镁合金及其在兵器装备中的应用探析
- 发布人：管理员
- 发布时间：2009-12-21
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综述镁合金的特点及其在欧美等西方国家兵器研制过程中的应用情况,并结合兵器零件的使用特点和性能要求,分析了镁合金在兵器装备中的应用前景。
1 镁合金的特点
(1) 重量轻:镁合金的比强度要高于铝合金和钢/ 铁、但略低于比强度最高的纤维增强塑料;其比刚度与铝合金和钢/ 铁相当,但却远远高于纤维增强塑料。比强度(强度/ 密度之比值) 、比耐力(耐力/ 密度之比值) 则比铝、铁都要高。在实用金属结构材料中其比重最小(密度为铝的2/ 3 ,钢的1/ 4) 。这一特性对于现代社会的手提类产品减轻重量、车辆减少能耗以及兵器装备的轻量化具有非常重要的意义。
(2) 高的阻尼和吸震、减震性能:镁合金具有极好的吸收能量的能力,可吸收震动和噪音,保证设备能安静工作。镁合金的阻尼性比铝合金大数十倍,减震效果很显著, 采用镁合金取代铝合金制作计算机硬盘的底座,可以大幅度减轻重量(约降低70 %) ,大大增加硬盘的稳定性,非常有利于计算机的硬盘向高速、大容量的方向发展。
(3) 良好的抗冲击和抗压缩能力:其抗冲击能力是塑料的20 倍;当镁合金铸件受到冲击时,在其表面产生的疤痕比铁和铝都要小的多。
(4) 良好的铸造性能:在保持良好的部件结构条件下,镁合金铸造制品的壁厚可以小于0. 6 mm ,这是塑胶制品在相同强度条件下无法达到的,就是铝合金制品也只能在1. 2～1. 5 mm 范围内才可与镁制品相媲美。
(5) 尺寸稳定性:在100 ℃以下,镁合金可以长时间保持其尺寸的稳定性;不需要退火和消除应力就具有尺寸稳定性是镁合金的一个很突出的特性,其体积收缩仅为6 % ,是铸造金属中收缩量最低的一种;在负载情况下,还具有良好的蠕变强度,这种性能对制作发动机零件和小型发动机压铸件具有重要意义。
(6) 铸模生产率高:与铝合金相比,镁合金的单位热含量更低,这意味着它可在模具内能更快速地凝固。一般地,镁合金的生产率比铝压铸高出40 %～50 % ,最高可达压铸铝的2 倍。
(7) 良好的机械加工性能:镁合金的切削阻力小,约为钢铁的1/ 10 ,铝合金的1/ 3 ,其切削速度大大高于其他金属;易进行切削加工而且加工成本低,加工能量仅为铝合金的70 %。不需要机械磨削和抛光,不使用切削液也能得到优良的表面光洁度,在一次切削后即可获得,并极少出现积屑瘤。
(8) 良好的耐蚀性:在大气中,镁具有很好的耐蚀性,比铁的耐蚀性好。如高纯镁合金AZ91D 的耐蚀性比低碳钢要好得多,已超过压铸铝合金A380 。
(9) 高散热性:镁合金具有高的散热性,很适合现今利用其设计制作元件密集的电子产品。因为镁合金的导热能力是ABS 树脂的350～400 倍,因此在制作电子产品外壳或零部件时,应综合考虑其结构及热传导特性,使其充分发挥散热功能,将CPU 等电子零部件产生的热量及时排出。若仅从笔记本电脑等产品的散热性角度出发进行考虑,由于镁合金传热快、自身又不容易发烫,则采用镁合金作笔记本电脑的外壳就无疑是个最佳选择。
(10) 良好的电磁扰屏障:镁合金具有优于铝合金的磁屏蔽性能、更良好的阻隔电磁波功能,更适合于制作发出电磁干扰的电子产品。也可以用作计算机、手机等产品的外壳,以降低电磁波对人体辐射危害。
(11) 低热容量:镁合金的热容量比铝合金小,因此不容易粘烧在模具上,延长模具寿命。
