本发明涉及一种钒氮微合金化碳素钢及其热处理工艺,生产方法和用途。按照质量百分比含有如下组分:C:0.39~0.45,Si:0.15~0.40,Mn:0.60~0.90,P:≤0.015,S:≤0.010,V:0.12~0.16,[N]:0.012~0.016,Als:0.015~0.050,其余为铁和残余的微量杂质。热处理工艺,包括如下步骤:(1)一次正火:加热至温度870~920℃,加热保温时间按1.2~1.7min/mm计算,冷却;(2)二次正火:加热至温度790~820℃,加热保温时间按1.2~1.7min/mm计算,冷却;(3)回火:加热至温度520~560℃,加热保温时间按2~2.5min/mm计算,冷却。本发明在少量增加成本的前提下,显著提高重载列车车轴用钢的强度、延伸性能、塑性、抗疲劳性和低温韧性,进而显著提高重载列车车轴用钢的整体性能、寿命和安全性。