Композиционные материалы для деталей горных машин и механизмов

При разработке месторождений полезных ископаемых применяются разнообразные горные машины и механизмы, сборочные единицы и отдельные детали, которые в процессе работы подвергаются абразивному износу. Износ деталей приводит к повышению расхода горюче-смазочных материалов и электроэнергии, необходимых для эксплуатации машин и оборудования, что сказывается на увеличении себестоимости процесса добычи. Для повышения долговечности деталей машин используют износостойкие стали и чугуны, специальные покрытия и наплавки. Современному горному машиностроению необходимы детали с повышенной удельной прочностью, износостойкостью и малым весом. Таким условиям в большой мере удовлетворяют композиционные материалы с металлической матрицей и наполнителями из боридов, нитридов, оксидов и силицидов. Рассмотрены способы получения, исследованы трибологические свойства, механизмы изнашивания и структура алюмоматричных композиционных материалов с наполнителем из частиц карбида циркония. Показано увеличение износостойкости материалов и понижение коэффициента трения с повышением содержания частиц наполнителя в матрице. Отмечено, что интенсивность износа снижается с увеличением времени и длины пути скольжения и возрастает с повышением приложенной нагрузки. При этом интенсивность износа и коэффициент трения образцов композитов снижаются пропорционально количеству частиц наполнителя в алюминиевой матрице. В качестве основных механизмов изнашивания установлены адгезия, истирание, вспахивание и расслоение.

Апакашев Р. А., Хазин М. Л., Адас В. Е. Композиционные материалы для деталей горных машин и механизмов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 12-1. – С. 5–17. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_121_0_5.

Апакашев Рафаил Абдрахманович¹ — д-р хим. наук, профессор, профессор, e-mail: Rafail.Apakashev@m.ursmu.ru, ORCID ID: 0000-0002-9006-3667,
Хазин Марк Леонтьевич¹ — д-р техн. наук, профессор, профессор, e-mail: Khasin@ursmu.ru, ORCID ID: 0000-0002-6081-4474,
Адас Виталий Егорович¹ — старший преподаватель, e-mail: adas.v@m.ursmu.ru, ORCID ID: 0000-0001-7912-8047,
¹ Уральский государственный горный университет.

Хазин М.Л., e-mail: Khasin@ursmu.ru.

1. Никитин А. Ю. Развитие горного машиностроения в новых реалиях зависит от консолидированных усилий участников отрасли // Горная промышленность. — 2022. — № 2. — С. 10—11. 

2. Andreeva L., Abramov S. Methods of mining machine components reconditioningand hardening by means of concentrated energy fluxes // Известия вузов. Горный журнал. — 2023. — № 1. — С. 7—15. DOI: 10.21440/0536-1028-2023-1-7-15. 

3. Khazin M. L., Volegov S. A. Mining machine parts restoration by laser surfacing // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2024. — № 4. — С. 17—25. DOI: 10.21440/05361028-2024-4-17-25. 

4. Cvijović-Alagić I., Maksimović V., Jovanović M. T. Fractographic analysis of the aluminum matrix composite prepared by accumulative roll bonding // Metallurgical and Materials Engineering. 2020, vol. 26, no. 4, pp. 349—355. DOI: 10.30544/569. 

5. Ali M. Review of stir casting technique and technical challenges for ceramic reinforcement particulate and aluminium matrix composites // Journal of Silicate Based and Composite Materials. 2020, vol. 72, no. 6, pp. 198—204. DOI: 10.14382/epitoanyag-jsbcm.2020.32. 

6. Aynalem G. F. Processing methods and mechanical properties of aluminium matrix composites // Advances in Materials Science and Engineering. 2020, vol. 2020, no. 2, pp.1—19. DOI: 10.1155/ 2020/3765791. 

7. Nayak K. C., Rane K., Date P. P., Srivatsan T. S. Synthesis of an aluminum alloy metal matrix composite using powder metallurgy: role of sintering parameters // Applied Sciences. 2022, vol. 12, article 8843. DOI: 10.3390/app12178843. 

8. Kim D. Y., Choi H. J. Recent developments towards commercialization of metal matrix composites // Materials (Basel). 2020, vol. 13, no. 12, article 2828. DOI: 10.3390/ma13122828. 

9. Garg P., Jamwal A., Kumar D., Sadasivuni K. K., Hussain C. M., Gupta P. Advance research progresses in aluminium matrix composites: manufacturing & applications // Journal of Materials Research and Technology. 2019, vol. 8, no. 5, pp. 4924—4939. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.06.028. 

10. Ловшенко Ф. Г., Лозиков И. А., Хабибуллин А. И. Алюминиевые механически легированные композиционные жаропрочные материалы с особыми физико-механическими свойствами // Литье и металлургия. — 2020. — № 3. — С. 99—111. DOI: 10.21122/1683-6065-2020-3-99-111. 

