Bewerten, nicht kaputtmachen – Härteprüfung und die Gießerei

Ein entscheidender Schritt bei der Qualifizierung von Metallteilen mit einem zerstörungsfreien Ansatz

Die Härteprüfung ist eine Qualitätsprüfung, die in Gießereien verwendet wird, um die Eigenschaften von Gussmetallen und ihre Eignung für verschiedene Anwendungen zu messen. Seine Popularität beruht auf der zerstörungsfreien Natur des Tests und seiner Beziehung zu anderen mechanischen Eigenschaften. Gießereien schließen aus dem Ergebnis der Härteprüfung auf die Zugspannung eines Werkstoffs.

Die Eigenschaften von Gussmetallen variieren je nach Zusammensetzung des Metalls, Prozessbedingungen und Wärmebehandlung. Es ist wichtig, Gussmetallprodukte als geeignet für die gewünschte Endanwendung zu zertifizieren. Vier Hauptkategorien von Eigenschaften sind für Gussmetallbenutzer wichtig:

• Stärke
• Auswirkung
• Härte
• Korrosionsbeständigkeit

Gießereien gießen manchmal neben dem Produktguss einen Testcoupon. Es wird davon ausgegangen, dass die Qualitätstestergebnisse aus dem Testcoupon auch für das gegossene Produkt gelten. Einige Tests – wie Zugspannung und Schlag – zerstören dabei den Prüfling. Bei zerstörungsfreien Prüfungen (NDT) wird die Metallprobe jedoch nicht zerstört, um ein Ergebnis zu erhalten. Der Vorteil der zerstörungsfreien Prüfung besteht darin, dass Tests am gegossenen Metallprodukt selbst durchgeführt werden können, im Gegensatz zu einem Teststück.

Vorteile von Härteprüfungen:

• Fähigkeit, die Wärmebehandlung eines Teils in Wärmebehandlungsvorgängen und Einsatztiefenanalyse zu überprüfen
• Fähigkeit zu bestimmen, ob ein Material die notwendigen Eigenschaften für seine beabsichtigte Verwendung hat
• Zerstörungsfreie Testalternative zur effektiven Qualifizierung und Freigabe von Materialien oder Komponenten für Zielanwendungen
• Geringe Kosten und schnelle Leistung

Was ist eine Härteprüfung?

Der Begriff Härte , impliziert typischerweise einen Verformungswiderstand. Bei Metallen ist die Eigenschaft ein Maß für ihren Widerstand gegen dauerhafte oder plastische Verformung. Es gibt verschiedene Tests zur Messung der Härte von Metallen und Gussmetallen.

Brinell-Härtetest

Der Brinell-Härtetest verwendet die Methode ASTM E10 – Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. Die American Society for Testing and Measurement (ASTM) ist die Hüterin dieser Norm. Es handelt sich um einen Makroeindrucktest, bei dem eine hohe Last verwendet wird, um die Messung zu erhalten. Gussmetalle erfordern aufgrund der groben Kornstruktur und der Möglichkeit eines inhomogenen Materials Makrohärteprüfungen.

Um eine Brinell-Härtezahl (BHN) zu erhalten, wird eine Hartmetallkugel mit festem Durchmesser mit festem Druck für eine festgelegte Zeit in das Metall gedrückt. Beim Entfernen der Last misst der Werker den Durchmesser des hinterlassenen Eindrucks und rechnet ihn nach folgender Formel in die BHN um:

\(BHN={2PoverπD(D-sqrt{D^2-d^2})}\)

P =aufgebrachte Kraft (kgf)
D =Durchmesser des Eindringkörpers (mm)
d =Durchmesser der Vertiefung (mm)

In den Vereinigten Staaten werden Testlasten für Stahl und Eisen typischerweise auf maximal 3000 kgf mit einer 10-mm-Kugel festgelegt. Aluminium verwendet eine niedrigere Testlast von 500 kgf und manchmal einen kleineren Eindringkörper von 5 mm. Eine typische BHN liegt zwischen 50 und 750 für Metalle. Die Brinell-Härte-Tabelle der Engineering Toolbox unten listet einige Beispiele für BHN auf:

Material
Brinell-Härtezahl

Weiches Messing

60

Baustahl

130

Geglühter Meißelstahl

235

Weißes Gusseisen

415

Nitrierte Oberfläche

750

Die Vorbereitung der Metalloberfläche für die Brinell-Härteprüfung ist sehr wichtig. Eine gezackte Oberfläche oder andere Unvollkommenheiten beeinflussen das Ergebnis. Es ist ratsam, die Metalloberfläche in Vorbereitung auf den Test zu schleifen, um Schwankungen in den Ergebnissen zu minimieren.

