Německé slitiny hořčíku
V dnešním příspěvku se opět vrátíme do konstrukce německých leteckých motorů z konce 30-tých let a průběhu druhé světové války. Tentokrát se ovšem dotkneme i samotných letadel, neboť provedeme krátké zhodnocení využívání slitin hořčíku v německém leteckém průmyslu.
Úvodem se krátce (velmi krátce) zmiňme o historii, vlastnostech tohoto lehkého kovu a jeho technickém využití.
Hořčík, jako prvek, byl objeven v roce 1808 sirem Humphreyem Davym. V kovovém stavu byl poprvé izolován v roce 1830 Francouzem Bussym a následně v roce 1857 byla ve Francii zavedena první průmyslová výroba. Tato prvotní výroba byla velmi nehospodárná a cena hořčíku byla značně vysoká. Jeho průmyslové rozšíření umožnila až hromadná racionální výroba elektrolýzou, která byla zavedena zhruba v roce 1896. Jednou z prvních firem, která se výrobou hořčíku zabývala, byla německá firma Chemische Fabrik Griesheim-Elektron v Bitterfeldu. Tato firma uvedla koncem 19. století na trh své výrobky pod názvem Elektron. Tento původně obchodní název se postupem času, zejména v německy mluvících zemích, stal prakticky synonymem pro veškeré slitiny hořčíku. Firma Chemische Fabrik Griesheim-Elektron se později stala součástí světoznámého koncernu I. G. Farben, který (doufám) nemusím čtenářům tohoto fóra popisovat.
Německé firmy dokázaly až do roku 1914 udržet výrobní postupy v tajnosti, Německo proto měla celosvětový monopol na výrobu slitin hořčíku. V roce 1914 začala jeho výroba i ve Velké Británii a v roce 1915 ve Francii. Německo si ovšem udrželo v celém meziválečném období dominantní postavení na trhu. Např. v roce 1938 bylo celosvětově vyrobeno celkem 25 000 tun hořčíku, přičemž v samotné Třetí říši bylo vyrobeno celkem 14 100 tun. V samotném Německu byl hořčík získáván zejména z odpadních louhů při zpracování Stassfurtských solí, ale i dalších surovin.
Základní parametry čistého hořčíku (čistota přes 99%) jsou uvedeny v následující tabulce.
Obr. č. 1 – tabulka základních vlastností čistého hořčíku
Z tabulky je zřejmé, že technické použití čistého hořčíku je problematické. Použitím vhodných legovacích prvků je ovšem možno jeho vlastnosti podstatně zlepšit.
Vraťme se ovšem zpět k německým slitinám hořčíku. V předválečném Německu byly technicky použitelné slitiny hořčíku normovány v rámci německé normy DIN 1717. Tato měla obecnou platnost, ale vycházela ze zkušeností výrobců a byla přizpůsobena továrním normám jednotlivých výrobců. Koncem 30-tých let se výroba slitin hořčíku v Třetí říši koncentrovala do následující trojice firem.
a) Chemische Fabrik Griesheim-Elektron v Bitterfeldu, součást koncernu I.G. Farben. Tato byla největší a jednoznačně nejvýznamnější firmou vyrábějící (nejen) slitiny hořčíku v rámci Třetí říše. V jejich hutích byl vyráběn jak čistý hořčík, tak i slitiny hořčíku s obchodním názvem Elektron. Firma I.G. Farben rovněž vlastnila značné množství patentů, zejména v oblasti slévání hořčíkových slitin. V praxi poskytovala na tyto patenty jednotlivých firmám tzv. licence, ve kterých byly i podrobné postupy a návody. Tyto licence měly zakoupeny i některé naše předválečné firmy, např. Zbrojovka Ing. F. Janeček, Škodovy závody, Českomoravská-Kolben-Daněk a Walter a.s.
b) Wintershall A.G., Kassel. Tato německá firma produkovala slitiny hořčíku pod obchodním názvem Magnewin. Blíže se mi o této firmě bohužel nepodařilo nic dalšího zjistit.
c) Dürener Metallwerke A.G. Tato huť produkovala slitiny hořčíku pod obchodním názvem Magnedur. Blíže se mi k této firmě bohužel opět nepodařilo nic zjistit.
Všechny tři výše uvedené obchodní značky hořčíkových slitin, tedy Elektron, Magnewin a Magnedur, musely samozřejmě vyhovovat předepsané normě DIN 1717. Výtah z této normy s názvy jednotlivých slitin a jejich složení, je v další tabulce.
