我国高速铁路迅速发展,但目前高速铁路轴承仍然依赖进口。GCr15轴承钢常被用来生产高铁轴承的滚动体,由于我国对其研究起步较晚,与瑞典、日本和德国等发达国家相比,国产GCr15轴承钢的产品质量较差,这是制约高铁轴承国产化的重要原因之一。随着冶炼工艺的日趋成熟,国产GCr15轴承钢的纯净度已大幅提高,但在轴承钢的热加工和热处理技术方面,我国与发达国家之间仍然存在差距。本文依托国家高技术研究发展计划（863计划）项目“重大装备用轴承钢关键技术开发”,对高铁用GCr15轴承钢的热加工和热处理工艺进行了研究,研究目的是揭示GCr15轴承钢在热加工和热处理过程中的组织演化行为,并通过优化热加工和热处理工艺改善其显微组织和性能,进而为实现高铁用GCr15轴承钢的国产化积累基础数据。本文的主要工作如下:（1）计算了GCr15轴承钢的平衡相图,测量了其连续冷却转变曲线,分析了热变形条件下先共析碳化物的等温析出行为,阐明了 GCr15轴承钢的相变行为。结果表明,平衡态下GCr15轴承钢的先共析碳化物的析出温度范围为750～916℃,珠光体转变的温度范围为740～750℃;连续冷却条件下先共析碳化物的析出温度范围为568～869℃,珠光体转变的温度范围为492～671℃,并且连续冷却速率超过3℃/s时,显微组织为马氏体。在热变形后的冷却过程中,温度在810℃以上时,先共析碳化物的析出不明显,温度在700～770℃之间时,先共析碳化物的析出较为明显。（2）利用热模拟试验机对GCr15轴承钢的轧制工艺进行了模拟,分析了显微组织演变规律,利用模拟得到的工艺参数进行了控轧控冷实验。结果表明,变形终止温度由870℃降低至770 ℃时,珠光体团尺寸和晶粒尺寸均减小,珠光体片层间距略微增大,碳化物网状程度先减小后增大;冷却速率由2℃/s增加至25℃/s时,珠光体团尺寸、晶粒尺寸和珠光体片层间距均略微减小,并且冷却速率超过8℃/s时,先共析碳化物的析出明显受到抑制;冷却终止温度由700℃降低至600℃时,晶粒尺寸基本不变,珠光体团尺寸和碳化物网状程度均减小,冷却终止温度低于500℃时,显微组织中出现了马氏体。为了得到较为精细,碳化物网状程度较小的热轧组织,终轧温度可控制在830℃左右,水冷冷却速率可控制在10℃/s,水冷冷却终止温度可控制在680℃。借助于DICTRA软件分析了连续冷却过程中先共析碳化物的析出行为,在轧后冷却过程中,先共析碳化物的析出速度先加快后减慢,并且由于先共析碳化物的析出,先共析碳化物附近的奥氏体形成了贫碳区,这与室温下的铁素体薄膜相对应。（3）研究了等温球化退火工艺参数和初始的热轧组织参数对GCr15轴承钢球化组织的影响,比较了奥氏体化时所形成的未溶碳化物和最终的球化碳化物之间的关系,分析了等温球化退火过程中的组织演变行为,提出了球化碳化物的平均直径和单位面积内碳化物数目之间关系的数学模型。结果表明,奥氏体化温度由760℃升高至880℃或者等温温度由680℃升高至720℃时,球化碳化物的平均直径不断增大;奥氏体化时间延长或者等温时间延长时,球化碳化物的平均直径同样不断增大。未溶碳化物和球化碳化物在单位面积内的数目和尺寸方面存在正的相关性,并且细化初始热轧组织的珠光体片层间距有利于获得较为细小、弥散的球化碳化物。在等温球化退火的奥氏体化过程中,伴随着碳化物的溶解,碳化物薄片不断溶断和粒化,并且随着奥氏体化时间的延长,未溶碳化物不断粗化;在奥氏体化后的冷却和等温开始阶段,奥氏体以离异共析的方式转变成了铁素体和球状碳化物;在等温的最后阶段,尺寸较大的碳化物以牺牲尺寸较小的碳化物的方式不断粗化,并且单位面积内碳化物的数目不断减少。（4）提出 GCr15轴承钢的在线临界和亚临界球化退火工艺。在线临界球化退火时,GCr15轴承钢热轧后可水冷至650℃,随后直接升温至800℃进行等温球化退火;在线亚临界球化退火时,GCr15轴承钢热轧后可水冷至450～500℃,获得退化珠光体,随后升温至700℃左右进行亚临界退火。与临界球化退火相比,在线亚临界球化退火可获得较为细小的球化碳化物和铁素体晶粒。（5）研究了奥氏体化参数、回火参数以及初始的球化组织对GCr15轴承钢淬火组织与性能的影响,分析了奥氏体化过程中碳化物的溶解行为和未溶碳化物的尺寸变化规律。结果表明,奥氏体化温度较高或奥氏体化时间较长时,未溶碳化物的体积分数较小,并且原奥氏体晶粒尺寸较大,这不利于最终的冲击韧性。在奥氏体化过程的早期阶段,碳化物的溶解速度较快,随后逐渐减慢,并且碳化物在奥氏体中的溶解过程受Cr元素扩散的控制。奥氏体化时,未溶碳化物的平均直径先减小后不断增大,当未溶碳化物的体积分数在4.9%左右时,未溶碳化物的平均直径存在最小值。在160～250℃之间回火时,随着回火温度的升高或回火时间的延长,实验钢的冲击韧性略微改善,但为了发挥沉淀强化的作用,回火温度可控制在160～180℃。此外,初始球化碳化物的细化加快了奥氏体化过程中碳化物的溶解速度,细化了未溶碳化物的尺寸,而且初始球化组织的铁素体晶粒尺寸和淬火组织的原奥氏体晶粒尺寸之间存在正的相关性。（6）通过调整热轧和球化工艺的方式获得了组织参数不同的球化和淬火组织,随后测量了实验钢在低温回火后的疲劳性能。结果表明,与轧后空冷工艺相比较,轧后水冷工艺下的实验钢经过球化和淬火后,其原奥氏体晶粒尺寸和未溶碳化物的尺寸均较为细小。当失效循环次数为107时,轧后空冷+等温球化、轧后水冷+等温球化以及轧后水冷+在线亚临界球化退火工艺下实验钢的疲劳极限分别在789、908和986 MPa左右。与轧后空冷+等温球化工艺比较,轧后水冷+等温球化或轧后水冷+在线亚临界球化工艺可获得更加精细的淬火组织,进而改善了低温回火后实验钢的疲劳性能。（7）合作单位对轧后水冷+等温球化的GCr15轴承钢进行了轴承制造和台架试验,台架试验的时间为624h,最高速度为300 km/h。热性能和耐久性强化试验结果表明,台架试验过程中,主机电流较为稳定,轴承样品运转平稳,并且未出现温度异常升高现象,试验后的轴承滚动体和套圈均未出现卡住、发热变色、变形和破裂等现象,达到了高铁轴承的设计要求。