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. 

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2.1 Normal-Rockwell

Das Normal-Rockwell-Verfahren sieht einen einzigen Diamantkegel-Eindringkörper von 120° mit einer Abrundung der Spitze von 0,2 mm Radius (s. Bild 2) sowie verschiedene Kugeleindringkörper aus Hartmetall mit einem Durchmesser von 1/16" - 1/8" - 1/4" - 1/2" (immer in Zoll), vor.

Bild 2 - Querschnitt des Rockwell-Eindringkörpers mit Kegeldiamant

Die Prüfvorkraft ist konstant: 98,07 N.

Die Prüfgesamtkräfte (Prüfvorkraft + Prüfzusatzkraft) sind: 588,4N - 980,7N - 1471N.

Die Meßeinheit bei Normal-Rockwell entspricht 0,002 mm Eindringtiefe.

Da der Härtewert natürlich mit der Härte steigen muß, während sich die Eindringdifferenz zwischen Prüfvorkraft und Prüfgesamtkraft bei zunehmender Härte verringert , erhält man die Rockwell-Härtezahl, indem man von 100 (mit Diamanteindringkörper) oder von 130 (mit beliebigem Kugeleindringkörper) die Eindringtiefe (in der Einheit 0,002 mm ausgedr

 Beispiel: 
 Mit einem Diamanteindringkörper und der Eindringtiefe von 0,082mm erhält man 
                 100 - 0,082/0,002 = 59 Rockwell. 
 Mit derselben Eindringtiefe aber mit einem Kugeleindringkörper würde man 
                 130 - 0,082/0,002) = 89 Rockwell 
 erhalten.

Bei den Analoggeräten mit Meßuhr, bei welchen das Zifferblatt normalerweise 100 Unterteilungen aufweist (eine Umdrehung = 0,2 mm) kann die Ablesung in Rockwell-Werten direkt erfogen. Die Meßuhr enthält 2 Serien von Ziffern, die schwarzen für die Benützung eines Diamanteindringkörpers, die roten für Kugeleindringkörper. Die Nullstellung erfolgt immer auf der schwarzen 0 (bzw. der roten 30). Bei der Digitalablesung werden die Daten nach Ablauf des ganzen Messzyklus direkt auf dem Display angezeigt. Durch die verschiedenen Kombinationen der Eindringkörper und Prüfkräfte erhält man eine große Anzahl verschiedener Skalen, von denen jede einzelne mit einem Buchstaben bezeichnet wird (siehe Tabelle 1).

 Tabelle 1 - Normal-Rockwell Skalen, F=Prüfgesamtkraft (Newton)
 *) die Skalen L, M, P, V, R, S sind nicht genormt

 Beispiel: 
 Bei der Benützung des Diamanteindringkörpers und F=1471N Prüfgesamtkraft wird z.B. die Bezeichnung HRC (''H" = die Härte allgemein, "R" = Rockwell-Verfahren und "C" = die spezifische Skala) verwendet. 
 Die Härtenummer sieht immer vor dem Abkürzungszeichen. Die Skalenbezeichnung schließt sich an die Buchstaben HR an.
                         z.B.: 60 HRC, 60HRA, 60 HRD (Skalen A, C, D)
 
 Für Skalen, die den kugeligen Eindringkörper verwenden, ist das Kurzzeichen der Härte mit einem "S" zu ergänzen, wenn es eine Stahlkugl ist, und einem "W" bei Verwendung einer Hartmetallkugel.
                         z.B.:     60HRBW (Skala B, Hartmetallkugel)
                                    60HRBS  (Skala B, Stahlkugel)

Die ERNST-Geräte NR3R, AT130AR und AT130DR arbeiten mit dem Normal-Rockwell-Prinzip.

2.2 Super-Rockwell

Obwohl das Super-Rockwell-Verfahren die Verwendung derselben Eindringkörper wie bei Normal-Rockwell vorsieht, verlangt der Kegeldiamanteindringkörper jedoch eine größere Ausführungspräzision sowohl in Bezug auf die Konizität der Kegelspitze von 120° sowie insbesondere auch in Bezug auf die Spitzenabrundung von 0,2 mm. Bei diesem Verfahren verursachen niedrige Prüfgesamtkräfte einen kleineren Eindruck, so dass schon minimale Formfehler der Spitze das Messergebnis verfälschen würden.

