现有掘进机齿座首选材料20CrNiMo与BJWG-CZ20齿座材料性能分析及相关技术控制分析前言齿座是链接截割头和截齿，把截割部动力传至截
齿而割煤或岩石。由于齿座内孔与截齿间有一定撞动，故齿座材料不仅需要一定的韧性，而且需要良好的耐磨性。另一方面，由于煤质或岩石、煤层
或岩层及顶板的局部变化，掘进机的频繁启动与停机、使齿座承受短时超载及不规则的巨大冲击作用，这就要求齿座不但具有高强度、高耐磨性，而
且还应具有良好的韧塑性、抗冲击韧性、疲劳寿命及过载能力。因此，要使齿座具备前述性能要求，必须选择合适的材料，有了与齿座性能要求匹配
的材料，是提高齿座的质量的关键所在。齿座的质量主要决定于材料合金成分的选择、冶金质量的控制、模锻技术工艺与模具的匹配、表面渗碳或中
频处理优劣和热处理工艺等诸方面。齿座与筒体的焊接质量主要取决于齿座与筒体两种不同材料的碳含量、金相组织的差异性、焊接工艺选择、焊丝
与两种材料的契合性、焊接质量。材料、制造工艺、齿座与截齿结构设计、制造设备和人的有机整合才能制造出优良的截割头，提高使用寿命和工作
可靠性。二、化学成分与力学性能（表一）表一项目材料牌号化学成分42CrMo20CrNiMo8620（美国牌号）8637（美
国牌号）30CrMnSi35CrMnSi23MnNiMoCr54（德国牌号）BJWG-ZC20（18CrMn2SiMo）C0.38
~0.450.17~0.230.18~0.230.35~0.400.28~0.340.32~0.390.20~0.260.16~0
.20Si0.17~0.370.17~0.370.15~0.350.15~0.300.90~1.201.10~1.40≤0.251
.10~1.40Mn0.5~0.80.60~0.950.70~0.900.75~1.00.80~1.100.80~1.101.1~
1.41.90~2.30P≤0.03≤0.030≤0.035≤0.035≤0.03≤0.03≤0.025≤0.020S≤0.030
≤0.030≤0.04≤0.04≤0.03≤0.03≤0.025≤0.020Cr0.9~1.20.40~0.700.40~0.60
0.40~0.600.80~1.101.10~1.400.40~0.60.90~1.20Mo0.15~0.250.20~0.300
.15~0.250.15~0.25----0.50~0.600.30~0.40Ni---0.35~0.750.40~0.700.4
0~0.70----0.90~1.10--热处理制度试样尺寸mm25151515252585淬火加热温度/（℃）85085088
0~900880~900880850880900~910冷却剂油油油油油油油风冷回火加热温度/（℃）560200180~20018
0~200540550410300冷却剂水、油空空空水、油水、油空冷空冷力学性能Rm/MPa≥1080≥980≥980≥930≥9
801320~1340≥1200Rp0.2/MPa9≥30≥785≥835≥735≥8351230~1240≥1000A/%≥12
≥9≥12≥12≥1213~15≥10Z/%≥45≥40≥55≥50≥4566~67≥45KU2/J≥63≥47≥78≥71≥63
94~117≥78回火或高温回火后HB≤229≤197≤229≤229≤269临界淬透直径（mm）水冷40油冷22水冷40油冷22
