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EQUOTIP – Rückprallhärteprüfung nach D. Leeb

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EQUOTIP – Rückprallhärteprüfung nach D. Leeb
Michael Kompatscher
Proceq SA, CH-8603 Schwerzenbach/Zürich, Schweiz
Abstract − Härteprüfung ist seit jeher bedeutend, um spezifische mechanischen Eigenschaften von
Materialien in rascher und preiswerter, d.h. (fast) zerstörungsfreier Art und Weise zu ermitteln.
Dieser Artikel konzentriert sich auf die jüngste etablierte Prüfmethode, die dynamische
Rückprallmessung nach D. Leeb. Das EQUOTIP1, Leeb’s Original-Gerät, wird ausführlich
diskutiert und die neuesten Verbesserungen vorgestellt.
Stichwörter: EQUOTIP, dynamische Härte, tragbare Härteprüfung, Rückprallhärte.
1 Einleitung
Härteprüfungen sind wichtig in der Materialforschung und in industriellen Produktionen, da
mechanische Materialeigenschaften schnell und preiswert überprüft und verglichen werden können.
So haben verschiedene, spezifische Materialbehandlungen wie Legieren, Kalt- und Warmverformen
oder Wärmebehandeln einen starken Einfluss auf den Endzustand der Produkte und ihre
mechanische Eigenschaften. Härteprüfungen liefern ein geeignetes und zuverlässiges Mittel, um
Materialeigenschaften oder Herstellungsprozesse gezielt zu optimieren und um bestimmte
Vorgaben in einer abschliessenden Qualitätskontrolle zu überprüfen.
Die Bezeichnung “Härte” kann als Fähigkeit eines Materials definiert werden, sich der dauerhaften
Verformungen durch einen aufgebrachten Eindringkörper zu widersetzen. Noch allgemeiner ist die
Beschreibung als “Härte ist die Antwort eines Materials auf das druckhafte Eindringen eines
härteren Körpers“ [1]. Im Allgemeinen besteht eine Härteprüfung darin, einen Eindringkörper
bekannter Geometrie und mechanischer Eigenschaften unter vordefinierten Bedingungen in das
Prüfmaterial einzupressen.
Verschiedene Härteprüfmethoden wurden entwickelt und den vielfältigen Prüfanforderungen
angepasst. Das Hauptaugenmerk ist dabei immer die Vergleichbarkeit der Prüfresultate auf
eindeutiger Messbasis, einer akzeptierten Referenz. Da Härte von der Prüfmethode und der
Definition ihrer jeweiligen Prüfparameter abhängig ist, spricht man beim Härtewert von einem
Kennwert und nicht von einer fundamentalen (physikalischen) Eigenschaft des Materials. Deshalb,
ist es sehr wichtig das Gerät und die Prüfparameter genau vergleichbar festzulegen. Vor etlichen
Jahrzehnten entstanden daher schon erste Vereinbarungen auf lokaler und regionaler Ebene. Auf
internationaler Ebene konnten in den letzten Jahrzehnten vermehrt Erfolge bei der Harmonisierung
der jeweiligen Normen erzielt werden.
Die normierte Härteprüfverfahren nach dem statischen Brinell, Vickers und Rockwell Verfahren als
auch dem dynamischen Leeb Verfahren sind die am meisten angewandten Verfahren. Jedes
Verfahren erlaubt die Darstellung der Ergebnisse in mehreren, verschiedenen Skalen wie Rockwell
C oder B, HV5 oder HV100. Die Skalendefinition ist abhängig von der Methode und den
verwendeten Prüfparametern (Eindringkörpertyp und Form, Art und Grösse der Lastaufbringung).
Andere Härteprüfmethoden kommen zu diesen Werten auf indirektem Wege mittels
Vergleichsmessung.
Die klassischen, stationären Prüfungen nach Brinell, Vickers und Rockwell sind gut etabliert.
Sobald jedoch grössere oder schwerfällige Stücke zu prüfen waren, die nicht in normale
1
EQUOTIP ist ein eingetragener Markenwert der Proceq SA.
