氮碳共渗是在工件表面同时渗入氮、碳元素的工艺过程。渗氮及氮碳共渗的目的是为了提高钢铁件的表面硬度、耐磨性、抗疲劳性、耐腐蚀性及抗咬合性。低碳钢在渗氮或氮碳共渗中非常容易形成脆性化合物层,且化合物表层普遍存在孔洞和裂纹等疏松的组织缺陷,致使渗层的韧性和耐磨性较差。针对这一系列问题,本文首先探索制备出致密的、N浓度分布均匀的化合物层试样的渗氮工艺,然后对不同工艺渗氮试样进行后续热处理改性研究。重点研究了渗氮/氮碳共渗后直接随炉升温在保护气氛下进行奥氏体化处理,最后对淬火试样进行低温时效处理,即对低碳钢实施氮碳共渗+奥氏体化+低温时效的复合工艺制度(AAN-T复合工艺)。利用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、透射电镜(TEM)及性能测试仪器,探究了低碳钢气体渗氮/氮碳共渗层以及其经后续热处理改性后的微观组织结构和性能。主要得到以下结论：(1)在纯氨气体渗氮中,气体渗氮气氛中的氮化势对化合物层的影响规律随渗氮温度的改变有所不同。当渗氮温度不高于550℃时,高氮化势显著增加化合物层厚度；当渗氮温度不低于580℃时,尽管低氮化势延迟化合物层的形成,但化合物层一旦形成就快速增厚,且厚度达到甚至超过高氮化势下化合物层的厚度。高氮化势渗氮化合物层中N浓度随渗层深度降低,其最外层N浓度高达10wt%；低氮化势渗氮化合物层中N浓度分布均匀,大约为5wt%～6wt%。高氮化势渗氮化合物层的耐蚀性较好,韧性和致密性较差。低氮化势渗氮化合物层缺陷较少,韧性较高。(2)580℃氮碳共渗处理试样的化合物层(约28μm)存在孔洞和裂纹等疏松的组织缺陷,但化合物层的致密性与氮化势值KN存在“最优关系”。KN值保持在0.42atm-1/2～0.68atm-1/2区间时,试样化合物层的致密性最好。(3)提出了利用气体法实施氮碳共渗处理后直接随炉升温并在保护气氛下进行奥氏体化处理的工艺制度,再对高温淬火试样进行低温时效处理可消除由ε-Fe2-3N、γ’-Fe4N相组成的脆性化合物层,获得力学性能更优异的贝氏体表面强化层,强化层由(α-Fe+γ’-Fe4N+α"-Fe16N2)的复相组织所组成。(4)AAN-T复合工艺中的高温奥氏体化阶段易发生表层脱氮的现象,使渗层表层产生孔洞和裂纹故而降低表面层的致密性。氮碳共渗阶段获得的化合物层(尤其是靠近表端)的N浓度越高,高温奥氏体化阶段脱氮越剧烈,表层致密性越差。在AAN-T复合处理工艺中的氮碳共渗处理阶段,采用氮化势值KN和时间t分别为0.68atm-1/2和1h的短时低氮化势工艺处理,可获得厚度在401μm以上的致密贝氏体层。该致密贝氏体层的表面硬度值达到1023HV0.05,表面韧性和耐磨性也获得进一步的提高。(5)与氮碳共渗后直接进行时效处理相比,奥氏体化+时效处理的复合工艺不仅能提高渗层的硬度和表面韧性,而且更有利于调控氮碳共渗试样的拉伸性能和抗疲劳性能。(6)低碳钢经氮碳共渗处理后再经奥氏体化和不同温度时效处理,时效温度在120℃～160℃时,奥氏体及其分解产物的韧性最优,明显优于时效温度不低于180℃所获得的贝氏体层韧性。时效处理温度低于180℃时,贝氏体表面层的主要强化相不是纳米γ’-Fe4N相,可能为α"-Fe16N2相。