Szczelność odlewów aluminiowych: skąd biorą się nieszczelności, jak się je bada i kiedy pomaga impregnacja

Odlew aluminiowy przecieka wtedy, gdy przez ściankę biegnie ciągła droga dla medium: połączone pory, pęknięcie, zimny zlew albo błonka tlenkowa. Szczelność zapewnia się przede wszystkim konstrukcją i jakością ciekłego metalu, potwierdza próbą szczelności, a mikroporowatość tworzącą kanaliki można uszczelnić impregnacją próżniową. Tekst jest dla konstruktorów i pracowników działów jakości, którzy zamawiają korpusy, obudowy i pokrywy pracujące pod ciśnieniem.

W skrócie

• Porowatość szkodzi szczelności dopiero wtedy, gdy pory łączą się w kanał przechodzący przez ściankę.
• Najczęstsze źródła nieszczelności to porowatość skurczowa w węzłach cieplnych, gazy w metalu, błonki tlenkowe, zimne zlewy i gazy z rdzeni.
• Próba spadku ciśnienia i próba pęcherzykowa wykrywają przecieki rzędu 10⁻³–10⁻⁴ mbar·l/s, a granica czułości metody helowej w komorze próżniowej to ok. 5·10⁻¹² mbar·l/s.
• Impregnacja uszczelnia połączone pory niezależnie od ich wielkości, ale nie uszczelni pęknięć, zimnych zlewów, porów otwartych na powierzchni ani pojedynczej dużej pustki przez całą ściankę.
• Impregnację wykonuje się po obróbce ostatecznej, a przed malowaniem lub anodowaniem.

Dlaczego odlew aluminiowy przecieka

Sama obecność porów nie oznacza nieszczelności. Problem powstaje, gdy pory lub inne nieciągłości tworzą połączoną drogę od jednej powierzchni ścianki do drugiej. Najczęstsze przyczyny:

• Porowatość skurczowa. Powstaje w miejscach, które krzepną ostatnie i nie mają skąd pobrać ciekłego metalu: w węzłach cieplnych, grubych przekrojach i skrzyżowaniach ścian.
• Gazy w metalu. Akademicki podręcznik „Odlewnictwo” (WNT) określa obecność wodoru w stopach aluminium jako wyjątkowo niekorzystną i wskazuje, że skłonność do porowatości skurczowej jest bezpośrednio związana z zawartością gazów w ciekłym metalu (s. 244). Gaz i skurcz działają więc razem.
• Błonki tlenkowe. Tlenek glinu tworzy się bardzo łatwo, a jego cienkie błonki usuwa się z ciekłego stopu filtracją (s. 201). Błonka zamknięta w odlewie jest płaszczyzną nieciągłości, wzdłuż której medium może się przesączać.
• Zimne zlewy i niedolewy. Gdy strumienie metalu spotykają się zbyt chłodne, nie stapiają się w pełni. Pomaga pogrubienie zbyt cienkich ścianek i pochylenie dużych płaskich ścian (tabl. 3.13).
• Gazy z rdzeni. Masy rdzeniowe utwardzane na gorąco wydzielają przy zalewaniu dużo gazów (s. 266), dlatego rdzenie muszą mieć skuteczne odpowietrzenie.
• Obróbka skrawaniem. Odlew ciśnieniowy ma bardzo drobnoziarnistą warstwę przypowierzchniową (tabl. 3.7). Obróbka ją zbiera i może odsłonić pory, które w surowym odlewie były zamknięte.

Szczelność zaczyna się w projekcie odlewu

Najtańszy sposób na szczelny odlew to konstrukcja, która nie tworzy miejsc trudnych do zasilenia. Porowatość skurczową bezpośrednio ograniczają te zasady (tabl. 3.14 i 3.15):

• zamiast skrzyżowań ścian typu X stosuj połączenia przesunięte typu Z,
• w połączeniach typu T przewiduj zagłębienie odciążające – bez niego w węźle powstaje jama skurczowa,
• ścianki wewnętrzne projektuj ok. 20% cieńsze od zewnętrznych (Y = 0,8X), bo wolniej oddają ciepło,
• przechodź z grubszych przekrojów na cieńsze stopniowo i zaokrąglaj naroża,
• węzły cieplne przesuwaj w stronę nadlewów, żeby metal krzepł kierunkowo.

