Mobile Härtemessung

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Mobile Härtemessung

Allgemeines

Für die konventionelle oder registrierende Härteprüfung werden in der Prüfpraxis der Laboratorien zumeist stationäre Auftischprüfsysteme oder -geräte genutzt. Während in der Makrohärteprüfung von Kunststoffen, anders als bei metallischen Werkstoffen, die Aufwendungen zur Prüfkörperpräparation vergleichsweise gering sind, müssen für die Charakterisierung der Härte im Mikro- oder Nanobereich teilweise aufwendige Vorbereitungen der Prüfkörper vorgenommen werden. Diese, oft sehr kleinen Prüfstücke müssen eingebettet, geschliffen und poliert werden, um aussagekräftige Härtekennwerte oder -kennfunktionen zu erhalten.

Zur Einschätzung mechanischer Eigenschaften von Komponenten oder Kunststoffbauteilen können im Rahmen von Schadensanalysen Prüfkörper an schadensrelevanten Positionen entnommen werden, die nachfolgend mit Härteprüfverfahren untersucht werden. Bei Bauteilen im praktischen Einsatz ist diese Vorgehensweise nicht zulässig, da die Funktionalität oder die Betriebssicherheit nachhaltig beeinträchtigt würde. Andererseits sind Informationen über den Werkstoffzustand und die prognostizierbare Lebensdauer dringend erforderlich, da sich die Eigenschaften von Kunststoffbauteilen infolge von Alterungs- oder Bewitterungsprozessen erheblich verändern können. Die Härteprüfung stellt unter Nutzung der TABOR-Beziehung eine einfache Prüfmethode zur Überwachung und Einschätzung des Werkstoffzustandes von Rohren, Behältern, Windblattrotoren oder Autoreifen dar und erlaubt für bestimmte Werkstoffe Rückschlüsse auf den Elastizitätsmodul oder die Festigkeit.

Mobile Härtemesstechnik

Für diesen Zweck ist eine mobile oder ambulante Härtemesstechnik erforderlich, die ohne Vorbehandlung der Oberfläche des Bauteils auskommt, robust ist, nicht von Oberflächenrauigkeiten abhängig ist und nur geringen subjektiven Einfluss auf die ermittelten Kennwerte ausübt. Für metallische Werkstoffe existieren unterschiedliche mobile Härtemesstechniken mit statischer (quasistatischer) oder dynamischer (schlagartiger) Beanspruchung auf der Basis unterschiedlichster Wirk- und Auswerteprinzipien, wobei aber meistens eine Härteumwertung zur Vergleichbarkeit erforderlich ist. Aufgrund der Spezifika der Kunststoffe existiert hier auch keine Messtechnik, die für alle Kunststoffe einsetzbar ist, so dass eine Vielfalt von Prüfgeräten, basierend auf unterschiedlichen Messprinzipien, zum Einsatz kommt.

Die mobilen dynamischen Härteprüfgeräte basieren auf einer schlagartigen Beanspruchung mit festgelegtem kinetischen Energieinhalt und definierter Distanz zur Prüfstückoberfläche. Bei den dynamisch-plastischen Prüfverfahren wird die Verformung (Eindruckdurchmesser) nach dem Impact gemessen und bei den dynamisch-elastischen Methoden erfolgt die Messung des Verlustes an kinetischer Energie beim Rückprall des Indenters.

Die ältesten mobile dynamischen Härteprüfgeräte mit denen ein plastischer messbarer Eindruck im Prüfstück erzeugt werden kann, sind der um 1900 entwickelte Poldi-Hammer und der Baumann-Hammer. Bei dem Poldi-Hammer wird ein Schlagbolzen mit einem gehärteten Stahlkugelindenter mit einem Durchmesser von 10 mm in einer Führungshülse gleichzeitig in das Prüf- und Referenzmaterial geschlagen (Bild 1a). Aus dem Vergleich der beiden Eindruckdurchmesser kann mit der bekannten Härte des Referenzmaterials auf die Härte (Umwertung in Brinellhärte) des geprüften Guss- oder Schmiedestücks geschlossen werden. Bei der Prüfung mit dem Baumann-Hammer wird das Messgerät mit einer integrierten Spannfeder auf die Oberfläche des Prüfkörpers gedrückt, wodurch die Feder gespannt wird und bei einer definierten Anpresskraft den Schlagbolzen mit konstanter Schlagenergie von 4,9 J auslöst. Der Eindruck des Indenters mit dem Durchmesser von 10 mm wird per Lupe ausgemessen und in Brinellhärtewerte umgewertet (Bild 1b) [1].

