Genel olarak ısıl işlem, malzemenin sertliği, tane yapısı ve mekanik özelliklerinin istenen değerde olmasını sağlamak amacıyla, malzemeye uygulanan bir dizi ısıtma ve soğutma işlemidir.

1-TAVLAMA: Şekillendirilmiş bir çelik parçasının bir veya birkaç defa kimyasal yapısının gerektirdiği sıcaklıklara kadar ısıtılıp, sonra uygun ortamda uygun hızla soğutulmasına TAVLAMA denir. Tavlama sonucunda, çelik dokusunda az veya çok değişiklikler olur ve istenilen özellikler sağlanır. Tavlama işlemleri, katı yakıt, akaryakıt,  gaz ve elektrik ile (direnç ve endüksiyon ile) ısıtılan fırınlarda veya tuz banyolarında yapılır. Tavlama işlemleri ve sıcaklıkları çeliğin kimyasal bileşimine bağlı olmakla birlikte, karbon miktarı belirleyici faktördür. Bu bakımdan, demir-karbon faz diyagramının çelik dokusunun katı halde sıcaklık karşısındaki değişimlerini gösteren bölümü genel fikir vermek bakımından yararlıdır. Tavlama işlemleri çeşitli amaçlar için uygulanır. Uygulamalar birbirinden farklıdır ve başka adları vardır. Bunları en önemlileri şöyle sıralanabilir:

Normalize Tavlaması: Çeliklerin özellikleri dokuların yapısına da bağlıdır.  Dış etkilerle başkalaşmış olan dokuları, tavlama ile esas dokuya dönüştürmek mümkündür. Bu işleme  ‘’Normalize tavlaması’’ denir. Yapılacak işleme göre , iri taneli yapıların istenmediği durumlar için malzemeler sertleştirilme sıcaklığına kadar ısıtılarak, sakin havada soğumaya bırakılır. Normalleştirme tavlamasını diğerlerinden ayıran özellik parçaların yavaş soğutulması yerine, sakin havada hızlı soğutulmasıdır. Normalize tavlaması alaşımsız çelikler ve düşük alaşımlı (sıklıkla bu grupta uygulanır) ve alaşımlı çelikleri iki farklı noktada ısıtarak, ferritik dokuyu östenitik dokuya dönüştürdükten sonra yeterli hızda karbür oluşmasını sağlamak için yapılır.

Yumuşatma Tavlaması: Isıl işlem görmemiş malzemeler, içerdikleri karbon oranlarına bağlı olarak, oda sıcaklıklarında farklı sertlikler gösterirler. Bazı malzemeler sertlikleri itibariyle kolay işlenemez durumda olabilirler. Özellikle plastik şekil değiştirme işlemleri için malzemelerin minimum sertlikte olması istenir. Be sebeple, malzemelerin sertliklerinin düşürülmesi amacıyla yumuşatma tavlaması yapılır. Çelik malzemelerin, oda sıcaklığındaki yapıları, tanecikler halinde ve içindeki karbon oranıyla doğru orantılı olarak, ince uzun plakalar şeklinde, sıralı dizilmiş görünümdeki karbür çökeltileri şeklindedir. Perlit olarak alınan bu yapı içerisindeki karbür plakalarının sıklığı, malzemenin içerdiği karbon oranıyla artar ve bu durum sertliğin de artmasına sebep olur. Yumuşatma tavlaması yapılarak, ince uzun yapıdaki karbür plakalar, daha kısa ve küresel bir yapıya dönüştürülür. Bu durumda çelik ilk haline oranla daha yumuşak ve kolay şekillendirilebilir bir yapıya sahip olur. Bu yöntem küreleştirme tavlaması olarak da bilinir.

Gerilim Giderme Tavlaması: Kaynaklama, plastik şekil verme ve aşırı ısıtma,  ani soğutma gibi durumlar sonucu malzeme içinde, çeşitli yönlerde iç gerilmeler meydana gelir. Bu gerilmelerin giderilmesi amacıyla en yüksek kullanım sıcaklığının altında bir sıcaklıkta parçalar en fazla iki saat bekletilerek, iç gerilmelerin giderilmesi sağlanır.