金相组织回火索氏体回火马氏体回火马氏体回火索氏体回火索氏体回火索氏体回火屈氏体无碳化物贝氏体钢掘进机齿座常见损坏形式与存在的问题（
表二）表二损坏形式焊缝开裂（和筒体一侧的接头）碳当量高、焊接质量不良、焊缝组织不好、材料本体可焊性差、热处理工艺和焊接工艺不当。沿
孔整体开裂基体硬度高、塑性韧性差。材料本体塑韧性不好、裂纹扩展功高、裂纹形成功低。磨损严重组织不好、硬度低、耐磨性不好。焊接底座上
方和孔下部机加工处整体撕裂热处理工艺不当，造成强度偏高、韧性不足。材料本体塑韧性不好、裂纹扩展功高、裂纹形成功低。内孔磨损表面硬度
低，耐磨性差齿座角度不对焊接角度不对衡量优良掘进机齿座用钢的标准良好的焊接性能，以保证焊口强度及焊接的可靠性。较高的硬度及良好的耐
磨性能，以保证不致因磨损严重而影响使用寿命。良好的冲击韧性，以保证齿座在冲击交变负荷和短时超载及不规则的巨大冲击下，材料内部微观裂
纹不易产生。良好的切削加工性能，利于齿座制造过程中机加工成型，保证齿座内孔的尺寸精度和外形的尺寸控制。优良的强韧匹配，以保证齿座在
冲击交变负荷下不变形和不断裂。优良的韧塑性能，使齿座承受短时超载及不规则的巨大冲击下，不撕裂。五、现有材料齿座材料焊接性能对比分析
一）、中碳调质钢焊接性能共性1、根据常用齿座用钢分为两大类：一类为中碳调质合金钢，如42CrMo、8637、30CrMnSi
、35CrMnSi等，一类为低碳调质合金钢，如20CrNiMo、8620、23MnNiMoCr54。2、中碳调质钢的焊接时的共
性中碳调质钢含碳量及合金元素含量较高，焊缝凝固结晶时，固一液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂
纹敏感性。中碳调质钢含碳量及合金元素含量较高，淬硬倾向十分明显，焊接时热影响区容易产生淬硬组织，含碳量越高，焊件厚度越大，它的淬硬
倾向越大，就越容易产生分裂，即得到更多的马氏体组织。马氏体组织是碳溶于α-Fe中的过饱和固溶体，是一种脆硬组织，韧性、塑性都很差，
脆性还大，容易脆性冷裂。同时，由于Ms点较低，在低温下下形成的马氏体难以产生“自回火”效应。低碳调质钢焊接件时的共性从碳当量来看
，低碳调质钢与中碳调质钢的差别不很显著，但两者的焊接性能却差别很大。除了碳含量低外，低碳马氏体有“自回火”作用，所以冷裂纹倾向较小
。、影响齿座的焊接性能的因素首要因素是齿座材料和筒体材料的碳含量，碳含量越高，焊接性越差，为保证异种材料的焊接质量，首选低碳材料，
两种材料碳含量越接近，是焊接质量得到了保证的关键因素。目前，根据碳当量高低来衡量材料焊接性能优劣成为一种的主流观点，除了碳含量外，
某些合金元素含量高低，如Si、Mn等直接影响碳当量的高低。综合分析现有的碳当量计算公式，这些公式主要分析和考虑单一合金元素影响焊接
的因素，都忽略了合金元素的叠加作用影响焊接性能和晶粒度细化程度对焊接性能的影响。很多实际例证表明，碳当量高不一定代表材料的焊接性能
不好，要对不同材料进行具体分析，但这方面的研究很缺乏。实践中，不能仅仅碳当量进行判断金属材料的焊接性能优劣。因此，碳当量中除了碳含
量外，单一合金元素的高低仅可作为一种焊接性能间接佐证的依据，不能机械性的一刀切，不能忽视合金元素的叠加作用对材料焊接性能的影响。这
种观点只具备感性认识，有待深化。金属材料不同的金相组织和微观组织对焊接性能影响也是一个重要因素。相同化学成分（低碳），相同的强度
的回火马氏体钢和无碳化物贝氏体钢相比较，无碳化物贝氏体钢的焊接性能要比回火马氏体钢的焊接性能要好一些。因为无碳化物贝氏体钢淬透性好
