Härteprüfung in Gießereien: Zerstörungsfreie Qualitätssicherung

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

Härteprüfung ist ein Qualitätsprüfverfahren, das in Gießereien verwendet wird, um die Eigenschaften von Gussmetallen und ihre Eignung für verschiedene Anwendungen zu messen. Ihre Beliebtheit beruht auf der zerstörungsfreien Natur des Tests und seiner Beziehung zu anderen mechanischen Eigenschaften. Gießereien leiten die Zugspannung eines Materials aus dem Härteprüfergebnis ab.

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

• Festigkeit
• Schlagzähigkeit
• Härte
• Korrosionsbeständigkeit

Gießereien gießen manchmal einen Testkörper (Test Coupon) zusammen mit dem Produktguss. Qualitätsprüfergebnisse vom Testkörper werden als für das Gussprodukt gleichermaßen gültig angenommen. Einige Tests – wie Zugspannung und Schlagzähigkeit – zerstören das Prüfstück im Prozess. Zerstörungsfreie Prüfungen (ZfP) zerstören die Metallprobe jedoch nicht, um ein Ergebnis zu erhalten. Der Vorteil von ZfP ist, dass Tests am Gussmetallprodukt selbst durchgeführt werden können, im Gegensatz zu einem Prüfstück.

Vorteile von Härteprüfungen:

• Fähigkeit, die Wärmebehandlung eines Teils in Härtereibetrieben und Einsatzhärtetiefe-Analyse zu verifizieren
• Fähigkeit zu bestimmen, ob ein Material die notwendigen Eigenschaften für seinen vorgesehenen Verwendungszweck hat
• Zerstörungsfreie Testalternative für effektive Qualifizierung und Freigabe von Material oder Komponenten für Zielanwendungen
• Niedrige Kosten und schnelle Durchführung

Was ist eine Härteprüfung?

Der Begriff Härte impliziert typischerweise einen Widerstand gegen Verformung. Für Metalle ist die Eigenschaft ein Maß für ihren Widerstand gegen permanente, also plastische, Verformung. Mehrere verschiedene Tests existieren zur Messung der Härte von Metallen und Gussmetallen.

Brinell-Härteprüfung

Die Brinell-Härteprüfung verwendet die Methode ASTM E10 – Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. Die American Society for Testing and Materials (ASTM) ist Hüter dieses Standards. Es ist ein Makro-Eindrücktest, bei dem eine hohe Last verwendet wird, um die Messung zu erhalten. Gussmetalle erfordern Makro-Härteprüfungen aufgrund der groben Gefügestruktur und dem Potenzial für inhomogenes Material.

Um eine Brinell-Härtezahl (HBW) zu erhalten, drückt eine Hartmetallkugel mit festem Durchmesser bei festem Druck für eine festgelegte Zeit in das Metall. Nach Entfernen der Last misst der Bediener den Durchmesser der hinterlassenen Eindrücke und wandelt ihn mithilfe der folgenden Formel in die HBW um:

\(HBW = \frac{2P}{\pi D (D - \sqrt{D^2 - d^2})}\)

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

In den USA sind Prüfkräfte für Stahl und Eisen typischerweise auf maximal 3000 kgf mit einer 10-mm-Kugel festgelegt. Aluminium verwendet eine niedrigere Prüfkraft von 500 kgf und manchmal einen kleineren Eindringkörper von 5 mm. Eine typische HBW reicht von 50–750 für Metalle. Die folgende Brinell-Härte-Tabelle listet einige Beispiele auf:

Material	Brinell-Härtezahl
Weichmessing	60
Baustahl (Mild steel)	130
Geglühtes Meißelstahl	235
Weißgusseisen	415
Genitrierte Oberfläche	750

Die Vorbereitung der Metalleoberfläche für die Brinell-Härteprüfung ist sehr wichtig. Eine gezackte Oberfläche oder andere Unvollkommenheiten beeinflussen das Ergebnis. Es ist ratsam, die Metalleoberfläche vor dem Test zu schleifen, um die Variabilität der Ergebnisse zu minimieren.

Die Ursprünge der Brinell-Härteprüfung reichen bis 1900 zurück. In den frühen Jahren des Tests wurden die Ergebnisse stark von der Perspektive des Bedieners beeinflusst. Verschiedene Bediener kamen zu unterschiedlichen Ergebnissen, was zu hoher Variabilität in der Messung führte. Mit der Einführung elektronischer Messgeräte hat sich der Konsistenzgrad jedoch erheblich verbessert.

Rockwell-Härteprüfung

Die Rockwell-Härteprüfung verwendet die Methode ASTM E18 – Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials. Der Rockwell-Test hat zwei Stufen. Die Ausrüstung wendet eine Vorlast auf das Probenstück mit einem Diamant- oder Kugeleindringkörper an. Der Zweck dieser Stufe ist, die Oberfläche des Metalls zu durchbrechen und den Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Endergebnis zu reduzieren. Der Bediener misst an diesem Punkt eine Basiseindrücktiefe. Nach Halten der Vorlast für eine festgelegte Zeit wird eine Hauptlast aufgebracht. Wieder wird die Kraft für eine vorgegebenen Zeit gehalten, bevor sie wieder auf die Vorlast reduziert wird. Nach Ablauf der Zeit nimmt der Bediener eine Tiefenmessung der Eindrücke vor. Die Rockwell-Härtezahl basiert auf dem Unterschied zwischen der Basis- und der endgültigen Tiefenmessung.

