渗氮是提升钢铁零件服役性能的重要手段,但由于受到原子扩散热、动力学的影响,钢的渗氮往往需要较高的处理温度和较长的工艺周期,容易引发基体性能下降、工件变形等问题。因而降低渗氮温度和缩短工艺周期在钢铁材料的实际生产中有着重要的意义。凭借着纳米结构中原子的快速扩渗效应,机械塑性变形所致的表面纳米化预处理技术具有明显降低钢铁材料渗氮处理温度的作用,但限制于其不能处理复杂形状或大尺寸的工件,此技术难以在实际生产中获得应用。针对这一问题,本文采用不受工件形状和尺寸影响的阳极氧化与低温氢气还原相结合的技术对纯铁进行处理,期望在样品表面获得具有纳米结构特征的单质铁层,实现纯铁的表面纳米化。随后利用这样的纳米结构组织来促进氮原子的吸附与扩散,从而降低渗氮温度或缩短工艺周期。为此,本文系统研究了纯铁表面纳米结构氧化层的制备及还原工艺,探究工艺参数对氧化层、还原层组织结构的影响,同时还研究了表面纳米化纯铁低温渗氮后渗层的组织结构与性能,并对表面纳米结构层的催渗机理进行了讨论。获得的主要研究结果如下:（1）采用0.1 mol/L NH4F+1 mol/L H2O+乙二醇的电解液,在40 V、20℃的条件下阳极氧化10 min,纯铁表面形成了约1.3μm厚的纳米孔结构Fe2O3层,纳米孔孔径约23.61 nm。阳极氧化形成的Fe2O3相为非晶态,但经400℃退火2 h后可转变为晶态结构。氧化时间、氧化电压和氧化温度是影响纯铁表面氧化层形貌的重要工艺参数,所制备氧化层的厚度和纳米孔孔径随氧化时间、电压和温度的提高而逐渐增大,但过高的氧化温度易使氧化层发生开裂。（2）通过在400℃下氢气还原2 h,纯铁表面形成的纳米孔结构Fe2O3层被还原成纳米结构单质铁层,实现了纯铁的表面纳米化。还原后,样品表层的微观形貌发生变化,由纳米孔状变为纳米颗粒堆叠状,颗粒尺寸为50-100 nm,且颗粒内部存在若干纳米晶,晶粒尺寸为2-10 nm。（3）表面纳米化预处理有效促进了纯铁的渗氮过程,增加样品表面氮化物层的厚度。在400℃下离子渗氮6 h后,原始纯铁样品表面形成了约2.5μm厚的致密Fe4N层,而表面纳米化纯铁样品（A10min-R2h）表面形成的Fe4N层较厚,约4μm。由于化合物的形成产生了体积应变,渗氮后A10min-R2h样品表面致密性增加,仅存在少量孔洞。原始纯铁渗氮样品的硬度最大值位于样品最表层的致密化合物层,硬度值为6.94 GPa;而A10min-R2h渗氮样品的硬度最大值（7.30 GPa）位于样品次表层的致密化合物层,其最表层的纳米结构化合物层的硬度值为5.23 GPa。机理分析表明氧化还原样品具有较好的渗氮效果是由于表面积的增大能够吸附更多的氮原子以及形成的纳米晶能够为氮原子的扩散提供快速通道。