عملیات سخت‌کاری سطحی (case hardening heat treatments)، که شامل فرایندهای نیتروژن‌دهی، نیتروژن-کربن‌دهی، کربن‌دهی و کربن-نیتروژن‌دهی است، ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی سطوح قطعات را تغییر می‌دهد. این فرایندها لایه‌های سطحی سخت‌شده‌ای را تا عمق مشخصی، بسته به زمان و دمای فرایند، ایجاد می‌کنند. ایجاد لایه‌های ضخیم‌تر نیازمند افزایش زمان و در نتیجه هزینة فرایند است؛ اما این افزایش هزینه به‌سرعت با افزایش عمر سایشی قطعات جبران میشود. اعمال این فرایندها توسط متخصصان مواد منجر به به‌صرفه‌شدن هزینة ساخت قطعات برای کاربردهای مختلف میشود.
کربن‌دهی
فرایند کربن‌دهی برای قطعاتی که نیاز به سختی بالا (مقاومت به سایش بالا) و درعین‌حال مغز نرم دارند، ایده‌آل است. فرایند کربن‌دهی در دمای بالا (900 تا 950 درجة سانتیگراد) انجام میشود و طی آن، کربن به درون سطح فولاد نفوذ می‌کند. دمای کربن‌دهی از دمای بحرانی فولاد بالاتر است. بنابراین، با انجام کوئنچ بعد از فرایند کربن‌دهی، لایة غنی از کربن به مارتنزیت تبدیل میشود، درحالی‌که زمینه به‌صورت فازهای نرم‌تر فریت و پرلیت باقی می‌ماند. عمق سختی در کربن‌دهی می‌تواند برحسب دما و زمان تا 6 میلی‌متر افزایش یابد.
همان‌طور که اشاره شد، نتیجة کربن‌دهی یک لایة سخت و مقاوم به سایش عمیق است که برای قطعاتی مانند چرخ‌دنده‌ها، پره‌ها، و برخی از ابزارهای برشی مناسب است. به‌وسیلة کربن‌دهی، می‌توان از فولادهای ارزان‌قیمت سادة کربنی قطعاتی بادوام ساخت.
برای آلیاژهایی با درصد کربن بالاتر (بیش از 0.3 درصد وزنی)، کربن‌دهی تأثیر مثبت چندانی ندارد و حتی می‌تواند مضر باشد. در این فولادها کربن موجود در ساختار خود باعث سخت‌شدن حجمی قطعه و تبدیل ساختار کل به مارتنزیت میشود. شایان ذکر است که فرایند کربن‌دهی به‌دلیل دمای بالا و کوئنچ سریع، می‌تواند به تغییر ابعادی در قطعه منجر شود.
کربن-نیتروژن‌دهی
برای فولادهای کم‌کربنی که عناصر آلیاژی چندانی نداشته و به همین علت قابلیت سخت‌شدن خوبی ندارند، اضافه‌کردن نیتروژن به فرایند کربن‌دهی می‌تواند سبب افزایش سختی سطح شود. به این فرایند کربن-نیتروژن‌دهی گفته میشود. کربن-نیتروژن‌دهی معمولاً در دماهای کمی پایین‌تر از کربن‌دهی (850 درجة سانتیگراد) انجام میشود، بنابراین در این فرایند نسبت به کربن‌دهی اعوجاج کمتری در قطعه به‌وجود می‌آید؛ اما از سوی دیگر به‌دلیل پایین‌تربودن دما نسبت به کربن‌دهی در یک زمان مشخص، عمق نفوذ کمتر است. لایه ایجادشده در کربن-نیتروژن‌دهی باوجود ضخامت کمتر، سختی بالاتری دارد و حین فرایندهایی مثل تمپر و تنش‌زدایی مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد.