Bild 1:

Poldi-Hammer der Fa. BAQ GmbH, Braunschweig a) und Baumann-Hammer der Fa. pce Deutschland GmbH, Meschede b)

Zu den dynamischen Härteprüftechniken zählt auch die sogenannte Rücksprunghärte, bei der der Härtewert aus der Rücksprunghöhe des Indenters bestimmt wird. Der Fallbolzen (Skleroskop nach SHORE) oder der Pendelhammer (Durometer) mit einer abgerundeten Diamantspitze oder einer Stahlkugel fällt aus einer definierten Höhe auf die Prüfstückoberfläche, prallt zurück und die Härte kann auf einer Skala abgelesen werden. Je härter das untersuchte Prüfstück ist, um so größer ist die Rücksprunghöhe, wobei infolge der Geräteabhängigkeit die Härtewerte nur für die jeweilige Werkstoffgruppe vergleichbar sind. Die Härteangaben entsprechen einer relativen Skala mit einem maximalen Wert von 100 bzw. 140, welches den maximalen Härtewert repräsentiert.

Bild 2:

Mobiles Equotip 550-Härteprüfgerät nach Leeb der Fa. Proseq SA, Schwerzenbach, Schweiz

Die genormte Rückprall-Härteprüfung nach LEEB ist ein mobiles dynamisches Härteprüfverfahren, welches einen Fallkörper mit Hartmetallprüfspitze und definiertem Energieinhalt auf die Prüfkörperoberfläche fallen lässt. Die elastische Verformung infolge des Aufpralls bewirkt einen Verlust an kinetische Energie, der berührungslos durch Messung der Geschwindigkeit vor und nach der Belastung ermittelt wird. Die gemessenen Equotip-Härtewerte können in andere Härteskalen (Rockwell, Brinell oder Vickers) umgewertet werden (Bild 2). Die ermittelten Härtewerte hängen von der Schlagenergie, dem E-Modul des Werkstoffes und der Form des Indenters ab.

Die mobilen statischen bzw. quasistatischen Härteprüftechniken verwenden die Messprinzipien nach Vickers, Brinell oder Rockwell mit Vermessungen des bleibenden plastischen Eindrucks sowie Verfahren unter Prüflast mit Auswertung der Gesamtdeformation z. B. Martens-Härte (siehe auch Martens) oder UCI-Härte. Die Prüfkraft wird bei diesen Messmethoden über Druckbelastung des Messkopfs oder bei höheren Prüflasten mit Zwingen aufgebracht (Bild 3a).

Bild 3:

Webster Zange WB20 a) und UCI-Härtemesser AlphaDUR b) der Fa. BAQ GmbH, Braunschweig

Das UCI-(Ultraschall-Kontakt-Impedanz)-Verfahren arbeitet mit einem Vickersdiamant als Eindringkörper, der an der Spitze eines schwingenden Metallstabs befestigt ist. Mit Zunahme der Eindringtiefe bzw. der Größe des Eindrucks ändert sich die Resonanzfrequenz dieses Stabs, wobei die Änderung der Frequenz Δf das Maß der Eindruckfläche darstellt (Bild 3b). Durch Umwertung von Δf kann die UCI-Härte bestimmt werden, die allerdings von der verwendeten Messsonde sowie dem Elastizitätsmodul und der Poissonzahl des geprüften Werkstoffes abhängt.

Mit dem TIV-(Through Indenter Viewing)-Verfahren können mobile Härtemessungen nach Vickers mittels einer CCD-Kamera durchgeführt werden, wobei der Härteeindruck unter Last vollautomatisch ausgemessen wird und eine bildliche Information zur Geometrie der Eindruckdiagonalen und damit der Qualität der Härteprüfung unter Vorortbedingungen ermöglicht wird [2].

Anwendungen für Kunststoffe (Barcol- und BUCHHOLZ-Härteprüfung)

Mobile Härteprüfungen sind auch als registrierende Messungen mit simultaner Erfassung der Prüfkraft und der Eindringtiefe nach DIN EN ISO 14577-1 realisierbar. Mit der Bestimmung der Martens-Härte MH sind derartige Härteprüfgeräte für Kunststoffe als auch metallische Prüfstücke nutzbar [3].

