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In der industriellen Welt, insbesondere in den Bereichen Metallurgie und Materialwissenschaft, ist die genaue Messung der Härte von entscheidender Bedeutung. Denn das Verständnis darüber, wie widerstandsfähig ein Bauteil gegen Abrieb, Stoß oder Verformung ist, beeinflusst direkt seine Lebensdauer und Sicherheit.
Der Vickers-Test bietet selbst bei mikroskopischen Maßstäben eine hohe Genauigkeit. Das macht ihn zu einer unverzichtbaren Methode in der modernen Ingenieurpraxis. Das Messprinzip ist einfach: Eine diamantförmige Pyramiden- Spitze wird mit einer bestimmten Kraft auf die Materialoberfläche gedrückt, und die entstandenen diagonalen Eindrücke werden vermessen, um die Härte zu berechnen. Diese Einfachheit schließt jedoch nicht aus, dass die Ergebnisse äußerst reproduzierbar und zuverlässig sind.
Einer der wichtigsten Unterschiede des Vickers-Tests ist, dass sowohl die Form der Prüfspitze als auch die angewandte Last über einen weiten Bereich variiert werden können. So können sowohl Mikro- als auch Makrohärtemessungen durchgeführt werden. Diese Flexibilität ermöglicht die Anpassung des Tests an viele verschiedene Materialien und Anwendungen.
Stellen Sie sich eine Prüfmethode vor, die auch nach über einem Jahrhundert noch gültig ist und weiterhin als eines der grundlegenden Werkzeuge der modernen Materialwissenschaft verwendet wird. Genau das ist die Vickers-Härteprüfung.
Wann und von wem wurde sie entwickelt?
Die Vickers-Härteprüfung wurde im Jahr 1921 vom britischen Unternehmen Vickers Ltd. entwickelt. Die beiden Ingenieure, die hinter diesem Test standen – Robert L. Smith und George E. Sandland – suchten nach einem neuen Messsystem, das den damaligen Anforderungen gerecht wird.
Die Brinell-Methode war weit verbreitet, hatte jedoch Einschränkungen, da sie große Lasten erforderte und insbesondere bei dünnen Bauteilen keine verlässlichen Ergebnisse lieferte.
Das Ziel von Smith und Sandland war es, eine präzisere, flexiblere und auf einem breiteren Materialspektrum anwendbare Härteprüfung zu entwickeln. Und sie haben es geschafft. So wurde der Vickers-Test von diesem Zeitpunkt an nicht nur als Alternative, sondern in vielen Fällen als bevorzugte Methode eingesetzt.
Verbreitung in der Industrie
Ab den 1930er Jahren begann der Vickers-Test sich schnell in metallurgischen Laboratorien Europas zu verbreiten.
Insbesondere in der Nachkriegszeit, als die industrielle Produktion gegenüber der Verteidigungsindustrie an Bedeutung gewann, entstand der Bedarf, vielfältigere und empfindlichere Materialien zu prüfen. Dies brachte die Vorteile des Vickers-Tests noch stärker zur Geltung.
Ab den 1980er Jahren entwickelten sich die Vickers-Prüfgeräte mit der Einführung digitaler Mikroskope und automatischer Kraftregelungssysteme weiter. Heutzutage arbeiten viele moderne Geräte mit digitaler Belastung, automatischer Eindruckmessung und computergestützten Analysesystemen.
Darüber hinaus wurde diese Methode international anerkannt, da Normungsorganisationen wie ISO und ASTM die Prüfverfahren standardisierten, was zu einer weltweit einheitlichen Sprache führte.
Bei der Auswahl eines Härteprüfverfahrens sind neben Materialart, Größe und Oberflächenzustand vor allem die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der gewonnenen Daten entscheidend. Hier zeigt sich der Vickers-Test in vielerlei Hinsicht als überlegen. Die Gründe, warum er sowohl im Labor als auch in der Produktion bevorzugt wird, liegen in seinen Vorteilen:
Anwendbar bei sehr kleinen und dünnen Materialien
Brinell- und Rockwell-Tests stoßen bei Materialien unterhalb bestimmter Größen oft an ihre Grenzen. Da sie große Eindrücke hinterlassen, können kleine Bauteile beschädigt werden oder es sind keine genauen Messungen möglich.
