Härteprüfung: Brinell, Rockwell, Vickers

Härte ist der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines härteren Körpers entgegensetzt. Drückt man eine harte Kugel oder eine Diamantspitze in eine Oberfläche, hinterlässt sie einen Eindruck. Je kleiner dieser Eindruck bei gleicher Kraft, desto härter der Werkstoff. Das ist die ganze Grundidee – und sie ist in allen drei großen Verfahren dieselbe.

Härte ist keine eigenständige physikalische Grundgröße wie Masse oder Länge. Sie ist eine technische Kenngröße, die immer an ein bestimmtes Prüfverfahren gebunden ist. Ein Härtewert ohne Angabe des Verfahrens ist deshalb wertlos: „45 Härte“ sagt nichts, „45 HRC“ dagegen sehr viel.

Warum prüft man in der Praxis so oft Härte und nicht direkt die Festigkeit? Weil die Härteprüfung schnell geht, mit kleinen Geräten auskommt und das Bauteil meist nicht zerstört. Der Eindruck ist winzig und stört die Funktion in der Regel nicht. Ein Zugversuch dagegen braucht eine genormte Probe, die aus dem Bauteil herausgearbeitet und dabei zerstört wird. Härte und Zugfestigkeit hängen bei vielen Stählen näherungsweise zusammen – diesen Zusammenhang behandeln wir hier nur am Rande, er ist Thema eines eigenen Beitrags.

Das gemeinsame Grundprinzip aller Eindringverfahren lässt sich in drei Schritten zusammenfassen: Ein definierter Eindringkörper (Kugel, Pyramide oder Kegel) wird mit einer festgelegten Prüfkraft in die Oberfläche gedrückt. Anschließend wertet man den Eindruck aus – entweder seine Größe (Brinell, Vickers) oder seine Tiefe (Rockwell). Aus diesem Messwert ergibt sich die Härte.

Das Brinell-Verfahren ist das älteste der drei und arbeitet mit einer Hartmetallkugel als Eindringkörper. Sie wird mit einer festgelegten Prüfkraft in die Oberfläche gedrückt und hinterlässt eine runde, kalottenförmige Vertiefung. Gemessen wird anschließend der Durchmesser dieses Eindrucks – meist optisch mit einem Messmikroskop, in zwei Richtungen, aus denen man den Mittelwert bildet.

Die Brinellhärte ergibt sich aus dem Verhältnis der Prüfkraft zur Oberfläche des kugelförmigen Eindrucks (der Kalotte). Je härter der Werkstoff, desto kleiner der Eindruckdurchmesser und desto kleiner die Kalottenoberfläche – also desto höher der Härtewert.

Der Faktor 0,102 stammt aus der historischen Umrechnung von Kilopond auf Newton (1 kp entspricht etwa 9,81 N, der Kehrwert is rund 0,102). Dadurch bleiben heutige Brinellwerte mit den früher in kp ermittelten vergleichbar.

Damit Eindrücke unterschiedlicher Kugelgrößen vergleichbar bleiben, hält man das Verhältnis von Prüfkraft zu Kugeldurchmesser konstant. Dieses Verhältnis heißt Beanspruchungsgrad. Erst bei gleichem Beanspruchungsgrad liefern verschieden große Kugeln am selben Werkstoff denselben Härtewert.

Übliche Beanspruchungsgrade sind 30 für Stahl und Gusseisen, 10 für Kupferlegierungen und kleinere Werte für Leichtmetalle und weiche Werkstoffe. Den passenden Grad wählt man nach Werkstoffgruppe, damit der Eindruck weder zu klein (ungenau ablesbar) noch zu groß (Werkstoff fließt über) wird.

Brinell eignet sich besonders für weiche bis mittelharte Werkstoffe und für grobe, ungleichmäßige Gefüge – etwa Gusseisen oder unlegierte Baustähle. Weil der Eindruck und damit die gemessene Fläche relativ groß sind, mittelt das Verfahren über viele Gefügebestandteile hinweg. Das ist ein Vorteil bei inhomogenen Werkstoffen, wo ein winziger Eindruck zufällig in einer harten oder weichen Phase landen könnte.

