高碳高铬钢因其组织中存在大量的碳化物,因而具有较高的硬度和优异的耐磨性,被广泛应用于制造各类耐磨零部件,工程上通常对高碳高铬钢进行渗氮处理以进一步提高其表面硬度和磨损性能。近几十年来,通过不断优化渗氮工艺,高碳高铬钢的表面硬度和耐磨性已大幅提升,但对其渗氮层组织的演变以及影响其耐磨性的内在因素的认识却很局限,缺乏对渗氮高碳高铬钢磨损机理的深入研究。本文选取高碳高铬钢Cr12W为研究对象,通过改变渗氮前试样的高温回火温度得到了具有不同组织和硬度的渗氮层,以此来更充分的体现渗氮高碳高铬钢的宏观磨损性能。结果表明渗氮层的硬度随着渗氮前高温回火温度的升高而逐渐降低,但渗氮层深度却逐渐增加。在载荷为75N情况下,当配磨材料为GCr15钢球时渗氮试样的耐磨性与未渗氮试样相比提高了40倍左右,表明渗氮处理有效的提高了材料的耐磨性,但反常的是具有不同表面硬度的渗氮试样的磨损率却相近,并且虽然渗氮试样的表面硬度与GCr15钢球的硬度接近,但其耐磨性却远优异于GCr15钢球,其磨损体积只有GCr15钢球的1/20左右;当配磨材料为Si C球时,渗氮试样的磨损机理与配磨材料为GCr15钢球时不同,渗氮试样的耐磨性随着表面硬度的降低而逐渐降低。进一步深入研究了高碳高铬钢Cr12W渗氮过程中碳化物的转变行为以及其转变对渗氮层组织和磨损性能的影响,通过深入分析其与GCr15钢球对磨时的磨损损伤机理,阐明了影响其耐磨性的主要内在因素。研究发现在渗氮过程中渗氮层表层区域的碳化物会逐渐向氮化物转变,渗氮层中的白色网状沉淀主要是碳化物转变过程中释放的碳原子形成的渗碳体沉淀,并且由一次碳化物转变生成的粗大氮化物是渗氮试样优异耐磨性的关键因素。由于粗大氮化物具很高的硬度和耐磨性使得GCr15钢球被快速磨损,而渗氮层的磨损损伤主要是由于GCr15钢球的快速磨损而产生的大量磨损颗粒对渗氮层基体材料的三体磨损造成的,并且粗大氮化物作为屏障有效的阻止了磨损颗粒对渗氮层基体材料的进一步去除。当载荷增加到40N和80N时,接触中心较高的接触压强导致在磨痕中心区域形成中心光滑区,有效的降低了摩擦副的磨损率,且载荷越高,中心光滑区面积越显著,对摩擦副的保护就越有效,因此当载荷从40N增加到80N时,渗氮试样的磨损体积几乎没有增加。对比分析了具有不同硬度和耐磨性的配磨材料对渗氮前后高碳高铬钢Cr12W磨损性能的影响,深入研究了碳化物/氮化物在增强材料耐磨性方面的作用机理。研究结果发现未渗氮试样与具有更高硬度的Si C球对磨时表现出优异的耐磨性,其磨损体积远小于配磨材料为GCr15钢球时,这主要是由于Si C球优异的耐磨性引起的,其低的磨损率使得摩擦副的接触面积较小,由此在摩擦界面间产生高温使得未渗氮试样磨损表面的基体材料发生软化,同时长棒状的一次碳化物有效的阻止了磨损表面的软化基体材料和氧化层被剪切应力去除,从而降低了试样的磨损率。渗氮后由于渗氮层表面的碳化物转变为具有更高硬度和耐磨性的氮化物,其作为增强相显著提高了渗氮层的耐磨性。由于GCr15钢球的硬度和耐磨性远低于粗大氮化物,与渗氮试样对磨时其被快速磨损,并造成渗氮试样表面严重的三体磨粒磨损。但当配磨材料为Si C球时,由于渗氮试样与Si C球均具有优异的耐磨性,导致在较低载荷（10N和30N）情况下摩擦界面间的主要磨损机理为氧化机制,渗氮试样的磨损率较低,因此其磨损体积小于配磨材料为GCr15钢球时,而当载荷升进一步升高到60N时,高载荷提升了Si C球的微切削能力,从而导致渗氮试样的磨损体积快速增加。利用超声表面滚压技术在高碳高铬钢Cr12W表面制备了纳米晶层,结果表明超声表面滚压技术不仅可以有效的细化材料表层晶粒,产生纳米晶层,还能使粗大的一次碳化物破碎和溶解,从而细化碳化物,改变试样表层材料的微观组织结构。但由于试样表面组织中的碳化物被大量溶解,特别是一次碳化物的消失,使得经表面纳米化处理的试样的磨损体积与未处理试样的磨损体积相近。进一步研究了表面纳米化预处理对高碳高铬钢Cr12W渗氮层组织和耐磨性的影响,研究表明虽然表面纳米化预处理增加了渗氮层的深度和硬度,消除了渗氮层内的白色网状沉淀,但由于渗氮层中缺少由一次碳化物转变而来的粗大氮化物,与未预处理渗氮试样相比,经过表面纳米化预处理的渗氮试样的耐磨性显著降低,从而证实了由一次碳化物转变而来的粗大氮化物是渗氮高碳高铬钢优异耐磨性的关键因素,其有效的提高了渗氮层的综合磨损性能。