Titel

Härteverfahren für ein legiertes Werkstück sowie Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Härteverfahren für ein legiertes Werkstück sowie eine Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.

Die im Internet veröffentlichte Publikation "Bischoff, S., Gasaufkohlen unter Normaldruck und ohne Randschichtschädigung - erste Ergebnisse*, 21.09.2020, https://www.rohdetherm.de/wp-content/uploads/2013/01/l-PDF- ROHDE_HT110197_HTM-2013-05_.pdf" offenbart Folgendes in deren Zusammenfassung:

"Das weit verbreitete geregelte Gasaufkohlen hat den Nachteil, dass aus regelungstechnischen Gründen mit sauerstoffhaltigen Aufkohlungsatmosphären gearbeitet werden muss, was zwangsläufig zu einer Bauteilrandschichtschädigung in der Form von Randoxidation führt. Um Schädigungen durch Oxidation und Manganeffusion zu unterdrücken und auch um Anlagenkosten niedrig zu halten, wurde ... gezielt im Normaldruckbereich geforscht. Mit einer an das verwendete sauerstofffreie Aufkohlungsgas angepassten Steuerung und Diffusionsberechnung ist es gelungen, eine gezielte Aufkohlung mit guter Gleichmäßigkeit in einer industriellen Anlage zu erzeugen, die beim verwendeten Werkstoff 18CrNiMo7-6 (1.6587) bei einer CHD von rund 1 mm eine Manganeffusion erfolgreich unterdrückt und die Randoxidation nahezu vollständig vermeidet." Ferner offenbart die besagte Publikation: "Von diesen Verfahren hat sich das Niederdruck-Aufkohlen mit Acetylen am besten etabliert, nicht zuletzt aufgrund der sehr guten Reproduzierbarkeit, die durch dieses Verfahren erreicht wird. Das Niederdruck-Aufkohlen vermeidet die Randoxidation, erfordert aber eine aufwendige Ofentechnik und ist nicht frei von einer Randschichtschädigung, da thermische Ätzeffekte auftreten und das Legierungselement Mangan aus dem Werkstoff diffundiert."

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen sich legierte Werkstücke härten lassen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 8 gelöst.

Die Erfindung betrifft ein Härteverfahren eines legierten Werkstücks, das zumindest ein Basiselement und ein Legierungselement enthält und das in einer Kammer innerhalb eines Härteofens erhitzt wird, wobei die Kammer zumindest in einem Zeitabschnitt gegenüber dem Atmosphärendruck außerhalb des Härteofens abgeschlossen ist. In der Kammer wird eine Opfereinrichtung erhitzt, die das Legierungselement in ein Gas abgibt, aus dem das Werkstück das Legierungselement aufnimmt, sodass ein Anteil des Legierungselements in einer Randschicht des Werkstücks gleich bleibt oder zunimmt. Bei dem Gas kann es sich selbstverständlich auch um ein Gasgemisch handeln.

Beim Vorgeben, insbesondere Steuern oder Regeln, einer Temperatur innerhalb der Kammer des Härteofens ergibt sich in dem Gas über einer Oberfläche des Werkstückes, welches das Legierungselement in fester Lösung enthält, ein temperaturabhängiger Gleichgewichtspartialdruck des Legierungselements. Durch die hohe Temperatur im Härteofen bildet sich der von dieser Temperatur abhängige Partialdruck des gasförmigen Legierungselements in der Kammer aus, wodurch weniger Legierungselement aus dem Werkstück effundiert und sich ein quasistationärer Zustand ergibt und der Anteil des Legierungselements in dem Randbereich des Werkstücks nicht weiter absinkt. Dadurch, dass eine Opfereinrichtung das Legierungselement in einer ausreichend hohen Menge abgibt, die sicherstellt, dass ein Anteil des Legierungselements in einer Randschicht des Werkstücks nicht abnimmt, wird der Randbereich des Werkstücks hart und mithin verschleißfest, wohingegen die oberflächenfernen Bereiche des Werkstücks insbesondere schlagzäher sind.

