Härteprüfung
Die Härteprüfung dient zur Bestimmung der Härte eines Materials, was ein Maß für den Widerstand ist, den ein Werkstoff gegen das Eindringen eines härteren Körpers (Prüfkörpers) aufbringt. Die Härte ist dabei ein wichtiger Indikator für die mechanischen Eigenschaften eines Materials und lässt Rückschlüsse auf seine Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und Verformbarkeit zu. Es gibt verschiedene Härteprüfverfahren, darunter die Rockwell-, Brinell- und Vickershärteprüfung sowie die Mikrohärteprüfung und die Nanoindentation als präzise Eindringprüfungen mit sehr geringen Prüfkräften.
Als Auftragslabor bieten wir im Steinbeis-Transferzentrum verschiedene Härteprüfverfahren als Dienstleistung an.
Wozu dient die Härteprüfung?
- Materialien: Vergleich der Härte verschiedener Materialien zur Auswahl des besten Materials für eine spezifische Anwendung.
- Qualitätssicherung: Überprüfung der Materialeigenschaften, um sicherzustellen, dass sie den Spezifikationen entsprechen.
- Wärmebehandlungen: Kontrolle der Ergebnisse von Wärmebehandlungen, die die Härte und damit die Festigkeit und andere mechanische Eigenschaften eines Materials verändern können.
- Verschleißanalyse: Einschätzung der Verschleißfestigkeit von Materialien, insbesondere bei Werkzeugen und Bauteilen, die starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
- Fehlererkennung: Identifizierung von Materialfehler oder falsche Wärmebehandlung oder unzureichende Bearbeitung.
Was bietet unser Steinbeis-Transferzentrum?
- Normkonforme Prüfungen: Unsere modernen Härteprüfgeräte ermöglichen es normkonforme Härteprüfungen von Bauteilen durchzuführen und Ihnen zuverlässige Daten zu liefern.
- Fachkundige Expertise: Die Messungen werden von qualifizierten Mitarbeitern/innen durchgeführt, die Ihnen bei Fragen gerne zur Verfügung stehen.
- Kundenzentrierter Ansatz: Jeder Auftrag ist individuell, daher sind unsere Analysen auf die jeweiligen kundenspezifischen Anforderungen zugeschnitten.
Dienstleistungen
Makro-
härteprüfung
Mikro-
härteprüfung
Dünne Bleche
Kleine Bauteile
Nano-
indentation
Materialcharakterisierung
Gefügebestandteile
Härteprüfung
Kunststoffe
O-Ringe
Dichtungen
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für eine Härteprüfung.
Verschleißprüfung
Die Verschleißprüfung dient der Untersuchung der Verschleißbeständigkeit von Werkstoffen, Beschichtungen oder Bauteilen. Verschleiß tritt auf, wenn sich zwei in Kontakt stehende Bauteiloberflächen unter Belastung relativ zueinander bewegen. Die Verschleißfestigkeit von Bauteilen, d.h. die Fähigkeit eines Werkstoffes, mechanischem Abrieb oder Verschleiß zu widerstehen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Diese lassen sich in werkstoff-, betriebs- und umgebungsbedingte Aspekte unterteilen.
Zusammenfassend hängt die Verschleißfestigkeit von Bauteilen von einem Zusammenspiel aus Materialeigenschaften (z.B. Gefüge, Härte) , Oberflächeneigenschaften (z.B. Rauheit, Welligkeit), Betriebsbedingungen und Umgebungsfaktoren abhängt. Durch gezielte Werkstoffauswahl, Fertigungsqualität, Oberflächenbehandlung und Betriebsweise kann die Verschleißbeständigkeit optimiert werden.
Härteprüfverfahren
Grundsätzlich unterscheidet man bei den Härteprüfverfahren in Verfahren mit statischer und dynamischer Aufbringung der Prüfkraft.
- Bei den statischen Härteprüfverfahren wird die Prüfkraft quasistatisch mit geringem Gradienten über die in den entsprechenden Normen festgelegte Zeit aufgebracht.
- Bei den dynamischen Härteprüfverfahren wird die Prüfkraft schlagartig aufgebracht, wodurch eine Stoßbelastung entsteht. Diese Härteprüfverfahren werden in mobilen Härteprüfgeräten angewendet.
Bei der Härteprüfung wird ein Prüfkörper in den Werkstoff eingedrückt und die Härte als Widerstand gegen das Eindringen dessen bestimmt. Für die Härteprüfung an festen Werkstoffen werden überwiegend Verfahren mit statisch aufgebrachter Prüfkraft eingesetzt. Zur Bestimmung der Härte wird entweder
- die Abdruckgröße (optische Messverfahren),
- die Eindringtiefe des Prüfkörpers (Tiefen-Messverfahren) oder
- der Kraft-Weg-Verlauf während der Prüfung (instrumentierte Eindringprüfung).
