Brinell Härteprüfung nach ISO 6506 & ASTM E10

Q: Warum wird eine Wolframkarbid-Kugel (HBW) verwendet?

Früher wurden gehärtete Stahlkugeln (HBS) verwendet. Da diese sich bei härteren Proben jedoch selbst verformen konnten, schreibt die aktuelle Norm ISO 6506 ausschließlich Kugeln aus Wolframkarbid vor. Das „W“ in der Angabe HBW steht für diesen Werkstoff und garantiert präzise Messergebnisse bis zu einer Härte von 650 HBW.

Q: Für welche Werkstoffe ist das Brinell-Verfahren am besten geeignet?

Brinell ist das Referenzverfahren für inhomogene Werkstoffe mit grobem Gefüge, wie zum Beispiel Gusseisen oder Schmiedestücke. Durch den vergleichsweise großen Eindringkörper wird ein größerer Bereich des Materials erfasst, wodurch lokale Gefügeunterschiede ausgeglichen werden und ein repräsentativer Mittelwert der Härte entsteht.

Q: Wie groß muss der Abstand zwischen den Prüfeindrücken sein?

Gemäß ISO 6506 muss der Abstand zwischen der Mitte eines Eindrucks und dem Rand der Probe mindestens das 3-fache des Eindrucksdurchmessers (d) betragen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Eindrücken muss ebenfalls mindestens das 3-fache von d betragen, um gegenseitige Kaltverfestigungen auszuschließen.

Q: Gibt es eine Mindestdicke für die Probe?

Ja. Die Dicke der Probe muss so gewählt werden, dass auf der Rückseite keine Verformung sichtbar ist. Als Faustregel gilt: Die Probendicke muss mindestens das 8-fache der Eindringtiefe betragen. Ist die Probe zu dünn, wird das Messergebnis durch die Härte der Unterlage verfälscht.

Q: Was ist der Unterschied zwischen Brinell und Vickers?

Während das Vickers-Verfahren eine Diamantpyramide nutzt und für fast alle Härtebereiche (besonders Kleinstlasten) geeignet ist, nutzt Brinell eine Kugel. Der Hauptvorteil von Brinell liegt in der besseren Mittelwertbildung bei ungleichmäßigen Materialien, während Vickers bei sehr harten Materialien oder dünnen Schichten überlegen ist.

Q: Wann muss die Einwirkdauer der Prüfkraft angepasst werden?

Die Standard-Einwirkdauer liegt bei 10 bis 15 Sekunden. Bei Werkstoffen, die unter Last zum Fließen neigen (z. B. Blei oder Zinn), muss die Dauer oft verlängert werden. In einem solchen Fall muss die Zeit zwingend im Härtewert angegeben werden (z. B. 100 HBW 5/250/30 für 30 Sekunden).

Die Brinell Härteprüfung ist ein weltweit etabliertes, optisches Prüfverfahren zur Bestimmung der Härte von Metallen. Hierbei wird eine präzise Hartmetallkugel mit einer definierten Prüfkraft (F) in die Oberfläche des Werkstücks eingedrückt. Der resultierende Härtewert (HBW) wird aus dem Verhältnis der Prüfkraft zur Oberfläche des bleibenden Eindrucks ermittelt. Dank des großen Eindruckbereichs eignet sich das Verfahren exzellent für inhomogene Werkstoffe wie Gusseisen oder Schmiedestücke.

Einordnung der Brinell Härteprüfung

Die Brinell-Härteprüfung ist eine Methode zur Bestimmung der Härte von Werkstoffen. Sie wird mit einem Brinell-Härteprüfgerät durchgeführt:

Normkonformität: Das Verfahren ist international nach ISO 6506 und ASTM E10 genormt, was eine weltweite Vergleichbarkeit der Härtewerte garantiert.
Vielseitiger Prüflastbereich: Mit einem Lastbereich von 1 bis 3.000 kgf deckt das Brinell-Verfahren sowohl den Kleinlastbereich als auch den Makrobereich (konventionelle Härteprüfung) ab.
Optisches Messprinzip: Als optisches Verfahren basiert die Ermittlung des Härtewertes auf der präzisen Vermessung der Eindruckgröße, die der Eindringkörper in der Probenoberfläche hinterlässt.
Präzisions-Eindringkörper: Verwendet wird eine Hartmetallkugel aus Wolframkarbid (HBW). Je nach gewählter Methode kommen Kugeldurchmesser von 1 mm, 2,5 mm, 5 mm oder 10 mm zum Einsatz.

