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關(guān)于QBZ191步槍在部隊(duì)使用中破皮掉肉、掉漆掉渣的話題,國內(nèi)已持續(xù)熱議多年。觀點(diǎn)紛紜,有人將其歸咎于訓(xùn)練強(qiáng)度過大,有人質(zhì)疑槍支質(zhì)量存在缺陷,還有人提出美國同類產(chǎn)品也存在類似問題作為參照,更有觀點(diǎn)主張訓(xùn)練應(yīng)使用專門的訓(xùn)練槍械。就這個問題,單兵裝備也發(fā)了幾篇插嘴性討論文章,有興趣的可在號內(nèi)查閱。在此,將逐一審視這些觀點(diǎn),也歡迎愛好者參與討論。
首先,關(guān)于訓(xùn)練強(qiáng)度過大而導(dǎo)致的說法,這個有些說此非彼。事實(shí)上,早在2019年QBZ191步槍正式列裝之前,我軍便已保持著訓(xùn)練等同實(shí)戰(zhàn)的狀態(tài),強(qiáng)度持續(xù)在高位運(yùn)行。然而,在95-1式步槍的使用過程中,并未出現(xiàn)類似QBZ191的磨損問題。什么原因?它的塑料外殼占外露面積的比例大于75%,唯一鋁合金的機(jī)匣還處在結(jié)構(gòu)防護(hù)的狀態(tài)。
再來看對槍械質(zhì)量的質(zhì)疑。這一觀點(diǎn)或許不無道理,現(xiàn)在來看,生產(chǎn)廠家確實(shí)對工藝進(jìn)行了改進(jìn),提升了鋁合金表面的處理質(zhì)量。如果原有質(zhì)量毫無問題,廠家也沒必要勞民傷財(cái),大干攻關(guān)。關(guān)于廠家的技術(shù)升級問題,后文有講。
至于提到美國槍械產(chǎn)品也存在類似情況,從公開的圖片資料來看,確實(shí)不乏相似案例。但需指出的是,美國軍貨確實(shí)沒有這么嚴(yán)重,美國軍用裝備的M4系列步槍的耐用性普遍優(yōu)于QBZ191早期版本,其抗磨損性能更為出色。至于背后的原因,將在后文中詳細(xì)探討。
最后,關(guān)于訓(xùn)練應(yīng)使用專用槍械的觀點(diǎn),尤其是一些從事訓(xùn)練業(yè)務(wù)或準(zhǔn)備涉足該領(lǐng)域的商家。他們最期待的就是這個說辭。他們搞一堆與真槍連邏輯都大相徑庭的東西,大肆宣傳,誤導(dǎo)或忽悠那些舍不得使用真槍進(jìn)行訓(xùn)練的單位,從而獲取了可觀的經(jīng)濟(jì)利益。
從評論的角度來分析以上四種觀點(diǎn)下,槍械愛好者之間你來我往的討論,最后的結(jié)果是廠家花大力氣提升質(zhì)量,搞訓(xùn)練槍的膠佬們賺的滿盆滿缽,槍械愛好者們爭的臉紅耳赤。
在單兵裝備最近關(guān)于討論191步槍鋁合金表面質(zhì)量的文章留言中,有愛好者指出了廠家采用的最新技術(shù)——黑色微弧氧化。既然大家都有所知悉,那么筆者也就不藏著掖著了,和大家分享191步槍鋁合金表面處理的最新技術(shù)。
國內(nèi)制式槍械領(lǐng)域首次大面積使用鋁合金的是95式步槍,在此之前,槍廠給美國已經(jīng)干了多年代工,已經(jīng)掌握鋁合金陽極氧化的工藝技術(shù),95步槍研制時,在這方面沒有怎么搞專項(xiàng)研究。新項(xiàng)目上馬,對此沒有專項(xiàng)研究,那就是應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)。結(jié)果呢!95步槍裝備后,陽極氧化表層的顏色不一致,黑的、灰的或是先黑后灰的,再加之工程塑料的不成熟,95步槍一度受到質(zhì)疑。關(guān)于這方面的話題,在網(wǎng)絡(luò)上都還能找到。
對早期陽極氧化工藝不理想的處理辦法很簡單,就是加厚表面處理膜層的厚度,讓氧化膜層長厚點(diǎn)兒,這個工藝現(xiàn)在叫“超硬陽極氧化”。通俗的理解就是把臉皮放厚點(diǎn)兒這么簡單。這項(xiàng)工藝在軍械生產(chǎn)中一支延續(xù)到191步槍被嚴(yán)重質(zhì)疑。同樣的問題,美國軍方很早就發(fā)現(xiàn)并質(zhì)疑鋁合金硬質(zhì)陽極氧化存在應(yīng)用的局限性,突出的問題就是不耐操。到90年代前后,美國在微弧氧化技術(shù)的理論研究方面取得了重要突破,隨即在M16A3和M4卡賓槍開展了用微弧氧化處理AR步槍機(jī)匣試驗(yàn)和性能評估,結(jié)果表明在耐腐蝕性和耐磨性方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)硬質(zhì)陽極氧化處理的機(jī)匣。