Vickers, Brinell, Knoop
Die Härteprüfungen nach Vickers, Brinell und Knoop gehören zu den optischen Messverfahren. Bei diesen Härteprüfungen wird die Größe des bleibenden Eindrucks des Prüfkörpers im Werkstück lichtoptisch gemessen. Die Härteprüfung nach Vickers ist ein häufig verwendetes Prüfverfahren, denn dieses eignet sich zur Prüfung aller Feststoffe. Die Vickershärte (HV) wird durch optische Messung der Diagonalen des bleibenden Härteeindrucks bestimmt, der nach Belastung der Probe mit einer Prüfkraft durch einen pyramidenförmigen Diamanten entsteht. Der Prüfbereich von HV0.2 bis HV5 wird oftmals auch als Kleinlasthärteprüfung und die unterhalb HV0.2 als Mikrohärteprüfung bezeichnet.
Die Härteprüfung nach Brinell wird für weiche bis mittelharte Proben aus Werkstoffen mit einer groben oder inhomogenen Kornstruktur verwendet.
Die Knoop-Härteprüfung ist ein Härteprüfverfahren, das als Alternative zum Vickers Verfahren zur Prüfung von dünnen Schichten bzw. spröden Materialien entwickelt wurde. Bei diesem dient eine asymmetrische vierseitige Pyramide als Prüfkörper.
Rockwell, Super-Rockwell
Zu den Tiefen-Messverfahren gehört die Härteprüfung nach Rockwell. Dabei handelt es sich um ein schnelles Prüfverfahren, welches in erster Linie für metallische Werkstoffen entwickelt wurde. Bei diesem wird zuerst eine geringe Prüfkraft aufgebracht, dann die Hauptkraft und nach einer bestimmten Zeit wird diese wieder bis zur Höhe der Vorkraft zurückgenommen. Am meisten wird das Verfahren nach Skala C eingesetzt, welches als Prüfkörper eine Diamantkegel (C=Cone) hat. Die mit diesem Verfahren ermittelte Härte erhält den Zusatz HRC. Für mittelharte Stähle wird die Skala B (B=Ball) mit einer Wolframcarbidkugel (W) als Prüfkörper verwendet. Die aus dieser Härteprüfung ermittelte Härte erhält den Zusatz HRBW. Das Super-Rockwell-Verfahren eignet sich besonders für die Härteprüfung von dünnen Bauteilen und Schichten bzw. bei Proben, deren Härtewert außerhalb der regulären Rockwell-Skala liegt. Das Super-Rockwell-Verfahren ist der USA weiter verbreitet als in Europa.
Mikrohärteprüfung
Die Mikrohärteprüfung ermöglicht eine genaue und detaillierte Bestimmung der Mikrohärte in kleinen Bereichen und von Beschichtungen. Im Gegensatz zur makroskopischen Härteprüfung, bei der größere Lasten auf größere Proben aufgebracht werden, werden bei der Mikrohärteprüfung kleinere Lasten und kleinere Eindringkörper verwendet. Dieses Verfahren wird eingesetzt, wenn sehr genaue Härteprüfungen an feinen Strukturen sowie an Beschichtungen erforderlich sind. Aufgrund der geringen Größe des bleibenden Eindrucks durch die kleinen Prüfkräfte wird die Härte aus der während der Prüfung aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurve berechnet.
Die Mikrohärteprüfung wird auch zur Bestimmung der Einhärtetiefe von randschichtgehärteten Bauteilen eingesetzt. Dabei wird mit kleinen Prüfkräften und geringen Eindringtiefen des Prüfkörpers eine Reihe von Härteeindrücken im Querschliff vom Probenrand zur Probenmitte hin erzeugt und so der Härtetiefenverlauf ermittelt.
Nanoindentation
Die Nanoindentation dient der präzisen Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen mittels Eindringprüfung. Haupteinsatzgebiet ist die Bestimmung der Härte, des E-Moduls und anderer mechanischer Eigenschaften von mikroskopisch kleinen Bereichen sowie von dünnen Schichten. Aufgrund der geringen Kräfte und der geringen Eindringtiefe des Prüfkörpers zählt diese Art der Werkstoffprüfung zu den quasi-zerstörungsfreien Prüfverfahren. Bei der Nanoindentation werden die Kennwerte aus der während der Prüfung aufgenommenen Kraft-Weg-Kurve ermittelt, weshalb man von einer instrumentierten Eindringprüfung spricht. So können Härte, Elastizitätsmodul, Streckgrenze und Verformbarkeit bzw. Plastizität eines Werkstoffes bestimmt werden.
Härteprüfung Kunststoffe
Die Härteprüfungen von Kunststoffen und Hartgummi wird vorzugsweise durch eine Kugel als Prüfkörper ermittelt. Damit wird die Kugeldruckhärte oder die Rockwellhärte nach ISO 2039-2 bestimmt. Beide Härteprüfverfahren werden mit einer Härteprüfmaschine durchgeführt. Es handelt sich bei diesen Verfahren um Tiefen-Messverfahren, d.h. der Härtewert wird aus der Eindringtiefe des Prüfkörpers in den Probenkörper berechnet. Als Eindringkörper dient eine gehärtete Stahlkugel mit unterschiedlichen Durchmessern.
