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工程机械用特殊钢的

研发与应用专题（三）

工程机械是国家基础设施建设与现代化建设的基石产业，随着全球工程装备向智能化升级、绿色制造方向快速发展，对工程机械用特殊钢的应用提出了更高要求。《世界金属导报》与中信泰富特钢集团旗下大冶特钢联合推出“工程机械用特殊钢的研发与应用”专题，探讨我国工程机械用特殊钢的研发、应用成果并着眼未来，以期为重大工程装备发展保驾护航，助力全球装备制造业可持续发展。

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钎钢钎具行业属于专业性与个性化要求较高的制造领域，钎具用钢是推动该行业产品发展的关键材料基础。本文首先指出钎具已扩展至岩土钻凿工具，并系统介绍了其产品分类、钎具用钢的现状及其主要应用场景，梳理相关产品标准；最后对钎具用钢的未来发展进行简要展望。

1 钎具产品概况

钎钢钎具行业专业性强、个性化要求高，对原材料、工艺、热处理、设计制造、研发和过程管理均有较高要求。其产品被广泛应用于矿山开采、地质勘探、交通和国防施工、水利水电、建筑、市政建设等领域。由于其工作环境恶劣，钎具的消耗量相对较大，也为行业提供了稳定的市场需求。随着我国各类钻机、盾构、掘进、公路、建筑等工程机械的发展，配套工具种类也日益丰富，钎具逐渐扩展至岩土钻凿工具。该产品不仅能满足国内钻凿施工工程的需求，还有部分产品实现出口，已成为快速发展的制造产业之一，是人类改变自然一种必不可少的消耗性工具。

随着我国经济建设的快速发展，对钻凿工具的需求持续增长，同时对产品种类、性能和质量也提出了更高的要求。按照钻掘所使用的工程机械类型，与其配套的作业工具可分为三大类型：钎具、钻具、工程和矿用刀具。

1）钎具产品亦称为顶锤式凿岩钎具，包括凿岩用锥体连接中空六角形钎杆、凿岩用硬质合金整体钎、凿岩用锥体连接硬质合金钎头（含片状和柱齿型）、凿岩用螺纹连接钎杆（含轻型接杆钎杆和液压钻车用接杆钎杆），其中液压钻车用接杆钎杆（含地下和露天钻车用接杆钎杆、快接钎杆、尾钎杆、管式钻杆）、连接套、钎尾（含气动和液压导轨式凿岩机用）、凿岩用螺纹连接钎头（含片状和柱齿型）、高炉开口钎具（含钎杆、钎头）、风镐钎、液压锤钎等产品。部分产品见图1。

图1 部分钎具产品

2）钻具产品包括潜孔钻具（含冲击器、钻头、钻杆）、矿用牙轮钻具（含钻头、钻杆）、地质钻具（含钻头、扩孔器、钻杆）、煤矿钻具（含钻杆、钻头、反井钻具、锚杆钻具、通缆钻杆）、旋挖钻具（含钻斗、捞砂斗、钻头、筒钻、钻杆）、天井钻具（含钻头和钻杆）、非开挖钻具（含导向钻头、回扩钻头、单钻杆、接头）等产品。部分钻具产品见图2。

图2 部分钻具产品

3）工程和矿用刀具产品包括截齿（含煤截齿、掘进机截齿、工程截齿）、盾构机切削刀具（含刮刀、中心刀、先行刀、仿形刀、保护刀）、全断面掘进机用滚刀（中心滚刀、正刀、定位滚刀）、工程钻机用刀具和刀座等产品。部分工程和矿用刀具产品见图3。

图3 部分工程和矿用刀具产品

2 钎具钢现状及应用

2.1 中空钢

中空钢是一种工艺比较复杂的专用特殊钢，是制造钎杆的必备原材料，它不仅对钢材的性能和质量指标要求严格，其质量直接影响钎杆的使用寿命，对产品的几何尺寸、屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、表面质量及脱碳、微观组织结构都有严格规定。相对于钢铁企业来说，市场需求量较少，国内特殊钢公司（除首钢贵钢外）通常不生产中空钢，而是由钎钢制造企业向特殊钢企业购买钢材轧成各种类型的中空钢。中空钢大多采用2种轧钢工艺生产：1）机械钻孔带芯热轧法，原料采用方坯、钻芯孔和带芯棒轧制；2）热穿孔-带芯减径-热轧（热拔）法，原料采用圆钢棒材轧制（可制成六角形和圆形中空钢产品）。

