Härteprüfung mittels Brinell-Verfahren

(Quelle: Firma CISAM Ernst Härteprüfer SA)

Das Brinell-Verfahren

Das Brinell-Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß ein kugelförmiger Eindringkörper von verschiedenen Durchmessern (immer in mm; im Gegensatz zu Rockwell-Maßen in Zoll) für eine bestimmte Zeit (10 bis15 Sekunden) mit einer bestimmten Prüfgesamtkraft auf die zu prüfende Oberfläche, die immer glatt und eben sein muss, eingedrückt wird. 
 
 Von dem entstandenen Abdruck, der die Form einer Kugelkalotte hat, wird der Durchmesser mittels optischer Vorrichtungen (Mikroskop oder Projektor) gemessen.

Prinzip der Härteprüfung nach Brinell

Die Brinellhärte (HBW) wird durch das Verhältnis von aufgebrachter Prüfgesamtkraft zur Oberfläche der Kugelkappe bestimmt. Es gilt die Formel:

wobei F die Prüfkraft in N , D der Durchmesser des Kugeleindringkörpers in mm und d der Durchmesser des Eindrucks in mm bezeichnet.

In der Praxis werden Tabellen verwendet, aus welchen mittels Angaben der Prüfkraft, des Kugeldurchmessers und des Durchmessers des Eindruckes die Brinell-Härtezahl entnommen werden kann.

Normalerweise werden beim Brinell-Verfahren genormte Kugeleindringkörper mit den folgenden Durchmessern verwendet:

Die genormten Prüfkräfte sind: 

Tabelle 5 - Brinell-Kurzzeichen, Kugeldurchmesser und Prüfkräfte (s. ISO 6506-1)

Bei der Prüfung mit dem Brinell-Verfahren müssen folgende Punkte berücksichtigt werden: 

1.  
2. Die Norm (EN ISO 6506-1) verlangt, daß der Durchmesser des Eindrucks zwischen 0,24 und 0,6 des Durchmessers des Kugeleindringkörpers zu sein hat. 
    Um dieser Anforderung gerecht zu werden, muss ein gewisser Beanspruchungsgrad bestehen. Wird ein Kugeleindringkörper mit geringem Durchmesser und hoher Prüfkraft auf weichem Material verwendet, dringt dieser zu tief ein; wird andererseits ein Kugeleindringkörper mit großem Durchmesser und einer niedrigen Prüfkraft auf einem harten Werkstück verwendet, erhält man einen Eindruck, der niedriger als 0,24 des Kugeldurchmessers ist. Er ist somit fast unleserlich und nicht zulässig.
    
3. Im Brinell-Verfahren existiert ein grundlegender Beanspruchungsgrad 0,102 F/D² zwischen Prüfkraft (N) und Durchmesser (mm) des Kugeleindringkörpers im Quadrat, der charakteristisch für jede einzelne Brinell-Prüfung ist. Je härter das Material, desto höher muss der angewandte Beanspruchungsgrad sein. 
4.  

Tabelle 6 - Beanspruchungsgrad
 
 *) der Beanspruchungsgrad 15 ist nur für HBW10/1500 genormt, alle anderen Beanspruchungsgrade haben für alle Prüfungen Gültigkeit

Der Beanspruchungsgrad 0,102F/D² ist deshalb wichtig, weil je nach angewandtem Beanspruchungsgrad verschiedene Ergebnisse erzielt werden -Zum Beispiel ergibt ein mit 10 mm Kugel und 9807N (Beanspruchungsgrad 10) gemessenes Material eine Brinellhärte, welche von der mit 10 mm Kugel und 4903N (Beanspruchungsgrad 5) gemessenen Härte abweicht. Sollte jedoch das gleiche Material mit der Kugel 2.5 mm und einer Prüfgesamtkraft von 612,9N (Beanspruchungsgrad 10) gemessen werden. wird das gleiche Resultat wie bei der ersten Prüfung erzielt, da de Beanspruchungsgrade gleich sind (vorausgesetzt das Material ist homogen und weist keine Schichten von verschiedenen Härten auf). 

