In diesem Kursabschnitt erklären wir dir die Härteprüfung als Bestandteil der Werkstoffprüfung. Dabei stellen wir die drei Kategorien der Härteprüfverfahren, sowie die darin befindlichen Verfahrensarten detailliert vor.
Auch die Ritzverfahren und Kratzverfahren für Oberflächen stellen wir dir in diesem Zusammenhang vor.
“Am Ende des Textes findest du eine Zusammenfassung des Textes als Videoclip.”
Härteprüfung – Härte – Definition
Die Härte ist eine Eigenschaft eines Werkstoffs, die es dem Techniker erlaubt Rückschlüsse über die Eignung für bestimmte Einsatzbereiche zu treffen.
Im Allgemeinen bedeutet Härte:
“Härte ist der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines anderen härteren Körpers entgegensetzt.”
Härteprüfung – Ritzverfahren nach Mohs [Die Anfänge] und Weiterentwicklungen
“Das härtere Material ritzt das weichere Material.”
Die erste Form der Härteprüfung geht auf Friedrich Mohs zurück. Dieser führte im Jahr 1822 die erste Härtebestimmungsmethode nach zehn Härtegraden ein. Dabei wurden zehn Mineralien in direkten Vergleich miteinander gebracht und untersucht welches Mineral das andere ritzen konnte. Daraus ergab sich eine Rangfolge, wobei das härteste Mineral an letzter Stelle (Platz 10) steht und auf dem ersten Platz das Mineral, dass von allen anderen geritzt werden konnte.
Noch heute wird dieses Verfahren in der Mineralogie genutzt um Mineralien dieser Härteskala zuzuordnen.
In der Skala für die Mohs-Härte oder Ritzhärte sind folgende Mineralien aufgeführt:
- Speckstein (Talk)
- Gips
- Kalkspat
- Flussspat
- Apatit
- Feldspat
- Quarz
- Topas
- Korund
- Diamant.
Somit ergeben sich genau 10 Härtegrade. Jedes hier aufgeführte Mineral ritzt die vorangehenden und wird selbst (außer Diamant) von den nachfolgenden geritzt.
Kommt nun ein weiteres unbekanntes Mineral hinzu, dass beispielsweise von Topas (Härte 8) geritzt werden kann und gleichzeitig Quarz (Härte 7) ritzt, so wird dem unbekannten Mineral ein Härtegrade von 7-8 zugewiesen.
Ritzverfahren – Beispiele:
- Minerale bis zu einem Härtegrad von zwei lassen sich problemlos mit einem Fingernagel ritzen.
- Minerale bis zu einem Härtegrad von vier mit einem Messer geritzt werden können.
- Übrigens können alle Mineralien ab einer Härte von mehr als sechs, herkömmliches Fensterglas ritzen.
Mangelhafte Eignung für die Werkstofftechnik
“Was für die Mineralogie genügt, ist für die Werkstofftechnik eher mangelhaft.”
Denn im Vergleich zu den Härteprüfverfahren, die du im späteren Verlauf diese Abschnitts kennenlernst, ist das Ritzverfahren und die Einteilung in 10 Härtegraden sehr ungenau.
Die Ursache liegt hier in den Abstände bzw. Geltungsbereichen zwischen zwei Härtegraden.
“So entspricht der Härtegrad nach der Skala von Vickes (HV) von Korund nur einem fünftel von dem des Diamanten. Gleichzeitig ist Topas nur weniger als halb so hart wie Korund. Daran wird die eingeschränkte Aussagekraft für die Werkstofftechnik deutlich.”
In der nachfolgenden Liste wird dieses Problem noch mal deutlich, wenn man die zugehörigen Härtewerte von Vickers (Vickershärte) hinzunimmt.
- Speckstein (Talk) = Mohshärte 1 = 2,4 HV
- Gips = Mohshärte 2 = 36 HV
- Kalkspat = Mohshärte 3 = 110 HV
- Flussspat = Mohshärte 4 = 190 HV
- Apatit = Mohshärte 5 = 540 HV
- Feldspat = Mohshärte 6 = 800 HV
- Quarz = Mohshärte 7 = 1120 HV
- Topas = Mohshärte 8 = 1430 HV
- Korund = Mohshärte 9 = 2000 HV
- Diamant = Mohshärte 10 = (10.000) HV
Härteprüfung – Ritzverfahren in der Kunststoffprüfung und der Beschichtungstechnik
Ausgehend von dem Ritzverfahren von Mohs haben sich über die Jahre hinweg andere Sonderverfahren entwickelt, mit denen die Ritz- und Kratzhärte von Kunststoffen ermittelt werden kann.