早期基于我国资源状况，研制了硅锰钼系合金中空钢55SiMnMo、35SiMnMoV、40MnMoV和中空钢生产新工艺。随后又设计了40SiMnCrMoV、22Si2MnCrNi2Mo等钢种。近期又在23CrNi3Mo钎具钢的洁净度、夹杂物、热处理等方面进行研究。

2.2 顶锤式凿岩钎具

顶锤式冲击式凿岩机位于钎具顶端，冲击活塞直接撞击钎尾，活塞产生的冲击能量在杆体中以应力波的形式传播，通过钎头或杆体刃部对被凿物做功，将冲击能量转化为被凿破碎能。其主要用于矿山开采、隧道掘进。

凿岩用锥体连接中空六角形钎杆适用于手持式或气（支）腿式气动凿岩机、电动凿岩机、内燃凿岩机。该产品在我国和一些发展中国家应用比较广泛。近年来，通过钢种开发、失效机理、材质及轧制工艺对疲劳寿命的影响、工作应力载荷谱、室内寿命试验台等方面的研发和试验，产品质量上了新台阶，为该产品在钎具中占据主要地位提供了技术支撑。该产品通常选用55SiMnMo、40SiMnCrNiMo、95CrMo、T8Cr、23CrNi3Mo等牌号中空钢生产。由于锥体连接钎杆所用的凿岩设备重量轻，在交通不便的地方搬运方便。但凿岩工作条件非常恶劣，工人劳动强度相当大。在发达国家，这种产品只进行辅助和零星凿岩作业。在我国由于这类凿岩设备价格低，操作简单，维修方便，可能还会使用较长时间，但生产使用量会逐渐减少。

螺纹连接钎杆（重型钎具）通过钎尾将连接套、钎杆、钎头连接成一个细长杆件。在凿岩机高频率和大冲击能量的扭矩推力作用下，需承受拉伸、压缩、扭转、弯曲等多种复合应力，并在回转、碰撞的环境下经受岩石、岩粉和矿水等介质的磨蚀与腐蚀。随凿岩条件不同，应力值波动大，使液压钻车用钎具成为工具中服役状态最苛刻、最易损坏的部件。螺纹连接钎杆主要选用35SiMnMoV、20CrMnTi、23CrNi3Mo等牌号中空钢制造。钎杆的早期失效，不仅影响生产和危及操作人员的安全，降低凿岩效率和采掘成本还会浪费大量的优质钢材。我国在重型钎具的钢种开发和轧制、热处理、镦粗、摩擦焊、螺纹等加工工艺以及能量传递、钎具的匹配等力学分析方面开展了大量的研发工作，缩短了与国外高端产品的差距，使国产重型钎具发展成为在钎具产品中品种最多、规格最全、数量较大、经济效益最佳的主导产品。这为取代进口和推动钎具产业化奠定了基础。

锤钎是与液压锤配套使用的工具，液压锤安装在挖掘机、撬毛台车、矿井溜矿口破碎机上，主要用于建筑物的拆除和地面、岩石、矿石的破碎。锤钎受力情况复杂多变，既要承受液压锤活塞冲击过程产生的轴向拉压应力和在作业中产生的拗、撬、推、顶等弯曲应力，同时又受到被凿物的磨损和高温软化的影响，因此锤钎要有足够的强度和韧性。锤钎一般采用42Cr、42CrMo、23CrNi3Mo等牌号钢材生产，它是液压破碎锤的核心零件，直接把活塞冲击能量（最大冲击能量达数万焦耳）传递给被凿物。液压锤和锤钎已经成为液压挖掘机不可缺少的附属机具。目前液压锤和锤钎的系列齐全，已经形成了能与液压挖掘机大小规格完全匹配的系列产品。我国对液压锤研究较多，对锤钎研究较少，尤其对锤钎的疲劳强度及寿命研究薄弱。

