李洪广，闫 军，杜仕国，崔海萍

(军械工程学院，河北 石家庄 050003)

身管是火炮的关键部件，其烧蚀磨损成为阻碍身管武器提高威力、延长使用寿命的重要因素。针对身管的烧蚀问题，国内外相关专家学者提出了各种解决方案，包括身管内膛涂层技术、改善内膛和弹带结构、采用低爆温发射药、身管冷却系统、复合身管制造技术、缓蚀添加剂、自修复技术等多种对策[1-3]。其中最简单有效的降烧蚀措施是在装药系统中加入缓蚀剂。试验研究证明，即使火炮身管采用了内膛镀铬技术之后，也必须同缓蚀剂技术配合使用，才能更有效地提高身管的使用寿命[4]。因此，研制开发高性能的缓蚀添加剂成为当前国内外研究热点之一。

1 一般规律及影响因素

1.1 身管烧蚀磨损的一般规律

内膛表面的烧蚀磨损过程可分为网裂和龟裂两个阶段。网裂为烧蚀的第1阶段，烧蚀初期，阳线上出现径向细纹，以后逐渐形成闭合清晰的网状裂纹。龟裂为烧蚀的后一阶段，这一阶段开始，膛线起始部出现气流小溪，阳线尚存，阴线、阳线的大烧蚀网纵横交错，裂纹粗大，有裂缝出现。之后，闭合裂纹加深，膛线起始部磨平，形成明显的裂纹，称为贝壳状的龟裂，严重时有烧蚀坑及冲刷沟。微裂纹和烧蚀龟裂是身管内膛破坏的主要特点和典型形貌[5-6]，微裂纹的产生和扩展使得炮管工作条件更为苛刻，会加速烧蚀。如果在微裂纹产生的初期对其进行修复，必将会大幅提升身管的寿命。

1.2 身管烧蚀磨损的影响因素

烧蚀磨损是一个瞬间、动态的过程，各项数据不易测得，身管烧蚀领域的研究还不能准确反应身管实际烧蚀情况。但对于影响身管烧蚀磨损的主要因素，目前较一致的看法是热因素、化学因素和机械因素等3方面，一般认为在这3个因素中热因素在其中起主导和控制作用。

近年来，烧蚀机理的研究主要侧重于化学作用过程，认为火药气体的主要成份是CO2、CO、H2O、H2及N2，也存在少量的NH3、CH3、NO及H2S。Kimura[7]将火药气体的热和化学作用分离，单从化学腐蚀角度将每种气体的相对腐蚀率排序如下：CO2>CO>H2O>H2>0>N2。Hirvonen[8]使用高氮发射药时在炮钢表面发现了高氮浓度区(8%)，研究表明发射过程中的渗氮与炮管制造过程中的渗氮类似可提高炮膛表面的硬度，降低烧蚀。因此，在发射药与缓蚀剂的设计过程中，选用高氮含量的材料是降低身管烧蚀的途径之一。

渗碳过程是化学烧蚀的主要过程之一，其反应式为：2CO = C+CO2及CO=C+O，通过这两个反应产生了原子态的碳[9]。碳元素向炮管渗透会与炮钢形成固溶体，虽然渗碳会增加炮钢材料的表面硬度，但多余的碳沉淀在炮膛表面会促进碳化铁的形成：3Fe+2CO= Fe3C+CO2，炭化铁增加了炮膛的脆性，降低了它的熔点(50～400 K)[10]，致使其易于被热和机械因素冲蚀。火药气体中的氧可以扩散到金属表面并将其氧化，炮膛表面的铁也可与二氧化碳反应：Fe+CO2=FeO+CO，铁的氧化会形成脆性的鳞片状的表层，非常容易形成热裂纹进而遭到腐蚀。Kimura[7]提出了在白层中同时生成铁的碳化物和氧化物两条不同的途径：4Fe+CO=FeO+Fe3C及5Fe+CO2=2FeO+Fe3C，这两个反应都是强烈的放热反应，会使炮膛内的温度升高，加速了反应的熔化和脱离。

