Härteprüfverfahren: Rockwell- & Brinell-Methode

Lernziele

Nach Abschluss dieser Einheit sollten Sie in der Lage sein:

• Einen Rockwell-Test durchzuführen
• Einen Brinell-Test durchzuführen

Neben der Verifizierung unserer werkstatteigenen Wärmebehandlung ist die Härteprüfung manchmal auch für die Fertigung erforderlich. Auch wenn es schlechte Planung ist, kommt gelegentlich ein Auftrag in unsere Werkstatt mit einer unbekannten Legierung oder bekannter Zusammensetzung, aber unbekannter Härte. Man kann zwar mit einer Feile die Zerspanbarkeit grob testen, aber der beste Weg zur Auswahl von Schneidwerkzeugen, Drehzahlen und Vorschüben ist eine echte Härtemessung.

Brinell: Härteprüfung durch Messung des Durchmessers der Eindruckspur eines Kugelpenetrators.

Rockwell: Härteprüfung durch Messung der Eindringtiefe eines Penetrators.

Der Rockwell-Härteprüfversuch

Der Rockwell-Test ist eine weithin akzeptierte Methode für weiche und harte Metalle. Dieses System misst die Formbarkeit, indem es die Tiefe misst, die ein spitzer Penetrator mit bekannter Form und Größe unter einer genau definierten Kraft in das Material eindringt. Aufgrund seines breiten Messbereichs ist er der beliebteste Test in Werkzeugbau, Kleinserienfertigung und Schulungslabors.

Rockwell-Zahlen (Skalen)

Im Rockwell-System gibt es mehrere Skalen. Wir verwenden die Rockwell-C-Skala, die korrekt für gehärteten Stahl angewendet wird. Die C-Skala beginnt bei 0 (geglühter Stahl) und geht bis 68 (härter als HSS-Werkzeug, nahe an Hartmetall). Sie wird symbolisiert durch ein großes R mit dem Skalenindex als Subskript: HRC.

Der zweistufige Rockwell-Test

Schritt 1: Vorlast (Minor Load) kalibrieren

Das Prüfstück wird auf dem unteren Amboss so platziert, dass es stabil ist und sich nicht bewegt, wenn von oben Druck ausgeübt wird. Ein kegelförmiger Diamantpenetrator wird in Kontakt gebracht und mit einer festen Vorlast von 98 N (10 kp / ca. 20 lbs) in das Metall gedrückt. Dadurch senkt sich der kegelige Spitz in das Metall um 0,076–0,152 mm (0,003–0,006 Zoll). Dies ist die initiale Kalibrierlast. Zu diesem Zeitpunkt wird ein großes Zeigermeßgerät (Dial Indicator) auf Null gedreht.

Schritt 2: Hauptlast (Major Load)

Bei aufrechterhaltener Vorlast und auf Null gestelltem Zeiger wird eine zusätzliche Hauptlast von 1373 N (140 kp / ca. 150 kg) hinzugefügt. Während der Diamant tiefer eindringt, wird seine zusätzliche Tiefe auf dem Zifferblatt angezeigt – jedoch in umgekehrter Beziehung. Je tiefer der Diamant eindringt, desto weicher das Metall, desto niedriger die angezeigte Zahl. Umgekehrt, wenn der Spitz nur wenig eindringen kann, ist das Metall hart und registriert eine höhere Zahl auf dem Zifferblatt.

Die Rockwell-Methode

Die Rockwell-Methode misst die bleibende Eindringtiefe, die durch eine Kraft/Last auf einen Eindringkörper erzeugt wird.

1. Probe vorbereiten.
2. Prüfstück auf den Amboss legen.
3. Eine Vorprüflast (Preload / Minor Load) wird mit einem Diamanteindringkörper auf das Prüfstück angewendet.
4. Diese Last stellt die Null- oder Referenzposition dar, die die Oberfläche durchbricht, um Oberflächeneinflüsse zu minimieren. Nach der Vorlast wird eine zusätzliche Last (Major Load) angewendet, um die gesamte erforderliche Prüflast zu erreichen.
5. Diese Kraft wird für eine festgelegte Zeit (Dwell Time: 10–15 Sekunden) gehalten, um elastische Erholung zuzulassen.
6. Die Hauptlast wird dann gelöst und die Endposition gegenüber der aus der Vorlast abgeleiteten Position gemessen. Die Eindringtiefendifferenz zwischen Vorlastwert und Hauptlastwert wird in eine Härtezahl umgerechnet.

