Härteprüfung

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Wie ist die Härte definiert?
  • Auf welchen Prinzipien beruhen alle Härteprüfverfahren?
  • Welcher Prüfkörper kommt bei der Brinellhärteprüfung zum Einsatz?
  • Was versteht man unter dem Belastungsgrad und wofür wird dieser angewendet?
  • Für welche Materialien eignet sich das Härteprüfverfahren nach Brinell besonders?
  • Welcher Prüfkörper kommt bei der Vickershärteprüfung zum Einsatz?
  • Unter welchen Bedingungen sind Härtewerte nach Vickers nur miteinander vergleichbar?
  • Für welche Materialien eignet sich das Härteprüfverfahren nach Vickers besonders?
  • Welche Prüfkörper kommen bei der Rockwellhärteprüfung zum Einsatz und bei welchen Materialien werden diese jeweils angewendet?
  • Wozu dient das Aufbringen der Prüfvorkraft?
  • Welche Vorteile und Nachteile bietet das Härteprüfverfahren nach Rockwell?

Einleitung

In vielen Anwendungsfällen von Bauteilen ist nicht nur eine hohe Festigkeit des Materials sondern auch eine hohe Verschleißfestigkeit gefragt. Dies gilt im Allgemeinen immer dann, wenn zwei oder mehrere Bauteile in beweglichem Kontakt zueinander stehen. Hierzu zählen bspw. Zahnräder, Wellen, Bolzen, Stifte, etc.

Eine hohe Verschleißfestigkeit bedeutet letztlich eine möglichst harte Oberfläche, sodass diese im Kontakt mit angrenzenden Bauteilen nicht beschädigt wird und somit der Verschleiß gering gehalten wird. Aus diesem Grund benötigt man Kennwerte, die Härte eines Werkstoffes charakterisieren. Um solche Kennwerte zu erhalten, muss zunächst der Begriff der Härte definiert werden:

Als Härte bezeichnet man den Widerstand eines Werkstoffes gegen Eindringen eines (Prüf-)Körpers.

Gemäß dieser Definition, beruhen letztlich alle Härteprüfverfahren auf demselben Prinzip. Mit bestimmter Kraft wird ein Prüfkörper (z.B. Kugel, Kegel, Pyramide, etc.) in die zu prüfende Werkstoffoberfläche gedrückt. Aus dem hinterlassenen Eindruck wird der entsprechende Härtewert bestimmt.

Je nach zu prüfendem Werkstoff und den gegebenen Randbedingungen haben sich unterschiedliche Härteprüfverfahren entwickelt, deren jeweiligen Messwerte im Allgemeinen nicht ineinander umgerechnet werden können. Deshalb sind Härtewerte nur dann vergleichbar, wenn sie durch identische Prüfverfahren gewonnen wurden. Die wichtigsten Verfahren werden im Folgenden vorgestellt und deren Vorteile und Nachteile erläutert:

  • Härteprüfung nach Brinell
  • Härteprüfung nach Vickers
  • Härteprüfung nach Rockwell

Zur Härteprüfung können eigens angefertigte Proben genutzt werden oder auch direkt die gefertigten Bauteile, sofern die Funktionsfähigkeit aufgrund der hinterlassenen Eindruckoberfläche hierdurch nicht beeinträchtigt wird.

Härteprüfung nach Brinell

Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine Kugel aus Hartmetall bei steigender Kraft innerhalb von rund 10 Sekunden in die zu prüfende Werkstoffoberfläche gedrückt. Die aufgebrachte Prüfkraft wird für weitere 15 bis 20 Sekunden aufrechterhalten, damit sich der Werkstoff während dieser Zeit setzen kann und die Messung reproduzier- und vergleichbare Messergebnisse liefert. Anschließend wird die hinterlassene Eindruckoberfläche unter einem Lichtmikroskop bestimmt. Das Verhältnis von Prüfkraft \(F\) und die vom Eindringkörper hinterlassene Eindruckoberfläche \(A\) (Kugelsegment) dient dabei als Maß für den Brinell-Härtewert HBW:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{brinellhaerte}
&HBW=\frac{0,102 \cdot F}{A}  \\[5px]
\end{align}

Brinell-Härte-Prüfung, Ablauf, Verfahren, Oberfläche, Hartmetall-Kugel
Abbildung: Ablauf der Härteprüfung nach Brinell

Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine Hartmetallkugel in den Werkstoff gedrückt. Die hinterlassene Eindruckoberfläche dient als Maß für den Härtewert!

