Die Härte ist eine äußerst wichtige Werkstoffeigenschaft, insbesondere bei Anwendungen, bei denen es auf Verschleißfestigkeit ankommt. So werden beispielsweise in Drehmaschinen Schneidwerkzeuge aus Werkstoffen mit ausreichender Härte hergestellt, um festere Materialien wie Schnellarbeitsstähle zu bearbeiten. Motorventile, Lager und Zahnräder in der Automobil- und Luftfahrtindustrie werden aufgrund der starken Reibung und Belastungen, denen sie ausgesetzt sind, aus gehärteten Werkstoffen gefertigt. Dank ihrer Härte eignen sich Schleifscheiben und Schleifscheiben besonders gut für den Materialabtrag und zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer aus. Aber was ist Härte eigentlich?
Die Härte ist das Maß für die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen lokale bleibende Verformung. Während einige Werkstoffe von Natur aus hart sind, wie beispielsweise Wolfram, erhalten andere ihre Härte durch Behandlungsverfahren wie die Wärmebehandlung. Diese Werkstoffe können nicht direkt in einer technischen Anwendung eingesetzt werden, ohne sie zuvor einer wirksamen Prüfung zu unterziehen. Es gibt verschiedene Methoden, mit denen Ingenieure diese Härte prüfen können. In diesem Leitfaden werden die drei gängigen Methoden der Härtemessung behandelt: die Shore-, Rockwell- und Brinell-Härteskalen. Der Leitfaden hilft zudem dabei, die Auswahlkriterien der drei Härteskalen zu verstehen. Bevor wir näher auf die drei Arten von Härteskalen eingehen, ist es wichtig, kurz auf den Begriff „Härte“ einzugehen.
Welche verschiedenen Arten von Materialhärte gibt es?
Verschiedene Werkstoffe zeigen unter unterschiedlichen Belastungen ein unterschiedliches Verhalten, auch wenn sie alle als harte Werkstoffe eingestuft werden können. So kann beispielsweise ein Metall einem enormen einmaligen Stoß standhalten, ohne zu versagen. Derselbe Werkstoff kann jedoch einer dauerhaften Belastung nicht standhalten und versagt daher. Dies sollte Ingenieure dazu veranlassen, Härtetests durchzuführen, um eine fundierte Entscheidung bei der Werkstoffauswahl treffen zu können. Zu den drei in der Technik gängigen Härtetests gehören die Eindringhärte, die Kratzfestigkeit und die Rückprallhärte.
Eindrückhärte
Wenn Ingenieure und Metallurgen von Härte sprechen, meinen sie damit eigentlich die Eindrückhärte. Der Grund dafür ist, dass die meisten technischen Belastungsanwendungen kontinuierlich sind. Die Eindrückhärte bezeichnet die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen bleibende Verformung unter kontinuierlicher Belastung. Techniker legen größeren Wert auf die Messung dieser Art von Härte, da sie in der technischen Konstruktion weit verbreitet ist.
Kratzfestigkeit
Einige technische Werkstoffe, wie beispielsweise Keramiken, unterliegen keiner plastischen Verformung und gelten als spröde. Wenn sie bestimmten Kräften ausgesetzt sind, entstehen Kratzer auf ihrer Oberfläche. Technisch gesehen sind Kratzer schmale, durchgehende Vertiefungen in der obersten Schicht, die entstehen, wenn ein Werkstoff mit schärferen, härteren Materialien in Kontakt kommt. Die Fähigkeit eines Werkstoffs, Kratzern auf seiner Oberfläche zu widerstehen, wird als Kratzfestigkeit bezeichnet. Kratzprüfungen sind von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Auswahl von Werkstoffen für Reibungsanwendungen wie Motorzylinderlaufbuchsen. Eine Laufbuchse muss eine höhere Härte aufweisen als der Material, mit dem sie in Kontakt kommt.
