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M50NiL钢是为新一代航空发动机所研制的一种新型表层硬化型轴承钢,已广泛应用于装备制造、航空航天等制造业中。但在实际应用中,往往要求其在高速、重载及高温等条件下展现出高的断裂韧性、高疲劳寿命、良好的耐磨性等性能。因此,需要通过表面改性处理来提高其表面性能。本文针对高速重载高温M50NiL轴承钢服役寿命的要求,提出了M50NiL钢高硬度深渗层碳氮双渗新思路,基于渗层厚度与碳氮浓度分布模型设计了碳氮双渗工艺,实现了M50NiL钢表面高硬度深渗层改性。研究了气体渗碳、等离子体渗氮和碳氮双渗工艺,分析了不同工艺对渗层组织结构和性能的影响,揭示了渗层强韧化机理与深层硬化机理。利用渗层增厚动力学数学模型和菲克扩散定律,建立了渗层碳氮浓度分布数学模型,较准确地模拟计算了渗层碳氮浓度分布,实现了渗碳和渗氮工艺设计。基于气体渗碳可获得较厚的渗层与等离子体渗氮可大幅提高表层硬度的工艺特点,结合渗层碳氮浓度分布数值模拟结果,设计了M50NiL钢表面碳氮双渗工艺:渗碳（930℃,1.14%Cp,3h+910℃,0.85%Ck,3h）+渗氮（580℃,0.25N2:0.25H2,16h）+淬火（830℃）与渗碳（930℃,1.14%Cp,3h+910℃,0.85%Ck,3h）+氮碳共渗（540℃,0.2N2:0.2H2:0.15C2H5OH,6h）+淬火（830℃）。基于M50NiL钢气体渗碳、等离子体渗氮及碳氮双渗工艺的设计,研究了渗碳、渗氮及碳氮双渗工艺参数对渗层有效硬化层厚度的影响。实验结果表明,M50NiL钢经渗碳工艺处理后渗层厚度显著提高,渗碳层厚度随渗碳时间的延长而增厚。淬火态钢经渗氮工艺处理后渗层表面硬度显著提高,渗氮层厚度随渗氮温度、氮氢比和渗氮时间的提高而增厚。碳氮双渗层硬度和厚度较单一的渗碳或渗氮处理显著提高,表面硬度可达1007HV0.1,有效硬化层厚度可达940μm,实现了实验用钢表面高硬度深渗层改性。对M50NiL钢的气体渗碳层、等离子体渗氮层及碳氮双渗层的表面相结构进行分析和表征,研究工艺参数对渗层表面相结构的影响,并观察渗氮层精细组织,探讨渗层组织细化机理。结果表明实验用钢渗碳层表面相组成主要为高碳马氏体α′-Fe、Fe3C、残余奥氏体AR、Fe2O3及Fe3O4相。490℃渗氮时,在高氮氢比下渗氮层主要由α′-Fe、γ′-Fe4N和ε-Fe2-3N相组成;在低氮氢比下渗氮层主要由α′-Fe和γ′-Fe4N相组成,有效抑制了脆性相ε-Fe2-3N相的形成。当渗氮温度超过560℃时,渗层表面出现低氮化合物FeN0.076相。碳氮双渗层表面相组成主要为含氮碳的马氏体α′-Fe（N,C）和少量的Fe3C、低氮化合物Fe N0.076、Fe3O4及Fe2O3相。TEM结果表明,经460℃等离子体渗氮后渗层组织出现超细化现象,并伴有非晶形成。随着距渗层表面距离的增加,渗层晶粒尺寸逐渐增大。长时间（>8h）渗氮层表面有纳米级的氮化物γ′-Fe4N相形成。纳米晶形成机理主要是渗层中局域非晶晶化纳米化及氮的渗入引起内应力增大,导致位错密度较高的区域位错亚结构移动、合并或重排形成亚晶或纳米晶,最终形成纳米化组织。对淬火态M50NiL钢渗碳层、渗氮层及碳氮双渗层的性能进行分析和表征,研究了工艺参数对渗层性能的影响,揭示了渗层的改性机理。摩擦磨损试验结果表明,等离子体渗氮、气体渗碳与碳氮双渗工艺处理均可显著提高M50NiL钢的耐磨性能。淬火态钢的磨损机理主要为严重的粘着磨损、氧化磨损及疲劳磨损。经等离子体渗氮后,严重的塑性变形消失,主要为磨粒磨损和轻微氧化磨损。渗碳层的磨损机制主要为疲劳磨损及磨粒磨损。碳氮双渗层摩擦系数由原始淬火态的0.40降低至0.34,磨损率由0.93×10-3 mg N-1 m-1降低至0.03×10-3 mg N-1 m-1。碳氮双渗层的磨损机制主要为轻微的磨粒磨损和氧化磨损,表现出较高的耐磨性能。腐蚀试验结果表明,460℃等离子体渗氮处理可提高M50NiL钢的耐腐蚀性能,降低了腐蚀电流、提高了腐蚀电位,使材料从严重的全面均匀腐蚀转变成局部点蚀,且渗氮层的耐蚀性随渗氮时间的延长而提高。碳氮双渗深层硬化机制为:通过气体渗碳获得较厚的渗层,再通过等离子体渗氮引入氮原子,使材料表面获得一定厚度的含氮碳的高硬度渗层,最后进行高温淬火,使渗层中的碳化物回溶,随后在淬火过程中碳原子固溶在基体中,使渗层硬度得到提高,同时渗层中的残余奥氏体与基体组织在淬火过程中发生马氏体相变强化,进而使渗层及心部硬度都得到提高。