Qualitätskontrolle und Zustandsüberwachung

Mobile Härteprüfgeräte

Anzeige
Die Entwicklung und Anwendung der Härteprüfung ist durch die Verlagerung der stationären Prüfgeräte aus dem Labor in den Fertigungsprozess und durch die Expansion der ambulanten Härteprüfung vor Ort gekennzeichnet. In diesem Beitrag wird ein Überblick über die verschiedenen tragbaren Härteprüfgeräte für die Prüfung von metallischen Werkstoffen gegeben. Einerseits soll der Einsteiger in die Härteprüfung einen Einblick in die Vielfalt der Prüftechnik bekommen, zum anderen werden Hinweise für die anwendungsbezogene Auswahl eines geeigneten Prüfgerätes gegeben.

Dr.-Ing. habil. Günter Michalzik, Ulm Der Autor

Charakteristische Merkmale der gegenwärtigen Härteprüftechnik sind die vom Einsatzort abhängige Geräteausführung: stationär oder mobil, die Form der Kraftaufbringung: quasistatisch oder dynamisch, das realisierte Prüfverfahren, die Höhe der Prüfkraft sowie die Art der Durchführung und Auswertung der Prüfung. Einen schnellen Überblick über die mobile Härteprüftechnik liefert eine Ordnung nach der bestimmbaren Härtekenngröße und der Art der Beanspruchung.
Härtekenngrößen
Die tragbaren Härteprüfgeräte unterscheiden sich durch das realisierte Prüfverfahren und die Definition der Härtekenngröße /1/.
In zahlreichen mobilen Härteprüfgeräten wird als Messgröße bevorzugt die Eindringtiefe nach Wegnahme der Prüfkraft für die Bestimmung der Härte nach Rockwell verwendet. Sie lässt sich auch unter ambulanten Prüfbedingungen recht genau bestimmen. Die Ermittlung der Eindringtiefe unter Prüfkraft für die Ermittlung der Universalhärte mit mobilen Prüfgeräten dagegen steht erst am Anfang einer Entwicklung, die in nächster Zeit zwangsläufig zu einer breiteren Produktpalette führen wird.
Die konventionelle Härteprüfung nach Vickers und Brinell ist aufwendig und setzt die Vermessbarkeit der bleibenden Eindrücke an der Oberfläche voraus. Dabei kommen Mikroskope mit Okularmesseinrichtung oder auch Messlupen zum Einsatz. Die Vermessbarkeit der Härteeindrücke bestimmt entscheidend die Bestimmungsgenauigkeit. Die nach diesem Prüfprinzip arbeitenden statischen Prüfgeräte haben deshalb mit Ausnahme der Zwingenprüfgeräte an Bedeutung verloren.
Eine breite Anwendung finden in der ambulanten Härteprüfung die Prüfverfahren mit Energiemessung- Equotip-Härte und das UCI-Verfahren- UCI-Härte, obwohl mit ihnen die konventionellen Härtekennwerte nach Vickers, Brinell, Rockwell u. a. nicht direkt sondern nur über eine Umwertung bestimmt werden können.
Die mit den verschiedenen mobilen Härteprüfgeräten aus den verfahrensspezifischen Messgrößen abgeleiteten Härtekenngrößen sind in Tab. 1 zusammengefasst. Der entsprechend der Definition der Härtekenngröße aus den Messgrößen ermittelte Härtewert wird in diesem Beitrag als Basiskenngröße bezeichnet. Aus den Basiskenngrößen für andere Härteskalen abgeleitete Härtewerte sind umgewertete Härtewerte und sollten als solche auch immer gekennzeichnet werden.
Bei der Auswahl eines Prüfgerätes ist unter Beachtung der Prüfaufgabe deshalb immer zu berücksichtigen, welche Basiskenngröße und welche daraus abgeleiteten Härtewerte ermittelt werden. Zu beachten ist dabei, auf welchen Grundlagen die Umwertung erfolgt und für welche Werkstoffgruppen und Werkstoffzustände sie genutzt werden kann. Mit der Überarbeitung der DIN 50150 „Umwertung von Härtewerten“ wurde die Basis für eine vergleichbare Umwertung für die Eisenwerkstoffe deutlich erweitert /2/. Mit der schrittweisen Einführung der Universalhärteprüfung wird sich der Bedarf an Umwertungen reduzieren und die Vergleichbarkeit der Härte zwischen den verschiedenen Werkstoffen deutlich erhöhen.
