Prüf­verfahren

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Rockwell

Vickers

Brinell

Knoop

Rockwell Prüfverfahren

Rockwell

ist eine international gebräuchliche Maßeinheit für die Härte technischer Werkstoffe. Das Kürzel besteht aus HR (Hardness Rockwell, Härte nach Rockwell) als Kennzeichnung des Prüfverfahrens gefolgt von einem weiteren Buchstaben, der die Skale und damit die Prüfkräfte und -körper angibt. Grundlage des Prüfverfahrens ist die Eindringtiefe eines Prüfkörpers in den Werkstoff. Somit ergeben sich bei weicheren Werkstoffen steigende Eindringtiefen, die dickere Prüflinge erfordern. Um dem entgegenzukommen, sind nach EN ISO 6508-1 elf Skalen mit unterschiedlichen Prüfkräften und -körpern genormt. Diese Skalen tragen die Buchstaben A-H, K, N und T. Die genormte Darstellung besteht aus dem Härtewert, dem Prüfverfahren und der Skala, beispielsweise 65 HRC oder 90 HRH.

Skalen A, C und D

Bei den Skalen A, C und D wird ein Diamantkegel mit 120° Spitzenwinkel und eine Prüfvorkraft von 98,0665 N verwendet, die Prüfzusatzkraft beträgt bei Skala A 490,3325 N, bei Skala C 1372,931 N und bei Skala D 882,5985 N. Meist eingesetzt ist das Verfahren nach Skala C ( C steht für engl. cone, dt. Kegel). Ebenfalls gängig ist HRA, da hier dünnere Werkstücke geprüft werden können.

h ist die bleibende Eindringtiefe des Prüfkörpers in Millimeter

Skalen B, E - H und K

Diese eignen sich für weichere Werkstücke wie mittelharte Stähle oder Messing, als Prüfkörper wird nach neuester Norm nach 2006 eine Sinterhartmetallkugel (W) eingesetzt, davor waren auch Stahlkugeln (S) zugelassen. Aus diesem Grund wurde auch die Härteskala um 30 Grade erweitert. Bei den Skalen B, F und G hat die Kugel einen Durchmesser von 1,5875 mm, bei den Skalen E, H und K beträgt dieser 3,175 mm. Die Prüfvorkraft entspricht immer 98,0665 N, die Prüfzusatzkraft gliedert sich jedoch folgendermaßen: Skala B und E 882,5985 N, Skala F und H 490,3325 N und Skala G und K 1372,931 N. Am häufigsten findet sich hier die Skala B (B steht für engl. ball, dt. Ball).

Skalen N und T

Für Skala N wird ein Diamantkegel mit 120° Spitzenwinkel benutzt, für Skala T eine Stahl- oder Hartmetallkugel mit 1,5875 mm Durchmesser. Gemeinsam ist den beiden Verfahren die geringere Prüfvorkraft von 29,41995 N und dass sie jeweils in drei verschiedenen Prüfkraftvariationen genormt sind. Dies ist durch eine Zahl gekennzeichnet, die bei den Skalen N und T gleichbedeutend ist. 15 steht für 117,6798 N, 30 für 264,77955 N und 45 für 411,8793 N. Das Kürzel lautet vollständig also beispielsweise HR15N oder HR45T.

Allgemein

Bei der Härteprüfung metallischer Werkstoffe wird das Rockwell-Verfahren wegen der einfachen Handhabung und Auswertung sowie der Automatisierbarkeit am häufigsten angewandt. Die Ermittlung des Härtewertes erfolgt durch die Messung der bleibenden Eindringtiefe.

Die verschiedenen Härteskalen unterscheiden sich hinsichtlich

  • Eindringkörper
  • Prüfvorkraft
  • Prüfgesamtkraft
  • Berechnung des Härtewertes

    • Als Eindringkörper werden je nach Prüfverfahren ein Diamantkegel bzw.eine Hartmetallkugel (W) oder eine Stahlkugel (S) verwendet.


