Was ist Shore-Härte bei Elastomeren?

Die Shore-Härte ist ein technischer Kennwert, mit dem sich die Härte eines Elastomers einordnen lässt. Dazu wird gemessen, wie weit ein genormter Prüfkörper unter festgelegten Bedingungen in die Oberfläche von bspw. Gummi- oder Silikonmaterial eindringt. Eine geringe Eindringtiefe führt zu einem hohen Härtewert, eine große Eindringtiefe zu einem niedrigen Härtewert. Der Messwert liegt je nach verwendeter Skala zwischen 0 und 100 und hat keine physikalische Einheit. Der Wert muss deshalb immer zusammen mit der Skala angegeben werden, beispielsweise als „70 Shore A“.

Die Shore-Härte ermöglicht den Vergleich von Elastomeren unter definierten Prüfbedingungen. Sie beschreibt jedoch weder die Festigkeit noch die Steifigkeit noch das elastische Rückstellvermögen eines Materials. Elastomere mit identischer Shore-Härte können sich deshalb bei Zug-, Druck- oder Dauerbelastung unterschiedlich verhalten.

1. Messprinzip der Shore-Prüfung

Ein Shore-Durometer besteht aus einem Eindringkörper, einer Druckfläche, einer Feder und einer Anzeige. Beim Aufsetzen berührt zunächst der Eindringkörper die Probe. Mit zunehmender Annäherung der Druckfläche wird der Eindringkörper gegen die Federkraft in das Gerät zurückgedrückt. Je nachdem, wie stark die Probe nachgibt, ergibt sich aus der Auslenkung des Eindringkörpers ein hoher oder niedriger Härtewert.

Abbildung 1: Shore-Härte-Messung eines Gummiformteils

Das Verfahren reagiert nicht nur auf die oberflächennahe Werkstoffzone. Reicht das Verformungsfeld bis zur Unterlage, beeinflusst diese ebenfalls das Ergebnis. Eine zu dünne Probe erscheint auf einer harten Unterlage oder als Verbundkomponente bspw. Gummi auf einen Metallträger vulkanisiert, meist härter als es bei ausreichender Gummidicke gemessen würde. Bei kleinen oder gekrümmten Bauteilen treten zusätzliche Geometrieeffekte auf. Elastomere sind viskoelastisch. Daher sinkt der Eindringkörper unter konstanter Belastung mit der Zeit weiter ein, sodass der angezeigte Wert abnimmt. Ein unmittelbar abgelesener Wert ist daher nicht ohne Weiteres mit einem Wert vergleichbar, der erst nach mehreren Sekunden erfasst wurde. Nimmt der Wert nicht ab, ist dies ein Zeichen dafür, dass die Gummischichtdicke zu gering ist und dass das Messergebnis durch die Unterlage, etwa eine harte Tischplatte oder eine metallische Trägerkomponente, verfälscht wird.

2. Wie ist der Zusammenhang zwischen Shore A, Shore D, Shore OO und IRHD?

Es gibt verschiedene Prüfverfahren, deren Einsatzgebiet sich nicht nur danach richtet, wie hart oder weich ein Elastomer ist, sondern auch nach Bauteildicke, Messfläche, Krümmung und Oberflächenbeschaffenheit. Shore A eignet sich für viele kompakte Elastomerbauteile und ist im Bereich der Gummi- und Silikonformteile die am weitesten verbreitete Skala. Shore D wird für deutlich härtere Werkstoffe und Shore OO für sehr weiche oder zellige Materialien verwendet. IRHD bietet durch den kugelförmigen Eindringkörper und verschiedene Verfahrensvarianten zusätzliche Möglichkeiten für kleine oder gekrümmte Bauteile. Insgesamt gibt es 12 verschiedene Testverfahren nach ASTM D2240 sowie einige weitere nach ISO 48-2, die unterschiedliche Prüfmittel und Prüfvorgänge verwenden. Die 4 Genannten sind, die am weitesten verbreiteten. Aufgrund der unterschiedlichen Verfahren sind die Werte auch nicht allgemein ineinander umrechenbar.

Abbildung 2: Shore-Härte-Skala mit Beispielen

Shore A

Bei der Shore-A-Prüfung wird ein kegelstumpfförmiger Eindringkörper mit einer kleinen, ebenen Stirnfläche verwendet. Durch die abgeflachte Spitze verteilt sich die Prüfkraft auf eine größere Fläche als bei Shore D. Das Verfahren eignet sich für kompakte Elastomere im üblichen Härtebereich. Shore A wird unter anderem für folgende Proben und Bauteile verwendet:

• Prüfplatten aus Gummi oder Silikon,
• größere Dichtungen und Dichtungsprofile,
• Schläuche mit ausreichender Wandstärke,
• Gummipuffer und elastische Formteile,
• Rollen- und Walzenbeläge mit ausreichend großer Messfläche,
• kompakte Bauteile aus thermoplastischen Elastomeren.