1.1 Die Bezeichnungen der Brinell-Prüfung

Die Bezeichnung HBW bedeutet Brinellhärte. Die Brinell-Härtezahl steht vor dem Kennzeichen, gefolgt vom Kugeldurchmesser in mm, dem Prüfkraftwert laut Tabelle und der Prüfkraftdauer in Sekunden, falls diese von der vorgeschriebenen Dauer (10-15 Sekunden) abweicht. 

 Beispiel: 305 HBW 2,5 / 187,5 Brinellhärte 350, ermittelt mit Kugel 2,5mm und 1839N Prüfkraft und 10-15 Sekunden Prüfkraftdauer
 
 Beispiel: 305 HBW 2,5 / 187,5 / 20 Brinellhärte 350, ermittelt mit Kugel 2,5mm, 1839N Prüfkraft und 20 Sekunden Prüfkraftdauer

1.2 Verschiedene Anwendungsbereiche der Brinell-Prüfung

Wie beim vorangehenden Punkt eins bestimmt in erster Linie die Härte des Materials, welcher Beanspruchungsgrad angewandt werden muss. Ist der geeignete Beanspruchungsgrad einmal festgelegt, wählt wird die Prüfkraft in Funktion der folgenden Elemente ausgewählt: 

1. die Dicke des zu prüfenden Werkstücks, da die Erwägungen im Kapitel über Rockwell-Verfahren, nämlich daß die meßbare Mindestdicke gleich ca. 10x die Eindrucktiefe ist, auch hier Anwendung finden (Siehe Tabelle 7).

Tabelle 7 - Meßbare Mindestdicke bei Brinell-Prüfungen (s. ISO 6506-1)

1. Die Homogenität des Materials, da für wenig homogene Materialien eine hohe Prüfkraft vorzuziehen ist.
    
2. Einfachheit bei der Ablesung, da die Ermittlung des Eindruckdurchmessers, entweder mit Mikroskop oder mit Projektor, bei einem großen Eindruck einfacher ist als bei einem kleinen. 

Bei den folgenden Materialien werden die entsprechenden Brinell-Prüfungen angegeben:

 Stahl: man benutzt fast immer HBW x | 3000 (x=Kugeldurchmesser). 
 Für Stahl ist die Brinell-Prüfung äußerst wichtig, da zwischen Brinellhärte und Zugfestigkeit ein konstantes, ziemlich genaues Verhältnis besteht (mit einem Verhältnis von 3,53 für Kohlenstoffstahl, Chromstahl und Chrom-Manganstahl, für Nickel-Chromstahl hingegen 3,33).

 Beispiel: 225 HBW x | 3000 à 225 x 3,53 = 794,3 N/mm² (siehe DIN 50150)

Dies ist die einzige Möglichkeit, die Zugfestigkeit von Stahl zerstörungsfrei feststellen zu können.

Das Brinell-Verfahren kann für gehärteten Stahl allerdings nicht angewandt werden. Da kein Diamanteindringkörper vorgesehen ist, ist die Prüfung von behandeltem Stahl über 1765 N/mm² nicht möglich. Weiches Eisen wird normalerweise mit HB x | 3000 geprüft, obwohl der Eindruckdurchmesser 0,6 des Kugeldurchmessers übersteigt.

 Gußeisen: Man verwendet immer HBW x | 3000. Wegen der geringen Homogenität ist es ratsam, die höchste Prüfgesamtkraft von normalerweise 29420N anzuwenden.

 Leichtmetall: Man benutzt normalerweise HBW x | 10 oder HBW x | 5; für besonders weiche Legierungen auch HBW x | 2,5. Da bei den mittleren Härten verschiedene Beanspruchungsgrade angewandt werden können, könnte leicht Verwirrung entstehen, wenn die Art der Prüfung nicht genau angegeben wird (im Gegensatz zu den Eisenlegierungen, für welche immer HBW x | 30 verwendet wird).

 Kupferlegierungen: Für Bronze benutzt man HBW x | 10 (falls besonders hart, auch HBW x | 30) und HBW x | 10 oder HBW x | 5 für Messing. Im übrigen gelten auch hier die gleichen Grundsätze wie bei Leichtmetall.