Härteprüfung Elastomere
Die Bestimmung der Härte von Elastomeren und steifen Thermoplasten erfolgt mit der Shore-Härteprüfung und der IRHD-Härteprüfung. Damit wird die Härte am Ausgangsmaterial (Prüfplatten) und an Fertigteilen (O-Ringe, Dichtungen, Elastomerbauteile) bestimmt. Diese Prüfverfahren dienen dazu die Härte als Eindringwiderstand für Elastomere und gummielastische Polymere zu bestimmen. Dazu wird der jeweilige Prüfkörper mit einer definierten Federkraft in den Prüfkörper gedrückt. Die sich dann ergebende Eindringtiefe stellt somit ein Maß für die Shore-Härte oder die IRHD-Härte dar.
Härteprüfung an Bauteilen
Welches Härteprüfverfahren?
Die Wahl des Härteprüfverfahrens wird durch die Art und Homogenität des Werkstoffs, das Gefüge, die Größe der Probe und seinen Werkstoffzustand bestimmt. Bei allen Härteprüfungen muss die Probe repräsentativ für das gesamte Gefüge sein. Eine Ausnahme davon ist, wenn man z.B. die Härte von verschiedenen Gefügebestandteilen bestimmen möchte. Aus diesem Grund sollte bei einem heterogenen Gefüge ein größerer Eindruck als bei einem homogenen Werkstoff erreicht werden. Für jede Härteprüfung gibt es eigene Normen, die genaue Informationen über das Verfahren und dessen genauen Ablauf beinhaltet.
Vickers Härteprüfung
- Homogene Werkstoffe mit niedriger bis hoher Härte.
- Für kleine bis große Werkstücke
- Härteverlaufsmessungen zur Ermittlung von Einhärtetiefen
- Härteverteilung über Schweißnahtbereiche
Brinell Härteprüfung
- Weiche Metalle (Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Blei, Zinn) bis hin zu mittelharten Metallen (vergütete Stähle)
- Werkstoffe mit grober oder inhomogener Kornstruktur
Rockwell Härteprüfung
- Bauteile mittlerer bis hoher Härte, z.B. durchgehärtete oder tief randschichtgehärtete
- Mittelgroße bis große Werkstücke
- Bauteile aus Kunststoff
Knoop Härteprüfung
- Spröde Materialien
- Beschichtungen
Mobile Härteprüfung
- Besonders große oder schwere Werkstücke
- Vor-Ort-Härteprüfungen
Instrumentierte Eindringprüfung
- Dünne und sehr dünne Beschichtungen
- Kleine Bauteile
- Einhärtetiefen
- Härteverlaufsmessungen
Shore und IRHD Härteprüfung
- Elastomerbauteile (Ausgangsmaterial, Fertigteile)
Wie wird Härte definiert?
Die Härte ist der mechanische Widerstand eines Werkstoffes gegen das mechanische Eindringen eines anderen härteren Körpers. Die Härte kann sich durch Wärme verändern, das heißt die Härte eines Werkstückes nimmt nach einer Wärmebehandlung einen anderen Wert an. Die Härte gehört nicht zu den Grundeigenschaften eines Werkstoffs. Deswegen muss der quantitativ ermittelte Wert immer in Bezug zum Härteprüfverfahren mit den folgenden Parametern gesetzt werden:
- Prüfkraft
- Last-Zeit-Profil
- Lasteinwirkdauer
- Prüfkörper
Warum eine Härteprüfung?
Die Härteprüfung wird gemacht zum Bestimmen des Widerstands, den ein Werkstoff der dauerhaften Verformung durch Eindringen eines härteren Eindringkörpers entgegensetzt. bestimmt werden. Damit lässt sich entscheiden ob ein bestimmter Werkstoff oder eine bestimmte Werkstoffbehandlung für den beabsichtigten Einsatzzweck geeignet ist.
Was wird bei der Härteprüfung gemessen?
Bei der Härteprüfung wird ein Prüfkörper in den Werkstoff eingedrückt und die Härte als Eindringwiderstand bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt durch:
- Messen der Größe des vom Prüfkörper hinterlassenen Eindrucks (optische Messverfahren)
- Messen der Eindringtiefe des Prüfkörpers (Tiefen-Messverfahren)
- Auswertung der Kraft-Weg-Kurve (instrumentierte Eindringprüfung)
Die instrumentierte Eindringprüfung (Martens Härteprüfung) ist dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur die Härte mit hoher hohe Genauigkeit bestimmt wird sondern auch aus der Kraft-Weg-Kurve weitere Werkstoffkennwerte bestimmt werden können.