Auch finden Ritzverfahren mit der Angabe der Ritzhärte Anwendung in der Flugzeug und Automobilindustrie. Denn hier stellt der Wert ein wichtiges Qualitätskriterium für Lackbeschichtungen und Kunststoffoberflächen dar.
Insgesamt gibt es in diesem Bereich knapp 30 Sonderverfahren, die sich mit der Ritzhärte befassen.
Neuere Ritzhärteverfahren – Übersicht (Auswahl)
Um die einen Überblick hinsichtlich der Vielzahl an Verfahren zu geben, zeigen wir dir nachfolgend eine Auswahl:
Krätzhärte nach Peters
Diese Verfahren verwendet als Kratzmaterial einen Daumennagel.
Somit ist eine Prüfung der Härte von Anstrichen möglich.
Bleistiftritzmethode
Diese Verfahren verwendet als Ritzmaterial einen Bleistift unter einer definierten Krafteinwirkung. Die Bleistifte weisen unterschiedliche Härten auf.
Somit ist eine Prüfung der Härte von beschichteten Musterplatten im Labor möglich.
Ritzhärteprüfer nach Rossman
Diese Verfahren verwendet als Ritzmaterial eine Stahlkugel unter einer definierten Krafteinwirkung
Somit ist ebenfalls eine Prüfung der Härte von beschichteten Musterplatten im Labor möglich.
Ritzhärteprüfer nach Clemen
Diese Verfahren verwendet als Ritzmaterial eine Nadel unter einer definierten Krafteinwirkung.
Somit ist eine Prüfung der Härte mit 10 Stufen möglich.
Ritzhärteprüfer nach Sikkens
Diese Verfahren verwendet als Ritzmaterial einen definierten Stichel unter einer definierten Krafteinwirkung und Zuggeschwindigkeit.
Somit ist eine Prüfung der Härte und Kratzbeständigkeit von Beschichtungsstoffen möglich.
Bleistiftritzmethode nach Wolff-Wilborn
Diese Verfahren verwendet als Ritzmaterial einen Bleistift unter einer konstanten Krafteinwirkung. Die Bleistifte weisen unterschiedliche Härten auf.
Somit ist eine Prüfung der Härte von Fahrzeug- und Möbellackierungen möglich.
Härteprüfstab
Diese Verfahren verwendet als Kratzmaterial eine Hartmetallkugel welche unter definierter veränderlicher Kraft über das Material gezogen wird.
Somit ist eine Prüfung der Härte von Lacken und Beschichtungen möglich.
Schmissbeständigkeitsprüfer nach Oesterle
Diese Verfahren verwendet als Ritzmaterial eine feststehende Rundscheibe unter definierter veränderlicher Kraft.
Somit ist eine Prüfung der Härte von Lacken und Beschichtungen möglich.
Härteprüfung mit DUR-O-Test
Diese Verfahren verwendet als Ritzmaterial eine kugelförmige Spitze unter definierter veränderlicher Kraft.
Somit ist eine Prüfung der Härte von Lacken und Beschichtungen sowie Kunststoffüberzügen möglich.
Ritzhärteprüfung nach van Laar
Diese Verfahren verwendet als Kratzmaterial einen Hartmetallstichel mit einem Durchmesser von 0,5 mm
Somit ist eine Prüfung der Härte von Anstrichen möglich.
Ritzverfahren nach Bosch
Diese Verfahren verwendet als Kratzmaterial einen Hartmetallstichel mit einem Durchmesser von 0,75 mm
Somit ist eine Prüfung der Härte von Anstrichen möglich.
Härteprüfung – Verfahrensübersicht
In der normalen Härteprüfung von Werkstoffen kommen andere Verfahren zum Einsatz. Welche Verfahren hier unterschieden werden, siehst du in der Nachfolgenden Abbildung.
Statische Eindringverfahren
Die Statischen Eindringverfahren zur Prüfung der Härte zählen zu den meist verwendeten Verfahren der Werkstoffprüfung.
