Härteprüfung
Härteprüfungen sind unerlässlich, um die Qualität und Sicherheit von Bauteilen zu gewährleisten. Denken Sie beispielsweise an ein Knochenimplantat: Eine unzureichende Härte kann dazu führen, dass es während der Belastung im Körper bricht. Das würde zu schwerwiegenden Komplikationen führen, die durch Härteprüfverfahren verhindert werden.
Inhaltsverzeichnis
- Was ist die Härteprüfung?
- Wie wird die Härte gemessen?
- Welche Härteprüfverfahren gibt es?
- Zuverlässige Härteprüfungen im Labor
- Unterscheidung der verschiedenen Härteprüfverfahren
- Was wird bei der Härteprüfung gemessen?
- Wann eignet sich welche Härteprüfung am besten?
- Die Anwendungsgebiete der Härteprüfung
- Ablauf der Härteprüfung: Von der Probe bis zur Messung
- Mikro- und Makrohärteprüfung im Vergleich
- Kurz zusammengefasst: Härteprüfung
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Was ist die Härteprüfung?
Die Härteprüfung ist ein physikalisches Prüfverfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs und ist ein Teilgebiet der Metallographie. Sie misst den Widerstand eines Materials gegen das Eindringen eines Prüfkörpers unter definierter Last. Die ermittelten Werte geben Aufschluss über die Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit eines Werkstoffs. Dabei ist wichtig zu beachten, dass sich die Härte unter bestimmten Bedingungen verändern kann, zum Beispiel durch Wärme oder die Art und Weise, wie Kräfte auf das Material einwirken.
Ziel der Härteprüfung
Härteprüfungen sind ein entscheidender Bestandteil der Qualitätskontrolle und Werkstoffprüfung in der Industrie. Sie dienen dazu, Mängel, die oft mit dem bloßen Auge nicht zu sehen sind, zu identifizieren und ermöglichen systematische Schadensanalysen. Dies ist vorwiegend für die Bewertung der mechanischen Eigenschaften in der Forschungs- und Entwicklungsarbeit sowie der Fertigung unerlässlich. Denn die Härteprüfung ermöglicht es, Fehler in der Materialentwicklung frühzeitig zu erkennen und so die Produktqualität zu verbessern.
Wie wird die Härte gemessen?
Härte kann nicht direkt gemessen werden, deshalb erfolgt die Bestimmung indirekt durch Messgrößen wie Eindringungstiefe oder Eindrucksfläche, abhängig vom verwendeten Prüfverfahren. Um diese Kennzahlen zu ermitteln, wird eine Prüfkraft auf die Oberfläche eines Materials ausgeübt und der resultierende Eindruck auf die Oberfläche vermessen. Die gängigsten Maßeinheiten für Härte sind Kilogramm-Kraft (kgf), Newton (N), Vickers-Härte (HV), Knoop-Härte (HK), Brinell-Härte (HBW) und Rockwell-Härte (HRA, HRB, HRC), die je nach Härteprüfverfahren angegeben werden.
Welche Härteprüfverfahren gibt es?
Es gibt verschiedene Härteprüfverfahren, die je nach Material, Anwendung und Anforderungen eingesetzt werden. Die wichtigsten Verfahren sind die genormten Härteprüfverfahren nach Vickers, Knoop, Brinell und Rockwell. Durch diese Normverfahren können international einheitliche und vergleichbare Messwerte bestimmt werden.
Härteprüfung nach Vickers
Bei der Härteprüfung nach Vickers wird die Probe am wenigsten beeinträchtigt. Durch den Einsatz einer diamantenen Pyramide, die mit einem spezifischen Winkel und einer definierten Belastung auf das Prüfstück trifft, hinterlässt der Eindringkörper nur einen minimalen Eindruck. Wir führen die Vickers Härteprüfung gemäß der Norm DIN ISO 6507 durch.
Für die Berechnung der Vickershärte (HV) wird die Diagonalenlänge des Abdrucks im Probenmaterial vermessen. Es handelt sich hierbei um ein zerstörungsfreies Verfahren, das sich durch die Präzision für eine Vielzahl an Materialien, von Mikrohärte bis Makrohärte, eignet.
Knoop-Härteprüfung
Die Härteprüfung nach Knoop ist eine Alternative zum Vickers-Verfahren mit geringer Prüfkraft und wird überwiegend zur Prüfung von Beschichtungen und spröden Werkstoffen wie Keramik eingesetzt. Als Eindringkörper wird ein langgezogener Eindringkörper verwendet. Bei der Knoop Härtemessung werden die langen Diagonalen des Eindrucks bestimmt. Die Knoop-Härte wird als HK bezeichnet.
Härteprüfung nach Brinell
Die Härteprüfung nach Brinell ist die Methode der Wahl zur Untersuchung weicher bis mittelharter Metalle und Werkstücke, die große, grobe oder inhomogene strukturelle Elemente aufweisen. Das Brinell-Verfahren ist besonders materialschonend. Durch den Einsatz einer Hartmetall-Kugel als Eindringkörper mit bekanntem Durchmesser wird unter einer bestimmten Last ein Eindruck generiert. Dessen Durchmesser wird anschließend optisch gemessen. Die Brinell-Härte wird als HBW (Härte Brinell Wolframkarbidkugel) bezeichnet.