Besonders vorteilhaft ist, wenn vorgesehen ist, dass das Werkstück eine Oberfläche aufweist und dass das Legierungselement Mangan ist, das von der Opfereinrichtung in einer Menge abgegeben wird, die sicherstellt, dass der Anteil des Mangans in der Randschicht des Werkstücks an dessen Oberfläche mindestens das Dreifache von dem Anteil des Mangans in einem von der Oberfläche entfernten Bereich innerhalb des Werkstücks beträgt. Mangan ist ein relativ häufiges Element und wird zur Steigerung der Härtbarkeit und Durchhärtbarkeit bei Stählen als kostengünstiges Legierungselement verwendet. Darüber hinaus kann es als Nickel-Ersatz bei korrosionsbeständigen Stählen eingesetzt werden. Da es nicht zur oberflächennahen Verminderung des Anteils des Mangans im Werkstück kommt, wird die Härtbarkeit beibehalten oder erhöht und es verringert sich die Martensitstarttemperatur. Das Werkstück kommt im Randbereich beim Härten nicht unter Zugspannungen, wodurch sich die zyklische Beanspruchbarkeit des Werkstücks beispielsweise hinsichtlich einer Innendruck- oder Biegebeanspruchbarkeit verbessert. Eine Nachbearbeitung des Werkstücks nach dem Härten ist nicht unbedingt notwendig.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass während des Zeitabschnitts ein Druck innerhalb der Kammer unterhalb des Atmosphärendrucks liegt. Als Atmosphärendruck im Sinne dieser Anmeldung ist ein mittlerer atmosphärischer Druck auf Meereshöhe zu verstehen. Insofern handelt es sich um ein Niederdruckverfahren, welches beispielsweise bei 2 bis 30 mbar, insbesondere 10 mbar durchgeführt werden kann.

Um beim Einsatzhärten des Werkstücks eine Randschichtoxidation zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass das Werkstück im Härteofen durch Zugabe eines Aufkohlungsgases niederdruckaufgekohlt wird und anschließend im Härteofen nach Zugabe eines Inertgases hochdruckgasabgeschreckt wird.

Um eine Effusion von Mangan zwischen Aufkohlungszeitabschnitten zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass das Werkstück in mindestens zwei Aufkohlungszeitabschnitten niederdruckaufgekohlt wird, die von einem Diffusionszeitabschnitt unterbrochen werden, in dem das Aufkohlungsgas innerhalb der Kammer durch das Inertgas ersetzt wird.

Um sicherzustellen, dass in vorgegebener Zeit eine relativ hohe Menge des Mangans in das Werkstück diffundiert, kann vorgesehen sein, dass der maximale Druck des Inertgases während des unterbrechenden Diffusionszeitabschnitts höher ist als der maximale Druck des Aufkohlungsgases während der beiden Aufkohlungszeitabschnitte, in denen das Werkstück niederdruckaufgekohlt wird.

Um den Mangangehalt im Werkstück noch weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass vor und nach den mindestens zwei Aufkohlungszeitabschnitten jeweils ein Diffusionszeitabschnitt liegt.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks ist vorgesehen, dass das Werkstück zumindest ein Basiselement und ein Legierungselement enthält und dass das Werkstück in einer Kammer innerhalb eines Härteofens erhitzt wird, wobei eine Einrichtung zur Vorgabe einer Temperatur in der Kammer vorgesehen ist, die zumindest in einem Zeitabschnitt gegenüber dem Atmosphärendruck außerhalb des Härteofens abschließbar ist. In der Kammer ist eine Opfereinrichtung angeordnet, die einen höheren Anteil des Legierungselements aufweist als das Werkstück. Insofern ist die Opfereinrichtung mit dem Legierungselement höher legiert als das Werkstück. Es ergibt sich in der Gasphase über einer Oberfläche der Opfereinrichtung, die das Legierungselement in fester Lösung enthält, ein temperaturabhängiger Gleichgewichtsdruck des Legierungselements. Das Werkstück enthält jedoch weniger Legierungselement in fester Lösung als die Opfereinrichtung. Da das Werkstück und die Opfereinrichtung von einer nahezu gemeinsamen Gasphase umgeben werden, geht insofern das Legierungselement von der Opfereinrichtung über die Gasphase in das Werkstück über, an dessen Randschicht sich der Anteil des Legierungselements erhöht.

