Ermittlung des Härtegrades von Stahl im Rockwell-Prüfverfahren

Vorbemerkungen

Nachfolgend sehen Sie zunächst bildhaft dargestellt den Ablauf des Rockwellverfahrens. Auch die Messuhr, die mit dem Eindringkörper verbunden ist und welcher dessen Verschiebungen stark vergrößert wiedergibt, wird nachstehend aufgeführt. Die in einem sehr technisierten Deutsch gehaltenen Ausführungen bitten wir zu entschuldigen, hoffen jedoch, dass sie dennoch verständlich bleiben.

Abbildung 1: Schema des Rockwellverfahrens

  1. Die zu prüfende Oberfläche wird mit dem Eindringkörper in Kontakt gebracht und es wird eine erste Prüfgesamtkraft Fo (Prüfvorkraft) aufgebracht. Es entsteht ein kleiner Eindruck. An diesem Punkt wird die Messuhr auf Null gestellt.
  2. Langsam und ohne Stöße wird eine zusätzliche Kraft F1 aufgebracht, welche, zusammen mit der Prüfvorkraft, als Prüfgesamtkraft F definiert wird. Der Eindringkörper dringt mittels dieser Kraft mehr oder weniger tief in das Material ein - je nach der Härte desselben. Diese Position wird bis zur kompletten Eindringung beibehalten (bei harten Materialien ist die Eindringung praktisch unmittelbar, bei weicheren Materialien muss einige Sekunden abgewartet werden). Der Eindringungsvorgang ist aus der Bewegung des Zeigers der Meßuhr ersichtlich.
  3. Nachdem der Zeiger der Messuhr entgültig zum Stillstand gekommen ist, wird die zusätzliche Kraft F1 entfernt bzw. bis auf die Prüfvorkraft zurückgenommen. Auf diese Weise verweilt der Eindringkörper in dem unter der Prüfgesamtkraft entstandenen Eindruck, wobei alle durch die Anwendung der Prüfgesamtkraft entstandenen elastischen Verformungen eliminiert werden; die Messuhr zeigt also nur noch die bleibende Eindringtiefe (als Differenz zwischen Prüfvorkraft und Prüfgesamtkraft) an.

Die Eindringkörper, die Vorprüfkräfte, die Prüfkräfte und die Messeinheiten sind im Rockwell-Verfahren genormt und in zwei Gruppen aufgeteilt: Normal-Rockwell (Verfahren N) und Super-Rockwell (Verfahren T).

Normal-Rockwell

Das Normal-Rockwell-Verfahren sieht einen einzigen Diamantkegel-Eindringkörper von 120° mit einer Abrundung der Spitze von 0,2 mm Radius (siehe Abbildung) sowie verschiedene Kugeleindringkörper aus Hartmetall mit einem Durchmesser von 1/16" - 1/8" -- 1/4" -- 1/2" (immer in Zoll), vor.

Abbildung 2: Querschnitt des Rockwell-Eindringkörpers mit Kegeldiamant

Konstanten / Vorgabewerte:

  • Die Prüfvorkraft ist konstant: 98,07 N.
  • Die Prüfgesamtkräfte (Prüfvorkraft + Prüfzusatzkraft) sind: 588,4N - 980,7N - 1471N.
  • Die Messeinheit bei Normal-Rockwell entspricht 0,002 mm Eindringtiefe.

Da der Härtewert natürlich mit der Härte steigen muss, während sich die Eindringdifferenz zwischen Prüfvorkraft und Prüfgesamtkraft bei zunehmender Härte verringert , erhält man die Rockwell-Härtezahl, indem man von 100 (mit Diamanteindringkörper) oder von 130 (mit beliebigem Kugeleindringkörper) die Eindringtiefe (in der Einheit 0,002 mm ausgedrückt), abzieht.

Beispiel:

Mit einem Diamanteindringkörper und der Eindringtiefe von 0,082mm erhält man
100 - 0,082/0,002 = 59 Rockwell.

Mit derselben Eindringtiefe aber mit einem Kugeleindringkörper würde man
130 - 0,082/0,002) = 89 Rockwell erhalten.

Bei den Analoggeräten mit Messuhr, bei welchen das Zifferblatt normalerweise 100 Unterteilungen aufweist (eine Umdrehung = 0,2 mm) kann die Ablesung in Rockwell-Werten direkt erfogen. Die Messuhr enthält 2 Serien von Ziffern, die schwarzen für die Benutzung eines Diamanteindringkörpers, die roten für Kugeleindringkörper. Die Nullstellung erfolgt immer auf der schwarzen 0 (bzw. der roten 30). Bei der Digitalablesung werden die Daten nach Ablauf des ganzen Messzyklus direkt auf dem Display angezeigt. Durch die verschiedenen Kombinationen der Eindringkörper und Prüfkräfte erhält man eine große Anzahl verschiedener Skalen, von denen jede einzelne mit einem Buchstaben bezeichnet wird (siehe nachfolgende Tabelle).

