Ueber neue Härte-Prüfverfahren. Ueber neue Härte-Prüfverfahren. Zu den bisherigen Untersuchungsmöglichkeiten von Werkstoffen in bezug auf ihre Härteeigenschaften, nämlich dem Brinell-, Shore- und dem Fallhärteprüfer, sind 2 neue Härteprüfapparate hinzugetreten, das Herbert-Pendel und die Rockwellmaschine. Beide sind in Deutschland verhältnismäßig noch ziemlich unbekannt, während in anderen Ländern, insbesondere in England und Frankreich bereits umfangreiche Versuche zur Feststellung ihrer Leistungsfähigkeit und Verwendbarkeit im industriellen Laboratorium angestellt worden sind. Der neue Herbert-Pendel-Härteprüfer geht ganz andere Wege als die bisherigen Härteprüfeinrichtungen. Er besteht in der Hauptsache aus einer umgekehrten Brücke oder Wiege mit tiefen Armen, die in der Mitte auf einer Kugel von 1 mm Durchmesser schwingt und mit einer von 0–100 eingeteilten Skala versehen ist. Ein Gewicht von 200 gr auf einer Mikrometer schraube ermöglicht eine genaue Verstellung der Schwerpunktslage des Pendels auf einer vertikalen Achse. Die Kugel aus gehärtetem Stahl oder aus Rubin ist an einem Dorn befestigt. Bei allen normalen Versuchen liegt der Schwerpunkt des Instrumentes 1/10 mm unterhalb der Kugelmitte. Mit dem Herbert-Pendel lassen sich 4 Arten von Versuchen ausführen, die alle verschiedene Eigenschaften des zu prüfenden Werkstoffes zum Ausdruck bringen: 1. der Zeitversuch mißt den dem Eindringen in den Stoff geleisteten Widerstand; 2. der Winkelversuch mißt den Widerstand, den der Stoff dem Werkzeug während der Bearbeitung entgegenstellt; 3. der Kaltbearbeitungsversuch mißt die Geschwindigkeit, mit der ein Metall bearbeitet wird; 4. der Schwingungsdämpfungsversuch mißt die Geschwindigkeit der Energieabsorption unter dem Einfluß aufeinander folgender Verformungen. Zu 1. der Zeitversuch: Bei diesem Versuch wird das Pendel auf den Prüfkörper vorsichtig aufgesetzt und zu leichtem Schwingen in einem Winkel von höchstens 2° gebracht. Die Dauer der Schwingungen wird mit Hilfe einer Stoppuhr festgestellt; dabei gibt die Zeit in Sekunden für 10 Schwingungen die Härtezahl an. Für verschiedene Werkstoffe wurden so folgende Zeit-Härtezahlen gefunden: Glas 100, sehr harter Stahl 85, harter Stahl 63, gehärteter Stahl 42, Gußeisen 30, weicher Stahl 20, Bronze 15, Kupfer 11,6, Zinti 6,8 und Blei 3. Die praktische Einstellbarkeit des Härteprüfers besteht in der Verstellung seiner Schwerpunktslage, bis sich bei Glas für eine einfache Schwingung eine Zeit von 10 Sekunden ergibt. Das Glas wurde deshalb als praktischer Härtemaßstab gewählt, weil es auf die Weise möglich ist, einen gleichmäßigen und auf seiner Oberfläche leicht polier-baren Stoff ohne Schwierigkeiten zu erhalten. Außerdem ändert sich das Glas unter dem Einfluß der Kugel nicht und schließlich ist die Härte des Glases in der Regel höher als die der untersuchten Körper. Die Bewegung der Kugel in dem Eindruck ist eine rollende und keine gleitende. Eine sehr große Anzahl von Eindrücken ist gemessen worden in der Absicht, eine mathematische Beziehung zwischen der Schwingungsdauer und dem Durchmesser des Eindruckes zu finden. Dabei wurde beobachtet, daß die Zeit in Sekunden von 10 einfachen Schwingungen annähernd gleich ist, umgekehrt dem Quadrat des Durchmessers in mm \left(T=\frac{1}{D^2}\right). Diese Formel ist jedoch nicht ganz genau: die erhaltenen Werte sind nämlich zu niedrig