Rückprallhärte oder dynamische Härte
Die Rückprallhärte ist eine Form der elastischen Härte. Bei der Eindring- oder Kratzhärte reagiert ein Werkstoff durch Widerstand gegen plastische Verformung. Bei der Rückprall- oder dynamischen Härte absorbiert ein Werkstoff die Aufprallenergie und gibt sie an den Eindringkörper zurück. Der Eindringkörper ist die Quelle des Aufpralls.
Für die Messung all dieser Härtearten sind unterschiedliche Messgeräte erforderlich. Lassen Sie uns nun die verschiedenen Härteskalen besprechen, die bei der Messung dieser Härtearten verwendet werden.
Was ist die Shore-Härteskala?
Die Shore-Härteskala ist ein spezielles Verfahren zur Härtebestimmung, mit dem sich die Widerstandsfähigkeit von Elastomeren, Kunststoffen und anderen Polymeren messen lässt. [1]. Anhand dieser Messung lässt sich feststellen, wie flexibel, steif und widerstandsfähig ein Material ist, bevor es für bestimmte Anwendungen ausgewählt wird. Diese Messung erfolgt mit einem Durometer.
Wie funktioniert ein Durometer?
Ein Shore-Härteprüfer drückt einen federbelasteten Stahlstift oder -kegel in das Material. Das Gerät liefert Messwerte von 0 bis 100, die als Materialhärte interpretiert werden können. Bei härteren Materialien ist der Messwert höher, was bedeutet, dass der Stift nicht in das Material eindringen kann. Weist die Skala relativ niedrigere Werte auf, bedeutet dies, dass der Stift tiefer in das Material eindringt. Das Material wird dann als weich eingestuft. Die anhand der Härteprüfer-Skala ermittelten Messwerte sind relativ, und die physikalischen Einheiten sind nicht absolut.
Arten von Shore-Skalen
Wir bieten verschiedene Waagentypen mit unterschiedlichen Messbereichen für zahlreiche Materialien an. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über diese Waagentypen.
| Ufertyp | Anmeldung |
|---|---|
| A | Wird für weiche Materialien wie Elastomere, Silikon, TPU und bestimmte Kunststoffarten verwendet. |
| D | Wird für steifere Materialien wie Hartkunststoffe, Nylon, Polypropylen und bestimmte Gummisorten verwendet. |
| B | Wird für Zwischenmaterialien zwischen den Klassen A und D verwendet, wie beispielsweise Naturkautschuk, Neopren und EPDM. |
| 00 | Wird für sehr weiche Materialien wie Gele verwendet. |
| E | Wird für Schaumstoffe mit geringer Dichte und weiche Materialien verwendet. |
Shore A und Shore D sind die beiden am häufigsten verwendeten Härtegrade. Der typische Härtebereich für Shore A liegt bei 20–95A, während er für Shore B bei 30–90B liegt.
Die Materialhärte wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Zu diesen Faktoren zählen die chemische Zusammensetzung und die Molekülstruktur. Werkstoffe mit starken kovalenten Bindungen sind in der Regel hart. Die Shore-Härte ändert sich zudem mit der Temperatur. Je höher die Temperatur, desto geringer ist der Härtegrad.
Vor- und Nachteile der Prüfung nach der Shore-Härteskala
Die folgende Tabelle fasst die Vorteile und Einschränkungen der Prüfung nach der Shore-Härteskala zusammen.
Vorteile
- Sehr schnelle Tests (in der Regel weniger als 2 Sekunden)
- Tragbare Geräte
- Minimale Probenvorbereitung
- Ideal für flexible Materialien
- Geringe Testkosten
Beschränkungen
- Nicht für Metalle geeignet
- Abhängig von der Probendicke
- Die Bedientechnik beeinflusst die Wiederholgenauigkeit
- Die Temperatur beeinflusst die Ergebnisse
Was ist die Rockwell-Härte?
Bei der Rockwell-Härteprüfung wird ein gehärteter Eindringkörper in eine Probe des zu prüfenden Materials gedrückt. Bei dieser Prüfung werden zweistufige Belastungsversuche durchgeführt: Hauptbelastung und Nebenbelastungen. Die Prüfung und die dargestellte Kurve hängen von der Art der verwendeten Skala ab.