Die Prüfvorkraft ist konstant: 29,42 N
 die möglichen Prüfgesamtkräfte (Prüfvorkraft + zusätzliche Prüfkraft ) 
 sind: 147,1N - 294,2N - 441,3 N

Die Meßeinheit bei Super-Rockwell entspricht 0,001 mm Eindringtiefe. Im Gegensatz zu Normal-Rockwell gilt beim Super-Rockwell-Verfahren (sowohl mit Diamanteindringkörper als auch mit Kugeleindringkörper) die Nulleinstellung auf 100 (0 auf der Meßuhr). Bei der Meßuhr ist auf dem Zifferblatt nur eine Serie von Nummern sowie eine Unterteilung von 100 vorgesehen. Die vollständige Umdrehung des Zeigers entspricht 0,1 mm.

 Beispiel: 
 Bei Diamant- oder Kugeleindringkörpern und einer Eindringtiefe von 0,082 mm ergibt sich 100 - 0,082/0,001 = 18 Super-Rockwell. Die sich mittels verschiedener Kombinationen von Eindringkörpern und Prüfkräften ergebenden Super-Rockwell-Skalen werden durch einen Buchstaben angezeigt, welchem eine Ziffer vorausgeht, die die Größe der Prüfgesamtkraft angibt (siehe Tabelle 2).

Die Härtenummer steht vor dem Kennzeichen, z.B.: 65 HR30T, 25 HR45N.

 Tabelle 2 - Super-Rockwell-Skalen, F=Prüfgesamtkraft (Newton)
 *) W, X, Y sind nicht genormt

Die ERNST-Geräte NR3SR, AT130ASR und AT130DSR arbeiten mit dem Super-Rockwell-Prinzip.

2.3 Anwendungsbereiche mit verschiedenen Rockwell-Skalen

Wie wir gesehen haben, gibt es eine beachtliche Anzahl von Rockwell-Skalen. Die Wahl der Skala hängt von der Härte des Materials, der Dicke des Werkstücks oder dessen gehärteter Schicht ab (im Fall von Oberflächenbehandlungen wie Einsatzhärtung, Nitrierhärtung usw.).

Die Härte des Materials bestimmt die Wahl des Eindringkörpers: Diamantkegel oder Kugel.

Der Diamantkegel wird praktisch nur für vergüteten oder gehärteten Stahl und für Hartmetall verwendet und ist für Stahl mit einer Festigkeit unter 785 N/mm2 (20 HRC, 230 HB/30 ) nicht zu empfehlen.

Die Eindringkörper mit Stahlkugel werden für die weicheren Materialien verwendet. Je weicher das Material , desto größer muss der Durchmesser der Kugel und /oder umso kleiner muss die Prüfgesamtkraft sein. Zum Beispiel kann mit der Skala HRB (Kugel 1/16" - Prüfgesamtkraft 980,7N) so weiches Material wie mit der Skala HRL (Kugel 1/4 "- Prüfgesamtkraft 588,4N) nicht geprüft werden.

Die größeren Kugeln werden praktisch nur zur Prüfung von Kunststoffen und ähnlichem Material verwendet. Bei fließenden Kunststoffen kann bei besonderen Maßnahmen mittels der Prüfgesamtkraft gemessen werden.

Wir möchten noch einmal erwähnen, dass auch bei der HR-Härteprüfung eine Mindestdicke des Werkstückes berücksichtigt werden muss, für die es allerdings keine feste Regel gibt. Im allgemeinen wird diese messbare Mindestdicke aus 10x der Eindringtiefe berechnet (siehe Tabelle 3). Dieses Prinzip gilt auch für gehärtete Oberflächen (Einsatzhärtung usw.), welche normalerweise mit kleinster Prüfgesamtkraft gemessen werden (Skala HRA).

 Tabelle 3 - Messbare Mindestdicken für Rockwell-Prüfungen mit Diamanteindringkörper

Die am meisten verwendeten Rockwell-Skalen sind: 