Das Werkstück kann insbesondere aus einem Stahl bestehen, dessen Basiselement Eisen ist, wohingegen das Legierungselement Mangan ist. Um bei üblichen Stählen mit Mangan, insbesondere bei niedriglegierten Einsatzstählen, sicherzustellen, dass der Anteil des Mangans im Werkstück beim Härten nicht abnimmt, kann vorgesehen sein, dass die Opfereinrichtung einen Anteil des Mangans von mehr als 5 Gew-%, insbesondere mehr als 10 Gew-% aufweist.

Je nach Größe und Formgebung des Härteofens sind verschiedene Arten von Opfereinrichtungen von Vorteil. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Opfereinrichtung eine Chargiereinrichtung und/oder Setzware und/oder Schüttgut und/oder ein Einsatz ist, der wechselbar in die Chargiereinrichtung eingesetzt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks;

Fig. 2 anhand eines Diagrammes eine Prozessführung zum Niederdruckaufkohlen und Hochdruckgasabschrecken des Werkstücks aus Fig. 1 ; und

Fig. 3 anhand eines weiteren Diagrammes für drei verschiedene Härteverfahren den Anteil des Mangans über dem Abstand zur Oberfläche des Werkstücks nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Härten eines legierten Werkstücks. Die Vorrichtung umfasst einen Härteofen 2 mit einer Kammer 4, die eine Öffnung 6 aufweist, durch die eine Chargiereinrichtung 8 in die Kammer 4 eingesetzt werden kann. Die Kammer 4 ist mittels eines Deckels 10 verschließbar.

Die Chargiereinrichtung 8 kann beispielsweise als Chargiergestell oder als Chargierkorb ausgeführt sein. Auf gitterartige Böden 12, 14 der Chargiereinrichtung 8 sind Werkstücke 16 gelegt, die Oberflächen 17 aufweisen, die bis auf verhältnismäßig kleine Auflageflächen auf den gitterartigen Böden einem umgebenden Gas gegenüber exponiert sind. Dazu weist die Chargiereinrichtung 8 eine offene Struktur auf. Die Werkstücke 16 sind vorliegend beispielhaft als Zahnräder eines Getriebes für einen Elektroantrieb ausgeführt. Dabei kann es sich um den Elektroantrieb eines Elektrofahrzeugs handeln.

Die Werkstücke 16 bestehen aus einer Legierung die zumindest ein Basiselement und mehrere Legierungselemente enthält, von denen ein Legierungselement Mangan ist. Das Basiselement ist Eisen, das zusammen mit Kohlenstoff einen Stahl bildet.

Die Chargiereinrichtung 8 weist einen Bereich 18 auf, in dem Schüttgut 20 aufgeschüttet ist. Zusätzlich und/oder alternativ weist die Chargiereinrichtung 8 eine Aufnahme 22 auf, in die zumindest ein austauschbarer Einsatz 24 eingesetzt ist. Überdies ist auf zumindest einen der Böden 12, 14 Setzware 25 aufgesetzt. Ferner ist in die Kammer 4 ein weiterer austauschbarer Manganeinsatz 26 vorgesehen.

