Hardheid is een zeer essentiële materiaaleigenschap, met name bij toepassingen waarbij slijtvastheid van belang is. Bij draaibanken worden snijgereedschappen bijvoorbeeld vervaardigd uit materialen met voldoende hardheid om sterkere materialen, zoals snelstaal, te kunnen snijden. Motorkleppen, lagers en tandwielen in de automobiel- en lucht- en ruimtevaartindustrie worden vervaardigd uit geharde materialen vanwege de zware wrijving en belastingen waaraan ze worden blootgesteld. Dankzij hun hardheid presteren slijpschijven en schuurschijven efficiënt bij het verwijderen van materiaal en gaan ze lang mee. Maar wat is hardheid eigenlijk?
Hardheid is de maatstaf voor de weerstand van een materiaal tegen plaatselijke blijvende vervorming. Terwijl sommige materialen van nature hard zijn, zoals wolfraam, krijgen andere hun hardheid door bewerkingsmethoden zoals warmtebehandeling. Deze materialen kunnen niet direct in een technische toepassing worden gebruikt zonder ze eerst grondig te testen. Er zijn verschillende methoden die ingenieurs kunnen gebruiken om deze hardheid te testen. In deze gids bespreken we de drie gangbare methoden voor hardheidsbepaling: de Shore-, Rockwell- en Brinell-hardheidsschalen. De gids helpt ook bij het begrijpen van de selectiecriteria voor de drie hardheidsschalen. Voordat we dieper ingaan op de drie soorten hardheidsschalen, is het essentieel dat we kort ingaan op hardheid.
Welke verschillende soorten materiaalhardheid zijn er?
Verschillende materialen vertonen onder verschillende belastingen een verschillend gedrag, ook al kunnen ze allemaal als harde materialen worden aangemerkt. Zo kan een metaal bijvoorbeeld een enorme eenmalige schok weerstaan zonder te bezwijken. Hetzelfde materiaal kan echter niet bestand zijn tegen een voortdurende belasting en daardoor bezwijken. Dit zou ingenieurs ertoe moeten aanzetten hardheidstests uit te voeren om een weloverwogen keuze te kunnen maken bij de materiaalkeuze. De drie hardheidstests die veel worden toegepast in technische toepassingen zijn de indrukkings-, kras- en terugveringshardheid.
Indrukhardheid
Wanneer ingenieurs en metallurgen het over hardheid hebben, bedoelen ze in feite de indrukhardheid. Dit komt doordat de meeste technische belastingssituaties van langdurige aard zijn. Indrukkhardheid is het vermogen van een materiaal om permanente vervorming te weerstaan wanneer het aan een langdurige belasting wordt blootgesteld. Technici hechten meer belang aan het meten van dit type hardheid, omdat het op grote schaal wordt toegepast in technische ontwerpen.
Krashardheid
Sommige technische materialen, zoals keramiek, ondergaan geen plastische vervorming en worden als bros beschouwd. Wanneer ze aan bepaalde krachten worden blootgesteld, ontstaan er krassen op hun oppervlak. Technisch gezien zijn krassen smalle, doorlopende inkepingen in de bovenste laag die ontstaan wanneer een materiaal in contact komt met scherpere, hardere materialen. Het vermogen van een materiaal om krassen op het oppervlak te weerstaan, wordt krashardheid genoemd. Krasproeven zijn van cruciaal belang, vooral bij de keuze van materialen voor wrijvingstoepassingen zoals cilinderbussen voor motoren. Een cilinderbus moet een hogere hardheid hebben dan het materiaal waarmee deze in contact komt.
Terugvering of dynamische hardheid
De terugveringshardheid is een vorm van elastische hardheid. Bij indring- of krashardheid reageert een materiaal door weerstand te bieden tegen plastische vervorming. Bij terugverings- of dynamische hardheid absorbeert een materiaal de energie bij de botsing en geeft deze terug aan de indringer. Een indringer is de bron van de botsing.
Voor al deze soorten hardheid zijn verschillende meetinstrumenten nodig. Laten we nu eens kijken naar de verschillende hardheidsschalen die worden gebruikt bij het meten van deze soorten hardheid.
Wat is de Shore-hardheidsschaal?
De Shore-hardheidsschaal is een speciale methode voor het meten van de hardheid van elastomeren, kunststoffen en andere polymeren [1]. Met deze meting wordt vastgesteld hoe flexibel, stijf en duurzaam een materiaal is, voordat het voor bepaalde toepassingen wordt geselecteerd. Deze meetmethode wordt uitgevoerd met behulp van een durometer.
Hoe werkt een durometer?
Een Shore-durometer maakt gebruik van een veerbelaste stalen pen of kegel die in het materiaal wordt gedrukt. Het instrument geeft waarden weer van 0 tot 100, die kunnen worden geïnterpreteerd als de hardheid van het materiaal. Bij hardere materialen is de waarde hoger, wat betekent dat de pen niet in het materiaal kan doordringen. Als de schaal relatief lagere waarden aangeeft, betekent dit dat de pen dieper in het materiaal zakt. Het materiaal wordt dan als zacht geïnterpreteerd. De metingen op de schaal van de durometer zijn relatief en de fysieke eenheden zijn niet absoluut.
