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Härte

Härteskala von Keramik und Porzellan

 

 

Um "Härte" für keramische Stoffe (hier Geschirr aus Porzellan und anderen Werkstoffen) zu definieren, bedarf es einem Einstieg in die Chemie und Lehre der Materialwissenschaften. Als "Härte" bezeichnet man den mechanischen Widerstand eines Werkstoffs gegen das Eindringen eines anderen und gibt Aufschluss über seine Qualität und Resistenz. Härte gilt ferner auch als Maß für den Verschleiß und die Ermüdung eines Werkstoffes. Härte und ihre Prüfung sind Schwerpunkte der Materialwissenschaft und Festkörperphysik, wird in Risszähigkeit gemessen und zählt damit eindeutig zu den Werkstoffeigenschaften

 

Eine Härteprüfung von mineralischen Substanzen kann durch unterschiedliche Verfahren festgestellt werden. Wir stellen Ihnen die in der Materialwissenschaft anerkannten Verfahrenstechniken vor.

 

 

Härteprüfverfahren

Härtetyp 

Prüfkörper 

Messparameter 

Mohs

Ritzhärte 

Skala von 10 Standard-Mineralen

Ritzverletzung

Rosival

Schleifhärte 

Schleifmittel

Schleifverlust bis zur Unwirksamkeit des Schleifmittels

-

Bohrhärte 

Diamantbohrer

Eindringtiefe/Zeit

Brinell

Eindruckhärte 

Stahl- oder Hartmetallkugel

Prüfkraft/Eindruck- Oberfläche 

Rockwell B

Eindruckhärte 

Stahlkugel

Prüfkraft/Eindringtiefe 

Rockwell C

Eindruckhärte 

Diamantkegel

Prüfkraft/Eindringtiefe 

Vickers

Eindruckhärte 

tetragonale Diamantpyramide

Prüfkraft/Eindruckdiagonale 

Knoop

Eindruckhärte 

rhombische Diamantpyramide

Prüfkraft/Eindruckdiagonale 

(Quelle Institut für Angewandte Geowissenschaften Karlsruher Institut für Technologie (KIT-Campus Süd) Adenauerring 20b, D-76131 Karlsruhe)

 


 

 

Anerkannt und vor allem in der Porzellan- und Keramikindustrie weitläufig umgesetzt wird eine Materialprüfung nach der Verfahrenstechnik des Friedrich Mohs (Mineraloge und Geologe 1773 - 1839). Diese beruht auf der Erkenntnis, dass härtere Stoffe weichere Stoffe ritzen können. Die Härteskala des Friedrich Mohs ist eine "relative" Definition und weist dem Mineral keine exakten physikalische Werte zu wie z.B. Volt, Newton oder Lux. Die Härtescala bezieht sich auf eine verständliche, darstellbare Weichheit - oder eben Härte - die ein Mineral, bzw. mineralhaltiger Werkstoff aufweist. In der Darstellung keramischer Härten gilt die Angabe der "Mohsschen Härte" als anwendbare Bewertungsgröße und hat sich international durchgesetzt. Die Härte nach Mohs stellt damit ein signifikantes Qualitätsmerkmal von Porzellan und Keramik dar. 

 

Die Erfassung und Darstellung der Härte nach Mohs erfolgte bis 2001 nach der Din-Norm DIN-EN-101. Dabei wurde die festgestellte Ritzhärte angegeben, also der Grad, bei dem die mineralische Oberfläche beschädigt wurde. Tatsächlich aber entsprach diese Härte (8) nur einer Resistenz von 7. Diese Darstellung der Oberflächenhärte wurde im Jahr 2010 durch eine Neufassung der DIN-Norm angepasst und auf den Realwert der Oberflächenhärte umgestellt. Demnach wurde aus der "alten" Härte 8 nach der neuen DIN-Norm DIN-EN-15771 die neue Härte 7.
 