Die Chargiereinrichtung 8, das Schüttgut 20, der Einsatz 24, die Setzware 25 und der Manganeinsatz 26 bilden jeweils eine Opfereinrichtung. Diese Opfereinrichtung besteht aus einer weiteren Legierung, in der ein Legierungselement ebenfalls Mangan ist. Der Anteil des Mangans an der Legierung ist so hoch, dass bei gleichzeitiger Erhitzung der Opfereinrichtung und des Werkstücks 16 innerhalb der Kammer 4 sichergestellt ist, dass der Anteil des Legierungselements in der Randschicht des Werkstücks zunimmt oder zumindest nicht abnimmt. Insofern kann die Opfereinrichtung einen Anteil des Mangans von mehr als 5 Gew-%, insbesondere mehr als 10 Gew-% aufweisen. Eine Legierung, die einen solch hohen Anteil des Mangans aufweist, ist beispielsweise X120Mn12. Insofern ist der gewichtsmäßige Anteil des Mangans bei der Opfereinrichtung höher als beim Werkstück. Je höher der Anteil des Mangans im Werkstück bzw. der Opfereinrichtung ist, desto höher ist der jeweils daraus resultierende Partialdruck des gasförmigen Mangans, das beim Heizen der Kammer 4 mittels einer Heizung 27 des Härteofens 2 aus der Chargiereinrichtung 8, dem Werkstück 16, dem Schüttgut 20, dem Einsatz 24, der Setzware 25 und dem Manganeinsatz 26 effundiert. Die Heizung 27 ist Teil einer Einrichtung zur Vorgabe einer Temperatur in der Kammer 4. Diese Einrichtung umfasst zusätzlich einen nicht näher dargestellten Temperaturregler. Es ist jedoch alternativ auch möglich, die Temperatur in der Kammer 4 zu steuern.

Beim Heizen oberhalb einer Temperatur von ungefähr 800 °C ergibt sich in einem Gas bzw. Gasgemisch über einer Oberfläche der metallischen Teile, die Mangan in fester Lösung enthalten, ein temperaturabhängiger Mangangleichgewichtspartialdruck. Würde das mit Mangan angereicherte Gas kontinuierlich abgesaugt, so würde unter diesen Bedingungen andauernd Mangan aus den Randbereichen der metallischen Teile effundieren. Um diese Effusion zu verhindern wird ein Härteverfahren angewendet, das nachstehend erläutert wird. Bei dem Härteverfahren wird die Effusion von Mangan insbesondere aus den Werkstücken 16 verringert, indem ein kontinuierliches Evakuieren des Härteofens bei Temperaturen oberhalb 800 °C vermieden wird. Dadurch bildet sich nur der von der Temperatur abhängende Manganpartialdruck im Gas innerhalb der Kammer 4 aus, wodurch deutlich weniger Mangan aus den Werkstücken 16 effundiert und sich ein quasistationärer Zustand ergibt und der Mangangehalt oberflächennah nicht weiter absinkt.

Mit zunehmendem Manganpartialdruck nehmen die zu behandelnden Werkstücke 16 im Randbereich zusätzliches Mangan auf. Die Zahl der Opfereinrichtungen, die notwendig ist, um für eine gegebene Wärmebehandlungscharge einen ausreichend hohen Manganpartialdruck gewährleisten zu können, hängt maßgeblich davon ab, welchen Anteil des Mangans die Opfereinrichtungen aufweisen. Die notwenige Zahl der Opfereinrichtungen hängt auch von deren Oberflächenform und -große ab. Außerdem hängt die notwendige Zahl der Opfereinrichtungen vom Mangangehalt der zu behandelnden Werkstücke 16 und von der Behandlungs- bzw. Härtetemperatur ab. Überdies hängt die notwendige Zahl der Opfereinrichtungen von den Werkstoffen der Kammer 4 sowie der Chargiereinrichtung 8 ab. Darüber hinaus hängt die Zahl der notwendigen Opfereinrichtungen von dem Ort ab, an dem die Werkstücke 16 und die Opfereinrichtung innerhalb der Chargiereinrichtung 8 und in der Kammer 4 angeordnet sind.

