Brinell Härteprüfung nach ISO 6506 / ASTM E10

Ablauf Brinell Härteprüfung Berechnung Brinellhärte Vor- und Nachteile Übersicht Brinell-Methoden & Anwendungen Mindestabstand Prüfeindrücke & Mindestprobendicke Brinell Härteprüfer

Wissen zum Brinell-Prüfverfahren (Ermittlung der Brinellhärte HBW)

Allgemeines Wissen zur Brinell Härteprüfung

Der Eindringkörper beim Prüfverfahren nach Brinell besteht aus einer Hartmetall-Kugel des Durchmessers D = 10; 5; 2,5 oder 1 mm. Dieser wird mit einer Prüfkraft (nach Norm von 1 kg bis 3000 kg) auf den Prüfling aufgebracht und gemäß der Haltezeit gehalten.

Zur Berechnung der Brinell-Härte werden zwei zueinander senkrecht stehende Durchmesser des Prüfeindrucks an der Probenoberfläche gemessen. Außerdem benötigt werden die Prüfkraft in N und der Durchmesser des kugeligen Eindringkörpers.

Ablauf der Brinell-Härteprüfung nach ISO 6506

Bei der Härteprüfung nach Brinell, einem optischen Verfahren, wird die Eindrucksgröße gemessen, die der Eindringkörper hinterlässt. Im Vergleich zum ebenfalls optischen Vickers Verfahren, bei dem ein pyramidenförmiger Eindringkörper in eine Probe eingedrückt wird, wird beim Brinell-Verfahren ein kugelförmiger Eindringkörper verwendet.

Je größer der Eindruck, den der Brinell-Eindringkörper mit einem definierten Kugeldurchmesser und unter einer definierten Prüfkraft auf der Oberfläche eines Werkstückes (einer Probe) hinterlässt, desto weicher ist das getestete Material.

Laut ISO 6506 wird zur Ermittlung der Härte nach Brinell (HBW) der kugelförmige Eindringkörper aus Hartmetall (Wolframkarbid) mit einer definierten Prüflast (zwischen 1 kgf und 3000 kgf) in eine Probe (Werkstück) hineingedrückt.

Was gibt die Brinellhärte an?

Die Brinellhärte ist eine Maßeinheit, die die Härte eines Materials angibt. Sie wird durch das Brinellhärteverfahren gemessen, bei dem eine Kugel aus Hartmetall in das Material gedrückt wird. Die Größe des entstandenen Eindrucks wird optisch vermessen, um die Härte des Materials zu bestimmen.

Die Brinellhärte wird in der Regel für Materialien mit großer Korngröße, rauer Prüfoberfläche oder inhomogene Materialien verwendet, wie zum Beispiel Gussteile, Legierungen und geschmiedete Bauteile. Sie ist definiert als das Verhältnis der aufgebrachten Kraft zur Oberfläche des Eindrucks. Die Einheit der Brinellhärte ist HBW (Härte nach Brinell mit einer Wolframkarbid Kugel).

Berechnung der Brinellhärte

Die Brinellhärte HBW ergibt sich als Quotient aus der aufgebrachten Prüfkraft F (in Newton (N)) und der Oberfläche des bleibenden Eindrucks auf der Probe (der Projektion des Eindrucks) nach Rücknahme der Prüfkraft (siehe Brinell Formel). Zur Berechnung der Oberfläche des bleibenden Kugeleindrucks wird der arithmetische Mittelwert d zweier senkrecht aufeinander stehenden Diagonalen d1 und d2 (in mm) herangezogen, da die Grundfläche der Brinell-Eindrücke oft nicht exakt rund ist.

In der Praxis wird zur Bestimmung des Härtewertes nicht für jede einzelne Prüfung die Formel berechnet. Der Härtewert lässt sich alternativ aus Tabellen bzw. aus einer speziell programmierten Härteprüfsoftware ablesen, die für alle genormten Kugeldurchmesser und Prüflasten den Härtewert in Abhängigkeit vom durchschnittlichen Eindrucksdurchmesser d anzeigen.

Die Prüfkraft ist so auszuwählen, dass der durchschnittliche Eindrucksdurchmesser d zwischen 0,24 D und 0,6 D liegt.