(12) 再生性:废旧镁合金铸件具有可回收再熔化利用的特性,并可作为AZ91D , AM50 , AM60 的二次材料进行再铸造。由于对压铸件需求的不断增长,可回收再利用的能力就显得非常重要。这种符合环保要求的特性,使得镁合金比许多塑胶材料更具有吸引力。
另外,镁合金还具有抗疲劳性、无毒性、无磁性和较低的裂纹倾向性、不易破裂性等特点,可适合于某些特定领域。
2 镁合金在兵器装备中应用的有关情况
镁合金在航空、航天较早得到应用, 在兵器上也得到一定应用,最早应用于军事工业领域是在1916 年,被用于制造77mm 炮弹引线。国外一些发达国家由于资源原因,对镁合金在兵器上的应用还持谨慎态度。镁合金在兵器上应用的有关实例如下所述。
2. 1 在火炮及弹药中的应用
法国AMX - 30 坦克为法国装甲部队的主要装备之一,是二次世界大战后法国生产数量最多的坦克,AMX - 30 坦克的CN105F1 型105mm 线膛炮的身管热护套采用了镁合。
英军的大口径120mmBATL6Wombat 无后座力反坦克炮采用了镁合金,大大减轻了重量,加上所配的M8 0. 5in 步枪,总重才308kg。
2. 2 在轻武器中的应用
美国制造的一种Racegun (强装药,运用了先进技术的战斗用手枪) , 其扳机等零件采用镁、钛合金, 重量减轻45 % ,击发时间减少66 %。
美国研制中的新式单兵作战系统(OICW) ,功能齐全,很多零件采用了轻合金,重量仅8. 172kg ,但军方仍希望进一步减重1. 8kg 以上。
俄罗斯生产的POSP6 ×12 枪用变焦距观测镜壳体采用镁合金;
法国WK50 式反坦克枪榴弹应用了镁合金,全弹质量仅800g。
2. 3 在战车中的应用
美军装备的M274A1 型军用吉普车采用了镁合金车身及桥壳,大大减轻了重量,具有良好的机动性及越野性能,4个士兵可以抬起来。有的改型还装上无后座力炮,成了最袖珍的自行火炮。
美国水陆两栖突击车AAAV 采用WE43A 镁合金制造动力传送舱。
3 镁合金在兵器装备中的应用前景分析
质量是影响兵器装备实现战场快速反应能力的主要因素之一,所以,现代高技术战争对兵器装备的质量指标提出了极为苛刻的要求。发达国家无一不投入巨资,研究轻质结构材料以及与之配套的先进制造技术,以期减轻兵器装备质量,提高兵器装备的机动性,增加携弹量和野战辅助系统用量,提高兵器及士兵战场生存和作战能力。镁合金由于上诉一系列优点,成为了兵器轻量化的理想材料。
从兵器零件的使用特点和性能要求分析,枪械武器、装甲车辆、导弹、火炮、弹药、光电仪器、武器用计算机及军用器材中有较大数量的铝合金零件和工程塑料件,根据目前镁合金材料的性能和使用特点,改用镁合金材料制造相关零件,在技术上是可行的,并且有如下的发展趋势。
(1) 采用镁合金及镁基复合材料替代武器装备的中、低强度要求的铝合金零件和部分黑色金属零件,实现武器装备轻量化,主要产品有:
①枪械武器: 机匣、弹匣、枪托体、下机匣、提把、前护手、弹托板、瞄具座等。
②装甲车辆:坦克坐椅骨架、机长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机滤座、进出水管、空气分配器座、机油泵壳体、水泵壳体、机油热交换器、机油滤清器壳体、气门室罩、呼吸器等。
③导弹:导弹舱体、舵体本体、仪表舱体、舵架、飞行翼片等。
④火炮及弹药:供弹箱、牵引器、脚踏板、炮长镜、轮毂、引信体、风帽、火药筒等。
⑤光电产品:镜头壳体、红外成像仪壳体、底座等。
⑥计算机及通信器材:军用计算机、通讯器材箱体、壳体、板类等零件。
(2) 替代工程塑料,解决零件老化、变形和变色的问题。