Um das nachstehend beschriebene Härteverfahren durchführen zu können, muss der Kammer 4 Gas zugeführt und aus derselben (allerdings nicht kontinuierlich und nicht oberhalb von 800 °C) evakuiert werden können. Dazu weist eine Wand des Härteofens zwei Öffnungen 28, 30 auf, die als Gaseinlass und als Gasauslass ausgestaltet sind. Die erste Öffnung 28 ist über Ventile 32, 34 mit Gas- bzw. Flüssiggasanschlüssen verbindbar und von denselben absperrbar.

Die zweite Öffnung ist ebenfalls mittels eines Ventils 36 absperrbar. Bei geöffnetem Ventil 36 ist die Kammer 4 fluidisch mit einer Vakuumpumpe verbunden, die im Idealfall ein Vakuum in der Kammer 4 erzeugen kann oder aber zumindest das Gas oder Flüssiggas aus der Kammer 4 absaugen kann, das zuvor über die erste Öffnung 28 in die Kammer 4 eingefüllt wurde. Bei dem Gas und/oder dem Flüssiggas kann es sich insbesondere um ein Inertgas und einen Kohlenwasserstoff handeln, der auch als Aufkohlungsgas bezeichnet wird. Mögliche Inertgase sind beispielsweise Stickstoff, Helium und Argon. Mögliche Kohlenwasserstoffe sind beispielsweise Acetylen und Propan.

Damit wird bei den Behandlungstemperaturen, die beispielsweise beim Einsatzhärten auftreten, ein ausreichend hoher Manganpartialdruck gewährleistet. Das Einsatzhärten umfasst ein Niederdruckaufkohlen und ein Hochduckgasabschrecken.

Zusätzlich soll mit nachfolgend beispielhaft beschriebener Prozessführung beim Härteverfahren der Einfluss der notwendigen Evakuierschritte auf die Manganeffusion im Randbereich der Werkstücke 16 minimiert werden.

Fig. 2 zeigt anhand eines Diagrammes das Härteverfahren der legierten Werkstücke aus Fig. 1.

Auf der Abzisse ist die Zeit t aufgetragen.

Auf der Ordinate sind die Temperatur T und der Kammerdruck p in der Kammer aufgetragen. Dabei zeigt ein Balkendiagramm den Kammerdruck p und das Liniendiagramm die Temperatur T.

Das Härteverfahren weist einzelne zeitlich aufeinander folgende Zeitabschnitte auf, in denen die Kammer 4 gegenüber der Luft bzw. dem Atmosphärendruck außerhalb des Härteofens 2 abgeschlossen ist, wobei diese Zeitabschnitte einen Konvektionszeitabschnitt B, zwei Aufkohlungszeitabschnitte F1, F2, drei Diffusionszeitabschnitte D1 , D2, D3, und einen Abschreckzeitabschnitt G umfassen.

Zwischen den einzelnen Zeitabschnitten nach dem Konvektionszeitabschnitt B, d.h. beginnend mit dem ersten Diffusionszeitabschnitt D1 und endend mit dem Abschreckzeitabschnitt G, wird das Gas mittels der Vakuumpumpe in Evakuierungszeitabschnitten E1 , E2, E3, E4 und E5 aus der Kammer evakuiert. Die Evakuierungszeitabschnitte E1, E2, E3, E4 und E5 sind jeweils kürzer als jeder der übrigen Zeitabschnitte B, F1 , F2, D1 , D2, D3 und G. Die Evakuierungszeitabschnitte E1, E2, E3, E4 und E5 sind deshalb möglichst kurz gehalten, um die Manganeffusion zu minimieren. Zwischen dem Konvektionszeitabschnitt B und dem ersten Diffusionszeitabschnitt D1 erfolgt keine Evakuierung der Kammer.