bei sehr weichem und zu hoch bei sehr hartem Material; sonst nähern sich die so berechneten Zahlen den praktisch erhaltenen, so daß man diese Formel für normale Fälle zu Grunde legen kann. Da auch die Brinellzahl Funktion ist des umgekehrten Quadrats des Eindruckdurchmessers, so ist es natürlich, daß man zwischen der Brinellhärtezahl und der Herbert-Zeit-Härtezahl einen innigen Zusammenhang finden kann. Für Metalle, deren Brinellhärte unter oder bis zu 33° ist, bedient man sich der Formel B = 0,3 T2, wobei B die Brinellhärte und T die Zeit in Sekunden für 10 Schwingungen am Herbert-Pendel bedeuten. Vor dem Iron and Steel-Institut hat Benedicks Mitteilung über eine empirische Formel gemacht, die die Brinellhärte nach der Herbert-Zeithärte gleichzeitig für harte und weiche Stoffe angibt. Es ist aber in Betracht zu ziehen, daß bei den mit dem Brinell-Kugeldruckapparat angestellten Untersuchungen verschiedene Drucke bei den harten und bei den weichen Körpern angewendet werden müssen und daß die beiden Zahlenserien keinen Zusammenhang aufweisen. Weiter ist zu berücksichtigen, daß bei den Untersuchungen mit dem Herbert-Pendel (was bei der Brinellpresse nicht der Fall ist) der Eindruck gemessen wird, während er noch dem Druck, der die Verformung verursacht hat, ausgesetzt ist und daß die gefundene Ziffer durch die elastische Verformung harter Metalle mehr beeinflußt wird als bei weichen Metallen. Die Frage erscheint demnach berechtigt, ob unter diesen Umständen die Verwendung einer einzigen Formel für die Umwandlung von praktischem Nutzen ist. Zu 2. der Winkelversuch: Das Pendel wird zur Ausführung dieses Versuches um einen bestimmten Winkel gedreht und dann sich selbst überlassen; es schwingt um einen Winkel zurück, der von dem Widerstand, dem „Arbeitswiderstand,“ des Prüfstückes gegenüber dem Kugeleinfluß abhängt. In der Tat wirkt die Kugel in diesem Fall wie ein Werkzeug, das sich in den Stoff hineinarbeitet. Der nach der ersten Rückschwingung erreichte größte Winkelausschlag ergibt die Härtezahl nach dem Winkelversuch, die Winkelhärte. Einige so untersuchten Stoffe ergaben folgende Winkelhärten: Glas 97, gehärteter Kohlenstoffstahl 93, gehärteter und angelassener Kohlenstoffstahl 75, geglühter Kohlenstoffstahl 41, Walzmessing 14, Gußmessing 4 und Blei 0. Die Eigenschaft, vermöge der ein Metall sich der Bearbeitung durch das Werkzeug widersetzt, ist mindestens zweifacher Natur: a) der Eindringungs-widerstand, der durch den Zeithärte-Versuch gemessen wird, und b) die Fließhärte, d.h. der Widerstand gegen Verformung durch Schneidarbeit oder durch Walzen. Alle Metalle, die einen großen Eindringungswiderstand nach dem Zeithärte-Versuch aufweisen, besitzen auch einen großen Widerstand gegen die Werkzeugbearbeitung, wie dies der Winkelhärteversuch ergibt. Zu 3. Der Kaltbearbeitungsversuch: In diesem Fall wird das Pendel in geneigter Lage; so aufgestellt, daß die Libelle 0° anzeigt, und dann freigelassen. Der äußerste Winkel nach der ersten Schwingung ergibt wie oben angegeben, die ursprüngliche Härte. Dann verlängert man mit der Hand die Pendelbewegung bis zur Ablesung 100, läßt das Pendel wieder los und erhält eine zweite Ablesung, die den Bearbeitungsgrad nach einer Kugelwirkung anzeigt. Derselbe Vorgang wird wiederholt solange, bis die folgenden Ablesungen keine weitere Zunahme der Bearbeitung ergeben. Die Kaltbearbeitung