2.3 钻具

潜孔钻具由冲击器、钻头、钻杆组成，钻机的回转机构带动潜孔钻具旋转，而潜孔冲击器潜入孔内,直接冲击钻头进行钻凿作业。高气压潜孔冲击器通常由前后接头、内缸和外缸、活塞、逆止阀等组成，除密封件外，零件基本采用合金钢棒材、锻材、无缝钢管加工。其主要牌号有：35CrMo和20CrMnMo（前后接头）、20CrMo（内缸）、42CrMo（外缸）、20Ni4Mo和23CrNi3Mo（活塞）等。潜孔钻头因直接受活塞冲击，受力状态较复杂，加工要求严，钻头体采用材质有18-25CrNi3Mo、22-25CrMnSiNi2Mo、20CrNi4Mo以及24SiMnNi2CrMo、20Ni4Mo等。潜孔钻杆由两端接头和杆体构成，采用棒材、管材摩擦焊加工，其主要牌号有：42CrMo（接头）、杆体采用钻探用无缝钢管ZT380（DZ40）、ZT490（DZ50）、ZT590（DZ60）生产。牙轮、地质、旋挖、天井、非开挖等主要钻杆和潜孔钻杆的加工方法基本相同，材质有所差异，大多采用36Mn2V、40Cr、30CrMo、35CrMo、42CrMo等。近期科研人员在潜孔冲击器动力过程建模和电算模拟、结构对冲击性能参数的影响分析、参数优化设计、凿入系统应力波传播和能量传递特性、活塞和钻头的受力分析、凿入系统的最佳匹配等方面进行了大量的研究和试验，取得的系列成绩使我国潜孔钻具产品处于国际先进水平。

牙轮钻头是靠钻机的回转和加压机构施加在钻头上的轴向力和回转力矩来破碎岩石，钻头的回转带动着牙轮滚动，在轴压静载荷以及牙轮转动时动载荷作用下，牙轮钻头将以压碎、冲击、剪切和刮削等不同作用下破碎岩石。单牙轮钻头（掌片）牙轮部分与三牙轮钻头的牙轮部分结构相同，但在牙掌增加了直柄焊接或直柄可拆卸结构，安装在大口径旋挖牙轮组合钻头上或组成非开挖牙轮扩孔器产品。随着大口径桩孔和非开挖工程建设的快速发展，单牙轮钻头已发展成为岩土采掘工程施工中主要消耗工具之一。牙轮钻头体钢材的主要牌号15-20Ni4Mo、24SiMnNi2CrMo、15MnNi4Mo。我国在牙轮钻头用钢开发、轧制、结构设计和热处理、螺纹等工艺以及磨损失效、牙轮轮体冲蚀失效分析、动力学特性等方面开展了大量的研发试验。从钻头、岩石系统动力学特性研究试验得出：三牙轮钻头破岩钻进与岩石相互作用产生振动（扭转振动），具有明显的非线性和随机性及伴随有“跳跃”现象（高频扭转振荡冲击），从而对三牙轮钻具施加冲击载荷，造成钻具疲劳断裂和钻头刃崩裂。地质、煤矿深孔、非开挖定向等钻具均承受以上所述的冲击载荷。

地质钻头作为地质勘探和工程建设中的重要工具，集成了多种先进技术，在资源开发和基础设施建设中发挥着关键作用。钻头体采用钢材的主要牌号有：35CrMo、42CrMo。

煤矿锚杆钻机用回转钻具包括钻杆和钻头，钻杆与钻机连接的部位带有密封圈槽，另一端带有普通螺纹与钻头连接，通常采用B19中空钢加工，材质为60Si2Mn、55SiMnMo等，钻头体采用40Cr、42CrMo棒材或锻材加工。