11. Alam M. A., Ya H. H., Azeem M., Yusuf M., Soomro I. A., Masood F., Shozib I. A., Sapuan S. M., Akhter J. Artificial neural network modeling to predict the effect of milling time and tic content on the crystallite size and lattice strain of Al7075-TiC composites fabricated by powder metallurgy // Crystals. 2022, vol. 12, pp. 372—392. DOI: 10.3390/cryst12030372. 

12. Mussatto A., Ahad I. U. I., Mousavian R. T., Delaure Y., Brabazon D. Advanced production routes for metal matrix composites // Engineering Reports. 2021, vol. 3, no. 5, article e12330. DOI: 10.1002/eng2.12330. 

13. Shinde D. M., Sahoo P., Davim J. P. Tribological characterization of particulate-reinforced aluminum metal matrix nanocomposites: A review // Advanced Composites Letters. 2020, vol. 29, no. 10, 2633366X20921403. DOI: 10.1177/2633366X20921403. 

14. Ghasali E., Fazili A., Alizadeh M., Shirvanimoghaddam K., Ebadzadeh T. Evaluation of microstructure and mechanical properties of Al-TiC metal matrix composite prepared by conventional, microwave and spark plasma sintering methods // Materials (Basel). 2017, vol. 10, no. 11, article 1255. DOI: 10.3390/ma10111255. 

15. Samal P., Vundavilli Р. R., Meher A., Mahapatra М. M. Recent progress in aluminum metal matrix composites: A review on processing, mechanical and wear properties // Journal of Manufacturing Processes. 2020, vol. 59, pp. 131—152. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.0.010. 

16. Aynalem G. F. Processing methods and mechanical properties of aluminium matrix composites // Advances in Materials Science and Engineering. 2020, vol. 2020, article 3765791. DOI: 10. 1155/2020/3765791. 

17. Kumar T. S., Shalini S., Ramu M., Thankachan Characterization of ZrC reinforced AA6061 alloy composites produced using stir casting process // Journal of Mechanical Science and Technology. 2020, vol. 34, no. 1, pp. 143—147. DOI: 10.1007/s12206-019-1214-0. 

18. Ujah C. O., Von Kallon D. V. Trends in aluminium matrix composite development // Crystals. 2022, vol. 12, no. 10, article 1357. DOI: 10.3390/cryst12101357. 

19. Purohit R., Qureshi M. M. U., Jain A. Forming behaviour of aluminium matrix nano Al2O3 composites for automotive applications // Advances in Materials and Processing Technologies. 2020, vol. 6. no. 2, pр. 272—283. DOI: 10.1080/2374068X.2020.1731665. 

20. Ayar М. S., George P. M., Patel R. R. Advanced research progresses in aluminium metal matrix composites: An overview // AIP Conference Proceedings. 2021, vol. 2317, article 020026. DOI: 10.1063/5.0036141. 

21. Lee K.-B., Nayak K. C., Shim C.-H., Lee H.-I., Kim S.-H., Choi H.-J, Ahn J.-Tensile properties of aluminum matrix composites produced via a nitrogen-induced self-forming process // Journal of Composites Science. 2023, vol. 7, no. 11, article 457. DOI: 10.3390/jcs7110457. 

22. Kar A., Sharma A., Kumar S. A critical review on recent advancements in aluminium-based metal matrix composites // Crystals. 2024, vol. 14, article 412. DOI: 10.3390/cryst14050412. 

23. Михеев Р. С., Чернышова Т. А. Алюмоматричные композиционные материалы с карбидным упрочнением для решения задач новой техники. — М.: Издательская группа URSS, 2013. — 360 с. 

24. Adiga K., Herbert M. A., Rao S. S., Shettigar A. Applications of reinforcement particles in the fabrication of aluminium metal matrix composites by friction stir processing — A Review // Manufacturing Review. 2022, vol. 9, no. 26, рр. 1—17. DOI: 10.1051/mfreview/2022025. 

25. Sankaranarayanan G., Balaji A. N., Velmanirajan K., Gangatharan K. Mechanical and wear behaviour of the Al-Mg-nano ZrC composite obtained by means of the powder metallurgy method // Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences. 2018, vol. 66, no. 5, pp. 729—735. DOI: 10.24425/125340. 

26. John C. F., Paul R. C., Singh S. С. E., Ramkumar T. Tribological behavior, mechanical properties and microstructure of Al-12Si-ZrC composite prepared by powder metallurgy // Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences. 2017, vol. 65, no. 2, pp. 149—154. DOI: 10.1515/ bpasts-2017-0018.