در عملیات حرارتی فولاد معمولاً یکی از اهداف زیر دنبال می‌شود:
تنش‌گیری حاصل از کار یا تنش گیری حاصل از سرد کردن ناهمگن
بهینه سازی ساختار دانه در فولادهایی که بر روی آنها کار گرم انجام شده است
و ممکن است دانه‌های درشت داشته باشند.
کاهش سختی فولاد و افزایش قابلیت شکل‌پذیری بهینه‌سازی ساختار دانه
افزایش سختی فولاد به منظور زیاد شدن مقاومت سایشی و یا سخت کردن فولاد برای مقاومت بیشتر در شرایط کاری
افزایش چقرمگی فولاد به منظور تولید فولادی که استحکام بالا و انعطاف‌پذیری خوبی دارد و افزایش مقاومت فولاد در برابر ضربه
بهبود قابلیت ماشین‌کاری .
بهبود خواص برش در فولادهای ابزار .
بهینه کردن خواص مغناطیسی فولاد .
بهبود خواص الکتریکی فولاد .
عنوان گزارش اول : عملیات حرارتی سخطی سطحی فولاد
تئوری
فولادهای مناسب برای انواع عملیات حرارتی متداول
برای هر کدام از چهار عملیات حرارتی سطحی متداول در فولادها (کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن- کربن‌دهی)، یک‌سری از فولادها مناسب بوده و توسط عملیات حرارتی مورد نظر، خواص بهینه‌ای به دست می‌آورند. در زیر، فولادهای مناسب برای هر عملیات سطحی با ذکر دلیل معرفی شده است.
الف- فولادهای مناسب برای کربن‌دهی
فولادهای ساده کربنی که برای سخت کردن سطحی به روش کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، معمولاً کمتر از 2/0 درصد کربن دارند. این میزان کربن موجب می‌شود که فولاد پس از سخت شدن، حداکثر استحکام به ضربه و بیشترین انعطاف‌پذیری را داشته باشد. تحت شرایطی که استحکام بیشتری نیاز باشد، فولاد با درصد کربن اولیه تا حداکثر 3/0 درصد را نیز می‌توان انتخاب کرد.
منگنز باعث پایداری سمنتیت شده و تا حدود 4/1 درصد، به کربن‌دهی کمک می‌کند. همچنین، کاربرد منگنز، ضخامت لایه سخت شده را افزایش می‌دهد. بنابراین، ضمن سرد کردن سریع، امکان ترک برداشتن قطعه بیشتر می‌شود که این امر باید در نظر گرفته شود.
سیلیسیم، عنصری گرافیت‌زاست و باعث تجزیه سمنتیت می‌شود. لذا وجود آن در فولاد، کربن‌دهی را به تعویق می‌اندازد. بنابراین در فولادهایی که قرار است تحت عملیات کربن‌دهی قرار گیرند، مقدار سیلیسیم کمتر از 35/0 درصد انتخاب می‌شود.
کروم، باعث پایداری سمنتیت و افزایش سختی و مقاومت به سایش پوسته سخت شده می‌شود. همچنین، حضور این عنصر منجر به افزایش استحکام مغز قطعه (تا حدودی) می‌شود، اما انعطاف‌پذیری آن را به میزان اندکی کاهش می‌دهد. با این وجود، از آنجا که کروم مقاومت به ضربه را کاهش می‌دهد، مقدار آن در فولادهایی که قرار است تحت عملیات سطحی کربن‌دهی قرار گیرد از 5/1 درصد نباید بیشتر شود.
نیکل، باعث پیشگیری از رشد دانه‌ها به هنگام کربن‌دهی شده و با کاربرد آن معمولاً نیازی به عملیات نرماله کردن قطعه برای ریز کردن دانه‌ها نیست. لذا وجود آن در فولاد کربن‌دهی شده، مفید است.
