1 鎂合金的特點
(1) 重量輕:鎂合金的比強度要高于鋁合金和鋼/ 鐵、但略低于比強度最高的纖維增強塑料;其比剛度與鋁合金和鋼/ 鐵相當,但卻遠遠高于纖維增強塑料。比強度(強度/ 密度之比值) 、比耐力(耐力/ 密度之比值) 則比鋁、鐵都要高。在實用金屬結構材料中其比重最小(密度為鋁的2/ 3 ,鋼的1/ 4) 。這一特性對于現代社會的手提類產品減輕重量、車輛減少能耗以及兵器裝備的輕量化具有非常重要的意義。
(2) 高的阻尼和吸震、減震性能:鎂合金具有極好的吸收能量的能力,可吸收震動和噪音,保證設備能安靜工作。鎂合金的阻尼性比鋁合金大數十倍,減震效果很顯著, 采用鎂合金取代鋁合金制作計算機硬盤的底座,可以大幅度減輕重量(約降低70 %) ,大大增加硬盤的穩定性,非常有利于計算機的硬盤向高速、大容量的方向發展。
(3) 良好的抗沖擊和抗壓縮能力:其抗沖擊能力是塑料的20 倍;當鎂合金鑄件受到沖擊時,在其表面產生的疤痕比鐵和鋁都要小的多。
(4) 良好的鑄造性能:在保持良好的部件結構條件下,鎂合金鑄造制品的壁厚可以小于0. 6 mm ,這是塑膠制品在相同強度條件下無法達到的,就是鋁合金制品也只能在1. 2～1. 5 mm 范圍內才可與鎂制品相媲美。
(5) 尺寸穩定性:在100 ℃以下,鎂合金可以長時間保持其尺寸的穩定性;不需要退火和消除應力就具有尺寸穩定性是鎂合金的一個很突出的特性,其體積收縮僅為6 % ,是鑄造金屬中收縮量最低的一種;在負載情況下,還具有良好的蠕變強度,這種性能對制作發動機零件和小型發動機壓鑄件具有重要意義。
(6) 鑄模生產率高:與鋁合金相比,鎂合金的單位熱含量更低,這意味著它可在模具內能更快速地凝固。一般地,鎂合金的生產率比鋁壓鑄高出40 %～50 % ,最高可達壓鑄鋁的2 倍。
(7) 良好的機械加工性能:鎂合金的切削阻力小,約為鋼鐵的1/ 10 ,鋁合金的1/ 3 ,其切削速度大大高于其他金屬;易進行切削加工而且加工成本低,加工能量僅為鋁合金的70 %。不需要機械磨削和拋光,不使用切削液也能得到優良的表面光潔度,在一次切削后即可獲得,并極少出現積屑瘤。
(8) 良好的耐蝕性:在大氣中,鎂具有很好的耐蝕性,比鐵的耐蝕性好。如高純鎂合金AZ91D 的耐蝕性比低碳鋼要好得多,已超過壓鑄鋁合金A380 。
(9) 高散熱性:鎂合金具有高的散熱性,很適合現今利用其設計制作元件密集的電子產品。因為鎂合金的導熱能力是ABS 樹脂的350～400 倍,因此在制作電子產品外殼或零部件時,應綜合考慮其結構及熱傳導特性,使其充分發揮散熱功能,將CPU 等電子零部件產生的熱量及時排出。若僅從筆記本電腦等產品的散熱性角度出發進行考慮,由于鎂合金傳熱快、自身又不容易發燙,則采用鎂合金作筆記本電腦的外殼就無疑是個最佳選擇。
(10) 良好的電磁擾屏障:鎂合金具有優于鋁合金的磁屏蔽性能、更良好的阻隔電磁波功能,更適合于制作發出電磁干擾的電子產品。也可以用作計算機、手機等產品的外殼,以降低電磁波對人體輻射危害。
(11) 低熱容量:鎂合金的熱容量比鋁合金小,因此不容易粘燒在模具上,延長模具壽命。
(12) 再生性:廢舊鎂合金鑄件具有可回收再熔化利用的特性,并可作為AZ91D , AM50 , AM60 的二次材料進行再鑄造。由于對壓鑄件需求的不斷增長,可回收再利用的能力就顯得非常重要。這種符合環保要求的特性,使得鎂合金比許多塑膠材料更具有吸引力。
另外,鎂合金還具有抗疲勞性、無毒性、無磁性和較低的裂紋傾向性、不易破裂性等特點,可適合于某些特定領域。
2 鎂合金在兵器裝備中應用的有關情況
鎂合金在航空、航天較早得到應用, 在兵器上也得到一定應用,最早應用于軍事工業領域是在1916 年,被用于制造77mm 炮彈引線。國外一些發達國家由于資源原因,對鎂合金在兵器上的應用還持謹慎態度。鎂合金在兵器上應用的有關實例如下所述。
2. 1 在火炮及彈藥中的應用
法國AMX - 30 坦克為法國裝甲部隊的主要裝備之一,是二次世界大戰后法國生產數量最多的坦克,AMX - 30 坦克的CN105F1 型105mm 線膛炮的身管熱護套采用了鎂合。
英軍的大口徑120mmBATL6Wombat 無后座力反坦克炮采用了鎂合金,大大減輕了重量,加上所配的M8 0. 5in 步槍,總重才308kg。
2. 2 在輕武器中的應用
美國制造的一種Racegun (強裝藥,運用了先進技術的戰斗用手槍) , 其扳機等零件采用鎂、鈦合金, 重量減輕45 % ,擊發時間減少66 %。