HR Skala
Eindringkörper
Diamant
Kugel 1/16"
1,5875mm
Kugel 1/8"
3,175mm
F=1471N
C
G
K
F=980,7N
D
B
E
F=588,4N
A
F
H

Tabelle 1: Normal-Rockwell Skalen, F= Prüfgesamtkraft in Newton

Beispiel:

Bei der Benutzung des Diamanteindringkörpers und F=1471N Prüfgesamtkraft wird z.B. die Bezeichnung HRC (''H" = die Härte allgemein, "R" = Rockwell-Verfahren und "C" = die spezifische Skala) verwendet.
Die Härtenummer sieht immer vor dem Abkürzungszeichen. Die Skalenbezeichnung schließt sich an die Buchstaben HR an.
z.B. 60 HRC, 60 HRA, 60 HRD (Skalen A, C, D)

Für Skalen, die den kugeligen Eindringkörper verwenden, ist das Kurzzeichen der Härte mit einem "S" zu ergänzen, wenn es eine Stahlkugel ist, und einem "W" bei Verwendung einer Hartmetallkugel.

z.B. 60 HRBW (Skala B, Hartmetallkugel) oder 60 HRBS (Skala B, Stahlkugel)

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Super-Rockwell

Obwohl das Super-Rockwell-Verfahren die Verwendung derselben Eindringkörper wie bei Normal-Rockwell vorsieht, verlangt der Kegeldiamanteindringkörper jedoch eine größere Ausführungspräzision sowohl in Bezug auf die Konizität der Kegelspitze von 120° sowie insbesondere auch in Bezug auf die Spitzenabrundung von 0,2 mm. Bei diesem Verfahren verursachen niedrige Prüfgesamtkräfte einen kleineren Eindruck, so dass schon minimale Formfehler der Spitze das Messergebnis verfälschen würden.

Vorgaben / Konstanten:

  • Die Prüfkraft ist konstant 29,42 N
  • Die möglichen Prüfgesamtkräfte (Prüfkraft + zusätzliche Prüfkraft) sind: 147,1 N - 294,2 N - 441,3

Die Messeinheit bei Super-Rockwell entspricht 0,001 mm Eindringtiefe. Im Gegensatz zu Normal-Rockwell gilt beim Super-Rockwell-Verfahren (sowohl mit Diamanteindringkörper als auch mit Kugeleindringkörper) die Nulleinstellung auf 100 (0 auf der Meßuhr). Bei der Messuhr ist auf dem Zifferblatt nur eine Serie von Nummern sowie eine Unterteilung von 100 vorgesehen. Die vollständige Umdrehung des Zeigers entspricht 0,1 mm.

Beispiel:

Bei Diamant- oder Kugeleindringkörpern und einer Eindringtiefe von 0,082 mm ergibt sich 100 -- 0,082/0,001 = 18 Super-Rockwell. Die sich mittels verschiedener Kombinationen von Eindringkörpern und Prüfkräften ergebenden Super-Rockwell-Skalen werden durch einen Buchstaben angezeigt, welchem eine Ziffer vorausgeht, die die Größe der Prüfgesamtkraft angibt (siehe Tabelle 2).

Die Härtenummer steht vor dem Kennzeichen, z.B.: 65 HR 30 T, 25 HR 45 N

HR Skala
Eindringkörper
Diamant
Kugel 1/16" 1,5875mm
F=441,3N
45 N
45 T
F=294,2N
30 N
30 T
F=147,1N
15 N
15 T

Tabelle 2: Super-Rockwell-Skalen, F= Prüfgesamtkraft in Newton

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Anwendungsbereiche mit verschiedenen Rockwell-Skalen

Wie wir gesehen haben, gibt es eine beachtliche Anzahl von Rockwell-Skalen. Die Wahl der Skala hängt von der Härte des Materials, der Dicke des Werkstücks oder dessen gehärteter Schicht ab (im Fall von Oberflächenbehandlungen wie Einsatzhärtung, Nitrierhärtung usw.).

Die Härte des Materials bestimmt die Wahl des Eindringkörpers: Diamantkegel oder Kugel.