Um diese Grenzen einhalten zu können, ist es erforderlich, Prüfkraft und Kugeldurchmesser aufeinander abzustimmen. Dadurch entstehen verschiedene Beanspruchungsgrade (auch Belastungsgrade oder Lastfaktoren genannt) innerhalb des Brinell-Verfahrens, bei denen der Quotient aus Prüfkraft und Kugeldurchmesserquadrat konstant gehalten wird: B = 0,102*F/D2. Die fünf gängigen Beanspruchungsgrade sind 1, 2.5, 5, 10 und 30. Die Prüfung eines Werkstoffes mit unterschiedlichen Kugeldurchmessern und Prüfkräften muss innerhalb eines Beanspruchungsgrades durchgeführt werden, um direkt vergleichbare Messergebnisse zu erzielen (siehe Übersichtstabelle "Methoden und Anwendungen der Brinell Härteprüfung").

Der Kugeldurchmesser ist so zu wählen, dass der Prüfeindruck einen möglichst großen – für die Probe repräsentativen – Werkstoffbereich umfasst.

Die Prüflast soll laut Norm (ISO 6506) innerhalb von mindestens zwei bis maximal acht Sekunden auf ihren Endwert gesteigert werden. Die Einwirkdauer der Prüflast beträgt in der Regel 10 bis 15 Sekunden (s). Bei einer längeren Einwirkdauer muss die Dauer in Sekunden im Härtewert zusätzlich angegeben werden, z. B.: 210 HBW 5/250/30 (Einwirkdauer von 30 s).

Vor- und Nachteile der Härteprüfung mittels des Brinell-Prüfverfahrens

Das Brinell-Verfahren bietet folgende Vorteile:

Mit Brinell lassen sich auch inhomogene Materialien (z. B. Gussteile) prüfen, da die große Kugel viele Kristalle (unterschiedliche Gefügebestandteile des Materials) trifft und einen mechanischen Mittelwert bildet.
Eine Vielzahl an Prüfkräften und Kugeldurchmessern für die unterschiedlichsten Anwendungen steht zur Auswahl.
Vergleichsweise große Prüfeindrücke, die einfacher zu vermessen sind als die eher kleinen Vickers-Eindrücke.
Probenoberfläche kann rau sein.

Das Brinell-Verfahren besitzt folgende Nachteile:

Eine gute Oberflächenbeschaffenheit der Probe ist erforderlich, da der Eindruck optisch vermessen wird. Das bedeutet, die Prüfstelle muss präpariert sein.
Hohes Risiko der Deformation des zu prüfenden Materials bei Prüfungen im Makrobereich mit hoher Prüflast (z. B. HBW 10/3.000) und damit Gefahr von Messfehlern aufgrund von Wallbildung. Deshalb ist eine gute Ausleuchtung des Prüfeindrucks wichtig, um den Prüfeindruck korrekt auswerten zu können (z. B. mithilfe eines Ringlichts).
Begrenzung der Anwendung des Verfahrens bei sehr harten Materialien und gleichzeitig dünnen Proben (siehe Mindestprobendicke bei Brinell).
Das Verfahren ist langsam (im Vergleich zum Rockwell-Verfahren). Der Prüfablauf dauert zwischen 30 und 60 Sekunden, wobei die Probenpräparationszeit nicht mit eingerechnet ist.

Beispiele für Methoden und Anwendungen der Brinell Härteprüfung

Das Brinell-Verfahren eignet sich für die Härteprüfung von weichen Metallen (Leichtmetalle, Blei, Zinn) bis hin zu harten Metallen wie Stahl und Eisen.

Die Brinell-Prüfung eines Werkstoffs mit unterschiedlichen Kugeldurchmessern und Prüfkräften muss innerhalb eines Beanspruchungsgrades („Ablauf des Brinell Prüfverfahrens“) durchgeführt werden, um die gemessenen Härtewerte direkt miteinander vergleichen zu können.

Untenstehend findet sich eine Übersichtstabelle, die die Brinell-Methoden gruppiert nach Beanspruchungsgrad, dem damit verbundenen Härtebereich und empfohlenen Anwendungen (Werkstoffe) präsentiert. Je höher der Beanspruchungsgrad, desto härter sind die Metalle, die mit den Methoden innerhalb dieses Beanspruchungsgrades geprüft werden können bzw. sollten. Der gängigste Beanspruchungsgrad (Lastfaktor) ist HBW 30. Mit den Brinell-Methoden, die zu HBW 30 gehören, prüft man harte Metalle wie Stahl und Eisen.