Soorten walweegschalen
We beschikken over verschillende soorten weegschalen, met verschillende meetbereiken voor talrijke materialen. In de onderstaande tabel worden deze soorten weegschalen samengevat.
| Type oever | Toepassing |
|---|---|
| A | Wordt gebruikt voor zachte materialen zoals elastomeren, siliconen, TPU en bepaalde soorten kunststof. |
| D | Wordt gebruikt voor stijvere materialen zoals harde kunststoffen, nylon, polypropyleen en bepaalde soorten rubber. |
| B | Wordt gebruikt voor tussenmaterialen tussen schaal A en D, zoals natuurrubber, neopreen en EPDM. |
| 00 | Wordt gebruikt voor zeer zachte materialen, zoals gels. |
| E | Wordt gebruikt voor schuim met een lage dichtheid en zachte materialen. |
Shore A en Shore D zijn de twee meest gebruikte hardheidsgraden. Het gebruikelijke bereik voor Shore A ligt tussen 20 en 95A, terwijl dat voor Shore B tussen 30 en 90B ligt.
De hardheid van een materiaal wordt door verschillende factoren beïnvloed. Een van die factoren is de chemische samenstelling en de moleculaire structuur. Materialen met sterke covalente bindingen zijn over het algemeen hard. De Shore-hardheid verandert ook met de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur, hoe lager de hardheid.
Voor- en nadelen van het testen volgens de Shore-hardheidsschaal
In de onderstaande tabel worden de voordelen en beperkingen van het testen volgens de Shore-hardheidsschaal samengevat.
Voordelen
- Zeer snelle tests (meestal minder dan 2 seconden)
- Draagbare apparatuur
- Minimale monstervoorbereiding
- Ideaal voor flexibele materialen
- Lage testkosten
Beperkingen
- Niet geschikt voor metalen
- Afhankelijk van de dikte van het monster
- De techniek van de operator beïnvloedt de herhaalbaarheid
- De temperatuur beïnvloedt de resultaten
Wat is Rockwell-hardheid?
Bij de Rockwell-hardheid wordt een geharde indringer in een proefstuk van het te testen materiaal gedrukt. Bij deze test worden belastingen in twee stappen toegepast: een hoofdbelasting en nevenbelastingen. De test en de weergegeven grafiek zijn afhankelijk van het type schaal dat wordt gebruikt.
Hoe wordt de Rockwell-hardheidstest uitgevoerd?
Bij deze test wordt een diamantkegel of een geharde stalen kogel gebruikt om een indruk in het te testen materiaal te maken [2]. Telkens wanneer een test wordt uitgevoerd, worden twee belastingen op het proefstuk uitgeoefend. De indringer wordt eerst onder een kleine belasting in het materiaal gedrukt. De aanvankelijke indringdiepte bij deze kleine belasting wordt vervolgens geregistreerd. Terwijl de kleine belasting nog steeds wordt uitgeoefend, wordt een extra belasting, de zogenaamde grote belasting, toegevoegd. Deze grote belasting vergroot de indringdiepte in het materiaal. Vervolgens wordt de grote belasting weggenomen, waardoor de uitgeoefende kracht terugkeert naar de kleine belasting.
De Rockwell-hardheidswaarde wordt berekend op basis van de toename van de indringdiepte als gevolg van het uitoefenen en opheffen van de hoofdbelasting.
Soorten Rockwell-schalen
In de onderstaande tabel staan de vijf belangrijkste Rockwell-schalen met hun toepassingen. Er zijn in totaal 17 schalen, die elk een specifieke toepassing hebben.
| Schaal | Afkorting | Grote belasting (kgf) | Indenter | Gebruik |
|---|---|---|---|---|
| A | HRA | 60 | Sphero conische diamant† | Hardmetalen, dun staal, staal met een ondiepe hardlaag |
| B | HRB | 100 | 1/16 inch (1,59 mm) kogel | Koperlegeringen, zacht staal, aluminiumlegeringen, smeedbaar gietijzer |
| C | HRC | 150 | Sphero conische diamant† | Staal, roestvrij staal, hard gietijzer, perlitisch smeedbaar gietijzer, titanium, titaniumlegeringen, staal met diepe hardlaag, andere materialen die harder zijn dan 100 HRB |
| D | HRD | 100 | Sphero conische diamant† | Dun staal, matig gehard staal en perlitisch smeedbaar gietijzer |
| E | HRE | 100 | 1/8 inch (3,18 mm) kogel | Gietijzer, aluminium en magnesiumlegeringen, lagermetalen, thermohardende kunststoffen |
Voordelen en beperkingen van de Rockwell-hardheidsschaal
In de onderstaande tabel worden de voordelen en beperkingen van de Rockwell-schaal samengevat.
