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Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung , der Härte von insbesondere
aus viskoelastischem Material bestehemden Probekörpern Die erfindung betrifft ein
Verfahren zur Ermittlung der Härte von Probekörpern aus insbesondere viskoelastisoshem
Material bestehenden Werkstoffen, wie z.B. thermoplastischen Kunststoffeu, Gummi,
Kautschuk o.dgl., wobei ein Eindringkörper unter einer Prüfkraft in den Probekörper
eingedrückt und die unter Last am Probekörper auf tretende Verformung gemessen wird
# sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Obwohl eine allgemeine technische Definition der Härte fahlt, spielt
die Härte für die Beurteilung
von Wewkstoffen eine wesentliche Rollen
da re Ermittlung relativ schnell und zerstörungsfrei durchgeführt werden kann. Das
Fehlen einer allgemeinen Definition macht es aber notwendig, die IIärte je nach
dem angewandten Prüfverfahren näher zu bestimmen.
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Man spricht deshalb von Vickers-, Brinell-Kugeldruck- Iiärte usw.,
wobei jeder S. usdrucl ; eine durch das Prüfverfahren definierte Kenngröße des Werkstoffes
bedeutet, so daß die nach verschiedenen Meßverfahren ermittelten Kenngrößen meist
zahlenmäßig und teilweise auch physikalisch nicht das gleiche aussagen.
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Entsprechend den verschiedenen bekannten Prüfverfahren versteht man
unter "Härte" im technischen Sinne allgemein den Widerstand, den ein Körper dem
Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt. Zur Ermittlung der Härte wird im
allgemeinen die Eindringtiefe eines konstant belasteten Eindringkörpers in den zu
messenden Werkstoff bzw. Probekörper oder ein sich aus der Eindringtiefe ergebender
Wert, wie z.B. die Größe der Berührungsfläche zwischen Eindringkörper
und
Probekörper, herangezogen.
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Da die "technische" Härte nicht unabhängig von der Belastung ist,
wird im allgemeinen die Härte als Verhältnis der Prüfkraft zur Oberfläche des von
einem Eindringkörper hervorgerufen Eindruckes definiert. Bei den meisten metallischen
Werkstoffen ist der Anteil der elastischen Rückfederung nach einer Härtemessung
gegenüber der bleibenden Verformung unter dem Eindringkörper vernachlässigbar klein.
Daher kann die Oberfläche des Eindruckes bzw. die Eindringtiefe nach dem Entlasten
und der Fortnalune des Eindringkörpers gemessen werden.
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Im Gegensatz dazu ist bei Kunststoffen, Gummi o.dgl. der Anteil der
elastischen oder quasi elastischen Rückfederung nach einer Belastung groß im Vergleich
zur bleibenden Verformung, sofern eine solche tberhaupt auftritt; bei Gummi beispielsweise
gibt es bei Raumtemperatur keinen bleibenden Eindruck.
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Darüber hinaus ist die Größe des Eindrucks wesentlich von der Zeit
abhängig, die zwischen Belasten und Messen liegt. Das zwingt bei Kunststoffen, Gummi
o dgl., den sogenannten viskoelastischen
Werkstoffen, dazu die Ilärtemessung
unter Last vorzunehmen, wobei sowohl die elastischen als auch die plastischen Verformungsanteile
erfaßt werden.
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Bei den bekannten Prüfgeraten, bei denen die Kugeldruckhärte von Kunststoffen
nach DIN 53 456 , die Kugeldruckhärte von Weichgummi nach DIN 53 519, die Shore-Härte
von Gummi und Kautschuk nach DIN 53 505 oder die Rockwell-Härte nach ASTM D 785
bestimmt wird, hat es sich in der Praxis gezeigt, daß sich das Gestell unter der
Einwirkung der Prüfkraft aufbiegt. Handelt es sich um ein Prüfgerat, bei dem die
Eindringtiefe gegen die Auflagefläche des Probekörpers gemessen wird, so addiert
sich die Aufbiegung zur tatsächlichen Eindringtiefe, d.h. die Eindringtiefe wird
zu groß gemessen.
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Es ist deshalb in diesem Fall notwendig, durch Blindversuche die Aufbiegung
zu bestimmen. Die Aufbiegung wird dadurch gemessen, daß man den Eindringkörper auf
eine Stahlunterlage drücken läßt. Durch eine bestimmte Anzahl von Be- und Entlastungsvorgängen
wir die Eindruckstelle so stark verdichtet, daß unter der Prüfkraft keine weitere
Verformung mehr stattfindet. Danach wird die Meßuhr unter Vorkraft auf Null gestellt
und nach Aufbringen der Prüfkraft abgelesen.