，焊接过程相当于材料的一次淬火，无碳化物贝氏体钢焊接接头和热影响区空冷自硬后，金相组织仍为无碳化物贝氏体组织，减少冷裂纹的形成倾向
。而回火马氏体钢由于淬透性不一，焊接接接头和热影响区空冷后，金相组织较为复杂，冷裂纹形成倾向较大。焊接工艺和焊丝的选择直接影响到异
种焊接的质量。人员技能和工装设备也是不容忽视的重要因子，特别是人的因素至关重要。六、20CrNiMo和18CrMn2SiMo综合对
比分析、20CrNiMo钢和18CrMn2SiMo钢材料综合特点与金相组织对比分析1、20CrNiMo钢为回火马氏体组织，属于单一
相（完全）马氏体组织。20CrNiMo淬火后，低温回火而获得的回火马氏体组织，具有高强度、高硬度和耐磨性，但韧性和可焊性较差，渗碳
后淬火处理存在淬火裂纹的风险。2、18CrMn2SiMo为无碳化物贝氏体钢，热处理采用正火低温回火，组织由贝氏体铁素体+残余奥氏体
的复相组织，渗碳后热处理形成裂纹倾向很小。、18CrMn2SiMo钢淬透性好，材料硬度均匀性好，表面强度和心部强度一致或相近，使得
用该材料制造而成的齿座，具有抗冲击性能和过载能力。18CrMn2SiMo无碳化物贝氏体钢集马氏体的强度和贝氏体的强韧性于一体，同时
获得高强度和强韧性，最终获得高强度的前提下，提高材料的塑韧性。20CrNiMo钢和18CrMn2SiMo钢材料强韧性对比分析从材料
本体角度相对而言，18CrMn2SiMo与20CrNiMo钢相比较，18CrMn2SiMo韧性比20CrNiMo好一些，18CrM
n2SiMo属于最佳强韧性匹配性材料。因为第一，18CrMn2SiMo属于多相组织，20CrNiMo钢为单相马氏体组织；第二，存在
于马氏体或贝氏体铁素体板条间的残余奥氏体薄膜有利于改善材料的韧性。三）、20CrNiMo钢和18CrMn2SiMo钢材料接触疲劳寿
命对比分析1、无碳化物贝氏体钢的接触疲劳寿命比回火马氏体高。2、单一回火马氏体的疲劳裂纹扩展速率比无碳化物贝氏体钢高，因为无碳化物
贝氏体钢疲劳裂纹扩展路径比单一回火马氏体钢具有较多的转折与分枝。四）、20CrNiMo钢和18CrMn2SiMo钢材料耐磨性能分析
1、与其他金相组织的金属材料相比较而言，回火马氏体钢具有强度高、高硬度，其耐磨性好的特点。2、相同化学成分的回火马氏体钢的强度比
无碳化物贝氏体钢强度要高，但耐磨性并不一定回火马氏体钢耐磨性比无碳化物贝氏体钢优异。因为，无碳化物贝氏体钢贝氏体铁素体板条间的残余
奥氏体薄膜在磨损过程中会发生加工硬化，提高耐磨性，亚表层扔保持较高的强韧性，在高应力冲击磨损条件下，表层产生的裂纹相亚表层扩展遇到
韧性较高的奥氏体薄膜时，奥氏体通过塑性变形，诱发马氏体相变等方式松弛列纹尖端应力，从而抑制其扩展，提高材料的耐磨性。3、20Cr
NiMo钢和18CrMn2SiMo钢材料耐磨性能相比较，18CrMn2SiMo钢强度比20CrNiMo高，而且，前者含有较高的Si
和Mn，加工硬化效果好。所以，18CrMn2SiMo钢强度比20CrNiMo耐磨性好。五）、20CrNiMo钢和18CrMn2S
iMo钢材料渗碳性能分析1、20CrNiMo钢和18CrMn2SiMo钢都可以作为渗碳用钢。2、采用20CrNiMo钢模锻成齿座
，齿座经渗碳热处理后，表面渗碳层淬火组织为针状马氏体加块状碳化物及少量参与奥氏体、心部为板条马氏体，晶粒度8.0级，齿座表面硬度最
