稀土原子半径是铁原子的1.5倍。稀土元素在化学热处理过程中可与间隙原子（C、N等）形成共渗。稀土原子的渗入引起周边铁晶格点阵发生膨胀畸变，使被渗钢晶体缺陷密度增殖。受微区弹性应力场限制，稀土元素只能以单原子或双原子状态存在，这种离散存在的稀土元素可成为间隙原子C的形核核心，所形成的碳化物呈细小弥散分布。同时，稀土可以提高界面反应速度。由于稀土元素是电负性较低的元素，因而活性较高。采用稀土渗剂后可以加速预氧化层的还原，活化与净化工件表面，有利于活性产生，因而加快间隙原子的渗入过程。而且，稀土在炉气中会与碳、氢等元素发生作用，形成的大分子在炉气中流动并可以被被渗工件表面吸附，且在吸附过程中因其质量较大，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，因此可以提高界面反应速度。
试验还表明，稀土可以增大碳原子渗入系数和扩散系数。间隙原子的渗入首先是沿着基体的缺陷进行，然后进行扩散。由于稀土元素的渗入，导致钢的基体缺陷密度增殖，使渗入系数增大；碳原子以稀土原子为核心，产生柯氏气团，处于柯氏气团顶端的碳原子容易产生跃迁转移，这种转移是跳跃式的，由一个柯氏气团向另一个柯氏气团或晶体缺陷转移扩散，这种扩散行为与常规的渗碳行为不同，可以使扩散系数大大增加，因此使渗碳速度大幅度提高。
由于以上机制，采用稀土渗碳技术可以大幅度提高渗碳速度。
实践证明，稀土渗碳技术可以改善显微组织，减少内氧化并提高表面硬度。由于稀土原子呈弥散分布，当其成为碳化物形核核心时，所得到的碳化物也是弥散分布的，并进而使奥氏体再结晶晶粒细化，最终使马氏体细化。
由于稀土元素是电负性较低的元素，因而与氧的亲和力极高，氧将优先选择稀土进行氧化，生成RE2O3等稀土氧化物，使氧对合金元素的氧化行为受到很大抑制，减小了内氧化作用，进而减少工件表面非马氏体的产生，从而提高工件表面硬度。
哈尔滨工业大学将稀土渗碳技术应用于载重汽车弧齿锥齿轮，取得了很好的效果。载重汽车的中桥、后桥弧齿锥齿轮在使用过程中常出现早期磨损、点蚀、剥落等问题，使用寿命偏低，成为我国载货汽车生产的瓶颈之一。另外，由于这些齿轮渗碳层较深、生产周期较长，导致能耗高，排放较多，成本高，生产效率低。哈工大推行稀土渗碳技术，并在连续式渗碳炉中实现产业化后，齿轮表面硬度平均提高近2HRC，且硬度分布得到了改善。同时由于采用稀土渗碳技术后提高渗碳速度20%，取得了显著的节能减排效果，单位耗电量由2.04kW·h/kg下降到1.73kW·h/kg；线材单位物料消耗降低，相应减少了排放，每1kg齿轮降低CO2排放15%以上