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本文针对传统热处理方法不能很好地解决热轧辊在服役时间内失效的问题，采用等离子束表面合金化技术对热轧辊表面进行强化，并利用ESEM、X射线衍射仪和显微硬度计对合金化层的显微组织、成分、物相和截面显微硬度分布进行了分析研究。结果表明，合金化区域表面较平整,与基体形成了冶金结合。此外，由于晶粒细化形成的细品强化、合金元属同溶于非平衡相形成的同溶强化以及合金碳化物的析出形成的硬质相弥散强化三种强化机制的综合作用，合金化层的硬度能够达到685～794HV0.2，是母材的1.2～1.4倍。对经表面合金化处理的试样进行回火处理，结果表明其耐回火性能良好。