Voordelen
- Hoge herhaalbaarheid
- Productievriendelijk
- Minimale invloed van de operator
- Uitermate geschikt voor warmtebehandelde metalen
- Korte cyclustijden
Beperkingen
- De oppervlakteafwerking beïnvloedt de resultaten
- Voor dunne materialen zijn speciale weegschalen nodig
- Niet geschikt voor zeer zacht rubber
Wat is de Brinell-hardheid?
De Brinell-hardheid is een maatstaf voor de weerstand van een materiaal tegen indrukking, die wordt bepaald met behulp van de Brinell-hardheidstest. Bij deze test wordt een hardstalen of hardmetalen kogel onder een bepaalde belasting in het oppervlak van het materiaal gedrukt, waarna de diameter van de ontstane indrukking wordt gemeten [3]. De Brinell-hardheid (BHN) wordt berekend door de uitgeoefende kracht te delen door het oppervlak van de indrukking. Deze methode wordt vaak gebruikt voor het testen van metalen en levert waardevolle informatie op over de sterkte van een materiaal en de geschiktheid ervan voor diverse toepassingen.
Soorten schalen voor de Brinell-hardheidsschaal
Bij de Brinell-hardheidstest wordt gebruikgemaakt van één doorlopende schaal, aangeduid met HB of HBW voor kogels van wolfraamcarbide. Er worden ongeveer 25 standaardcombinaties van kogeldiameters gebruikt, waaronder 1, 2,5, 5 of 10 mm. Bij de test wordt een testkracht van 1 kgf tot 3000 kgf gebruikt, gegroepeerd op basis van de kracht-diameterverhouding F/D².
F/D² wordt gewoonweg de verhouding genoemd. Zo betekent een verhouding van 30 bijvoorbeeld dat F/D² = 30 mm, terwijl een verhouding van 2,5 betekent dat F/D² = 2,5 mm. In de onderstaande tabel staan veelgebruikte verhoudingen bij de Brinell-hardheid en hun toepassingen.
| Verhouding (F/D²) | Toepassingen |
|---|---|
| 30 | Wordt gebruikt voor harde metalen zoals staal en gietijzer. De standaard testkracht bedraagt doorgaans 3000 kgf met een kogel van 10 mm (HBW 10/3000). |
| 10 | Wordt gebruikt voor koperlegeringen (zoals messing en brons), middelharde staalsoorten en ijzer. De gebruikelijke belasting is 1000 kgf met een kogel van 10 mm (HBW 10/1000) |
| 5 | Wordt gebruikt voor zachtere koperlegeringen en hardere aluminiumlegeringen |
| 2.5 | Wordt gebruikt voor zachte aluminium- en magnesiumlegeringen. |
| 1 | Wordt gebruikt voor uiterst zachte metalen zoals lood, tin en zachte witte metalen. |
Voordelen en beperkingen van de Brinell-hardheid
Voordelen
- Uitermate geschikt voor heterogene materialen
- Goed middelingseffect dankzij de grote inkeping
- Ideaal voor gietstukken
- Algemeen aanvaard in de zware industrie
Beperkingen
- Grote deuken beschadigen afgewerkte oppervlakken
- Traag testproces
- Vereist optische meting
- Niet geschikt voor dunne secties
Hoe vergelijk je de verschillende hardheidsschalen en kies je de juiste?
Alle drie de methoden zijn relevant, en er is geen methode die beter is dan de andere. Stel echter dat alle methoden toepasbaar zijn op basis van het beschikbare te testen materiaal; dan kunt u een methode kiezen die snel en kosteneffectief is. De Shore-hardheidstest heeft de kortste testduur van 1-2 seconden, gevolgd door de Rockwell-hardheidstest die 5-15 seconden duurt. De Brinell-hardheidstest duurt 30-60 seconden. Wat het gebruik in de productie betreft, leveren zowel de Shore- als de Rockwell-hardheidstest uitstekende resultaten op, terwijl de Brinell-hardheidstest matige resultaten biedt. De Shore-hardheid is geschikt voor rubbers, elastomeren en kunststofgerelateerde materialen. Rockwell wordt gekozen bij het werken met technische kunststoffen. Aan de andere kant kunt u voor de Brinell-hardheid kiezen als u te maken hebt met gietstukken, smeedstukken en grofkorrelige metalen.
Referenties
[1] TWI Global. (z.j.). Wat is mechanisch testen? (Een complete gids). Veelgestelde vragen over technische kennis van TWI Global. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-mechanical-testing
[2] ASTM International. (2024). ASTM E18-22: Standaardtestmethoden voor de Rockwell-hardheid van metalen materialen. ASTM-normen. https://www.astm.org/e0018-22.html
[3] TWI Global. (z.j.). Hardheidsmeting, deel 1. TWI Global Job Knowledge. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-part-1-074
NL 
EN 
ES 
FR 
DE 
IT 
PT 
PL 
AR 
JA 
KO 
ZH