Der Faktor 0,102 in der Formel stammt aus der früher üblichen Einheit „Kilopond“ (1 kp ≙ 9,807 N), die heute nicht mehr zulässig ist. Deshalb wurde das Kilopond durch die Eindringkraft \(F\) (in der Einheit Newton) mit dem entsprechenden Umrechnungsfaktor von 0,102 (=1/9,807) ersetzt.

Die Eindringoberfläche \(A\) kann mit dem Durchmesser \(D\) der Prüfkugel und aus dem hinterlassenen Eindruckdurchmesser \(d\) mithilfe folgender Formel ermittelt werden:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{kugelsegment}
&A=\frac{\pi}{2} \cdot D \cdot \left(D-\sqrt{D^2-d^2} \right)  \\[5px]
\end{align}

Durch Kombination Gleichung (\ref{kugelsegment}) und  Gleichung (\ref{brinellhaerte}) errechnet sich der einheitenlos angegebene Brinell-Härtewert HBW in Abhängigkeit der aufgebrachten Eindringkraft \(F\) (in N) und dem Kugeldurchmesser \(D\) (in mm) sowie dem hinterlassenen Eindruckdurchmesser \(d\) (in mm) schließlich wie folgt:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{brinellhaertewert}
&\boxed{HBW =\frac{0,204 \cdot F}{\pi \cdot D \cdot \left(D-\sqrt{D^2-d^2} \right)}}  ~~~~~\text{Brinellhärte} \\[5px]
\end{align}

Aufgrund der Anisotropie im Verformungsverhalten kann es vorkommen, dass auf der Werkstoffoberfläche kein exakt runder Kreisabdruck. Dann ermittelt man den Eindruckdurchmesser \(d\) aus dem Mittelwert zweier rechtwinklig zueinander stehende Eindruckdurchmesser \(d_1\) und \(d_2\):

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{durchmesser}
&\boxed{d=\frac{d_1+d_2}{2}}  \\[5px]
\end{align}

Brinell-Härte-Prüfung, Abstand, Rand, zueinanderm, Hartmetall-Kugel
Abbildung: Einzuhaltende Mindestabstände

Gültigkeitsbereiche

Damit der Werkstoff bei der Prüfung nicht über den Probenrand weggedrückt wird und einen niedrigeren Härtewert vortäuscht, sollte der Mittelpunkt des hinterlassenen Eindrucks mindestens so weit vom Rand entfernt sein wie der 2,5-fache Durchmesserwert des hinterlassenen Eindrucks.

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{mindestabstand}
&\boxed{a \ge 2,5 \cdot d}  \\[5px]
\end{align}

Werden in einer Probe mehrere Härteversuche durchgeführt, so muss darauf geachtet werden, dass die Eindrücke einen Mindestabstand zueinander nicht unterschreiten. Ansonsten würde das Messergebnis durch Verfestigungserscheinungen beeinflusst werden, welche um die jeweiligen Eindrücke entstehen. Dieser Abstand sollte den 3-fachen Durchmesserwert eines Eindrucks nicht unterschreiten.

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{mindestabstand_proben}
&\boxed{\Delta a \ge 3 \cdot d} \\[5px]
\end{align}

Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten sollte der hinterlassene Eindruckdurchmesser \(d\) zudem nicht kleiner als 24 % und nicht größer als 60 % des Prüfkörperdurchmessers \(D\) sein:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{mindestdurchmesser}
&\boxed{0,24 \cdot D \le d \le 0,6 \cdot D} \\[5px]
\end{align}

Bei zu großen Eindruckdurchmessern, die im Bereich des Prüfkugeldurchmessers liegen, wird die Prüfkugel zu stark in den Werkstoff eingedrückt. Ein weiteres Eindringen erzeugt dann kaum noch einen größeren Eindruckdurchmesser, was aufgrund von Messungenauigkeiten in der Durchmesserbestimmung dann zu nicht mehr reproduzierbaren Härtewerten führt.

