浅析稀土元素在化学热处理中的作用机理

谢爱玲（江门职业技术学院，广东江门529000）

浅析稀土元素在化学热处理中的作用机理

谢爱玲（江门职业技术学院，广东江门529000）

稀土元素在化学热处理加工环节中起到了积极的作用，能够提升加工零件的质量，降低形变率，因此需要对稀土元素进行深入研究，以提升热处理过程中的裂解催化作用以及界面反应，从而更好地为工业加工行业服务。文章主要论述了稀土元素在化学热处理过程中的作用及影响机理，主要包括稀土对渗剂介质的催化、对渗剂电子结构的影响、对界面反应的作用及对畸变区的影响。

稀土元素；化学热处理；渗剂；渗入

随着工业技术水平及化工处理技术的不断提高，化学热处理也在不断地更新技术及设备，传统的化学热处理过程不仅温度高、耗时长，而且处理后工件的变形幅度较大，渗层性也相对较差。典型的热处理较差的例子就是齿轮的硬度不够，表面出现杂质及脱落部分，严重影响其应用效果。而现阶段研究的热处理技术添加了稀土元素，能够有效提升处理速度，而且改善渗层组织的性能。因此在实际应用过程中得到了大力的推广。

1　稀土化学热处理的基本过程

进行稀土化学热处理的主要原理是改变加工零件的化学成分及组织结构，以达到改变其性能的目的。主要的过程是对待加工零件进行加热处理，并在这个环节中加入稀土元素，让稀土元素中的一些化学元素中的原子及离子渗入到工件的各个部分，从而提升其使用性能。其加工环节主要分为五个步骤：第一，渗剂中的活化反应；第二，外扩散；第三，表面吸附及界面反应；第四，内扩散；第五，內相反应［1］。

2　稀土的可渗入特性

进行热处理的环节中主要选用的制剂有稀土剂及活化剂（又称还原剂），如果处理环节需要可以对其添加一定量的填充剂。在运用稀土制剂进行加热处理的过程中，可以运用其他相关制剂进行复核比例的调制，从而实现效果更好的复合渗，也可以按照工件所需渗层要求，单独加入一定剂量的稀土制剂，进而将稀土制剂中的化学元素深入到处理的工件中［2］。但在实际的应用环节，一些金属原子的半径要比稀土原子的半径大，因而无法完全深入到金属内部，而只是沿表面界限、错位线等渗入，影响了工件的加工效果，而且严重的还会使工件发生形变。

3　稀土的影响机理

3.1裂解催化

如果在还原性媒介条件下，会使得稀土化合物对工件中的化合物产生较强的催化裂解作用，而且制剂本身也会受到稀土元素的影响。经试验研究，稀土对一般渗碳剂中的有机物具有一定的催化作用，能够加快其反应过程。在进行热处理过程中，将稀土制剂及渗碳剂按照一定比例加入，在高温的环境下，渗碳剂中的有机物发生分解，元素之间的化学键发生断裂，进而释放出一氧化碳，后期释放出活性碳原子，因此整个热处理过程在催化裂解的作用下提升了速度。而且处理过程中稀土元素表面的负电性使其与氧、氢等元素发生氧化反应，更加速了原有有机物化学键的断裂，进而提升处理环境的活化程度。

3.2对电子结构的影响

稀土元素作为加速化学热处理过程的主要催化剂，其作用效果在一定程度上会受到反应物原子及分子间电子的相互作用，因此加入其他反应物一定要考虑电子的结构，要选择与稀土元素电子结构差异大的进行处理试验，这样就可以在反应过程中表现出反键情况，从而阻止了稀土元素与反应物的化学反应，使其活化性能降低，帮助催化剂发挥催渗作用。

3.3界面反应

这个环节主要是运用稀土元素表面较低的负电性进行的，由于稀土元素这个特点能够激发其反应活性，因此可以对其它负电性较高的元素发生还原反应。并且在这个过程中进行碳及氮元素的渗入。首先在对工件进行预热的过程中，能够使其表面发生一定程度的氧化反应，并且在稀土元素的作用下，加快整个反应，进而产生新生态的铁及相应地碳元素，进一步实现加快渗入。

稀土元素不光能够加速渗入过程，而且能够提升与界面的反应速度，主要的工作原理是稀土在加热处理后能够与相应元素形成大分子，并且能够吸附在工件表层，对工件表面的流层造成一定程度的破坏，进而提升了稀土原子与工件表层的接触碰撞机会，从而加快了界面的反应速度［3］。当稀土元素渗入到表层，可以使基体内部的缺陷密度增殖，这种增殖伴随着稀土原子的渗人量而增加，但随着时间的延长以及深度的增加而减弱。

3.4畸变区的影响

根据金属学中刚性球模型理论，稀土的原子半径比铁约大，但从电子论和结构物理化学的来看，原子半径与原子存在的温度、压力、配位数、结合键的形式等有关。高温高压渗碳时，稀土原子的存在会引起铁原子点阵的畸变。一方面，间隙碳原子在畸变区的偏聚可能导致钢的表面碳浓度增高，有助于形成碳化物核心，促使工件表面碳化物的出现，且分布弥散化［4］。另一方面，畸变区可作为间隙原子扩散的通道，有利于加速扩散过程。稀土若固溶于零件的表面，因其原子半径差引起的畸变区将促进碳原子扩散，但由于扩散困难，使其扩散距离有限，对扩散初期的作用可能较大，时间延长会减弱。

4　结语

在进行化学热处理过程中，稀土元素能够克服原始反应环节中存在的问题，运用自身的催化裂解作用及负电性特质，对其它制剂进行反应，进而提升有机物的裂解速度、加快工件的界面反应、以及改变原子的内部结构，进而提升对工件的渗入效果。稀土元素在化学热处理过程中发挥了积极的作用，改变了工件的化学成分，不仅提升了加工工件强度及韧性，而且降低了变形率，因此在现代制造工业中推广稀土元素，能够有效提升产品的质量。

［1］张国良，向文明，刘志儒.稀土催渗技术与工艺［J］.热处理技术与装备，2009，30（04）：16.

［2］刘志儒，闰牧夫，刘成友.稀土碳共渗理念机理及渗层组织细化与超细化［C］.长春齿轮渗碳淬火技术专题研讨会论文集，2007（87）.

［3］刘志儒.稀土低温高浓度渗碳表面渗层的微观组织［J］.中国稀土学报，1993，11（3）：247.

［4］吉泽升.稀土对硼铝共渗入量的影响及铝的分布［J］.稀土，1992，（12）：58.