镁合金在军事装备中的应用

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镁合金在军事装备中的应用

康鸿跃１，２，陈善华１，马永平２，王忠海１

（１．成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都６１００５９；２．中国人民解放军６８２３１部队，甘肃临洮７３０５００）

摘

要：镁合金是最轻质的金属结构材料，是实现军事装备轻量化和提高军事装备各项性能的理想材料。概述了

军事装备轻量化的意义和几种常用镁合金的性能特点，列举了有可能应用镁合金材料作为零部件的各类军事装备及其典型实例，简要分析了我国镁合金军事应用所面临的挑战。

关键词：镁合金；军事装备；轻量化；应用

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（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ＆ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｉＣｈｕａｎ，Ｃｈｅｎｇｄｕ

６１００５９；２．６８２３１Ｐｅｏｐｌｅ＇ｓＬｉｂｅｒａｔｉｏｎＡｒｍｙｔｒｏｏｐｓ，ＧａｎＳｕ，ＬｉｎＴａｏ７３０５００）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓａｒｅｔｈｅｌｉｇｈｔｅｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍｅｔａｌｌｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｍｉｌｉｔａｒｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｓｏｆｍｉｌｉｔａｒｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＇ｓｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｏｍｅｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙｕｓｅｄｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓａｒｅｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｓｏｆｓｏｍｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｌｙａｖａｉｌａｂｌｅｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓｕｓｅｄｉｎｍｉｌｉｔａｒｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｒｅｇｉｖｅｎ．ＴｈｅｍａｊｏｒｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｆａｃｉｎｇｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓｏｎＣｈｉｎｅｓｅｍｉｌｉｔａｒｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｂｒｉｅｆｌｙ．ｍｉｌｉｔａｒｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓ；

１军事装备轻量化的意义和镁合金概述

孙子兵法曰：“兵贵胜，不贵久”。在战场上如何能做到速战速决呢？其中很关键的一个因素就是整个部队机动性能的好坏，军事装备的重量正是影响部队机动快慢的重要因素之一。军事装备的轻量化是一项重要的战术技术指标，是提高军事装备作战性能的主要方向，是提高作战部队，尤其是轻型部队和快速反应部队战略和战役战术机动性的主要途径。有关研究表明，适宜的战斗行军单兵负荷量是士兵自身体重的３０％，非战斗行军的单兵负荷量为自身体重的４５％［１］。如果单兵的负荷过重的代价是损害士兵的战斗力和生存能力，从而严重影响了行军的速度，也无疑会降低整个部队的持续作战能力，使己方作战能力过快地达到顶点。轻质材料的使用，可以使火炮的体积更小、

重量更轻、机动性能更好、弹丸速度更快、威力更

大。在航天航空方面，材料轻量化带来的经济效益和性能改善十分显著。如果每减少１ｋｇ的重量，商用飞机可以节省６００美元，战斗机则节省６０００美元，航天器更是可以节省６００００美元［２］。对于战斗机来说经济效益只是一方面，更重要的是其机动性能改善可以极大地提高其战斗力和生存能力。在坦克装甲车辆方面，轻型装甲车与重型装甲车相比，轻型车的运输性和战略机动性更好。发达国家非常重视军事装备轻量化的研究，其中采用轻金属材料是减轻军事装备重量的主要手段之一。

镁是银白色金属，密度仅为１．７４ｇ／ｃｍ３（２０℃），约为铝的２／３，铁的１／４。由于纯镁强度和硬度都是比较低，再加上其化学上的不稳定性，使它很难满足兵器材料的要求，因此军事装备上应用比较多

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的还是镁合金。镁合金是最轻质的金属结构材料，因其具有密度小、比强度高、比刚度高、阻尼性好、电磁屏蔽特性优越等特点，所以镁合金是减轻军事装备质量，实现军事装备轻量化，提高武器装备各项战术性能的理想结构材料，用现在比较时尚的话讲，镁合金是军事装备的瘦身良药。目前常用的镁合金有［３，４］：