尽管主流观点认为渗碳和氧化是化学烧蚀的主要形式，但不少的研究者认为氢蚀、氢脆与氢致裂纹也是重要烧蚀过程。炮膛表面的铁与水反应生成气态的FeOH2，从而使表面的钢材蒸发，而渗碳会增加这种作用。来自CO和CO2的碳扩散至炮膛后，剩余的氧会与氢气反应生成水，有利于FeOH2的生成。Lawton[11]把氢蚀归因于原子态的氢扩散至身管并与碳发生反应，使钢材脱碳，而Sopok[12]把氢蚀过程归为炮钢组织间隙中存在的氢降低了钢的强度和韧性，引起裂纹并增加了脆性失效。另外，H2S对基体的危害不容忽视，它与基体发生反应产生低熔点化合物FeS(1 188 ℃)，同时这种化合物与炮钢中的Fe形成低熔点的共晶相FeS-Fe(988 ℃)。当该低熔点物质接触到高温发射药气体时，就会出现局部熔化现象，从而加速烧蚀进程。

2 缓蚀剂的研制与应用

2.1 传统缓蚀剂及其应用

早在20世纪50年代中期，加拿大发明了聚氨酯泡沫衬套，将它用于105 mm M68坦克炮的脱壳穿甲弹中，炮管寿命由100发提高到400发。20世纪60年代，瑞典发明了一种人造纤维素内衬，发现它比聚氨酯泡沫衬套有更好的降烧蚀效果。之后TiO2型添加剂得到迅速推广，成为应用最广泛的标准添加剂。最近，Boncompain[13]在研究降低105 mm HE C132火炮的烧蚀时认为最合适的缓蚀剂是Akers Krutbruk的产品。其主要成分是TiO2/石蜡。 20世纪70年代初，Picard等人研究了滑石粉/石蜡的降烧蚀性能，发现它的降烧蚀效果比TiO2/石蜡优越，之后解决了其残渣问题，并列入了美国军用标准。国内研制了新型滑石粉缓蚀添加剂，在滑石粉/石蜡中加入适量的氧化物，解决了长期没有解决的残渣问题，并有十分优越的降烧蚀效果。

20世纪90年代初，国内研制了多功能稀土缓蚀剂，不仅对高能火药有优异的降烧蚀性能，而且具有降焰、减烟的功效，使火炮的战斗隐蔽性增加、更适合现代战争需求。由多功能稀土缓蚀剂制成的高效护膛衬里，使120 mm自行反坦克炮穿甲弹的烧蚀比应用多元缓蚀剂相对提高2.5倍。应用于三代125 mm坦克炮上，使镀铬身管的使用寿命由500发提高到700发[14]。

针对炮口焰的二次烧蚀问题，一般采用分立的措施，加入TiO2或滑石粉添加剂降低烧蚀，加入硝酸钾或硫酸钾抑制炮口焰。美国研究表明，碳酸氢铵和碳酸氢钾可以作为多功能的火药添加剂，它们既可降低炮口焰，又可以降低炮口烧蚀。碳酸氢铵、碳酸氢钾等成为解决烧蚀和炮口焰的多功能缓蚀剂。

2.2 传统缓蚀剂的改进研究

在常用缓蚀剂的基础上，新型缓蚀剂的配方也在不断的研究中，以期达到更好的缓蚀效果。梁西瑶[14]研究了微细滑石粉缓蚀剂对枪炮身管及对镀铬身管镀铬层抗烧蚀性能的影响。结果表明，微细滑石粉缓蚀剂比粗滑石粉型具有更优异的降烧蚀性能。检测发现，微细滑石粉缓蚀剂及其化学反应产物更容易弥散在衬管内膛，形成高熔点、低导热率的沉积层；身管镀铬层的裂纹中发现了滑石粉的主要元素，表明微细滑石粉缓蚀剂能够对铬层起到良好的保护作用。

孟繁荣等[15]选择了碳酸钙、滑石粉等导热率较低的物质进行了配方设计。经过在14.5 mm弹道枪上的模拟实验，分别确定了两种新配方的最佳配比。其I号配方的最佳配比为碳酸钙37.5%、滑石粉37.5%、MS25%；Ⅱ号配方的最佳配比为碳酸钙19.4%、碳酸钠19.4%、MT61.2%。这两种配方都表现了比多元配方更好的成膜能力。

