稀土催渗原理与工艺控制

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1、稀土催渗技术与工艺控制向文明张国良刘成友刘志儒哈尔滨意锋稀土材料开发有限公司本文是在哈尔滨工业大学刘志儒教授指导下撰写,并引用了刘志儒教授的一些研究成果和理论思想,在此向刘志儒教授表示谢意!前言本作者经过多年来对稀土催渗技术的应用开发，总结应用经验，结合哈尔滨工业大学刘志儒教授的稀土催渗理论，以较为简洁和通俗的方式阐述稀土参与化学热处理渗碳、氮化时所产生的效能和作用，并根据其的作用特点阐述在工艺应用的必要条件，希望能为刚刚接触稀土催渗技术的技术人员作以参考，能更有效的发挥稀土的催渗作用稀土的催渗原理催渗基本原理催渗技术主要分为两大类：既物理催渗和化学催渗。所谓化

2、学催渗基本是利用一定的化学反应活化被渗工件表面，改善炉气质量。对于一般的化学催渗技术而言，其重点是改变了炉气的组成或质量，加速了界面反应的活性，但不能使被渗钢基体的内在组织状态发生改变。而稀土催渗技术与一般的催渗效应不同，它不但对炉气的组成、界面反应产生影响，而且会与C、N原子形成共渗，使钢基体表层的缺陷密度增殖，进而增加渗入速度。这与其它催渗技术有着根本区别，所以应该将稀土催渗列入第三种催渗方法。其区别于其它催渗技术的关键是以原子渗入引起被渗钢表层组织结构变化而导致间隙元素渗入速度加快的新的催渗技术。稀土催渗基本原理稀土(RE)是以镧系元素为主，并包括同族的钪

3、（Sc）、钇（Y）17种元素的统称，是一些活性很强的元素，作为热处理催渗剂通常以其中的镧（La）铈（Ce）两种为主。其化学电负性很强，性能活泼，可以与许多非金属有强烈的化合作用。早在二十世纪五、六十年代人们就将稀土用于钢铁工业，制作造出稀土钢、稀土球墨铸铁，具有普通钢铁无法实现的许多优良特性。稀土被用于稀土催渗与其它催渗一样，也具备改善炉气质量、参与界面反应的特征，但它更重要的一点是经过大量实践证实稀土原子可以与碳、氮等被渗原子一样可以渗入到被渗体基体形成共渗。这一发现是哈尔滨工业大学的专家学者对化学热处理催渗技术的重大贡献。稀土催渗基本原理稀土的可渗入特性大量

4、实践证明稀土元素在热处理渗碳、氮化过程中可以渗入到钢中。比较公认的理论是：由于稀土的原子半径要比铁原子半径大大约40%，所以其的渗入只能沿着钢的晶体缺陷进行，并且受微观弹性应力场限制只能以单原子或双原子状态存在，在微观上显示是一种离散的跳跃式的非均匀的弥散分布。影响稀土元素渗入的主要因素是与钢的结构相有关，对于稀土元素的渗入，α-Fe的渗入阻力要远远小于γ-Fe，所以造成在渗碳时稀土的渗入量要小于氮化的渗入量。稀土的渗入行为还与温度、合金钢的种类等有一定的关连性，含有不同的合金元素对稀土的渗入阻力也不同。稀土催渗基本原理稀土对炉气的催化裂解作用一些稀土盐在还原性

5、环境中对有机物常常显示强烈的裂解催化作用，是良好的催化材料。可以提高渗碳剂的裂解率，降低渗碳剂的裂解温度，使低温渗碳成为可能。稀土是活性很强的元素，极易与氧（O）、氢（H）等发生反应，当稀土元素进入炉气中可以迅速与炉气中的O、H等元素反应，改善炉气质量。稀土催渗剂中一般都含有稀土元素铈（Ce），铈（Ce）是一种变价态很活泼的稀土元素，其氧化物通常显示4+，其盐显示4+和3+，并且根据外界环境不同而发生变化。其价态的转换会对炉气产生一定的影响，例如对于炉气中产生的少量碳黑可以有以下反应生成：a）2CeO2+C=Ce2O3+COb）Ce2O3+9C=2CeC3+3C

6、Oc）2CeC3→2CeC2+2C即在稀土元素铈的作用下可以使在渗碳过程中的碳黑有所减少。稀土催渗基本原理稀土对界面反应的作用稀土元素是电负性较低的元素（Ce–2.48.、La–2.52），显示活性较高。而Cr的电负性为–0.41，Ti：–1.63，Mn：–1.18，Fe：–0.44。在一定条件下可以有效的还原电负性相对较高的元素。采用稀土催渗剂后可以加速预氧化层的还原，活化、净化工件表面，有利于[C]、[N]产生，加快间隙原子的渗入过程。稀土在炉气中与碳（C）氢（H）等元素发生作用，形成的大分子在炉气中流动并可以被被渗工件表面吸附，在吸附过程中由于其质量较大，

7、可以破坏被渗工件表面的层流层，增大CO与工件表面的接触与碰撞，提高界面反应速度。稀土催渗基本原理稀土对C、N原子渗入系数β和扩散系数D的影响间隙原子的渗入首先是沿着基体的缺陷进行，然后进行体扩散。渗速的概念可以用渗入系数β和扩散系数D来表征。而渗入系数β和扩散系数D与温度、浓度差（碳势、氮势）、基体的缺陷密度、界面反应活性以及钢的材质有关，一旦将某材质的渗碳（氮）温度、碳（氮）势工艺条件固定，则渗入系数β和扩散系数D也基本固定。可以采用提高温度、碳（氮）势、添加一些化学催渗剂提高表面反应活性等方法，但以上这些方法都不能使钢基体缺陷密度增殖,并且温度、碳（氮）势的

8、设定还受到其它渗入条件的