高可达54.0HRC。3、用18CrMn2SiMo钢做成的齿座，经渗碳热处理后，渗层最外组织为高碳回火马氏体+残余奥氏体，过渡区
组织为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体，心部组织为贝氏体铁素体+残余奥氏体，齿座表面硬度最高可达62.5HRC，渗层组织较细。、20
CrNiMo钢和18CrMn2SiMo钢材料冲击韧性（KU2指标）对比，如表三。表三材料热处理Rm/MPaRp0.2/MPaAZA
KU/J20CrNiMo淬火回火1323~1420971~129711~1249~5173~12018CrMn2SiMo正火回火1
300~14101000~112011~1450~60130~140淬火回火1492~15801257~135012~1351~5
697~106、20CrNiMo钢和18CrMn2SiMo钢材料对比结论目前，大多数采煤机齿座首选20CrNiMo材料，因为20C
rNiMo与单一回火马氏体或回火索氏体调质（低）合金钢的比较分析，20CrNiMo钢材质作为一种低碳合金，比其他单一回火马氏体或回
火索氏体调质（低）合金钢具有良好的焊接性能、切削加工性能，以及良好的耐磨性与冲击韧性。经前述分析，20CrNiMo钢和18CrMn
2SiMo钢材料进行分析对比，后者比前者更适合做齿座。虽然，一种材料既要满足工作部分工艺性能要求，又要满足焊接部分的焊接性能要求很
难实现，但18CrMn2SiMo钢材料可以说最大程度接近了这种两全其美的性能要求。七、20CrNiMo齿座与16Mn铸钢截割头体的
焊接性分析截割头体是掘进机工作的执行部分，用于截割各种岩石，在交变载荷作用下要求截割头体和齿座的焊缝金属及热影响区要有很高的强度、
抗冲击韧性和抗疲劳寿命。因此，焊缝及焊缝热影响区对淬硬倾向和焊接工艺缺陷（尤其是裂纹）特别敏感。截割头体材质为16Mn铸钢（ZG1
6Mn），金相组织为珠光体。根据现有产品图纸可知：截割头体的壁厚为40mm，最厚处为160mm。截齿材质为20CrNiMo，金相组
织为回火马氏体。20CrNiMo齿座与16Mn铸钢两种材料的化学成分与碳当量对比（表四）表四材质CMnCrNiMoSiCeqZG1
6Mn0.12~0.201.2~1.6///0.2~0.60.32~0.4720CrNiMo0.17~0.230.6~0.950.
4~0.70.35~0.750.2~0.30.17~0.370.49~0.64根据上表可知，用20CrNiMo材料做成的齿座与16
Mn铸钢做成的截割头体相比较，20CrNiMo材料做成的齿座的含碳量和碳当量高于后者。一般碳当量高于0.6%属于高淬硬倾向钢，故2
0CrNiMo淬硬倾向较大，冷裂纹倾向比较严重，但由于其碳含量低，具有“自回火”作用，相对于中碳调质钢而言，冷裂纹倾向较小。ZG1
6Mn铸钢做成的截割头体虽然碳当量低，但由于其厚度大，焊接过程中将产生较大的拘束应力，因此，焊接工艺性能也不理想。齿座和截割头体
之间的焊接属于在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件。这时的主要问题是防止焊接裂纹和避免热影响区软化。八、18C
rMn2SiMo齿座焊接性分析一）、无碳化物贝氏体钢板焊接抗冷裂纹的说明材料的抗焊接冷裂纹敏感性主要与材料的化学成分、板厚、焊接能
量等有关。为了相对比较材料的化学成分对焊接热影响区的淬硬性及冷裂的影响，引进了“碳当量（CE）”概念。目前发表的CE格式很多，下面