美國研制中的新式單兵作戰系統(OICW) ,功能齊全,很多零件采用了輕合金,重量僅8. 172kg ,但軍方仍希望進一步減重1. 8kg 以上。
俄羅斯生產的POSP6 ×12 槍用變焦距觀測鏡殼體采用鎂合金;
法國WK50 式反坦克槍榴彈應用了鎂合金,全彈質量僅800g。
2. 3 在戰車中的應用
美軍裝備的M274A1 型軍用吉普車采用了鎂合金車身及橋殼,大大減輕了重量,具有良好的機動性及越野性能,4個士兵可以抬起來。有的改型還裝上無后座力炮,成了最袖珍的自行火炮。
美國水陸兩棲突擊車AAAV 采用WE43A 鎂合金制造動力傳送艙。
3 鎂合金在兵器裝備中的應用前景分析
質量是影響兵器裝備實現戰場快速反應能力的主要因素之一,所以,現代高技術戰爭對兵器裝備的質量指標提出了極為苛刻的要求。發達國家無一不投入巨資, 研究輕質結構材料以及與之配套的先進制造技術,以期減輕兵器裝備質量,提高兵器裝備的機動性,增加攜彈量和野戰輔助系統用量,提高兵器及士兵戰場生存和作戰能力。鎂合金由于上訴一系列優點,成為了兵器輕量化的理想材料。
從兵器零件的使用特點和性能要求分析,槍械武器、裝甲車輛、導彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計算機及軍用器材中有較大數量的鋁合金零件和工程塑料件,根據目前鎂合金材料的性能和使用特點,改用鎂合金材料制造相關零件,在技術上是可行的,并且有如下的發展趨勢。
(1) 采用鎂合金及鎂基復合材料替代武器裝備的中、低強度要求的鋁合金零件和部分黑色金屬零件,實現武器裝備輕量化,主要產品有:
①槍械武器: 機匣、彈匣、槍托體、下機匣、提把、前護手、彈托板、瞄具座等。
②裝甲車輛:坦克坐椅骨架、機長鏡、炮長鏡、變速箱箱體、發動機濾座、進出水管、空氣分配器座、機油泵殼體、水泵殼體、機油熱交換器、機油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等。
③導彈:導彈艙體、舵體本體、儀表艙體、舵架、飛行翼片等。
④火炮及彈藥:供彈箱、牽引器、腳踏板、炮長鏡、輪轂、引信體、風帽、火藥筒等。
⑤光電產品:鏡頭殼體、紅外成像儀殼體、底座等。
⑥計算機及通信器材:軍用計算機、通訊器材箱體、殼體、板類等零件。
(2) 替代工程塑料,解決零件老化、變形和變色的問題。
目前,輕武器、光電及通訊器材產品、戰車儀表盤等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纖維增強塑料的比強度最高,但彈性模量小,比剛度遠小于鎂合金,且難以回收,環境適應性差,易磨損和老化變形、變色,既影響兵器戰術性能,又影響兵器外觀。該類零件采用鎂合金及鎂基復合材料可以從根本上克服工程塑料的這些缺陷。主要產品有:
①槍械武器:塑料彈匣、護蓋體、附件筒、前護手等。
②光電產品:鏡頭塑料殼體、瞄具塑料殼體、夜視儀塑料殼體等。
③軍用器材:各種儀表盤、通訊器材箱體、殼體零件、軍用頭盔等。
(3) 導彈及其他飛行器零部件的鎂合金化。過去鎂合金在導彈上的應用較少,只在照明彈中使用鎂粉。近年來鎂合金用于戰術防空導彈的支座艙段與副翼蒙皮、壁板、加強框、舵面、隔框等零件,材料為MB2 、MB3 、MB8 變形鎂合金。衛星上采用ZM5 鎂合金制作井字梁與相機架,以及各種儀器支架和殼體等。為滿足導彈、火箭減重及高精度零件(如導彈控制系統) 對材料高尺寸穩定性的需求,發展高強度、高剛度、低膨脹系數鎂基復合材料是重要途徑之一。
隨著鎂合金研究的深入及材料性能的提高,鎂合金在兵器裝備中的應用會越來越多。
4 結語
鎂合金材料作為21 世紀新型綠色環保結構材料,將在實現產品輕量化技術領域起到越來越重要的作用,西方工業發達國家已將鎂合金材料作為重要的戰略物資進行研究開發,對其相關材料和制造技術的研究實行嚴格保密。而我國是鎂資源最豐富的國家,可利用的鎂資源占世界儲量的70 % ,是世界上原鎂生產和出口量最大的國家。但是,我國鎂產品和鎂合金加工技術水平較低。開展兵器用鎂合金材料及鎂合金零件的研發,爭取形成具有自主知識產權的鎂合金在兵器上應用的集成技術,即可加快和推動國防工業科技技術進步,使我國武器研制和生產達到國外同等先進技術水平,同時,也為鎂合金在民品上的應用提供先進制造技術,拓寬鎂合金的應用領域,實現軍民品雙向互動,帶動鎂合金產業發展,將我國的鎂資源優勢轉化為鎂技術優勢和產業優勢都具有重大戰略意義。