Bei einem zu geringen Eindruckdurchmesser im Vergleich zum verwendeten Prüfkugeldurchmesser, wird die Kugel hingegen kaum in den Werkstoff eingedrückt. Unscharfe Ränder sind die Folge, aus welchen sich nur sehr schwer der hinterlassene Eindruckdurchmesser bestimmen lässt. Aufgrund der geringen Verformung sind zudem elastische Verformungsanteile besonders hoch, sodass der Eindruckdurchmesser beim Abheben der Kugel wieder relativ stark abnimmt. Die an zu kleinen Eindruckdurchmessern gewonnenen Härtewerte sind dann ebenfalls nicht mehr aussagekräftig.

Brinell-Härte-Prüfung, Prüfkraft, groß, klein
Animation: Zu große und zu geringe Prüfkräfte

Belastungsgrad (Beanspruchungsgrad)

Aus diesem Grund darf die Flächenpressung zwischen Kugel und Werkstoffprobe nicht zu groß und nicht zu klein sein. Vergleichbare Ergebnisse sind bei unterschiedlichen Werkstoffen nur dann gegeben, wenn die Prüfung mit derselben Beanspruchung durchgeführt wurde. Größere Prüfkugeln erfordern aufgrund der größeren Fläche auch höhere Prüfkräfte als die Prüfung mit kleinen Prüfkugeln, bei denen sich die Kräfte auf eine geringere Oberfläche verteilen.

Um diesem Sachverhalt gerecht zu werden, definiert man den sogenannten Beanspruchungsgrad \(B\) (auch Belastungsgrad genannt). Dieser Belastungsgrad ist letztlich definiert aus dem Verhältnis von Prüfkraft zur Prüfkugeloberfläche und kann als eine Art „Flächenpressung“ betrachtet werden:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{beanspruchungsgrad}
&\boxed{B =\frac{0,102 \cdot F}{D^2}} ~~~~~\text{Beanspruchungsgrad} \\[5px]
\end{align}

Brinell-Härte-Prüfung, Belastungrad, Beanspruchungsgrad, Pressfläche, Flächenpressung
Abbildung: Veranschaulichung des Belastungsgrads

Für eine Vergleichbarkeit der Härtewerte, die mit unterschiedlichen Prüfkugeln an unterschiedlichen Werkstoffen gewonnen wurden, muss der Beanspruchungsgrad B in allen Fällen denselben Wert aufweisen!

Der Faktor 0,102 resultiert auch an dieser Stelle wieder aus der veralteten Einheit „Kilopond“. Harte Werkstoffe müssen im Gegensatz zu weicheren Werkstoffen mit einer größeren Beanspruchung und damit mit einem höheren Beanspruchungsgrad geprüft werden, um den Durchmesserbereich nach Gleichung (\ref{mindestdurchmesser}) einzuhalten.

Der Beanspruchungsgrad ist auf die Werte 1 – 2,5 – 5 – 10 – 15 – 30 genormt. In Abhängigkeit des zu erwartenden Härtewertes finden sich in Tabellenbüchern Anhaltswerte für den zu verwendeten Beanspruchungsgrad wieder. Mit Hilfe von Gleichung (\ref{beanspruchungsgrad}) kann dann in Abhängigkeit des dimensionslosen Beanspruchungsgrades \(B\) und des gewählten Kugeldurchmessers \(D\) (in mm) die einzustellende Prüfkraft \(F\) (in N) ermittelt werden.

Prüfkugeln

Als Prüfkugeln für die Brinellhärteprüfung stehen Sinterhartmetallkugeln mit einem genormten Durchmesser von 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 2 mm oder 1 mm zur Verfügung. Kleine Durchmesser sind bei dünneren Blechen notwendig, da zu große Kugeln den Werkstoff lediglich auf der gegenüberliegenden Blechseite wieder herauswölben würden. Grundsätzlich sollte die Probendicke \(s\) mindestens dem 8-fachen Wert der Eindringtiefe \(h\) entsprechen:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{mindestprobendicke}
&\boxed{s \ge 8 \cdot h} ~~~~~\text{Mindestdicke der Probe} \\[5px]
\end{align}

Brinell-Härte-Prüfung, Auswölbung, Hartmetall-Kugel, Blech
Animation: Auswölbung eines Blechs

Große Prüfkugeln eignen sich auch dann nicht, wenn es um die Härtebestimmung von dünnen Randschichten geht. In solche Fällen besteht die Gefahr, dass die Randschicht lediglich in den darunter liegenden Grundwerkstoff eingedrückt wird.