通缆钻杆（定向钻杆）主要用于煤矿地质防治水、地质勘查和非开挖水平定向钻进，配套使用的无磁钻杆内置传感器（测量钻头的倾角、面向角、温度），定向钻杆内有传输这些信号的线缆。无磁钻杆位于导向钻头后方，由非磁性材料（如不锈钢）制成。

2.4 工程和矿用刀具

截齿广泛应用于煤矿开采及巷道、隧道、地面开沟等施工工程，主要配套用于采煤机、掘进机、铣刨机、旋挖钻机（筒钻）等设备，是截割煤和岩石的刀具。截齿在恶劣环境中工作，受到强烈的交变冲击，因此损耗极快，是一种需要定期更换的关键消耗件。国产截齿在材质方面与国外产品相同，耐磨性和冲击性和进口截齿差距不大，该产品的品种、规格较全。截齿钢体和硬质合金齿焊接而成，截齿钢体采用35MnB、35CrMnSi、42CrMoMo锻材加工。

盾构机切削刀具分为刮刀、中心刀、先行刀、仿形刀、保护刀等，是盾构机掘进的核心部件，安装在盾构机刀盘位置，在进行施工作业时直接作用于土方及岩层对软岩及混合土层进行切削，主要应用于地铁、基建、交通等工程地下盾构施工。该部件作为切削功能的核心元件，在盾构施工中起着至关重要的作用。通常由刀体和硬质合金头焊接而成，刀体采用37CrNi3、9Cr2Mo、7Cr7Mo2V2Si、4Cr5MoSiV1（H13）、42CrMo锻材加工。

全断面掘进机TBM发展迅猛，广泛应用于各种隧道、矿山巷道等工程。全断面掘进机工作部位装有切削盘，该盘上装不同形式的滚刀，如中心滚刀、正刀、定位滚刀，是TBM在作业中正确定位和破岩的刀具产品。刀圈是滚刀最主要的零件，通常采用5Cr5MoSiV1、Cr8Mo2SiV锻材加工。我国在钢材组织、结构、缺陷与性能技术、材料失效与保护（包括材料腐蚀、磨损、老化、断裂及其控制）技术，制造工艺与设备的有效保障等方面获得了突破。为国产TBM滚刀和盾构机刀具产业化奠定了基础。

2.5 国家重大工程中的应用

面向战略新兴产业和高端装备国家重大战略需求，依托国家产业政策和科技专项布局，通过构建“需求牵引—理论指导—技术攻关—应用验证”的全链条研发体系，我国已在多个领域实现核心部件用钢的国产化替代，显著提升了重大装备的可靠性与竞争力。

我国全断面掘进机（含盾构机）产品瞄准城市地铁、铁路、矿山、水利、公路等重大战略工程领域对国产高性能装备或产品的急迫需求，研发了一系列填补国内外空白或市场占有率国内领先的高技术产品。TBM滚刀和盾构机刀具产品也同步发展。

“上天、入地、下海、登极”，国家科技部“九五”曾提出八字方针，均与钻具相关，如锦娥工程、国际深海钻探计划、国际大洋钻探计划、中国大陆科学钻探、极地钻探等。

川藏铁路目前各段建设正在同步推进。雅鲁藏布江下游水电工程已开工，该工程计划采用隧洞引水方式开发。川藏铁路和雅鲁藏布江水电工程都是在青藏高原推进的国家级重大基础设施建设项目，均要使用大量的钎具产品。

钎具、钻具和刀具产品用钢大部分由大冶特殊钢有限公司（以下简称“大冶特钢”）提供。此外，其项目《高端深井钻具用特殊钢研究与开发》获国家科学技术进步奖二等奖，《新型掘进机械用关键功能部件用钢品种开发与应用》获湖北省科技进步奖三等奖。大冶特钢先进的生产工艺和严格的质量控制体系确保了产品质量的稳定性和可靠性。公司拥有一批高素质技术研发团队，不断进行技术创新和产品升级，通过精确的合金设计与微观组织调控，实现了高强度、高韧性和高耐磨性的完美平衡。通过精准的化学成分控制、纯净钢冶炼技术、均匀性控制与组织细化及全流程质量控制，确保钎具在复杂应力条件下不早期失效。大冶特钢钎具用钢在国内市场占有率持续领先，市场占有率超过50%，产品性能达到国际先进水平，成功替代进口产品。与安百拓、山特维克、宝长年、首钢贵钢、苏州新锐等大型企业建立了长期战略合作关系，产品远销东南亚、非洲、南美等海外市场。对行业的发展起到了积极的推动作用，为国家重大工程建设发挥了应有的贡献。

