Leitfaden zur Härteprüfung

(Quelle: Firma CISAM Ernst Härteprüfer SA)

1. Allgemeine Bemerkungen zur Härteprüfung

Unter den verschiedenen Arten von Messungen, die in der Werkstatt ausgeführt werden, ist die Härteprüfung eine der komplexesten.Einerseits haben wir es mit verschiedenen Meßverfahren zu tun, andererseits müssen sehr große, sehr kleine, sehr harte, sehr weiche, extrem dünne sowie dicke Metallteile gemessen werden. 

Bei den verschiedenen Verfahren sowie der großen Anzahl von Skalen ist es verständlich, daß selbst Leute mit großer Werkstatterfahrung manchmal perplex vor auftauchenden Härteprüfproblemen stehen.

Wie in vielen anderen Anwendungsgebieten hat die Elektronik auch hier zu einer großen und fast unentbehrlichen Erleichterung der Härteprüfung geführt. Eine größere Präzision bei der Ablesung der Resultate, die Speicherung der Daten und die Möglichkeit der Datenverarbeitung in Verbindung mit Statistiken, grafischen Darstellungen, Dokumentationen, usw. ist mit EDV-unterstützten Härteprüfern zur Selbstverständlichkeit geworden. 

Es muss aber trotzdem erwähnt werden, daß die Elektronik ausschließlich zur Ablesung der Resultate (und eventuell zur Automatisierung des Messvorgangs / Antriebs) angewendet wird, während die verschiedenen herkömmlichen mechanischen Prüfverfahren weiterhin ihre Gültigkeit behalten.

Obwohl wir später auf die Definition, die Vorteile sowie die Einschränkungen der Verfahren Rockwell, Brinell, Vickers zu sprechen kommen, halten wir es doch für nützlich, uns in der Einführung kurz mit den folgenden wichtigsten Merkmalen, welche bei der Verwendung oder bei der Beschaffung eines Gerätes in Betracht gezogen werden müssen, zu befassen: 1) die Prüfgesamtkraft; 2) der Härtebereich, in welchem gearbeitet wird; 3) die Genauigkeit, 4) die Anpassungsfähigkeit des Gerätes an die Form und Dimensionen der Werkstücke sowie 5) wirtschaftliche Aspekte. 

1. Prüfgesamtkraft
   Im allgemeinen gilt die Regel, eine möglichst hohe Prüfgesamtkraft anzuwenden, da dadurch eine größere Genauigkeit erzielt wird (weil mit hoher Prüfgesamtkraft die Messung gegenüber der Beschaffenheit der Oberfläche weniger empfindlich ist). 
    
   Dieser Regel steht jedoch die Tatsache gegenüber, dass die Prüfgesamtkraft einen Eindruck von nicht mehr als 1/10 der Dicke des Meßstückes oder der gehärteten Oberfläche hervorrufen soll.
    
   Auch der Grad der Homogenität des Materials ist ein Wahlkriterium: ein typisches Beispiel ist das Gußeisen, welches normalerweise nur mit hoher Prüfgesamtkraft gemessen wird, außer in den Bereichen, in denen eine Induktionshärtung stattgefunden hat, beispielsweise bei Werkzeugmaschinenbetten.
    
2. Härtebereich
   Über einer Härte von ungefähr 650 HB/30, sollte ein Diamanteindringkörper verwendet werden; darunter kann man auch einen Eindringkörper aus Stahl oder Hartmetall verwenden. 
    
   Die Brinell-Prüfung, welche keine Diamanteindringkörper gestattet , kann nicht für gehärteten Stahl verwendet werden. 
    
   Die Rockwell-Prüfung ist universeller, da sie sowohl die Verwendung von Diamantkegel-Eindringkörpern als auch von Stahlkugel-Eindringkörpern vorsieht. 
    
   Die Vickers-Prüfung, die nur einen Eindringkörper mit Diamantpyramide gestattet, kann im ganzen Härtebereich angewandt werden, sie eignet sich aber besser im Labor als in der Werkstatt.
    
3. Präzisionsgrad
   Dieser hängt sehr von der Genauigkeit, mit der gearbeitet wird, ab. Gut geschliffene Oberflächen, Ausreichend lange Meßzeiten sowie häufige Überprüfungen des Gerätes mit zuverlässigen Prüfplatten. 
   Wenn möglich ist die Anwendung von statischen Systemen den dynamischen vorzuziehen. 
   Die Präzision der Messung nimmt insbesondere dann ab, wenn mit sehr niedrigen Prüfkräften gearbeitet wird.
    
4. Anpassungsfähigkeit des Gerätes an die Form und Dimensionen des Werkstückes
   Das Werkstück kann auf das Gerät oder das Gerät auf das Werkstück gelegt werden. Im ersten Fall handelt es sich um ortsfeste Geräte, die genügend Fassungsvermögen haben, um das Werkstück aufzunehmen. Die ortsfesten Geräte sind hauptsächlich zur Prüfung von kleinen und mittleren Werkstücken geeignet. 
    
   Im zweiten Fall handelt es sich um tragbare Geräte, die an das Werkstück geklemmt (Spannbacke, Kette usw.) oder - im Falle von großen oder unhandlichen Werkstücken - einfach nur aufgelegt werden. 
    