1.3 Vorteile und Einschränkungen der Brinell-Verfahren

• Die Hauptvorteile des Brinell-Verfahrens bestehen darin, daß besonders hohe Prüfkräfte verwendet werden können, mit im Konzept einfachen und in der Struktur robusten Geräten. 
• Außerdem kann der Eindruck mit Hilfe eines einfachen Mikroskops oder sogar mittels einer Meßlupe gemessen werden. 
• Es kann auch unter nicht idealen Umständen gemessen werden, da (im Gegensatz zum Rockwell-Verfahren) hier eine eventuelle kleine Nachgabe des Prüfstücks das Ergebnis nicht beeinflussen kann. 
• Wird der Brinellwert mittels eines Koeffizienten spezifisch für jedes Material multipliziert, wird damit der Zugfestigkeitswert ermittelt.  
• Eine der gravierendsten Einschränkungen besteht darin, daß die Messung des Eindruckdurchmessers optisch ausgeführt wird und somit der Gefahr von Messfehlern durch unterliegt. Moderne, automatische Bildauswertsysteme per Computer reduzieren diese Fehlerquelle erheblich. 
• Obwohl mit hohen Prüfkräften gemessen wird, muss die zu messende Fläche gut vorbereitet werden, da, um genügende Genauigkeit zu erreichen, die Messung des Eindrucks im Idealzustand auszuführen ist. 
• Aus diesen Gründen ist die Brinell-Prüfung keine schnelle Prüfung und sie ist somit für Serienprüfungen ungeeignet. Um diesen Nachteil zu beseitigen, greift man oft auf das Rockwell-Verfahren mit Brinell-Eindringkörpern und Brinell-Prüfkräften zurück (siehe nächstes Kapitel). 
• Die Prüfung zylindrischer Oberflächen ist nicht möglich. In diesem Fall müsste ein Stück der Oberfläche so vorbereitet werden, dass es in flachem Zustand gemessen werden kann (10). 

1.4 Rockwell-Prüfungen mit Brinell-Prüfkräften und Brinell-Eindringkörpern

Um die verschiedenen Nachteile umgehen zu können, sowie zum Zweck, die nach dem Rockwell-Verfahren arbeitenden Geräte trotzdem in einem weitest möglichsten Bereich anwenden zu können, werden diese Geräte häufig zu Prüfungen mit Brinell-Eindringkörpern und Brinell-Prüfkräften benutzt.

Die meisten dieser Geräte haben außer den Rockwell-Prüfkräften auch die Kräfte 612,9 - 1226 -1839 N. Sie sind somit für die Brinell-Prüfung geeignet. Auf diese Weise wird mittels der Eindringtiefe nach dem Rockwell-Verfahren gemessen, anstatt mittels der Ablesung des Durchmessers.

Das Resultat wird unmittelbar auf dem Display angezeigt oder auf einer Meßuhr mit Rockwelleinteilung abgelesen und mittels der dafür vorgesehenen Tabelle in Brinellzahlen umgewandelt.

Es muss noch erwähnt werden, daß dieses relativ schnelle Verfahren nicht als eine echte Brinell-Prüfung betrachtet werden kann.

Tatsächlich sind die mittels der Umwertungstabelle erhaltenen Ergebnisse nicht für alle Materialien gleich (z.B. ist die Umwertung für Stahl nicht die gleiche wie für Gußeisen). Dieses Verfahren ist vor allem bei Serienprüfungen oder unter Umgehung der optischen Ablesung vorzuziehen. Schließlich muss dabei auch die Oberfläche nicht so gut angeschliffen werden, wie dies für die optische Ablesung nötig ist. Außerdem hat es den Vorteil, dass für Stahl eine direkt in Zugfestigkeit - N/mm² geeichte Skala benutzt werden kann.

Um eine größere Genauigkeit bei Serienprüfungen erreichen zu können, bieten die ERNST-Geräte dem Benutzer die Möglichkeit, der Brinell-Skala vorübergehend eine neue Kalibrierung einzugeben, die auf einer vorher ausgeführten Probemessung mittels optischem Brinellsystem basiert.