Es ist wichtig für die Genauigkeit des Rockwell-Tests, dass die Prüfachse innerhalb von zwei Grad zur Senkrechten liegt. Eine Rockwell-Härteskala begleitet den Test.

\(HR = N - \frac{h}{S}\)

N = Konstante
S = Skaleneinheit
h = Eindringtiefe

Leeb-Rückprall-Härteprüfung

Der Leeb-Test verwendet ASTM A956 – Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products. Der Leeb-Test misst den Rückprall eines Objekts vom Testprobenstück. Die Härte von Metallen beeinflusst die Rückprallenergie – härtere Materialien erzeugen einen größeren Rückprall, während weichere Materialien die Rückprallenergie dämpfen. Die Geschwindigkeit des Objekts vor und nach dem Aufprall auf die Probe bildet die Basis für den Rückprallwert. Leeb-Testgeräte enthalten eine Spule, die die induzierte Spannung der magnetischen Kugel misst, die für den Rückpralltest verwendet wird. Diese induzierte Spannung steht in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der Kugel, die sich durch die Spule des Testgeräts bewegt. Der Leeb-Härtewert wird mit der folgenden Formel berechnet:

\(HL = \frac{v_{rebound}}{v_{impact}} \times 1000\)

Vorteile der Leeb-Methode sind, dass der auf dem Testprobenstück hinterlassene Eindrücke viel kleiner ist als bei anderen Methoden. Sie ist auch tragbar, einfacher zu bedienen und schneller als Brinell- und Rockwell-Härteprüfer. Ein Nachteil ist, dass sie variable Ergebnisse liefern kann, wo die Probenoberfläche uneben ist. Die Dicke der Probe und der Kohlenstoffgehalt können das Ergebnis ebenfalls beeinflussen.

Härtezahl-Umrechnung

ASTM E140-12be1 gibt standardmäßige Härteumrechnungstabellen für Metalle an, um von einer Härteprüfmethode in eine andere umzurechnen. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Umrechnungen annähernd sind und von Faktoren wie Materialzusammensetzung, Mikrostruktur und Wärmebehandlung abhängen. Obwohl die Tabellen auf großen Testzahlen über die verschiedenen Methoden basieren, kann ein Umrechnungsergebnis nur als Schätzung vergleichbarer Werte betrachtet werden.

Härtezahl und Wärmebehandlung

Gussmetalle werden wärmebehandelt, um ihre Eigenschaften zu manipulieren. Die Wärmebehandlung beinhaltet das Erhöhen der Materialtemperatur auf einen vorbestimmten Wert. Es wird dann mit einer spezifischen Rate abgekühlt, abhängig von den gewünschten Eigenschaften des Produkts. Die Endtemperatur des Heizzyklus und die Abkühlrate haben direkten Einfluss auf die Mikrostruktur des Metalls.

Feinperlitische und ferritische Mikrostrukturen, die durch schnellere Abkühlraten verursacht werden, haben einen höheren Härtewert. Wenn das Metal abgeschreckt wird, resultiert die rasche Abkühlung in einer Martensit-Mikrostruktur, die die größte Härte von allen hat. Aufgrund der direkten Beziehung zwischen Mikrostruktur und Härte ist der Härteprüfung ein schneller Indikator dafür, ob die Wärmebehandlung erfolgreich war oder nicht.

Härtezahl und Gussmetalleigenschaften

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

Die Beziehung zwischen Brinell-Härtezahl und Zugspannung:

\(TS(MPa) = \begin{cases} 3.55 \times HB & (HB \le 175) \\ 3.38 \times HB & (HB > 175) \end{cases}\)

\(TS(psi) = \begin{cases} 515 \times HB & (HB \le 175) \\ 490 \times HB & (HB > 175) \end{cases}\)

HB = Brinell-Härte des Materials (gemessen mit Standard-Eindringkörper und 3000 kgf Last)

Gussprodukte und Einstufung

Viele Faktoren beeinflussen die Einstufung von Gussstahl. Zusammensetzung des Produkts, chemische und mechanische Eigenschaften sowie Wärmebehandlungsprozesse spielen alle eine Rolle bei der Zertifizierung jedes Gussprodukts gegen den anwendbaren ASTM-Standard.

ASTM legt Standardspezifikationen für verschiedene Güten von Metallprodukten fest. Es ist wichtig, diese Güten und ihre Eigenschaften zu verstehen, um die richtige Güte für jede Anwendung auszuwählen. ASTM A27 ist ein Standard, der Kohlenstoffstahlguss für allgemeine Anwendungen abdeckt.

Härteprüfung in Gießereien

Die Entwicklung der Härteprüfung hat es Metallgießereien erleichtert, die Eigenschaften ihrer Produkte basierend auf einem einfachen Test zu schätzen. Sie ist zerstörungsfrei, was bedeutet, dass sie an fertigen Produkten durchgeführt werden kann, ohne Schäden zu verursachen. Es ist ein schneller Prozess, der Gießereien schnelles Feedback über die Produkte gibt, wenn sie die Produktionslinie verlassen. Die Korrelation zwischen Härtezahl und Zugfestigkeit ist ein nützlicher Leitfaden für eine erste Bewertung der Produktgüte. Gießereien führen einen vollständigen Satz von Zertifizierungstests durch, bevor sie Produkte an Kunden freigeben.

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