte auf der Kraft, die benötigt wurde, um einen 3,5 mm tiefen Eindruck im Material zu erzeugen. Die Tiefe wurde mit einem Nonius abgelesen, und die Gesamtkraft, die erforderlich war, um die Eindringtiefe von 3,5 mm zu erreichen, wurde als Härte bezeichnet. Der Eindringkörper bestand aus einem stumpfen Kegel, der von 5 mm am oberen Ende bis auf 1,25 mm an der Spitze spitz zulief. Dieses Verfahren war bei weichen Materialien relativ effektiv. Bei einer weiteren frühen Form einer Eindring¬prüfung wurden rechtwinklige Geometrien des gleichen Prüfmaterials ineinander gedrückt und die Breite des entstehenden Eindrucks gemessen. In den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelten sich aus dieser Technik unterschiedliche Formate, die ebenfalls auf dem "gegenseitigen" Eindringen eines zylindrischen Prüfmaterials beruhten, wobei die Längsachsen rechtwinklig zueinander eingedrückt wurden.

Härteprüfung nach Brinell

Die erste weithin akzeptierte und standardisierte Eindringhärteprüfung wurde von J. A. Brinell im Jahre 1900 vorgestellt. Brinells Interesse an der Werkstofftechnik entsprang seiner Tätigkeit bei mehreren schwedischen Eisenproduzenten und dem Wunsch, ein einheitliches und möglichst wenig zeitaufwändiges Verfahren zur Bestimmung der Härte von Werk¬stoffen zur Verfügung zu haben. Bei der auch heute noch weit verbreiteten Brinell-Härte¬prüfung wird eine Stahl- oder heutzutage Wolframkarbid-Kugel mit einem Durchmesser von 1 bis 10 mm mit hohen Kräften bis zu 3000 kg in eine Metalloberfläche eingedrückt. Der Durchmesser des sich ergebenden Eindrucks wird nach Ende der Krafteinwirkung mit einem schwachen Mikroskop vermessen. Der Mittelwert zweier Messungen des Eindruckdurchmessers im Winkel von 90° wird ermittelt und mathematisch in einen Härtewert umgerechnet. Mit dem Brinell-Härtetest wurde im Wesentlichen die routinemäßige Verwendung der Eindringhärteprüfung eingeleitet und der Weg für weitere Härteprüfungen eröffnet, die für bestimmte Materialtypen relevanter waren.

Härteprüfung mit dem Skleroskop

Ungefähr zur gleichen Zeit, als Brinell sein Verfahren entwickelte, entstand auch der Skleroskop-Härteprüfer als eines der ersten "schädigungsfreien" Härteprüfgeräte. Albert F. Shore, der Gründer der Shore Instrument Manufacturing Company in New York, dessen Name heute für die Härteprüfung mit dem Durometer steht, entwickelte das Skleroskop als alternatives Härteprüfverfahren. Das Skleroskop war mit einem "Fallbolzen" mit Diamantspitze ausgestattet, der in ein Rohr eingebaut war, das an der Vorderseite aus Glas bestand, und der aus einer Fallhöhe von 10 Inch auf eine Probe auftraf. Die Rücksprunghöhe des Fallbolzens wurde auf einer Skala in "Shore"-Einheiten gemessen, die jeweils wiederum in 100 Teile eingeteilt waren und einen Vergleich mit der erwarteten Rücksprunghöhe eines gehärteten hochgekohlten Stahls boten. Der gemessene Härtewert ist technisch gesehen ein Maß für die Elastizität eines Materials. Ein wichtiger Vorteil des Skleroskops war, dass es "nicht destruktiv" war. Im Unterschied zu den anderen zur damaligen Zeit verwendeten Härteprüfverfahren hinterließ das Skleroskop nur eine geringfügige Markierung auf dem zu prüfenden Material, so dass dieses dann mutmaßlich nach der Prüfung weiterverwendet werden konnte.

Im weiteren Verlauf des 20. Jahrhunderts und infolge zweier Weltkriege, die die industrielle Entwicklung rasant vorantrieben, stiegen die Anforderungen an die Fertigung, und im Zuge der weltweiten Industrialisierung wurden genauere und effizientere Prüfverfahren und neue Techniken entwickelt. Als Reaktion auf hohe Anforderungen an die Fertigung, strukturelles Versagen und die Notwendigkeit, Werkstoffe mit ausreichender Festigkeit für eine wachsende globale Infrastruktur bereitzustellen, wurden präzise und effiziente Formen der Prüfung benötigt.

