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SHORE-Härte – Grundlagen

Grundlagen

Die SHORE-Härte, benannt nach Albert Ferdinand Shore, ist eine Kennzahl, die vorwiegend für Elastomere und gummielastische Polymere eingesetzt wird. Sie steht in direkter Beziehung zur Eindringtiefe und ist somit ein Maß für die Werkstoffhärte. Nach der bis 2012 gültigen DIN 53505 [1] unterscheidet man zwischen den Verfahren SHORE A, C und D. Als Eindringkörper (Indenter) wird ein federbelasteter Stift aus gehärtetem Stahl verwendet. Bei diesen Verfahren wird der jeweilige Indenter mit einer Federkraft in den Prüfkörper gedrückt und die Eindringtiefe stellt somit ein Maß für die SHORE-Härte dar. Das analog arbeitende Härtemessgerät und die verwendeten Eindringkörper zeigt das nachfolgende schematische Bild 1.

Shore Haerte 1.jpg

Bild 1: Härteprüfgerät nach SHORE A, C und D sowie die SHORE-Indenter (DIN 53505) [1]

SHORE-Härteprüfverfahren

Für die Bestimmung der SHORE-Härte A und C wird nach DIN 53505 als Indenter ein Kegelstumpf mit einer Stirnfläche von 0,79 ± 0,01 mm im Durchmesser und einem Öffnungswinkel von 35 ± 0,25° verwendet. Bei der SHORE-Härte D-Prüfung wird als Indenter ein Kegelstumpf mit einer kugelförmigen Spitze mit einem Radius von 0,1 ± 0,01 mm und einem Öffnungswinkel von 30 ± 1° benutzt. Bei dem SHORE- Härteprüfverfahren wird in Verbindung mit einem Messständer eine Zusatzeinrichtung zur Erhöhung der Präzision eingesetzt, die den zu vermessenden Prüfkörper mit einer Anpresskraft von 12,5 ± 0,5 N bei SHORE A bzw. 50 ± 0,5 N bei SHORE D stoßfrei auf die Auflage des Messtisches drückt.
Die seit 2012 gültige Norm DIN ISO 7619-1 [2] erweitert die genormte SHORE-Härte-prüfung um die Verfahren SHORE AO (für niedrige Härtewerte) und AM (für dünne Elastomerprüfkörper) (Bild 2) und gibt korrigierte Werte für die Indentergeometrie bei SHORE D (R = 30 ± 0,25°) an. Bei Verwendung einer Anpresskraft und einem stationären Messständer ist bei SHORE A ein Gewicht von 1 + 0,1 kg statt 12,5 ± 0,5 N und bei SHORE D ein Anpressgewicht von 5 + 0,5 kg anstatt von 50 ± 0,5 N zu verwenden. Gleichzeitig wurde in dieser neuen Norm die Messzeit von 3 auf 15 s verlängert und die Lagerung der Prüfkörper im Standardklima von 16 auf 1 h verkürzt. Die interne Kalibrierung im Labor sollte wöchentlich mit sechs Elastomerblöcken unterschiedlicher Härte als Kalibriernormale durchgeführt werden, wobei diese Normale jährlich durch ein externes Kalibrierlabor zu überprüfen sind. Für einen gesicherten Härtewert sind jetzt 5 Einzelmessungen statt 3 zu realisieren.

Shore Haerte 2.jpg

Bild 2: SHORE-Indenter AO und AM nach DIN ISO 7619-1 [2]

Für die Ermittlung der SHORE-Härtekennwerte wurde eine Skala eingeführt, die von 0 Shore (2,5 mm Eindringtiefe) bis 100 SHORE (0 mm Eindringtiefe) reicht. Dabei entspricht der Skalenwert 0 dem maximal möglichen Eindruck, d. h. der Werkstoff setzt dem Eindringen des Indenters keinen Widerstand entgegen. Dagegen entspricht der Skalenwert 100 einem sehr hohen Widerstand des Werkstoffs gegenüber dem Eindringen und es wird praktisch kein Eindruck erzeugt.
Die SHORE-Härte A findet für Weichgummi und die SHORE-Härte C und D für Elastomere und auch weiche Thermoplaste Anwendung. Bei der Bestimmung der SHORE-Härte spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle, so dass die Messungen in einem eingeschränkten Temperaturintervall von 23 °C ± 2 K normgerecht durchgeführt werden müssen. Für die Ermittlung der temperaturabhängigen Härte kann jedoch auch eine Temperierkammer verwendet werden. Die Dicke des Prüfkörpers sollte mindestens 6 mm betragen. Die Härte ist 15 s nach der Berührung zwischen der Auflagefläche des Härteprüfgerätes und des Prüfkörpers abzulesen (Bild 3).