Tragbare Geräte mit quasistatischer Kraftaufbringung
Bei den Prüfgeräten mit quasistatischer Kraftaufbringung wird der Eindringkörper langsam und stetig in das Prüfobjekt eingedrückt. Die dafür benötigte Prüfkraft wird entweder mit einer Druckbewegung auf einen Messkopf, mittels Zwingen oder im Falle des UCI-Verfahrens über austauschbare prüfkraftabhängige Messsonden aufgebracht. Zur Auswertung kommt der erzeugte Eindruck nach Wegnahme der Prüfkraft (Vickers, Brinell), bei der Prüfvorkraft (Rockwell) oder unter Prüfkraft (Universalhärte und UCI-Härte).
Die Kraftaufbringung mit einer Druckbewegung auf einen Messkopf (Bild 1) findet man bevorzugt in Geräten für die Bestimmung der Härte nach Rockwell C. Ein typischer Vertreter für dieses Prüfprinzip ist das Computest (Tab. 2). Das Gerät arbeitet mit einer Prüfkraft von 49 N, die Prüfvorkraft beträgt 11,8 N. Beide Kräfte werden mit einer einzigen Druckbewegung bis zu einem Anschlag aufgebracht. Aus der gemessenen Differenz beider Eindringtiefen wird automatisch der Härtewert ermittelt und sofort auf dem Display angezeigt. Die ermittellte Rockwellhärte (Basiskenngröße) kann auch in andere Zielgrößen wie Vickershärte HV, Brinellhärte HB oder Zugfestigkeit umgewertet werden. Der Einsatz des Gerätes erfordert trotz der Prüfvorkraft eine saubere und möglichst glatte Prüffläche.
Auch das für die mobile Universalhärteprüfung entwickelte Gerät UHP 100 / 3-4 / basiert auf der Kraftübertragung mittels einer Druckbewegung auf einen Messkopf (Tab. 2). Das realisierte Prüfverfahren ist genormt /5/. Während des Eindringens des Eindringkörpers (quadratische Diamantpyramide/ Vickers) werden Prüfkraft und zugehörige Eindringtiefe der Spitze des Eindringkörpers gemessen. Die unter Prüfkraft (Fmax = 100 N) ermittelte Eindringtiefe umfasst die elastischen und plastischen Verformungen und führt zu einer physikalisch sinnvollen Härtekenngröße. Als Universalhärte wird der Quotient aus der Prüfkraft F und der Eindruckoberfläche A(h) unter Prüfkraft definiert. Neben der auf der elastischen und plastischen Verformung basierenden Universalhärte HU liefert die Auswertung der Prüfkraft-Eindringtiefe-Kurve weitere Materialkenngrößen zur Beschreibung des Fließ-, Kriech- und Rückverformungsverhaltens. Ein weiterer Vorteil dieser Prüfmethodik liegt in der universellen Anwendung. Einmal definierte Umwertungen werden gespeichert und können wiederholt verwendet werden. Die präzise Messung der Eindringtiefe stellt aber hohe Anforderungen an die Vorbereitung der Prüffläche. Es ist darauf zu achten, dass die minimale Eindringtiefe h den 20fachen Betrag der Mittenrauheit Ra aufweist. Aufgrund der kleinen Eindringtiefen kann das UHP 100 auch für die Prüfung von Band und Blech im Coil, von Profilen, Rohren und weiteren dünnwandigen Strukturen vorteilhaft eingesetzt werden. Ein völlig neues Messprinzip wurde in jüngerer Zeit in dem Prüfgerät Esatest HD verwirklicht (Tab. 2).
Während des Eindringens eines Prüfdiamanten mit ionenimplantierter Oberfläche wird der elektrische Restwiderstand zwischen der Halterung des Diamanten und der Grenzlinie des Kontaktes zwischen Diamant und Prüfling gemessen. Mit wachsender Eindringtiefe nimmt der elektrische Widerstand ab. Der Eindringkörper übernimmt somit gleichzeitig die Funktion einer Sonde zur Bestimmung der Größe des Eindrucks. Während des Eindringvorgangs werden die Kraft und der elektrische Widerstand kontinuierlich gemessen, so dass aus einem Prüfvorgang die Härte für verschiedene Prüfkräfte ermittelt werden kann. Der nutzbare Prüfkraftbereich liegt zwischen 9,81 und 98,1 N. Für die verschiedenen Anwendungsfälle stehen mehrere Gerätetypen zur Verfügung.