Für eine normgerechte Messung sollte die Probe ausreichend dick sein und eine ebene Messfläche besitzen. Bei kleinen, dünnen oder stark gekrümmten Bauteilen wird das Ergebnis durch die Unterlage und die Bauteilgeometrie beeinflusst. Eine Messung direkt an einem O-Ring ist daher nicht ohne Weiteres mit dem Shore-A-Wert einer ebenen Normprüfplatte vergleichbar.

Shore D

Der Eindringkörper der Shore-D-Prüfung ist als schmaler, spitzer Kegel mit leicht gerundeter Spitze ausgeführt. Gleichzeitig arbeitet das Prüfgerät mit einer höheren Federkraft als ein Shore-A-Durometer. Dadurch lässt sich der Eindringwiderstand harter Werkstoffe differenzierter erheben. Shore D wird vor allem eingesetzt für:

• harte thermoplastische Elastomere,
• Hartgummi und ebonitartige Werkstoffe,
• harte Rollen- und Walzenbeläge,
• steife Dichtungs- und Führungsbauteile,

Für weiche Elastomere ist Shore D ungeeignet, weil der schmale Eindringkörper zu weit in das Material eindringen würde. Umgekehrt erreicht Shore A bei sehr harten Werkstoffen schnell den oberen Skalenbereich und kann dort Härteunterschiede nur noch eingeschränkt abbilden.

Shore OO beziehungsweise „Shore 00“

Shore OO verwendet einen abgerundeten, annähernd halbkugelförmigen Eindringkörper. Die Prüfkraft ist deutlich geringer als bei Shore A und Shore D. Die gerundete Form reduziert die lokale Spannungsspitze und verhindert, dass der Eindringkörper sehr weiche Werkstoffe wie eine scharfe Nadel durchstößt. Shore OO eignet sich beispielsweise für:

• Moosgummi und weicher Zellkautschuk,
• Elastomerschäume,
• Gelwerkstoffe,
• sehr weiche Silikonmischungen,
• weiche Polster- und Dämpfungselemente,

Die Aussagekraft von Shore OO nimmt an den beiden Enden der Skala ab. Bei sehr weichen Gelen oder Schäumen kann der Eindringkörper nahezu vollständig einsinken; bei härteren Elastomeren reagiert die Skala nur noch begrenzt auf weitere Härteunterschiede.

IRHD

Bei der IRHD-Prüfung wird kein kegelförmiger, sondern ein kugelförmiger Eindringkörper verwendet. Zunächst wird eine geringe Vorlast auf die Probe gebracht und anschließend wird der Eindringkörper mit einer definierten Hauptlast in den Prüfkörper gedrückt. Aus der Differenz der Eindringtiefen wird der IRHD-Wert berechnet.

Je nach IRHD-Verfahren kommen Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern und entsprechend angepasste Prüfkräfte zum Einsatz. Dadurch lässt sich das Verfahren an unterschiedliche Härtebereiche und Probenabmessungen anpassen. ISO 48-2 unterscheidet zwischen Verfahren für ebene Proben und für die Bestimmung der scheinbaren Härte an gekrümmten Oberflächen. IRHD-Prüfungen werden unter anderem verwendet für:

• genormte Elastomerprüfplatten,
• O-Ringe und Rundschnüre,
• kleine Dichtungen,
• dünne Elastomerbauteile,
• gekrümmte Formteile,
• kleine Bauteile, auf denen ein Shore-Durometer nicht sicher aufgesetzt werden kann.

Für kleine Querschnitte steht die Mikro-IRHD-Prüfung zur Verfügung. Aufgrund des kleinen kugelförmigen Eindringkörpers kann sie an O-Ringen, dünnen Dichtungen und kleinen Formteilen eingesetzt werden. Die ermittelte scheinbare Härte kann jedoch von der an einer ebenen Normprobe bestimmten Werkstoffhärte abweichen.