Brinell-Härte-Prüfung, dünne Randschichten, Nachteil, Hartmetall-Kugel
Abbildung: Prüfung dünner Randschichten

Größere Prüfkugeldurchmesser sind dann nötig, wenn es um die Prüfung von grobkörnigen, heterogenen Gefügen geht (z.B. Gusseisen). Durch die große Kugel sind an der Verformung dann möglichst viele einzelne (heterogene) Gefügebestandteile beteiligt und man erhält dadurch einen Härtewert der das gesamte Gefüge umfasst und nicht nur einzelne Phasen. Diese Prüfung von heterogenen Gefügen ist gleichzeitig die besondere Stärke der Härteprüfung nach Brinell. Grundsätzlich ist diese jedoch nur für weiche bis mittelharte Werkstoffe geeignet.

Brinell-Härte-Prüfung, heterogene Werkstoffe, Vorteil
Abbildung: Prüfung heterogener Werkstoffe

Die Brinellhärteprüfung eignet sich besonders für dickere, heterogene Werkstoffe im niedrigen bis mittleren Härtebereich! Dünne Bleche können mit der Brinellhärteprüfung nicht geprüft werden!

Die Brinellhärteprüfung eignet sich nicht für sehr harte Werkstoffe oder gehärteten Randschichten, da die Kugel nicht genügend in den Werkstoff eindringt. Höhere Prüfkräfte sind an dieser Stelle nicht die Lösung, da es dabei zu einer Verformung der Hartmetallkugel kommt. Durch die Abplattung entsteht dann ein Kugelabdruck der einen größeren Eindringdurchmesser hinterlässt und somit einen weicheren Werkstoff vortäuscht.

Brinell-Härte-Prüfung, Abplattung, Hartmetall-Kugel
Animation: Abplattung der Prüfkugel

Auch sehr dünne Bleche können aufgrund des besagten Herauswölbens des Werkstoffes auf der gegenüberliegenden Blechseite nicht nach Brinell geprüft werden. Um auch diese Lücke zu schließen, wurde deshalb das im nächsten Abschnitt näher vorgestellte Härteprüfverfahren nach Vickers entwickelt.

Normgerechte Angabe des Härtewerts

Die normgerechte Angabe der Brinellhärte besteht aus der Angabe des Härtewertes (HBW), dem Kugeldurchmesser (in Millimeter), der Prüfkraft (in Kilopond) und dessen Einwirkdauer (in Sekunden). Diese Werte werden ohne Einheit und durch Schrägstriche getrennt angegeben. Die Einwirkdauer kann dann weggelassen werden, wenn die Prüfung mit der Standardeinwirkzeit von 10 bis 15 Sekunden durchgeführt wurde.

Brinell-Härte-Prüfung, Härtewert, Angabe, normgerecht
Abbildung: Normgerechte Angabe des Härtewerts nach Brinell

Empirischer Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Härte für unlegierte Stähle

Bei unlegierten und niedriglegierten Stählen existiert ein empirischer Zusammenhang zwischen dem Härtewert nach Brinell HBW und der Zugfestigkeit \(R_m\). Dieser besagt, dass die Zugfestigkeit (in N/mm²) in etwa dem 3,5-fachen Härtewert nach Brinell entspricht:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{zugfestigkeit_brinell}
&\boxed{R_m \approx 3,5 \cdot \text{HBW}}  \\[5px]
\end{align}

Härteprüfung nach Vickers

Bei der Härteprüfung nach Vickers wird als Eindringkörper eine vierseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° genutzt (Öffnungswinkel = Winkel zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen). Der Winkel wurde so gewählt, dass die Härtewerte nach Vickers bis zu einem gewissen Grad in etwa mit den Härtewerten nach Brinell vergleichbar sind (gilt bis ca. 400 HBW bzw. 400 HV). Die Diamantpyramide wid mit steigender Kraft in die Werkstoffoberfläche gedrückt und bei Erreichen der gewünschten Prüfkraft für etwa 10 bis 15 Sekunden aufrechterhalten. Wie bereits bei der Härteprüfung nach Brinell, so dient auch beim Vickers-Verfahren das Verhältnis von Prüfkraft \(F\) und Eindruckoberfläche \(A\) (Pyramidenfläche) als Härtewert:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{vickershaerte}
&HV=\frac{0,102 \cdot F}{A} \\[5px]
\end{align}

Vickers-Härte-Prüfung, Ablauf, Verfahren, Eindruck-Oberfläche, Diamantpyramide
Abbildung: Ablauf der Härteprüfung nach Vickers

Bei der Härteprüfung nach Vickers wird eine vierseitige Diamantpyramide in den Werkstoff gedrückt. Die hinterlassene Eindruckoberfläche dient als Maß für den Härtewert!