wird berechnet aus dem arithmetischen Unterschied zwischen der Zahl nach der ersten und dem Durchschnitt aus der 2., 3., 4. und 5. Ablesung. Diese Eigenschaft der Kaltbearbeitung stellt keine Härte dar und steht in keiner Beziehung zu den nach den bekannten Verfahren gemessenen Härte. Versuche an Metallen bei verschiedenen Temperaturen haben zu erkennen gegeben, daß Stähle und Nichteisenlegierungen, die sich kalt bearbeiten lassen, diese Eigenschaft schon bei verhältnismäßig wenig hoher Temperatur verlieren. Zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf die Veränderlichkeit der Kaltbearbeitungs-Eigenschaften von Metallen hat man sich eines kleinen tragbaren elektrischen Ofens bedient, mit dem die betreffenden Stücke erwärmt wurden. Die Kenntnis der Veränderung der Härte von Metallen unter dem Einfluß der Temperatur ist von großer praktischer Bedeutung. Der Wert eines Werkzeugs hängt zu einem erheblichen Teil von seiner Fähigkeit ab, seine Härte auch bei den während der Bearbeitung erreichten hohen Temperaturen beizubehalten. Das mit einer Diamant-Kugel ausgerüstete Herbert-Pendel stellt ein geeignetes Mittel dar, tiefere Untersuchungen in diesem Sinne vorzunehmen. Zu 4. die Dämpfungsmessung: Bei der Dämpfungsmessung wird ein kleiner Spiegel am Pendel befestigt und in diesem eine vertikale feste Skala durch ein Fernrohr beobachtet. Das Pendel selbst befindet sich in einer Zelluloidhaube, damit es dem Luftzug vollständig entzogen ist. Die Entfernung der Skala von dem Spiegel beträgt 2 m. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann man die Weite der Schwingungen leicht messen und beobachten, wie die Dämpfung der Amplituden je nach der Natur des untersuchten Metalles wechselt. Die Logarithmen der Amplituden aufeinanderfolgender Schwingungen befinden sich in arithmetischer Progression. Ein geeignetes Kennzeichen zur Feststellung der Schwingungsdämpfung: ist die Differenz der Logarithmen der Amplitude nach einer und nach 100 Schwingungen. Man kann annehmen, daß die Dämpfung der Amplitude durch die Energieabsorption des Pendels durch die Ränder des Eindrucks hervorgerufen wird, die den Wechsel- und Verformungsbeanspruchungen der Kugel ausgesetzt sind. Die sogenannte „Dämpfungscharakteristik“ steht in keinem Verhältnis zu der Härte der Probestücke. Die Ergebnisse einiger auf die Dämpfungscharakteristik untersuchten Probestücke sind beispielsweise folgende: Zink 3.89, Glas 2.53, Gußeisen 1.33, Aluminium 0.87, Duralumin 0.68, Aluminium-Bronze 0.49, Marinebronze 0.39. Die diesbezüglich für Glas. Duralumin, Gußeisen und Marinebronze aufgestellten Kurven zeigen einen Wechsel in der logarithmischen Progression nach einer gewissen Anzahl von Schwingungen. Der Grund zu dieser Erscheinung ist noch ungeklärt, ebenso ist bisher noch kein Verhältnis zwischen dieser Dämpfung der Pendelschwingungen und den sonstigen bekannten Eigenschaften der Metalle erfunden worden; doch ist es möglich, daß hier eine Energieabsorption infolge einer mechanischen Hysteresis und vielleicht auch infolge einer Ermüdung des Metalles stattfindet. Zur Messung der Härte mit dem Herbert-Pendel an Maschinenbaustücken großer Abmessungen und auch an inneren Bohrungen (z.B. das Innere von Kanonenrohren, Lager u.a.m.) werden besonders große Pendel gebaut, die 24 kg wiegen und es gestatten, Versuche an Zylinderstücken von bis zu 760 mm Durchmesser