Der Diamantkegel wird praktisch nur für vergüteten oder gehärteten Stahl und für Hartmetall verwendet und ist für Stahl mit einer Festigkeit unter 785 N/mm2 (20 HRC, 230 HB/30 ) nicht zu empfehlen.

Die Eindringkörper mit Stahlkugel werden für die weicheren Materialien verwendet. Je weicher das Material , desto größer muss der Durchmesser der Kugel und /oder umso kleiner muss die Prüfgesamtkraft sein. Zum Beispiel kann mit der Skala HRB (Kugel 1/16" - Prüfgesamtkraft 980,7N) so weiches Material wie mit der Skala HRL (Kugel 1/4 "- Prüfgesamtkraft 588,4N) nicht geprüft werden.

Die größeren Kugeln werden praktisch nur zur Prüfung von Kunststoffen und ähnlichem Material verwendet. Bei fließenden Kunststoffen kann bei besonderen Maßnahmen mittels der Prüfgesamtkraft gemessen werden.

Es sei noch einmal erwähnt, dass auch bei der HR-Härteprüfung eine Mindestdicke des Werkstückes berücksichtigt werden muss, für die es allerdings keine feste Regel gibt. Im allgemeinen wird diese messbare Mindestdicke aus 10x der Eindringtiefe berechnet. Dieses Prinzip gilt auch für gehärtete Oberflächen (Einsatzhärtung usw.), welche normalerweise mit kleinster Prüfgesamtkraft gemessen werden (Skala HRA).

Die am meisten verwendeten Rockwell-Skalen sind:

  1. HRC (Diamantkegel -- 1471N)
    HRC ist die typischste Rockwell-Skala zur Prüfung von gehärteten, vergüteten und stark einsatzgehärteten Werkstücken.
    Wenn man allgemein von "Rockwellhärte" spricht, denkt man automatisch an die Skala HRC. Dies kann auch eine gewisse Verwirrung hervorrufen, da manchmal unpassenderweise eine in HRC ausgedrückte Härte angefordert wird, obwohl die kleinen Maße des Werkstücks die Verwendung einer Prüfgesamtkraft von 1471N unmöglich macht und deshalb andere Rockwell-Skalen oder andere Meßverfahren zur Anwendung kommen, deren Resultate danach jedoch mit Hilfe von Tabellen in HRC-Werte umgewertet werden können.

    Wie wir später sehen werden, ergeben die Umwertungstabellen nur angenäherte Werte. Deshalb sollte bei Teilzeichnungen, bei Bestellungen usw. nur die Härte, welche wirklich gemessen werden kann, angegeben werden.
  2. HRA (Diamantkegel -- 588,4N)
    Hauptsächlich für einsatzgehärtete Werkstücke und für Hartmetall, dessen hohe Karbidhärte den Diamanten beschädigen könnte und deswegen mit einer Kleineren Prüfgesamtkraft zu messen sind.
  3. HRB (Kugel 1/6" -- 980,7N)
    In Europa allgemein für Kupferlegierungen (Messing, Bronze usw.) verwendet, in den U.S.A. auch für Stahl bis zu ca. 686 N/mm².
  4. Rockwell N und T (Super-Rockwell)
    Die Skalen HR 15N - HR 30N - HR 45N (Diamantkegel) werden für Werkstücke mit dünner Einsatzhärtung, die Skalen HR 15T - HR 30T - HR 45T (Kugel 1/16") für dünnes Blech verwendet. Es gelten auch hier für die Wahl der Prüfgesamtkräfte die zuvor gemachten allgemeinen Bemerkungen.

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Prüfung von zylindrischen und kugeligen Oberflächen

Es ist klar, dass die Umstände anders sind, wenn man auf zylindrischen oder kugligen anstelle von flachen Oberflächen die Härte misst. Bei größeren Durchmessern sind die Unterschiede nicht so entscheidend, da die Krümmung der Oberfläche klein ist und sich einer Ebene nähert.

Bei kleineren Durchmessern (mit starker Krümmung) muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Eindrücke von oben betrachtet eine ovale Form erhalten (bei Zylindern) und der vertikale Querschnitt des eingedrückten Bereiches eine unterschiedliche Materialdicke aufweist. Aus diesem Grund müssen die erhaltenen Ergebnisse je nach Härte und Durchmesser des Werkstücks um einen Korrekturwert erhöht werden.