Ablauf des Brinell-Härteprüfverfahrens

Die Brinell-Härteprüfung zählt zu den klassischen optischen Prüfverfahren zur Ermittlung der Werkstoffhärte. Dabei wird die Größe des bleibenden Eindrucks analysiert, den ein kugelförmiger Brinell-Eindringkörper auf der Oberfläche eines Bauteils hinterlässt. Im Gegensatz zum Vickers-Verfahren, bei dem ein pyramidenförmiger Prüfkörper zum Einsatz kommt, verwendet das Brinell-Verfahren eine Kugel als Eindringkörper – typischerweise aus Hartmetall.

Die Härte eines Materials ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen der aufgebrachten Prüfkraft und dem Durchmesser des Eindrucks. Je größer der Eindruck, den der Brinell-Eindringkörper bei konstanter Belastung hinterlässt, desto geringer ist die Materialhärte. Dieses Prüfverfahren eignet sich besonders für grobkörnige oder weiche Werkstoffe und liefert zuverlässige Ergebnisse bei der Bewertung der mechanischen Festigkeit.

Berechnung der Brinellhärte

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.

Brinell Methoden und Anwendungen

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.

Werkstoffgruppe	Belastungsgrad (Lastfaktor)	Beispiele Methoden	Härtebereich (HBW)
Stahl, Gusseisen, Eisen	30	HBW 10/3000, HBW 5/750, HBW 1/30	95,5 – 653
Kupfer- & Aluminiumlegierungen	10	HBW 10/1000, HBW 5/250, HBW 2,5/62,5	31,8 – 218
Kupfer, Alu (ohne Wärmebehandlung)	5	HBW 10/500, HBW 5/125, HBW 1/5	15,9 – 109
Leichtmetalle (weich)	2,5	HBW 10/250, HBW 5/62,5, HBW 2,5/15,625	7,96 – 54,5
Blei, Zinn	1	HBW 10/100, HBW 5/25, HBW 1/1	3,18 – 21,8

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).

Wie liest und stellt man einen Brinell-Härtewert dar?

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

dem numerischen Härtewert;
den drei Großbuchstaben HBW, die für „Härte nach Brinell“ (mit Hartmetallkugel aus Wolframkarbid) stehen;
dem Kugeldurchmesser in mm;
der eingesetzten Prüflast in kgf;
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

Probenanforderungen beim Brinell-Verfahren

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).

Vor- und Nachteile des Brinell-Verfahrens

Die Härteprüfung nach Brinell bietet folgende Vorteile:

Das Brinell-Verfahren eignet sich ideal für die Prüfung von inhomogenen Werkstoffen wie Guss, da der große Brinell-Eindringkörper mehrere Gefügebestandteile gleichzeitig erfasst und so einen aussagekräftigen Mittelwert liefert.
Durch die breite Auswahl an Kugeldurchmessern und Prüflasten lässt sich die Härteprüfung flexibel an verschiedenste Materialien und Anwendungsbereiche anpassen.
Der vergleichsweise große Eindruck erleichtert die optische Vermessung im Vergleich zu feinen Eindrücken anderer Verfahren wie Vickers.
Auch bei rauen oder unregelmäßigen Oberflächen liefert die Brinell-Härteprüfung verlässliche Ergebnisse – eine aufwendige Oberflächenvorbereitung ist oft nicht erforderlich.

Die Härteprüfung nach Brinell besitzt folgende Nachteile:

Für eine präzise optische Auswertung des Prüfeindrucks ist eine saubere und gut vorbereitete Prüfoberfläche notwendig – unbehandelte oder stark verunreinigte Stellen können das Messergebnis verfälschen.
Bei hohen Prüflasten im Makrobereich (z. B. HBW 10/3000) besteht das Risiko einer plastischen Verformung oder Wallbildung, was die Auswertung erschwert. Eine gleichmäßige Beleuchtung – etwa durch ein Ringlicht – ist daher essenziell, um den Eindruck korrekt zu beurteilen.
Die Brinell-Methode ist für sehr harte Werkstoffe oder besonders dünne Prüflinge nur eingeschränkt geeignet, da Mindestdicken einzuhalten sind.
Im Vergleich zu schnelleren Prüfverfahren wie Rockwell nimmt die Brinell-Härteprüfung mehr Zeit in Anspruch – inklusive Einwirkdauer und optischer Auswertung kann der Vorgang 30 bis 60 Sekunden oder mehr beanspruchen.