淺析稀土元素在化學熱處理中的作用機理

謝愛玲（江門職業(yè)技術學院，廣東江門529000）

淺析稀土元素在化學熱處理中的作用機理

謝愛玲（江門職業(yè)技術學院，廣東江門529000）

稀土元素在化學熱處理加工環(huán)節(jié)中起到了積極的作用，能夠提升加工零件的質量，降低形變率，因此需要對稀土元素進行深入研究，以提升熱處理過程中的裂解催化作用以及界面反應，從而更好地為工業(yè)加工行業(yè)服務。文章主要論述了稀土元素在化學熱處理過程中的作用及影響機理，主要包括稀土對滲劑介質的催化、對滲劑電子結構的影響、對界面反應的作用及對畸變區(qū)的影響。

稀土元素；化學熱處理；滲劑；滲入

隨著工業(yè)技術水平及化工處理技術的不斷提高，化學熱處理也在不斷地更新技術及設備，傳統(tǒng)的化學熱處理過程不僅溫度高、耗時長，而且處理后工件的變形幅度較大，滲層性也相對較差。典型的熱處理較差的例子就是齒輪的硬度不夠，表面出現(xiàn)雜質及脫落部分，嚴重影響其應用效果。而現(xiàn)階段研究的熱處理技術添加了稀土元素，能夠有效提升處理速度，而且改善滲層組織的性能。因此在實際應用過程中得到了大力的推廣。

1　稀土化學熱處理的基本過程

進行稀土化學熱處理的主要原理是改變加工零件的化學成分及組織結構，以達到改變其性能的目的。主要的過程是對待加工零件進行加熱處理，并在這個環(huán)節(jié)中加入稀土元素，讓稀土元素中的一些化學元素中的原子及離子滲入到工件的各個部分，從而提升其使用性能。其加工環(huán)節(jié)主要分為五個步驟：第一，滲劑中的活化反應；第二，外擴散；第三，表面吸附及界面反應；第四，內(nèi)擴散；第五，內(nèi)相反應［1］。

2　稀土的可滲入特性

進行熱處理的環(huán)節(jié)中主要選用的制劑有稀土劑及活化劑（又稱還原劑），如果處理環(huán)節(jié)需要可以對其添加一定量的填充劑。在運用稀土制劑進行加熱處理的過程中，可以運用其他相關制劑進行復核比例的調(diào)制，從而實現(xiàn)效果更好的復合滲，也可以按照工件所需滲層要求，單獨加入一定劑量的稀土制劑，進而將稀土制劑中的化學元素深入到處理的工件中［2］。但在實際的應用環(huán)節(jié)，一些金屬原子的半徑要比稀土原子的半徑大，因而無法完全深入到金屬內(nèi)部，而只是沿表面界限、錯位線等滲入，影響了工件的加工效果，而且嚴重的還會使工件發(fā)生形變。

3　稀土的影響機理

3.1裂解催化

如果在還原性媒介條件下，會使得稀土化合物對工件中的化合物產(chǎn)生較強的催化裂解作用，而且制劑本身也會受到稀土元素的影響。經(jīng)試驗研究，稀土對一般滲碳劑中的有機物具有一定的催化作用，能夠加快其反應過程。在進行熱處理過程中，將稀土制劑及滲碳劑按照一定比例加入，在高溫的環(huán)境下，滲碳劑中的有機物發(fā)生分解，元素之間的化學鍵發(fā)生斷裂，進而釋放出一氧化碳，后期釋放出活性碳原子，因此整個熱處理過程在催化裂解的作用下提升了速度。而且處理過程中稀土元素表面的負電性使其與氧、氫等元素發(fā)生氧化反應，更加速了原有有機物化學鍵的斷裂，進而提升處理環(huán)境的活化程度。

3.2對電子結構的影響

稀土元素作為加速化學熱處理過程的主要催化劑，其作用效果在一定程度上會受到反應物原子及分子間電子的相互作用，因此加入其他反應物一定要考慮電子的結構，要選擇與稀土元素電子結構差異大的進行處理試驗，這樣就可以在反應過程中表現(xiàn)出反鍵情況，從而阻止了稀土元素與反應物的化學反應，使其活化性能降低，幫助催化劑發(fā)揮催滲作用。

3.3界面反應

這個環(huán)節(jié)主要是運用稀土元素表面較低的負電性進行的，由于稀土元素這個特點能夠激發(fā)其反應活性，因此可以對其它負電性較高的元素發(fā)生還原反應。并且在這個過程中進行碳及氮元素的滲入。首先在對工件進行預熱的過程中，能夠使其表面發(fā)生一定程度的氧化反應，并且在稀土元素的作用下，加快整個反應，進而產(chǎn)生新生態(tài)的鐵及相應地碳元素，進一步實現(xiàn)加快滲入。

稀土元素不光能夠加速滲入過程，而且能夠提升與界面的反應速度，主要的工作原理是稀土在加熱處理后能夠與相應元素形成大分子，并且能夠吸附在工件表層，對工件表面的流層造成一定程度的破壞，進而提升了稀土原子與工件表層的接觸碰撞機會，從而加快了界面的反應速度［3］。當稀土元素滲入到表層，可以使基體內(nèi)部的缺陷密度增殖，這種增殖伴隨著稀土原子的滲人量而增加，但隨著時間的延長以及深度的增加而減弱。

3.4畸變區(qū)的影響

根據(jù)金屬學中剛性球模型理論，稀土的原子半徑比鐵約大，但從電子論和結構物理化學的來看，原子半徑與原子存在的溫度、壓力、配位數(shù)、結合鍵的形式等有關。高溫高壓滲碳時，稀土原子的存在會引起鐵原子點陣的畸變。一方面，間隙碳原子在畸變區(qū)的偏聚可能導致鋼的表面碳濃度增高，有助于形成碳化物核心，促使工件表面碳化物的出現(xiàn)，且分布彌散化［4］。另一方面，畸變區(qū)可作為間隙原子擴散的通道，有利于加速擴散過程。稀土若固溶于零件的表面，因其原子半徑差引起的畸變區(qū)將促進碳原子擴散，但由于擴散困難，使其擴散距離有限，對擴散初期的作用可能較大，時間延長會減弱。

4　結語

在進行化學熱處理過程中，稀土元素能夠克服原始反應環(huán)節(jié)中存在的問題，運用自身的催化裂解作用及負電性特質，對其它制劑進行反應，進而提升有機物的裂解速度、加快工件的界面反應、以及改變原子的內(nèi)部結構，進而提升對工件的滲入效果。稀土元素在化學熱處理過程中發(fā)揮了積極的作用，改變了工件的化學成分，不僅提升了加工工件強度及韌性，而且降低了變形率，因此在現(xiàn)代制造工業(yè)中推廣稀土元素，能夠有效提升產(chǎn)品的質量。

［1］張國良，向文明，劉志儒.稀土催滲技術與工藝［J］.熱處理技術與裝備，2009，30（04）：16.

［2］劉志儒，閏牧夫，劉成友.稀土碳共滲理念機理及滲層組織細化與超細化［C］.長春齒輪滲碳淬火技術專題研討會論文集，2007（87）.

［3］劉志儒.稀土低溫高濃度滲碳表面滲層的微觀組織［J］.中國稀土學報，1993，11（3）：247.

［4］吉澤升.稀土對硼鋁共滲入量的影響及鋁的分布［J］.稀土，1992，（12）：58.