vorzunehmen. Hinsichtlich der praktischen Verwendung des neuen Härteprüfers läßt sich nicht leugnen, daß die Einstellung seiner Schwerpunktslage mitunter mit gewissen Schwierigkeiten verbunden ist. Es bestände demnach nach Nicolau zwecks Erleichterung der Einstellung des Apparates ein großes Interesse, daß jede Verstellung des Prüfapparates unmöglich, daß die Einstellung des Gleichgewichtes und die der Schwerpunktslage durch eine sinnreiche Aenderung der Organe fast ganz unabhängig gemacht und schließlich, daß der Gang der Einstellschraube so schwach wie möglich würde. Es hat sich auch ergeben, daß die Ergebnisse an den gleichen Prüfkörpern bei verschiedenen Beobachtern nicht immer gleich ausfallen, so daß oft die Geschicklichkeit und Bedienung seitens des Beobachters eine große Rolle spielt. Dagegen sind die Härtewerte unabhängig von der Politur des Versuchsstückes vorausgesetzt, daß seine Oberfläche geblattet worden ist wie bei Ausführung des Brinellhärte-Versuchs. Dem Zeithärte-Versuch kommt nach Nicolai eine größere Bedeutung zu als dem Winkelhärteversuch; auch ist seine Ausführung einfacher und die dabei erhaltenen Werte zuverlässiger und einheitlicher. Eine umständliche Zubereitung der Probestücke ist nicht notwendig. Der Wert des Zeithärte-Versuchs kann von zwei Gesichtspunkten aus vorgesehen werden: a) Kontrolle der thermischen Behandlung, Erkenntnis oder Einteilung der Prüfkörper, wenn ihre äußere Form derartig ist daß die sonstigen Prüfverfahren mit statischem Eindruck oder durch Schlag nicht zur Anwendung kommen können, sei es weil das Stück durch einen Kugeleindruck nicht beschädigt werden darf, sei es weil das Stück von zu schwacher Masse oder Dicke ist. Der Zeit-Härteversuch stellt bei diesen Anwendungsfällen einen Wert von bleicher Bedeutung desienigen dar den der Kugeldruckversuch bei geringem Durchmesser und schwachem Druck liefert: b) Kontrolle und Einteilung- der Körner, die von Natur aus oder infolge ihrer Behandlung eine große Härte aufweisen. Durch die Prüfung mit dem Herbert-Pendel-Härteprüfer ist es auf dem Gebiet der Metallurgie möglich geworden, u.a. die zementierten und gehärteten Stähle einzuordnen, welche Frage hei dem Kugeldruck-Versuch nicht einwandfrei gelöst werden kann. Die Härteprüfung nach Rockwell bewertet die Härte eines Körners als Funktion des Eindringens in das Probestück eines Körpers, der härter ist als das Probestück selbst. Der Eindringungskörper kann sein entweder kegelförmig oder eine Kugel von 1/16 Zoll (1.58 mm) oder von ⅛ Zoll (3.16 mm). Eine Vergleichsvorrichtung mißt die Tiefe der Eindrücke, welche Angaben unmittelbar den Härtegrad nach der Rockwell-Härte anzeigen. Der kegelförmige Eindringungskörper aus Diamant wird bei einer Gesamtbelastung von 150 kg verwendet, die 1.58-Kugel für 100 kg und die 3,16-Kugel für 150 kg. Der letzten bedient man sich auch bei weichen Probestücken unter einer Last von 60 kg. Der Prüfstoff wird auf das Tragstück aufgesetzt und mit dem Eindringungskörper in Berührung gebracht, indem man gleichzeitig die vertikale Bewegung bis zum Verschwinden eines Merkzeichens beobachtet. In diesem Augenblick hat man in dem oberen Teil der Maschine eine Feder zusammengedrückt, die einen Druck von 10 kg auf den Eindringungskörper ausübt. Die Vergleichsvorrichtung wird vorsichtig auf 0 eingestellt und die etwaige Korrektur durch Verstellen des Zifferblattes