Brinell Härteprüfung

Die Brinellhärte (HBW) ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen aufgebrachter Prüfkraft und der projizierten Eindrucksfläche, die ein Brinell-Eindringkörper auf der Materialoberfläche hinterlässt. Der Eindruck wird über den Mittelwert zweier senkrecht zueinanderstehender Diagonalen bestimmt, da die Abdruckform oft unregelmäßig ist. In der Praxis erfolgt die Härteermittlung meist über Tabellen oder spezielle Härteprüfsoftware. Damit der Eindruck aussagekräftig bleibt, müssen Kugeldurchmesser und Prüfkraft korrekt aufeinander abgestimmt sein. Die Belastung erfolgt normgerecht gemäß ISO 6506 – inklusive einer Einwirkdauer von 10 bis 15 Sekunden. Für Vergleichbarkeit der Messergebnisse sorgt die Anwendung innerhalb eines festgelegten Beanspruchungsgrades. Das Brinell-Verfahren eignet sich besonders für weiche bis mittelharte Werkstoffe und liefert zuverlässige Werte zur Werkstoffhärte.

Die Brinellhärte ist eine Kenngröße für die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen plastische Verformung durch Eindringen eines Prüfkörpers. Bestimmt wird sie mit dem Brinell-Verfahren, bei dem eine Kugel aus Hartmetall (Brinell-Eindringkörper) unter definierter Prüfkraft in das Material gedrückt wird. Die entstandene Eindrucksfläche wird anschließend optisch ausgewertet.

Dieses Verfahren eignet sich besonders für grobkörnige, ungleichmäßige oder raue Werkstoffe wie Guss, Schmiedeteile oder Legierungen. Die Brinellhärte HBW berechnet sich aus dem Verhältnis von Prüfkraft zur projizierten Oberfläche des bleibenden Eindrucks. Die Abkürzung HBW steht dabei für „Härte nach Brinell“ mit Verwendung einer Wolframkarbid-Kugel.

Die Brinell-Härteprüfung liefert zuverlässige Ergebnisse bei unterschiedlich strukturierten Materialien – normgerecht, praxisnah und vielfach bewährt.

Im Normalfall ist bei der Härteprüfung nach Brinell eine Oberflächenpräparation für die zu messende Probe erforderlich, da die Oberflächenqualität gut genug sein muß, um den Prüfeindruck optisch korrekt auswerten zu können.

Im Vergleich zum Vickers Verfahren, mit dem auch im Mikrobereich Härte geprüft wird, ist der Anspruch an die Oberflächenqualität beim Brinell Verfahren jedoch geringer, da normalerweise mit höheren Lasten (im Makrobereich) und größerem Eindringkörper (Kugel) geprüft wird, die Oberfläche kann rau sein. 

Die zu messende Probe muss im Detail folgende Anforderungen bei der Brinell-Prüfung erfüllen:

• Die Probe muss planparallel sein (sauberes Trennen der Probe vom Werkstück im Rahmen der Probenpräparation erforderlich).
• Die zu prüfende Probe muss eine ebene, metallisch blanke und glatte Oberfläche besitzen (Schleifen und Polieren der Probenoberfläche nur bei Prüfungen mit kleinen Kugeldurchmessern erforderlich).
• Die Probe muss fest auf einer starren Aufnahmevorrichtung liegen, damit sie sich während des Prüfvorgangs nicht verschieben kann (Praxistipp: verspannt messen oder Probe in einem Probenhalter eingebettet oder fixiert messen).

Das Brinell-Verfahren ist ein vielseitiges Härteprüfverfahren und eignet sich für Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen Härtegraden – von weichen Metallen wie Aluminium, Zinn oder Blei bis hin zu härteren Werkstoffen wie Stahl oder Gusseisen.

Um vergleichbare Brinell-Härtewerte zu erhalten, müssen Prüfkraft und Kugeldurchmesser innerhalb desselben Beanspruchungsgrades aufeinander abgestimmt sein. So lässt sich die Brinell-Härteprüfung auch bei unterschiedlichen Werkstoffen und Prüfparametern normgerecht und präzise durchführen.

In der Praxis wird der Härtewert bei der Brinell-Prüfung nicht für jede Einzelmessung rechnerisch bestimmt. Stattdessen erfolgt die Ermittlung in der Regel über Tabellen oder eine entsprechende Prüfsoftware. Diese stellt den Härtewert in Abhängigkeit vom mittleren Eindrucksdurchmesser d für alle genormten Kugeldurchmesser und Prüflasten dar.

Die Auswahl der Prüfkraft muss so erfolgen, dass der durchschnittliche Eindrucksdurchmesser d im Bereich von 0,24 D bis 0,6 D liegt.

Um diesen Bereich sicher einzuhalten, ist eine Abstimmung von Prüfkraft und Kugeldurchmesser notwendig. Daraus ergeben sich unterschiedliche Beanspruchungsgrade – auch Belastungsgrade oder Lastfaktoren genannt – innerhalb des Brinell-Verfahrens. Der Belastungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten von Prüfkraft und Kugeldurchmesserquadrat (B = 0,102 × F / D²) und bleibt innerhalb eines Beanspruchungsgrades konstant. Übliche Beanspruchungsgrade sind 1, 2,5, 5, 10 und 30. Wird ein Werkstoff mit verschiedenen Kugeldurchmessern und Kräften geprüft, muss dies innerhalb desselben Beanspruchungsgrades erfolgen, um vergleichbare Ergebnisse zu gewährleisten.

Der Kugeldurchmesser ist dabei so zu wählen, dass der Prüfeindruck eine möglichst große, repräsentative Zone des Werkstoffs erfasst.

Gemäß ISO 6506 ist die Prüfkraft innerhalb von mindestens zwei bis maximal acht Sekunden aufzubringen. Die Einwirkdauer der Prüfkraft beträgt in der Regel 10 bis 15 Sekunden. Bei längerer Belastungsdauer muss diese in der Härteangabe ergänzt werden, beispielsweise: 210 HBW 5/250/30 (Einwirkdauer 30 s).

Ein Härtewert nach Brinell setzt sich aus den folgenden Bestandteilen zusammen:

1. dem numerischen Härtewert;
2. den drei Großbuchstaben HBW, die für „Härte nach Brinell“ (mit Hartmetallkugel aus Wolframkarbid) stehen;
3. dem Kugeldurchmesser in mm;
4. der eingesetzten Prüflast in kgf;
5. laut ISO 6506: der verwendeten Einwirkdauer der Prüflast, aber nur, wenn sie nicht zwischen 10 und 15 Sekunden beträgt (in der Praxis eher unüblich);

Beispiel Brinell-Härtewert-Darstellung:

210 HBW Härte 5/250/30

• 210   …Härtewert
• HBW …nach Brinell mit Wolframkarbidkugel
• 5      …mit Kugeldurchmesser 5 mm
• 250   …mit Prüflast 250kgf (bzw. Prüfkraft 2,452 kN)
• 30     …Einwirkdauer der Prüfkraft außerhalb der empfohlenen Dauer, in diesem Fall: 30 Sekunden