Ｍｇ—Ｍｎ系列。在Ｍｇ中加入Ｍｎ对合金（１）

的机械性能影响不大，但降低塑性。在Ｍｇ合金中加入１％～２５％Ｍｎ的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而提高耐腐蚀性能和改善合金的焊接性能，尤其能提高在海水中的耐蚀性。该合金多制作板材、棒材、带材及冲压件、锻件，可作为飞机、宇航工业部门制造受力不大或中等负荷的零件。（２）Ｍｇ—Ａｌ—Ｚｎ系列。该系列是人类应用最早的一类镁合金，既能用于铸造，也可以用于变形加工。在铸造镁—铝—锌合金中，铝含量约为７～９％；在变形镁—铝—锌合金中，铝含量为３～５％。这类合金强度较高，所以成为最广泛的一类镁合金。主要用于飞机、航天飞行器和发动机等要求轻质的受力较大或形状复杂的零件。（３）Ｍｇ—Ｚｎ—Ｚｒ系列。这是近期才发展起来的一类镁合金。锌含量一般为６％左右，主要起固溶强化和热处理强化作用。锆的作用是细化合金晶粒，改善强度和塑性，同时提高耐热性。锆含量一般为０．５～０．９％之间。这类合金比上述两种合金强度都要高，所以主要用于制造飞机、宇航飞行器中受力大的结构部件。（４）还有一些Ｍｇ—Ｒｂ—Ｚｒ合金和Ｍｇ—Ｔｈ—Ｚｒ等耐热高强镁合金。其中Ｍｇ—Ｒｂ—Ｚｒ合金是我国研制成功的耐热高强铸造镁合金，它可以制造在２５０℃温度条件下长期工作的零件。

金及镁基复合材料替代军事装备的中、低强度要求的铝合金零件和其它部分金属零件，降低军事装备的重量；另一各方面，取代军事装备中的一些工程塑料零件，解决零件氧化、变形和变色等问题。工程塑料弹性模量小，比刚度远小于镁合金，而且存在难以回收和环境适应性差等问题［５］。２．１军事枪械类

技术上可采用镁合金材料的零部件：机匣、弹匣、枪托体、提把、扳机、瞄准装置等，见图１。

图

１步枪上可采用镁合金材料的零部件

典型应用实例有：（１）我国制造的３８ｍｍ转轮防暴发射器的转轮就是采用镁铝合金注射成型工艺制成［６］；（２）ＨｕｎｔｅｒＦｉｒｅａｒｍｓＩｎｃ．用镁合金制造了Ｍ３９Ｍ１手枪零件，大大地减轻了手枪的重量；（３）美国制造了一种Ｒａｃｅｇｕｎ手枪，其扳机等零件采用镁合金，质量减轻４５％，击发时间减少６６％；

２．２装甲车辆类

技术上可采用镁合金材料的零部件：轮毂、座椅骨架、机长镜、炮长镜、方向盘、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（见图

２）。

２各类军事装备应用镁合金材料的分析及

典型应用实例

从武器零件的性能要求分析，结合目前镁合金材料的性能和使用特点，采用镁合金材料制造相关零件，技术上是完全可行的。镁合金在军事装备中的应用主要有两大方面：一方面是采用镁合

图２镁合金材料的变速箱和方向盘［４］

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典型应用实例有：（１）美军装备的Ｍ２７４Ａ１型军用吉普车采用了镁合金车身及桥壳，大大减轻了质量，具有良好的机动性及越野性能，４个士兵可以抬起来［５］。（２）美军正在研制的先进水陆两栖突击车（ＡＡＡＶ）采用镁合金ＷＥ４３Ａ作为动力传送舱、变速箱的壳体，并采用了先进的镁合金表面防护技术，经试验证明，表面性能良好［５］。（３）美国的Ｍ１１３“战场出租车”是车体采用镁铝锰合金装甲板全焊接结构，能抵御炮弹碎片和轻武器的杀伤。它是一种水陆两用履带式装甲输送车，它们的任务是取代目前在伊拉克参战的“悍马”，因为“悍马”的防护能力太差了。

（４）美国Ｍ５５１谢里登轻型坦克／侦察车坦克的变速箱体由铝—镁合金材料制成［７］。（５）镁基储氢合金蓄电池具有能量密度高、耐过充、抗震、低温性能好、寿命长等优点，在未来主战坦克蓄电池发展过程中具有广阔的应用前景。２．３火炮及弹药类

技术上可采用镁合金材料的零部件：牵引装置、炮长镜、轮毂、供弹箱、引信体、风帽、药筒等［５］，见图３。

Ｍ８—０．５ｉｎ步枪，总重才３０８ｋｇ。（３）法国ＭＫ５０式反坦克枪榴弹采用了部分镁合金材料零件，其全弹质量仅８００ｇ。（４）国外已将镁合金用于次口径脱壳软壳，穿甲弹弹托。２．４航天航空类