介绍几种常用的CE公式。1.国际焊接协会CE公式……………（1）上式适用于中、高强度的非调质钢、低合金高强钢。CE＜0.45%
，板厚≤25mm，可以不预热焊接，CE＜0.41%，且C＜0.27%,板厚≤37mm，可以不预热焊接。2.日本JIS和WES的CE
公式…………（2）上式适用于低合金调质钢。化学成分范围：C≤0.2%、Si≤0.55、Mn≤1.5%、Cu≤0.5%、Ni≤2.0
%、Cr≤1.25%、Mo≤0.7%、V≤0.1%、B≤0.006%。3.美国焊接协会(AWS)CE公式…………(3)上式适用于
的化学成分范围：C≤0.6%、Mn≤1.6%、Cu≤1.0%、Ni≤3.3%、Cr≤1.0%、Mo≤0.6%、V≤0.1%、B≤0
.006%、P≤0.015%。美国金属学会提出的CE公式…………………(4)上式适用于碳钢和低合金钢，当CE＜0.45%，可
以不预热焊接，CE在0.45~0.60%，预热100~200焊接，CE＞0.60%，预热200~370。…………………(5)上式
当CE＜0.35%，可以不预热焊接和后热，CE在0.35~0.55%，需要预热焊接，CE＞0.55%，需要预热和后热。美海军提出的
CE公式………………(6)4.Ito-Bessyo的CE公式………(7)5.Lorenz-Duren的CE公式………(8)6.Ko
ch-Bersch的CE公式……………(9)焊接过程产生裂纹的主要原因为：焊接过程产生的热应力和组织应力，特别是由于焊接过程接头
组织产生马氏体转变，硬度增加造成开裂。影响马氏体硬度的主要因素是碳量，合金元素主要是影响马氏体形成和淬透性，因此，碳量是影响焊接裂
纹敏感性的主要因素，合金元素对其影响较小，公式(7)~(9)能反映这方面的问题。碳当量是经过大量实验数据拟合的结果，一定的碳当量公
式有其适用的化学成分，不能硬搬和硬套。对于无碳化物贝氏体钢，组织有贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，在热轧或热轧低温回火或正火低温回火
获得，无碳化物贝氏体钢焊后空冷接头组织仍为无碳化物贝氏体，不产生马氏体，故其组织的应力很小，同时无碳化物贝氏体组织中残余奥氏体是韧
性相，不利于焊接裂纹的形成和扩展，由于无碳化物贝氏体组织和性能已经不满足传统的CE公式，上面的CE公式中(7)~(9)更能反映无
碳化物贝氏体钢的碳当量计算。18CrMn2SiMo焊接性能优异的机理1、18CrMn2SiMo为无碳贝氏体组织，含碳量低，焊接后空
冷组织应力小，熔池流动性好，无变形开裂现象，焊缝无裂纹和其他缺陷。2、因为18CrMn2SiMo为无碳贝氏体，纯粹根据国际焊接学会
推荐的碳当量公式判断，本钢种碳当量偏高，但经各种焊接试验表明，该钢种焊接性能优良，说明焊接性能好坏，其原因是多方面的，不能把碳当量
作为可焊性的绝对的判据，更不能对任一强度级别的钢限定同一碳当量，只能把碳当量作为参考。3、18CrMn2SiMo有较高的抗回火性，
使得母材、回火区、不完全正火区没有明显界限，组织同为针状未溶特素体+粒状贝氏体，机械性能一致，从而消除了软化失强现象，实际热影响区
变窄，同时，过热区以板条马氏体+贝氏体铁素体为主的组织，减少了组织应力，增加了韧性，从而使18CrMn2SiMo原材料具有优异的焊
接性能，焊接免除焊接开裂的危险。九、提高18CrMn2SiMo齿座模锻质量的途径齿座开裂，除了和材料本体的韧性、强韧性、韧塑性有关