Vickers-Härteprüfung

Der Vickers-Härtetest wurde 1924 von den beiden Ingenieuren Smith and Sandland bei Vickers Ltd, einem technischen Großkonzern in Großbritannien als Alternative zur Brinell-Prüfung entwickelt. Das Verfahren entstand aus der Notwendigkeit, ein Prüfverfahren an der Hand zu haben, das auch für andere Werkstoffe, als die, für die sich die Brinell-Prüfung als wirksam erwiesen hatte, einsetzbar war. Wie die Brinell-Prüfung nutzt auch die Vickers-Härteprüfung das gleiche Prinzip eines kontrollierten Eindrucks im Material, jedoch wird bei dieser Prüfung ein pyramidenförmiger Diamant anstelle des Brinell-Kugeleindringkörpers verwendet. So entstand ein einheitlicherer und vielseitig einsetzbarer Härtetest. 1939 wurde von Fredrick Knoop am National Bureau of Standards der USA eine Alternative zur Vickers-Prüfung eingeführt. Bei der Knoop-Prüfung wurde eine flachere, länglichere Form der Diamantpyramide verwendet, und die Prüfung war für geringere Prüfkräfte ausgelegt als die Vickers-Härteprüfung, was eine genauere Prüfung von spröden oder dünnem Material ermöglichte. Beide Verfahren, Vickers und Knoop, sind auch heute noch in der Härteprüfung weit verbreitet.

Rockwell-Härteprüfung

Die Idee zur Rockwell-Eindringprüfung wurde zwar bereits 1908 von dem Wiener Professor Paul Ludwik entwickelt, kommerzielle Bedeutung erlangte dieses Verfahren jedoch erst ca. 1914, als die Brüder Stanley und Hugh Rockwell, die in einer Fabrik in Bristol, Connecticut, arbeiteten, den Gedanken der Verwendung einer Eindringprüfung mit einem kegelförmigen Diamanten auf der Basis eines Weges erweiterten, und ein Patent für ein Rockwell-Härteprüfgerät anmeldeten. Das Wesentliche bei diesem Prüfgerät war, dass es eine schnelle Möglichkeit zur Bestimmung der Auswirkungen der Wärmebehandlung bei Lagerringen aus Stahl ermöglichte. Einer der großen Vorzüge des Rockwell-Verfahrens war, dass es nur einen sehr kleinen Eindruckbereich benötigte. Außerdem ist das Verfahren sehr viel anwenderfreundlicher, da es direkte Messwerte liefert, ohne dass Berechnungen oder sekundäre Messungen erforderlich sind. Das Patent wurde am 11. Februar 1919 erteilt; 1924 wurde dann eine verbesserte Ausführung patentiert. Gleichzeitig begann Stanley Rockwell in Zusammenarbeit mit dem Gerätehersteller Charles H. Wilson in Hartford, Connecticut, mit der kommerziellen Herstellung von Rockwell-Prüfgeräten. Daraus entstand dann die Wilson Mechanical Instrument Company, die als führender Hersteller von Rockwell-Prüfgeräten bekannt wurde. Nach mehrfachem Eigentümerwechsel gegen Ende des 20. Jahrhunderts wurde Wilson 1993 von Instron übernommen, einem weltweit führenden Unternehmen in der Materialprüftechnik, und ist heute Teil von Instron/Illinois Tool Works. Unter dem Namen Wilson Hardness wurden mit der gebündelten Kompetenz von Instron und Wilson in Verbindung mit der späteren Übernahme der Härteprüfspezialisten Wolpert und Reicherter weltweit führende Härteprüfsysteme entwickelt und gefertigt. Der Rockwell-Test ist noch heute einer der effizientesten und am weitesten verbreiteten Härtetests.

Härteprüfung – heute und in der Zukunft


Die Härteprüfung spielt eine zentrale Rolle in der Werkstoffprüfung, Qualitätskontrolle und Bauteilabnahme. Die dabei gewonnen Daten werden zur Überprüfung der Wärmebehandlung, strukturellen Integrität und Qualität von Bauteilen benötigt und gewährleisten, dass ein Material die benötigten Eigenschaften für die vorgesehene Verwendung hat. Im Lauf der Jahre ist die Härteprüfung durch die Verbesserung traditioneller Prüfgeräte immer produktiver und effektiver geworden, und es sind hoch moderne Verfahren zur Durchführung und Interpretation von Härteprüfungen entstanden, die effektiver sind als je zuvor. Die Fähigkeiten der Prüfgeräte wurden erweitert, und immer häufiger kann man die Arbeit einfach dem Prüfgerät überlassen, was erheblich zur Steigerung des Durchsatzes und der Einheitlichkeit beiträgt und Härteprüfungen zu einem überaus nützlichen Werkzeug für Anwendungen in der Industrie und in der Forschung und Entwicklung macht, so dass die Werkstoffe, aus denen die Dinge bestehen, die uns in unserem Alltag umgeben, zu einer technisch gut konzipierten, effizienten und sicheren Welt beitragen.

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