    Lichtinterferenzbild eines Rockwelleindrucks

    Vickers Prüfverfahren

    Härteprüfung nach Vickers (HV)

    Der Brinellprüfung sehr ähnlich ist die im Jahr 1925 von Smith und Sandland entwickelte und nach der britischen Flugzeugbaufirma Vickers benannte Härteprüfung, die zur Prüfung harter und gleichmäßig aufgebauter Werkstoffe dient, aber auch zur Härteprüfung dünnwandiger oder oberflächengehärteter Werkstücke und Randzonen eingesetzt wird. Sie ist in der Norm nach DIN EN ISO 6507-1:2005 bis -4:2005 geregelt. Im Gegensatz zur Rockwellprüfung wird eine gleichseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° unter einer festgelegten Prüfkraft in das Werkstück eingedrückt. Aus der mittels eines Messmikroskops festgestellten Länge der Diagonalen des bleibenden Eindrucks wird die Eindruckoberfläche errechnet. Das Verhältnis von Prüfkraft in der Einheit Newton zur Eindruckoberfläche (d in Millimetern) ergibt mit dem Faktor 0,1891 multipliziert die Vickershärte (HV, engl. VHN = Vickers Hardness Number). Als diese Härteprüfung entwickelt wurde, war es noch allgemein üblich, die Prüfkraft in der Einheit Kilopond anzugeben, und der Faktor betrug 1,8544 (= 2*sin 136°/2).

    dabei ist

    Die Zahl 0,102 ist die Umrechnung von Kilopond in Newton.

    Die Härteprüfung nach Vickers ist in drei Bereiche zu unterteilen:

    1. Vickers-Härteprüfung: F ≥ 49,03 N
    2. Vickers-Kleinkraftprüfung: 1,961 N ≤ F < 49,03 N
    3. Vickers-Mikrohärteprüfung: 0,098 N ≤ F < 1,961 N

    Normgerechte Angabe der Vickershärte

    Neben dem Härtewert muss auch das verwendete Prüfverfahren und die Prüfkraft immer mit angegeben werden.

    Bsp.: 610 HV 10

    wobei:

  • 610 = Härtewert
  • HV = Verfahren
  • 10 = Prüfkraft F in Kilopond

    • Die Vickersprüfung wird normalerweise an einem festen Prüfgerät durchgeführt, welches nicht wackelt oder gestört werden kann. Für Prüfungen an sehr großen und/oder festen Bauteilen gibt es auch tragbare Härteprüfgeräte, die magnetisch oder mechanisch auf oder an dem Prüfstück befestigt werden.

    Die Härteprüfung nach Vickers ist vielseitig einsetzbar und gehört zu den quasi zerstörungsfreien Prüfungen, da nur eine kleine Beschädigung des Bauteils erfolgt, die oftmals akzeptiert werden kann. Bei Bauteilen, die keine Beschädigung nach der Prüfung aufweisen dürfen, gilt es als zerstörendes Prüfverfahren, da das Bauteil durch die Vickers-Härteprüfung beschädigt wird.

    Anwendung findet die Vickershärte beispielsweise in der Angabe „45H“ bei Gewindestiften mit Innensechskant oder „14H“ und „22H“ bei Gewindestiften mit Schlitz sowie in der Zahntechnik bei Dentallegierungen. Die Festigkeitsklassen 14H, 22H, 33H und 45H erhält man durch Division der Härtewerte durch 10, sie entsprechen also Vickershärten HV (min.) von 140, 220, 330 und 450.

    Je nach Prüfkraft unterscheidet man die lieferbaren Vickers-Prüfplatten in

  • Mikro-Platten (HV 0,005 bis HV 10)
    •
  • Makro-Platten (HV 1 bis HV 150)
    •

    Brinell Prüfverfahren

    Härteprüfung nach Brinell

    Die vom schwedischen Ingenieur Johan August Brinell im Jahre 1900 entwickelte und auf der Weltausstellung in Paris präsentierte Methode der Härteprüfung kommt bei weichen bis mittelharten Metallen (DIN EN ISO 6506-1 bis DIN EN ISO 6501-4) wie zum Beispiel unlegiertem Baustahl, Aluminiumlegierungen, bei Holz (ISO 3350) und bei Werkstoffen mit ungleichmäßigem Gefüge, wie etwa Gusseisen, zur Anwendung. Dabei wird eine Hartmetallkugel mit einer festgelegten Prüfkraft F in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes gedrückt.

    Früher wurden als Eindringkörper neben den Kugeln aus Hartmetall auch Stahlkugeln verwendet. Nach dem letzten Stand der Normung ist eine Stahlkugel ab dem Jahr 2006 allerdings 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.