Prüfmaschinen passten und schwer zugänglich waren, fehlten geeignete Alternativen. Prüfstücke in
festen eingebauten Strukturen oder solche, die das Prüfen in eine andere als vertikale Richtung
benötigten, machten das Forschen nach tragbaren Lösungen unentbehrlich. Vergleichende
Prüfgeräte wie solche nach dem UCI-Verfahren oder nach dem Scherstift- und Poldi-Verfahren
wurden anfänglich benützt. Grundsätzlich zeigte jedoch die dynamische Härteprüfung dank
praktischer Handhabe, schneller und einfacher Anwendung und höchster Wiederholgenauigkeit die
beste Eignung [2-4]. Die Anwendung dieser tragbaren Härteprüfer war zunächst auf Prüfstücke, die
nicht auf die Prüfungsmaschine gebracht werden konnten, eingeschränkt. Unterdessen haben
tragbare Prüfgeräte längst ihre Fähigkeiten bei der Laborbenützung erwiesen.
2 Leebs Erfindung
Dietmar Leeb hat in den frühen 70er Jahren die verschiedenen Lösungen der tragbaren
Härteprüfung wie das Baumann-Steinrück, Schmidt und Shore Verfahren [5] studiert. Die am
meisten benützen Geräte waren die dynamisch Modelle, wo die Prüflast schlagartig aufgebracht
wird. Die Frage stellte sich, wie kann man den üblichen Anwendungsbereich durch flexiblere
Bedienung erweitern, ohne Messgenauigkeit zu verlieren, d.h. schnelles und bequemes Prüfen
unabhängig vom Benützer und der Prüfrichtung.
Das geniale Resultat war die Erfindung und erfolgreiche Produktion des EQUOTIP im Jahr 1975
(Bild 1), eines dynamischen Härteprüfverfahrens und dem gleichnamigen Prüfgerät [6]. Diese
Methode ist heute auch in Verbindung mit dem Erfindernamen bekannt als Härteprüfung bzw.
Rückprall-Härteprüfung nach D. Leeb. Das EQUOTIP ist heute das am meisten benützte tragbare
Härteprüfgerät. Benützer schätzen vor allem seine Flexibilität, einfache und schnell Handhabe und
die hohe Zuverlässigkeit der Prüfung über eine sehr lange Zeitspanne. Dank des hohen Nutzens –
sogar in überhängender Position – und der einwandfreien Prüfergebnisse bei der 100% Kontrolle
von Serienprodukten stellt man heute ein zunehmendes Bedürfnis der automatischen Prüfung mit
EQUOTIP fest.
Bild 1: Die ersten zwei Modelle der EQUOTIP Härteprüfgeräte. Links: Model 1975; rechts: Model rotes 6-kant
EQUOTIP, produziert zwischen1978 und 1990 (freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Proceq SA, Schweiz).
3 Das EQUOTIP Verfahren
Ein Schlaggerät (Bild 2) feuert einen Schlagkörper der einen Permanentmagneten und die
eigentliche, sehr harte Eindringkugel beinhaltet gegen die Oberfläche des Prüfmaterials ab. Die
Geschwindigkeit des Schlagkörpers wird während der drei Hauptprüfphasen aufgezeichnet;
i) der Vor-Aufprallphase, wo der Schlagkörper von der Federkraft gegen der Oberfläche des
Prüfstückes beschleunigt wird.
ii) der Aufprallphase, wo der Schlagkörper mit dem Prüfstück in Kontakt ist. Die harte Kugel des
Eindringkörpers verformt das Prüfmaterial elastisch und plastisch während sie selbst auch elastisch
verformt wird. Nach völliger Abbremsung des Schlagkörpers findet die elastische Rückstellung im
Prüfmaterial und im Schlagkörper statt und verursacht den Rückprall des Schlagkörpers.
iii) der Rückprallphase, wo der Schlagkörper das Prüfstück mit der Restenergie, die während der
Aufprallphase nicht verbraucht wurde, verlässt.
Leeb’s geniale Idee war die kontaktfreie Ermittlung der Geschwindigkeit des Schlagkörpers via
Induktionsspannung, welche vom Magneten erzeugt wird, der sich durch die auf dem Führungsrohr
montierte Induktionsspule bewegt. Diese Induktionsspannung ist direkt proportional zu der
Magnetgeschwindigkeit und somit des Schlagkörpers, der den Magneten beinhaltet.