外，与齿座的生产工艺过程有密切的关联。加热锻件在很大程度上受加热规范的影响。加热规范包括装料炉温，加热温度、保温时间等。18C
rMn2SiMo系低合金钢，碳量低，加热过程产生裂纹倾向小。18CrMn2SiMo没有明显的过热倾向，较其他材料更容易进行锻造加工
，对于锻造要合理控制加热温度。锻后冷却18CrMn2SiMo模锻成齿座毛坯后，应及时进行缓冷（堆冷或装箱冷却）是保证齿座质量的重
要环节之一。因为缓冷工序是降低18CrMn2SiMo冷速，保证齿座内部组织和温度应力小，变利小。高温回火锻后齿座进行高温回火，根
据齿座的大小控制保温时间，一般透烧后保温时间为4~7小时。因为高温回火是18CrMn2SiMo材料机械加工的重要一环。十、提高18
CrMn2SiMo齿座渗碳层质量和热处理质量的途径和优势18CrMn2SiMo齿座正火热处理时要控制冷却速度，要求齿座正火时采用强
制冷却（风冷等），880℃冷却到400℃的时间控制在10min之内，冷速不小于48℃/min。18CrMn2SiMo齿座齿座渗碳时
，应对焊接面进行防渗碳保护，不得有渗碳层，渗碳保护不当时，焊接面存在渗碳层时，应按热处理工艺二进行热处理，在680℃热处理后，车削
去掉齿座焊接面的渗碳层，再进行正火、回火热处理。3、18CrMn2SiMo渗碳时应严格执行工艺制度，控制渗碳温度，避免因渗碳温度
不当，造成齿座质量问题。4、18CrMn2SiMo清洁热处理工艺，完全避免齿座表面产生淬火裂纹的质量问题。5、渗碳前，焊接部位应留
有足够的加工余量，从而避免高碳浓度对焊接的不利影响。十一、提高18CrMn2SiMo齿座焊接质量的途径1)焊前严格清除工件表面的
油污、氧化皮、水渍等异物。2)无碳化物贝氏体原则上可以不预热焊接，为保证焊缝质量，对于壁厚大于40mm构件，建议进行预热焊接，预热
温度为250～350℃，预热范围距焊缝中心为50mm。3)每道焊完后，进行清理并检查有无夹杂、未熔合及裂纹等缺陷，如有缺陷需用角磨
机打磨，清除缺陷后方可进行焊接。4)为了减小焊接应力，用锤头圆角逐层锤击中间焊道表面，以减少焊缝应力，防止裂纹出现，但不应对焊缝根部、表面焊缝及焊缝表面母材进行锤击。十二、18CrMn2SiMo齿座与16Mn铸钢截割头体（筒体）焊接工艺推荐推荐的焊接工艺如表五项目参数保护气体Ar80%保护气体CO220%气体流量L/min20~25焊接材料SLD-60焊丝焊丝直径/mm1.2焊接电流/I260~280焊接电压/V26~30焊接速度/cm/min25~30层间温度/℃300~350焊后冷却在250~350温度用保温棉包裹缓冷。十三、提高齿座与截割头体品质的建议在保证焊接性能的前提下想提高筒体材料的强度，可以用贝氏体铸钢作为筒体材料，设计的低合金铸钢化学成分及其力学性能如下表四，力学性能如表五。贝氏体铸钢与ZG16Mn主要区别是强度提高幅度较大，但会造成韧性的降低，低温韧性不如ZG16Mn高，关于贝氏体铸钢具体低温冲击韧性的大小，还没有这方面数据可查，需要进行实验。贝氏体铸钢的化学成分表四CSiMnMoP、S0.13～0.170.8~1.21.8~2.00.25~0.35≤0.040贝氏体铸钢力学性能表五热处理RmRelAZAku正火回火≥900≥750≥10≥40≥30二0一七年十二月二十日 |
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