复合轧辊是分别选用能够胜任轧辊工作层和辊芯不同工作条件和要求的特殊材质而制成的双金属复合材料,它能够同时满足轧辊对高耐磨性、高抗表面粗糙性和内部强韧性等优异性能的综合要求。目前,复合轧辊已经逐渐取代常规的单一材料制成的轧辊,是轧辊今后的发展趋势。固-液复合铸造法能将两种性能不同的材料结合起来,是当今复合轧辊制备的主要发展方向。复合轧辊成功的关键在于两种材料的界面结合情况,因此,对于包覆层和复合界面的研究成为复合轧辊研究的重中之重。本论文采用电渣结晶器快速冷却凝固W6Mo5Cr4V2高速钢熔体与电磁感应加热35CrMo低合金钢芯棒相结合的电磁感应液-固复合铸造方法制备了W6Mo5Cr4V2高速钢包覆层/35CrMo辊芯相结合的高速钢复合轧辊。选择W6Mo5Cr4V2高速钢包覆层和W6Mo5Cr4V2高速钢包覆层/35CrMo辊芯复合界面为研究对象,运用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)系统地研究了其在初始态时的显微组织,以及奥氏体化温度和回火温度变化后对其组织和性能的影响;观察了辊身包覆层由外至内的组织、元素和硬度变化;检测了复合界面的元素扩散以及基体的显微硬度;在自制自约束热疲劳试验机上观察了热疲劳裂纹的萌生和扩展。在此基础上探索了W6Mo5Cr4V2高速钢包覆层和复合界面组织特征及性能变化的机理,取得了如下的研究结果:W6Mo5Cr4V2高速钢包覆层试样经过退火处理后的初始态显微组织主要由珠光体基体和呈连续、粗大及网状分布的晶界碳化物体组成。晶界网状碳化物主要由M6C和M23C6型碳化物组成。其中,包覆层外层组织基体晶粒细小,晶界碳化物网连续性和完整性较差;中层组织中网状碳化物连续性和完整性明显增强,基体晶粒粗大。内层基体显微组织与外层相似,其组织形貌介于外层组织和中层组织二者之间。与之对应的是包覆层表面处和内层组织硬度相对较高,随着离外层距离的增加至中层位置硬度降为最低。高速钢包覆层组织淬火后组织转变为马氏体,且随着奥氏体化温度的升高,网状结构的晶界碳化物断开的趋势明显,晶界碳化物向着短杆状、棒状和团球化的方向发展。在基体上分布的未溶碳化物颗粒的数量逐渐减少,但尺寸逐渐增大,最终在1100℃奥氏体化时全部溶入基体中。硬度随着淬火温度的升高而逐渐增大,在1050℃达到最大值,之后又开始下降;包覆层基体组织在700℃回火之前,马氏体的形态仍然保留,达到700℃以上时,马氏体特征完全消失。基体上的析出碳化物颗粒在回火温度低于500℃时,数量逐渐增多,当回火高于500℃时,尺寸不断增大。随着回火温度的升高,包覆层硬度呈下降趋势,冲击韧性逐渐增加。W6Mo5Cr4V2轧辊复合界面由三个区域组成,即:类W6Mo5Cr4V2熔合层区、中间扩散层区和类35CrMo熔合层区。在初始状态下,三个区域的基体均为细珠光体,其中,类W6Mo5Cr4V2熔合层相对细小,类35CrMo熔合层相对粗大,中间扩散层介于两者之间。随着奥氏体化空冷淬火温度的升高,复合界面各区域的基体由隐晶马氏体转变为针状马氏体,类W6Mo5Cr4V2熔合层区的未溶解碳化物颗粒数量逐渐减少。在950℃~1050℃范围内,复合界面各个区域的硬度随着奥氏体化温度的升高而整体升高,在1100℃奥氏体化淬火后,组织中由于残余奥氏体的增多而使硬度有所降低;复合界面各区域的马氏体基体随着回火温度的升高逐渐发生分解,复合界面内基体显微硬度也开始逐渐降低。随着回火温度的升高,复合界面基体上的析出相颗粒数量逐渐增多,500℃后颗粒尺寸逐渐增大;复合界面内热疲劳裂纹起源于类W6Mo5Cr4V2熔合层与中间扩散层之间区域中的晶界碳化物及界面最后凝固处中的铁的氧化物,裂纹随后主要沿着晶界碳化物进行扩展。另外,主裂纹附近的后凝固处的铸造缺陷会引发二次裂纹。