Der Faktor 0,102 stammt an dieser Stelle wieder aus der früher üblichen Einheit „Kilopond“ (siehe Brinellhärteprüfverfahren). Die Eindruckoberfläche kann anhand der Diagonalen des hinterlassenen Eindrucks ermittelt werden. Mit dieser Eindruckdiagonalen \(d\) (in mm) und der verwendeten Prüfkraft \(F\) (in N) ermittelt sich der Vickershärtewert HV dann wie folgt:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{vickershaertewert}
&\boxed{HV =\frac{0,1891 \cdot F}{d^2}} ~~~~~\text{Vickershärte} \\[5px]
\end{align}

Die Eindruckdiagonale \(d\) bestimmt sich über den Mittelwert der beiden rechtwinklig zueinander stehender Diagonalen \(d_1\) und \(d_2\):

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{durchmesserdiagonale}
&\boxed{d=\frac{d_1+d_2}{2}} \\[5px]
\end{align}

Vickers-Härte-Prüfung, Rand-Abstand
Abbildung: Einzuhaltender Mindestabstand

Gültigkeitsbereiche

Um die Gefahr der Materialauswölbung auf der gegenüberliegenden Probenseite zu verhindern sollte die Probendicke einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten. Dieser ist abhängig von der zu erwartenden Härte des Werkstoffs und der Prüfkraft (Prüfbedingungen).

Vickers-Härte-Prüfung, Diagramm, Mindest-Probendicke, Mindestdicke, Prüfbedingungen, Prüfkraft, Härtewert
Abbildung: Mindestdicke der Probe in Abhängigkeit des Härtewerts und der Prüfkraft

Zudem sollte der Abstand \(a\) vom Eindruckmittelpunkt zum Rand mindestens dem 2,5-fachen Wert der Eindruckdiagonalen \(d\) entsprechen, um ein Wegfließen des Werkstoffes zur Seite hin zu verhindern:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{mindestrandabstand}
&\boxed{a \ge 2,5 \cdot d} \\[5px]
\end{align}

Darüber hinaus sollte der Abstand zweier benachbarter Probeneindrücke für Stahl und Kupfer mindestens so weit auseinanderliegen wie die 3-fache Diagonalenlänge eines Eindrucks (für Aluminium das 6-fache). Hiermit soll der Einfluss von Kaltverfestigungserscheinungen um den Bereich des Eindruckdurchmessers ausgeschaltet werden.

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{mindestprobenabstand}
&\boxed{\Delta a \ge 3 \cdot d} \\[5px]
\end{align}

Vergleichbarkeit der Härtewerte

Im Gegensatz zu einer Kugel (wie beim Brinellhärteprüfverfahren) liefert die eingedrückte Pyramide in gewissem Rahmen bei unterschiedlichen Prüfkräften stets geometrisch ähnliche Eindrücke. So führt bei jeweils identischen Proben die doppelte Kraft auch zu einer doppelten Eindruckoberfläche. Als Verhältnis von Kraft und Eindruckoberfläche ist der Härtewert somit trotz unterschiedlicher Prüfkräfte stets identisch*. Eingeschränkt werden muss die Unabhängigkeit des Härtewertes von der Prüfkraft bei geringen Prüfkräften. Dann nimmt nämlich die elastische Verformung einen größeren Anteil an der Gesamtverformung ein. Der bleibende Pyramideneindruck fällt folglich geringer aus und täuscht damit einen höheren Härtewert vor.

*) Beim Brinellhärteprüfverfahren ist dies nicht so. Dort würde bei derselben verwendeten Kugel die doppelte Kraft (höherer Beanspruchungsgrad) zu einem anderen Härtewert führen. 