HRC (Diamantkegel - 1471N) HRC ist die typischste Rockwell-Skala zur Prüfung von gehärteten, vergüteten und stark einsatzgehärteten Werkstücken. Wenn man allgemein von "Rockwellhärte" spricht, denkt man automatisch an die Skala HRC. Dies kann auch eine gewisse Verwirrung hervorrufen, da manchmal unpassenderweise eine in HRC ausgedrückte Härte angefordert wird, obwohl die kleinen Maße des Werkstücks die Verwendung einer Prüfgesamtkraft von 1471N unmöglich macht und deshalb andere Rockwell-Skalen oder andere Meßverfahren zur Anwendung kommen, deren Resultate danach jedoch mit Hilfe von Tabellen in HRC-Werte umgewertet werden können. Wie wir später sehen werden, ergeben die Umwertungstabellen nur angenäherte Werte. Deshalb sollte bei Teilzeichnungen, bei Bestellungen usw. nur die Härte, welche wirklich gemessen werden kann, angegeben werden. HRA (Diamantkegel - 588,4N) Hauptsächlich für einsatzgehärtete Werkstücke und für Hartmetall, dessen hohe Karbidhärte den Diamanten beschädigen könnte und deswegen mit einer Kleineren Prüfgesamtkraft zu messen sind. HRB (Kugel 1/6" - 980,7N) In Europa allgemein für Kupferlegierungen (Messing, Bronze usw.) verwendet, in den U.S.A. auch für Stahl bis zu ca. 686 N/mm². Rockwell N und T (Super-Rockwell) Die Skalen HR 15N - HR 30N - HR 45N (Diamantkegel) werden für Werkstücke mit dünner Einsatzhärtung, die Skalen HR 15T - HR 30T - HR 45T (Kugel 1/16") für dünnes Blech verwendet. Es gelten auch hier für die Wahl der Prüfgesamtkräfte die zuvor gemachten allgemeinen Bemerkungen.

2.4 Prüfung von zylindrischen und kugeligen Oberflächen

Es ist klar, daß die Umstände anders sind, wenn man auf zylindrischen oder kugligen anstelle von flachen Oberflächen die Härte misst. Bei größeren Durchmessern sind die Unterschiede nicht so entscheidend, da die Krümmung der Oberfläche klein ist und sich einer Ebene nähert. 
 
 Bei kleineren Durchmessern (mit starker Krümmung) muß jedoch berücksichtigt werden, dass die Eindrücke von oben betrachtet eine ovale Form erhalten (bei Zylindern) und der vertikale Querschnitt des eingedrückten Bereiches eine unterschiedliche Materialdicke aufweist. Aus diesem Grund müssen die erhaltenen Ergebnisse je nach Härte und Durchmesser des Werkstücks um einen Korrekturwert erhöht werden. (siehe Tabellen 4).

Zylinderische Werkstückoberflächen

Kugelige Werkstückoberflächen

Tabellen 4 - Korrekturwerte für Rockwell-Prüfungen auf zylindrischen und kugligen Oberflächen mit Diamant- und Kegeleindringkörper (Die Korrekturwerte sind zu den Ergebnissen auf dem Display oder auf der Meßuhr hinzuzufügen)

2.5 Vor- und Nachteile des Rockwell-Verfahrens

• Unter den bekanntesten Härteprüfverfahren ist das Rockwell-Verfahren das einzige, welches die Direktablesung der Härtezahl ohne optische Ausmessungen zulässt, so dass dieses Verfahren schneller und überdies das einzige ist, welches vollständig automatisiert werden kann.
   
• Härteprüfgeräte, die nach dem Rockwell-Verfahren arbeiten, sind die am weitest verbreiteten. Die wichtigsten Vorteile sind: Vermeiden von Abweichungen aufgrund von persönlichen Einschätzungen; weniger Empfindlichkeit hinsichtlich Rauheit der Oberfläche (auch wenn den Normen gemäß die zu prüfende Oberfläche glatt und sorgfältig angeschliffen sein muss).
   
• Die wichtigste Begrenzung im Anwendungsbereich besteht darin, dass die minimale Prüfgesamtkraft 147,1N (HR15N / HR15T) und die maximale Prüfgesamtkraft 1471N beträgt, während in Werkstätten oder Gießereien oft Prüfkräfte von 10N oder weniger oft bis zu 30000N benötigt werden. Es existiert weder eine Rockwell-Skala zur Prüfung von Gußeisen noch von Stahlfeinblech unter 0,15mm. Um diese Lücke zu füllen, werden Geräte hergestellt, die ebenfalls nach dem Rockwell-Verfahren (mit Vorund Prüfgesamtkraft), jedoch mit sehr viel größeren (bzw. kleineren) und nicht standardisierten (genormten) Prüfkräften arbeiten.
   
• Obwohl es viele Skalen gibt, wird für bestimmte Bereiche von Materialien (z.B. unbehandelter Stahl) vorzugsweise ein Gerät nach dem Rockwell-Verfahren, jedoch mit Brinell-Eindringkörper und Brinell-Prüfkräften verwendet.(Siehe diesbezügliches Kapitel 3.4). 

2.6 Varianten zum Rockwell-Verfahren

Ein schwerwiegender Nachteil der traditionellen Geräte nach dem Rockwell-Verfahren besteht darin, daß die Genauigkeit der Messung hauptsächlich auf dem perfekten Kontakt zwischen Prüfstück und Auflagefläche beruht .