Obr. č. 2 – tabulka vlastností slitin hořčíku dle normy DIN 1717
Poznámka: V jakostech Mg-Al 3, Mg-Al 6 a Mg-Al 9 dle DIN 1717 byly za protektorátu pod názvem Magnesal vyráběny tvářené slitiny hořčíku také ve Vítkovických železárnách.
Nyní se již zaměřme na konkrétní slitiny. Jak již bylo napsáno výše, zdaleka nejrozšířenější byly slitiny firmy Chemische Fabrik Griesheim-Elektron v Bitterfeldu, potažmo I.G. Farben. Proto se budeme dále zabývat těmito.
V další tabulce jsou nejrozšířenější výrobky této firmy.
Obr. č. 3 – tabulka slitin hořčíku firmy Chemische Fabrik Griesheim-Elektron v Bitterfeldu
Z těchto výrobků se samozřejmě nebudeme zabývat všemi, zaměříme se pouze na slitiny, které byly (se kterými jsem se setkal) v leteckém průmyslu Třetí říše.
Nejvýznamnější slitiny v leteckém průmyslu byly tyto:
1) A9V
Slitina hořčíku určená ke slévání do pískových forem a následné zušlechťování. Její chemické složení a základní mechanické vlastnosti jsou v tabulce č. 3. Tato slitina byla určena pro další zušlechťování, které výrazně zlepšovalo její mechanické vlastnosti (zejména zvyšovalo pevnost a houževnatost). Toto zušlechťování spočívalo z ohřevu odlitků na teplotu cca 420 st. C (nejlépe ve vakuu) a následně prosté vyjmutí a vychladnutí na vzduchu. V případě nutnosti zvýšení pevnosti mohlo následovat ještě popouštění.
Tato hořčíková slitina byla v německém leteckém průmyslu používána zejména na bloky motorů a některé drobné kryty.
2) AZF
Slitina hořčíku určená ke slévání do pískových forem. Vyznačovala se dobrou houževnatostí a proto byla určena na odlitky součástí namáhaných rázy. Na rozdíl od slitiny A9V se dále nezušlechťovala (z důvodu malého obsahu hliníku). V leteckém průmyslu se používala např. pro oběžná kola, ostruhy a stabilizátory.
3) AM 503
Slitina hořčíku určená ke tváření. Dodávala se ve formě plechů, tyčí a profilů a byla určena pro nízko namáhané části konstrukcí letadel. Vyznačovala se dobrou svařitelností plamenem a relativně vysokou odolností proti korozi.
4) AZM
Slitina hořčíku určená ke tváření. Byla určena pro namáhané konstrukce letadel, u kterých nebyl nutná dobrá svařitelnost. Dodávala se rovněž ve formě plechů, tyčí nebo profilů. Podobná této slitině je i AZ 855, která se vyznačovala o něco vyšší tvrdostí.
Nyní, když jsme se seznámili se základnímu druhy slitin hořčíku používaných v německém leteckém průmyslu, věnujme se konkrétním aplikacím u leteckých motorů a samotných letadel.
1) Ventilátor motoru BMW 801
Prvním příkladem použití slitin hořčíku u německých leteckých motorů, je ventilátor nuceného proudění vzduchu u leteckého motoru BMW 801A. Jeho pěknou fotografii najdete na dalším obrázku.
Obr. č. 4 – ventilátor motoru BMW 801
Jedná se o 12-ti lopatkový ventilátor, jehož úkolem je zvýšit množství proudícího vzduchu (a jeho rychlost) kolem vzduchem chlazených válců tohoto motoru. Průměr ventilátoru je 32 palců. Samotný ventilátor byl poháněn od klikového hřídele motoru pohonem „do rychla“ v poměru 1,72, což bylo ekvivalentní poměru 3,17 vůči vrtuli. Jeho úkolem bylo zajistit dostatečné chlazení motoru i při nízkých rychlostech letu, nebo pohybu na zemi.
Ventilátor byl jako celek vyroben z hořčíkové slitiny, přesný typ použité slitiny jsem bohužel nenalezl.