    Nach einer Belastungszeit von 10 bis 15 Sekunden für Stähle und Gusseisen und 10 bis 180 Sekunden für Nichteisenmetalle und deren Legierungen wird der Durchmesser des bleibenden Eindrucks im Werkstück gemessen und daraus die Oberfläche des Eindrucks bestimmt. Der zu bestimmende Durchmesser d ist der Mittelwert zweier rechtwinklig zueinander liegenden Durchmesser d1 und d2 des bleibenden Eindruckes. Bei anisotroper Verformung wird der zur Berechnung der Härte nötige Durchmesser aus dem größten d1 und kleinsten Durchmesser d2 gemittelt.

    Die Brinellhärte ist definiert als das Verhältnis von Prüfkraft zur Eindruckoberfläche. Die Prüfkraft in Newton multipliziert man mit dem Wert 0,102 (also dem Kehrwert von 9,81), um die Krafteinheit Newton in die ältere Einheit Kilopond umzurechnen. Damit wird sichergestellt, dass Härtemessungen unter Verwendung moderner Einheiten dasselbe Resultat ergeben wie historische Werte, die auf heute veralteten Einheiten beruhen.

    In obiger Formel ist die Kraft F in N, der Kugeldurchmesser D und der mittlere Eindruckdurchmesser d in mm einzusetzen. Der Wert im Nenner ergibt sich aus der Formel für die Oberfläche der runden Seite eines Kugelsegments, einer sogenannten Kugelkalotte.

    Normgerechte Angabe der Brinellhärte

    Nach DIN EN ISO 6506-1 Stand: 03/2006 muss neben dem Härtewert auch das verwendete Verfahren, der Kugeldurchmesser und die Prüfkraft immer mit angegeben werden.

    Bsp.: 345 HBW 10/3000

    wobei:

  • 345 = Härtewert
  • HBW = Prüfverfahren(W steht für das Material der Prüfkugel: Wolframkarbidhartmetall)
  • 10 = Kugeldurchmesser D in mm
  • 3000 = Belastung (Kraft F) in Kilopond (kp)

    • Bei einer Belastung, die länger als 15 s dauert, muss die Belastungszeit ebenfalls angegeben werden. Bsp.: 210 HBW 5/750/60

    Eine Abwandlung der Brinellprüfung ist die Prüfung mit dem Poldihammer, bei welcher der Eindruck der Kugel durch einen undefinierten Hammerschlag von Hand erzeugt wird. Wegen der schlagartigen Belastung handelt es sich um ein dynamisches Härteprüfverfahren. Dabei dringt die Kugel rückseitig in einen Metallstab mit definierter Härte ein. Aus dem Verhältnis der beiden Eindruckdurchmesser kann dann die Härte des Prüflings berechnet werden. Die Methode hat den Vorteil, dass mit ihr beliebig gelagerte Prüflinge und verbaute Bauteile vor Ort geprüft werden können. Die auf diese Weise ermittelten Härtewerte stimmen zwar nicht exakt mit den statisch ermittelten Härtewerten überein, für die in der Industrie gestellten Ansprüche sind sie jedoch in den meisten Fällen ausreichend. Die Bezeichnung „Poldi“ stammt vom gleichnamigen Stahlwerk im tschechischen Kladno, wo diese Prüfmethode entwickelt wurde.

    Bei un- und niedriglegierten Stählen kann aus der Brinellhärte mit gewisser Toleranz die Zugfestigkeit (Rm) des Werkstoffes abgeleitet werden. Rm ≈ 3,5 · HBW

    Knoop Prüfverfahren

    Härteprüfung nach Knoop

    Eine Sonderform der Vickers-Härteprüfung ist die Härteprüfung nach Knoop (DIN EN ISO 4545-1 bis -4: Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach Knoop), die von dem amerikanischen Physiker und Ingenieur Frederick Knoop 1939 entwickelt wurde. Die in der Vickers-Prüfung gleichseitige Diamantspitze hat in der Knoop-Prüfung eine rhombische Form.

    Die Spitzenwinkel betragen 172,5° für die lange und 130° für die kurze Seite. Es wird nur die lange Diagonale des Eindrucks ausgemessen. Die Knoop-Prüfung findet häufig Anwendung bei spröden Materialien wie zum Beispiel Keramik oder Sinterwerkstoffen; bei der Härtemessung an Schichtsystemen stellt sie die genaueste Messmethode dar.