目前,轻武器、光电及通讯器材产品、战车仪表盘等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强度最高,但弹性模量小,比刚度远小于镁合金,且难以回收,环境适应性差,易磨损和老化变形、变色,既影响兵器战术性能,又影响兵器外观。该类零件采用镁合金及镁基复合材料可以从根本上克服工程塑料的这些缺陷。主要产品有:
①枪械武器:塑料弹匣、护盖体、附件筒、前护手等。
②光电产品:镜头塑料壳体、瞄具塑料壳体、夜视仪塑料壳体等。
③军用器材:各种仪表盘、通讯器材箱体、壳体零件、军用头盔等。
(3) 导弹及其他飞行器零部件的镁合金化。过去镁合金在导弹上的应用较少,只在照明弹中使用镁粉。近年来镁合金用于战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、壁板、加强框、舵面、隔框等零件,材料为MB2 、MB3 、MB8 变形镁合金。卫星上采用ZM5 镁合金制作井字梁与相机架,以及各种仪器支架和壳体等。为满足导弹、火箭减重及高精度零件(如导弹控制系统) 对材料高尺寸稳定性的需求,发展高强度、高刚度、低膨胀系数镁基复合材料是重要途径之一。
随着镁合金研究的深入及材料性能的提高,镁合金在兵器装备中的应用会越来越多。
4 结语
镁合金材料作为21 世纪新型绿色环保结构材料,将在实现产品轻量化技术领域起到越来越重要的作用,西方工业发达国家已将镁合金材料作为重要的战略物资进行研究开发,对其相关材料和制造技术的研究实行严格保密。而我国是镁资源最丰富的国家,可利用的镁资源占世界储量的70 % ,是世界上原镁生产和出口量最大的国家。但是,我国镁产品和镁合金加工技术水平较低。开展兵器用镁合金材料及镁合金零件的研发,争取形成具有自主知识产权的镁合金在兵器上应用的集成技术,即可加快和推动国防工业科技技术进步,使我国武器研制和生产达到国外同等先进技术水平,同时,也为镁合金在民品上的应用提供先进制造技术,拓宽镁合金的应用领域,实现军民品双向互动,带动镁合金产业发展,将我国的镁资源优势转化为镁技术优势和产业优势都具有重大战略意义。
1 镁合金的特点
(1) 重量轻:镁合金的比强度要高于铝合金和钢/ 铁、但略低于比强度最高的纤维增强塑料;其比刚度与铝合金和钢/ 铁相当,但却远远高于纤维增强塑料。比强度(强度/ 密度之比值) 、比耐力(耐力/ 密度之比值) 则比铝、铁都要高。在实用金属结构材料中其比重最小(密度为铝的2/ 3 ,钢的1/ 4) 。这一特性对于现代社会的手提类产品减轻重量、车辆减少能耗以及兵器装备的轻量化具有非常重要的意义。
(2) 高的阻尼和吸震、减震性能:镁合金具有极好的吸收能量的能力,可吸收震动和噪音,保证设备能安静工作。镁合金的阻尼性比铝合金大数十倍,减震效果很显著, 采用镁合金取代铝合金制作计算机硬盘的底座,可以大幅度减轻重量(约降低70 %) ,大大增加硬盘的稳定性,非常有利于计算机的硬盘向高速、大容量的方向发展。
(3) 良好的抗冲击和抗压缩能力:其抗冲击能力是塑料的20 倍;当镁合金铸件受到冲击时,在其表面产生的疤痕比铁和铝都要小的多。
(4) 良好的铸造性能:在保持良好的部件结构条件下,镁合金铸造制品的壁厚可以小于0. 6 mm ,这是塑胶制品在相同强度条件下无法达到的,就是铝合金制品也只能在1. 2～1. 5 mm 范围内才可与镁制品相媲美。
(5) 尺寸稳定性:在100 ℃以下,镁合金可以长时间保持其尺寸的稳定性;不需要退火和消除应力就具有尺寸稳定性是镁合金的一个很突出的特性,其体积收缩仅为6 % ,是铸造金属中收缩量最低的一种;在负载情况下,还具有良好的蠕变强度,这种性能对制作发动机零件和小型发动机压铸件具有重要意义。
