Německé slitiny hořčíku

Moderátor: Hans S.

Odpovědět
lkala
praporčík
praporčík
Příspěvky: 306
Registrován: 26/8/2008, 12:52
Bydliště: Brno

Německé slitiny hořčíku

Příspěvek od lkala »

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.

Obrázek
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.

Obrázek
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.

Obrázek
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.


Obrázek
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.


Obrázek
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.



Obrázek
Obr. č. 6 – uložení (zavěšení) motoru DB 601 F v letounu Me-210A-1


Obrázek
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
Uživatelský avatar
Hans S.
5. Plukovník
5. Plukovník
Příspěvky: 3767
Registrován: 22/2/2007, 04:34
Bydliště: Gartenzaun
Kontaktovat uživatele:

Re: Německé slitiny hořčíku

Příspěvek od Hans S. »

lkala píše: 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.

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.
Předpokládáš tedy, že ta Mg slitina na ventilátoru Fw 190 byla použita kvůli mechanickým vlastnostem? Aby při relativně extrémních otáčkách nedošlo k poškození? Mě nikdy nic jiného nenapadlo (jako pravděpodobné), ale o prvcích a slitinách vím celkem pendrek..
Napadá tě důvod, proč to mohli používat zrovna na zadní stěnu kompresoru? Velké tlaky v daném místě, resp. změny tlaků a potřeba značné houževnatosti materiálu na takovém místě?

Ještě dodám, že poslední verze BMW 801 měly ventilátor již 14ti lopatkový.

Jinak článek jako obvykle hodně gut :)
Uživatelský avatar
Martin Hessler
poručík
poručík
Příspěvky: 715
Registrován: 12/5/2009, 16:49
Bydliště: Praha
Kontaktovat uživatele:

Příspěvek od Martin Hessler »

Předpokládáš tedy, že ta Mg slitina na ventilátoru Fw 190 byla použita kvůli mechanickým vlastnostem? Aby při relativně extrémních otáčkách nedošlo k poškození?
Zjednodušeně řečeno: Rotor ventilátoru vyrobený z hliníku (byť i tvrzeného) by sice byl lehký, ale zřejmě by při takových rozměrech a profilování nebyl dostatečně mechanicky odolný. Při vysokých otáčkách by se zdeformoval nebo praskl, případně by vlivem odstředivé síly mohlo dojít k odtržení lopatek. Také by se brzy poškodil jeho povrch vlivem mechanických nečistot ve zvířeném vzduchu - písek, prach atd.
Oproti tomu rotor z ušlechtilé oceli by patrně splňoval požadavky na mechanickou odolnost, ale vyšel by příliš těžký. Jednak obecně (u stíhačky se prostě muselo a musí šetřit na váze), jednak by zbytečně zatěžoval převody od motoru, odebíral větší množství výkonu a vytvářel škodlivý klopný moment (působil by jako setrvačník a při změnách otáček by nepříznivě působil na stabilitu letounu).
Hořčíkový rotor byl tedy zřejmě nejnákladnějším, ale nejúčinnějším řešením.
Neexistují žádné zoufalé situace. Existují pouze zoufalí lidé. /Heinz W. Guderian/
Uživatelský avatar
Alchymista
5. Plukovník
5. Plukovník
Příspěvky: 4883
Registrován: 25/2/2007, 04:00

Příspěvek od Alchymista »

Mohlo ísť aj o niečo iné - o vibračné a akustické chovanie daného dielcu. Oceľový má pri nejakej pevnosti nejakú hmotnosť a nejakú hrúbku stien. Vďaka tomu má nejakú rezonančnú frekvenciu, ktorá môže nepríjemne kolidovať s pracovnými frekvenciami (otáčkami), alebo to proste "len drnčí" a nedá sa s tým takmer nič urobiť. Pokiaľ dielec sa vyrobí z horčíku či inej ľahkej zliatiny, steny musia byť primerane hrubšie, takže aj keď sa na váhe neušetrí ani gram, rezonančná frekvencia sa posunie niekam inam, najlepšie úplne mimo oblasť pracovných otáčok. Tým by sa dala vysvetliť aj zadná stena kompresoru, aj rotor.


(teoretizujem...) Prečo nie hliník alebo dural ale horčík? Hliník/dural (a tiež meď a legovacie kovy) sú za vojny strategické suroviny a ich využitie je celkom prísne kontrolované. Náhrada oceľového dielu hliníkovým s rovnakou alebo väčšou hmotnosťou sa zdôvodňuje pomerne blbo. Horčík sa možno dal zdôvodniť ľahšie/jednoduchšie.
Hans S. - pokiaľ sa pozrieš na nákres lepšie, zistíš, že "zadný kryt" je zadný len z pohľadu nákresu, z pohľadu konštrukcie odstredivého kompresoru je to "sacia" strana, teda "predný" kryt. A ten nebude vnútorným pretlakom príliš namáhaný, navyše bude vďaka väčšej hrúbke materiálu pri porovnateľnej pevnosti a hmotnosti tuhší a teda odolnejší voči pružnej deformácii a "pricucnutiu" na rotor v dôsledku rozdielu tlakov v okolitom prostredí a v sacej časti kompresoru pri rýchlejšej zmene otáčok kompresoru..
Uživatelský avatar
Martin Hessler
poručík
poručík
Příspěvky: 715
Registrován: 12/5/2009, 16:49
Bydliště: Praha
Kontaktovat uživatele:

Příspěvek od Martin Hessler »

Prečo nie hliník alebo dural ale horčík? Hliník/dural (a tiež meď a legovacie kovy) sú za vojny strategické suroviny a ich využitie je celkom prísne kontrolované. Náhrada oceľového dielu hliníkovým s rovnakou alebo väčšou hmotnosťou sa zdôvodňuje pomerne blbo. Horčík sa možno dal zdôvodniť ľahšie/jednoduchšie.
Na tom by mohlo něco být. Hliníku byl v Německu za války poměrně velký nedostatek, protože zdroje této suroviny na území Třetí říše prostě nebyly. Všechno se muselo dovážet. Zatímco hořčík se dal získat z domácích zdrojů, jak už zmínil Ikala.
Ale těch rozdílů je více. Hliníkové slitiny se obecně špatně obrábějí, protože se povrchově trhají a mažou. Hořčík je, při dodržení příslušných bezpečnostních opatření (při dosažení určité teploty se vznítí a je nehasitelný, což ale platí např. i o titanu) naproti tomu obrobitelný velmi dobře.
K tomu krytu sací části odstředivého kompresoru:
Při srovnatelné tloušťce materiálu (a tím i obdobné hmotnosti) by hořčíkový kryt vycházel pevnější a tužší než duralový, paralelně při shodné tuhosti by hořčík znamenal úsporu na váze. Pokud to srovnáme s ocelovým dílem, opět by vyšel těžší, a to i za cenu jeho zeslabení. V poměru hmotnost-tuhost (pevnost) totiž neexistuje přímá úměra.
Největší slabinou hořčíkových slitin tak zůstává jejich poměrná křehkost (oproti slitinám hliníku) a relativně snadná zapalitelnost. Za předpokladu, že by si rotor kompresoru ve vysokých otáčkách "škrtl" o hořčíkový kryt, by měl možná pilot docela hoňku s krytem kabiny a padákem... :-)

Dovolím si jeden příklad z odlišné oblasti použití. Z hořčíkových slitin se v současnosti vyrábějí kvalitnější lité disky kol automobilů (slangově "elektrony"). Ještě ve druhé polovině 80. let se odlévaly z hliníkových slitin, a to i u renomovaných automobilek (např. VW-Audi). Jenže hořčíkové disky, při stejné tuhosti a pevnosti, vycházejí o dost lehčí, čímž se sníží hmotnost neodpružených částí podvozku, zmenší opotřebení závěsů, zkrátí brzdná dráha a zlepší komfort jízdy.
Ale pravděpodobně jste už také viděli prasklý "elektron", kterým řidič najel bočně na obrubu chodníku... Do hliníkového se tím většinou jen vyrýpla ošklivá rýha. Případně se mírně radiálně zdeformoval ("zešišatěl"), což se projevilo drnčením za jízdy.
Omlouvám se za odbočku od původního tématu, míněnou pouze jako názornou demonstraci rozdílů vlastností diskutovaných materiálů.
lkala
praporčík
praporčík
Příspěvky: 306
Registrován: 26/8/2008, 12:52
Bydliště: Brno

Příspěvek od lkala »

Slitiny hořčíku určitě nemají lepší mechanické vlastnosti než třeba ocel, nebo i slitiny hliníku. Jejich jediná, ale z hlediska letectví podstatná výhoda, je nízká měrná váha. Tu má z technických kovů snad nejnižší. Podle mého názoru byl použit prostě proto, že z mechnického hlediska na daný úkol vyhovoval a zároveň byla získána výhoda v nižší váze dané součásti. To je podle mě hlavní důvod jeho použití.
Konkrétně ten ventilátor bude pravděpodobně namáhán nějakým kombinovaným namáháním, dominovat by měl asi tah ve směru odstředité síly. Tady úspora hmotnosti tedy bude mít velký vliv, vzhledem k tomu, že odstředivá síla je na této hmotnosti závislá.

Hořčík a jeho slitiny měl (má) ale také negativní vlastnosti. Hlavně zde nezmíněná malá odolnost proti korozi a také nemožnost přímého styku s některými kovy, ale třeby i s dřevem, což omezovalo možnost jeho použití (platí pro námi řešenou dobu). Horší je to také z mechanickými vlastnostmi, třeba s nízkou vrubovou houževnatostí, nebo malým modulem pružnosti. Všeobecné doporučení pro jeho použití poplatné době (cca 1940) v konstrukci bylo, že je třeba používat průřezy s co možná největším momentem setrvačnosti a s malým množstvím hmoty v neutrální ose (ploše), tedy např. průřezy I.

Jestli jeho použití u tohoto ventilátoru nějak souviselo s rezonancí, to si netroufám posuzovat, toto by se muselo spočítat. Obecně náhradní soustava samozřejmě bude na tomto závislá, ale kam případná změna materiálu změní frekvenci vlastních kmitů, to nebude jednoduché.
Odpovědět

Zpět na „Vybavení letounů“