Für die Erzeugung höherer Prüfkräfte und damit auch größerer Prüfeindrücke wurden die Zwingenprüfgeräte entwickelt (Bild 2). Sie sind für die Ermittlung der Brinellhärte HB oder der Rockwellhärte HRC ausgelegt. Realisierbare Prüfkräfte bis zu 29 240 N mit den nach Brinell arbeitenden Zwingenprüfgeräten ermöglichen den Einsatz großer Kugeldurchmesser (5 und 10 mm) und damit auch die Prüfung von Gusswerkstoffen. Die Prüfkraft wird durch direktes Verdrehen oder für größere Prüfkräfte mittels einer Kurbel mit Übersetzung erzeugt. Die aktuelle Prüfkraft wird aus der elastischen Formänderung des Bügels bestimmt oder über Scherstifte definiert eingestellt.
Für die Prüfung von Kleinteilen und Blechen wurde das Härteprüfgerät Equostat entwickelt (Tab. 2). Die Kraftaufbringung erfolgt nach dem „Zangenprinzip“ und die Prüfung basiert auf dem Rockwell-Verfahren. Ermittelt wird ein Härtewert HRZ, der in die konventionellen Härtekenngrößen umgewertet werden kann. Die Gesamtprüfkraft beträgt 50 N, so dass auch dünne und beschichtete Teile geprüft werden können.
Die Härteprüfung nach dem UCI-Verfahren basiert auf der Auswertung von Vickerseindrücken unter Prüfkraft. Der Vickersdiamant ist am unteren Ende eines schwingenden Stabes befestigt. Wird der Diamant in ein Prüfstück gedrückt, so ändert der Metallstab seine Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Größe des Eindrucks. Die gemessene Frequenzänderung ist ein Maß für die Eindruckoberfläche. Sie ist aber auch von den Geräteparametern und dem Elastizitätsmodul des Prüfobjekts abhängig.
Der UCI-Härtewert wird durch Umwertung der Resonanzfrequenzverschiebung mit Hilfe von HV-Referenzproben gewonnen. Dabei müssen der Elastizitätsmodul vom Prüfling und von der verwendeten HV-Referenzprobe übereinstimmen.
Sehr schlanke Messsonden erlauben eine Prüfung auch an schwer zugänglichen Stellen. Eingeschränkt ist dagegen der Einsatz dieser Geräte im Bereich kleiner Dicken oder in der Nähe von verdeckten Ungänzen. Der prüfbare Härtebereich liegt beim MIC 10 (Tab. 2) zwischen 20 und circa 1800 HV. Handmesssonden stehen für die Prüfkräfte 10, 50 und 98 N zur Verfügung.
Tragbare Geräte mit dynamischer Kraftaufbringung
Neben den Verfahren mit statischer Krafteinwirkung haben sich auch Methoden bewährt, bei denen die Prüfkraft schlagartig aufgebracht wird (Tab. 3).
Im Unterschied zu den statischen Prüfgeräten wird der Eindringkörper bei den dynamischen Prüfgeräten mit einer bestimmten kinetischen Energie aus einem definierten Abstand gegen das Prüfstück gestoßen oder während der Ruhelage auf dem Prüfobjekt plötzlich einer schlagartigen Krafteinwirkung ausgesetzt. Man unterscheidet zwischen den Verfahren mit Verformungsmessung (dynamisch-plastische Prüfverfahren) und mit Energiemessung (dynamisch-elastische Prüfverfahren). Grundsätzlich ist bei den dynamischen Prüfverfahren darauf zu achten, dass Energieverluste durch Schwingungsarbeit des Prüfobjekts vermieden oder gering gehalten werden. Die Masse des Prüfstückes muss daher im Vergleich zu der des Schlagkörpers sehr groß sein oder das Prüfstück muss an eine kompakte Gegenmasse angekoppelt werden.
Im Falle der Schlaghärte wird die Härte aus der Größe des bleibenden Eindrucks bestimmt. Für die Prüfung mit dem Baumann-Hammer wird das Gerät mit dem Eindringkörper auf die Prüffläche gesetzt und gegen die Oberfläche gedrückt. Dabei wird eine Feder gespannt und bei einer definierten Kraft ein Schlagbolzen ausgelöst. Der Schlagbolzen wird auf den ruhenden Eindringkörper geschossen und drückt die Kugel ein. Die Auswertung erfolgt durch die manuelle Vermessung der Größe des Eindrucks. Umrechnungstabellen ermöglichen die Angabe in Brinellhärtewerten.
