现代工业领域中使用的高硬度耐磨堆焊材料通常含碳和合金元素量较高，其作用主要是在堆焊层中形成高硬度的合金碳化物以达到增强铁基堆焊层的目的。但随着此类材料的广泛应用，发现其存在熔敷合金层韧性较差，碳化物在高温下易分解等问题，致使堆焊层的耐磨性能下降，大幅度缩短了设备及工件的使用寿命。因此，研制一种碳和合金元素含量较低且硬度高、耐磨性能优良的堆焊材料具有重要的工程应用价值。本文首先设计了一种通过钨极氮弧工艺来熔敷实现原位合成氮化物硬质颗粒增强Fe基堆焊层的试验方法。探索在N2为主要保护气体的电弧条件下，不同的合金元素形成氮化物硬质颗粒相的规律，并分析了硬质相的析出行为及强化机制。同时，采用现代测试手段对熔敷合金层的组织结构与性能进行了表征，结果表明，堆焊层中析出硬质相的数量和尺寸随着混合气中氮气比例以及硼含量的上升而增加，堆焊层的显微硬度最高可达998HV。析出的硬质相主要有方形或树枝形的TiN、块状的TiB2和颗粒状的(Ti、V)N三种。针对其微观结构的研究表明，TiB2和VN是以先析TiN为形核基底，长大后分别形成TiB2-TiN和(Ti、V)N复合增强相，且呈非连续的颗粒状和方形块状分布于基体之中，从而使熔敷合金层具有较好的韧性和抗裂性能。在此研究基础之上，试制出一种新型自保护药芯焊丝，利用空气中的N2和焊丝药芯中的强氮化物形成元素，在明弧堆焊工艺条件下制备出含有碳氮化物增强颗粒的熔敷合金。堆焊层的组织为马氏体、碳氮化物析出相和残余奥氏体。析出相主要为Ti(C、N)和VN，二者易相互溶解形成一种MX型二元碳氮化物。堆焊层的硬度在58HRC以上，磨损试验的结果表明，研制的堆焊合金的耐磨粒磨损性能要优于高铬铸铁型硬面合金。