Rockwell-Härteprüfung
Die Härteprüfung nach Rockwell ist ein statisches Härteprüfverfahren und wurde als Schnelltest für große, hauptsächlich metallische Prüfstücke mit großer Härte entwickelt. Je nach Methode wird eine Diamant- oder Metallkugel in die Probe gepresst und deren Eindringtiefe gemessen. Hierfür wird kein optisches Auslesen angewandt und das Prüfstück kann im Anschluss weiterverwendet werden. Die Rockwell-Härte wird mit HR (HRA, HRB, HRC) angegeben.
Zuverlässige Härteprüfungen im Labor
Quality Analysis prüft Ihre Probe
Wir führen die Härteprüfung zumeist nach Vickers gemäß Norm DIN ISO 6507 durch, aber auch andere Härteprüfverfahren kommen zum Einsatz. Auf diese Weise können wir Proben aller Härtegrade – von weich bis hart – sowie metallische und nicht-metallische Bauteile analysieren. Ebenso überprüfen wir den Härteverlauf eines Werkstücks nach einer Wärmebehandlung. Die Bestimmung der Randschichthärte, Einsatzhärtungstiefe und der Nitrierhärtetiefe wird normkonform durchgeführt.
- Härteprüfung nach Vickers, Brinell, Knoop
- Bestimmung von Härteverlaufskurven
- Prüfung der Einsatzhärtungstiefe
- Bestimmung der Nitrierhärtetiefe
- Bestimmung der Schmelzhärtetiefe
- Mikrohärteprüfung
- Normkonforme Prüfung nach sämtlichen gängigen Normen
Unterscheidung der Härteprüfverfahren
Die Härteprüfverfahren werden prinzipiell in Verfahren mit statischer und dynamischer Krafteinwirkung unterschieden. Unter dynamischen Härteprüfungen versteht man solche, bei denen die Belastung schlagartig oder mit schnellen Laständerungen auf die Probe ausgeübt wird. Bei der statischen Härteprüfung bleibt die Belastung hingegen konstant oder nimmt allmählich zu.
Zusätzlich lässt sich eine weitere Unterscheidung treffen: zwischen zerstörenden und zerstörungsfreien Härteprüfungen. Zerstörende Verfahren führen zu einer dauerhaften Verformung oder Beschädigung des Werkstücks, während zerstörungsfreie Prüfmethoden nur eine leichte Verformung erzeugen, ohne das Material in seiner Funktion zu beeinträchtigen.
Was wird bei der Härteprüfung gemessen?
Die Härteprüfung erfolgt in der Regel mit statischen Verfahren, bei denen eine Prüfkraft auf das Material ausgeübt wird. Dabei gibt es zwei verschiedene Ansätze: die Messung der Eindringtiefe oder die Vermessung der Eindrucksgröße, die durch den Prüfkörper im Material hinterlassen wird.
Je nach Verfahren wird zwischen folgenden Messmethoden unterschieden:
Tiefenmessverfahren
Hier wird ermittelt, wie tief der Prüfkörper in das Material eindringt. Das bekannteste und genormte Tiefenmessverfahren ist die Rockwell-Härteprüfung (ISO 6508, ASTM E18). Es gibt jedoch auch nicht genormte Brinell- und Vickers-Härtemessungen in der Tiefe (HBT, HVT).
Optische Messverfahren
Bei dieser Methode wird die Größe des bleibenden Eindrucks im Material bestimmt. Bekannte optische Prüfverfahren sind die Brinell-Härteprüfung (ISO 6506, ASTM E10), die Knoop-Härteprüfung (ISO 4545, ASTM E92, ASTM E384) und die Vickers-Härteprüfung (ISO 6507, ASTM E92, ASTM E384).
Neben den statischen Prüfverfahren gibt es auch Methoden, die mit dynamischer Krafteinwirkung arbeiten wie die Leeb-Härteprüfung (ISO 16589, ASTM A965). Hierbei wird eine Kugel mit einer bestimmten Energie auf das Material geschossen und die Rückprallhöhe gemessen. Diese gibt Aufschluss über die Härte des Werkstoffs.
Wann eignet sich welche Härteprüfung am besten?
Die Wahl des richtigen Härteprüfverfahrens hängt von verschiedenen Faktoren ab, etwa dem Werkstoff, der Probengröße und der Oberflächenbeschaffenheit.
Grundsätzlich lässt sich sagen: Bei der Vickers-Härteprüfung handelt es sich um die vielseitigste Methode, da bei ihr der Eindringkörper das Probestück nur wenig beeinträchtigt und sie sich dadurch für Messungen von Mikro- bis Makrohärte eignet. Deshalb ist sie auch ideal, um die Härte von Schweißnähten und dünnem Material zu messen. Zudem werden sämtliche Härteverläufe, wie zum Beispiel eine Einsatzhärtetiefe oder eine Nitrierhärtetiefe laut Norm in Vickers gemessen.
