近年来,随着市场对“双高”产品需求的不断增长,国内冷轧厂相继引进了数十套国际上最先进的大型冷连轧机组。新型冷轧机组的引进和冷轧产品性能的进一步提升,势必对冷轧辊的使用性能提出更高的要求。而目前国内外普遍应用的5％Cr锻钢冷轧辊已不能满足日渐苛刻的使用性能需求。因此,亟需对更高性能的锻造半高速钢系列冷轧辊进行应用和研究。　　本论文工作结合某大型钢铁集团重大科研项目“合金化高强度冷轧辊的研制及使用技术研究”而完成。基于氮对工具钢材料使用性能的一系列有益影响,制备出新型含氮半高速钢冷轧辊材料,利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、带能谱的透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、氧氮分析仪以及热模拟试验机等手段对含氮半高速钢冷轧辊材料的组织、性能特点及其在热处理过程中的组织转变行为进行了系统的表征,并在此基础上深入探讨了其主要的强化机制。同时,针对含氮半高速钢冷轧辊材料的热处理特性和冷轧辊热处理的组织和性能要求,探索出合理的预备热处理以及最终热处理工艺参数,为其大生产试制工艺提供理论参考。尔后,采用TEM、XRD、氧氮分析仪、能谱仪(EDS)以及Thermo-Calc热力学计算等手段对含氮半高速钢冷轧辊材料的微观组织进行定量分析,并利用环块磨损模拟实验进行耐磨性能评价,结合激光共聚焦显微镜(LSCM)和SEM对磨损表面形貌予以表征,探讨微观组织对其耐磨性能以及磨损表面形貌的影响。　　试验对比研究了含氮与不含氮的冷轧辊材料在微观组织、热处理特性以及力学性能等方面的差异,发现氮的加入使得半高速钢冷轧辊材料形成以板条马氏体为主的最终热处理基体组织,其上弥散分布着大量细小、具有高热力学稳定性的富钒碳氮化物,能够细化晶粒并产生第二相弥散强化,在提高强度的同时能够保持材料原有的塑性和韧性。同时,部分固溶在基体中的氮能够提高半高速钢冷轧辊材料的淬透性能,并产生固溶强化,增强其回火稳定性,促进二次硬化。　　基于硬度随回火温度的变化将含氮半高速钢冷轧辊材料的回火过程分为四个阶段,并系统研究了上述四个阶段中碳化物的演变行为。通过分析表征结果,得到了含氮半高速钢冷轧辊材料中的碳化物随回火温度升高的析出顺序:M3C→M3C+M(C,N)(Ⅱ)→M(C,N)(Ⅱ)+M7C3(Ⅱ)+M23C6,证实了一次M(C,N)和M7C3在回火过程中的稳定性,概括了M3C在整个回火过程中的析出、回溶和转变行为,同时发现大量纳米级M(C,N)(Ⅱ)的弥散析出是导致二次硬化的主要原因。　　通过对新型冷轧辊材料的预备热处理和最终热处理工艺优化试验,探索出适合含氮半高速钢冷轧辊材料热处理特点的锻热淬火-高温回火-高温调质处理-最终热处理工艺流程,其中新型的锻热淬火+800℃回火工艺能得到粒度适中、均匀弥散分布的碳化物,强度与传统球化退火工艺相当,而塑性和韧性优于后者;1040～1060℃淬火+700℃回火的调质热处理工艺能得到理想的回火索氏体组织并具备优异的综合力学性能;1050℃淬火+520℃回火的最终热处理工艺其得到的回火马氏体其上分布有适量的一次球状M7C3和M(C,N)以及大量弥散析出的二次M(C,N)(Ⅱ),具有优异的耐磨性能和磨损表面粗糙度保持性能。　　微观组织是决定含氮半高速钢冷轧辊材料耐磨性能的关键因素,通过不同的热处理得到不同形态的微观组织并对其进行定量分析,结合耐磨性能评价以及磨损表面形貌表征,探讨得出:马氏体基体的强韧性直接决定材料耐磨性能的结论,而纳米级碳氮化物颗粒的弥散析出导致第二相强化也能促进耐磨性能,但一次碳化物由于在磨损过程中同时扮演了阻碍磨粒切削和成为切削磨粒的双重角色,对耐磨性能的贡献较弱。因此,需通过强韧化基体和控制一次碳化物形态,增强基体与一次碳化物之间的结合力,同时通过二次硬化回火得到大量弥散析出的纳米级碳氮化物颗粒,来改善含氮半高速钢冷轧辊材料的耐磨性能。　　上述试验研究成果表明含氮半高速钢冷轧辊材料在组织稳定性、强韧性以及耐磨性能等诸多方面较以往5％Cr系列有大幅提高,能够满足硅钢、不锈钢、高强钢等难轧产品的轧制需求。以本文工作为理论基础和实际参考,通过进一步的大生产试制和工程化应用,将有望取代以往冷轧辊,成为新一代高端、高性能冷轧辊。