Bild 3: Typisches Induktionssignal erzeugt vom
Permanentmagneten innerhalb des Schlagkörpers
während der drei Hauptphasen der EQUOTIP
Härteprüfung.
Bild 2: Schematische Skizze des EQUOTIP Schlaggerätes D.
Das eingeleitete Induktionssignal wird in einem elektronischen Anzeigegerät (Bild 3) registriert und
die Spannungen der jeweiligen Induktionsspitze werden dort weiterbearbeitet zu Leebs Härtewert,
dem L-Wert. Die Form des Induktionssignals ist für jedes Gerätemodell einmalig.
4 Der L-Wert
Der L-Wert, auch Leeb-Zahl oder Leeb-Härte (HL) genannt, ist einfach ausgedrückt gleich dem
Verhältnis von der Rückprallgeschwindigkeit vr zur Aufprallgeschwindigkeit vi des Schlagkörpers,
multipliziert mit 1000;
L=
ˆ
A
⋅1000 ∝
ˆ
B
v
v
r ⋅1000 .
i
(1)
Dabei sind die Scheitelwerte des induzierten Spannungssignals – gemessen an einer bestimmten
Stelle über der Prüfoberfläche – proportional zur Aufprall- bzw. Rückprallgeschwindigkeit.
Ein vollelastischer Rückprall (vr = vi) würde L = 1000 ergeben, da die gesamt eingebrachte Energie
elastisch wiederhergestellt wird und keine plastischen Verformungen stattfinden. Andererseits sinkt
der L-Wert mit reduzierter Materialhärte, da weniger Widerstand gegen plastische Verformung
vorhanden ist und viel Energie während des Eindruckvorganges für die Verformungsarbeit
verbraucht wird. Damit erklärt sich auch die Bezeichnung EQUOTIP, wo nämlich EQUO = Energie
QUOtient bedeutet.
Das Symbol der Härteskala L oder HL wird von einem Suffixsymbol charakterisiert, welches das
für die Prüfung verwendete Schlaggerät angibt, d.h. LD, LS, LG, … Wie bei allen Härteprüfungen
müssen die entscheidenden Geräte- und Prüfparameter innerhalb enger Toleranzen definiert sein, da
sie einen wesentlichen Einfluss auf das Prüfresultat haben. Die Hauptparameter der EQUOTIP
Härteprüfung, welche den L-Wert massgebend beeinflussen, sind;
a) die Aufprallenergie,
b) der Schlagkörper,
c) der Messpunkt für die Geschwindigkeit.
Die Schlagenergie (kinetische Energie des Schlagkörpers beim Aufprall auf die Oberfläche des
Prüfobjektes) ist durch seine Masse m und die Geschwindigkeit vi beim Aufprall definiert;
Ei =
m vi
2
2
.
(2)
Auch wenn die absolute Energie konstant gehalten wird, ergeben verschiedene Kombinationen von
Masse und Geschwindigkeit eine andere Antwort des Prüfmaterials auf die schlagartige
Beanspruchung und somit einen anderen L-Wert. Deshalb ist es auch notwendig, dass beide, Masse
und Geschwindigkeit, ganz genau definiert sind. Zudem strebte Leeb an, die Auswirkungen der
Schwerkraft und auftretender Reibungen auf die Aufprallgeschwindigkeit so klein als möglich zu
halten. Daher ist der Flugweg so kurz wie möglich gehalten, der Messpunkt befindet sich nahe der
Prüfoberfläche, Federkraft wird zur Beschleunigung des Schlagkörpers benützt und magnetische
und Wirbelstrom Einflüsse sind kontrolliert.
Der Schlagkörper ist für die L-Werte von höchster Bedeutung. Seine spezifischen Eigenschaften
sind das Resultat einer Kombination von bestimmten strukturellen Elementen;
- das Material, die Art und Form des Eindringkörpers, z.B. die kugelförmige Prüfspitze aus
Diamant des Schlaggerätes E.