Shore Haerte 3.jpg

Bild 3: Schematischer Versuchsablauf für die Härteprüfung nach SHORE A und D

Umbewertung der SHORE A- und SHORE D-Härte

Zwischen den Verfahren SHORE A und D gibt es eine Möglichkeit zur Umbewertung. Dieser Zusammenhang wird von der Indentergeometrie und der Belastungshöhe beeinflusst, wodurch der funktionelle Zusammenhang stark nichtlinear wird (Bild 4).

Shore Haerte 4.jpg

Bild 4: Theoretischer Zusammenhang zwischen SHORE A- und SHORE D-Härte nach K. Tobisch [3]

Normenvergleich zur Bestimmung der SHORE-Härte

Infolge der unterschiedlichen Prüfnormen zur Ermittlung der SHORE-Härte ergeben sich bei identischer Federkraft differierende Anforderungen an die Messtechnik, die in der Tabelle 1 dokumentiert sind.

Tabelle 1: Vergleich der Prüfbedingungen zur Ermittlung von SHORE-Härtewerten
Norm DIN ISO 7619-1
(2012-02) [2]
DIN EN ISO 868
(2003-10) [4]
DIN 53505
(2000-08) [1]
ASTM 2240
(2015-08) [5]
Bedingung
Probendicke 6 mm 4 mm 6 mm 6 mm
Schichtung ja (3-Lagen) ja ja (3-Lagen) ja
Messungen 5 5 3 5
Messabstand 6 mm 6 mm 5 mm 6 mm
Haltezeit 3 s Vulkanisate
15 s TPE
3 s/15 s
1 s lt. Vorgabe
3 s
15 s
< 1 s
Last 1 kg SHORE A
5 kg SHORE D
A: 12,5 N ± 0,5
D: 50,0 N ± 0,5
A: 12,5 N ± 0,5
D: 50,0 N ± 0,5
1 kg
Härteangabe 54 Shore A 3 s
54 Shore A 15 s
A/15: 54
A/1: 54
54 Shore A
54 Shore A 15 s
A / 54 / 1
A / 54 / 15

Nimmt man einen systematischen Vergleich der SHORE A-Härtewerte in Abhängigkeit von der Belastungsdauer bei ansonsten identischen Prüfbedingungen an einem TPE-Werkstoff vor, dann ergibt sich der funktionale Zusammenhang nach Bild 5. Es wird ersichtlich, dass mit Zunahme der Haltezeit bzw. Messzeit die Härtewerte erwartungsgemäß abnehmen.

Shore-Haerte-5.jpg

Bild 5: Zusammenhang zwischen SHORE A-Härte und der Messzeit

Anwendungsbeispiele

Zum besseren Verständnis der SHORE-Härte sind nachfolgend einige praktische Anwendungsbeispiele dargestellt (Tabelle 2).

Tabelle 2: Beispiele für die SHORE A-Härte
SHORE A Beispiel
0 ist etwa die Festigkeit von Gelatine
10 Gummibärchen
50...70 Autoreifen
100 Hartplastik

Tabelle 3 zeigt SHORE-A-Härtewerte für schichtsilikatverstärkte Elastomerwerkstoffe (siehe auch: Schichtsilikatverstärkte Polymere).

