M50NiL钢作为新一代的轴承钢,广泛应用于航空轴承上,实际应用过程中要求其具有良好的耐磨性,高的抗塑性变形能力以及高的表面硬度等性能,来满足其服役要求。本文设计不同的等离子体渗氮工艺来处理淬火态的M50NiL钢,包括不同温度、不同氮氢比和时间,利用硬度计及摩擦磨损试验机研究不同等离子体渗氮工艺下的力学性能和摩擦磨损性能,并通过第一性原理对渗氮过程中生成的氮化物进行了研究。在不同工艺下渗氮,渗氮后的表面相组成主要为?′-Fe₄N和ε-Fe_2-3N和α′_N,氮氢比对组织结构和渗层厚度影响不大,但温度对相结构的影响较大,在低温渗氮时表面的相结构中主要为ε-Fe_2-3N和α′_N,随着温度的升高,渗层中的ε-Fe_2-3N逐渐较少,?′-Fe₄N逐渐增多,说明随着温度的升高,ε-Fe_2-3N逐渐向?′-Fe₄N转变。经过渗氮后的衍射峰发生宽化,透射电镜下观察显示有纳米晶的产生,同时伴随着非晶。渗氮时间不影响渗氮后的相结构,但是对相的相对含量有影响。M50NiL钢经过等离子体渗氮后表面硬度得到大幅提高,是未处理试样硬度(430 HV_0.1)的3倍左右,随着温度的升高,心部的硬度逐渐下降,这是由于回火效应导致的心部软化。综合不同温度和不同时间渗氮后的表面硬度与ε和?′相相对含量的关系,结果表明随着?′相相对含量的增多,试样表面的硬度略有下降。等离子体渗氮后M50NiL钢的摩擦磨损性能得到大幅提高,不同温度下等离子体渗氮时,520?C的磨损率最低,460?C次之。研究不同时间下等离子体渗氮发现,渗氮时间不是越长越好,520?C等离子体渗氮4 h的磨损率最低,相比于原始淬火态试样,磨损率下降约94%,未经过渗氮处理的试样的主要磨损机制为粘着磨损和氧化磨损,经过等离子体渗氮后的试样的磨损机制变为磨粒磨损,轻微的粘着磨损和氧化疲劳磨损。经过等离子体渗氮后M50NiL钢的耐蚀性得到提高,由未处理试样的全面均匀腐蚀转变为点蚀,等离子体渗氮后提高腐蚀电位,降低了腐蚀电流,拓展了钝化区。利用第一性原理研究了M50NiL钢中的合金元素对?′-Fe₄N和ε-Fe_2-3N的影响发现,Ni原子掺入仅仅使得?′-Fe₄N晶胞体积发生微小的膨胀,可忽略不计,而Cr、V原子的掺入使得?′-Fe₄N晶胞体积收缩,这为520?C和550?C渗氮后?′的衍射峰向高角偏移结果一致。Cr、Mo、Ni、V原子掺入ε相中均使得晶胞发生膨胀,为实验结果“ε相的衍射峰向低角偏移”提供了解释。