Abbildung 3: Unterschiedliche Prüfverfahren
Legende: Maße in mm | Winkel = voller Öffnungswinkel | Grün = Wirkfläche

3. Prüfdurchführung und Einflussgrößen

Für jede Härtemessung muss die entsprechende Probe eine geeignete Oberfläche haben, die eine sichere, senkrechte Auflage des Prüfgeräts ermöglicht. Unebenheiten, Formtrennnähte, Poren, Beschichtungen oder Verschmutzungen verändern den Kontakt zwischen Druckfläche, Eindringkörper und Testmaterial. Ist ein einzelner Probekörper zu dünn, erlauben manche Verfahren unter definierten Bedingungen das Übereinanderlegen mehrerer Lagen. Dieses Vorgehen eignet sich nicht für beliebige Fertigteile, da Luftspalte, unterschiedliche Oberflächen und Relativbewegungen zwischen den Schichten das Ergebnis beeinflussen.

In der Nähe einer Kante kann das Material seitlich ausweichen. Messungen müssen deshalb mit Abstand zu Probenrändern und zu bereits verwendeten Messstellen erfolgen. Bei kleinen Dichtungen, O-Ringen oder Profilen lässt sich die normgerechte Geometrie häufig nicht einhalten. Der gemessene Wert wird dann als eine scheinbare Bauteilhärte ausgegeben.

Weitere wesentliche Einflussgrößen sind:

• Temperatur: Der Verformungswiderstand vieler Elastomere ändert sich mit der Temperatur. Messwerte bei Raumtemperatur sind nicht direkt auf den Betriebszustand bei Kälte oder Wärme übertragbar.
• Konditionierung: Lagerdauer, Feuchte, Temperaturverlauf und vorherige mechanische Belastung können das Ergebnis verändern.
• Ablesezeit: Elastomere besitzen eine Spannungsrelaxation und sinken einige Sekunden nach dem Eindringen des Prüfkörpers leicht. Daher muss festgelegt sein, wann der Wert abgelesen wird.
• Anpressung: Ein verkantetes, zu schnelles oder ungleichmäßiges Aufsetzen erzeugt zusätzliche Streuung. Ein Prüfständer reduziert den Bedienereinfluss.
• Alterung und Medienkontakt: Oxidation, Nachvernetzung oder Weichmacherverlust können zur Verhärtung führen. Quellung, Hydrolyse oder Kettenspaltung können den Messwert senken. Der Verlauf hängt von Werkstoff, Medium, Temperatur und Zeit ab.

Ein einzelner Messpunkt reicht bei Elastomeren meist nicht aus. Mehrere Messungen an getrennten Stellen erfassen lokale Schwankungen und ermöglichen die Angabe eines Mittelwerts. Bei relevanter Streuung sollten zusätzlich Einzelwerte oder Spannweite dokumentiert werden. Maßgebend bleiben die Vorgaben der vereinbarten Prüfnorm.

4. Die Shore-Härte als Kennwert in der Bauteilauslegung

Die Härte beeinflusst das Kontakt- und Verformungsverhalten eines Elastomerbauteils, bestimmt es jedoch nicht allein. Bei einer Dichtung wirken Härte, Querschnitt, Einbauraum, Verpressung, Reibung, Druck und Temperatur zusammen. Eine härtere Mischung kann bei gleicher Geometrie weniger nachgeben und einen höheren Widerstand gegen Spaltextrusion zeigen. Gleichzeitig kann eine höhere Montagekraft erforderlich sein, und kleine Oberflächenabweichungen werden unter Umständen weniger gut ausgeglichen.

Bei Lagern und Puffern hängt die Bauteilsteifigkeit stark vom Formfaktor ab. Eine dünne Elastomerschicht zwischen starren Platten verhält sich unter Druck wesentlich steifer als ein frei ausbauchender Probekörper derselben Mischung. Der Shore-Wert bleibt gleich, die Kraft-Weg-Kennlinie des Bauteils jedoch nicht.

Für Rollenbeläge beeinflusst die Härte unter anderem die Kontaktfläche und die lokale Verformung. Für Schläuche und Membranen sind Wanddicke, Verstärkungslagen und Werkstoffmodul häufig aussagekräftiger als die Härte allein.

Eine belastbare Auslegung verwendet die Shore-Härte daher als einen von mehreren Eingangsparametern. Für Berechnungen werden je nach Lastfall beispielsweise Spannungs-Dehnungs-Kurven, dynamische Module, Kompressibilität, Reibwerte oder zeitabhängige Materialmodelle benötigt.

Typische Härtebereiche von Elastomeren

EPDM, NBR, FKM oder Silikon können durch die Rezeptur in unterschiedlichen Härten hergestellt werden. Die folgenden Bereiche dienen lediglich der technischen Orientierung für Standardmischungen. Eine Anpassung über die Werte hinaus ist durch die Herstellung von Spezialcompounds gegebenenfalls auch möglich.

Abbildung 4: Balkendiagramm der Härtebereiche der Shore-Skalen A und D