   Bei sehr großen Werkstücken oder Werkstücken von unhandlicher Form wird es einfach nur aufgelegt. Die tragbaren Geräte können bei hohen Prüfkräften nur dynamisch sein während sie bei niedrigen Prüfkräften auch statisch sein können. Für besondere Fälle müssen entsprechende Lösungen gefunden werden.
    
5. Wirtschaftliche Aspekte
   Die Wirtschaftlichkeit setzt sich aus verschiedenen Elementen zusammen: 
   - dem Anschaffungspreis für das Gerät, 
   - der Universalität der Anwendung, 
   - der Meßzeit und 
   - dem Grad der Qualifikation, die vom bedienenden Personal verlangt wird. 
    
   Die ersten beiden Aspekte sind dort ausschlaggebend, wo von Zeit zu Zeit Werkstücke der verschiedensten Formen und Oberflächenbehandlungen geprüft werden, wie es normalerweise bei handwerklichen Betrieben und in der Kleinindustrie der Fall ist. 
    
   In den Betrieben, in welchen die Kontrolle serienmäßig ausgeführt wird, sind die Schnelligkeit der Messungen und die Möglichkeit, auch nicht qualifiziertes Personal zu beschäftigen, von großer Wichtigkeit. Es werden vorzugsweise Geräte verwendet, bei welchen besondere Einspannvorrichtungen vermieden werden können. 

Die Prüfverfahren nach Rockwell, Brinell und Vickers werden ausführlich auf folgenden Seiten beschrieben:

• Härteprüfung mittels Rockwell-Verfahren
• Härteprüfung mittels Brinell-Verfahren
• Härteprüfung mittels Vickers-Verfahren

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2. Andere Verfahren zur Härteprüfung

2.1 Das Shore-Verfahren (Metalle)

Dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip, dass eine auf das Werkstück fallende Kugel (oder ein Schaft mit Kugelspitze) mehr oder weniger abprallt, je nach der Härte des Werkstückes und der Fallhöhe. Dieses Verfahren wird wenig angewendet, da, obwohl es ein sehr simples Verfahren ist, die Präzision sowohl von der Masse des Werkstücks abhängt als auch von der perfekten Senkrechte der Fallachse. Die Härtemessung wird in Shore-Punkten ausgedrückt und ist nur für große geschliffene Zylinder (Kalander) genormt.

2.2 Das Knoop-Verfahren

Dieses Verfahren ist dem Vickers-Verfahren ähnlich, mit pyramidenförmigen Diamanteindringkörpern sowie mit rautenförmiger Grundfläche (mit Diagonalen im Verhältnis 1 : 7.) und es wird nur im Labor für Messungen mit wenigen Gramm Prüfgesamtkraft verwendet.

3. Umwertungstabellen und Härtevergleichsplatten

3.1 Die Anwendung der Umwertungstabellen

Da es keinen mathematischen Zusammenhang zwischen den verschiedenen Härteskalen gibt, sind die aus verschiedenen Quellen stammenden Tabellen aufgrund von empirischen Versuchen entstanden. Diese verschiedenen Tabellen können deshalb untereinander erhebliche Abweichungen aufweisen. Normalerweise geben die Umwertungstabellen auch die Zugfestigkeit in N/mm² für Stahl an.

Die von den Umwertungstabellen entnommenen Werte sind nicht als absolut zu betrachten; sie dienen nur zur Orientierung.

3.2 Die Verwendung von Härtevergleichsplatten

Normalerweise gehören zur Ausstattung eines Härteprüfers eine oder mehrere Prüfplatten. Diese müssen aus sehr homogenem und zweckmäßig behandeltem Material bestehen. Außerdem dürfen sie nur auf einer Seite sehr sorgfältig bewertet werden , um die größtmögliche Genauigkeit zu erreichen. Es ist wichtig, daß die Härteprüfgeräte mittels der Prüfplatten ständig kontrolliert werden, um die reguläre Arbeitsweise nachzuprüfen.

Der Abstand zwischen den auf den Prüfplatten gemachten Eindrücken wird von Eindruckmitte zu Eindruckmitte bzw. von Eindruckmitte zum Werkstückrand gemessen und sollte: 

• für Rockwell-Prüfungen: mindestens 4 x dem Eindruckdurchmesser, nicht unter 2 mm
   (Randabstand: mindestens 2,5 x dem Eindruckdurchmesser, nicht unter 1 mm)
   
• für Brinell: mindestens 3 x dem Eindruckdurchmesser
   (Randabstand: mindestens 2,5 x dem Eindruckdurchmesser
   
• für Vickers: mindestens 3 x dem Eindruckdurchmesser
   (Randabstand: mindestens 3 x dem Eindruckdurchmesser 

Sollten auf den Prüfplatten so viele Eindrücke sein, dass die ganze Oberfläche bedeckt ist, sollte nicht versucht werden, die Prüfplatten mittels Schleifen nochmals zu verwenden, da sich die Struktur des darunter geschichteten Materials sicherlich verändert hat (ungefähr 8x der Eindringtiefe).