С помощью комбинированной ультразвуковой финишной обработки и высокоинтенсивной низкоэнергетической имплантации ионами азота получены упрочненные слои на поверхности стали 40Х. Используя методы оптической металлографии, рентгеноструктурного анализа и дюрометрии, исследованы особенности строения и свойств поверхностных слоев, полученных данным способом. Показано, что при имплантации на поверхности стали формируется азотированный слой, представляющий зону внутреннего азотирования, фазовый состав которой определяется температурой имплантации и способом предварительной подготовки поверхности. Увеличение температуры азотирования приводит к возрастанию доли нитридных фаз в поверхностном слое стали. Ультразвуковая финишная обработка интенсифицирует процесс имплантации ионов азота, увеличивая глубину упрочненного слоя за счет образования в структуре большого количества дефектов кристаллического строения и повышая микротвердость за счет увеличения доли нитридных фаз.