Werkstoff	Methode	Eindringkörper	Prüfkraft F	Belastungsgrad 0,102 x F/D²	Härtebereich HBW*
Stahl / Eisen	HBW 1/30	1 mm	294,2N	30	95,5-653
	HBW 2,5/187,5	2,5 mm	1,839 kN
	HBW 5/750	5 mm	7,355 kN
	HBW 10/3000	10 mm	29,42 kN
Leichtmetall Kupfer / Alu Kupferlegierung Alulegierung	HBW 1/10	1 mm	98,07 N	10	31,8-218
	HBW 2,5/62,5	2,5 mm	612,9 N
	HBW 5/250	5 mm	2,452 kN
	HBW 10/1000	10 mm	9,807 kN
Leichtmetall Kupfer / Alu Kupferlegierung o. Wärmebehandlung	HBW 1/5	1 mm	49,03 N	5	15,9-109
	HBW 2,5/31,25	2,5 mm	306,5 N
	HBW 5/125	5 mm	1,226 kN
	HBW 10/500	10 mm	4,903, kN
Leichtmetalle	HBW 1/2,5	1 mm	24,52 N	2,5	7,96-54,5
	HBW 2,5/15,625	2,5 mm	153,2 N
	HBW 5/62,5	5 mm	612,9 N
	HBW 10/250	10 mm	2,452 kN
Leichtmetalle Blei / Zinn	HBW 1/1	1 mm	9,807 N	1	3,18-21,8
	HBW 2,5/6,25	2,5 mm	61,29 N
	HBW 5/25	5 mm	245,2 N
	HBW 10/100	10 mm	980,7 N
	* Empfohlener Härtebereich laut EN ISO 6506-4, Tabelle2

Mindestabstand der Prüfeindrücke und Mindestprobendicke bei Brinell

Beim Brinell-Verfahren müssen die Prüfeindrücke so gesetzt werden, dass genügend Abstand zum Probenrand (Kante) sowie zwischen den einzelnen Prüfeindrücken vorliegt. Die Mindestwerte, die laut Norm dabei einzuhalten sind, finden Sie in der Grafik.
Die Probe muss mindestens so dick sein, dass der Prüfeindruck auf der Probenunterseite (Auflagefläche) keine sichtbare Verformung verursacht. Das heißt, die Probe muss laut Norm mindestens achtmal so dick sein wie die Eindringtiefe der Brinellkugel. Die Eindringtiefe lässt sich aus dem erwarteten Härtewert schätzen, der wiederum vom mittleren Eindrucksdurchmesser abhängt. Daher lässt sich die Mindestdicke der Probe in Abhängigkeit vom mittleren Eindrucksdurchmesser und dem Kugeldurchmesser des Brinell-Eindringkörpers ableiten. Eine detaillierte Tabelle, aus der sich die Mindestprobendicke für Brinell entsprechend ablesen lässt, finden Sie hier:

Mittlerer Eindruckdurchmesser (mm)	Mindestdicke der Probe (mm)
	Kugeldurchmesser (mm)
	1,0	2,5	5,0	10
0,2	0,12
0,3	0,18
0,4	0,33
0,5	0,54
0,6	0,80	0,29
0,7		0,40
0,8		0,53
0,9		0,67
1,0		0,83
1,1		1,02
1,2		1,23	0,58
1,3		1,46	0,69
1,4		1,72	0,80
1,5		2,00	0,92
1,6			1,05
1,7			1,19
1,8			1,34
1,9			1,50
2,0			1,67
2,2			2,04
2,4			2,45	1,17
2,6			2,92	1,38
2,8			3,43	1,60
3,0			4,00	1,84
3,2				2,10
3,4				2,38
3,6				2,68
3,8				3,00
4,0				3,34
4,2				3,70
4,4				4,08
4,6				4,48
4,8				4,91
5,0				5,36
5,2				5,83
5,4				6,33
5,6				6,86
5,8				7,42
6,0				8,00