渗碳热处理被广泛用于提高齿轮等零件的表面硬度和耐磨性,同时保持心部良好的韧性。但传统的渗碳受较高的渗碳温度和较长的渗碳时间的限制。稀土离子注入技术可以通过改变表面和界面的物理和化学性质来改善材料性质。表面纳米化技术可以在各种金属材料表面获得纳米晶微结构,该技术可以提高渗碳动力学,有效地实现低温渗碳。本文采用表面纳米化或离子注入作为齿轮钢18Cr2Ni4W真空渗碳的前处理方法以促进真空渗碳过程,最后对渗碳层喷丸强化,旨在提升齿轮钢材料的接触疲劳性能、弯曲疲劳性能和摩擦磨损性能。研究结果表明:采用超音速微粒轰击技术在基材表面制备一层纳米晶改性层,纳米化处理240s为最佳工艺。随纳米化时间增加,基材表面的硬度提升最高达48.3HRC,纳米化层厚度增加,表面粗糙度先增加后减小之后稳定;纳米晶改性层晶粒尺寸减小,微观应变和残余压应力增大,但不改变原始组织的物相结构;离子注入La有效深度大约是60nm,以氧化镧的形式存在于基材中,不会改变基材原始组织物相结构,基材表面平均纳米硬度提高且摩擦系数降低。未经前处理,渗碳温度为920℃的渗碳层试验结果最佳。真空渗碳后的到的表面组织为板条马氏体、碳化物和残余奥氏体;渗碳温度提高会导致马氏体组织粗化,残余奥氏体量增多,硬度降低,摩擦磨损性能降低,但厚度增加。两种前处理后真空渗碳的渗层组织为马氏体、碳化物和残余奥氏体;前处理可以改善渗碳层质量,细化晶粒,但物相结构没有改变。与未前处理的相比表面洛氏硬度明显增加,残余奥氏体明显减少;渗层厚度有明显增加,纳米化240s及离子注入的催渗速率分别为7.7%、9.6%;常温摩擦磨损性能及100℃摩擦磨损性能、人造海水环境下摩擦磨损性能与未前处理的相比都有明显提升。纳米化240s和离子注入La无论是在催渗速率还是对原始渗碳层性能提升方面均是相差不大。采用纳米化240s作为前处理、920℃真空渗碳及喷丸强化为本文最终的复合强化方式。考核渗碳层接触疲劳、弯曲疲劳和摩擦磨损性能。渗碳层接触疲劳失效形式为点蚀或浅层剥落,失效部位的截面能看到疲劳裂纹,呈现树枝状传播。弯曲疲劳断裂宏观断口形貌存在明显的海滩花样条纹,微观形貌下疲劳源区存在明显的韧窝,韧窝中心有碳化物;裂纹扩展区存在明显的疲劳辉纹。油润滑条件下摩擦系数不超过0.1;计算的磨损速率均值为μ_v=0.24μm/h。在本文规定的考核指标下,表面纳米化240s后920℃真空渗碳再喷丸强化的试样在规定标准下的可靠度均超过95%。