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Die hierbei auftretenden Meßungenauigkeiten liegen immer wieder in
der Großenordnung der zu ermittelnden Meßgröße.
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Damit ist eine genaue Ermittlung der Eindringtiefe unsicher.
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Auch gestaltet sich das Meßverfahren wegen der verschiedenen durchzuführenden
vorbereitenden Maßnahmen ziemlich aufwendig. Ferner wirkt sich entscheidend auf
das Meßergebnis aus, daß Probekörper, die auch unter einer ggfs. angewendeten Vorlast
tz. B. iniolge Verwölbung des Probekörpers), nicht vollständig auf der Unterlage
aufliegen, sich unter der Meßkraft solange verformen, bis sie aufliegen. Diese Durchbiegung
addiert sich dann zu der Eindringtiefe des Eindringkörpers, sofern die Eindringtiefe
gegenüber der Auflage des Probekörpers gemessen wird. Das ist z.B. bei der Ermittlung
der Kugeldruckhärte nach DIN 53 456 der Fall. Durch eine Vor last kann dieser Einfluß
nur bei dünnen Probekörpern oder Werkstoffen mit sehr geringem Elastizitätsmodul
ausgeschaltet werden.
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Die bisher bekannten Prüfgeräte weisen aber noch einen weiteren Nachteil
auf, durch den ihre Anwendung in starkem Maße beschränkt wird. Einerseits muß die
Eindringtiefe im Verhältnis zur Dicke des Prubekörpers klein sein-andernia wirkt
sich die Härte der Probeunterlage auf das Meßergebnis aus. Dies macht eine hohe
Meßmessung ungenauigkeit für die Elndringtiefenfiriorderlich, um auch geringe Werkstoffunterschiede
noch deutlich eriassen zu können. Andererseits verlangt eine ausreichende Meßgenftuigkeit,
die sich mit ein fachen Mitteln erzielen läßt, daß die untere Grenze der Eindringtiefe
möglichst hoch zu legen ist. Wegen dieser Grenzen und mit Rücksicht auf eine einfache
und stö-rungsireie Handhabung der Prüigeräte wird normalerweise mit Eindringtieien
von etwa 0,1 mm - (),4 mm und mit relativ kleinen, hochbelasteten Eindringkörpern
reitet, um eine gut meßbare
Eindrgti?e zu erzielen, wobei im allgemeinen
eine Meßgenauigkeit von O,Olmni erreicht wird. Daraus ergibt sich der Nachteil,
daß bei den bekannten Härteprüfverfahren relativ große Mindestdicken für die Probekörper
erforderlich sind. So schwanken die erforderlichen Mindestdicken der Probekörper
in Abhängigkeit von den angewandten Prüfverfahren und den Werkstoffen der Probekörper
zwischen 3mm und lamm. Die auf den Probekörper ausgeübten Kräfte betragen etwa 5
kp bis 100 kp.
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Obwohl Zindringkörper in verschiedenen Formen bekannt sind, wird zu
Härteprüfung von Kunststoffen u. dgl. elastischen Materialien fast ausschließlich
ein kugelförmiger Eindringkörper verwendet, wobei der Druchmesser der verwendeten
Kugeln etwa 5mm beträgt. Zwar ist es nach DIN 53 519 bekannt, um dünne Probekörper
messen zu können, in Sonderfällen zwei Probekörper übereinanderzulegen, um auf eine
Mindestdicke von 8mm bis lOmm zu kommen, hierbei muß jedoch stets eine einwandfreie
Auflage der Probekörper gegeneinander und auf der Grundplatte des Prüf gerätes gewährleistet
sein.
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Weiterhin ist es nach DIN 53 505 möglich, Probekörper geringer Dicke
auf eine aus dem gleichen oder einem anderen Material bestehende Unterlage
gleicher
Härte zu legen. Bei Verwendung mehrerer Unterlagen ergeben sich jedoch Meßfehler.
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Als weiterer Nachteil kommt bei den bekannten Prüf geräten und deren
Prüfverfahren hinzu, daß diese für einen großen llärtemeßbereich nicht anwendbar
sind. Wenn verarbeitungs- oder herstellungsbedingte Werkstoffänderungen, die in
großen IIärteunterschieden des Werkstoffes zum Ausdruck kommen, nachgewiesen werden
sollen, oder wenn beispielsweise die zeitabhängige Härteänderung durch eine fortlaufende
Messung verfolgt werden soll, ist es bisher notwendig gewesen, von einem Verfahren
zum anderen Überzugehen. Dies ist z. B. bei zähelastischen Gießharzen erforderlich,
die infolge Wärmeeinwirkung zunehmend "vernetzen", womit eine kontinuierliche der
Härte Änderung verbunden ist.
