Материаловедение в горном машиностроении

РЕДАКЦИОННЫЙ 
СОВЕТ 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 

Зам. 
председателя 
Л.Х. 
ГИТИС 

президент 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

директор 
Издательства 
МГГУ 

Члены 
редсовета 

А.П. 
ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

А.В. 
КОРЧАК 
академик 
МАН 
ВШ 

M B. 
КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В Н. 
ОПАРИН 
чл.-корр. 
РАН, 
директор 
ИГД 
СО 
РАН 

В. И. 
ОСИПОВ 
академик 
РАН 

В.Л. 
ПЕТРОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

А.Д. 
РУБАН 
чл.-корр. 
РАН, 
зам. 
директора 
ИПКОН 
РАН 

Э.М. 
СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Н.Б. Шубина 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
В ГОРНОМ 
МАШИНОСТРОЕНИИ 

Издание 
2-е, 
исправленное 
и 
переработанное 

Допущено 
Министерством 
образования 
и науки Российской 
Федерации 
в качестве учебного 
пособия для 
студентов 
высших учебных заведений, 
обучающихся 
по направлению 
«Горное 
депо», 
машиностроительным 
специальностям 

Горное 
- образование 
М О С К В А 

А

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О 
М О С К О В С К О Г О 
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО 
_ з 
У Н И В Е Р С И Т Е Т А 

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «ГОРНАЯ 
КНИГА» 
2011 

УДК 620.22:622.002.5 
ББК 30.3:33с 
Ш 9 5 

Книга 
соответствует 
«Гигиеническим 
требованиям 
к 
изданиям 
книжным 
для взрослых» 
СанПиН 
1.2.1253—03, 
утвержденным 
Главным 
государственным 
санитарным 
врачом 
России 
30 
марта 
2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое 
заключение Федеральной 
службы 
по надзору 
в сфере 
защиты 
прав 
потребителей и благополучия 
человека № 
77.99.60.953.Д.014367.12.09 

Шубина Н.Б. 

Ш 95 
Материаловедение в горном машиностроении: 
Учеб. 
пособие. — изд. 2-е, испр. и перераб. — М.: Издательство 
Московского государственного горного университета, издательство «Горная книга», 2011. — 271 с. 

ISBN 978-5-7418-0653-1 (в пер.) 
ISBN 978-5-98672-104-0 

Рассмотрены связь свойств со строением материалов и пути получения требуемых свойств. Приведены данные справочного характера для 
большинства описанных материалов, а также режимы обработки конструкционных материалов. Основное внимание уделено свойствам конструкционных и инструментальных материалов, применяемых в горном машиностроении. 

Для на студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Горное дело», машиностроительным специальностям. 

УДК 620.22:622.002.5 
ББК 30.3:33с 

ISBN 978-5-7418-0653-1 
© Н.Б. Шубина, 2000,2011 

ISBN 978-5-98672-104-0 
© Издательство МГГУ, 2000,2011 

© Издательство «Горная книга», 2011 

© Дизайн книги. Издательство 

МГГУ, 2000, 2011 

ВВЕДЕНИЕ 

f 

Цель и задачи 
дисциплины. 
Любая машина, оборудование 
состоят из сборочных единиц (узлов); для сборки узлов нужны 
детали; детали получают из заготовок, а для получения заготовок нужны материалы. Все машиностроение начинается с выбора материалов и методов (способов) их обработки. Выдающийся английский физик Дж. Томсон сказал: «В техническом 
прогрессе участвуют три основных элемента: знание, энергия 
и материал». 

Правильный выбор материалов и методов их обработки — 
одно из важнейших условий создания 
конкурентоспособных 
машин высокого качества. 

Материаловедение 
— это наука, устанавливающая 
связь 
между структурой и свойствами материалов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях. 

Знания, полученные при изучении дисциплины «Материаловедение», широко используются при курсовом и дипломном 
проектировании, а также в практической деятельности инженера-машиностроителя. 

Цель изучения дисциплины — познание природы и свойств 
металлических и неметаллических материалов, применяемых в 
машиностроении, 
и методов достижения свойств, 
которыми 
должны обладать материалы в соответствии с требованиями условий эксплуатации деталей машин. 

Вопросы, связанные с применением материалов для конкретных деталей машин, нужно решать на всем жизненном цикле 
машины (при проектировании, изготовлении и эксплуатации). 

При ее проектировании: 
• 
какой выбрать материал для конкретных условий эксплуатации каждой детали, 

• 
какое качество (свойства) должен иметь этот материал 
при изготовлении, 

• 
как обеспечить требуемый комплекс свойств материалов; 

5 

при эксплуатации: 
• 
как поддержать полученные свойства на требуемом уровне, 

• 
как будет вести себя материал при изменяющихся условиях эксплуатации. 