Der Brinell-Härteprüfversuch

Der Brinell-Härteprüfversuch ist dem Rockwell-System insofern ähnlich, als ein Penetrator in das Prüfstück gedrückt wird; hier ist das Messmaß jedoch der Durchmesser der Delle, die durch das Eindringen einer gehärteten Stahlkugel bekannter Größe in die Werkstückoberfläche entsteht. Gehärtete Werkzeugstahlkugeln werden für weichere Materialien verwendet, während ein Hartmetall-Penetrator für härtere Metalle genutzt wird.

Aufgrund der oberen Härtegrenze der Brinell-Kugel wird dieser Test korrekt für weiche bis mittelharte Metalle angewendet.

Brinell-Skala

Die Skala reicht von 160 für geglühten Stahl bis ca. 700 für sehr harten Stahl.

Der Brinell-Härteprüfversuch ist eine alternative Methode zur Härteprüfung von Metallen und Legierungen.

1. Probe vorbereiten.
2. Prüfstück auf den Amboss legen.
3. Eindringkörper in Position auf der Bauteiloberfläche bewegen.
4. Eine Vorlast wird angelegt und eine Null-Referenzposition festgelegt.
5. Die Hauptlast wird für einen festgelegten Zeitraum (10–15 Sekunden) über der Nullposition angelegt.
6. Die Hauptlast wird gelöst, die Vorlast bleibt angelegt.
7. Prozess zur Bestimmung der Brinell-Härte eines Aluminium-Probenteils:
   1. Den Eindringkörper mit einer präzise kontrollierten Prüfkraft in das Probenteil drücken.
   2. Die Kraft für eine bestimmte Haltezeit (üblicherweise 10–15 Sekunden) aufrechterhalten.
   3. Nach Ablauf der Haltezeit den Eindringkörper entfernen, wodurch ein runder Eindruck im Probenteil verbleibt.
   4. Die Größe des Eindrucks wird optisch bestimmt, indem die beiden Diagonalen des runden Eindrucks mit einem tragbaren Mikroskop oder einem in das Lastapplikationsgerät integrierten Mikroskop gemessen werden.
   5. Die Brinell-Härtezahl (HBW) ist eine Funktion der Prüfkraft geteilt durch die gekrümmte Oberfläche des Eindrucks. Der Eindruck wird als kugelförmig betrachtet, mit einem Radius gleich dem halben Kugeldurchmesser. Der Durchschnitt der beiden Diagonalen wird in der folgenden Formel zur Berechnung der Brinell-Härte verwendet.

HBW = F / (π × D × (D - √(D² - d²)))
F = Prüfkraft in N, D = Kugeldurchmesser in mm, d = mittlerer Eindruckdurchmesser in mm

Einheitstest

1. Nennen Sie fünf Sicherheitsvorkehrungen bei der Wärmebehandlung.
2. Was ist das Wichtigste, was man beim Härten eines Stahls wissen muss?
3. Wie lange beträgt die Haltezeit für 1–2 Zoll Materialdicke?
4. Erklären Sie „Soak Time“ (Haltezeit).
5. Was ist der nächste Schritt nach Ablauf der Haltezeit?
6. Auf welcher Temperatur muss das Probenteil zum Anlassen in den Ofen?
7. Erklären Sie „Austenitisieren und Abschrecken“.
8. Was ist „Luftkühlen“ (Air-Cool)?
9. Erklären Sie die Rockwell-Methode.
10. Erklären Sie den Brinell-Härteprüfversuch.

Quellenangabe

Dieses Kapitel wurde aus folgenden Quellen abgeleitet:

• Wärmebehandlung abgeleitet aus „Heat Treatment of Plain Carbon and Low Alloy Steels“ vom Massachusetts Institute of Technology, CC:BY-NC-SA 4.0.
• Brinell-Härteprüfgleichung abgeleitet aus „Brinell Hardness“ von CORE-Materials Resource Finder, CC:BY.