Der im Vickers-Test verwendete diamantförmige Pyramidenstempel kann mit sehr kleinen Lasten (z. B. 1 gf) angewandt werden. Dies ist für Forscher, die auf Mikromaßstäben arbeiten, oder Hersteller, die empfindliche Bauteile prüfen, eine große Erleichterung.
Anwendbar auf Mikro- und Makromaßstäben
Der Vickers-Test erlaubt durch die große Einstellbarkeit der Kraft sowohl Mikro- als auch Makrohärtemessungen:
• Mikro-Vickers: Mit geringen Lasten (1 gf – 1 kgf), hinterlässt sehr kleine Eindrücke.
• Makro-Vickers: Mit höheren Lasten (1 kgf – 100 kgf), geeignet für größere Werkstücke.
Diese Flexibilität ermöglicht die Anwendung desselben Prüfprinzips auf Bauteile unterschiedlicher Größe. Da die Prüfspitze unverändert bleibt, wird die Einheitlichkeit der Methode gewahrt.
Test mit einheitlicher Spitze bei unterschiedlichen Lasten
Im Rockwell-Test werden für jede Härteskala unterschiedliche Spitzen und Lasten verwendet. Dies führt zu komplexen Prüfverfahren und erfordert Geräteeinstellungen.
Im Gegensatz dazu wird im Vickers-Test für alle Lasten nur eine diamantförmige Pyramiden-Spitze verwendet. Dies vereinfacht die Prüfabläufe und reduziert Bedienfehler.
Außerdem erlaubt es konsistente Vergleiche zwischen verschiedenen Werkstoffen. Da nur die Last variiert wird, bleibt die Vergleichbarkeit der Daten erhalten.
Hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit durch Eindruckmessung
Die Messung beim Vickers-Test erfolgt durch das Messen der diagonalen Länge des Eindrucks unter dem Mikroskop. Das ermöglicht besonders bei der Detailuntersuchung der Oberflächenhärte eine hohe Präzision.
Im Gegensatz zu Tests, bei denen direkt vom Gerät abgelesen wird, wird hier über die Eindruckgröße berechnet. Dadurch können Einflüsse wie Oberflächenrauheit, lokale Fehler oder plastische Verformungen besser kontrolliert werden.
Anwendbar auf ein breites Materialspektrum
Der Test kann nicht nur auf Metallen, sondern auch auf Keramiken, Verbundwerkstoffen, polymerbasierten technischen Werkstoffen, Beschichtungen und mehr angewandt werden.
Ob ein Werkstoff weich oder sehr hart ist – durch die Wahl der passenden Last lässt sich mit dem Vickers-Test seine Härte bestimmen.
Bei Härteprüfungen sind die drei am häufigsten verwendeten Methoden Vickers, Brinell und Rockwell. Jede basiert auf unterschiedlichen Prinzipien, bietet verschiedene Vorteile und ist für unterschiedliche Anwendungen geeignet. Besonders in Bezug auf Präzision und breite Anwendbarkeit sticht der Vickers-Test hervor.
1. Unterschiede im Prüfverfahren
• Vickers: Eine vierseitige diamantförmige Pyramiden-Spitze wird mit definierter Kraft auf die Oberfläche gedrückt. Die diagonalen Eindrucklängen werden mikroskopisch vermessen, um den Härtewert zu berechnen.
• Brinell: Eine harte Stahl- oder Wolframkarbidkugel wird mit definierter Kraft auf die Oberfläche gedrückt. Der Durchmesser des kreisrunden Eindrucks wird gemessen, um die Härte zu bestimmen.
• Rockwell: Eine diamantförmige Kegelspitze oder Stahlkugel drückt zunächst mit einer Vorlast, danach wird die Hauptlast aufgebracht. Der Härtewert wird direkt vom Gerät anhand des Eindringmaßes abgelesen.