 
 

 

Die (erste) Härteskala nach Mohs

 

Härte

Eigenschaft

Mineral

Vergleichbares keramisches Material (*)

1

mit dem Fingernagel schabbar

Talk

Keramische Masse im lederharten Zustand

2

mit dem Fingernagel ritzbar

Gips

Keramische Masse nach der Durchtrocknung

3

mit einer Kupfermünze ritzbar

Calcit

Keramische Masse nach dem Bisquitbrand

4

mit einer Stahlklinge leicht ritzbar

Fluorit

Ton & Ziegel nach dem Entband

5

mit einer Stahlklinge noch ritzbar

Apatit

ab 1.260 ° C endgebrannte Keramik

6

mit einer Stahlfeile noch ritzbar

Feldspat

ab 1.300 ° C endgebrannte Keramik

7

mit Fensterglas ritzbar

Quarz

ab 1.320 ° C hochgebranntes Porzellan

8

mit Quarzkristallen ritzbar

Topas

ab 1.450 ° C hochgebrannte technische Keramik

9

mit Topas ritzbar

Korund

 

10

 

Diamant

-------

(Quelle Institut für Angewandte Geowissenschaften Karlsruher Institut für Technologie, Adenauerring 20b, D-76131 Karlsruhe in Anlehnung auf die Umsetzung nach DIN-EN-15771)

 

 

 

 

Die aktuelle Härteskala nach Mohs (Stand 2011)

 

Härte

Mineral

Vergleichbares keramisches Material (*)

1

Talk

Keramische Masse im lederharten Zustand

2

Gips

Keramische Masse nach der Durchtrocknung

3

Calcit

Keramische Masse nach dem Bisquitbrand

4

Fluorit

Ton & Ziegel nach dem Entband

5

Apatit

ab 1.260 ° C endgebrannte Keramik

6

Feldspat

ab 1.320 ° C endgebrannte Keramik

7

Quarz

ab 1.450 ° C hochgebrannte technische Keramik

8

Topas

 

9

Korund

 

 

10

 

Diamant

 

(Quelle Universität Koblenz)

 

 

 

 

Entscheidend ist nicht die Temperatur des Erstbrandes (meist Bisquitbrand), sondern des Endbrandes (Glasurbrand), da die Oberflächenhärte des keramischen Körpers meist die Härte der Glasur und nicht die des Scherbens misst. Die Angabe des jeweiligen, vergleichbaren keramischen Stoffes kann durch die Beigabe von Additiven (z.B. Alumina-Oxyd) geringfügig abweichen. Ferner können sich Unterschiede ergeben, ob der Glattbrand (Hartbrand) im Oxydationsverfahren oder Reduktionsverfahren erfolgt.   

 

 

(*) Diese Skala basiert auf unseren Prüf- und Feststellungswerten und spiegelt das Ergebnis einer ständigen Erhebung wider, die wir seit dem Jahr 1993 vornehmen und berücksichtigt die Härteausbeuten von mehr als 400 Fabriken. 

 


 

Die obige Skala des Friedrich Mohs stellt jedoch die erheblichen Unterschiede der Materialhärten nicht in ablesbaren Werten dar. Dafür besser geeignet wären die Härteskalen nach Stanley P. Rockwell (Rockwellbezeichnung/Rockwellhärte), oder die Rosivalhärte nach A. Rosival (Geophysiker und Mineralologe 1860 - 1923), die seit 1920 exaktere, ablesbare Angaben über die Härte eines Werkstoffes liefern, weil diese konkret definiertere Feststellungsmethoden vorschreiben. Während Rockwell die Eindringtiefe eines Materials bei der Risszähigkeit berücksichtigt, misst Rosival den Massenverlust durch Belastung, indem er die "Schleifhärte" eines Wertstoffs ermittelt und den Gewichtsverlust eines Werkstoffes durch die Bearbeitung einer fest definierte Menge Schleifpulver in Zeit und Druck darstellt. (Quelle: Dr. med. vet. h.c. Hugo Freund, Universität Wetzlar). 

 

Geschirr, sei es aus Porzellan oder anderen keramischen Güteklassen, unterliegt im täglichen Gebrauch - vor allem im gewerblichen Einsatz - mehr einer mechanischen Belastung (Verschleiß) durch das Spülen und Abstapeln, als dem vertikalen Eindringen von Fremdstoffen. Deshalb halten wir für eine Darstellung und Unterscheidung keramischer Härten die Rosival Härte für am besten geeignet, vor allem dem Laien eine verständliche und prägnante Bewertung der keramischen Härte zu bieten. 