Wenn man sich auf das Rockwell-Verfahren (Abb. 1, Punkt 3) beruft (entfernen der zusätzlichen Prüfkraft und zurückgehen zur Prüfvorkraft), müßte die einzige von der Meßuhr angezeigte Deformation der Eindruck selbst sein. 

Dies ist allerdings nur dann der Fall, wenn die Aufnahme des Prüfstücks perfekt ist. Sollte es jedoch vorkommen, dass die Aufnahme mit einer Oelschicht, mit Fett oder mit einem anderen Fremdkörper verschmutzt ist, entsteht unter der Prüfgesamtkraft eine plastische Verformung , welche in die Tiefenmessung eingeht und somit das Ergebnis verfälscht. Da mit den Geräten nicht immer unter Idealbedingungen gearbeitet werden kann, stellt dies für Werkstätte und Härtereien offensichtlich eine Einschränkung dar. 

Um dieses Problem zu lösen werden Geräte nach dem Rockwell-Verfahren hergestellt, bei welchen der Bezug für die Messung der Eindringung durch eine eigene Auflage auf der zu messenden Oberfläche gegeben ist (Schema in Abb. 3). Damit wird erreicht, dass eine eventuelle Nachgiebigkeit des Werkstückes, der Spindel sowie anderer beweglicher Teile des Stativs, sich nicht auf das Ergebnis auswirken kann. In dieser Hinsicht sind die Vorteile die gleichen wie bei der Verwendung der Brinell- und Vickers-Verfahren (wie wir später noch sehen werden).

Bild 3 -Variante zum Rockwell-Verfahren (Meßbezug und Eindringkörper)

 
• 0: Wechsel des Werkstücks: in Ruhelage ragt die Spitze des Eindringkörpers (a) aus der Anschlaghülse (b) heraus.
   
• 1: Beide zusammen senken sich auf das zu prüfende Stück und der Eindringkörper weicht unter einem Widerstand zurück, welcher dem Wert der Prüfvorkraft entspricht. Die Nullstellung erfolgt automatisch.
   
• 2: Die Prüfgesamtkraft wird aufgebracht.
   
• 3: Die Prüfgesamtkraft wird aufgehoben und die Verschiebung (Eindringung) von (a) gegenüber (b) wird ermittelt. 
 

Im Falle eines nachgebens des Werkstücks bleibt das Verhältnis zwischen (a) und (b) konstant und die Möglichkeit des typischen Fehlers der Original-Rockwellmessung wird somit eliminiert. Das gleiche Verfahren wird auch beim Super-Rockwell-Verfahren angewandt.

In den ERNST-Härteprüfgeräten gibt es ein drittes Element, das nicht mit der Anschlaghülse (b) verwechselt werden darf. Dieses Element in Geräten mit Stativ wird Spannhaube genannt und dient in manchen Fällen dazu, das Werkstück festzuklemmen, so dass keine Extravorrichtungen nötig werden. Diese Spannhaube kann jedoch jederzeit einfach entfernt werden.

Bei den tragbaren Geräten wird dieses Element als Messfuß bezeichnet. Es ist auswechselbar und dient dazu, eine optimale Auflage auf dem Prüfstück zu schaffen.

3. 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.

Bild 4. 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. 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.
    
2. 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. 
 

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). 

3.1 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

3.2 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)

2. Die Homogenität des Materials, da für wenig homogene Materialien eine hohe Prüfkraft vorzuziehen ist.
    
3. 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.

3.3 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). 

3.4 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 benützt 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.

4. Das Vickers-Verfahren

 (ACHTUNG! Die Angaben in diesem Abschnitt sind teilweise veraltet! - wird überarbeitet.)

Dieses Prüfverfahren ist dem Brinell-Verfahren ähnlich, wobei der Diamanteindringkörper in Form einer Pyramide mit quadratischer Grundfläche und einem Winkel von 136° verwendet wird. Das ergibt einen Eindruck in Form einer konkaven (negativen) Pyramide mit quadratischer Grundfläche. Gemessen werden die Längen der beiden Diagonalen des Eindrucks (Mittelwert).

Bild 5. Prinzip der Härteprüfung nach Vickers (s. ISO 6507-1, -2, -3)

Wie bei der Brinellzahl ist die Vickershärtezahl HV durch das Verhältnis zwischen aufgebrachter Prüfgesamtkraft und der Oberfläche des Eindrucks gegeben.