姬月萍等[16]选用有机硅树脂作为载体，通过与无机、有机添加物、含能材料、高分子添加物等基材的复合得到了几种降烧蚀性能较好的基材。其中两种较好的缓蚀添加剂配方是纯有机型SiL-56(有机硅酮5份、蜡5份、有机物3.5份)，有机、无机复合型SiL-72(有机硅酮2.5份、蜡3.5份、无机物3.2份、有机物3.0份)。这两种缓蚀剂对单基药、太根药、硝基胍药均有较好的缓蚀性能且优于石蜡衬里。

郑双等[17]为了在不影响小口径武器装药的前提下大幅降低烧蚀，开展了新型有机硅降蚀剂的应用研究。加入5‰新型有机硅降蚀剂的装药与采用相同量801#降蚀剂的装药相比，前者烧蚀量降低了13.8%，具有明显的降烧蚀效果。

2.3 基于纳米材料的缓蚀剂研究

国内外相关研究指出，在发射药中使用纳米降烧蚀材料，能够达到改善药性、延长身管使用寿命的目的。陈永才等[18]采用捏合法制备了含纳米添加剂的发射药，利用半密闭爆发器烧蚀试验法，初步验证了纳米添加剂具有一定的缓蚀作用。经含纳米缓蚀剂发射药火药气体冲刷后，金属表面细化，并具有一定的防锈效果。

纳米粒子的比表面积和表面张力很大，容易发生团聚，发生团聚后不但起不到应有降烧蚀效果，而且会加剧身管的磨损。宋遒志等[19]将一种具有缓蚀和润滑功能的纳米粉体材料直接添加到双基球扁发射药中，在进行300 m立靶射击精度发射试验时，发射20多发纳米实验弹后就导致弹道枪的精度超标，致使该枪报废，对枪的身管寿命影响剧烈。经检测认为：由于纳米粉体材料有团聚作用，团聚的纳米粉烧结成为大颗粒，附着在身管内膛，当下一发弹丸在膛内运动通过时，在枪膛内形成了磨料磨损，导致枪膛破坏，使射击精度急剧降低，造成身管失效。经有机长链大分子化合物表面修饰后，纳米材料具有了良好的分散性，添加到发射药中能有效延长身管的常温使用寿命。某项目寿命实验表明，在发射药中添加纳米复合材料使该型号枪械的常温寿命提高了30.6%[20]。

3 结束语

缓蚀剂在同种火炮不同弹药系统中，降烧蚀效果差别很大，在相同装药结构中用不同缓蚀剂，某类缓蚀剂可能只具有极其微小的降烧蚀作用。缓蚀材料本身受到多因素的影响，缓蚀剂材料的成分及其配比、材料的粒度、装填量、装填位置、装填结构。枪炮身管类型、药室容积、发射药燃烧性、发射药点火延迟、火药气体温度同样影响缓蚀剂发挥自身特性。缓蚀剂的选用是在大量试验的基础上进行，可依据的理论较少，缓蚀剂作用机理有待进一步研究。

随着新技术、新材料的不断发展，研究者能够利用更先进的设备和模型对身管武器的烧蚀磨损进行研究，近些年的研究揭示出某些元素(如氮元素)对于降低身管的烧蚀具有积极作用，这为发射药、新型缓蚀剂的开发提供了理论支持。在身管烧蚀的初期，微裂纹的形成与发展对于身管的烧蚀起到非常重要的作用。缓蚀剂的作用过程是一个高温瞬态条件的气-固作用过程，添加剂的粒度越细，其表面积越大，越易加快物化作用，从而易于形成降烧蚀保护层。可以预测，如果在烧蚀初期对微裂纹进行修复，则身管的寿命会得到大幅提升，而纳米材料的小尺寸效应与巨大的表面积会对微裂纹的修复产生积极的作用。因此，以纳米材料为基础的缓蚀剂有较好的发展前景，若能有效解决其分散问题，有望实现高效缓蚀作用，并依靠其特有的表面活性在内膛表面形成保护层，使内膛的抗磨损能力得到提高，从而延长身管的寿命。

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