- das Material, die Ausrichtung und Grösse des Permanentmagneten und seine Position innerhalb
des Schlagkörpers.
- das Material, die Festigkeit, Form und Grösse des Schlagkörpers im Ganzen.
- die Art und Weise wie diese verschiedenen Elemente miteinander kombiniert sind.
Das komplexe Zusammenspiel all dieser Parameter im Verlauf der Härteprüfung kann vereinfacht
unter dem Begriff “Gesamtelastizität“ (GE) zusammengefasst werden. Damit ist das
Gesamtverhalten des ganzen Schlagkörpers während des Aufpralles berücksichtigt. Die besonders
kritischen Elemente sind der E-Modul der individuellen Teile, ihre Geometrie und ihre Verbindung
untereinander. Das erklärt auch, warum seriöse Hersteller keine fragwürdigen Reparaturwerkzeuge
zum unkontrollierten Wechsel des Eindringkörpers anbieten.
Der Messpunkt für die Geschwindigkeit des Schlagkörpers hängt von der Position der
Induktionsspule auf dem Führungsrohr des Schlaggerätes ab. Beim Schlaggerät D liegt diese
Position ungefähr 1 mm über der Prüfoberfläche. Falls der Messpunkt zu nah ist, leidet die
Messreproduzierbarkeit, weil das Signal kurz nach dem Aufprall oft leicht gestört ist. Andererseits
wirken bei zu grosser Distanz interne Reibungen störend auf die Rückprallgeschwindigkeit vr. Auch
die Breite der gemessenen Signalkurve spielt eine Rolle, weil sie Auskunft über die Güte der
Proportionalität von Minimums-Werte B und Rückprallgeschwindigkeit vr gibt.
Zusammenfassend verkörpert der spezifizierte Schlagkörper mittels Aufprallgeschwindigkeit,
Schlagkörpermasse und Gesamtelastizität (vi, m, GE) die Eindringbeanspruchung und seine
Rückprallgeschwindigkeit vr gibt die Materialantwort auf diese Beanspruchung an. Daher sind alle
Informationen betreffs Härte vorhanden und der L-Wert ist ein geeignetes und direktes Mass für die
Materialhärte.
5 Anwendungen
Das EQUOTIP Verfahren ist sehr anerkannt in praktisch allen Industriezweigen, wo Metallteile
fabriziert, wärmebehandelt, maschinell nachbearbeitet und gewartet werden (siehe Bild 4 für
typische Anwendungen). Grosse, massive and dicke Prüfobjekten wie schwere Rollen, Werkzeuge
und Giessformen, Schienen und Gleise auf Werkzeugeinrichtungen, Kräne, Behälter, Rohrleitungen
und Motorblöcke sind klassischen Anwendungen.
Je nach Anwendung kann aus einer ganzen Familie von Schlaggeräten ausgewählt werden. Das
bisherige Standardschlaggerät D – für eine Grosszahl von Anwendungen geeignet – fand jüngst
Unterstützung durch das neue Schlaggerät S, welches denselben Anwendungsbereich besitzt, aber
überragende Eigenschaft betreffend Verschleiss der Prüfkugel hat. Die mindestens zehnfache
Lebensdauer gegenüber Schlaggerät D rechtfertigt die intensiven Entwicklungen für einen höheren
Nutzten bei umfangreichen und häufigen Messungen.
Die anderen Schlaggeräte unterscheiden sich bezüglich vereinfachter Zugänglichkeit (DC, DL) bei
schwierigen Prüfaufgaben und modifizierter Schlagenergie für massive, grobkörnige Gefüge von
Gussteilen (G) bzw. einsatzgehärtete Teile zur Prüfung der Randhärte (C). Schlaggerät E erweitert
den zugänglichen Messbereich nach oben dank der hohen Härte der verwendeten Diamantkugel.
Um die Anwendungsbereiche des EQUOTIP Gerätes auch für kleine, leichte und dünne Materialien
auszubauen, es ist auch möglich eine statische Prüfsonde zu benützen, die auch von Herrn Leeb
gemäss Rockwell Methode entwickelt wurde. Das Gerät empfiehlt sich für alle Metallsorten und
eignet sich sogar zur Prüfung von gekrümmten Oberflächen und auch an Orten die schwierig
erreichbar sind. Die Sonde R5, auch als EQUOSTAT bekannt, ist mit dem EQUOTIP Anzeigegerät
kompatibel (Bild 4, erstes Bild). Dadurch ist das EQUOTIP ein komplett tragbares Härteprüfsystem
geworden.