Die Kammer wird im ersten Zeitabschnitt - d.h. dem Konvektionszeitabschnitt B - zunächst mit einem Inertgas gefüllt, das beispielsweise Stickstoff, Helium oder Argon sein kann. Anschließend oder zeitlich parallel dazu wird die Kammer mit einem Temperaturanstieg A1 erwärmt.

Nach dem Erwärmen der Werkstücke auf eine Behandlungstemperatur C1 von beispielsweise 800 °C wird der Druck des Inertgases in der Kammer auf wenige Millibar, beispielsweise 30 mbar, abgesenkt und über den zweiten Zeitabschnitt, d.h. den ersten Diffusionszeitabschnitt D1 , konstant gehalten. Daran anschließend werden die Werkstücke mit einem Temperaturanstieg A2 weiter auf die Aufkohlungstemperatur C2 erwärmt.

Nach dem ersten Evakuierungszeitabschnitt E1 wird das Aufkohlungsgas in die Kammer eingeleitet und die Werkstücke werden in dem nächsten Zeitabschnitt, d.h. dem ersten Aufkohlungszeitabschnitt F1 bei einem Druck von beispielsweise 10 mbar aufgekohlt. Beim Aufkohlen wird der Kohlenstoffanteil des Stahls in der Randschicht des jeweiligen Werkstücks erhöht. Anschließend wird das Aufkohlungsgas in dem zweiten Evakuierungszeitabschnitt E2 aus der Kammer entfernt. Daraufhin wird mit dem Inertgas wieder ein Behandlungsdruck von wenigen Millibar, beispielsweise 30 mbar, eingestellt und über den darauf folgenden Diffusionszeitabschnitt D2 konstant gehalten.

Zeitlich vor und nach dem darauf folgenden Zeitabschnitt, der den zweiten Aufkohlungszeitabschnitt F2 darstellt, liegen der dritte bzw. der vierte Evakuierungszeitabschnitt E3, E4.

Mithin werden die Werkstücke in jedem der beiden Aufkohlungszeitabschnitte F1 , F2 niederdruckaufgekohlt. Diese beiden Aufkohlungszeitabschnitte F1, F2 werden von dem vierten Zeitabschnitt D2 unterbrochen, in dem das Aufkohlungsgas innerhalb der Kammer durch das Inertgas ersetzt wird.

Der maximale Druck des Inertgases während des unterbrechenden zweiten Diffusionszeitabschnitts D2 ist mit 30 mbar höher als der 10 mbar betragende maximale Druck des Aufkohlungsgases während der beiden Aufkohlungszeitabschnitte F1 , F2.

Während des darauf folgenden dritten Diffusionszeitabschnitts D3 wird mit dem Inertgas ein Behandlungsdruck von wenigen Millibar, beispielsweise 30 mbar eingestellt und gehalten. In diesem dritten Diffusionszeitabschnitt D3 wird die Temperatur der Werkstücke über einen Temperaturabfall F auf eine Härtetemperatur C3 abgesenkt. Vor dem Abschrecken der Werkstücke über einem Temperaturabfall H liegt der letzte Evakuierungszeitabschnitt E5. Für das Abschrecken wird in der Kammer ein Überdruck mit dem Inertgas eingestellt. Dieser Überdruck ist erheblich höher als die maximalen Drücke, die während der vorhergehenden Zeitabschnitte B, D1 , F1 , D2, D3 in der Kammer aufgebaut wurden. Nach dem Abkühlen der Werkstücke auf Raumtemperatur werden die Werkstücke über einem konstant gehaltenen Temperaturplateau I angelassen, um den gewünschten Härte-/Festigkeitsgrad zu erzielen. Mit dem Anlassen wird die Härte reduziert und die Festigkeit erhöht.

Die Dauer des Diffusionszeitabschnittes D2 bzw. D3 nimmt zum jeweils vorhergehenden Diffusionszeitabschnitt D1 bzw. D2 zu. D.h., der zweite Diffusionsabschnitt D2 ist länger als der erste Diffusionszeitabschnitt D1. Der dritte Diffusionsabschnitt D3 ist länger als der zweite Diffusionszeitabschnitt D2.