2-YÜZEY SERTLEŞTİRME İŞLEMLERİ

SEMENTASYON: Düşük karbonlu çeliklerin yüzeyinin belirli derinliklere kadar emdirilme (difüzyon) yolu ile karbon bakımından zenginleştirilerek, sertleştirme işlemine tabi tutulmasıdır. Karbon emdirme, karbon veren bir ortamda çeliğin ısıtılması ile mümkün olur. Bu işlem parça yüzeyinin aşınma dayanımını arttırır ve çekirdek bölgenin yumuşak kalması ile tüm parçanın tok özellikler göstermesini ve darbe dayanımının yüksek olmasını sağlar. Sementasyon işleminde karbon veren ortam katı, sıvı, gaz halinde olabilir. Kontrolü en kolay ve ekonomik yöntem gaz ortamında yapılan sementasyondur. Sementasyon işleminde, yüzey karbon oranı %0,7 - %0.8 oranlarında artırılmaya çalışılır. Bunun üzerinde emdirilen karbon, karbür çökelmesine yol açarak kırılgan bir yüzey oluşturur. Sementasyon için asıl kriter etkin sementasyon derinliğidir.

İNDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME:

Parçanın indüksiyon akımı yardımıyla, yüzeyinin ani olarak ısıtılıp, ani olarak soğutulmasıyla yapılan bir yüzey sertleştirme işlemidir. İndüksiyonla yapılan ani ısıtmanın ve yapılan ani soğutma işlemi genellikle su ile yapılır ve yüksek karbonlu çeliklerde çatlama ihtimalini arttırır. Soğutma suyunun 60 ◦Civarında olması veya tuz kullanılması çatlama ve gerilme ihtimalini azaltır. Sertleştirmeden sonra gerilme giderilmesi için 150-200 ◦C arasında menevişleme yapılır.

NİTRÜRASYON-Nitrürleme: Çelik yüzeyinde azotun difüzyon yoluyla zenginleştirilmesini ifade eder. Sementasyon işlemine benzer şekilde gerçekleştirilen reaksiyon ile yüzeyde nitrür tabakası teşekkül ettirilir. Nitrürasyon sonucu ulaşılan sertlik, Sementasyon sonu sertlikten çok daha fazladır. Sementasyon ile ulaşılabilecek sertlik derinliklerine ulaşmak için ise uzun Nitrürleme süreleri gerekir.

3- SERTLEŞTİRME: Üretim yapılan parçaların çalışma şartlarına göre değerlendirilmesiyle, parçanın tamamı  veya bir kısmının , çekirdeğe kadar veya sadece cidar yüzeyi boyunca sertlik kazanması istenebilir. Bu gibi durumlar söz konusu olduğu zaman istenen özelliğe göre farklı ısıl işlemler uygulanması gerekir. Yapılış özellikleri ve nihai yapı özellikleri göz önüne alınarak, sertleştirme işlemi farklı başlıklar halinde değerlendirilir.

ISLAH ETME: İstene sertlik ve mekanik özelliklerin elde edilmesi amacıyla yapılan su verme ve menevişleme işlemidir. Özellikle parçanın tüm kesitinin sert olması istendiği durumlar için kullanılır.

a.1 - Su Verme: Su verme işleminde çelikler, önce kimyasal bileşimlerinin gerektirdiği sıcaklığa kadar ısıtılır, sonra uygun bir ortamda, gerekli hızla soğutulurlar. Su verme sıcaklığı , doku değiştirme noktasının biraz üstünde bir sıcaklıktır. Su verme ortamı, su, yağ, hava, sıcak su banyosu sağlanır. Soğutma biçimi, suya, yağa, sıcak banyoya daldırmak, havayı üflemek veya sakin havaya bırakmaktır.

a.2- Menevişleme: Su verildikten sonraki ısıtmaya meneviş işlemi denir. Su vermeden sonra oluşan nihai yapı, çok sert ve kırılgan olup, ani soğutma esnasında oluşan iç gerilmelere sebep olur. Meneviş işlemi ile malzemenin tokluğunun iyileştirilmesi için malzemenin tekrar ısıtılıp, aynı sıcaklıkta bir süre soğutularak tutulmalıdır.