Ratgeber
Zum Beispiel bei der Beurteilung des Verschleißverhaltens von sich schnell bewegenden Teilen wie Zahnrädern, Lagerzapfen oder Schneidwerkzeugen. Deren Qualität und Standfestigkeit hängt unmittelbar von der Härte ab.
In unserem Ratgeber informieren wir Sie über die Grundlagen der Härtemessung, über Verfahren und Gerätetypen.
Die Härte ist ein Maß für den Widerstand gegen lokale plastische Verformung. Sie entsteht entweder durch mechanische Eindrücke oder durch Abrieb. Einige Materialien wie Metalle oder Keramik sind bekanntlich härter als andere, zum Beispiel Kunststoffe oder Holz. Prüfen und Messen der Materialhärte spielen eine herausragende Rolle sowohl in der Werkstoffprüfung und Qualitätskontrolle als auch in der Materialforschung oder der Analyse.
Gemessen wird die Härte im Allgemeinen nach drei Prinzipien: der Ritzhärte, der Eindringhärte und der Rückprallhärte.
Ritzhärte
Ritzhärte definiert die Widerstandsfähigkeit eine Probe gegen Bruch oder dauerhafte plastische Verformung durch Reibung mit einem scharfen Gegenstand. Ein spezielles Härtemessgerät ermittelt, wie tief ein Gegenstand aus härterem Material einen Gegenstand aus weicherem Material ritzt. Bei der Prüfung von Beschichtungen bezieht sich die Ritzhärte auf die Kraft, die erforderlich ist, um die Schicht bis zum Substrat zu durchtrennen. Die dafür gebräuchlichste Skala ist die von Mohs, bekannt aus der Mineralogie. Ein Werkzeug zur Durchführung dieser Messung ist das Sklerometer.
Eindringhärte
Eindringhärte misst den Widerstand einer Probe gegen Materialverformung durch konstante Druckbelastung eines scharfen Gegenstands. Prüfungen zur Eindringhärte werden vor allem im Maschinenbau und in der Metallurgie eingesetzt.
Sie beruhen auf der Grundvoraussetzung, dass die kritischen Abmessungen eines Eindrucks gemessen werden kann, der von einem speziell dimensionierten und belasteten Eindringkörper im Härtemessgerät hinterlassen wird. Gängige Skalen für die Eindringhärte sind die von Rockwell, Vickers, Shore und Brinell.
Rückprallhärte
Rückprallhärte, auch dynamische Härte genannt, misst die Höhe des Rückpralls eines diamantbesetzten Hammers, der aus einer festgelegten Höhe auf ein Material fällt. Diese Art der Härtemessung ist mit der Elastizitätsmessung verwandt.
Das Gerät, mit dem diese Messung durchgeführt wird, ist ein so genanntes Skleroskop. In der Rückprallhärteprüfung dominieren zwei Skalen, und zwar die nach Leeb und die Bennett-Härteskala.
Leeb
Der Leeb-Rückprall-Härtetest, abgekürzt LRHT, gilt als eine der vier am häufigsten verwendeten Methoden zur Bestimmung der Metallhärte. Er wird hauptsächlich für die Prüfung ausreichend großer Werkstücke verwendet. Es misst den so genannten Restitutionskoeffizienten und gehört zu den zerstörungsfreien Prüfungen.
Nach dem dynamischen Leeb-Prinzip wird der Härtewert aus dem Energieverlust eines definierten Schlagkörpers nach dem Auftreffen auf eine Metallprobe abgeleitet. Als Maß für den Energieverlust durch plastische Verformung gilt der Leeb-Quotient: Von härteren Probekörpern prallt der Schlagkörper des Härtemessgeräts schneller ab als von weicheren, was zu einem größeren Wert führt. Bei einem magnetischen Schlagkörper lässt sich die Geschwindigkeit aus der Spannung ableiten, die der Körper bei seiner Bewegung durch die Messspule induziert.
Während bei den traditionellen statischen Prüfungen die Prüfkraft gleichmäßig mit zunehmender Größe aufgebracht wird, erfolgt bei den dynamischen Prüfverfahren eine Momentbelastung. Eine Prüfung dauert nur zwei Sekunden und hinterlässt mit dem Standardprüfkopf D einen Eindruck von nur rund 0,5 Millimeter Durchmesser auf Stahl oder Stahlguss mit einer Leeb-Härte von 600 HLD. Zum Vergleich: Ein Brinell-Eindruck auf dem gleichen Material beträgt etwa drei Millimeter mit einer normgerechten Messzeit von rund 15 Sekunden plus der Zeit für die Messung des Eindrucks.
UCI
Die Abkürzung UCI steht für Ultrasonic Contact Impedance, zu Deutsch etwa Ultraschall-Kontakt-Widerstand. Diese Methode bestimmt die Härte durch Messung der Frequenz eines schwingenden Stabes.
Der Stab besteht aus einer Metallwelle mit Vibrationselement und einem pyramidenförmigen Diamanten, der an einem Ende montiert ist.
Für das Messen mit einem Härteprüfgerät wird der Diamant durch Federdruck in das Material gedrückt. Das Gerät misst die Materialfrequenz und vergleicht sie mit der Frequenz in Luft.