Deshalb sollten Härtewerte nach Vickers auch wirklich nur dann miteinander verglichen werden, wenn sie mit denselben Prüfkräften ermittelt wurden. Ein härterer Werkstoff benötigt grundsätzlich höhere Prüfkräfte als ein weicherer Werkstoff. Je nach zu erwartender Härte des Werkstoffes sind unterschiedliche Prüfkräfte in Form von sogenannten Prüfbedingungen vorgeschrieben. Dabei werden drei Prüfbereiche unterschieden.

Zum einen der sogenannte Makroprüfbereich mit Prüfkräften zwischen 49,03 N (5 kp) und 980,7 N (100 kp), innerhalb dessen die Härtewerte praktisch unabhängig der Prüfkraft sind.

Zum anderen wird der der Kleinlastprüfbereich zwischen 1,961 N (0,2 kp) und 29,42 N (3 kp) unterschieden. Der Kleinlastbereich findet bei dünnen Randschichten und Blechen sowie bei Fertigteilen Anwendung, um das Bauteil nicht zu sehr zu beschädigen.

In Sonderfällen kommt auch der Mikrolastbereich zwischen 0,098 N (0,01 kp) und 1,961 N (0,2 kp) zur Anwendung. Dabei bietet die verwendete Pyramidenspitze einen zusätzlichen Vorteil gegenüber der Kugel beim Brinellverfahren, da selbst bei geringen Eindrucktiefen der pyramidenförmige Eindruck schärfere Ränder hinterlässt und damit besser ausgemessen werden kann. Bei geringen Eindrucktiefen steigt deshalb die Genauigkeit der Vickersprüfung gegenüber der Brinellhärteprüfung.

Im Gegensatz zur Härteprüfung nach Brinell eignet sich das Prüfverfahren nach Vickers für alle Härtebereiche, d.h. von sehr weichen bis sehr harten Werkstoffen. Zudem ist dieses Härteprüfverfahren auch bei dünnen Blechen oder dünnen Randschichten anwendbar, was es zu einem universellen Härteprüfverfahren macht.

Die Härteprüfung nach Vickers eignet sich für weiche bis sehr harte Werkstoffe und vor allem für dünne Bleche!

Normgerechte Angabe des Härtewerts

Die normgerechte Angabe der Vickershärte besteht aus der Angabe des Härtewertes, der Prüfbedingung (Prüfkraft) und der Einwirkdauer. Letztere kann bei der Standardeinwirkzeit von 10 bis 15 Sekunden wieder entfallen.

Vickers-Härte-Prüfung, Härtewert, Angabe, normgerecht
Abbildung: Normgerechte Angabe des Härtewerts nach Vickers

Sowohl das Härteprüfverfahren nach Brinell also auch das nach Vickers nutzt als Härtemaß die hinterlassene Eindruckoberfläche. Dabei wird die hinterlassene Eindruckgeometrie unter einem Mikroskop durch Ausmessen bestimmt. Dies erfordert in der Regel eine glänzende Oberfläche, damit der hinterlassene Eindruck auch optisch deutlich erkennbar wird. Eventuell muss die Probe vor dem Versuch poliert werden. Deshalb eigenen sich diese Verfahren im Allgemeinen nicht für die automatisierte Fertigung. Aus diesem Grund wurde das nachfolgend erläuterte Härteprüfverfahren nach Rockwell entwickelt.

Härteprüfung nach Rockwell

Beim Härteprüfverfahren nach Rockwell dient als Härtemaß nicht die im Werkstoff abgebildete Eindruckoberfläche sondern die Eindringtiefe. Als Prüfkörper dient dabei entweder eine Hartmetallkugel oder ein abgerundeter Diamantkegel mit einem Spitzenwinkel von 120° und einem Spitzenradius von 0,2 mm. Die Eindrucktiefe kann praktischerweise direkt über den Verfahrweg der Prüfmaschine an einer Messuhr ausgelesen werden.

Rockwell-Härte-Prüfung, Diamantkegel, Maße
Abbildung: Diamantkegel für die Härteprüfung nach Rockwell

Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird ein Prüfkörper in den Werkstoff gedrückt. Die hinterlassene Eindringtiefe dient als Maß für den Härtewert!