Die Grenzen liegen bei sehr harten Werkstoffen: Dort verformt sich irgendwann die Kugel selbst, und die Messung wird unbrauchbar. Auch dünne Teile, Randschichten oder kleine Bauteile passen schlecht, weil der Eindruck zu groß wird.

So liest man ein Brinell-Kurzzeichen:

250 HBW 5 / 750
250 … Brinellhärtewert
HBW … Verfahren mit Hartmetallkugel (W = Wolframkarbid)
5 ….. Kugeldurchmesser in mm
750 … Prüfkraft als Kennzahl (entspricht 0,102 * F)

Vickers arbeitet mit einer Diamantpyramide als Eindringkörper – einer vierseitigen Pyramide mit einem Flächenwinkel von 136°. Der Eindruck ist quadratisch. Gemessen werden seine beiden Diagonalen, aus denen man den Mittelwert bildet. Wie bei Brinell ergibt sich die Härte aus der Prüfkraft bezogen auf die Oberfläche des Eindrucks.

Der Term sin(68°) folgt aus der Pyramidengeometrie (halber Flächenwinkel von 136°). Praktisch fasst man die Konstanten oft zusammen, sodass HV ungefähr gleich 0,1891 · F/d² ist (mit F in N und d in mm). Entscheidend ist: Härter bedeutet kleinere Diagonale und damit höherer Wert.

Die große Stärke von Vickers ist seine Universalität. Weil die Pyramide geometrisch immer gleich aussieht – ob der Eindruck groß oder klein ist –, deckt ein einziges Verfahren den gesamten Härtebereich ab, von weichen Metallen bis zu gehärteten Stählen und Hartmetallen. Durch sehr kleine Prüfkräfte lässt sich Vickers auch als Kleinlast- und Mikrohärteprüfung einsetzen. Damit misst man dünne Schichten, gehärtete Randzonen oder einzelne Gefügebestandteile und kann sogar Härteverläufe über einen Querschnitt aufnehmen.

Der Preis dafür: Der Eindruck ist klein und muss optisch genau ausgemessen werden. Das verlangt eine gut vorbereitete, glatte Oberfläche und ist aufwendiger als ein schneller Rockwell-Test.

So liest man ein Vickers-Kurzzeichen:

600 HV 10
600 … Vickershärtewert
HV …. Verfahren (Vickers, Diamantpyramide)
10 …. Prüfkraft als Kennzahl (entspricht 0,102 * F)

Rockwell geht einen anderen Weg als Brinell und Vickers. Statt die Größe eines Eindrucks optisch auszumessen, misst das Gerät die bleibende Eindringtiefe – und rechnet sie automatisch in einen Härtewert um. Das Ergebnis erscheint direkt auf der Anzeige. Genau das macht Rockwell zum schnellsten der drei Verfahren.

Der Ablauf erfolgt in zwei Stufen. Zuerst drückt eine kleine Vorkraft den Eindringkörper an, um Unebenheiten und Spiel auszugleichen – das ist die Nullbasis. Dann wirkt die volle Prüfkraft, der Eindringkörper dringt tiefer ein. Nach dem Zurücknehmen auf die Vorkraft bleibt eine Tiefendifferenz, und nur diese bleibende Tiefe zählt. Die elastische Rückfederung wird so herausgerechnet.

Aus der bleibende Eindringtiefe h ergibt sich der Rockwellwert über eine feste Formel. Damit ein tieferer Eindruck zu einem kleineren Härtewert führt, wird die Tiefe von einer Konstanten abgezogen:

Eine Skaleneinheit entspricht also 0,002 mm Eindringtiefe. Je tiefer der Körper dringt (weicherer Werkstoff), desto größer h und desto kleiner der Rockwellwert – die Subtraktion kehrt die Richtung um. Ohne diese Umkehr würde ein weicher Werkstoff fälschlich einen hohen Wert bekommen.