Tabelle 3: SHORE A-Härte von Isopren(IR)- und Naturkautschuk(NR)-Vulkanisaten mit dem Schichtsilikatfüllstoff Dellite® 67G bzw. Nanofil®
Füllstoffgehalt phr) SHORE A bei 23°C SHORE A bei 70°C
IR/Dellite® 67G 2 42,7 ± 0,5 -
7 44,3 ± 0,3 -
22 51,7 ± 0,4 -
NR/Nanofil® 0 29,4 ± 0,1 29,9
5 31,7 ± 0,0 31,9
10 34,1 ± 0,8 34,3
15 37,0 ± 0,4 36,5
60 57,2 ± 0,1 53,5
70 60,3 ± 0,3 56,3

In der nachfolgenden Tabelle 4 sind einige Beispiele von SHORE-Werten der Härte für Thermoplaste angegeben.

Tabelle 4: Härtewerte von Kunststoffen nach VDI/VDE 2616 (> Härte des Werkstoffes ist größer, als mit diesem Verfahren quantifizierbar; < Härte des Werkstoffes ist kleiner, als mit diesem Verfahren quantifizierbar) [6, 7]
Werkstoff SHORE Härte A SHORE Härte D
PS > 80
PMMA > 87 bis 88
PC > 82 bis 85
PVC-U > 75 bis 80
ABS > 75 bis 80
PE-LD 95 bis > 40 bis 50
PE-HD > 50 bis 70
PP > 65 bis 75
POM > 79 bis 82
PA66 > 80
PA 610 > 78
PA 612 > 75 bis 80
PA66/GF > 85
PP/GF > 70 bis 75
UP/GF > >

Die in den Tabellen 3 und 4 aufgeführten SHORE-Härtewerte wurden nach den Vorgaben in der Norm DIN 53505 (2000) ermittelt.
In der Tabelle 5 wurde ein Vergleich der SHORE A-Härte für verschiedene Prüfnormen entsprechend der Bedingungen von Tabelle 1 vorgenommen, wobei die kursive gekennzeichneten Kennwerte nach Bedingungen ermittelt wurden, die normalerweise für Elastomere nicht gelten.

Tabelle 5: Normenvergleich von SHORE A-Härten für verschiedene Elastomere
Norm DIN ISO 7619-1
(2012-02) [2]
DIN EN ISO 868
(2003-10) [4]
DIN 53505
(2000-08) [1]
ASTM 2240
(2015-08) [5]
Gewicht 1 kg 1 kg 12,5 N
(1,27 kg)
1 kg
Haltezeit 3 s
15 s (TPE)
15 s
1 s
3 s
15 s
<1 s
Werkstoff
NBR / N550 (3 phr)
+ Schwefelspender
50,6 Shore A 3 s
49,8 Shore A 15 s
A/15: 51,4
A/1: 53,5
52,4 Shore A
50,3 Shore A 15 s
A / 52,1 / 1
NBR / N55 (65 phr)
+ S (EVS); S-Spender
+ Retarder
71,1 Shore A 3 s
68,0 Shore A 15 s
A/15: 69,2
A/1: 73,6
71,6 Shore A
68,7 Shore A 15 s
A / 73,4 / 1
EPDM / N330 (80 phr) 70,8 Shore A 3 s
68,7 Shore A 15 s
A/15: 69,0
A/1: 73,4
71,3 Shore A
68,7 Shore A 15 s
A / 72,7 / 1
EPDM / N550 (30 phr) 56,7 Shore A 3 s
54,1 Shore A 15 s
A/15: 55,9
A/1: 59,3
57,0 Shore A
55,0 Shore A 15 s
A / 57,8 / 1
EPDM / N550 (30 phr) / N330 (27 phr) 71,0 Shore A 3 s
70,5 Shore A 15 s
A/15: 70,6
A/1: 72,2
72,1 Shore A
70,5 Shore A 15 s
A / 72,0 / 1

Ein Vorteil der Härteprüfverfahren nach SHORE ist die Möglichkeit des mobilen Einsatzes an Bauteilen, da oftmals Handgeräte zum Einsatz kommen (siehe Mobile Härtemessung).

Eine umfassende Literaturanalyse zu den SHORE-Härte-Kennwerten für zahlreiche Kunststoffe ist in [8] enthalten, von denen ausgewählte SHORE D-Härtewerte in der Tabelle 6 dargestellt sind. Aufgrund der Bedeutung der Werkstoffe wurden nur unverstärkte und mit 30 M.-% Füll- oder Verstärkungsgehalt in dieser Aufstellung berücksichtigt, wobei die tatsächliche Prüfnorm in den meisten Fällen unbekannt ist.