Der Messvorgang beim Rockwellverfahren vollzieht sich in insgesamt drei Schritten. Zunächst wird der Prüfkörper mit einer sogenannten Prüfvorkraft \(F_0\) von 98 N auf die zu prüfende Oberfläche aufgelegt. Auf diese Weise können die Einflüsse von möglichen Setzvorgängen im Probenmaterial und ein eventuelles Spiel im Messgerät ausgeglichen werden. Die Messuhr wird nach Aufbringen dieser Prüfvorkraft und nach kurzer Einwirkzeit auf null gestellt (Bezugsebene). Anschließend kann die eigentliche Härtewertbestimmung erfolgen.

Rockwell-Härte-Prüfung, Ablauf, Schritte, Prüfvorkraft, Eindrucktiefe, Messuhr
Abbildung: Ablauf der Härteprüfung nach Rockwell

Dabei wird zusätzlich zur Prüfvorkraft die eigentliche Prüfkraft \(F_1\) aufgebracht und der Prüfkörper dringt mit der Gesamtkraft \(F=F_0+F_1\) in den Werkstoff ein. Die einzustellende Prüfkraft wird in Abhängigkeit des Prüfkörpers und des zu prüfenden Werkstoffes aus Tabellenbüchen entnommen.

Nachdem der Prüfkörper bei gegebener Gesamtkraft maximal in den Werkstoff eingedrungen ist, wird die Prüfkraft \(F_1\) wieder weggenommen. Der Werkstoff wird schließlich nur noch durch die Prüfvorkraft \(F_0\) beansprucht und der Eindringkörper durch das elastische Werkstoffverhalten der Probe wieder leicht angehoben. Der Kontakt zur Probe bleibt jedoch weiterhin bestehen. Die unter Aufrechterhaltung der Prüfvorkraft \(F_0\) verbleibende Eindringtiefe \(h\) (in mm) wird schließlich gemessen und für die Ermittlung des Härtewertes zugrunde gelegt.

Je nach Prüfkörper (Diamantkegel oder Hartmetallkugel) kann der einheitenlose Härtewert HR mithilfe folgender Formeln bestimmt werden:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{rockwellhaertewert_1}
&\boxed{HRC, HRA =100-\frac{h}{0,002}} ~~~~~\text{Rockwellhärte für Diamantkegel} \\[5px]
\label{rockwellhaertewert_2}
&\boxed{HRB, HRF =130-\frac{h}{0,002}} ~~~~~\text{Rockwellhärte für Hartmetallkugel} \\[5px]\end{align}

Prüfung mit Diamantkegeln

Der Härtewert wird bei Diamantkegeln als Prüfkörper aus einer Referenztiefe von 0,2 mm gebildet. Je nachdem wie weit der eingedrungene Prüfkörper diese Referenztiefe erreicht, wird dem Werkstoff eine entsprechende Härte zugeordnet. Das vollständige Eindringen des Prüfkörpers auf die Referenztiefe bedeutet offensichtlich ein sehr weicher Werkstoff; diesem wird der Härtewert 0 zugeordnet. Dringt der Diamantkegel hingegen nicht bleibend in den Werkstoff ein, so liegt ein extrem harter Werkstoff vor, welchem der volle Härtewert 100 zugeschrieben wird. Die Skala folgt einer gleichmäßigen Unterteilung um jeweils 0,002 mm (2 µm), sodass das Erreichen der halben Referenztiefe auch der Hälfte des maximalen Härtewertes entspricht (Rockwellhärtewert 50). Insgesamt unterteilt sich die Rockwellskala bei der Verwendung von Diamantkegeln somit in 100 Härtegrade.

Die Verfahrensvariante mit Diamantkegel eignet sich im Allgemeinen besonders für sehr harte Werkstoffe wie gehärtete oder vergütete Stähle. Abgesehen von speziellen Verfahren beträgt die Prüfvorkraft dabei 98 N (10 kp). Die eigentliche Prüfkraft kann je nach Anwendungsfall variieren.