 

 

 

 

Die Härteskala Rosival

Härte

Rosival Härte

Mineral

Vergleichbares keramisches Material (*)

1

0,03

Talk

Keramische Masse im lederharten Zustand

2

1,04

Gips

Keramische Masse nach der Durchtrocknung

3

3,75

Calcit

Keramische Masse nach dem Bisquitbrand

4

4,2

Fluorit

Ton & Ziegel nach dem Entband

5

5,4

Apatit

bis ca. 1.260 ° C endgebrannte Keramik

6

30,8

Feldspat

ab ca. 1.320 ° C endgebrannte Keramik

7

100

Quarz

ab ca. 1.450 ° C hochgebrannte technische Keramik

8

146

Topas  
9

833

Korund

 

10

117.000

Diamant

-------

(Quelle: Institut für Geologie und Mineralogie Universität zu Köln Zülpicher Str. 49b, D–50674 Köln)

 

(*) Die Umrechnung des "vergleichbaren keramischen Material" erfolgte nach derm Lehrbuch " Mineral- und Gesteinsbestimmung für Studierende der Geologie und der Mineralogie" des Institut für Angewandte Geowissenschaften des Karlsruher Institut für Technologie (KIT-Campus Süd) Adenauerring 20b, D-76131 Karlsruhe​

 

 

Nach Rosival liegen also zwischen hochgebranntem Porzellan (30,8) und gewöhnlichem Steinzeug/Stoneware (4,2) 26,6 Rosival Härtegrade und stellt dem Steinzeug damitv eine 84,4% niedrigere Härte aus, als dem hochgebranntem Hartporzellan. Selbst die zwischen 1.240 °C und 1.280 °C gebrannte Hartkeramik (Durable / New Bone China / Viterous) ist dem Hartgebranntem Porzellan um 82,5% unterlegen. Setzt man diese Werte tabellarisch um, so ergibt sich folgende Bild

 

 
Die Härteskala für Geschirr
 

Mohs (*)

Rosival 

Verlust

Vergleichbares keramisches Material (**)

6

30,8 

0%

ab ca. 1.320 °C endgebrannte Keramik

5

5,4   (minus 25,4)

- 82,5%

ab ca. 1.280 °C endgebrannte Keramik

4

4,2  (minus  26,6)

- 86,4%

bis ca. 1.240 °C endgebrannte Keramik

 

 

(*) Darstellung nach DIN-EN-15771 ab 2001.

(**) Die Umrechnung des "vergleichbaren keramischen Material" erfolgte nach derm Lehrbuch " Mineral- und Gesteinsbestimmung für Studierende der Geologie und der Mineralogie" des Institut für Angewandte Geowissenschaften des Karlsruher Institut für Technologie (KIT-Campus Süd) Adenauerring 20b, D-76131 Karlsruhe​, in Anlehnung auf die Umsetzung nach DIN-EN-15771.

 

 

 


 

Einwirkende Faktoren

 

Die Bestimmung von mineralischen Oberflächenhärten - egal welches Härteprüfverfahren angewendet wird - geht immer von einer einheitlichen Oberflächenstruktur aus. Produktionsbedingt entstehen aber auf den Oberflächen von Keramik und Porzellan oft sog. "Nadelstiche". Dazu lesen Sie auch unseren Beitrag "Fehler im Porzellan - Nadelstiche". Eine Norm bzw. Klassifizierung von Anzahl, Größe und Tiefe von Nadelstichen gibt es nicht. Dafür gilt aber die Faustformel, je mehr und deutlicher Nadelstiche sichtbar sind, desto eher führen sie zu einer Verringerung der mineralischen Oberflächenhärte. Nur zu oft führt ein labortechnisches Prüfverfahren nach DIN-EN-15771 bei Porzellantellern zu einer Mohs'schen Härte von 5, obwohl nadelstichfreie Zonen der Glasur die Härte 6 aufweisen.   

 

 


 

 

 

Ableitung und Fazit

 

Es mag mit Sicherheit richtig sein, dass aufgrund neuer Entwicklungen und Techniken die mineralische und chemische Zusammensetzung keramischer Massen von Hersteller zu Hersteller, oder auch von Land zu Land voneinander abweichen. Es ist auch richtig, dass die Brennmethode (Monobrand vs. Bisquitt- und Hartbrand) einen Einfluss auf die Menge und damit auch die Stärke der Glasur nimmt und damit den Faktor Korrosion verändert. Selbst wenn man zur Qualitätsbestimmung den ausgelobten, besonders haltbaren Geschirren (z.B. Durable / Fine China / Dynamite) eine Toleranz von 25% einräumt, verbleibt immer noch ein Qualitätsunterschied von mindestens 20% von hochgebranntem Porzellan gegenüber allen anderen keramischen Stoffen, die unterhalb von 1.300 °C gebrannt werden. 

  

 

Genau das macht den Unterschied!

 

High Alumina Porzellan von Holst Porzellan wird bei fast 1400 °C gebrannt und vereint damit die guten Eigenschaften einer Mohsschen Härte und der physischen Stabilität von Durable Porzellan. Lesen Sie dazu mehr...