Die Ursprünge der Brinell-Härteprüfung reichen bis ins Jahr 1900 zurück. In den Anfangsjahren der Prüfung wurden die Ergebnisse stark von der Sichtweise des Bedieners beeinflusst. Unterschiedliche Bediener würden zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen, was zu einer hohen Messvariabilität führen würde. Mit der Einführung elektronischer Messgeräte hat sich der Konsistenzgrad jedoch erheblich verbessert.

Rockwell-Härtetest

Der Rockwell-Härtetest verwendet die Methode ASTM E18 – Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials. Der Rockwell-Test hat zwei Phasen. Das Gerät übt unter Verwendung eines Diamant- oder Kugeleindringkörpers eine vorläufige Prüfkraft auf die Probe aus. Der Zweck dieser Phase besteht darin, die Oberfläche des Metalls zu durchbrechen und die Auswirkung der Oberflächenbeschaffenheit auf das Endergebnis zu verringern. Der Bediener misst an diesem Punkt eine Grundlinieneindrucktiefe. Nachdem die Vorlast für eine festgelegte Zeit gehalten wurde, wird dann eine größere Last aufgebracht. Auch hier wird die Kraft für eine voreingestellte Zeit gehalten, bevor sie wieder auf die Vorspannkraft reduziert wird. Nach Ablauf der Zeit nimmt der Bediener eine Tiefenmessung der Vertiefung vor. Die Rockwell-Härtezahl basiert auf der Differenz zwischen den Basislinien- und Endtiefenmessungen.

Für die Genauigkeit des Rockwell-Tests ist es wichtig, dass die Testachse innerhalb von zwei Grad zur Senkrechten liegt. Eine Rockwell-Härteskala begleitet den Test.

\(RHN={N-(h/S) }\)

N =konstant
S =Skaleneinheit
h =Einrückungstiefe

Rückprallhärtetest nach Leeb

Der Leeb-Test verwendet ASTM A956 – Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products. Der Leeb-Test ist ein Maß für den Rückprall eines Objekts von der Testprobe. Die Härte von Metallen beeinflusst die Rückprallenergie – härtere Materialien erzeugen einen stärkeren Rückprall, während weichere Materialien die Rückprallenergie dämpfen. Die Geschwindigkeit des Objekts vor und nach dem Auftreffen auf die Probe bildet die Grundlage für den Rückprallwert. Leeb Prüfgeräte enthalten eine Spule, die die induzierte Spannung der für den Rückpralltest verwendeten Magnetkugel misst. Diese induzierte Spannung steht in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der Kugel, die sich durch die Spule der Testausrüstung bewegt. Der Wert der Leeb-Härte wird nach folgender Formel berechnet:

\(LHN={Rückprall;Geschwindigkeit über Aufprall;Geschwindigkeit}x1000\)

Zu den Vorteilen des Leeb-Verfahrens gehört die Tatsache, dass der Eindruck, der auf dem Prüfling hinterlassen wird, viel kleiner ist als bei anderen Verfahren. Es ist auch tragbar, einfacher zu bedienen und schneller als die Brinell- und Rockwell-Härteprüfgeräte. Ein Nachteil besteht darin, dass es zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen kann, wenn die Probenoberfläche uneben ist. Die Dicke der Probe und der Kohlenstoffgehalt können das Ergebnis ebenfalls beeinflussen.

