Die Härte von Keramik ist eine Materialeigenschaft, die Hochleistungskeramik einzigartig macht. Die hohe Leistungsfähigkeit von Feinkeramik wird im Allgemeinen auf ihre Härtewerte zurückgeführt. Härte verbessert ihre Leistung als Karosserieschutz, Schneidwerkzeuge, Pumpenkomponenten, Ventile und Automobilteile. Daher ist die Kenntnis der Steifigkeit entscheidend für die Beurteilung der Funktion.
Härte des Materials: Ein Überblick
Härte ist eine Materialeigenschaft, die viel über das Verhalten eines Materials unter Belastung aussagt. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, um die Härte gängiger Materialien zu bestimmen. Ein solcher Standard ist Mohshärte Skala.
Wissenswertes über die Mohs-Härteskala
Die Mohs-Härteskala gibt Auskunft über die Härte oder Kratzfestigkeit verschiedener Materialien. Es handelt sich um ein umfassendes Bewertungssystem, in dem die meisten gängigen Materialien aufgelistet sind. Die Härtewerte sind auf einer Skala von 1 bis 10 definiert. Die Mohs-Härteskala hilft Geologen, die besten Materialien zu finden.
So lesen Sie die Mohs-Härteskala
Das Ablesen der Mohs-Härteskala ist relativ einfach. Wie in der obigen Abbildung dargestellt, ist Diamant das härteste Material. Technische Keramik wie Bornitrid hat eine Härte von 10, was der von Diamant entspricht. Die Härte von Wolframkarbid und Titankarbid liegt auf einer ähnlichen Skala, wie in der Grafik dargestellt.
Keramikhärte vs. Stahl
Weitere wichtige Erkenntnisse der Mohs-Härteskala sind die Härtedaten von Stahl und der Vergleich mit Keramik. Gehärteter Stahl hat einen Härtebereich von 7–8. Die Mohs-Härte von Keramik wie Silizium- oder Borkarbid ist höher als die von gehärtetem Stahl. Normaler Stahl ist mit einem Härtebereich von 4–5 deutlich schlechter und sogar niedriger als die von Zahnschmelz.
Wo befindet sich Porzellan auf der Mohs-Skala?
Porzellan ist ein lichtdurchlässiges, feinkörniges Keramikmaterial. Rohstoffe wie Kaolin, Quarz, Feldspat und Glimmer machen es zu einer härteren Keramik. Durch die Hochtemperaturverarbeitung des Materials entsteht Porzellan, allgemein bekannt als chinesischer Ton.
Auf der oben gezeigten Mohs-Härteskala liegt der Härtebereich von Porzellankeramik bei etwa 7. Das Material weist im Vergleich zu herkömmlichem Stahl eine höhere Verschleißfestigkeit auf. Die Härte gemäß der Mohs-Skala entspricht der Härte von Quarz.
Bedeutung der Prüfung der Keramikhärte
Die Keramikhärte beschreibt die Widerstandsfähigkeit einer Keramik gegen plastische Verformung. Die Härte ist jedoch offensichtlich nicht der einzige Faktor zur Messung der mechanischen Festigkeit. Neben der Härte können auch Eigenschaften wie Zähigkeit und Verschleißfestigkeit zum besseren Verständnis einer bestimmten Keramik beitragen.
Die Keramikhärte ist für die Eignung einer Keramik in einem bestimmten Bereich von entscheidender Bedeutung. Viele Anforderungen legen heute die erforderliche Mindesthärte fest. Beispielsweise benötigen chirurgische Implantate eine Zirkonoxidhärte von etwa 11,8 GPa bei einer Belastung von etwa 9,8 N.
Oben finden Sie eine kurze Vergleichstabelle verschiedener technischer Keramiken und ihrer Härtewerte. Ähnlich wie bei Mohs' Daten weist Borkarbid von allen verfügbaren Keramiken den höchsten Härtewert auf, gefolgt von Siliziumkarbid.
