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我国高速铁路发展迅猛,但时速超过200 km的高铁列车轴承全部依赖进口。针对时速200～250 km高铁列车,自主研发高铁轴承钢工艺技术,实现轴承关键材料的国产化,具有十分重要的意义。本文以国家863计划项目“重大装备用轴承钢关键技术开发”为依托,对高铁轴承用20CrNi2MoV渗碳钢的热处理工艺进行了研究。通过渗碳层和心部的组织性能的合理匹配,得到渗碳后热处理工艺制度。提出二次淬火+深冷处理+低温回火工艺制度,提高了实验钢的耐磨性能和接触疲劳性能,试制轴承的耐热性能和强化耐久性通过台架试验考核。本文的主要工作如下:（1）在普通铁路轴承用G20CrNi2MoA钢的基础上,按照降Cr增Ni、添加微合金元素Nb、V的总体思路,优化得到高铁轴承用20CrNi2MoV钢中化学成分（质量分数）为:C:0.18%～0.24%,Si≤0.2%,Mn≤0.2%,P≤0.01%,S≤0.005%,Cr:0.4%～0.8%,Ni:1.5%～2.5%,Mo:0.1%～0.3%,Nb:0.02%～0.05%,V:0.1%～0.3%,余量为Fe。（2）提出了一种改进的渗碳预处理工艺。钢坯锻造结束后采用强制鼓风冷却（冷却速率大于10℃/s）,冷却至650～700℃入炉,随炉冷却至450～500℃后出炉空冷至室温。渗碳预处理后钢坯带状组织等级小于1.5级,显微硬度为237～247 HV,改善了组织均匀性和切削加工性能。（3）渗碳实验钢的渗碳层和心部含碳量不同导致相变行为存在差异,分别研究了渗碳层和心部的相变行为。渗碳层组织的Ac1、Ac3温度分别为762℃与812℃,心部组织的Ac1、Ac3温度分别为768℃与838℃。油冷（60℃/s）条件下,随着淬火温度从820℃升高到900℃,渗碳层的Ms点从395℃降低到364℃;心部Ms点从676℃降低到554℃。（4）研究了实验钢渗碳后热处理的微观组织和力学性能,通过渗碳层和心部的组织性能的合理匹配,得到渗碳后二次淬火+低温回火的热处理工艺制度（Q+T）为:二次淬火温度900℃,保温时间45 min,回火温度180℃,回火保温时间不低于2 h。获得的力学性能分别为:渗碳层显微硬度825 HV,心部屈服强度1089 MPa,抗拉强度1305 MPa,冲击功92 J。（5）提出了在二次淬火和低温回火之间添加深冷处理的热处理工艺。研究了二次淬火+-80℃深冷处理+低温回火（Q+C80+T）和二次淬火+-196℃深冷处理+低温回火（Q+C196+T）工艺对实验钢渗碳层和心部组织和性能的影响。与Q+T工艺比较,Q+C80+T工艺下渗碳层组织中残余奥氏体含量降低了13.3%,碳化物含量提高了 3.8%;心部组织中大角度晶界比例提高了 9.61%,残余奥氏体含量降低了4.8%。Q+C80+T工艺下实验钢的力学性能为:渗碳层硬度为848 HV;心部屈服强度和抗拉强度分别为1180 MPa和1530 MPa,心部硬度为407 HV,心部冲击韧性和断裂韧性分别为86.4 J和121.8 MPa·m1/2。与Q+T工艺比较,渗碳层硬度提高了3.7%,心部硬度提高了10.9%,心部屈服强度和抗拉强度分别提升了8.4%和16.9%,心部冲击韧性和断裂韧性分别降低了 6.6%和4.3%。与Q+T工艺比较,Q+C196+T工艺下渗碳层组织中残余奥氏体含量降低了14.8%,碳化物含量提高了 8.9%;心部组织中大角度晶界比例提高了 12.32%,残余奥氏体含量降低了5.6%,碳化物尺寸更加细小弥散且分布均匀。Q+C196+T工艺下实验钢的力学性能为:渗碳层硬度为886 HV;心部屈服强度和抗拉强度分别为1250 MPa和1550 MPa,心部硬度为410 HV,心部冲击韧性和断裂韧性分别为84.2 J和122.1 MPa.m1/2。与Q+T工艺比较,渗碳层硬度提高了8.3%,心部硬度提高了11.7%,心部屈服强度和抗拉强度分别提升了 14.8%和18.5%,心部冲击韧性和断裂韧性分别降低了 8.9%和 4.1%。Q+C80+T和Q+C196+T工艺促进了组织细化和碳化物析出,降低了残余奥氏体含量,从而显著改善了实验钢的显微组织,力学性能达到了高铁轴承用钢要求。（6）研究了不同渗碳后热处理工艺下实验钢的磨损性能。与Q+T工艺相比,Q+C80+T和Q+C196+T试样的磨损率分别降低了 17%和25.5%。Q+C196+T工艺下渗碳层中碳化物大量析出,不仅提高了渗碳层硬度,而且降低了基体中碳和合金元素的含量,提高了马氏体基体的韧性,从而大大提高了耐磨性,磨损速率降低到1.17×10-5 mm3/m。（7）研究了不同渗碳后热处理工艺下实验钢的接触疲劳性能。与Q+T工艺相比,Q+C196+T工艺下实验钢的额定寿命L10和中值寿命L50均提高,分别为0.198949×108次和1.095821×108次。威布尔分布的斜率参数b从1.2658降低到1.1041,疲劳寿命的稳定性增强。（8）对Q+C196+T工艺下的高铁轴承样品进行了台架实验。热性能实验持续时间为240h,轴承的最高温度低于90℃。耐久性强化实验时间为384h,轴承运转平稳。轴承整体通过了热性能及耐久性强化性能考核,达到了高铁轴承的性能要求。