Mit diesen Verfahren lassen sich neben der Ermittlung der Härtewerte auch Aussagen zu anderen wichtigen Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit und Verschleißbeständigkeit ableiten.
“Die Ermittlung der Härtewerte nach den Eindringverfahren ist vergleichsweise einfach und wenig aufwendig.”
Da es sich um bedingt zerstörungsfreie Prüfmethoden handelt, wird der Werkstoff in den meisten Fällen nicht in seiner Funktionsweise negativ beeinflusst. Dies ist auch ein Grund dafür, dass die Eindringverfahren auch international Anwendung finden und somit eine Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse zulassen.
Wir unterscheiden folgende Eindringverfahren:
- Härteprüfung nach Brinell
- Härteprüfung nach Vickers
- Härteprüfung nach Rockwell
- Kleinlasthärteprüfung (Nicht Thema dieses Kurses)
- Mikrohärteprüfung (Nicht Thema dieses Kurses)
Dynamische Härteprüfverfahren
Bei den dynamischen Härteprüfverfahren zeigt sich der Vorteil gegenüber statischen Härteprüfverfahren. Denn letztere sind Standort-gebunden und können nicht für den mobilen Einsatz vor Ort genutzt werden. Jedoch wird dies immer häufiger gefordert. Denn die meisten Elemente eines Großhydraulikbaggers oder eines Schwerlastkrans lassen sich nicht im Labor hinsichtlich ihrer Härte untersuchen.
“Dynamische Härteprüfverfahren erlauben eine mobile Messung der Härte innerhalb moderner und dezentraler Fertigungsprozesse.”
Hier schaffen folgende dynamische Härteprüfverfahren Abhilfe:
- Schlaghärteprüfung
- Rückprallhärteprüfung
Indirekte Härteprüfverfahren
Als dritte Variante der Härteprüfung existieren die indirekten Härteprüfverfahren. Hier werden indirekt Härtewerte ermittelt, indem man automatisierbare Messungen über elektrische und magnetische Größen durchführt.
“Werte die Aussagekraft besitzen sind elektrische Leitwerte, elektrische Widerstände oder Angaben zur magnetischen Durchflutung.”
Folgende indirekte Härteprüfverfahren unterscheiden wir:
- Elektrische Verfahren
- Magnetische Verfahren
- Ultraschallverfahren
Härteprüfung – Ergänzende Informationen
Nun ist es ja so, dass alle Verfahren einen anderen Härtewert ermitteln. Aus diesen Grund ist es auch immer zwingend erforderlich, dass eine Abgabe des gewählten Prüfverfahrens vorgenommen wird.
Um dennoch eine Vergleichbarkeit zu erlauben, nutzt man in der Werkstoffprüfung Umrechnungstabellen für Härtewerte und Zugfestigkeitswerte, kurz Umwertetabellen genannt.
Die Umwertetabellen sind für den praktischen Gebrauch in Hinblick auf die unterschiedlichen Härteprüfverfahren wichtig.
Handelt es sich um Stahl oder Stahlguss, so findest du genaue Angaben in der DIN 50150.
Universal-Härteprüfmaschinen
Eine Universal-Härteprüfmaschine für die Verfahren nach Brinell, Vickers und Rockwell erlaubt eine Abbildung der drei Härteprüfverfahren mit einem Gerät. Ihre Ausführungen variieren zwischen Stand-Alone Härteprüfmaschinen oder als Vollautomaten. Diese Härteprüfmaschinen werden auch unter dem Begriff Makrohärte-Prüfmaschinen vertrieben.
Ein besondere Vorteil dieser universellen Prüfung ist, dass die Daten über eine EDV-Schnittstelle direkt auf einem angeschlossenen Rechner ausgewertet und folglich verglichen werden können.
Jedoch stellt sich hier die Frage ob es wirklich eine teure Universal-Härteprüfmaschine sein muss, oder ob für den gewünschten Anwendungszweck die einfache Prüfmaschine für eine einzelnen Prüfart genügt.
Videoclip – Zusammenfassung des Textes
In diesem Clip findest du eine Zusammenfassung des Textes:
Was gibt es noch bei uns?
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Interaktive Übungsaufgaben
Quizfrage 1
Wusstest du, dass unter jedem Kursabschnitt eine Vielzahl von verschiedenen interaktiven Übungsaufgaben bereitsteht, mit denen du deinen aktuellen Wissensstand überprüfen kannst?
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