In der Verfahrensvariante C wird die Probe mit einer Prüfkraft von 1373 N (140 kp) beansprucht. Gerade bei der Prüfung von dünnen Blechen besteht jedoch die Gefahr, dass sich der Werkstoff durch die hohe Prüfkraft lediglich auf der gegenüberliegenden Seite herauswölbt und damit das Messergebnis verfälscht.  Deshalb wurde bei der Diamantkegelprüfung die Verfahrensvariante A eingeführt, die mit einer verringerten Prüfkraft von 490 N (50 kp) arbeitet. Darüber hinaus existiert auch noch die weniger verbreitete Variante D, bei welcher der Härtewert anhand einer Prüfkraft von 883 N (90 kp) ermittelt wird. Für dessen Bestimmung wird ebenfalls Gleichung (\ref{rockwellhaertewert_1}) verwendet.

Beachte, dass die Rockwellhärten in der Praxis nicht nach Gleichung (\ref{rockwellhaertewert_1}) und (\ref{rockwellhaertewert_2}) ermittelt sondern direkt an einer kalibrierten Skala abgelesen.

Rockwell-Härte-Prüfung, Messuhr, Bestimmung, Eindrucktiefe, Umrechnung
Abbildung: Messuhr für die Bestimmung des Härtewertes nach Rockwell

Prüfung mit Hartmetallkugeln

Bei der Prüfung von relativ weichen Werkstoffen würde der Diamantkegel jedoch viel zu stark in das Material eindringen und außerhalb der Referenztiefe von 0,2 mm liegen. Deshalb wird bei weichen Oberflächen mit Hartmetallkugeln geprüft und zudem die Referenztiefe auf 0,26 mm erweitert. Die Unterteilung der Härtegrade in Schritten von 0,002 mm wird jedoch beibehalten. Somit ergeben sich bei der Verwendung von Hartmetallkugeln Härtewerte im theoretischen Bereich von 0 (volle Eindringtiefe auf 0,26 mm) bis 130 (keine Eindringtiefe).

Bei der Verwendung einer Hartmetallkugel zur Härteprüfung werden hauptsächlich die Verfahrensvarianten B und F unterschieden. Sie eigenen sich im Gegensatz Diamantkegelprüfung für weichere Metalle wie Baustähle oder Messing. Die Kugel weist dabei einen Durchmesser von 1,5875 mm (=1/16 Zoll) auf. In allen Verfahrensvarianten beträgt die Prüfvorkraft 98 N (10 kp). Die Verfahren unterscheiden sich wieder lediglich in der eigentliche Prüfkraft. In der Variante B beträgt die Prüfkraft 883 N (90 kp) und in der Variante F liegt die Prüfkraft bei 490 N (50 kp). Durch ihre verringerte Prüfkraft eignet sich die Verfahrensvariante F vor allem für sehr weiche Werkstoffe wie Kupfer oder dünne Bleche.

Vergleichbarkeit der Härtewerte

Härtewerte die mit unterschiedlichen Verfahrensvarianten gewonnen wurden sind grundsätzlich nicht miteinander vergleichbar. Zudem muss der mit einer bestimmten Verfahrensvariante gewonnene Härtewert innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Bei Werten außerhalb sollte das Verfahren geändert werden, da der Prüfkörper entweder zu stark oder zu schwach in den Werkstoff eingedrungen ist.

  • HRC: 20 bis 70
  • HRA: 20 bis 88
  • HRB: 20 bis 100
  • HRF: 60 bis 100

Vorteile und Nachteile

Der Vorteil der Rockwellhärteprüfung besteht in der relativ kurzen Prüfzeit und in der guten Automatisierbarkeit, da die Messwerte ohne optisches Ausmessen unter einem Mikroskop direkt anhand der Eindrucktiefe ermittelt werden. Deshalb eignet sich dieses Verfahren besonders in der automatisieren Fertigung.

Nachteilig wirkt sich beim Rockwellverfahren der relativ geringe Tiefenbereich aus. Bereits kleine Verunreinigungen im Werkstoff können so zu deutlichen Abweichungen in der Eindringtiefe und damit im Härtewert führen. Zudem ist vor allem bei Werkstoffen mit großen Härtewerten eine Differenzierung über die geringen Tiefenunterschiede nur schwer möglich.

Normgerechte Angabe des Härtewerts

Die normgerechte Angabe der Rockwellhärte besteht aus der Angabe des Härtewertes und dem Prüfverfahren.

Rockwell-Härte-Prüfung, Härtewert, Angabe, normgerecht
Abbildung: Normgerechte Angabe des Härtewerts nach Rockwell