(6) 铸模生产率高:与铝合金相比,镁合金的单位热含量更低,这意味着它可在模具内能更快速地凝固。一般地,镁合金的生产率比铝压铸高出40 %～50 % ,最高可达压铸铝的2 倍。
(7) 良好的机械加工性能:镁合金的切削阻力小,约为钢铁的1/ 10 ,铝合金的1/ 3 ,其切削速度大大高于其他金属;易进行切削加工而且加工成本低,加工能量仅为铝合金的70 %。不需要机械磨削和抛光,不使用切削液也能得到优良的表面光洁度,在一次切削后即可获得,并极少出现积屑瘤。
(8) 良好的耐蚀性:在大气中,镁具有很好的耐蚀性,比铁的耐蚀性好。如高纯镁合金AZ91D 的耐蚀性比低碳钢要好得多,已超过压铸铝合金A380 。
(9) 高散热性:镁合金具有高的散热性,很适合现今利用其设计制作元件密集的电子产品。因为镁合金的导热能力是ABS 树脂的350～400 倍,因此在制作电子产品外壳或零部件时,应综合考虑其结构及热传导特性,使其充分发挥散热功能,将CPU 等电子零部件产生的热量及时排出。若仅从笔记本电脑等产品的散热性角度出发进行考虑,由于镁合金传热快、自身又不容易发烫,则采用镁合金作笔记本电脑的外壳就无疑是个最佳选择。
(10) 良好的电磁扰屏障:镁合金具有优于铝合金的磁屏蔽性能、更良好的阻隔电磁波功能,更适合于制作发出电磁干扰的电子产品。也可以用作计算机、手机等产品的外壳,以降低电磁波对人体辐射危害。
(11) 低热容量:镁合金的热容量比铝合金小,因此不容易粘烧在模具上,延长模具寿命。
(12) 再生性:废旧镁合金铸件具有可回收再熔化利用的特性,并可作为AZ91D , AM50 , AM60 的二次材料进行再铸造。由于对压铸件需求的不断增长,可回收再利用的能力就显得非常重要。这种符合环保要求的特性,使得镁合金比许多塑胶材料更具有吸引力。
另外,镁合金还具有抗疲劳性、无毒性、无磁性和较低的裂纹倾向性、不易破裂性等特点,可适合于某些特定领域。
2 镁合金在兵器装备中应用的有关情况
镁合金在航空、航天较早得到应用, 在兵器上也得到一定应用,最早应用于军事工业领域是在1916 年,被用于制造77mm 炮弹引线。国外一些发达国家由于资源原因,对镁合金在兵器上的应用还持谨慎态度。镁合金在兵器上应用的有关实例如下所述。
2. 1 在火炮及弹药中的应用
法国AMX - 30 坦克为法国装甲部队的主要装备之一,是二次世界大战后法国生产数量最多的坦克,AMX - 30 坦克的CN105F1 型105mm 线膛炮的身管热护套采用了镁合。
英军的大口径120mmBATL6Wombat 无后座力反坦克炮采用了镁合金,大大减轻了重量,加上所配的M8 0. 5in 步枪,总重才308kg。
2. 2 在轻武器中的应用
美国制造的一种Racegun (强装药,运用了先进技术的战斗用手枪) , 其扳机等零件采用镁、钛合金, 重量减轻45 % ,击发时间减少66 %。
美国研制中的新式单兵作战系统(OICW) ,功能齐全,很多零件采用了轻合金,重量仅8. 172kg ,但军方仍希望进一步减重1. 8kg 以上。
俄罗斯生产的POSP6 ×12 枪用变焦距观测镜壳体采用镁合金;
法国WK50 式反坦克枪榴弹应用了镁合金,全弹质量仅800g。
2. 3 在战车中的应用
美军装备的M274A1 型军用吉普车采用了镁合金车身及桥壳,大大减轻了重量,具有良好的机动性及越野性能,4个士兵可以抬起来。有的改型还装上无后座力炮,成了最袖珍的自行火炮。
美国水陆两栖突击车AAAV 采用WE43A 镁合金制造动力传送舱。
3 镁合金在兵器装备中的应用前景分析