Tabelle 6: SHORE D-Härtewerte von technischen Kunststoffen nach [8]
Werkstoffgruppe Modifikation SHORE D
ABS 75 – 93
ABS + 30 M.-% GF 62 – 68
ABS / TPE 46
ABS / TPU 58 – 68
ASA 75
ETFE 60 – 78
EVA 17 – 45
PA 11 PA 11 + 23 M.-% GF 70
PA 12 PA 12 (normfeucht) 75 – 78
PA 12 + 30 M.-% GF (normfeucht) 75
PA 612 73
PA 6 PA 6 (normfeucht) 52 – 77
PA 6 + 30 M.-% GF 48 – 80
PA 6 + 30 M.-% GF (trocken) 84
PA 66 PA 66 + 30 M.-% GF 77 – 82
PA 66 + 30 M.-% GB 81
PA 66 + 30 M.-% MX 75 – 82
PAEK 86 – 90
PAEK + 30 M.-% GF 90
PBI 99
PBT 79 – 86
PBT + 30 M.-% GF 53 – 85
PBT + 30 M.-% GX 54
PC 51 – 85
PC + 30 M.-% GF 65 – 72
PC + 30 M.-% GX 70
PCTFE 76 – 80
PE-HD 56 – 69
PE-LD 39 – 83
PE-LLD 38 – 60
PE-MD 45 – 60
PE-UHMW 60 – 65
PEEK 83 – 88
PEI 88 – 90
PEK 87
PEK + 30 M.-% GF 90
PET PET + 30 M.-% GF 63 – 65
PMMA 52 – 85
PMMA + 30 M.-% GF 55
POM 52 – 83
PP 59 – 77
PP + 30 M.-% GF 62 – 80
PP + 30 M.-% CD 74 – 75
PP + 30 M.-% MF 60 – 74
PP + 30 M.-% P 65
PP + 30 M.-% CaCO3 55 – 70
PP / EPDM 40
PS 78 – 80
PTFE 50 – 90
PUR 20 – 84
PVC-U 74 – 94
PVC-U / NBR 58 – 74
PVC-P 42 – 77
PVC-C 82
PVDF 46 – 79
SAN 45 – 85
SMMA 72 – 82
TPC 28 – 82
TPE 48 – 78
TPE / PTFE 56
TPE-E TPE-E + 30 M.-% GF 55
TPO 16 – 70
TPS 60
TPU TPU + 30 M.-% GF 74 – 80
TPV 40 – 51
GF: Glasfasern, GB: Glaskugeln, MF: Mineralfasern, MX: nicht spezifizierte Mineralfüllung, GX: nicht spezifizierte Glasfüllung, CD: Kohlenstoffmehl, P: nicht spezifiziertes Füllmehl


Literaturhinweise

[1] DIN 53505 (2000-08): Prüfung von Kautschuk und Elastomeren – Härteprüfung nach Shore A und D (zurückgezogen)
[2] DIN ISO 7619-1 (2012-02): Elastomere und thermoplastische Elastomere – Bestimmung der Härte – Teil 1: Durometer-Verfahren (Shore-Härte) (ISO 7619-1: 2010)
[3] Tobisch, K.: Über den Zusammenhang zwischen Shore A und Shore D Härte. Kautsch. Gummi Kunstst. 34 (1981) 347–349
[4] DIN EN ISO 868 (2003-10): Kunststoffe und Hartgummi – Bestimmung der Eindruckhärte mit einem Durometer (Shore-Härte)
[5] ASTM D 2240 (2015): Standard Test Method for Rubber Properties – Durometer Hardness
[6] VDI/VDE 2616 Blatt 2 (2014-07): Härteprüfung an Kunststoffen und Elastomeren
[7] Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 200–201 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[8] Koch, T., Bierögel, C., Seidler, S.: Conventional Hardness Values. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer-Verlag, Berlin (2014) S. 357–379, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)