謝愛玲（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東江門529000）

淺析稀土元素在化學(xué)熱處理中的作用機理

謝愛玲（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東江門529000）

稀土元素在化學(xué)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(zhì)量，降低形變率，因此需要對稀土元素進(jìn)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(yīng)，從而更好地為工業(yè)加工行業(yè)服務(wù)。文章主要論述了稀土元素在化學(xué)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(zhì)的催化、對滲劑電子結(jié)構(gòu)的影響、對界面反應(yīng)的作用及對畸變區(qū)的影響。

稀土元素；化學(xué)熱處理；滲劑；滲入

隨著工業(yè)技術(shù)水平及化工處理技術(shù)的不斷提高，化學(xué)熱處理也在不斷地更新技術(shù)及設(shè)備，傳統(tǒng)的化學(xué)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(zhì)及脫落部分，嚴(yán)重影響其應(yīng)用效果。而現(xiàn)階段研究的熱處理技術(shù)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(yīng)用過程中得到了大力的推廣。

1　稀土化學(xué)熱處理的基本過程

進(jìn)行稀土化學(xué)熱處理的主要原理是改變加工零件的化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)，以達(dá)到改變其性能的目的。主要的過程是對待加工零件進(jìn)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(xué)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(yīng)；第二，外擴散；第三，表面吸附及界面反應(yīng)；第四，內(nèi)擴散；第五，內(nèi)相反應(yīng)［1］。

2　稀土的可滲入特性

進(jìn)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(jìn)行加熱處理的過程中，可以運用其他相關(guān)制劑進(jìn)行復(fù)核比例的調(diào)制，從而實現(xiàn)效果更好的復(fù)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(jìn)而將稀土制劑中的化學(xué)元素深入到處理的工件中［2］。但在實際的應(yīng)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(yán)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(yīng)過程。在進(jìn)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(xué)鍵發(fā)生斷裂，進(jìn)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(fù)電性使其與氧、氫等元素發(fā)生氧化反應(yīng)，更加速了原有有機物化學(xué)鍵的斷裂，進(jìn)而提升處理環(huán)境的活化程度。

3.2對電子結(jié)構(gòu)的影響

稀土元素作為加速化學(xué)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(yīng)物原子及分子間電子的相互作用，因此加入其他反應(yīng)物一定要考慮電子的結(jié)構(gòu)，要選擇與稀土元素電子結(jié)構(gòu)差異大的進(jìn)行處理試驗，這樣就可以在反應(yīng)過程中表現(xiàn)出反鍵情況，從而阻止了稀土元素與反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)

這個環(huán)節(jié)主要是運用稀土元素表面較低的負(fù)電性進(jìn)行的，由于稀土元素這個特點能夠激發(fā)其反應(yīng)活性，因此可以對其它負(fù)電性較高的元素發(fā)生還原反應(yīng)。并且在這個過程中進(jìn)行碳及氮元素的滲入。首先在對工件進(jìn)行預(yù)熱的過程中，能夠使其表面發(fā)生一定程度的氧化反應(yīng)，并且在稀土元素的作用下，加快整個反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生新生態(tài)的鐵及相應(yīng)地碳元素，進(jìn)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(yīng)速度，主要的工作原理是稀土在加熱處理后能夠與相應(yīng)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(jìn)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(yīng)速度［3］。當(dāng)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(xué)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(jié)構(gòu)物理化學(xué)的來看，原子半徑與原子存在的溫度、壓力、配位數(shù)、結(jié)合鍵的形式等有關(guān)。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(dǎo)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(jìn)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(jié)語

在進(jìn)行化學(xué)熱處理過程中，稀土元素能夠克服原始反應(yīng)環(huán)節(jié)中存在的問題，運用自身的催化裂解作用及負(fù)電性特質(zhì)，對其它制劑進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而提升有機物的裂解速度、加快工件的界面反應(yīng)、以及改變原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升對工件的滲入效果。稀土元素在化學(xué)熱處理過程中發(fā)揮了積極的作用，改變了工件的化學(xué)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(zhì)量。

［1］張國良，向文明，劉志儒.稀土催滲技術(shù)與工藝［J］.熱處理技術(shù)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(xì)化與超細(xì)化［C］.長春齒輪滲碳淬火技術(shù)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(xué)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.