Bei der Prüfung mit dem Poldi-Hammer wird dagegen eine Kugel von 10 mm Durchmesser durch einen Hammerschlag gleichzeitig in die Prüffläche der Probe und in einen Vergleichsstab mit bekannter Härte eingedrückt. Die auf der Probe und dem Vergleichsstab erzeugten Eindrücke werden mit einer Messlupe vermessen und in den entsprechenden Brinellwert umgewertet.
Bei der Prüfung mit einem dynamischen Scherkraftprüfgerät wird der im Stempel gelagerte Scherstift durch einen Hammerschlag gegen den Eindringkörper gedrückt und dabei durch ein zweischnittiges Abscheren zum Bruch gebracht. Die Prüfkraft entspricht der Kraft, die zum Abscheren des Scherstiftes benötigt wird. Der auf der Probe erzeugte Eindruck wird mit einer Messlupe vermessen und in den entsprechenden Brinellwert umgewertet.
Die Schlaghärteprüfgeräte sind klein und handlich. Sie eignen sich für die Prüfung sowohl von schweren Werkstücken im Materiallager als auch von großen Werkstücken oder Halbzeugen vor Ort. Gemeinsames Kennzeichen der Schlaghärteprüfverfahren ist, dass aus dem dynamisch erzeugten Eindruckdurchmesser direkt auf die statische Brinellhärte geschlossen wird. Der erfassbare Härtebereich entspricht in etwa dem des Brinellverfahrens. Die Schlaghärteprüfung eignet sich nicht für die Prüfung von harten und spröden Werkstoffen. Alle Schlaghärteprüfgeräte erfordern für das Prüfobjekt Mindestdicken und Mindestmassen, die deutlich über den Grenzwerten für die statischen Prüfverfahren liegen. Die Masse des Prüfstückes muss gegenüber der Masse des Aufschlagkörpers relativ groß sein. Für eine exakte Messung der Durchmesser ist die Prüfung an glatten und ebenen Oberflächen vorzunehmen.
Im Falle der Rücksprunghärte bestimmt die Rücksprunghöhe des Eindringkörpers die Härte. Ein kleiner Hammer mit einer abgerundeten Diamantspitze oder ein zylindrischer Fallkörper mit einer Stahlkugel wird aus einer vorgegebenen Höhe auf die Prüffläche fallen gelassen. Der Eindringkörper prallt um so mehr zurück, je härter die Oberfläche ist. Der Härtewert kann direkt an einer Skala abgelesen werden. Die Rücksprunghärteprüfgeräte eignen sich für die Prüfung von gehärteten Werkzeugen und kleineren Fertigteilen, aber auch für die Prüfung von schweren Werkstücken im Materiallager oder von großen Werkstücken und Halbzeugen vor Ort. Der mit den Rücksprunghärteprüfgeräten erfassbare Härtebereich liegt zwischen 20 und 68 HRC. Bevorzugt wird die Rücksprunghärte für die Prüfung von Rollen und Walzen, von Führungsbahnen an Werkzeugmaschinen oder von Kurbelwellen in der Automobilindustrie verwendet. Die erforderlichen Mindestdicken und Mindestmassen hängen vom Gewicht des Eindringkörpers und der Fallhöhe ab. Diese Grenzwerte sind deshalb geräteabhängig. Bei einer satten Auflage auf einer schweren Unterlage lassen sich auch schon Kleinteile der Dicke 5 mm prüfen. Die Prüfteile dürfen beim Aufschlagen des Eindringkörpers nicht nachgeben oder federn. Zu berücksichtigen ist ferner, dass der ermittelte Härtewert immer an einen bestimmten Schlagkörper bzw. Schlaggerätetyp gebunden und nur innerhalb einer Werkstoffgruppe vergleichbar ist.