Wie wird die Rockwell-Härteprüfung durchgeführt?
Bei diesem Test wird das zu prüfende Material mit einem Diamantkegel oder einer Kugel aus gehärtetem Stahl eingedrückt. [2]. Bei jeder Prüfung werden zwei Lasten auf die Probe aufgebracht. Zunächst wird der Eindringkörper unter einer geringen Last in das Material gedrückt. Die unter dieser geringen Last erzielte Anfangstiefe wird dann erfasst. Während die geringe Last weiterhin wirkt, wird eine zusätzliche Last, die sogenannte Hauptlast, aufgebracht. Diese Hauptlast vergrößert die Eindringtiefe in das Material. Anschließend wird die Hauptlast entfernt, wodurch die wirkende Kraft wieder auf die geringe Last zurückkehrt.
Der Rockwell-Härtewert wird aus der Zunahme der Eindringtiefe berechnet, die sich aus dem Aufbringen und dem Wegnehmen der Hauptlast ergibt.
Arten von Rockwell-Skalen
Die folgende Tabelle zeigt die fünf wichtigsten Rockwell-Skalen mit ihren Anwendungsbereichen. Insgesamt gibt es 17 Skalen, von denen jede einen bestimmten Anwendungsbereich hat.
| Maßstab | Abkürzung | Hauptlast (kgf) | Indenter | Verwenden Sie |
|---|---|---|---|---|
| A | HRA | 60 | Kegelförmiger Diamant† | Hartmetalle, dünner Stahl, flach einsatzgehärteter Stahl |
| B | HRB | 100 | 1/16 Zoll (1,59 mm) Kugel | Kupferlegierungen, Weichstähle, Aluminiumlegierungen, Temperguss |
| C | HRC | 150 | Kegelförmiger Diamant† | Stahl, rostfreie Stähle, Hartgusseisen, perlitisches Temperguss, Titan, Titanlegierungen, tiefgehärteter Stahl, sonstige Werkstoffe mit einer Härte von mehr als 100 HRB |
| D | HRD | 100 | Kegelförmiger Diamant† | Dünner Stahl, mittelhart einsatzgehärteter Stahl und perlitisches Temperguss |
| E | HRE | 100 | 1/8 Zoll (3,18 mm) Kugel | Gusseisen, Aluminium- und Magnesiumlegierungen, Lagermetalle, duroplastische Kunststoffe |
Vorteile und Grenzen der Rockwell-Härteskala
Die folgende Tabelle fasst die Vorteile und Einschränkungen der Rockwell-Skala zusammen.
Vorteile
- Hohe Wiederholgenauigkeit
- Produktionsfreundlich
- Minimaler Einfluss des Bedieners
- Hervorragend geeignet für wärmebehandelte Metalle
- Kurze Zykluszeiten
Beschränkungen
- Die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst die Ergebnisse
- Dünne Materialien erfordern spezielle Waagen
- Nicht geeignet für sehr weichen Gummi
Was ist die Brinell-Härte?
Die Brinell-Härte ist ein Maß dafür, wie widerstandsfähig ein Werkstoff gegen Eindrücke ist, und wird mithilfe des Brinell-Härteprüfverfahrens ermittelt. Bei dieser Prüfung wird eine Kugel aus hartem Stahl oder Hartmetall unter einer bestimmten Belastung in die Oberfläche des Werkstoffs gedrückt, und der Durchmesser der dabei entstehenden Vertiefung wird gemessen. [3]. Die Brinell-Härte (BHN) wird berechnet, indem die aufgebrachte Kraft durch die Fläche der Eindrückung geteilt wird. Dieses Verfahren wird häufig zur Prüfung von Metallen eingesetzt und liefert wertvolle Informationen über die Festigkeit eines Werkstoffs und dessen Eignung für verschiedene Anwendungen.