质量是影响兵器装备实现战场快速反应能力的主要因素之一,所以,现代高技术战争对兵器装备的质量指标提出了极为苛刻的要求。发达国家无一不投入巨资,研究轻质结构材料以及与之配套的先进制造技术,以期减轻兵器装备质量,提高兵器装备的机动性,增加携弹量和野战辅助系统用量,提高兵器及士兵战场生存和作战能力。镁合金由于上诉一系列优点,成为了兵器轻量化的理想材料。
从兵器零件的使用特点和性能要求分析,枪械武器、装甲车辆、导弹、火炮、弹药、光电仪器、武器用计算机及军用器材中有较大数量的铝合金零件和工程塑料件,根据目前镁合金材料的性能和使用特点,改用镁合金材料制造相关零件,在技术上是可行的,并且有如下的发展趋势。
(1) 采用镁合金及镁基复合材料替代武器装备的中、低强度要求的铝合金零件和部分黑色金属零件,实现武器装备轻量化,主要产品有:
①枪械武器: 机匣、弹匣、枪托体、下机匣、提把、前护手、弹托板、瞄具座等。
②装甲车辆:坦克坐椅骨架、机长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机滤座、进出水管、空气分配器座、机油泵壳体、水泵壳体、机油热交换器、机油滤清器壳体、气门室罩、呼吸器等。
③导弹:导弹舱体、舵体本体、仪表舱体、舵架、飞行翼片等。
④火炮及弹药:供弹箱、牵引器、脚踏板、炮长镜、轮毂、引信体、风帽、火药筒等。
⑤光电产品:镜头壳体、红外成像仪壳体、底座等。
⑥计算机及通信器材:军用计算机、通讯器材箱体、壳体、板类等零件。
(2) 替代工程塑料,解决零件老化、变形和变色的问题。
目前,轻武器、光电及通讯器材产品、战车仪表盘等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强度最高,但弹性模量小,比刚度远小于镁合金,且难以回收,环境适应性差,易磨损和老化变形、变色,既影响兵器战术性能,又影响兵器外观。该类零件采用镁合金及镁基复合材料可以从根本上克服工程塑料的这些缺陷。主要产品有:
①枪械武器:塑料弹匣、护盖体、附件筒、前护手等。
②光电产品:镜头塑料壳体、瞄具塑料壳体、夜视仪塑料壳体等。
③军用器材:各种仪表盘、通讯器材箱体、壳体零件、军用头盔等。
(3) 导弹及其他飞行器零部件的镁合金化。过去镁合金在导弹上的应用较少,只在照明弹中使用镁粉。近年来镁合金用于战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、壁板、加强框、舵面、隔框等零件,材料为MB2 、MB3 、MB8 变形镁合金。卫星上采用ZM5 镁合金制作井字梁与相机架,以及各种仪器支架和壳体等。为满足导弹、火箭减重及高精度零件(如导弹控制系统) 对材料高尺寸稳定性的需求,发展高强度、高刚度、低膨胀系数镁基复合材料是重要途径之一。
随着镁合金研究的深入及材料性能的提高,镁合金在兵器装备中的应用会越来越多。
4 结语
镁合金材料作为21 世纪新型绿色环保结构材料,将在实现产品轻量化技术领域起到越来越重要的作用,西方工业发达国家已将镁合金材料作为重要的战略物资进行研究开发,对其相关材料和制造技术的研究实行严格保密。而我国是镁资源最丰富的国家,可利用的镁资源占世界储量的70 % ,是世界上原镁生产和出口量最大的国家。但是,我国镁产品和镁合金加工技术水平较低。开展兵器用镁合金材料及镁合金零件的研发,争取形成具有自主知识产权的镁合金在兵器上应用的集成技术,即可加快和推动国防工业科技技术进步,使我国武器研制和生产达到国外同等先进技术水平,同时,也为镁合金在民品上的应用提供先进制造技术,拓宽镁合金的应用领域,实现军民品双向互动,带动镁合金产业发展,将我国的镁资源优势转化为镁技术优势和产业优势都具有重大战略意义。