Bei harten Materialien ist die Frequenz niedriger und steigert sich mit zunehmender Größe des Eindrucks. Die Frequenzverschiebung wird schließlich in einen Härtewert umgerechnet.
Hauptvorteile der UCI-Methode sind die Möglichkeit zur Härteprüfung von kleinen Teilen, dünnwandigen Produkten, Produkten mit schwierigem Zugang zum Prüfbereich oder mit oberflächengehärteter Schicht.
Brinell
Die Brinell-Skala wird häufig zum Bestimmen der Eindringhärte bei weichen und dünnen Materialien genutzt. Sie wurde von dem schwedischen Ingenieur Johan August Brinell im Jahr 1900 vorgeschlagen und ist das älteste Härtetestverfahren. Als Eindringkörper oder Penetrator im Innern des Härteprüfgeräts dient eine gehärtete Stahlkugel mit unterschiedlichen Durchmessern. Für härtere Materialien werden Wolframkarbidkugeln verwendet. Als Messwert dient der Durchmesser des Kugeleindrucks auf der Materialoberfläche.
Brinell-Härtemessungen sind sehr empfindlich gegenüber dem Zustand der Oberflächenvorbereitung, dafür ist das Verfahren kostengünstig. Der Nachteil der Grundflächengröße als Maßstab wird zum Vorteil für die Messung von heterogenen Materialien, wie beispielsweise Gusseisen. Für dieses Material wird das Brinell-Verfahren als Methode der Wahl angesehen.
Vickers
Die Vickers-Härteprüfung wurde 1921 als Alternative zum Brinell-Verfahren entwickelt. Die Vickers-Prüfung ist oft einfacher anzuwenden als andere Härteprüfungen, da die erforderlichen Berechnungen von der Größe des Eindringkörpers unabhängig sind. Zudem lassen sich mit Härtemessgeräten nach dem Vickers-System Eindringkörper für alle Werkstoffe unabhängig von ihrer Härte verwenden. Der Vickers-Test ist für alle Metalle geeignet und bietet eine der breitesten Skalen unter den Härteprüfungen. Die Einheit der Härte wird als Vickers-Pyramidenzahl (HV) oder Diamantpyramidenhärte (DPH) bezeichnet.
Shore
Das Shore-Durometer ist ein Härtemessgerät für weiche Materialien, typischerweise Polymere, Elastomere und Kautschuke. Höhere Zahlen auf der Skala zeigen einen größeren Widerstand gegen Eindrücken und damit härtere Materialien an. Niedrigere Zahlen bedeuten weniger Widerstand und weichere Materialien. Es gibt mehrere Durometer-Skalen, die sich für Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften verwenden lassen. Die beiden gebräuchlichsten Skalen, die leicht unterschiedliche Messsysteme verwenden, sind die Skalen ASTM D2240 Typ A und Typ D. Die A-Skala ist für weichere, die D-Skala für härtere Materialien.
Die Wahl des optimalen Härtemessgeräts hängt naturgemäß vom Einsatzzweck ab.
Zu unterscheiden sind zunächst Härteprüfgeräte für harte Werkstoffe wie Stahl, Gussstahl, Aluminium, Bronze oder Kupfer und für weiche Materialien wie Plastik, Gummi, Elastomere oder Polymere.
Für harte Materialien besonders geeignet ist das Leeb-Verfahren. Weiche Materialien lassen sich dagegen besser mit Härteprüfgeräten nach dem Shore-Verfahren untersuchen.
Weitere Beschaffungskriterien für Härtemessgeräte betreffen zum einen die Mobilität – also die stationäre oder mobile Anwendung des Messgeräts mit Betrieb durch Batterien – und zum anderen die Frage nach einer manuellen oder elektronischen Ausführung.
Manuelle Härtemessgeräte funktionieren rein mechanisch. Sie verwenden ein Zeigersystem auf einer Messskala zur Anzeige der Eindringtiefe und lassen sich häufig in einem Prüfstand montieren. Härteprüfgeräte mit integrierter Elektronik bieten dagegen ein LC-Display zur digitalen Anzeige der Werte.
Größter Vorteil bei einigen digitalen Härtemessgeräten ist die automatische Umrechnungsfunktion der Messwerte in verschiedene Skalen. Außerdem ist häufig noch eine USB-Schnittstelle vorhanden, über die Daten zur Weiterverarbeitung an einen PC beziehungsweise Laptop geschickt werden können.
Worauf ist bei der Verwendung von Härteprüfgeräten besonders zu achten?
Zunächst einmal sind bei der Messung externe Einflüsse wie Vibrationen, Verschmutzungen des Messgeräts sowie extreme Temperaturen und Feuchtigkeit zu vermeiden. Diese Faktoren können den Prüfprozess negativ beeinflussen. Wichtig ist auch die Kalibrierung des Härteprüfgeräts, viele Hersteller liefern dazu zum Messgerät passende Kalibrierungsplatten in verschiedenen Härtegraden. Eine weitere Option zur Kalibrierung Ihres Geräts ist der Conrad Kalibrier-Service.
Zu achten ist außerdem auf den genau senkrecht zur Probe angeordneten Eindringkörper beziehungsweise Rückprallsensor.