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Im zähelastischen Bereich muß in diesem Fall das Verfahren nach Shore
A, DIN 53 505 mit zunehmender Härte nach Shore D, DIN 53 505 und darüber hinaus
das Verfahren der Kugeldruckhärte nach
DIN 53 456 und dieses wiederum
in verschiedenen Laststufen, angewendet werden. Da diese Verfahren untereinander
nicht vergleichbar sind, ist eine fortlaufende Messung zur Beobachtung der Harteänderung
eines Probekörpers nicht möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren und Vorrichtung
zur Durthführung des Verfahrens zu schaffen, mit der sich die visko-Eindringtiefe
von insbesondere aus/elastischem Material bestehenden Probekörpern in einfacher
Weise und mit hoher Meßgenauigkeit ermitteln läßt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Berührungßfläche
zwischen dem Eindringkörper und dem Probekörper mittels einer oberhalb des Eindringkörpers
angeordneten Meßeinrichtung durch den Eindringkörper hindurch gemessen wird.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen,
bei der erfindungsgemä# der Eindringkörpör aus lichtdurchlässigem Material großer
Härte, wie z. B. Glas, Quarzglas o.dgl.besteht,über dem eine Meßeinrichtung, bestehend
aus einem Meßmikroskop und einer Beleutungseinrichtung angeordnet ist. Mittels der
Beleuchtungseinrichtung wird die Berührungsfläche zwischen dem Prüfkörper und dem
Eindringkörper durch letsteren hindurch sichtbar gemacht. Die Berührungsfläche
wird
dabei unter Ausnutzung der auftretenden Interferenz des am Eindringkörper und an
der Berührungsfläche des Prüfkörpers reflektierten Lichtes sichtbar gemacht. Da
unter Last gemessen wird, können neben metallischen Werkstoffen insbesonders auch
viskoelastische geprüft werden.
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Als besonders vorteilhafte und erfinderische Ausgestaltung des Gegenstands
der Erfindung wird insbesondere zur Messung dünner Probekörpern aus thermoplastischen
Kunststoffen, Gummi, Kautschuk u.dgl. in Form von Folien bis zu einer Mindestdicke
von etwa 0,5 mm vorgeschlagen, daß der Krümmungsradius des in an sich bekannter
Weise kugelförmig ausgebildeten Eindringkörpers circa 2,5 mm bis 40 mm vorzugsweise
2,5 mm bis 25 mm betragen soll.
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Durch die erfindungsgemäße Dimensionierung des Eindringkörpers wird
erreicht, daß die Oberfläche des Eindruckes, den der Eindringkörper hervorruft,
selbst bei geringen Eindringtiefen eine für genaue Messungen ausreichende Größe
ergibt. Dadurch ist es weiterhin möglich, die Prüflast auf Werte von 30 pend bis
500 pend herabzusetzen.
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Der Kreisflächendurchmesser des Eindruckes kann mit einfachen Mitteln
und mit grösserer Genauigkeit gemessen werden als die aus den bereits erläuterten
Gründen bei den bekannten Verfahren der Härtemessung von Kunststoffen o. dgl. als
Maß herangezogene Eindringtiefe.
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Zweckmäßigerweise wird der Eindringkörper als Kugelkalotte mit großem
Krümmungsradius ausgebildet. Ein derartiger Eindringkörper ist einfach herstellbar
und kann bei Besbhädigung ohne großen Kostenaufwand ausgetauscht werden.
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Zur Vermeidung der bei einer Kugelkalotte auf tretenden nichtlinearen
Beziehung zwischen der Eindringtiefe und der Eindruckfläche kann als Eindringkörper
auch für die Härteprüfung dünner Folien eine Vickers-Pyramide mit quadratischer
Grundfläche verwendet werden. In diesem Fall wird die Länge der Diagonalen der quadratischen
Grundfläche der gemessen und daraus die Eindringtiefe bzw. Afärtewert ermittelt.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung gestattet es,
die
Härte von Probekörpern z.B. von Folien oder Teilen von Hohlkörpern für Verpackungszwecke
u. dgl. zu ermitteln, deren minimale Stärke etwa 0,5 mm oder je nach Härte auch
weniger betragen kann. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß es mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung möglich ist, einen relativ großen Härtebereich zu erfassen.
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Damit entfällt weitgehend die bisher gegebene Notwendigkeit des Übergangs
von einem Yeßveriahren zu einem anderen, wenn beispielsweise die zeitabhängige Härteänderung
eines Werkstoffe. in einem fortlaufenden Meßvorgang verfolgt werden soll.