Die mobilen Härteprüfgeräte für Kunststoffe sind hinsichtlich der Anwendbarkeit für unterschiedliche Werkstoffgruppen angepasst. Die gängigsten SHORE-Handhärteprüfer (siehe SHORE-Härte) unterscheiden sich hinsichtlich der Prüflast und der Form der Eindringkörper und sind für die Verfahren A, C und D verfügbar. Die eigenen sich für harte und weiche Elastomere sowie für harte und weiche thermoplastische Kunststoffe (Bild 4) [4, 5].

Bild 4:

SHORE-C-Härtetester der Fa. Zorn, Stendal a), Digitale SHORE-Tester der Fa. Landtek, Padborg, Dänemark b) und der Fa. ZwickRoell GmbH & Co. KG, Ulm c)

Der mobile Barcol-Härtetester nach DIN EN 59 [6] ist für die Prüfung von glasfaserverstärkten oder harten Kunststoffen (z. B. Flügel von Windturbinen) und Duromeren ausgelegt. Für die Ermittlung der Härte nach Barcol wird ein Stahlkegel-Indenter (26°, 0,157 mm Durchmesser) über ein Federsystem in die Prüfkörperoberfläche eingedrückt.

Die Eindringtiefe wird direkt über eine Messzelle ermittelt und die Härte wird dimensionslos über eine Skala von 0 bis 100 angezeigt (Bild 5). Der Skalenwert 0 entspricht der maximalen Eindringtiefe und damit einer sehr geringen Härte und der Wert 100 stellt die maximale Härte dar, bei der defacto kein Eindruck gemessen wird.

Bild 5:

Schema und Funktionsprinzip des Barcol-Härtetester a) und Barcol-Tester von Braive Instruments SA, Liège, Belgien b)

Das mobile Prüfverfahren nach Buchholz [7, 8] (siehe BUCHHOLZ-Härte) dient zur Bestimmung der Härte von harten Kunststoffen oder Kunststoffbeschichtungen (Lacke) aus Duromeren. Dabei wird ein spitzes Testrad aus Hartmetall mit einer Prüflast von ca. 4,9 N für 30 s in die zu prüfende Oberfläche eingedrückt. Nach Entlastung wird die Länge l des bleibenden Eindrucks mit einem Messmikroskop (Bild 6) ausgemessen und die BUCHHOLZ-Härte als relativer Wert 100 mm/l angegeben. Dieses Prüfverfahren ist auch für sehr geringe Schichtdicken im Bereich von 10 bis 35 µm geeignet.

Bild 6:

Schema und Funktionsprinzip des Buchholz-Härtetester (a) und Buchholz-Tester von Erichsen GmbH & Co. KG, Hemer (b)

Literaturhinweise

[1]	Michalzik, G.: Mobile Härteprüfung mit dem Kraft-Eindringtiefe-Verfahren, Quality Engineering 9 (1998 ) 60–62
[2]	Frank, S., Lammerich, W.: TIV (Through Indenter Viewing) – Neue Möglichkeiten der mobilen Härteprüfung. DGZfP-Jahrestagung 2002, Weimar, Berichtsband 80-CD
[3]	Michalzik, G., Schneider, P.: Mobile Härteprüfgeräte einsetzen. Materialprüfung 39 (1997) 9, S. 350–356
[4]	DIN EN ISO 868 (2003-10): Kunststoffe und Hartgummi – Bestimmung der Eindruckhärte mit einem Durometer (Shore-Härte)
[5]	DIN ISO 7619-1 (2012-02): Elastomere oder thermoplastische Elastomere – Bestimmung der Eindringhärte – Teil 1: Durometer-Verfahren (Shore-Härte) (zurückgezogen, ersetzt durch DIN ISO 48-4: 2021-02)
[6]	DIN EN 59 (2016-06): Glasfaserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der Eindruckhärte mit einem Barcol-Härteprüfgerät
[7]	DIN 53 153 (1977-11): Prüfung von Anstrichstoffen und ähnlichen Beschichtungsstoffen – Eindruckversuch nach Buchholz an Anstrichen und ähnlichen Beschichtungen (zurückgezogen)
[8]	DIN EN ISO 2815 (2003-10): Beschichtungsstoffe – Eindruckversuch nach Buchholz