2.6 钎具用钢标准

通过全国标准信息公共服务平台查询已发布的钎具用钢的现行标准，梳理了钎具用钢产品标准清单（见表1）。

3 发展建议与趋势

3.1 发展建议

钎具用钢企业应在冶炼、轧制、化学成分控制、纯净度、脱碳层、显微组织、力学性能等方面持继进行研究工作。根据产品所受应力、作业情况、断裂机理等方面开发或提升钎具用钢。对目前用量较多的42CrMo、20CrNi4Mo等钢种在强度、韧性、耐腐蚀性、疲劳性能等方面协同优化。密切关注国家政策和钎具产品的发展动态，采纳钎具从业者对钎具用钢的建议。为用户提供性能优良和稳定可靠的产品。

虽然近年锤钎受房地产的影响，液压锤产能暂时下降，但在其他领域已成为工程和采矿行业不可缺少的破碎工具。应加强对锤钎疲劳强度与寿命的系统研究，优选高疲劳强度材料与热处理工艺，提升产品可靠性。

此外，注重钎具的疲劳、潜孔凿入系统的能量传递（短杆碰撞）、应力波在不同材质钎杆中的传播速度（弹性模量和含碳量相关）、钎杆接头能量传递效率、钎杆工作应力载荷谱、钻头和刀具磨损等试验等分析结果，将其应用于产品疲劳寿命估测、指导钎钢钢种选择和生产工艺制定等。

持续关注岩土钻凿施工方法和设备的发展动态。例如，我国2020年发布的气举反循环钻探规程标准和2023年修订的工程地质钻探规程标准（增加了定向钻进的内容），促进反循环潜孔钻具和定向钻进钻具产品的快速发展。煤矿掘进机适用岩层f系数的提高，造成煤矿液压凿岩钻车使用量急剧下降，与之相关的螺纹连接钎具用量同样减少，而用于煤矿掘进机的截齿用量大幅增加。

国家标准化工作改革方案明确提出培育发展团体标准。在标准管理上，对团体标准不设行政许可，由社会组织和产业技术联盟自主制定发布，制定满足市场和创新需要的钎具用钢团体标准，聚焦新技术、新产业、新业态和新模式，进一步拓展钎具用钢的应用场景和填补标准空白，促进我国钎具用钢产品提高和发展。

3.2 发展趋势

我国“十五五”时期将是钎钢钎具行业实现由大到强转变的关键阶段。其发展已与国家高端制造业的崛起紧密绑定。发展的核心思路是坚持创新驱动，以“专精特新”为路径，通过攻克关键材料、打造绿色智能标杆、优化产业生态，最终全面满足高端钎具制造的需求，提升国际竞争力。

钎具用钢发展重心从“量”转向“质”，向高附加值、高性能材料集中。智能化赋能与制造业深度融合，提升质量、效率和定制化能力，建设“灯塔工厂”实现全链条数字化。

面对全球“双碳”目标与资源约束，大力发展以全生命周期评价为导向的生态设计，推广短流程工艺、废钢高效利用、氢冶金等低碳冶炼技术。积极开发低合金化、低成本、长寿命的新钢种，减少对稀缺合金元素的依赖。

在稳固国内市场的同时，积极拓展“一带一路”等新兴市场，并参与国际标准制定以提升话语权，推动优势产能向高端领域集聚，形成领军企业。

（中国钢结构协会钎钢钎具分会 徐随成；长沙矿冶研究院有限责任公司 甘海仁）

《世界金属导报》

2026年第6期 B10、B11