钢铁材料因高的强度和良好的韧性在机械工程制造业中占据着重要地位。近年来，机械工程结构日益向巨型化、高参量方向发展，对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求。外加入颗粒强化钢铁材料具有诸多方面的优势，本文选择NbC作为强化相颗粒，在熔炼与铸造过程中分别将其加入到低碳钢和高铬铸铁熔液中，以达到钢铁组织细化和力学性能强化的目的。开发了机械激活热合成工艺。利用球磨过程的机械力活化作用实现Nb(C)非均匀固溶体的形成，随后的真空加热引发固溶体中Nb-C间的化学反应，可在短时间内制备出晶格完整、尺寸小于1μm的NbC粉末。解决了机械合金化制备NbC粉末中存在的工艺周期长、所制得粉末晶体结构不完整的问题。在Nb-石墨球磨体系中加入Al粉，实现了Al原子在Nb晶格中的置换式固溶，对球磨形成的(Nb-Al)C固溶体加热，得到Al掺杂的Nb(Al)C碳化物，将NbC颗粒的真密度降低到接近于钢铁液的密度值。提出了制备复合粉末增强NbC颗粒在钢铁液中分散性的方法。在球磨形成的Nb(C)非均匀固溶体粉末中加入Fe粉继续球磨达到Nb(C)-Fe的复合，再经过真空加热实现纳米NbC颗粒在Fe粉基体中的原位生成。加入的Fe粉起助磨剂和稀释剂的作用。制备出适合在低碳钢熔液中加入的纳米NbC/Fe复合粉末。熔炼过程中，将该复合粉末加入到20钢熔液中。随着熔炼温度升高和保温时间延长，NbC颗粒的溶解量增加，起结晶核心作用的颗粒数量减少，晶粒细化效果减弱。适合的熔炼温度为1550℃，NbC加入钢液后的保温均匀化时间为2min。随着NbC颗粒加入量的增加，20钢铸态组织逐步得到细化，铁素体晶粒尺寸在加入量为0.5wt%时减小至26μm，相当于原始钢的1/4。20钢的强度、硬度和耐磨性也随NbC加入量增加而不断提高，断后伸长率的变化呈抛物线规律，在NbC加入量为0.15wt%时最大。利用机械激活热合成方法制备了渗碳体粉末，Fe3C的生成属于固溶析出机理，温度较高时发生渗碳体的分解，因而不能得到100%的Fe3C生成率。得到最大Fe3C生成率（～80%）的工艺参数为：球磨时间11h，加热温度700℃，保温时间15min。依据渗碳体和NbC的制备工艺参数上的重合，制备出适合在铸铁液中加入的纳米NbC/(Fe3C-Fe)复合粉末。将该复合粉末以悬浮铸造的方式加入到Cr27熔液中。NbC颗粒在高铬铸铁液中的溶解速度大于其在20钢液中的溶解速度，在实验条件下大部分NbC发生了溶解。溶解了NbC的高铬铸铁液在凝固时，会在初生奥氏体与Cr7C3共晶转变的间隔析出NbC与奥氏体的共晶。未完全溶解的NbC和析出的NbC共同为Cr7C3的形核提供核心，并阻碍其长大，从而将共晶碳化物Cr7C3的尺寸细化了近1/2。复合粉末的加入在使高铬铸铁硬度值增加4HRC、耐磨性提高83%的同时还使铸件的冲击韧性提高了59%。