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?在2010年代時期,軍方的認(rèn)可和應(yīng)用帶動了微弧氧化技術(shù)槍械上的廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)10年代,微弧氧化技術(shù)已經(jīng)成為美國槍械鋁合金構(gòu)件表面處理的主流技術(shù)。無論是軍用還是民用,大部分鋁合金都采用了微弧氧化處理。
國內(nèi)對微弧氧化技術(shù)研究的起步不遲,在90年代初期引起國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注,開始了理論方面的研究,直到2019年QBZ191步槍列裝時,并未實(shí)現(xiàn)微弧氧化陶瓷膜的大批量自動生產(chǎn)與工業(yè)應(yīng)用。在191步槍早期版本中,也就是破皮掉肉嚴(yán)重的試用版本,它的金屬構(gòu)件采用了新工藝、新技術(shù),表面處理的光硬,但是鋁合金呢?還是三十年前的老技術(shù)(這個需要廣大愛好者核實(shí)哦。這里所說的,要是信就是,不信就是筆者估計(jì)的。筆者不提供證據(jù),也不去證明)。有一種傳言說:由于價(jià)格限制,只能將槍機(jī)、擊針、活塞和槍管等采用新技術(shù)表處,全部采用新技術(shù)是做不了的。
當(dāng)191步槍爆出鋁合金機(jī)匣破皮掉肉的問題時,廠家承受壓力,組織攻關(guān)。最終將這項(xiàng)在國內(nèi)沒有廣泛應(yīng)用的黑色微弧氧化技術(shù)帶入了大眾的視野。
在2024年8月,廠家與軍代室一起將這項(xiàng)應(yīng)用的技術(shù)公開,該論文在《電鍍與涂飾》期刊,第44卷·第3期發(fā)表題為《鋁合金黑色微弧氧化膜沖擊剝落行為分析》的論文。
這篇論文研究的問題與QBZ191步槍機(jī)匣破皮掉肉的剝落行為相同。這項(xiàng)研究以7075鋁合金為基體,在六偏磷酸鈉?硅酸鈉電解液中加入偏釩酸鈉作為黑色著色劑,制備黑色MAO膜層。通過落球沖擊試驗(yàn)?zāi)M動態(tài)沖擊工況,并結(jié)合掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)及X射線衍射(XRD)分析了膜層的微觀結(jié)構(gòu)特征及其在沖擊作用下的損傷行為。試驗(yàn)結(jié)果表明:內(nèi)致密層中均勻細(xì)小的組織結(jié)構(gòu)能夠有效抑制裂紋擴(kuò)展,因此展現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能。
微弧氧化(Micro-arc oxidation,MAO)又稱等離子體電解氧化(Plasma electrolytic oxidation,PEO)、陽極火花沉積(Anodic spark deposition,ASD)或微弧放電氧化(Micro-arc discharge oxidation,MDO),當(dāng)前比較主流的名稱是微弧氧化(MAO)。這是一種在鋁合金基體上沉積厚、密、超硬陶瓷涂層的新興表面處理技術(shù),最早可以追溯到19世紀(jì),由俄羅斯學(xué)者 Sluginov 首次發(fā)現(xiàn)。60年代,McNiell和 Gruss首次利用火花放電成功地將鈮酸鎘沉積在鎘陽極上。70年代,Markov開發(fā)和研究了電弧放電條件下鋁陽極上的氧化物沉積,后來這項(xiàng)技術(shù)得到了改進(jìn),并被稱為微弧氧化。
微弧氧化原理圖
微弧氧化類似于陽極氧化,但它采用更高的電極電位,通電后在工件的表面首先形成一層薄的金屬氧化物絕緣膜。隨著電壓的上升,進(jìn)入高壓火花放電區(qū),金屬氧化物膜的薄弱部位率先被擊穿,從而發(fā)生微等離子體弧光放電。此時形成了瞬時超高溫區(qū),金屬無定型氧化物在高溫、高壓的瞬間燒結(jié)作用下,轉(zhuǎn)變成陶瓷晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)發(fā)生在金屬/電解液界面的氧化反應(yīng)現(xiàn)象,可將MAO過程分成四個氧化階段。MAO電壓-時間響應(yīng)與四個氧化階段的關(guān)系如下圖所示。
微弧氧化與傳統(tǒng)陽極氧化有許多相似的工藝過程,但在成膜機(jī)理、膜層性能、工藝特點(diǎn)以及應(yīng)用等方面存在差異。
陽極氧化在酸液中進(jìn)行,膜層的生成與溶解是同時進(jìn)行的,達(dá)到動態(tài)平衡后,膜層的厚度不再增加,可在鋁合金件表面生成厚度為 5~80 μm 的Al2O3硬膜。微弧氧化工藝是在弱堿液中,通過高壓、化學(xué)及電化學(xué)和等離子體放電作用,在合金表面生成一層以其金屬氧化物為主的陶瓷層。鋁合金微弧氧化等離子放電區(qū)瞬時溫度最高可達(dá)到7000 K,導(dǎo)致 Al2O3膜層發(fā)生晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,可大幅提高鋁合金表面的性能。原理過程如下圖。