Pomaga też kształt, który pozwala odtworzyć wymiary z jednej połówki formy: według podręcznika daje to nie tylko większą dokładność, ale też większą wytrzymałość i szczelność odlewu (tabl. 3.12). Więcej reguł zebraliśmy w artykule o regułach konstruowania odlewów z aluminium, a o otworach i kanałach wewnętrznych piszemy w tekście o rdzeniach i ich odpowietrzaniu.

Po stronie metalu liczą się odgazowanie, usuwanie tlenków i rozdrobnienie ziarna. Według podręcznika rozdrabnianie ziarna związkami TiB₂ i TiC poprawia zasilanie, właściwości mechaniczne i szczelność, szczególnie w odlewach masywnych i krzepnących powoli, np. w formach piaskowych (s. 148). Jak przygotowuje się ciekły metal, opisujemy w artykule o usuwaniu wodoru i tlenków z ciekłego stopu.

Metody badania szczelności

Dobór metody zależy od tego, jak mały przeciek trzeba wykryć i czy chodzi o samą ocenę, czy także o wskazanie miejsca nieszczelności.

Metoda	Na czym polega	Czułość (mbar·l/s)	Kiedy ją stosować
Spadek ciśnienia (powietrze)	detal napełnia się powietrzem i mierzy spadek ciśnienia w czasie	ok. 10⁻³–10⁻⁴, zależnie od czasu próby, czujnika i objętości	seryjna kontrola każdej sztuki z wynikiem liczbowym
Próba pęcherzykowa (zanurzenie w wodzie)	detal pod ciśnieniem zanurza się w wodzie i obserwuje pęcherzyki	w praktyce ok. 10⁻³–10⁻⁴, mocno zależnie od kontrolera	wskazanie miejsca przecieku, małe serie
Helowa w komorze próżniowej	detal z helem umieszcza się w komorze próżniowej, a hel wykrywa spektrometr mas	do ok. 5·10⁻¹²	wymagania rzędu 10⁻⁷ i ostrzejsze
Helowa z sondą	sondę prowadzi się wzdłuż podejrzanych miejsc detalu wypełnionego helem	zależna od urządzenia	lokalizacja miejsca przecieku

Jednostka mbar·l/s opisuje ilość gazu, która w ciągu sekundy uchodzi przez nieszczelność. Przy wymaganiach rzędu 10⁻⁷ mbar·l/s i ostrzejszych właściwym wyborem jest metoda helowa. Próba pęcherzykowa wymaga cierpliwości: przy przecieku ok. 1,7·10⁻⁴ mbar·l/s dziesięć pęcherzyków o średnicy 2 mm pojawia się dopiero po ok. minucie. Pomiar spadku ciśnienia jest z kolei wrażliwy na zmiany temperatury, dlatego detal po myciu lub obróbce powinien najpierw wyrównać temperaturę z otoczeniem.

Jak zapisać wymagania szczelności w zapytaniu i na rysunku

Odlewnia nie powinna zgadywać parametrów próby. W zapytaniu i na rysunku podaj:

• medium próby (powietrze, hel, woda) i ciśnienie,
• czas próby i kryterium: dopuszczalny przeciek w mbar·l/s albo brak pęcherzyków w określonym czasie,
• etap kontroli: po obróbce, po impregnacji, przed nałożeniem powłoki,
• zakres: każda sztuka czy próbka z partii,
• strefy uszczelniające (rowki pod o-ringi, płaszczyzny przylgowe) i dopuszczalną porowatość na powierzchniach obrobionych – do jej wizualnej oceny służy norma ISO 10049,
• czy impregnacja jest dopuszczalna i dla jakich detali,
• jakie zapisy z badań mają trafić do dokumentacji dostawy.

Gdy przyczyną przecieków jest porowatość wewnętrzna, jej położenie i wielkość pokazują radiografia albo tomografia komputerowa. Dobór metody i zapis wymagań omawiamy w artykule o kryteriach akceptacji porowatości w badaniach NDT.

