热处理中的化学热处理技术

稀土元素在化学热处理中的催渗和扩散机理研究／张金柱等　・２２３・　

稀土元素在化学热处理中的催渗和扩散机理研究　

张金柱，杨宗伦，魏可媛　

（贵州大学材料科学与冶金工程学院，贵阳５５０００３）　

摘要　稀土元素的特殊电子结构（４ｆ）决定了它具有很高的化学活性，在化学热处理中能起到活化催渗作用，显　

著提高渗速；稀土元素被渗入钢件表层，有效地改善了渗层组织和性能。从化学热处理的基本过程入手，简要介绍了　

稀土在化学热处理中的作用，着重分析了稀土元素的活化催渗和扩散机理。　

关键词　稀土扩散催渗化学热处理　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃａｔａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｂｙ　Ｒａｒｅ　Ｅａｒｔｈ（ＲＥ）Ｅｌｅｍｅｎｔｓ　

Ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｔｈｅｒｍｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　

ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎｚｈｕ，ＹＡＮＧ　Ｚｏｎｇｌｕｎ，ＷＥＩ　Ｋｅｙｕａｎ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５０００３）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏ－ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　４ｆ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＲＥ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｈａｖｅ　ｈｉｇｈ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｃｔｉｖｉｔｙ．　

Ｔｈｅ　ｐｅｒｍｅａｔｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｃａｔａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＲＥ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ＲＥ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　

ｐｅｒｍｅａｔｅｄ　ｉｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ，ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｍｅａｔｉｎｇ　ｌａｙｅｒ　ａｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　