與傳統(tǒng)的陽極氧化物不同,MAO形成的氧化物不連續(xù)生長,氧化物是在涂層形成、溶解、介電擊穿、放電通道生成以及放電終止后通道中材料沉積等的一系列周期循環(huán)過程中逐漸生長增厚的[49-51]。又因?yàn)榉磻?yīng)屬于原位生成,所以陶瓷層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高。。鋁的常規(guī)陽極氧化與微弧氧化工藝和膜層性能的比較見下表。
從上表中可以看到,微弧氧化工藝與傳統(tǒng)陽極氧化相比的優(yōu)點(diǎn):
1)與傳統(tǒng)的陽極氧化相比,微弧氧化中性和堿性的電解液具有綠色環(huán)保、易于回收等優(yōu)點(diǎn)。?
2)微弧氧化工藝簡單,易操作,其工藝流程為:鋁材料→化學(xué)除油→清洗→微弧氧化→封閉。前處理工序少,容易實(shí)現(xiàn)大批量自動化生產(chǎn)。?
3)微弧氧化工藝突破了傳統(tǒng)陽極氧化的電壓局限,工件表面的電壓可達(dá)400~500 V。在工件表面生成30 μm厚的膜層,僅需10~60 min,而陽極氧化需要1~2 h,因此微弧氧化效率高。?
4)微弧氧化膜層質(zhì)量與性能高于陽極氧化膜。微弧氧化可形成超高硬度的厚膜(300 μm),硬度可高達(dá)1600HV以上,耐磨損性、耐熱性及抗腐蝕性特點(diǎn)突出。微弧氧化膜具有很好的絕緣性能,其擊穿電壓可高達(dá)700 V左右。除此以外,微弧氧化膜還具有生物催化、隔熱、抑菌等特性,在生物、醫(yī)學(xué)和電池材料領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。?
5)微弧氧化適用的范圍更廣,在陽極氧化不易成膜的合金上,可以用微弧氧化進(jìn)行處理。?
6)微弧氧化工藝可以一次完成,也可以多次完成,要求形成厚氧化膜的工件可以分幾次進(jìn)行微弧氧化處理。而陽極氧化工藝如果中斷,就必須重新開始。
純鋁表面微弧氧化膜層主要是由α-Al2O3和 γ-Al2O3組成[57], 微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)主要有兩層:一 層是致密的內(nèi)層,一層是多孔的外層。通常,低電流密度和高電流密度下,純鋁MAO膜層的結(jié)構(gòu)和生長機(jī)理均不同。低電流密度下,MAO涂層的生長機(jī)理如下圖所示。
高電流密度下,MAO涂層的生長機(jī)理如下圖所示。
在微弧氧化技術(shù)研究中,大量學(xué)者關(guān)注陶瓷膜層的耐腐蝕性,現(xiàn)已探明的方案主要有四大類,1.在電解液中加入添加劑來實(shí)現(xiàn),2.加入Si來細(xì)化膜層,3.將固體微小顆粒引入電解液中,利用顆粒填補(bǔ)密封膜層的缺陷,提高膜層的耐腐蝕性能。4.利用其它工藝與微弧氧化膜層形成復(fù)合層來提高耐腐蝕性。
經(jīng)過微弧氧化處理的鋁合金表面,化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定,涂層表面是多孔島狀結(jié)構(gòu),易于變形吸收能量,表現(xiàn)出較高的耐磨性。
疲勞性能是衡量航空航天結(jié)構(gòu)件性能的主要參數(shù),微弧氧化膜層可以減輕腐蝕環(huán)境對鋁合金疲勞壽命的不利影響,也可提高在循環(huán)載荷下工作的機(jī)械零件的壽命。
黑色微弧氧化的零件外觀
鋁合金微弧氧化膜層的微觀結(jié)構(gòu)、耐蝕性、耐磨性和疲勞性能受到多種因素的控制,通過改變氧化時間、占空比、電壓、電流密度、電解液濃度、基體粗糙度,加入細(xì)小納米顆粒以及運(yùn)用復(fù)合工藝等,都可以改進(jìn)鋁合金微弧氧化膜層的性能。膜層的性質(zhì)不是單一性變化,其厚度、硬度、腐蝕、磨損等性能可能會發(fā)生變化。這就導(dǎo)致了微弧氧化技術(shù)不確定性較大,在實(shí)際中難掌握工藝參數(shù),從而導(dǎo)致對技術(shù)的依賴度較高。
傳統(tǒng) MAO 處理膜層一般為灰白色,也稱本色微弧氧化,需結(jié)合后期噴漆處理才能滿足黑色外觀,這種工藝存在的現(xiàn)象就是容易掉漆,黑色微弧氧化則是通過在溶液中添加著色劑,原位燒結(jié)成黑色陶瓷膜,所得膜層具有高硬度、高耐磨、高耐蝕、耐光性和耐候性優(yōu)異等特點(diǎn),避免了微弧氧化+噴漆復(fù)合處理存在的膜層附著力差、品質(zhì)不可控、成本高等問題。這正符合槍械零件表面的要求。
從191步槍廠家公開的工藝來看。7075鋁合金黑色微弧處理的工藝如下:?