2. Verwendete Spitzenarten und Lastbereiche
• Vickers: Einheitliche diamantförmige Pyramiden-Spitze; Last einstellbar von 1 gf bis 100 kgf.
• Brinell: Meist 10 mm große Stahl- oder Wolframkarbidkugel; Last meist zwischen 500 und 3000 kgf.
• Rockwell: Verschiedene Skalen (HRC, HRB, HRA usw.) mit verschiedenen Spitzen und Lasten je nach Materialart.
3. Welche Methode eignet sich für welche Anwendung?
• Vickers: Ideal für sehr kleine Teile, dünne Beschichtungen, gehärtete Oberflächen oder sensible Bereiche. Mikro- und Makromessungen möglich.
• Brinell: Geeignet für größere und homogene Metallteile, häufig bei Gusseisen und weichen Stählen.
• Rockwell: Bevorzugt in Serienfertigungen für schnelle, direkte Härteablesung. Oberfläche sollte glatt sein, Werkstückdicke angemessen.
4. Messgenauigkeit und Einfluss der Oberflächenvorbereitung
• Vickers: Sehr hohe Genauigkeit durch mikroskopische Messung; Oberfläche muss gut vorbereitet sein.
• Brinell: Oberfläche sollte sehr eben sein; großer Eindruck kann Oberfläche beschädigen.
• Rockwell: Weniger empfindlich gegenüber Oberflächenvorbereitung, aber Schmutz oder starke Rauheit kann das Ergebnis verfälschen.
Der Vickers-Härte-Test ist aufgrund seiner hohen Genauigkeit und breiten Anwendungsmöglichkeiten in vielen verschiedenen Branchen eine bevorzugte Methode. Die Anwendungsbereiche sind sehr vielfältig, da der Test sowohl für Mikro- als auch für Makrohärtemessungen geeignet ist und somit zuverlässige Ergebnisse bei einer großen Bandbreite von Materialtypen und -formen liefert.
Hauptbranchen, in denen der Test verwendet wird:
• Luft- und Raumfahrtindustrie
In dieser Branche, die hochfeste und leichte Materialien verwendet, wird der Vickers-Test besonders häufig zur Härteprüfung von speziellen Metallen wie Titan- und Nickelbasis-Superlegierungen eingesetzt.
• Automobilindustrie
Hier wird der Test oft im Qualitätskontrollprozess von Motorenteilen, Zahnrädern, Lagern und anderen Bauteilen unter hoher Beanspruchung verwendet. Die Verschleißfestigkeit und Oberflächenhärte der Teile werden mit diesem Test bestätigt.
• Medizin- und Biomedizintechnik
Der Vickers-Test wird verwendet, um die Oberflächenhärte biokompatibler Materialien in Implantaten, Prothesen und chirurgischen Instrumenten zu prüfen. Besonders Titanlegierungen und rostfreie Stähle können so auf ihre mikrostrukturellen Eigenschaften untersucht werden.
• Elektronik- und Mikroelektronikindustrie
Bei sehr kleinen Bauteilen, insbesondere bei Dünnschichtbeschichtungen und mikro-mechanischen Komponenten, ist die Mikro-Vickers-Prüfung die ideale Lösung zur Oberflächenhärtemessung.
• Keramik- und Verbundwerkstoffe
Der Test ist auch effektiv zur Bewertung von Materialien mit hoher Härte, aber spröder Struktur. In Kombination mit Bruchzähigkeitsanalysen hilft der Vickers-Test, die Leistungsfähigkeit solcher Werkstoffe zu beurteilen.
Anwendbare Materialarten:
• Stahl und Legierungen
• Metalle wie Aluminium, Titan, Kupfer
• Gehärtete oder oberflächenbehandelte Werkstoffe
• Keramiken und Karbide
• Dünnschichtbeschichtungen
• Biomedizinische Legierungen
• Verbundwerkstoffe
• Polymerbasierte technische Werkstoffe (im Mikromaßstab)
Die große Materialvielfalt, auf die der Vickers-Test angewendet werden kann, macht ihn sowohl in der Produktion als auch in der Forschung und Entwicklung unverzichtbar. Unabhängig von Größe, Form oder Oberflächenbeschaffenheit des Materials können mit passenden Prüfparametern verlässliche Härtewerte ermittelt werden.