به‌طور کلی از مباحث فوق نتیجه می‌شود که فولادهای ساده کربنی که برای کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، تا 4/1 درصد منگنز، تا 3/0 درصد کربن و کمتر از 35/0 درصد سیلیسیم دارند. فولادهای آلیاژی مناسب برای کربن‌دهی علاوه‌بر عناصر فوق، می‌توانند دارای 5/4 درصد نیکل، 5/1 درصد کروم و 3/0 درصد مولیبدن باشند. نقش عناصر آلیاژی یاد شده، افزایش استحکام بدون کاهش انعطاف‌پذیری و مقاومت قطعه به ضربه (تافنس) است.
ب - فولادهای مناسب برای نیتروژن‌دهی
به‌طور کلی، فولادهای زیر را می‌توان برای کاربردهای خاص تحت عملیات حرارتی نیتروژن‌دهی قرار داد:
1. فولادهای کم آلیاژ آلومینیم‌دار
2. فولادهای کم‌آلیاژ کروم‌دار با کربن متوسط (بیش از 25/0 درصد کربن) از گروه‌های 4100، 4300، 5100، 6100، 8600، 8700، 9300 و 9800 (دو رقم سمت راست این گروه‌ها که بیانگر صدم درصد کربن است، باید بیشتر از 25 باشد)
3. فولادهای قالب گرم کار حاوی 5 درصد کروم نظیر11 H13، H 12، H.
4. فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی از گروه 400.
5. فولادهای زنگ نزن آستنیتی از گروه 300.
6. فولادهای زنگ نزن سخت‌شونده رسوبی نظیر
PHا4 - 17، PHا7 - 17 و 286 - A.
فولادهای ساده کربنی برای نیتروژن‌دهی مناسب نیستند. این امر تشکیل یک لایه سطحی بسیار ترد است که به سادگی از سطح جدا می‌شود. به علاوه، افزایش سختی در ناحیه نفوذ نیتروژن در این نوع فولادها کم است.
پ- فولادهای مناسب برای کربن- نیتروژن‌دهی
سختی‌پذیری که معیاری برای سهولت تشکیل مارتنزیت و تشکیل آن در آهنگ‌های سرد شدن کمتر است، به هر اندازه که بیشتر شود، مفید خواهد بود. برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، نیاز به آهنگ سرد شدن کمتری وجود دارد. لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه کربن داده شده به تنهایی است. بنابراین، فولادهای کربن- نیتروژن داده شده را می‌توان با سرد کردن در روغن و یا حتی توسط گاز (در برخی موارد) و در نتیجه، کاهش احتمال اعوجاج و تاب برداشتن قطعه، به حداکثر سختی مورد نظر رساند. از سویی دیگر، در این فرایند با هزینه کمتر به ضخامت پوسته سخت شده مورد نظر خواهیم رسید.
فولادهایی که معمولاً کربن- نیتروژن‌دهی می‌شوند، عبارتند از:
گروه‌های 1000، 1100، 1200، 1300، 1500، 4000، 4100، 4600، 5100، 6100، 8600 و 8700 با درصد کربنی حداکثر برابر با 25/0 درصد.
تحت شرایطی که در آنها، به مجموعه‌ای از خواص نظیر سخت شدن سرتاسری با تافنس قابل قبول و سطحی سخت با مقاومت به سایش زیاد، نظیر شافت‌ها و دنده‌ها نیاز باشد، می‌توان سطح بسیاری از فولادهای گروه‌های یاد شده را با درصد کربنی بین 3/0 تا 5/0 درصد، تا عمق 3/0 میلی‌متر تحت عملیات کربن- نیتروژن‌دهی قرار داده و سخت کرد. برای دستیابی به پوسته‌ای نازک با سختی و مقاومت به سایش بیشتر در مقایسه با شرایط سخت کردن حجمی مرسوم، اغلب فولادهای کربنی آلیاژی با کربن متوسط را در اتمسفر کربن- نیتروژن‌دار حرارت داده و سپس سریع سرد می‌کنند. در مورد فولادهایی نظیر: 4140، 5140، 8640 و 4340 که برای کاربردهایی مانند چرخ‌دنده‌های سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توان عملیات حرارتی مشابهی انجام داد. دمای عملیات حرارتی برای این منظور حدود 845 درجه سانتی‌گراد (دمای آستنیته کردن) است.