现代工业对大直径棒材的质量和性能要求日益提高。GCr15作为一种典型的高铬轴承钢,在许多工程领域具有广泛应用。在棒材生产过程中,穿水冷却工艺是一种常用的、有效的提高和改善棒材的组织和性能的控制冷却手段。随着棒材直径的增加,穿水冷却过程的散热条件发生变化,使大棒材断面温度均匀性变差,在一定的冷却速率下还会产生网状碳化物等析出相,进而导致断面微观组织和性能产生差异。本文以GCr15轴承钢为研究对象,首先采用热模拟实验研究了网状碳化物开始析出的温度和冷却速率的影响。在棒材水冷试验平台上,采用热电偶测温的方式对直径为90mm,120mm和150mm的三种规格GCr15大棒材穿水冷却过程中棒材断面的温度进行了测试,获得了穿水冷却过程大棒材断面温度分布规律。采用金相显微镜、扫描电镜(配有EBSD探头)、显微硬度计、拉伸试验机、冲击试验机等微观表征和性能测试手段研究穿水冷却后大棒材断面微观组织演变规律,研究了直径大小对GCr15棒材冷却后组织和性能的影响规律。研究结果表明:GCr15钢从1000℃开始连续冷却过程中,大量析出碳化物的温度为850℃左右,700-850℃温度区间内当冷却速度为1℃/s、2℃/s、3℃/s时会有较多碳化物生成,网状碳化物级别为2-4级;冷速为5℃/s、8℃/s、10℃/s时几乎无二次碳化物生成,网状碳化物级别为0级。冷却过程中,由于棒材内部存在传热,表层温度先降低后升高;R/2处和芯部温度一直处于下降的状态,下降的速度先增大后减小。不同直径棒材表层在700-850℃温度区间内冷却速率较大,得到的组织为马氏体;R/2处和芯部的冷速均小于2.4℃/s,有网状碳化物以及珠光体生成;直径越大,开始产生网状碳化物的位置离表面越近。EBSD结果表明大棒材表层组织无网状碳化物,芯部网状碳化物较R/2处严重,且二次碳化物沿晶界分布;棒材冷却后表层组织晶粒度为8级,芯部晶粒度为6级。经过穿水冷却后,棒材断面的强度提高了150MPa左右,硬度提高50HV左右,冲击韧性也有不同程度的提高,但棒材的芯部与表层的性能存在一定差异,均匀性变差。表层拉伸强度、硬度和冲击韧性最高,其次是R/2处,芯部最低。