先采用 RLQ-166 型金屬清洗劑除油,然后用氫氧化鈉溶液堿洗,接著用硝酸進(jìn)行除光處理,以去除表面氧化膜,最后用蒸餾水清洗,進(jìn)行微弧氧化處理。?
MAO 處理的基礎(chǔ)電解液由六偏磷酸鈉[(NaPO3)6] 和硅酸鈉(Na2SiO3)組成,加入適量偏釩酸鈉(NaVO3)作為黑色著色劑。采用恒流模式進(jìn)行MAO處理,通過循環(huán)冷凍系統(tǒng)將電解液溫度控制在40 ℃以下,其余工藝參數(shù)為:正電流密度2 A/dm2,負(fù)電流密度0.5 A/dm2,正負(fù)向占空比20%,頻率1000 Hz,時間40 min。
在研究中選用了較薄膜層作為研究對象,采用維氏顯微硬度計(jì)檢測 7075 鋁合金基體和微弧氧化膜的表面及截面硬度,采用最小載荷(10 g)檢測MAO膜層的顯微硬度。結(jié)果顯示,MAO 膜層截面和表面的平均顯微硬度分別為1136 HV和1333 HV,這個硬度值轉(zhuǎn)換為HRC約為:59HRC和63HRC,約為基體顯微硬度的6倍,遠(yuǎn)高于優(yōu)質(zhì)鋼質(zhì)槍械零件熱處理硬度。
顯微硬度檢測后7075鋁合金和黑色MAO膜層的壓痕形貌
黑色MAO膜層的表面形貌
黑色MAO膜層的截面形貌
為了驗(yàn)證膜層的抗沖擊性能,對其開展了沖擊剝落試驗(yàn)。采用落球沖擊法模擬鋁合金黑色微弧氧化膜層的沖擊剝落行為,沖擊鋼球質(zhì)量為 1 kg,直徑為 16 mm。試樣平穩(wěn)地放在凹型剛性平臺上,使其位于落球正下方并保持縱向垂直,提升落球至固定高度后釋放,令鋼球做向下的自由落
體運(yùn)動,沖擊作用于黑色微弧氧化膜表面,完成沖擊剝落試驗(yàn)。
黑色MAO膜層的沖擊剝落形貌
黑色MAO膜層沖擊剝落后微區(qū)EDS分析結(jié)果
黑色MAO膜層表面元素分布
QBZ191步槍研制的一個主線就是“新”,點(diǎn)點(diǎn)面面、林林總總的搞了很多新東西,其中最能體現(xiàn)先進(jìn)工藝的要數(shù)金屬的表面處理,這個在《單兵裝備》中有多篇文章科普,唯獨(dú)少了鋁合金的表處,結(jié)果最后與整體不搭調(diào),老早就老了。當(dāng)試用中暴露出鋁合金表面質(zhì)量問題時,筆者一開始認(rèn)為這是我國基礎(chǔ)工業(yè)的短板之一,現(xiàn)階段無解,因?yàn)槟菚r候黑色微弧養(yǎng)化的工藝還沒有突破,只是知道這項(xiàng)技術(shù)比陽極氧化牛逼幾倍,更沒有想到廠家會攻關(guān)。定型的東西要是發(fā)生大改,不亞于天子收回圣旨,或是總統(tǒng)跪倒認(rèn)錯。這不是一件容易的事情。再加之成本的因素,所以這是很難的。當(dāng)筆者看到廠家關(guān)于微弧氧化的研究論文時,肯定了愛好者的留言。應(yīng)用全新的微弧氧化工藝后,這支槍再次提質(zhì),走向一個新的高度。
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