Impregnacja próżniowa: kiedy pomaga, a kiedy nie

Impregnacja polega na wypełnieniu porów uszczelniaczem w cyklu próżni i ciśnienia, a następnie na jego utwardzeniu. Współczesne uszczelniacze to zwykle żywice metakrylanowe utwardzane na gorąco w temperaturze ok. 90–95 °C. Proces opisuje amerykańska norma wojskowa MIL-STD-276A „Impregnation of Porous Nonferrous Metal Castings”, nadal aktywna. Obejmuje ona odlewy zdrowe konstrukcyjnie, czyli takie, w których problemem jest szczelność, a nie wady osłabiające część.

Najczęściej spotyka się warianty:

• próżnia sucha i ciśnienie (DVP) – najdokładniejszy, przeznaczony do krytycznych przecieków przy wysokich ciśnieniach,
• próżnia sucha (DV) – mniej dokładny,
• próżnia mokra (WV) – z uszczelniaczami anaerobowymi, głównie dla części spiekanych i elektrycznych.

Najważniejsze jest to, co impregnacja potrafi uszczelnić:

Impregnacja uszczelni	Impregnacja nie uszczelni
połączone pory tworzące drogę przecieku przez ściankę, niezależnie od wielkości porów	porów otwartych na powierzchni – to nie jest powłoka
drogi przecieku otwarte przez obróbkę (same pory widoczne na powierzchni pozostaną)	pęknięć
	zimnych zlewów, czyli niestopionych połączeń strumieni metalu
	pojedynczej dużej pustki przez całą ściankę, np. pory o średnicy ok. 5 mm w ściance grubości 5 mm

Impregnacja nie zastępuje więc dobrej konstrukcji ani przygotowania metalu. To sposób na mikroporowatość, której nie da się całkowicie wyeliminować, a nie lekarstwo na każdą wadę odlewu.

Kolejność operacji: obróbka, impregnacja, powłoka

1. Obróbka ostateczna – to ona odsłania pory pod naskórkiem, więc impregnacja przed obróbką nie miałaby sensu. Powierzchnie uszczelniające powstają podczas obróbki CNC po odlaniu.
2. Próba szczelności – jeśli impregnuje się tylko detale nieszczelne, służy do ich wyselekcjonowania.
3. Impregnacja.
4. Ponowna próba szczelności.
5. Powłoka: malowanie proszkowe albo anodowanie.

Impregnacja musi poprzedzać powłokę z trzech powodów. Podczas utwardzania farby proszkowej powietrze z nieuszczelnionych porów rozpręża się i tworzy w powłoce drobne kratery. Chemikalia z przygotowania powierzchni zamknięte w porach mogą później powodować korozję i wykwity. Wreszcie utwardzanie uszczelniacza w ok. 90 °C mogłoby uszkodzić gotową powłokę. To samo dotyczy części przeznaczonych do anodowania – o tym, które odlewy w ogóle się do niego nadają, piszemy w artykule o anodowaniu siluminów i stopów AlMg.

Najczęściej zadawane pytania

Odlewy do pracy pod ciśnieniem

Jeśli projektujesz korpus, obudowę lub pokrywę, która ma być szczelna, wyślij model z wymaganiami próby do wyceny. Przeanalizujemy konstrukcję pod kątem węzłów cieplnych, dobierzemy technologię odlewania i jeszcze przed startem produkcji ustalimy z Tobą zakres prób oraz ewentualnej impregnacji.

Źródła i normy

• M. Perzyk (red.), Odlewnictwo, WNT, Warszawa – rozdz. 3.1 (s. 148, tabl. 3.7), 3.2 (tabl. 3.12–3.15), 4.1.2 (s. 201), 4.2.6 (s. 244), 5.1.6 (s. 266).
• MIL-STD-276A – Impregnation of Porous Nonferrous Metal Castings (1992)
• ISO 10049:2019 – wizualna ocena porowatości powierzchni obrobionych odlewów ze stopów aluminium
• Fojtášek i in., EPJ Web of Conferences 213 (2019) – czułość metody spadku ciśnienia
• Pfeiffer Vacuum – nota aplikacyjna o doborze metody badania szczelności (PI 0457 PEN)
• Leybold – wykrywanie nieszczelności metodą pęcherzykową
• Foundry Management & Technology – Can vacuum impregnation seal this? (2018)
• Products Finishing – When to perform vacuum impregnation on parts