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渗碳纳米贝氏体轴承钢因其表面具有高强度、高韧性及出色的耐磨性能,同时心部具有优异的强韧性配合,被逐渐应用在风电轴承及齿轮行业中。但将其用于重载铁路货车轴承行业,目前还处于摸索阶段。随着我国重载铁路货运的迅猛发展,对于更大轴重重载列车的需求也愈发强烈。而作为重载列车轴承的关键部件之一,渗碳轴承套圈主要起到支撑机械旋转体的作用,在服役过程中受到冲击载荷和摩擦载荷的周期性作用。随着对重载列车轴重要求的进一步增加,传统的渗碳马氏体轴承钢由于其表面较差的强韧性配合,在受到大冲击载荷情况下容易出现早期开裂现象而不能满足更大轴重轴承套圈的性能要求。而新型的纳米贝氏体钢因其组织中极细小贝氏体铁素体板条及板条之间均匀分布的薄膜状残余奥氏体,在保持与相同成分马氏体钢硬度相当的同时,强韧性及耐磨性能均能够得到显著提升。因此,综合力学性能更加优异的渗碳纳米贝氏体轴承钢被认为是取代传统渗碳马氏体轴承钢的最佳材料。本文在重载铁路货车轴承用G20CrNi2Mo渗碳马氏体钢的基础上,通过Si、Al微合金化,并对其低温等温热处理工艺进行进一步优化,得到表面及心部力学性能更加优异的渗碳纳米贝氏体轴承钢。借助拉伸、冲击、摩擦磨损及接触疲劳寿命等实验手段,结合OM、SEM、TEM、EBSD、EPMA和XRD等表征技术对优化后的G20CrNi2Mo Si Al渗碳纳米贝氏体轴承钢在不同热处理工艺下获得的渗碳表面及心部的强韧性及微观组织进行了研究。具体内容如下:（1）深冷处理对渗碳纳米贝氏体轴承钢表面组织及耐磨性的影响研究。对G20CrNi2Mo Si Al渗碳纳米贝氏体轴承钢渗碳后分别进行淬火+回火处理（QT）、低温等温处理（AT）及低温等温+深冷处理（ACT）,以研究不同形貌、稳定性及体积分数的残余奥氏体对纳米贝氏体钢耐磨性的影响。结果表明,ACT工艺可以有效消除组织中的块状残余奥氏体,避免脆性马氏体相变,并增加薄膜状残余奥氏体的稳定性。与QT工艺相比,经AT及ACT工艺处理后的试样均具有更高的表面残余压应力和更加优异的耐磨性。尤其是在ACT工艺下,试样表面形成由纳米贝氏体、马氏体和薄膜状残余奥氏体组成的多相组织,显著提升了渗碳表面的耐磨性。试样在等温8、12及24h之后再进行4h的深冷处理,其表面的耐磨性分别比QT试样提高了约23%、52%和93%。（2）临界区淬火对心部马氏体/铁素体双相组织及力学性能的影响研究。采用正交试验法对包括不同预淬火温度、二次临界区淬火温度及回火温度在内的热处理工艺进行优化。通过改变二次临界区淬火温度,研究了渗碳钢心部存在不同体积分数及形貌的铁素体对马氏体/铁素体双相组织的力学性能和滚动接触疲劳寿命的影响。结果显示,G20CrNi2Mo Si Al渗碳纳米贝氏体轴承钢经过900°C预淬火、805°C二次临界区淬火及160°C低温回火工艺后,其心部存在约6.9vol.%的连续晶界状铁素体时,心部的综合力学性能达到最佳。热处理后心部的抗拉强度为1496MPa,屈服强度为1212MPa,延伸率为12.9%,冲击功为75.8J,硬度为46.9HRC,分别比传统热处理工艺下得到的性能提高约2.4%、1.9%、2.5%、11.1%和4.0.%。另外,当渗碳轴承钢心部存在连续晶界状铁素体且体积分数在6.9～13.9vol.%之间时,其接触疲劳寿命比传统完全奥氏体化淬火的试样提高了约76.1～85.0%。（3）深冷处理对心部双相组织中多层次马氏体组织和性能的影响研究。通过改变深冷处理时间及循环次数,研究了心部马氏体/铁素体双相组织在不同深冷处理参数下组织和性能的变化情况。结果显示,随着深冷处理时间（QCT-h工艺）和循环次数（QCT-t工艺）的增加,组织中铁素体尺寸逐渐细化,并且分布也更加均匀;心部的硬度和冲击功同时得到显著提升。特别是在QCT-t工艺中,组织细化和性能的提升更加显著,经过3次深冷循环处理试样的冲击功比没有经过深冷处理的试样高约29.4%。同时,深冷处理对多层次马氏体组织中各层次的亚结构也均具有明显的细化作用,并且也是增加深冷循环次数对组织尺寸的细化作用更加显著。马氏体束（dp）、块（db）和板条（dl）的尺寸均随着深冷总时间的增加而减小。利用Hall-Petch关系建立起多层次马氏体组织与冲击功之间的关系,并根据裂纹扩展路径在不同晶体学取向差界面处的偏转程度,证明了多层次马氏体组织冲击功的有效控制单元为马氏体块。（4）基于碳扩散过程制定的高碳纳米贝氏体钢缓慢降温处理方法。针对高碳纳米贝氏体钢在240°C下进行不同时间的等温处理后组织中残余奥氏体中含碳量的变化趋势,建立起残余奥氏体相变温度与等温时间的关系,并基于残余奥氏体中的含碳量、相变温度与等温时间的关系,制定出一种温度随等温时间逐渐变化的缓慢降温处理（SCT）。结果显示,当高碳纳米贝氏体钢试样以0.1°C/min的冷却速率从240°C连续冷却至216°C后再将试样以0.2°C/min的冷却速率冷却至120°C,并在120°C下等温12h后,其组织中可以得到体积分数更高、贝氏体铁素体板条厚度更细及块状残余奥氏体含量更低的纳米贝氏体组织,从而显著提高纳米贝氏体钢的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功和硬度。与传统等温处理后的试样（AT）相比,在保持与AT试样相当的延展性的同时,拉伸性能、冲击功和硬度均得到了一定程度的提升,尤其是屈服强度和冲击功,分别比AT试样提升约11.2%和48.7%,获得了更加优异的综合力学性能。