Die zuverlässigen und reproduzierbaren Ergebnisse des Vickers-Tests hängen von der korrekten Durchführung ab. Der Ablauf ist nicht so einfach, wie er erscheint, denn jede Stufe erfordert hohe Aufmerksamkeit, eine geeignete Oberflächenvorbereitung und die richtige Ausrüstung.
Nachfolgend finden Sie die Anwendungsschritte des Vickers-Tests im Detail:
1. Prüfgeräte und Ausrüstung
Die grundlegenden Geräte für die Vickers-Härteprüfung sind:
• Diamant-Pyramiden-Prüfspitze: Eine vierseitige Diamantspitze mit einem Winkel von 136°. Bleibt während des Tests unverändert und wird nicht ausgetauscht.
• Kraftaufbringungssystem: Kann manuell, motorisch oder digital gesteuert sein. Die Kraft ist im Bereich von 1 gf bis 100 kgf einstellbar.
• Mikroskop / optische Messeinheit: Wird zur Messung der diagonalen Eindrucklängen nach der Belastung verwendet. Das Mikroskop ist meist in das Prüfgerät integriert.
• Probenhalter: Sorgt für eine stabile und ebene Fixierung der Probe, besonders wichtig bei kleinen Proben.
• Oberflächenvorbereitungsgeräte: Schleif-, Polier- und Reinigungswerkzeuge, da die Oberfläche glatt und reflektierend sein muss.
2. Vorbereitung der Prüfoberfläche
Viele Fehler entstehen vor der eigentlichen Prüfung, deshalb ist die Oberflächenvorbereitung kritisch:
• Die Oberfläche muss sauber, fettfrei und trocken sein.
• Schleifen und Polieren sorgen für eine glatte und spiegelnde Oberfläche.
• Raue oder verschmutzte Oberflächen führen zu fehlerhaften Ergebnissen.
• Bei sehr dünnen oder weichen Materialien ist besonders vorsichtig zu arbeiten, um die Oberfläche nicht zu beschädigen.
3. Angewandte Kraft (Last)
Der Vickers-Test ist flexibler als andere Verfahren, da eine breite Lastspanne möglich ist:
• Lasten von 1 gf bis 100 kgf können je nach Prüfgerät gewählt werden.
• Die Last sollte entsprechend dem Testziel und dem Material ausgewählt werden.
• Für Mikromessungen werden niedrigere Lasten bevorzugt (z. B. 25 gf).
• Für größere und dickere Werkstücke sind Lasten im Bereich von 10 bis 50 kgf üblich.
Die Einwirkdauer der Last beträgt üblicherweise 10 bis 15 Sekunden, wie es in den Normen ASTM E384 und ISO 6507 festgelegt ist.
4. Prüfablauf
Die einzelnen Schritte sind einfach, aber erfordern Präzision:
• Schritt 1: Die Probe wird auf dem Tisch des Geräts fixiert.
• Schritt 2: Die geeignete Last wird ausgewählt und eingestellt.
• Schritt 3: Die Diamant-Pyramiden-Spitze wird senkrecht mit der definierten Kraft auf die Oberfläche gedrückt.
• Schritt 4: Die Spitze bleibt für die festgelegte Zeit (z. B. 15 Sekunden) auf der Oberfläche.
• Schritt 5: Die Spitze wird angehoben und der entstandene Eindruck unter dem Mikroskop betrachtet.
• Schritt 6: Die Längen der diagonalen Eindrücke (d1 und d2) werden mit dem Mikroskop gemessen.
• Schritt 7: Aus dem Mittelwert dieser Längen wird der Härtewert berechnet.