vorgenommen. Sodann rückt man ein Gewicht am unteren Maschinenteil durch Vermittlung verschiedenen Hebel aus, das die vorhin von der Feder ausgeübte Last von 10 kg nach Belieben auf 100 bzw. 150 kg erhöht. Das Fallen des Hebels hat in etwa 5 Sekunden zu erfolgen. Nach dem Stürzen des Gewichtes wird dieses durch ein Handrad wieder hochgerichtet, so daß nur noch die Belastung von 10 kg seitens der Feder auf den Prüfkörper wirkt. Diese Last gibt jetzt genau die Eindringungstiefe an, die man nunmehr ablesen kann. Diese Art Messung beruht auf folgender Betrachtung: durch die Belastung mit dem verhältnismäßig schwachen Gewicht von 10 kg erhält der Prüfkörper einen Eindruck der Tiefe d; die Vergleichsvorrichtung wird dann wie oben angegeben auf 0 eingestellt! Durch die folgende ergänzende Belastung mit dem Hauptgewicht erfolgt ein weiteres Eindringen in den Körper bis zur Eindringungstiefe D und eine gegebene Abweichung der Nadel an dem Zifferblatt. Wird nun das letzte Gewicht wieder zurückgenommen, so steigt die Tiefe der Eindringung vermöge der Elastizität des zu prüfenden Körpers um eine Größe t. Durch Ablesen von D und t erhält man die Härte T, nämlich T = D – t. Die Ausführung der Versuche erfordert keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen; auch die Versuchsstücke selbst brauchen nicht vorbereitet zu werden, wie dies bei den anderen Prüfverfahren erforderlich ist. Von Interesse dürfte die folgende Aufstellung sein, die Vergleichsergebnisse über Brinell-, Rockwell-, Herbert- und Shore-Härteprüfversuche enthält. Die Brinellversuche wurden mit einer 10-mm-Kugel bei einer Belastung von 300 kg ausgeführt, während es sich bei den Herbert-Versuchen um Zeithärte-Versuche handelt. Versuche nach den Verfahren von Brinell Rockwell Herbert Shore Kegel/150kg 1,58/100kg 3,16/150kg   90   –   48   60 14,7 20,3 120   –   65   74 17 22 140   –   72   83 19 25 150   1   78   89 20,5 29,4 160   0   78   91 21 28,3 170   1   83   93 20,8 30 180   7   86   94 22,5 32 190   8   87   97 24,2 32 200 11   90   98 25 35,5 250 24   98 107 28,5 46 260 25 101 110 30 46,7 320 32 107 114 – – 380 40 111 117 – – 460 46 116 120 48,1 70,5 510 52 119 122 56,5 76,6 540 56 120 124 56 79 600 60 121 125 69 80 650 62 122 126 75 93 710 66 124 127 75 98 Die Rockwellmaschine erhebt nicht den Anspruch, die Brinellpresse zu verdrängen, dürfte aber auf Grund ihrer schnellen Arbeitsweise in der Werkstatt gute Dienste leisten. Namentlich ist sie bei der Untersuchung kleiner Stücke am Platze, die ein Kugeleindruck mit der Brinellmaschine unbrauchbar machen würde; ebenso kann man sie bei zementierten und gehärteten Stücken heranziehen. Ein anderer, nicht zu unterschätzender Vorteil besteht darin, daß sie von der Geschicklichkeit des Beobachters unabhängig und seiner Beeinflussung nicht ausgesetzt ist. Die Maschine ist leicht zu bedienen, kann schon nach einigen Minuten Anlernzeit von einem Unerfahrenen gehandhabt werden. Schrifttum: R. Mouillac, Le pendule Herbert pour essais de dureté (Revue de Métallurgie, XXII, S. 223/37); L. Guillet u. J. Galibourg, Quelques résultats d'essais au pendule Herbert (Revue de Métallurgie, XXII, S. 238/44){ P. Nicolau, Remarques sur l'emploi du pendule Herbert (Revue de Métallurgie, XXII, S. 245/50); M. Nicollet, La mesure de la dureté au moyen de la machine Rockwell (Revue de Métallurgie, XXIII, S. 575/80). Dr.-Ing. Kalpers.