Es können auch weniger als drei Diffusionszeitabschnitte D1 bis D3 vorgesehen sein. Beispielsweise können zwei Diffusionszeitabschnitte D1 bis D2 ausreichend sein.

Fig. 3 zeigt anhand eines weiteren Diagrammes für drei verschiedene Härteverfahren den Anteil des Mangans in Gew-% über dem Abstand zur Oberfläche in pm bis zu einer maximalen Materialtiefe von 30 pm. Der Anteil des Mangans ist auf der Ordinate logarithmisch aufgetragen.

Bei allen drei Härteverfahren wurde ein Einsatzstahl 20MnCrS5 gehärtet, indem er im Niederdruck aufgekohlt und anschließend hochdruckgasabgeschreckt wurde.

Die unterste durchgezogene Linie betrifft ein Werkstück, das in einem Härteofen einsatzgehärtet wurde, dessen Kammer in den Diffusionsphasen nahezu vollständig evakuiert wurde. Deutlich ist zu ersehen, dass der Anteil des Mangans ab einer Materialtiefe von ca. 22 pm zur Oberfläche hin abnimmt. Hingegen ist der Anteil des Mangans ab einer Materialtiefe von 22 pm zum Werkstückinneren hin nahezu konstant.

Das liegt daran, dass bei dem manganhaltigen Werkstück aus Einsatzstahl, das im Heizofen gehärtet wurde, der Anteil des Mangans oberflächennah durch Abdampfen des Mangans abgenommen hat, was als Manganeffusion beim Aufkohlen vom Werkstück im Niederdruck bezeichnet wird.

Die punktierte Linie betrifft ein Werkstück, das ebenfalls in einem Härteofen einsatzgehärtet wurde. Jedoch wurde die Kammer in den Diffusionsphasen möglichst wenig evakuiert. Es ist ersichtlich, dass der Anteil des Mangans von der Oberfläche bis zu einer Materialtiefe (d.h. einem Abstand zur Oberfläche hin) von ca. 10 pm höher ist als bei dem Werkstück, bei dem die Kammer in den Diffusionsphasen stärker evakuiert wurde. Ab einer Materialtiefe von ca. 10 pm ist hinsichtlich des Anteils des Mangans jedoch kaum ein Unterschied zu dem Werkstück zu sehen, bei dem die Kammer in den Diffusionsphasen stärker evakuiert wurde.

Ein deutlicher Unterschied ist hingegen bei dem Werkstück zu sehen, das von der obersten durchgezogenen Linie repräsentiert wird. Ausschließlich bei diesem Werkstück nimmt der Anteil des Mangans zur Oberfläche hin zu. Mangan wurde nämlich von der Opfereinrichtung in einer Menge abgegeben, die sicherstellt, dass der Anteil des Mangans in der Randschicht des Werkstücks an dessen Oberfläche mindestens das dreifache von dem Anteil des Mangans in einem von der Oberfläche entfernten Bereich innerhalb des Werkstücks beträgt.

Auch ist zu sehen, dass das Werkstück über die gesamte im Diagramm aufgetragene Materialtiefe von bis zu 30 pm einen höheren Anteil des Mangans aufweist als die durch die beiden anderen Linien repräsentierten Werkstücke, bei denen keine Opfereinrichtung in dem Härteofen angeordnet wurde.

Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens kann selbstverständlich anstelle des Legierungselements Mangan auch ein anderes Legierungselement verwendet werden, dessen Anteil in der Randschicht zur Oberfläche hin zunimmt.

Der Härteofen 2 könnte auch so ausgestaltet sein, dass das Werkstück 16 ohne Chargiereinrichtung 8 unmittelbar in die Kammer 4 eingelegt wird.