Wie testet man die Härte von Keramikmaterialien?
Die Härte keramischer Werkstoffe hängt von den inhärenten Eigenschaften der gewählten Keramik ab. Zu diesen Eigenschaften gehören die Zusammensetzung der Keramik, die Korngröße, die Porosität und die Phase an den Korngrenzen. Härteprüfungen von Keramik helfen uns, einen keramischen Werkstoff für die jeweilige Anwendung zu charakterisieren. Sehen wir uns die verschiedenen Härteprüfungen für Keramik im Detail an.
Eindringtests
Die Eindringtechnik ist relativ einfach und unkompliziert. Sie erfordert das Drücken eines Eindringkörpers gegen die Oberfläche eines Keramikmaterials, das Messen des entstandenen Eindrucks und das Aufbringen einer berechneten Last auf das Material, um den Eindruck zu erzeugen. Die Härte der Keramik kann dann anhand der Lastdaten und des Ausmaßes der Verformung bestimmt werden.
Die im Test verwendeten Eindringkörper haben unterschiedliche Größen und Formen. Einige Formen sind unten als Referenz aufgeführt. Die Größen variieren je nach Art und Eigenschaften der zu prüfenden Keramik zwischen Nano-, Mikro- und Makrogröße. Die Grundidee der Härteprüfung von Keramik ist: Je härter das Material, desto geringer der entstehende Eindruck.
Es gibt verschiedene Arten von Eindringprüfungen, wie beispielsweise die Vickers-, Berkovich-, Knoop-, Brinell- und Rockwell-Methode. Diese Prüfungen sind statisch, da eine vorgegebene Last zur Erzeugung der Eindringung verwendet wird. Die meisten weltweiten Keramikhärteprüfungen basieren auf den Verfahren von Vickers, Knoop und Berkovich. Rockwell und Brinell werden bei der Keramikhärteprüfung weniger häufig angewendet.
Vickers-Härteprüfung
Etwa 60 % der weltweiten Konstruktions- und Charakterisierungsarbeiten erfolgen nach der Vickers-Härteprüfung. Die Vickers-Härteprüfung verwendet typischerweise eine Belastung im Bereich von 9,8 N, wie in der Norm C1327 empfohlen. Je nach Keramikbeschaffenheit werden gelegentlich auch 98 N verwendet. Der Eindringkörper aus Diamant wird zur Messung auf die Keramik gedrückt.
Der für die Vickers-Härteprüfung verwendete Eindringkörper ist eine quadratische Pyramide. Zwischen den gegenüberliegenden Flächen des Eindringkörpers wird ein Winkel von 136 Grad eingehalten. Die ausgeübte Kraft beträgt ca. 100 kgf und dauert etwa 10 bis 15 Sekunden. Der gebildete Eindruck wird anschließend gemessen, um die Keramikhärte anhand der unten angegebenen Formel zu bestimmen.
H =1,8544Pd2
War,
H ist die Vickers-Keramikhärte
P wird in Kgf zwangsangewendet
d ist der diagonale Abstand der Einkerbung
Das Bild oben zeigt eine Vickers-Vertiefung auf einem Siliziumnitrid-Kugellager, das in Elektrofahrzeugen verwendet wird.
Mängel der Vickers-Härteprüfung
Die Vickers-Härteprüfung weist einige Mängel auf. Die Methode liefert manchmal fehlerhafte Messwerte, da die Messung bei geringer Eindruckgröße schwierig ist. Bei sehr hohen Belastungen treten auch bei der Vickers-Härteprüfung allgemeine Probleme wie Rissbildung und Abplatzungen auf. Abgesehen von diesen Mängeln ist die Prüfung jedoch gemäß der Norm zur Charakterisierung von Hochleistungskeramiken empfehlenswert.