技术上可采用镁合金材料的零部件：飞机框架、座椅、机匣、轮毂、齿轮箱、水平旋翼附件、飞机着落轮和齿轮箱盖等。

典型应用实例有：（１）美国海军卫星上已将镁合金复合材料用于支架、轴套、横梁等结构件，其综合性能优于铝基复合材料［８］。

（２）我国的歼击机、轰炸机、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件，某型号的飞机最多选用了３００～４００项镁合金构件，一个零件的重量最重近３００ｋｇ，一个构件的最大尺寸＞２ｍ［９］。（３）“德热来奈”飞船的起动火箭“大力神”曾使用了６００ｋｇ的变形镁合金；“季斯卡维列尔”卫星中使用了６７５ｋｇ的变形镁合金；直径约ｌｍ的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的［９］。（４）美国的Ｂ—３６轰炸机上共使用了５５５５ｋｇ镁板，７００ｋｇ镁合金锻造件及３００ｋｇ镁合金铸造件，一半是用作结构材料［１０］，见图４。

图３牵引式火炮上可采用镁合金材料的零部件

图４Ｂ—３６轰炸机（阴影部分为镁合金材料）

［２］

典型应用实例有：

（１）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。该坦克既无炮口制退器，也无抽气装置，但装有镁合金隔热护套，能防止炮管因外界温度变化引起的弯曲。

（２）英军的大口径１２０ｍｍ无后坐力反坦克炮就是采用了镁合金材料来减轻质量，加上所配的

（５）日本利用镁合金低质量密度的特征，开发了旨在提高具有镁合金机翼的超音速飞行器特性的结构最优化设计方法，并以镁合金成功地制作出了重量仅为１ｋｇ的超小型人造卫星［１１］。２．５其它类军事装备［５］

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）导弹：舱体、舵机本体、仪表舱体、

舵架、飞行翼片等；

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（２）光电产品：镜头壳体、红外成像壳体、夜视仪的壳体、底座等；军用计算机和通讯器材：箱体、壳体、各类（３）仪表盘、军用头盔等；

（４）军事船舶和大型工程装备的一些结构部件。

典型应用实例有：

海尔Ｃ３军用笔记本就用镁铝合金材料做（１）

外壳，比一般笔记本电脑的金属外壳抗震能力增强数倍，比塑料壳坚硬２０倍。（２）伊拉克的违禁武器“萨默德”Ⅱ型导弹的弹翼也采用镁合金材料［１０］。

（３）俄罗斯生产的ＰＯＳＰ６×１２枪用变焦距观测采用镁合金壳体，该种观测镜可装在多种枪械武器上。（４）美国目前积极研制的理想单兵综合作战系统（ＯＩＣＷ），为了使重量从８．１７ｋｇ降到６．３７ｋｇ，计划用镁合金做壳体等构件。

（５）美国的“林肯”号航母上的升降机用镁铝合金制造，该升降机具有在１分钟内升降１架重型飞机的能力。

（６）美军采用镁铝锌和镁铝硅等新型结构材料技术发展的渡河桥梁装备。

目，被誉为２１世纪的绿色金属。但镁合金在国防军事中的应用还有两个方面的课题需要解决：一方面需要提高镁合金材料的抗腐蚀性能，延长镁合金零部件在潮湿等恶劣环境下的使用寿命；另一方面，需要进一步提高镁合金的强度，发展新型加工手段，以满足军事武器对轻量化的镁合金的迫切需求。只有提高了镁合金的成型技术，克服镁合金在室温下难于变形、耐腐蚀性能差、高温下易蠕变以及镁合金材料价格高等缺点，努力提高镁合金综合性能和拓宽镁合金材料的应用范围，这样才能跻身于世界先进的行列。

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３我国镁合金军事应用面临的挑战

镁在地球上的储量极为丰富，约为地壳中重

量的２．５％，排名第八位。它的分布很广，以化合物的形式存在地壳、海洋、盐湖、湖泊中，约有２００多种，特别是海洋中的镁含量更是多的惊人，可以用“取之不尽，用之不竭”来形容，有关数据说人类以每秒１００万ｔ的速度从海洋里提炼镁，也足够提炼２０００年［３］！我国是世界镁储量最丰富的国家之一，约占全球总量的７０％，原镁产量也位于世界前列，这为我国发展镁合金材料的种类提供了良好的物质基础，但目前我国镁合金的应用与开发能力远远落后于欧美等发达国家，这对于我们材料科研工作者提出了极大挑战。

在当前日益严峻的能源与环境的压力下，镁合金材料大量被应用是不容质疑的，镁合金易于回收和有利于环保等特点使其愈来愈受世人瞩

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