Die am häufigsten verwendeten Prüfkräfte sind: 9,81 - 19,62 - 49,05 -98,10 - 294,30 N. Es besteht auch die Möglichkeit, Prüfkräfte weit unter 9,81 N zu verwenden,wobeiman sich damit in das Gebiet der Mikrohärte und in Anwendungsbereich von metallographischen Labors befindet.

Die Berechnung der Vickershärte erfolgt nach der folgenden Formel, wobei d den Mittelwert der Längen der Eindruck-Diagonalen (Genauigkeit: +/- 0,002mm) angibt.

Die Bezeichnung für Vickers-Prüfung ist HV (H= Härte - V = Vickers) gefolgt von der Prüfkraft und eventuell dessen Einwirkungsdauer. Die Angabe der Prüfkraft erfolgt in den urpsünglichen kp-Zahlenwerten, weswegen die tatsächliche Prüfkraft durch 9,81 dividiert werden muß, um die Vickersangabe zu erhalten (z.B. HV50 è 50 = 490,5N / 9,81) Zum Beispiel 305 HV 10/15.

     Beispiel:   210 HV50/30   Vickershärte 210, Prüfkraft 490,5N, Prüfdauer 30 Sekunden

Die Prüfkraft soll innerhalb von 15 Sekunden aufgebracht werden und weitere 30 Sekunden wirksam sein. Weiche Werkstoffe erfordern längere Prüfzeiten, Stahl ab einer Härte von 140 HV nur noch 10 Sekunden.

4.1 Anwendungsbereiche mit verschiedenenen Vickers-Prüfkräften

Da nur ein einziger Eindringkörper vorgesehen ist und da die Vickerszahl die spezifische Prüfkraft pro mm² der Eindrucksoberfläche darstellt, sind die mit verschiedenen Prüfkräften erhaltenen Werte untereinander vergleichbar.

Wird zum Beispiel eine Prüfung auf dem gleichen Material, einmal mit einer Prüfkraft von 294,30N und ein zweites mal mit 9,81N vorgenommen, stimmen die Ergebnisse überein ( natürlich muß das Material homogen sein, ohne Schichtungen verschiedener Härten). 

Auch bei Materialien mit Schichtungen kann die Vickers-Prüfung sehr geeignet sein; es werden mehrere ansteigende Prüfkräfte nacheinander verwendet, um die Dicke der Oberflächenbehandlungen, wie z.B. Nitrierhärtung, zu bestimmen.

Im übrigen gelten auch für die Vickers-Prüfung die schon erwähnten Regeln (Mindestdicke = 10 x Eindrucktiefe) oder anders ausgedrückt soll die Diagonale nicht länger als 2/3 der Probendicke sein.

Die Vickers-Prüfung ist vor allem zur Prüfung kleiner, dünner Teile oder Werkstücke mit Oberflächenbehandlung geeignet, d.h. für Prüfungen mit niedrigen Prüfkräften. 

Bei nicht homogenen Materialien, wie z.B. Gußeisen, ist die Vickers-Prüfung zu vermeiden.

4.2 Vorteile und Einschränkungen der Vickers-Prüfung 

• Der größte Vorteil der Vickers-Prüfung ist, daß sie nur eine Skala hat und von der niedrigsten bis zur höchsten Härte reicht. Sie ist deshalb für Laborprüfungen besonders geeignet.  

• Die Nachteile der Vickers-Prüfung beruhen auf der mangelnden Geschwindigkeit des Verfahrens, da die Abmessung des Eindrucks optisch ausgeführt wird (Mikroskop oder Projektor). Moderne, automatische Bildauswertsysteme per Computer reduzieren diese Fehlerquelle erheblich. 
 
• Die Oberfläche, auf welcher der Eindruck gemacht werden soll, muß sorgfältig vorbereitet werden. Die senkrechte Lage der Achse des Eindringkörpers ist sehr wichtig, da die kleinste Neigung eine Unregelmäßigkeit des Eindrucks verursacht. Aus diesen Gründen ist die Vickers-Prüfung als Serienprüfung ungeeignet. 
 
• Auf einigen Materialien ist der Eindruck wegen unregelmäßiger Verteilung der Belastung (mehr auf den Kanten als auf den Seiten des pyramidenförmigen Eindrucks) nicht gut ablesbar. 

Abschließend kann man sagen, daß das Vickers-Verfahren besser für die Anwendung im Labor als in Werkstätten geeignet ist.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben ERNST-Geräte die Möglichkeit die Vickershärte schneller und direkter abzulesen.

5. Andere Verfahren zur Härteprüfung

5.1 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.

5.2 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.

6. Umwertungstabellen und Härtevergleichsplatten

6.1 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.

6.2 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).