Der Vickers-Härtewert basiert auf der Messung der diagonalen Eindrucklängen, die durch die angewandte Kraft entstehen. Der finale Wert wird nicht nur beobachtet, sondern mit einer präzisen mathematischen Formel berechnet, was Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sicherstellt.
Verwendete Formel:
HV = 1,854 × (F / d²)
Dabei gilt:
• HV: Vickers-Härtewert
• F: Angewandte Kraft in Kilogramm-Kraft (kgf)
• d: Durchschnitt der beiden diagonalen Eindrucklängen in Millimetern (mm)
• 1,854: Konstantenfaktor, spezifisch für die diamantförmige Pyramiden-Spitze
Die Formel basiert auf der Division der Kraft durch die Fläche des Eindrucks. Da die Geometrie der Spitze konstant ist, kann die Fläche durch das Quadrat der diagonalen Länge dargestellt werden.
Beispielrechnung:
Situation:
Eine Probe wird mit einer Kraft von 1 kgf belastet. Die gemessenen diagonalen Eindrücke betragen 0,062 mm und 0,060 mm.
• Schritt 1: Durchschnitt berechnen
d = (0,062 + 0,060) / 2 = 0,061 mm
• Schritt 2: Formel anwenden
HV = 1,854 × (1 / 0,061²) = 1,854 × (1 / 0,003721) ≈ 1,854 × 268,71 ≈ 498,3 HV
Das Ergebnis zeigt, dass die getestete Oberfläche eine Härte von ca. 498 HV besitzt, was typisch für wärmebehandelte Stähle ist.
Die Zuverlässigkeit eines Härteprüfverfahrens hängt nicht nur von der korrekten Durchführung ab, sondern auch von der Einhaltung bestimmter Normen. Diese Normen definieren unter anderem die Prüfbedingungen, Gerätespezifikationen, Messtoleranzen und Berichtswesen klar und verbindlich.
Die Vickers-Härteprüfung wird weltweit hauptsächlich nach zwei Normen durchgeführt:
Die ISO 6507 legt die internationalen Regeln für die Vickers-Härteprüfung fest und besteht aus mehreren Teilen:
• ISO 6507-1: Allgemeine Prüfprinzipien, Eindruckmessung, Berechnungsmethode
• ISO 6507-2: Kalibrierung und Validierungsverfahren der Prüfeinrichtungen
• ISO 6507-3: Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Prüfergebnisse
• ISO 6507-4: Genauigkeit und Anwendung automatischer Geräte
Diese Norm definiert detailliert, wie der Vickers-Test in Laboren und Qualitätskontrollen durchzuführen ist, mit besonderem Fokus auf Kraftdauer, Eindrucksymmetrie und Geräteeigenschaften.
Die ASTM E384 ist die grundlegende Norm für Mikro- und Makro-Vickers-Härtemessungen in den USA. Sie behandelt insbesondere:
• Prüfverfahren
• Mikrohärtemesstechniken
• Toleranzen bei der Eindruckmessung
• Einfluss des Bedieners und Gerätekalibrierung
ASTM E384 zielt insbesondere darauf ab, Bedienerfehler bei Mikromessungen zu minimieren.
a) Vergleichbarkeit der Ergebnisse
Für international tätige Unternehmen müssen Prüfergebnisse auch in anderen Ländern gültig und nachvollziehbar sein.
Ohne normgerechte Prüfungen wird ein Vergleich mit Messungen anderer Labore unmöglich.
b) Qualitätssicherung und Zertifizierung
Unternehmen, die Produktzertifizierungen nach Qualitätsstandards wie ISO 9001 oder IATF 16949 durchführen, sind verpflichtet, alle Prüfungen normgerecht durchzuführen.
Andernfalls können Produktzertifikate ihre Gültigkeit verlieren.
c) Unumstrittene Datenbasis
Härte ist eine kritische Eigenschaft, die bei der Annahme oder Ablehnung von Produkten entscheidet.
Die Zuverlässigkeit dieser Daten wird nicht nur durch den Einsatz korrekter Geräte, sondern auch durch Normkonformität sichergestellt.