Die Eignung des jeweiligen Schlaggerätes bzw. der Sonde R5 für eine spezifische Anwendung
hängt von folgenden Kriterien ab:
- Material (Härte, Struktur, physikalische Eigenschaften)
- Masse und Dicke des Prüfstückes und Auflage der Prüfposition.
- Eigenschaften der Oberfläche (Rauhigkeit, Krümmung, Prüffläche)
- Erreichbarkeit der Prüfposition
- Eindrucksgrösse
Bild 4: EQUOTIP Anwendungen für tragbare und automatische Prüfmaschinen (freundlicherweise zur Verfügung
gestellt von Proceq SA, Schweiz).
Es ist generell empfohlen die Prüfung auf ruhenden Objekten genügender Masse und Grösse
auszuführen. Die Prüffläche soll mit Sorgfalt vorbereitet sein, da Wärmeerzeugung oder
Kaltumformen die Oberflächenhärte verändern könnten. Jede Härteprüfung ist eine lokale Prüfung,
d.h. das Resultat gilt nur für einen beschränkten Bereich. Um einen repräsentativen Mittelwert für
das ganze Prüfstück zu bekommen wird empfohlen, statistische Mittel zu Hilfe zu nehmen.
Will man Härtwerte von Prüfgeräten verschiedener Hersteller vergleichen, so lohnt es sich zu
überprüfen, ob diese auch auf verschiedenen Härteniveaus gleiche Resultate liefern. Internationale
Ringversuche haben gezeigt, dass es Hersteller gibt, deren dynamisches Rückprallgerät nach dem
Leeb Verfahren starke Abweichungen gegenüber dem Original EQUOTIP zeigen. Referenzblöcke
haben typischer Weise eine Härte von 700 bis 750 LD. Hier geben die meisten Geräte vergleichbare
Werte. Aber unterhalb und oberhalb dieses Härteniveaus können Abweichungen viel grösser (bis zu
40 LD) sein. Werden so grosse Unterschiede im L-Wert noch umgewertet, ist mit fatalen
Messfehlern zu rechnen. Die Resultate von solchen Geräten müssen als unglaubwürdig oder
fehlerhaft betrachtet werden [7]. Der Grund für solch drastische Abweichungen ist wohl in der
Auswahl der Materialien und in der Genauigkeit bei der Herstellung zu suchen.
Literatur
[1] D. Leeb, in VDI-Bericht No. 583, Düsseldorf, Deutschland, 1986, pp. 109-133.
[2] K. Borggreen, D.H. Hansen, J.V. Hansen, P. Auerkari, in Nordtest Technical Report 424 - Part
1, FORCE Institute, Copenhagen, Denmark, 1999.
[3] Borggreen, K., Tønder, P., Lorentzen, M.S., Hansen, J.V., Auerkari, P., in Nordtest Technical
Report 424 - Part 2, FORCE Institute, Copenhagen, Denmark, 1999.
[4] Borggreen, K., Tønder, P., Lorentzen, M.S., Hansen, J.V., Auerkari, P., in Nordtest Technical
Report 424 - Part 3, FORCE Institute, Copenhagen, Denmark, 1999.
[5] D.H. Leeb, in Härteprüfung an Metallen und Kunststoffen (Eds.: W.W. Weiler, D.H. Leeb, K.
Müller and D.M. Rupp), 2nd ed., Expert Verlag, Ehningen bei Böblingen, Deutschland, 1990,
Kapitel 6, p. 269.
[6] D.H. Leeb, in VDI-Bericht No. 308, Düsseldorf, Deutschland, 1978, pp. 123-128.
[7] M. Kompatscher, in 45th Mechanical Working and Steel Processing Conference Proceedings
(Ed.: M.A. Baker), Volume XLI, Iron&Steel Society, Chicago, November 9-12, 2003, pp. 309316.
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