高镍铬无限冷硬铸铁（Indefinite Chill Double-Poured，ICDP）轧辊具有良好的耐热性、抗裂性、抗粘性、抗剥落性和耐磨性，一直用于板带钢热轧机后段作为精轧辊的首选材料。随着热轧机粗轧和精轧前架工作辊材质的改进，轧辊的在线周期延长，精轧后架的轧辊表现出耐磨性不足。提高ICDP轧辊的耐磨性，开发具有高耐磨性的改进型ICDP轧辊，成为解决板带钢热轧生产瓶颈的迫切任务。本论文在普通高镍铬无限冷硬铸铁成分的基础上，加入不同含量的钨、铌和钒三种合金元素，研究了它们对凝固过程、铸铁组织和耐磨性能的影响，深入分析了碳化物的微观结构和力学性能，为开发具有高耐磨性的ICDP轧辊提供理论和实践依据。在普通高镍铬无限冷硬铸铁中，添加1-5wt%的W、Nb、V合金元素，熔炼出12中不同含量的合金冷硬铸铁。采用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射、差热分析、摩擦磨损和Thermo-cal软件等分析方法，研究合金元素对凝固—回火组织和硬度的影响。结果表明：添加W元素为1-2wt%时，对凝固过程基本不产生影响；添加W含量大于3%时，在凝固过程中有鱼骨状碳化物（Fe₄W₂C）沿晶界析出呈网状。添加Nb后，由于NbC相的领先析出，碳化物呈断续状分布。而增加钒的含量则可使碳化物由网状沿晶间分布（1wt%V），逐渐细化（2-3wt%），最终呈球状和短棒状，在基体均匀分布。合金含量1-5wt%的铸铁试样在回火过程中，不同成分试样的硬度均随回火温度的升高存在二次硬化现象，其最大硬度出现在480-500℃左右。添加W、Nb、V回火最高硬度分别为HRC60，HRC59和HRC60；随合金元素含量的增加，铸铁的耐磨性提高。对于添加不同合金元素的无限冷硬铸铁，在干滑动摩擦磨损试验中，含V铸铁的耐磨性最好，含Nb铸铁次之，含W铸铁最差。钒含量为5wt%的合金铸铁，其相对耐磨性较1wt%的提高了约13倍。对于高V合金铸铁，随着钒含量的增加，凝固过程由亚共晶转变（4wt%V）逐渐过渡到近似共晶转变（6wt%V），再到过共晶转变（8-10wt%V）。碳化物的分布由晶间分布逐渐过渡到均匀分布。高钒合金的耐磨性受基体硬度和碳化物分布的双重影响。碳化物均匀分布的V8%试样耐磨性能最好，V6%和V10%次之，V4%最差。通过对8wt%V和5wt%Nb合金凝固组织中的钒/铌碳化物的提取，利用场发射扫描电镜、X射线、高分辨和纳米压痕等进行分析，发现高钒冷硬铸铁（V含量8wt%）中碳化钒呈树枝晶生长，是NaCl结构的c-VC，硬度和杨氏模量分别为33.3和436GPa；高铌冷硬铸铁（Nb含量5wt%）中的碳化铌呈不规则块体形貌；是具有NaCl结构的c-NbC；硬度和杨氏模量分别为24.5和406GPa。利用第一性原理计算技术，研究了具不同化学剂量比V-C、Nb-C化合物的力学特性。计算辨明，随着C含量的增加，V-C/Nb-C化合物的剪切模量、杨氏模量和硬度单调增加，而体弹模量呈不规则变化。通过计算电子结构、布局数和原子排布分析研究了V-C/NbC化合物的弹性性质变化的起因。Nb-C体系中，Pnma-Nb2C和P3₁-Nb₆C₅是Nb-C体系相图中的基态结构，预测相Fm-3m-Nb₂₃C₆，Pnma-Nb3C，C₂/c-Nb₅C₂和P6₃mc-Nb₇C₃在热力学、动力学和力学上都是稳定的。