Ratgeber
Zu den wichtigen Materialeigenschaften gehört dessen Härte, also der mechanische Widerstand des jeweiligen Stoffes gegen das Eindringen eines Körpers aus einem härteren Material in dessen Oberfläche. Die Härte bestimmt die Qualität und die Verwendungsfähigkeit des jeweiligen Materials. So hängt von der Härte direkt beispielsweise dessen Verschleißverhalten des Materials ab, z. B. ob eine Oberfläche kratzfest ist oder wie schnell sich bewegliche Teile wie Lagerzapfen, Zahnräder und ähnliches abnutzen. Auch die Standfestigkeit und Schärfe von Schneidwerkzeugen ist von der Materialhärte abhängig.
Deshalb sind die Messung und Prüfung der Materialhärte mit einem Härtemessgerät in folgenden Anwendungsbereichen wichtig: Werkstoffprüfung und Qualitätskontrolle, Materialforschung, Analyse und Charakterisierung von Stoffen.
Weil es sehr viele verschiedenen Materialien mit den unterschiedlichsten Eigenschaften gibt, sind die Methoden zu deren Bestimmung im Einzelnen auch sehr verschieden und oft auch sehr komplex. Deshalb existieren in der Praxis auch eine große Zahl unterschiedlichster Härteskalen und Härtemessgeräte. Härtemessung ist ein spezielles Gebiet der Messtechnik.
Materialhärte lässt sich auf verschiedenen Wegen prüfen. Dabei wird in der Praxis zwischen den am häufigsten verwendeten statischen und dynamischen Prüfmethoden unterschieden.
Das gebräuchlichste statische Verfahren nach Shore arbeitet mit einem Eindringkörper, der über einen vorgegebenen Zeitraum auf die Oberfläche des Materials wirkt. Gemessen wird dann die Tiefe des Eindrucks, die ein Maß für die Härte ist. Diese Methode wird zur Überprüfung von Kunststoffen wie z. B. Elastomeren verwendet.
Deutlich härtere Materialien, also in erster Linie metallische Werkstoffe, lassen sich mit dieser Methode nicht prüfen. Dafür eignet sich ein dynamisches Verfahren wie die Härteprüfung nach Leeb. Hierbei prallt ein interner Schlagkörper mit Feder- oder Fallkraft auf das Material. Dieser wird vom Aufprall zurückgeworfen. Die beim Rückprall eingebrachte Energie wird gemessen und daraus der jeweilige Härtegrad ermittelt.
Daneben gibt es auch weitere hochspezialisierte Verfahren und Prüfgeräte für weitere Materialien wie z. B. Mineralien oder Holz.
Abhängig von der jeweiligen Messmethode ergeben sich für einen bestimmten Werkstoff individuelle Messwerte, die sich wiederum in Werte einer der geläufigen Härteskalen umrechnen lassen, z. B. die Härteskalen HL - Leeb, HB - Brinell, HRC - Rockwell C, HRB - Rockwell B, HRA - Rockwell A, HV - Vickers, HS - Shore.
Die Zusammenhänge sind äußerst komplex, so dass hier nur eine grobe Übersicht gegeben werden kann. So reichen die HV-Werte z. B. von 2,4 für Talk, den man mit dem Fingernagel ritzen kann, bis zu 10.060 für Diamant, dem wohl härtesten Stoff.
Die Methoden und Skalen der Härteprüfung sind in verschieden Normen definiert, z. B. ISO 6506 (Brinell), ISO 6507 (Vickers), ISO 6508 / DIN 50103 (Rockwell) ISO 4545 (Knoop).
Wie bereits erwähnt, sind die Messverfahren und Bewertungsmethoden bei der Härteprüfung sehr komplex. Für die in der Praxis am häufigsten vorkommenden Anwendungsfälle in der Materialprüfung und Qualitätskontrolle werden Geräte benötigt, mit denen sich schnell reproduzierbare Messwerte ermitteln lassen.
Wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist die Messaufgabe, für die das Gerät genutzt werden soll:
- Für harte Werkstoffe, z. B. Metalle, wie Stahl, Gussstahl, Aluminium, Bronze, Kupfer usw. eignen sich Geräte, die mit dem Rückprallverfahren nach Leeb arbeiten.
- Für weichere Werkstoffe wie Plastik, Gummi, Elastomere, Polymere und ähnlichen Materialien eignen sich Härtemessgeräte nach Shore.
Weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die stationäre oder mobile Anwendung der Geräte. Im Labor oder Prüffeld eignen sich eher die stationären Geräte, während ein mit batteriebetriebenes tragbares Härteprüfgerät ortsunabhängig, z. B. in der Produktion, einsetzbar ist.
Bild 1: Härteprüfgerät nach dem Shore A Messverfahren mit Schleppzeiger.
Einfache manuelle Härtemessgeräte arbeiten mechanisch. Es handelt sich um eine präzise Messuhr, auf deren Skala die Eindringtiefe der Messsonde und damit die Härte abgelesen werden kann (siehe Bild oben). Solche Geräte lassen sich in einem Prüfstand montieren, der als Zubehör erhältlich ist. Hiermit lassen sich dann genauere Messergebnisse erzielen (Bild 2).
Elektronische Härteprüfgeräte verfügen über ein Display für die digitale Anzeige der Messwerte und Betriebsarten, einen Messwertspeicher, und die Elektronik kann den Härtewert in verschiedene Härteskalen umrechnen (Bild 3). Bei einigen Geräten lassen sich die gemessenen Daten über eine USB-Schnittstelle von einem Computer auslesen. Die mitgelieferte Software erleichtert die Auswertung der Daten auf einem PC oder Laptop (Bild 4).
Manuelle Geräte
Bild 2: Prüfstand, in den der Härteprüfer für genauere Messergebnisse eingespannt wird.
Elektronische Geräte
Bild 3: Elektronischer Leeb-Härteprüfer mit internen Schlagkörper zur Messung von metallischen Materialien.
Elektronische Geräte
Bild 4: Elektronisches Rückprall-Gerät nach Leeb mit automatischer Umwandlung der Messergebnisse in verschiedene Härteeinheiten.
Äußere Einflüsse wie Vibrationen, Verschmutzungen, Temperatur und Feuchtigkeit können den Prüfprozess beeinflussen und müssen deshalb möglichst kontrolliert werden, um reproduzierbare Ergebnisse bei der Härteprüfung erhalten zu können.
Ein Härteprüfer soll nach jeder Benutzung gereinigt und muss in der Regel vor der Messung kalibriertwerden. Zur Kalibrierung stehen entsprechende Kalibrierungsplatten verschiedener Härtegrade zur Verfügung (Bild 5).
Eindringkörper bzw. Rückprallsensor müssen bei den meisten Geräten senkrecht zur prüfenden Oberfläche angeordnet sein. Die Geräte sollen nach Gebrauch trocken und staubfrei gelagert werden und weder mit Öl oder Chemikalien in Berührung kommen.
Die in den Bedienungsanleitungen enthaltenen Anweisungen für die Messungen müssen unbedingt beachtet werden.
Bild 5: Zur Kalibrierung der Geräte gibt es bestimmte Kalibrierungsplatten.