轧辊是轧钢和有色金属轧制的一项重要的大型消耗工具。大型热轧支撑辊售价在百万以上。支撑辊长期在严酷环境中服役,由于磨损造成的支撑辊的辊身直径低于其使用下限,或者在其服役期间出现的剥落等损伤现象,支撑辊就会失去使用功能。如何采用新材料、新技术、新方法对已失去使用功能的大型支撑辊进行修复再制造,恢复使用功能,这是钢铁冶金企业非常关心、重视的课题。使用ANSYS模拟了支撑辊在工况下的受力状态,并用采力可夫公式和赫兹理论计算了轧制力、最大接触应力、最大剪应力等数据。计算得到的轧制力大小为5.799MN,使用ANSYS得到轧制力大小为5.33MN。根据赫兹原理得到的最大接触应力和最大剪应力分别为1031.7MPa和313MPa,最大剪应力的最大值距离轧辊表面6.26mm。根据ANSYS模拟的结果,接触应力的最大值为1158MPa,最大剪应力的最大值为348MPa,最大剪应力最大值出现的位置为距离表面5mm处,这与轧辊实际发生接触疲劳片状剥落的位置近似。这些研究为硬面层材料的制备提供了目标和方向。使用ANSYS模拟了轧辊堆焊修复过程中轧辊的温度场和应力场,模拟得到的焊接热循环曲线与熔池尺寸与实测数据非常吻合。残余拉应力的实测值比模拟值低,压应力比模拟值高,这是由于模拟未考虑焊后材料的相变应力。模拟结果表明环向应力对焊缝的影响大于横向应力,环向应力在焊后最初表现为压应力,冷却后由于塑变表现为拉应力,拉伸应力最大值出现在焊缝中心和焊趾附近,拉应力模拟最大值为1086MPa,实测值为805MPa。横向应力主要表现为压应力,模拟压应力最大值为531MPa,实测值为354MPa,因此残余应力主要为较大的环向拉伸应力。在不同预热温度下模拟残余应力场,结果表明未预热的焊后残余应力的最大值为1190MPa,300℃预热残余应力最大值为801MPa,400℃预热残余应力最大值为642MPa,500℃预热残余应力最大值为491MPa。可见焊前预热可以有效减小焊后残余应力。通过优化实验制备了两种埋弧焊用硬面药芯焊丝,考察了硬面层硬度在不同回火热处理温度下的高温稳定性,两组硬面合金的最佳热处理温度为480℃,且高合金钢配方硬面合金的硬度值高于马氏体不锈钢配方硬面合金。并分析了Ni和Mo对硬面层高温稳定性的影响,根据硬度测试结果并考虑制备药芯焊丝的经济性决定钼和镍的添加量均为4%。氮合金化使残余的奥氏体更加稳定并且尽量保留固溶的Cr,从而延迟了M23C6及M6C型析出物的析出,因此氮合金化硬面合金的二次硬化温度为520℃,高于碳合金化的480℃。经强碳氮化物形成元素Nb、V、Ti的合金化后,硬面层的硬度明显得到提高。研究强碳氮化合金元素在堆焊冶金反应过程中的析出特点,碳氮化物主要分为两种,第一类为尺寸较大的富Ti的碳氮化物,在焊缝凝固初期形成,碳氮化物生长时间较长。第二类为小尺寸圆形颗粒的碳氮化物,此类碳氮化物应是在低温凝固过程和回火热处理过程中析出的,由于此类碳氮化物析出后生长时间较短,新的析出相没有足够的时间依附其上,所以尺寸较小,析出温度在520℃以上。这些析出的小颗粒碳氮化物成为堆焊合金回火热处理过程中二次硬化的重要原因。高温磨损实验表明氮合金化可以提高硬面合金的高温耐磨性。高温磨损的主要失效形式为高温氧化皮的剥落和磨粒磨损两种形式。硬面合金组织主要由马氏体和残余奥氏体组成。氮合金化具有稳定奥氏体区的作用,残余奥氏体含量增加,使得碳氮合金化硬面合金的韧性比碳合金化硬面合金的韧性高。塑性较差的碳合金化基体会更容易产生疲劳裂纹并更容易使裂纹扩展,产生的裂纹会使基体连同其上的氧化膜一起剥落,使得硬面合金的磨损率提高。在高温环境中硬面合金基体表面析出的的较细小的碳氮化物可以降低磨粒磨损引起的磨损失效。研究了稀土Ce对硬面合金断裂韧性和磨粒磨损行为的影响。Nb和稀土氧化物可以细化组织,从而提高堆焊金属的硬度,硬面合金的组织主要包括板条马氏体,残余奥氏体和点状碳化物。添加稀土后,柱状晶晶粒得到细化而且碳化物在基体中的分布也更加均匀弥散。Nb的添加对提高堆焊金属的断裂韧性有一定的影响,但是效果不如稀土氧化物。稀土氧化物仅细化了组织,而且可以净化晶界,使碳化物球化,这些都为提高堆焊层的韧性做出了贡献。添加稀土氧化物后硬面合金的耐磨性得到提高。“犁”作用和显微切削是其主要的磨损机理。硬度的提高能减小由微观切削形成的划痕的深度。同时断裂韧性的提高能增加塑性变形的抗力,所以由“犁”作用形成的犁沟两侧和前部材料的剥落数量减少。所以添加稀土氧化物后硬面合金的耐磨性由此得到提高。