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In den Figuren 1 und 2 der Z.ichnungen ist eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungagemäßen Verfahrens dargestellt, welche nachstehend im einzelnen näher
erläutert ist. Es zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung und
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 1-1 in Fig. 1.
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Auf dem Maschinengestell 11 ist die Auflageplatte 12 zur Aufnahme
des Probekörpers 13 mittels der
Gewindespindel 14 und der Einstelimutter
15 höhenverstellbar angeordnet. Der erfindungsgemäß aus einem lichtdurchlässigen
Material, wie s*B. Glas oder Quarz bestehende Eindringkörper 16 ist an der Unterseite
der Belastungseinrichtung 17 angeordnet, an welcher sich Prüfgewichte 18, 18a, 18b
befinden.
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Die Belastungseinrichtung ist am Waagebalken 19 mit daran angeordneten
Gegengewichten 20a,20b aufgehängt und wird in der Geradführung 21 im Maschinengestell
11 vertikal geführt.
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Mittels des am Waagebalken 19 angreifenden Exzentiers 23 kann die
Belastungseinrichtung 17 gehoben oder gesenkt werden. Die Geradführung 21 steht
einerseits mit der Dämpfungseinrichtung 22, und andererseits über das Gestänge 24
und der daran angeordneten abschirmung 25 mit der als Liehtschranke ausgebildeten
Kontrolleinrichtung 26 in Verbindung. Die Dämpfungseinrichtung 22 besteht aus einem
hydraulischen Öldämpfer. Die Dämpfungswirkung des Öldämpfers 22 wird durch das Ventil
27 eingestellt und damit der Prüflast angepaßt.
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Dadurch wird ein sanftes Aufsetzen des Eindringkörpers 16 auf dem
Probekörper 13 sichergestellt. ttber der Belastungseinrichtung 17 befindet sich
die
optische Meßeinrichtung 28 mit einem Meßmikroskop 29 und einer
Beleuchtungseinrichtung 30 zur Beleuchtung der Oberfläche des Probekörpers 13.
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Vor dem eigentlichen Prüfvorgang muß zunächst die für die Prüfung
erforderliche Ausgangs-Höhenlage der Auflageplatte 12 mittels der Gewindespindel
14 eingestellt werden. Dazu wird die Belastungseinrichtung 17 mittels des Exzenters
23 über den Waagebalken 19 aus der Lage "A" in die Lage "B" gebracht. Die richtige
Höhen-Ausgangslage ist erreicht, wenn beim Durchfahren der Lage "C" die Lichtschranke
durch die Abschirmung 25 verdunkelt wird und dadurch z.B. ein akustisches Signal
von einer nicht dargestellten Schnarre o.dgl. ausgelöst wird. Nach erfolgter Einstellung
der Auilageplatte 12 wird die Belastungseinrichtung wieder in die Ruhelage A" gebracht.
Der Prülvorgang wird danach durch Auslösen der Belastungseinrichtung eingeleitet;
dies geschieht ebenfalls mittels des Exzenters 23.
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Die für die Prüfung Jeweils erforderliche Prüflast setzt aus den Prüfgewiohten
18a,18b,18c und dem Eigengewicht der Belastungseinrichtung zusammen, sofern letzteres
nicht mit dem Eigengewicht des
Waagebalkens 19 und der Geradführung
21 durch die Gegengewichte 20, 20a ausgeglichen ist.
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Nach Beendigung des Belastungsvorganges beim Erreichen der Lage "C"
kann von der Lichtschranke in bekannter Weise ein nicht dargestelltes Zeitzählwerk
gesteuert und nach Erreichen einer vorgewählten Belastungszeit ein akustisches Signal
ausgelöst werden. Nach Ablauf der Belastungszeit kann mittels der Beobachtungsoptik
der Durchmesser der Berührungs£läche zwischen dem Eindringkörper 16 und dem Probekörper
13 ermittelt werden. Aus der Belastung und Berührungsfläche läßt sich dann die Härte
in bekannter Weise errechnen.
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Selbstverständlich kann anstelle des Öldämpfers auch eine pneumatisch
oder elektromagnetisch wirkende Dämpfungseinrichtung vorgesehen sein.
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Ferner kann die Kontroll.inrichtung mit einer Selen-Photozelle auqestattet
sein, Fit der die Beleuchtung der Beobachtungsoptik automatisch unterbrechen werden
kun.
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Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Eschreibung enthalten
und bsw. oder In der Seichnung dargestellt ist. eimsehlie#lich dessen, was im Abweichung
von den konkreten Ausführungsbeispielen fl den Fan»- aa>eltet.