工业技术　垫　Ｑ：　Ｑ　ＳＯＩＥＮＯＥ＆丁ＥＣＨＮＯＬ００Ｙ　ｌＮＦＯＲＭＡＴｌＯＮ　稀土元素在化学热处理中的作用机理浅析①　胡星　（．陕西法士特齿轮有限责任公司　陕西西安　７　１　００　１　９）　摘要：综述了稀土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裂解的催化，对渗剂电子结构的影响、对界面反　应的作用及对畸变医的影响。　关键词：稀土　化学热处理　影响机理　中图分类号：ＴＧ１５６．８　文献标识码：Ａ　文章编号：１　６７２－３７９１（２０１　３）０７（ｂ）－０１０３－０１　常规化学热处理时，处理温度较高、时　间较长，能耗高，工件处理后变形大，渗层　性能不理想，如齿轮表面存在黑色组织，外　表层残余奥氏体过多，硬度偏低，齿面常出　现麻点剥落等。相关研究表明，稀土元素的　添加可使化学热处理过程明显加快，改善　渗层组织性能。我国稀土矿藏储量丰富，稀　土催渗剂在化学热处理领域中的应用前景　广阔，探讨其在化学热处理中的活化催渗　机理，是一项颇具意义的工作。为此，本文　就稀土在化学热处理中的机理进行总结探　讨。　１稀土化学热处理的基本过程　稀土化学热处理就是将零件放在含有　稀土的介质中加热，使其吸收某些化学元　素的离子或原子，并由表向里扩散，通过改　变零件表面化学成分、组织结构，达到改变　其性能的热处理工艺。一般由５个分过程构　成…：（１）渗剂中的活化反应．（２）外扩散，（３）　表面吸附和界面反应，（４）内扩散，（５）相内　反应。　２稀土可渗入特性　稀土化学热处理所采用的渗剂主要有　供稀土剂和活化剂（或还原剂），若需要，可　加入填充剂等　。供稀土剂常见的有稀土合　金、混合稀土化合物等。通常将供稀土剂按　一定比例加入其它相应渗剂中进行复合　渗，也可根据欲渗元素配制相应的渗剂进　行单渗稀土。当前常用稀土渗剂有固体渗　剂和液体渗剂两大类。　刘志儒　教授认为，由于铁原予半径要　比稀土的原子半径小４０％左右，稀土只能　沿晶界、相界面、错位线等缺陷渗入，且受　到微区弹性应力场限制，多以双原子或单　原子方式存在。稀土原子的渗入会引起铁　点阵的畸变，它会产生新的更多的缺陷，即　缺陷密度增殖。　３稀土的影响机理　３．１裂解催化　某些稀土化合物在还原性气氛中对有　机物会显示强烈的裂解催化作用，化学热　处理正处在还原性气氛中，稀土对渗剂也　具有催化裂解作用。普遍认为，稀土对渗碳　剂如煤油、丙酮等有机物有着较强的催化　裂解作用，可促进渗碳剂的裂解。煤油是有　机化合物，在高温下裂解，必须首先使键链　破坏，或者先裂解为一氧化碳，之后分解出　活性碳原子。加入催化剂可以使动力学过　程加速。稀土元素有很低的电负性，很容易　与氧、氢发生强烈的化学反应，特别是与氧　的亲和力非常强。因此，当含有稀土时，将　有利于丙烷等的高分子键断裂，炉气便可　得到活化。　３．２对电子结构的影响　稀土元素活化催渗作用受其与反应物　原子或分子间的电子交互作用的影响。稀　土的高活性加强其对吸附分子间的原子轨　道交互作用，而稀土元素与反应物之间原　子结构性质相差很大，可能会形成类似“反　键”轨道状态，其中电子的占据使轨道能量　增大，破坏了二者间的结合，也削弱了反应　物分子的结合，从而降低反应的活化能，加　速了【Ｃ】、［Ｎ】等原子的产生，起到了活化　催渗作用。　３．３界面反应　稀土元素的电负性较低的，活性较高，　在特定条件下能够还原电负性相对高的元　素。渗碳或渗氮，都要经过吸附、反应、渗入　过程。在此过程中，零件都会进行预热处　理，此时钢的表面都会出现一定程度的预　氧化。稀土催渗剂可加速还原氧化层，零件　表面得到净化活化，产生新生态Ｆｅ和更多　的【Ｃ】，加速渗入过程。　稀土在炉气中与被渗元素作用所形成　的大分子在炉气中流动，可在被渗零件表　面吸附，还可以破坏被渗零件表面的层流　层，增加了原子与零件表面的接触碰撞机　会，从而提高界面反应速度…。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。稀土元素多存在于表面大尺寸　缺陷处，如点、线、面缺陷等，其畸变能较　高。稀土元素原子半径较大，一旦嵌入就较　难迁移，稳定性较好，同时其周围的点阵也　受到畸变影响，为活性原子提供了较多的　扩散通道。由于渗入的稀土原子以单原子　或双原子方式存在，所以稀土的渗入量尽　管很少，产生的作用却很大。同时，稀土原　子的渗入增大了表层铁原子畸变，增高了　表面能，零件表面更容易被吸附和固溶这　些原子。　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４Ｏ％，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。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结论　稀土可通过改善渗剂的裂解、界面反　应、扩散过程及内部原子结构，从而提高催　渗效果，起到微合金化作用，改变渗层组织　结构并细化组织，在提高渗层强度和硬度　的同时，韧性也得到一定程度的提高，可达　到改善产品质量，提高产品性能的目的。稀　土化学热处理可作为一种有效的强韧化手　段应用于现代生产制造过程中。　参考文献　［１】钟华仁．钢的稀土化学热处理【Ｍ］．北　京：国防工业出版社，ｌ９９８．　【２】李彬．稀土催渗剂的配制及其催渗机理　的探讨【Ｊ］．热处理２００ｌ，１６（４）：１６—１９．　［３］张国良，向文明，刘志儒，等．稀士催渗　技术与工艺［Ｊ］．热处理技术与装备，　２００９，３０（４）：１６．　【４］刘志儒，闰牧夫，刘成友，等．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）．　①作者简介：胡星（１９８４，３一），汉族，湖北孝感人，硕士学历，助理工程师，研究方向：材料应用与失效分析。　、　科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｏ３