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Vor- und Nachteile des Rockwell-Verfahrens

  • Unter den bekanntesten Härteprüfverfahren ist das Rockwell-Verfahren das einzige, welches die Direktablesung der Härtezahl ohne optische Ausmessungen zulässt, so dass dieses Verfahren schneller und überdies das einzige ist, welches vollständig automatisiert werden kann.
  • Härteprüfgeräte, die nach dem Rockwell-Verfahren arbeiten, sind die am weitest verbreiteten. Die wichtigsten Vorteile sind: Vermeiden von Abweichungen aufgrund von persönlichen Einschätzungen; weniger Empfindlichkeit hinsichtlich Rauheit der Oberfläche (auch wenn den Normen gemäß die zu prüfende Oberfläche glatt und sorgfältig angeschliffen sein muss).
  • Die wichtigste Begrenzung im Anwendungsbereich besteht darin, dass die minimale Prüfgesamtkraft 147,1N (HR15N / HR15T) und die maximale Prüfgesamtkraft 1471N beträgt, während in Werkstätten oder Gießereien oft Prüfkräfte von 10N oder weniger oft bis zu 30000N benötigt werden. Es existiert weder eine Rockwell-Skala zur Prüfung von Gußeisen noch von Stahlfeinblech unter 0,15mm. Um diese Lücke zu füllen, werden Geräte hergestellt, die ebenfalls nach dem Rockwell-Verfahren (mit Vorund Prüfgesamtkraft), jedoch mit sehr viel größeren (bzw. kleineren) und nicht standardisierten (genormten) Prüfkräften arbeiten.
  • Obwohl es viele Skalen gibt, wird für bestimmte Bereiche von Materialien (z.B. unbehandelter Stahl) vorzugsweise ein Gerät nach dem Rockwell-Verfahren, jedoch mit Brinell-Eindringkörper und Brinell-Prüfkräften verwendet.(Siehe diesbezügliches Kapitel 3.4).

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Varianten zum Rockwell-Verfahren

Ein schwerwiegender Nachteil der traditionellen Geräte nach dem Rockwell-Verfahren besteht darin, dass die Genauigkeit der Messung hauptsächlich auf dem perfekten Kontakt zwischen Prüfstück und Auflagefläche beruht .

Wenn man sich auf das Rockwell-Verfahren (Abb. 1, Punkt 3) beruft (entfernen der zusätzlichen Prüfkraft und zurückgehen zur Prüfvorkraft), müßte die einzige von der Meßuhr angezeigte Deformation der Eindruck selbst sein.

Dies ist allerdings nur dann der Fall, wenn die Aufnahme des Prüfstücks perfekt ist. Sollte es jedoch vorkommen, dass die Aufnahme mit einer Oelschicht, mit Fett oder mit einem anderen Fremdkörper verschmutzt ist, entsteht unter der Prüfgesamtkraft eine plastische Verformung , welche in die Tiefenmessung eingeht und somit das Ergebnis verfälscht. Da mit den Geräten nicht immer unter Idealbedingungen gearbeitet werden kann, stellt dies für Werkstätte und Härtereien offensichtlich eine Einschränkung dar.

Um dieses Problem zu lösen werden Geräte nach dem Rockwell-Verfahren hergestellt, bei welchen der Bezug für die Messung der Eindringung durch eine eigene Auflage auf der zu messenden Oberfläche gegeben ist (Schema in Abb. 3). Damit wird erreicht, dass eine eventuelle Nachgiebigkeit des Werkstückes, der Spindel sowie anderer beweglicher Teile des Stativs, sich nicht auf das Ergebnis auswirken kann. In dieser Hinsicht sind die Vorteile die gleichen wie bei der Verwendung der Brinell- und Vickers-Verfahren (wie wir später noch sehen werden).

Abbildung 3: Variante zum Rockwell-Verfahren (Messbezug und Eindringkörper)

  • 0: Wechsel des Werkstücks: in Ruhelage ragt die Spitze des Eindringkörpers (a) aus der Anschlaghülse (b) heraus.
  • 1: Beide zusammen senken sich auf das zu prüfende Stück und der Eindringkörper weicht unter einem Widerstand zurück, welcher dem Wert der Prüfvorkraft entspricht. Die Nullstellung erfolgt automatisch.
  • 2: Die Prüfgesamtkraft wird aufgebracht.
  • 3: Die Prüfgesamtkraft wird aufgehoben und die Verschiebung (Eindringung) von (a) gegenüber (b) wird ermittelt.

Im Falle eines nachgebens des Werkstücks bleibt das Verhältnis zwischen (a) und (b) konstant und die Möglichkeit des typischen Fehlers der Original-Rockwellmessung wird somit eliminiert. Das gleiche Verfahren wird auch beim Super-Rockwell-Verfahren angewandt.

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