2) Kryt kompresoru motoru BMW 801
Dalším příkladem použití slitiny hořčíku u motoru BMW 801A, je zadní polovina krytu kompresoru. Na dalším obrázku je označena šipkou. Kryt byl žebrován. Přesnou slitinu hořčíku, ze které byl vyroben, se mi nepodařilo zjistit.
Obr. č. 5 – zadní část krytu kompresoru motoru BMW 801A
Na motoru BMW 801 bylo použito celkem 20 kg hořčíkových slitin.
3) Uložení (zavěšení) motorů DB série 601, 605, Jumo 211, 213
Dalším příkladem použití slitin hořčíku je uložení (zavěšení) řadových (vidlicových) leteckých motorů německé výroby. Na dalším obrázku je uložení leteckého motoru DB 601 F na letounu Me-210 A-1.
Zavěšení se skládá z hlavního ramene a horního držáku. Zatímco horní držák byl ocelový, vlastní hlavní rameno byl výkovek ze slitiny hořčíku. Na další fotografii je Jumo 211 z letounu Heinkel 111, kde je toto hlavní rameno velmi pěkně zachyceno.
Poznámka.
Je možné, že u jednotlivých řad letounů se toto zavěšení mohlo měnit, neberte prosím jako dogma. Uvádím jako ilustraci možností použití hořčíkových slitin.
Obr. č. 6 – uložení (zavěšení) motoru DB 601 F v letounu Me-210A-1
Obr. č. 7 – uložení (zavěšení) motoru Jumo 211
Hlavní rameno zavěšení motoru ze slitiny hořčíku bylo poprvé použito u Me-109, kde bylo kováno ze slitiny AZ 855. Postupně se rozšířilo na další německé řadové motory.
4) Focke-Wulf Fw 200 Condor, Heinkel 111, Heinkel 177, Junkers 88
Na letounu Focke-Wulf Fw 200 Condor bylo na různých místech křídla a podvozku použito celkem 500 kg slitiny hořčíku AM 503. Letoun Heinkel 111 měl celkem 80 až 100 kg. slitin hořčíku AM 503, hmotnost se lišila dle verze. Na letounu Heinkel 177 bylo použito 400 až 500 kg slitin hořčíku, hmotnost je opět lišila dle verze. Na Junkersu Ju 88 bylo kolem 350 kg slitin hořčíku. Ve všech případech se jednalo zejména o různé části trupu a křídel. Některé letouny schopné střemhlavého bombardování měly se slitiny hořčíku také klapky (např. Ju-87). Velké části konstrukce draku ze slitin hořčíku byly použity také na letounech Arado 196 a Arado 79.
Výše uvedený výčet použití slitin hořčíku samozřejmě nemůže být úplný. Vybral jsem nejzajímavější z nich, ale částí motorů, nebo samotných letounů, které byly ze slitin hořčíku, bude určitě více. Proto bych zde uvítal Vaši spolupráci. V případě, že je Vám známo ještě jiné zajímavé použití, laskavě přispějte.
Speciálně by mě zajímalo, zda se u německých leteckých motorů skutečně používaly (testovaly) písty ze slitin hořčíku. Na toto téma jsem slyšel již několik protichůdných názorů. Z tabulky výše je zřejmé, a v literatuře lze toto rovněž nalézt, že slitina V1 byla vyvinuta speciálně pro tyto účely.
V otázce pístů ze slitin hořčíku vládne skutečně jistý zmatek. V hodnověrné literatuře jsem se setkal pouze s motorem Hirth HM 508, který měl písty ze slitiny EC 124 „Leichmetall-Legierung“ – „Elektronmetall“. Ani zde si ovšem nejsem vůbec jistý, zda se skutečně jedná o slitinu hořčíku (tedy Elektron), neboť v normě DIN 1717 (výpis z roku 1940) jsem žádný takový materiál nenašel. V roce 1940 již byl tento motor běžně užíván, viz. např:
http://www.palba.cz/viewtopic.php?t=2477
Další samostatnou otázkou jsou vrtule ze slitin hořčíku.
Děkuji za pozornost a za případné doplnění příkladů použití.
Použité zdroje:
1) Lehké kovy, Vojtěch Jareš, Česká matice technická, Praha, 1940
2) Werkstoffkunde, Cl. Bohne, Berlin-Charlottenburg 2, 1937
3) Magnesium technology, Barry L. Morduje, Springer, 2006
4) http://www.ipmsstockholm.org/magazine/2 ... 0a8_07.htm
5) Časopis Flight, rok 1942