Härtezahlenumrechnung

ASTM E140-12be1 enthält Standard-Härteumrechnungstabellen für Metalle zur Umrechnung von einem Härteprüfverfahren in ein anderes. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Umrechnungen ungefähr sind und von Faktoren wie Materialzusammensetzung, Mikrostruktur und Wärmebehandlung abhängen. Obwohl die Tabellen auf einer großen Anzahl von Tests über die verschiedenen Methoden basieren, kann ein Umrechnungsergebnis nur als Schätzung vergleichbarer Werte angesehen werden.

Härtezahl und Wärmebehandlung

Gussmetalle werden wärmebehandelt, um ihre Eigenschaften zu manipulieren. Bei der Wärmebehandlung wird die Temperatur des Materials auf einen vorbestimmten Wert erhöht. Es wird dann je nach den gewünschten Eigenschaften des Produkts mit einer bestimmten Geschwindigkeit abgekühlt. Die Endtemperatur des Heizzyklus und die Abkühlgeschwindigkeit haben einen direkten Einfluss auf die Mikrostruktur des Metalls.

Feine Perlit- und Ferrit-Mikrostrukturen, die durch eine schnellere Abkühlgeschwindigkeit verursacht werden, haben einen größeren Härtewert. Wird das Metall abgeschreckt, entsteht durch die schnelle Abkühlung ein Martensit-Gefüge, das die größte Härte überhaupt hat. Aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen Gefüge und Härte ist die Härteprüfung ein schneller Indikator dafür, ob die Wärmebehandlung erfolgreich war oder nicht.

Härtezahl und Gussmetalleigenschaften

Tabellen zeigen, wie die Zugfestigkeit für bestimmte Materialien mit der Härte korreliert. Dies ist eine nützliche Korrelation, da die Messung der Zugspannung ein zerstörender Prozess ist, während die Härteprüfung zerstörungsfrei ist. Es gibt jedoch Einschränkungen bei der Umrechnung von Härte in Zugfestigkeit und diese Tabellen sind nur ungefähre Angaben.

Die Beziehung zwischen Brinell-Härtezahl und Zugspannung:

\(TS(MPa)=begin{cases}3.55 cdot HB(HB le 175 )[2ex]3.38 cdot HB(HB>175 )end{cases}\)\(TS(psi)=begin{cases}515 cdot HB (HB le 175 )[2ex]490 cdot HB(HB>175 )end{cases}\)

HB =Brinell-Härte des Materials (gemessen mit einem Standardeindringkörper und einer Belastung von 3000 kgf)

Gussprodukte und Sortierung

Viele Faktoren beeinflussen die Sortierung von Stahlguss. Die Zusammensetzung des Produkts, die chemischen und mechanischen Eigenschaften sowie die Wärmebehandlungsverfahren spielen alle eine Rolle bei der Zertifizierung jedes Gussprodukts nach dem geltenden ASTM-Standard.

ASTM legt Standardspezifikationen für verschiedene Qualitäten von Metallprodukten fest. Es ist wichtig, diese Sorten und ihre Eigenschaften zu verstehen, um die richtige Sorte für jede Anwendung auszuwählen. ASTM A27 ist eine Norm, die Gussteile aus Kohlenstoffstahl für allgemeine Anwendungen abdeckt.

Härteprüfung in Gießereien

Die Entwicklung der Härteprüfung hat es Metallgießereien erleichtert, die Eigenschaften ihrer Produkte anhand eines einfachen Tests abzuschätzen. Sie ist zerstörungsfrei, d. h. sie kann an fertigen Produkten durchgeführt werden, ohne Schäden zu verursachen. Es handelt sich um einen schnellen Prozess, der den Gießereien eine schnelle Rückmeldung über die Produkte gibt, wenn sie die Produktionslinie verlassen. Die Korrelation zwischen Härtezahl und Zugfestigkeit ist ein nützlicher Anhaltspunkt für eine erste Einschätzung der Produktqualität. Gießereien absolvieren eine vollständige Reihe von Zertifizierungstests, bevor sie Produkte für Kunden freigeben.

Die Härteprüfung hilft auch Gießereien, ihre Wärmebehandlungsprozesse zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, ob sich die Mikrostruktur des Materials wie erwartet verändert hat. Die Härteprüfung ist eine entscheidende Komponente der Qualitätskontrolle und Prozessoptimierung für Metallgießereien.