Skalenarten für die Brinell-Härte
Bei der Brinell-Härteprüfung wird eine einzige durchgehende Skala verwendet, die bei Wolframkarbidkugeln mit HB oder HBW bezeichnet wird. Dabei kommen etwa 25 Standardkombinationen von Kugeldurchmessern zum Einsatz, darunter 1, 2,5, 5 oder 10 mm. Bei der Prüfung wird eine Prüfkraft von 1 kgf bis 3.000 kgf verwendet, gruppiert nach dem Kraft-Durchmesser-Verhältnis F/D².
F/D² wird einfach als Verhältnis bezeichnet. So bedeutet beispielsweise ein Verhältnis von 30, dass F/D² = 30 mm ist, während ein Verhältnis von 2,5 bedeutet, dass F/D² = 2,5 mm ist. Die folgende Tabelle zeigt gängige Verhältnisse, die bei der Brinell-Härte verwendet werden, sowie deren Anwendungsbereiche.
| Verhältnis (F/D²) | Verwendungszwecke |
|---|---|
| 30 | Wird für harte Metalle wie Stahl und Gusseisen verwendet. Die Standardprüfkraft beträgt in der Regel 3000 kgf mit einer 10-mm-Kugel (HBW 10/3000). |
| 10 | Wird für Kupferlegierungen (wie Messing und Bronze), mittelharte Stähle und Eisen verwendet. Die übliche Belastung beträgt 1000 kgf mit einer 10-mm-Kugel (HBW 10/1000). |
| 5 | Wird für weichere Kupferlegierungen und härtere Aluminiumlegierungen verwendet |
| 2.5 | Wird für weiche Aluminium- und Magnesiumlegierungen verwendet. |
| 1 | Wird für extrem weiche Metalle wie Blei, Zinn und weiche Weißmetalle verwendet. |
Vorteile und Grenzen der Brinell-Härte
Vorteile
- Hervorragend geeignet für heterogene Werkstoffe
- Guter Mittelungseffekt aufgrund der großen Eindrückung
- Ideal für Gussteile
- In der Schwerindustrie weithin anerkannt
Beschränkungen
- Große Eindrücke beschädigen die Oberflächenbeschaffenheit
- Langsamer Testprozess
- Erfordert eine optische Messung
- Nicht für Dünnschnitte geeignet
Wie vergleicht man Härteskalen und wählt die richtige aus?
Alle drei Methoden sind relevant, und keine ist der anderen überlegen. Angenommen, alle Methoden sind je nach dem zu prüfenden Material anwendbar, dann können Sie eine Methode wählen, die schnell und kostengünstig ist. Die Shore-Härteprüfung hat mit 1–2 Sekunden die kürzeste Prüfdauer, gefolgt von der Rockwell-Härteprüfung, die 5–15 Sekunden dauert. Die Brinell-Härteprüfung dauert 30–60 Sekunden. Im Produktionsbereich liefern sowohl die Shore- als auch die Rockwell-Härte hervorragende Ergebnisse, während die Brinell-Härte einen mäßigen Schutz bietet. Die Shore-Härte eignet sich für Kautschuke, Elastomere und kunststoffähnliche Werkstoffe. Die Rockwell-Härte wird bei der Arbeit mit technischen Kunststoffen gewählt. Andererseits können Sie die Brinell-Härte wählen, wenn Sie mit Gussteilen, Schmiedeteilen und grobkörnigen Metallen zu tun haben.
Referenzen
[1] TWI Global. (o. J.). Was ist mechanische Prüfung? (Ein umfassender Leitfaden). TWI Global – Häufig gestellte Fragen zum technischen Wissen. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-mechanical-testing
[2] ASTM International. (2024). ASTM E18-22: Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der Rockwell-Härte von metallischen Werkstoffen. ASTM-Normen. https://www.astm.org/e0018-22.html
[3] TWI Global. (o. J.). Härteprüfung – Teil 1. TWI Global – Fachwissen. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-part-1-074
DE 
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