Bei der Equotip-Härte schießt eine kugelförmige Spitze einen Schlagkörper durch eine gespannte Feder auf das Prüfobjekt. In unmittelbarer Nähe der Prüffläche misst ein elektro-magnetischer Sensor die Aufprall- und Rückprallgeschwindigkeit des Schlagkörpers berührunglos. Aus diesen Messgrößen wird der Härtewert L berechnet, benannt nach Leeb, dem Erfinder dieses Verfahrens. Das Equotip-Verfahren eignet sich für die Prüfung von metallischen Werkstoffen bis zu einer Vickershärte von ca. 1200 HV30 im verformten, wärmebehandelten oder gegossenen Zustand. Die ermittelte Equotip-Härte ist immer an einen bestimmten Schlagkörper gebunden. Die Schlagenergien liegen je nach Ausführung des Schlagkörpers zwischen 3 und 90 mJ. Die Probenmindestdicke bzw. das erforderliche Mindestgewicht des Prüfstückes hängen von der verwendeten Schlagenergie und der Prüfauflage ab. Bei Ankopplung der Probe mittels Koppelpaste an eine kompakte Unterlage liegt je nach Schlaggerät die Mindestdicke zwischen 1 und 10 mm und das minimale Probengewicht zwischen 20 und 500 g. Kann nicht gekoppelt werden, sind größere Dicken und Gewichte von 5 kg und mehr erforderlich.
Zu beachten ist ferner, dass die Equotiphärte als direkter Härtewert nur dann genutzt werden kann, wenn sie auf eine bestimmte Werkstoffgruppe bezogen ist. Zwei Werkstoffe, beispielweise Stahl und Aluminium mit gleicher Brinellhärte, liefern aufgrund unterschiedlicher E-Moduli auch voneinander signifikant abweichende Härtewerte nach Leeb. Das Verfahren ist genormt /6/. Es eignet sich für die Prüfung in allen Positionen und an schwer zugänglichen Stellen. Für die Umwertung der Equotiphärte in Härtewerte anderer Härteprüfverfahren stehen für die verschiedenen metallischen Werkstoffe umfangreiche Umwertebeziehungen zur Verfügung.
Die Vorteile in Kürze
Auch wenn heute noch nicht alle Wünsche der Prüfpraxis erfüllt werden können, verfügen die tragbaren Härteprüfgeräte über einen großen Anwendungsbereich und einen hohen Entwicklungsstand. Bei Einhaltung der Grundregeln der Härteprüfung wird für viele Anwendungsfälle eine ausreichende Genauigkeit und Wiederholbarkeit erreicht. Sehr oft bieten die mobilen Härteprüfgeräte die einzige Möglichkeit für die quasi-zerstörungsfreie Bewertung des mechanischen Verhaltens von Komponenten, Baugruppen oder Anlagen. Die Vorteile der neueren Prüftechnik lassen sich wie folgt zusammenfassen:
l schnelle Prüfbereitschaft und einfache Handhabung,
l automatische Erfassung der Messdaten,
l rechnergestützte Auswertung und digitale Anzeige des Prüfergebnisses,
l Kennwertüberwachung und Statistik,
l interner Datenspeicher oder Datenkarten,
l Datenausgabe auf Drucker oder PC,
l SPC-Schnittstelle,
l richtungsunabhängige Prüfung,
l Freihandprüfungen an ebenen und ge- krümmten Flächen,
l Prüfung von Werkstoffen und Werkstoff- schichten,
l Integrierbarkeit in den Fertigungsprozess,
l Einsatz von genormten Prüfverfahren,
l werkstoffspezifische Umwertung der er- mittelten Härtekenngrösse in andere
Zielgrössen
Schrifttum und Normen:
/1/ Weiler, W.: Härteprüfung an Metallen und Kunststoffen, 2. Auflage expert-verlag 1990,
/2/ DIN 50150: Prüfung metallischer Werkstoffe – Umwertungen von Härtewerten, Beuth-Berlin,
/3/ Ullner, Wehrstedt und Polzin: Universalhärteprüfung, Zeitschrift für Materialprüfung 38, (1996) 4 S. 143-146,
/4/ Michalzik, G.: Mobile Härteprüfung mit dem Kraft-Eindringtiefe-Verfahren, Quality Engineering 9/1998 ) S. 60-62,
/5/ DIN 50359-1: Prüfung metallischer Werkstoffe-Universalhärteprüfung, Teil 1: Prüfverfahren, Beuth-Berlin,
/6/ ASTM A965 –96: Standardprüfverfahren für die Equotip-Härteprüfung von Stahl-Erzeugnissen.
Weitere Informationen A QE 509
Anzeige

Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Videos Control 2019

Die besten Videos von der Messe

Quality Engineering

Titelbild QUALITY ENGINEERING P2
Ausgabe
P2.2019
LESEN
ABO

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Whitepaper zum Thema QS

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de