Während die Härteprüfung nach Rockwell am besten für große und grobe Probestücke geeignet ist, ist die Brinell-Härteprüfung ideal für weiche bis mittelharte Metalle und die Härteprüfung nach Knoop für Beschichtungen.
Die Anwendungsgebiete der Härteprüfung
Härteprüfungen werden in vielen Bereichen der Industrie und Forschung eingesetzt. Bei Quality Analysis werden Härteprüfungen zum Beispiel für folgende Branchen durchgeführt:
Automotive
Die Anforderungen an Komponenten und Bauteilgruppen in der Automobilindustrie sind hoch. Insbesondere die E-Mobilität verlangt nach immer leichteren (und somit dünnwandigeren) Bauteilen, die jedoch den gleichen Belastungen standhalten müssen wie herkömmliche Komponenten. Hier gibt eine Vickers- oder Brinell-Härteprüfung die Gewissheit, dass die Anforderungen Ihres Kunden erfüllt werden.
Medizintechnik
Ärzte müssen sich bei Ihrer Arbeit auf die zuverlässige Funktionsfähigkeit Ihrer Instrumente verlassen können. Noch höher sind die Ansprüche für Implantate: Einmal im Körper, müssen sie jahrelang zuverlässig ihre Aufgabe erfüllen. Durch die Härteprüfung von Schweißnähten und Lötstellen stellen wir sicher, dass die von Ihnen hergestellten Instrumente und Implantate allen Anforderungen gerecht werden.
Luft- und Raumfahrtindustrie
In der Luft- und Raumfahrt werden besonders hohe Anforderungen an die Festigkeit und Belastbarkeit von Bauteilen gestellt, schließlich hängt von der reibungslosen Funktion jeder Komponente eine Menge ab – nicht zuletzt auch die Sicherheit von Besatzung und Passagieren. Eine Härteprüfung nach Brinell oder Vickers gibt Ihnen die Gewährleistung, dass Ihre Bauteile den extremen Belastungen standhalten, die im Einsatz in diesen Branchen regelmäßig auftreten.
Anwendung 4
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Anwendung 5
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Ablauf der Härteprüfung: Von der Probe bis zur Messung
Der Härteprüfprozess umfasst die Vorbereitung der Probe und den eigentlichen Test. Je nach Verfahren unterscheidet sich der Prozess, der allgemeine Ablauf besteht aber aus folgenden Schritten:
1.
Probenvorbereitung
Die Probe wird auf eine spezifische Oberflächenrauheit vorbereitet. Manchmal ist es nötig, die Probe zu reinigen oder plan zu schleifen. Anschließend werden am Prüfgerät der richtige Eindringkörper angebracht und die richtige Prüfkraft eingestellt – diese hängen vom Verfahren und dem Werkstoff ab.
2.
Prüfung
Dann wird die Probe der Belastung ausgesetzt und die Messgrundlage entsteht. Dabei kommt es ganz auf das Verfahren an, wie lange die Belastung andauert. Je nach Verfahren werden Diagonalenlängen, Eindruckdurchmesser oder Eindrucktiefe mittels Messmikroskop oder Lasermikroskop ausgemessen. Die gemessene Eindringtiefe oder der Eindruckdurchmesser werden verwendet, um die Härte des Materials zu berechnen.
3.
Auswertung
Anschließend müssen die Werte anhand der zum jeweiligen Verfahren passenden Formel berechnet und analysiert werden. Bei modernen Härteprüfgeräten erfolgt dieser Schritt meist automatisch: Das Gerät erfasst die Messdaten, berechnet den Härtewert selbstständig und stellt die Ergebnisse direkt zur Verfügung. Dadurch wird die Auswertung schneller und Messfehler werden reduziert.
Mikro- und Makrohärteprüfung im Vergleich
Die Härteprüfung kann je nach eingesetzter Prüfkraft in drei Kategorien unterteilt werden. Bei der Makrohärteprüfung wird mit höheren Prüflasten ab 5 kgf gearbeitet, was größere Eindrücke im Material hinterlässt. Diese Methode eignet sich gut für größere Werkstücke und wird oft mit Verfahren wie Brinell, Vickers oder Rockwell durchgeführt.
Die Mikrohärteprüfung hingegen nutzt sehr geringe Prüfkraft von weniger als 0,2 kgf, wodurch nur sehr kleine Eindrücke entstehen. Diese Methode ist ideal, um dünne Schichten oder kleine Strukturen im Material zu messen. Bei Prüflasten zwischen diesen beiden Prüfbereichen spricht man von Kleinlasthärteprüfungen.
Kurz zusammengefasst: Härteprüfung
Härteprüfverfahren sind ein zentraler Bestandteil der Werkstoffprüfung und tragen wesentlich zur Qualitätssicherung bei. Die Wahl des richtigen Verfahrens ist entscheidend, um zuverlässige und vergleichbare Messergebnisse zu erhalten. Durch die Anwendung der passenden Prüfmethoden können Unternehmen sicherstellen, dass ihre Bauteile den hohen Anforderungen in der Industrie gerecht werden und langfristig eine optimale Leistung bieten.