Нет материала, идеального для всех условий эксплуатации, 
но один и тот же материал может иметь различные свойства. 

В зависимости от требований условий эксплуатации можно 
выбрать материал с соответствующими свойствами. 

Результатом изучения дисциплины должно стать 
умение 
правильно выбрать материал, назначить его обработку для получения требуемой структуры и свойств материала, обеспечивающих долговечность и надежность деталей машин в конкретных условиях эксплуатации. 

Требования, 
предъявляемые 
к материалам 
для 
деталей 
горных 
машин 
и оборудования. 
К материалам, применяемым 
для изготовления деталей горных машин, предъявляется целый 
ряд специфических требований. 

Стесненность рабочего пространства в подземных условиях 
требует изготавливать детали небольших габаритов. 

Вместе с тем высокие нагрузки, возникающие в узлах забойных машин, требуют изготовления деталей, способных выдерживать высокие статические, динамические и циклические нагрузки. 

Ведение горных работ сопровождается интенсивным выделением пыли (от 1 до 400 мг/м ). Пыль имеет высокую абразивность и способствует быстрому износу деталей. 

Абразивность среды в условиях как подземных, так и открытых разработок предъявляет особые требования к износостойкости деталей горных машин. 

Подземная среда угольных шахт характеризуется широким 
диапазоном 
агрессивного 
воздействия 
на материалы 
горношахтного оборудования. Это относится к температуре, составу 
шахтных вод и шахтной атмосферы. Температура изменяется 
от отрицательных значений на заполярных шахтах до 40—50 
°С в забоях глубоких шахт. Рудничный микроклимат характеризуется высокой влажностью, относительная влажность в сухих шахтах достигает 70 %, а в сырых — 100 %. Сочетание 
высоких температур и влажности способствует коррозии металла. На многих шахтах воды имеют очень высокую кислот
6 

ность (рН = 2,1—7,3). Такие воды обладают сильными коррозионными свойствами. На угольных шахтах страны ежегодно теряется из-за коррозии 15 % металла. 

Агрессивность среды предъявляет определенные требования к коррозионной стойкости деталей. 

Низкие (отрицательные) температуры, при которых работают горные машины и механизмы в условиях Крайнего Севера и 
Сибири, предъявляют требования к хладностойкости применяемых материалов. 

Материалы, 
применяемые 
в горном 
машиностроении, 
и 
их природные 
источники. 
Материалы, применяемые в горном 
машиностроении, разделяют на основные и вспомогательные. 

На предприятиях горного 
машиностроения 
к основным 
материалам относят конструкционные материалы, идущие на 
изготовление деталей горных машин, и электротехнические, необходимые для изготовления деталей, от которых зависит работа электрических схем оборудования и приборов: сплавы железа, сплавы меди, сплавы алюминия, пластмассы, керамика, масла, лаки, краски, резины, композиционные материалы. 

К вспомогательным относят материалы, 
обеспечивающие 
выполнение технологического процесса получения изделий: инструментальные материалы, охлаждающие жидкости, сварочные электроды, флюсы, защитные атмосферы, материалы приспособлений и оснастки, консервационные, упаковочные материалы. 

Природные источники материалов, применяемых в горном 
машиностроении, и назначение этих материалов приведены в 
табл. 1.1 и 1.2. 

В отличие от предприятий горного машиностроения, на горных предприятиях (шахтах, рудниках) принята иная классификация материалов ': 

• 
основные материалы — сырье и материалы, которые непосредственно расходуются на изготовление изделий и составляют их главное вещественное содержание (металлические изделия, запчасти); 

• 
вспомогательные материалы — 
металлические и железобетонные 
кре-пи, трубы для вентиляции, рельсы рудничные, смазочные масла; 

• 
вспомогательные материалы специального назначения (топливо, тара). 

1 Горное дело: Словарь. — М.: Недра, 1974. 