Knoop-Test der Keramikhärte
Der Knoop-Test zur Bestimmung der Härte keramischer Werkstoffe verwendet einen rhombischen Eindringkörper. Dieser besteht aus Diamant, der im Wesentlichen einer langen Pyramide ähnelt. Der Knoop-Test dient zur Messung der Mikrohärte spröder Werkstoffe oder dünner Bleche. Das Verfahren wird in der Norm ASTM E-34 empfohlen.
Der Eindringkörper im Knoop-Test weist einen Winkel von 172 Grad zwischen den gegenüberliegenden Flächen auf. Hier sehen Sie ein Bild eines einfachen Eindrucks, der während des Knoop-Keramikhärtetests entsteht. Ein wesentlicher Vorteil des Knoop-Tests gegenüber dem Vickers-Test liegt in der Funktionalität der langen Eindringkörper. Lange Eindringkörper verhindern Risse in der Keramik während des Tests.
Die Tiefe des durch den Knoop-Test verursachten Eindrucks wird üblicherweise mit einem Mikroskop gemessen. Im Vergleich zum Vickers-Eindruck ist der Eindruck 2,8-mal länger und flacher. Die Berechnung der Knoop-Keramikhärte erfolgt wie folgt:
HK= PCpL2
War,
P steht für die Last
Cp ist der Korrekturfaktor des Eindringkörpers. Der allgemein verwendete Wert liegt bei etwa 0,070279
L ist die diagonale Länge der Einkerbung
Mängel des Knoop-Härtetests
Theoretisch sollte der lange Eindruck die Messung im Knoop-Test erleichtern. Die Unsicherheit aufgrund der konischen Enden erschwert den Test jedoch. Der Unsicherheitswert der Spitze im Knoop-Keramikhärtetest liegt in der Größenordnung von 0,5 bis 1 mm. Ein weiterer Faktor, der das Ergebnis beeinflusst, ist die Auflösung der zur Messung des Eindrucks verwendeten kommerziellen Mikroskope.
Rockwell-Test der Keramikhärte
Beim Rockwell-Test wird eine vorgegebene Belastung von etwa 150 kgf verwendet. Dabei kommt ein Eindringkörper aus Diamant oder Wolframkarbid zum Einsatz. Der Eindringkörper ist kugelförmig. Nach dem Eindringvorgang werden Tiefe und Referenzpunkt verglichen, um den Härtewert zu ermitteln. ASTM E-18 ist die allgemeine Richtlinie für den Rockwell-Test.
Der Rockwell-Keramikhärtetest ist einfacher durchzuführen und im Vergleich zu den anderen Tests relativ genau. Zunächst wird mithilfe eines Kugeleindringkörpers eine Vorspannung aufgebracht. Sobald die Vorspannung die Oberflächenbeschaffenheit durchbricht, wird der entstandene Eindruck gemessen.
Berkovich-Test zur Bestimmung der Härte von Keramikmaterial
Berkovich verwendet eine flache Pyramide mit scharfer Spitze, um die Härte von Materialien, hauptsächlich im Nanometerbereich, zu messen. Die Keramik sollte für den Berkovich-Test mindestens 100 mm dick sein. Der Berkovich-Test wird üblicherweise in kleinmaßstäblichen Studien eingesetzt und bietet eine höhere Präzision. Der beim Berkovich-Test der Keramikhärte verwendete Eindringkörper hat einen Winkel von 115 Grad.
Unten sehen Sie ein repräsentatives Bild des Berkovich-Eindringkörpers.
Die Formel zur Bestimmung der Keramikhärte durch den Berkovich-Test lautet:
H=1569,7 P d2
Wo,
P steht für die Prüfkraft in Kgf
D ist die Diagonale der Vertiefung in Mikrometern
Fazit
Die Kenntnis der Härte von Keramik ist wichtig, um die Funktionalität von Keramik unter bestimmten Bedingungen zu bewerten. Prüfmethoden wie Vickers, Knoop und Rockwell haben sich seit Jahren bewährt. Gemäß den Normen müssen die richtigen Prüfungen am richtigen Material durchgeführt werden, um aussagekräftige Daten zu erhalten.