نیتروژن‌دهی
نیتروژن‌دهی نیز مانند فرایندهای کربن‌دهی/کربن-نیتروژن‌دهی بر روی قطعة فولادی لایة سخت و مقاوم به سایش ایجاد می‌کند. این فرایند در دمای پایین‌تر از دمای بحرانی انجام میشود (معمولاً 450 تا570 درجة سانتیگراد). در این دما نیتروژن به درون سطح قطعه نفوذ می‌کند. به‌دلیل پایین‌بودن دمای فرایند، می‌توان قطعاتی که ماشین‌کاری نهایی بر روی آن‌ها انجام شده است، با تغییر ابعادی اندک، سخت‌کاری سطحی کرد. بنابراین، معمولاً نیاز به ماشین‌کاری بعد از فرایند نیتروژن‌دهی وجود ندارد. همچنین به‌دلیل پایین‌بودن دمای فرایند، خواص و ساختار مغز قطعه در طول نیتروژن‌دهی تغییر نمی‌کند. نکته‌ای که باید پیش از نیتروژن‌دهی در نظر گرفته شود این است که دمای فرایندهایی مانند تمپر، تنش‌زدایی، و پیرسازی که قبل از نیتروژن‌دهی انجام شده‌اند، به اطلاع واحد انجام‌دهندة نیتروژن‌دهی رسانده شود.
برخلاف کربن‌دهی که به فولادهای کم‌کربن محدود میشود، می‌توان محدودة وسیعی از آلیاژهای فولادی را به‌وسیلة نیتروژن‌دهی به سختی 600 تا 1200 ویکرز رساند. باوجوداین، آلیاژهایی که حاوی مقادیر از عناصر کروم، وانادیوم، تیتانیوم، و آلومینیوم باشند، شرایط بهتری برای نیتروژن‌دهی دارند. نیتروژن‌دهی می‌تواند برای فولادهای زنگ‌نزن و فولادهای ابزار که حاوی مقادیر بالایی کروم هستند، بسیار مفید باشد. این فولادها می‌توانند به‌وسیلة نیتروژن‌دهی به سختی بیش از 70 راکول سی دست یابند که عمر سایشی طولانی را برای آن‌ها تضمین می‌کند. فولادهای کم‌کربن نیز می‌توانند به‌خوبی نیتروژن‌دهی شوند. حین نیتروژن‌دهی، علاوه بر لایة سخت ایجادشده به‌صورت نفوذی، یک لایة ترکیبی نیز روی سطح قطعه ایجاد میشود. لایة ترکیبی ناحیه غنی از نیتروژن بر روی سطح است که بسیار سخت بوده (بیش از ۶۰ HRC) و مقاومت به سایش و خوردگی بالایی دارد. وجود لایة ترکیبی سبب میشود بتوان فولادهای کم‌کربن و کم‌آلیاژ را برای کار در شراط محیطی سخت استفاده کرد.
عمق سختی در نیتروژن‌دهی/ نیتروژن-کربن‌دهی برحسب دما و زمان فرایند، بین 0.1تا 0.7 میلی‌متر است. ایجاد لایه‌های ضخیم‌تر نیازمند مدت‌زمان بیشتری است. ضخامت لایة ترکیبی برحسب زمان فرایند، دمای فرایند، و نوع آلیاژ می‌تواند تا 50 میکرومتر باشد.
نیتروژن-کربن‌دهی
در مقایسه با نیتروژن‌دهی، نیتروژن-کربن‌دهی در دمای بالاتری انجام میشود و نیز یک منبع کربن در اتمسفر کوره وجود دارد. اضافه‌کردن کربن باعث میشود که لایة ایجادشده سخت‌تر باشد، و نیز مقاومت به سایش بالاتر و قابلیت روانکاری بیشتری داشته باشد. همچنین نسبت به نیتروژن‌دهی در فرایند نیتروژن-کربن‌دهی، لایه سفید ضخیم‌تری تشکیل میشود. به‌عنوان مقایسه، حتی لایة ایجادشده در فرایند نیتروژن‌دهی با اتمسفر نیتروژن خالص نسبت به لایة ایجادشده در فرایند نیتروژن-کربن‌دهی سختی و مقاومت‌به‌سایش کمتری دارد.
افزایش کربن به اتمسفر فرایند باعث افرایش تخلخل سطح میشود که این موضوع برای قطعاتی که حین کار تنش زیادی به سطوح آن‌ها وارد میشود، مناسب نیست. همچنین، لایة ایجادشده در فرایند کربن‌دهی چقرمگی پایینی دارد.
برای هر قطعه با توجه به شرایط کاری، می‌توان تشخیص داد که کدام‌یک از فرایندهای نیتروژن‌دهی یا نیتروژن-کربن‌دهی مناسب‌تر است.