Таблица I . I 

Природные источники материалов, применяемых 

в горном машиностроении 

Природные источники материалов 
Конструкционные, инструментальные и вспомогательные материалы, получаемые из этих источников 

Руды черных металлов (железные руды): 
Железо 

магнитный железняк (магнетит) Fe3CX, 
Чугун 

красный железняк (гематит) Fe 203 
Сталь 

бурый железняк (лимонит) Fe2Oj З Н 2 0 

шпатовый железняк (сидерит) FeCOj 

Руды цветных металлов: 

пиролюзит, манганит 
Марганец 

хромит, магнохромит и др. 
Хром 

рутин, содержащий Ti0 2, и ильменит, 
Титан 

содержащий FeTi0 3 

пентландит NiFeS, гарниерит 
Никель 

молибденит MoS 2 и др. 
Молибден 

вольфрамит или шеелит 
Вольфрам 

сфалерит 
Цинк 

медный колчедан, содержащий хальМедь 

копирит CuS FeS, куприт Cu 20 

медный блеск, содержащий халькозин Cu 2S 

бокситы, каолины, нефелины и алуниты, 
Алюминий 

богатые глиноземом А1 20 3 

Уголь: 

кокс (продукт переработки коксующихЧугун 

ся углей) для доменных печей 

фафит 
Графитовая смазка, угольные электроды для сварки 

Газ природный 
Резина 

Сажа (для резины) 

Карбюризатор 

Известняк СаСОз (флюс) 
Чугун, сталь, медь 

Сварные соединения 

8 

Окончание табл. 1.1 

Природные источники материалов 
Конструкционные, 
инструментальные 
и 
вспомогательные 
материалы, получаемые из этих 
источников 

Алмазы 
Инструментальный 
материал (для шлифования деталей, получения тонкой проволоки и др.) 

Горные вулканические породы 
Каменное литье (для футеровки 
травильных 
баков, 
днищ 
флотационных 
машин и др.) 

Мел 
Стекла, обмазки электродов 
(для ручной дуговой сварки) 

Слюда 
Диэлектрик 

Асбест 
Пластмассы, 
теплоизоляционный материал 

Пески 
Формы 
литейного 
производства для литья «в землю»; флюсы; стекла; стекловолокно для пластмасс 

Кварциты, песчаники 
Огнеупорный кирпич (динас для футеровки печей); 
абразивы (для изготовления 
шлифовальных инструментов) 

Глина 
Футеровка печей (огнеупорная 
глина); 
формовочный 
материал для литья «в землю»; составная часть керамической связки шлифовальных кругов; составная часть 
электротехнического фарфора 

Дерево 
Модели отливок в литейном 
производстве; 
пластмассы 
(гетинакс, ДСП); смола; 

Нефть 
Смазочнсюхлаждающие жидкости при обработке металлов; закалочные масла при 
термической обработке; диэлектрические масла (конденсаторные, кабельные); смазки 
для механизмов; пластмассы 

9 

Таблица 1.2 

Материалы, применяемые в горном машиностроении 

Материал 
Область применения 
Материал 

Основные материалы 
Вспомогательные материалы 

Стали 
Несущие детали редукторов угольных 
и проходческих комбайнов, конвейеров, экскаваторов (зубчатые колеса, 
вал шестерни, валы); стационарных 
машин (вентиляторов, насосов); основания и перекрытия 
крепей; рамы 
экскаваторов; штоки гидравлических 
стоек крепей; детали приводов стругов; цепи, ролики и рештачные ставы 
конвейеров; детали механизма вращения бура, привода подачи, самоходной 
тележки буровых установок; детали 
ходовой 
части, 
редуктора 
подъема 
погрузочных машин и др. 

Металлорежущий 
инструмент и инструмент для 
обработки давлением, корпуса съемных буровых головок. Пики отбойных молотков, приспособления для 
обработки деталей. 

Чугуны 
Блоки, маховики, корпуса редукторов, футеровки рудо- и угольноразмольных 
мельниц, рабочие 
колеса 
Песковых и шламовых насосов, трубы гидротранспорта, рабочие колеса 
землесосов и др. 

Шары 
шаровых 
мельниц, сопла дробеметных 
аппаратов 

Латуни 
Пары трения в плунжерах гидроцилиндров, плунжерных парах насосов, 
втулки, вкладыши и др. 

Бронзы 
Клапаны, вентили, золотники, блоки и 
поршни гшфоцилиндров, пружины и др. 
— 

Силумины 

Корпусные детали гидроаппаратуры, 
корпуса насосов, отбойных молотков, 
перфораторов, корпуса и крыльчатки 
вентиляторов 
местного 
проветривания, корпуса пневмобуров и сверл 

Пластмассы 

Рабочие колеса шахтных центробежных насосов, корпусные детали аккумуляторов шахтных электровозов, Рабочие колеса насосных оросительных 
установок, углеспускные рештаки, водоотливные трубы, подшипники скольжения, скипы, зубчатые и червячные 
колеса в редукторах электросверл, лопасти вентиляторов, огнестойкие транспортерные ленты, корпуса рудничных 
ламп, роликоопоры ленточных конвейеров роторных экскаваторов и др. 

Трубы и вентиляционные 
системы, 
теплоизоляция 
металлических трубопроводов, гидроизоляция оборудования 
для 
изготовления деталей машин 

10