Die beiden wichtigsten Skalen unterscheiden sich in Eindringkörper und Vorzeichen der Konstante:

In der Praxis ist Rockwell vor allem dort beliebt, wo es schnell gehen muss und keine optische Auswertung gewünscht ist – etwa in der laufenden Fertigungskontrolle gehärteter Bauteile. HRC ist die Standardskala für gehärtete und vergütete Stähle, HRB für weichere Werkstoffe.

Die Grenzen liegen in der Empfindlichkeit gegenüber der Oberfläche: Weil nur eine winzige Tiefe gemessen wird, verfälschen Riefen, Schmutz oder eine schiefe Auflage das Ergebnis stärker als bei den flächenmessenden Verfahren. Außerdem muss die Skala zum Werkstoff passen – einen harten Stahl auf der HRB-Skala zu prüfen liefert keine sinnvollen Werte.

So liest man ein Rockwell-Kurzzeichen:

58 HRC
58 …. Rockwellhärtewert
HRC … Verfahren und Skala (C = Diamantkegel, harte Werkstoffe)

Die drei Verfahren messen dieselbe Eigenschaft auf grundverschiedene Weise. Die folgende Gegenüberstellung fasst zusammen, worauf es bei der Auswahl ankommt:

Ein verbreiteter Irrtum ist, Härtewerte einfach von einer Skala in die andere umzurechnen. Es gibt zwar Näherungstabellen, die etwa HRC in HV überführen, doch diese gelten nur eingeschränkt – meist für bestimmte Stahlgruppen – und sind keine exakten Umrechnungen. Zwischen grundverschiedenen Werkstoffen können dieselben Tabellen deutlich danebenliegen. Wer einen Wert in einer bestimmten Skala braucht, prüft am besten direkt in dieser Skala.

Die Auswahl in der Praxis richtet sich nach mehreren Fragen: Wie hart ist der Werkstoff ungefähr? Wie groß und wie zugänglich ist das Bauteil? Geht es um die Oberfläche, eine dünne Schicht oder das Grundmaterial? Wie homogen ist das Gefüge? Und schließlich: Welches Gerät steht zur Verfügung? Für grobe Gussteile fällt die Wahl oft auf Brinell, für gehärtete Serienteile auf Rockwell HRC, für Schichten und Mikrobereiche auf Vickers.

Ein Härtewert ist außerdem nur vollständig, wenn die Prüfbedingungen dokumentiert sind. Dazu gehört neben Verfahren, Kraft und gegebenenfalls Kugeldurchmesser auch die Einwirkdauer – die Zeit, in der die volle Prüfkraft wirkt. Die einschlägigen Normen legen Standard-Einwirkzeiten fest (üblicherweise im Bereich einiger Sekunden): ÖNORM EN ISO 6506-1 für Brinell, ÖNORM EN ISO 6507-1 für Vickers und ÖNORM EN ISO 6508-1 für Rockwell. Weicht die tatsächliche Einwirkdauer von der genormten Standardzeit ab, muss sie im Kurzzeichen ergänzt werden, etwa indem die Zeit in Sekunden angehängt wird. In einem Prüfbericht gehören damit Verfahren, Härtewert, Prüfkraft und – sofern abweichend – die Einwirkdauer zusammen, sonst ist der Wert nicht eindeutig nachvollziehbar.

Der Zusammenhang zwischen Härte und Zugfestigkeit ist für viele Stähle näherungsweise nutzbar: Aus der Brinellhärte lässt sich die Zugfestigkeit grob abschätzen. Das ist praktisch, ersetzt aber keine eigene Festigkeitsprüfung und gilt nicht für beliebige Werkstoffe. Dieser Zusammenhang wird in einem eigenen Beitrag ausführlich behandelt.