化学热处理的工艺方法、用途与目的

名称 工艺方法 用途与目的

渗碳 将工件置于渗碳介质中，加热到900~950℃保温，使碳原子渗入工件表层的过程。渗碳后必须淬火及低温回火，使工件表层获得回火马氏体和碳化物组织，硬度为56HRC~65HRC，而心部随钢种和工件尺寸不同呈低碳马氏体、屈氏体或索氏体等组织，硬度在20HRC~45HRC。

渗碳有固体、液体、气体三种方法，而广泛采用的是气体渗碳，具有渗层质量好，渗速快，劳动条件好，宜大量或批量生产的特点。

工件非渗部位，可镀铜或涂料保护防渗，也可预料加工余量，渗碳后再切削加工除去。 目的是提高钢表层的硬度和耐磨性，而心部仍保持良好塑性和韧性。

广泛用于要求能承受冲击载荷的耐磨零件，如汽车、拖拉机、齿轮等。

常用钢材为含碳量为0.15%~0.25%的渗碳钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3、18Cr2Ni4W等。

渗碳层的含碳量一般为0.8%~1.1%，并具有合理的浓度梯度。

渗碳层深度根据工件尺寸及要求而定，一般为0.2mm~2.5mm，按载荷情况近似为：

低载荷--<0.5mm；较大载荷—0.5~1.0mm；重载荷—1.0~1.5mm；超重载荷—>1.5mm。

氮化 气体氮化 将工件置于渗氮气氛中，加热到500~600℃，使工件表面渗入氮原子形成氮化物的过程。

为了保证工件心部的力学性能，氮化前应进行调质等热处理。

氮化后不再需要进行淬火、回火处理，因此变形很小，只需进行精磨或研磨抛光即可。 目的是提高表面硬度（HV≧850）、耐磨性、耐蚀性和热硬性，而使心部保持良好塑性和韧性。

氮化广泛用于各种高速传动精密齿轮；高精度机床主轴，如镗杆、磨床主轴；在变向负荷工作条件下要求很高疲劳强度的零件，如高速柴油机轴；以及要求变形很小和在一定抗热、耐蚀工作条件下的耐磨件，如发动机气缸、阀门等。 氮化用钢通常是含Al、Cr、Mo等合金元素的合金钢，典型钢中是38CrMoAlA，其他如40Cr、42CrMo、50CrV、12Cr2Ni4A等，也可用于氮化，但硬度较低。

化学热处理新技术简介 （热处理类【1】） 序号 名 称 编 号 简 介 1 中温多元复合共渗 技术 GMS-M 为获得高硬度、高耐磨的表面及强韧的心部，我们在碳氮共渗的基础上发展多元复合共渗技术。 【技术特点】 1.通过化学催渗，提高渗速。 2.在渗入碳氮的基础上再渗入相应其它的元素，在多相元素的共同作用下渗速提高。 3.多相化合物在提高表面硬度的同时提高耐磨性和防腐性。 4.多元复合共渗温度：840－880℃。 5.可以不使用氨气。 6.节能，环保，低成本。 2 低温多元复合共渗 技术 （结构件类） GMS-L 专利技术 【工艺简介】 采用GMS-系列渗剂，根据加工零件的要求，在510－670℃范围确定某一温度，保温一定的时间后按一定的速度冷却即可。 【适用材料】 碳素结构钢及合金结构钢、工（模）具钢、铸铁及粉末冶金、不锈钢等。 【技术特点】 1.对于多孔的铁基粉末冶金及铸件等表面强化处理，解决了传统表面硬化及QPQ存在的技术缺陷。 2.表面化合层和扩散层冷却过程中使零件表面产生了与工作时受力方向相反的预应力，提高零件的疲劳强度。 3.井式软氮化炉即可实现。 4.可以不使用氨气。 5.成本较气体氮化低50%。 【可替代工艺】 常规表面工艺：发蓝、镀硬铬、镀镍、镀锌、磷化等； 表面改性处理：渗氮、软氮化、液体渗氮、QPQ等。 低温多元复合共渗 技术 （模具类） GMS-LM 专利技术

低温多元复合共渗 技术 （刀具类） GMS-LD 专利技术