Литейные стали. Виды, свойства, маркировка литейных сталей

К литейным сталям относят железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14 % С и другие элементы (Mn, Si, Р, S, Cr, Ni, W, Mo, V и т. д.), попавшие в сталь из шихтовых материалов либо специально введенные в нее в определенных количествах для придания сплаву необходимых эксплуатационных и технологических свойств.

В настоящее время стальные отливки используют во всех отраслях машиностроения; по объему производства они занимают второе место после чугунов. Из сталей отливают обычно детали, к которым предъявляют повышенные требования по прочности, пластичности, надежности и долговечности в процессе эксплуатации. Литейные стали классифицируют в основном по способу выплавки, химическому составу, структуре, назначению.

Литейные стали по химическому составу подразделяют на:

• углеродистые;
• легированные.

Углеродистые стали по химическому составу подразделяют на:

• низкоуглеродистые (0,09…0,2 % С);
• среднеуглеродистые (0,2…0,45 % С);
• высокоуглеродистые (0,5…1,0 % С).

Легированные литейные стали подразделяют на:

• низколегированные (сумма легирующих элементов до 2,5 %);
• среднелегированные (сумма легирующих элементов 2,5…10 %);
• высоколегированные (сумма легирующих элементов более 10 %).

Стальные отливки (ГОСТ 977-88) изготовляют всеми способами литья из конструкционных нелегированных (15Л; 20Л; 25Л; 30Л; 35Л; 40Л; 45Л; 50Л), конструкционных легированных (20ГСЛ; 30ГСЛ; 35ГЛ; 40ХЛ; 20ФЛ; 30ХГСФЛ; 30ХНМЛ; 32Х06Л и других) и легированных со специальными свойствами (20X1ЗЛ – коррозионностойкие; 40Х9С2Л – жаростойкие; Р6М4Ф2Л – быстрорежущие; 110Г13Л – износостойкие и других) сталей.

Отливки по качественным показателям делят на три группы:

1. – обычного назначения и качества;
2. – ответственного назначения и повышенного качества;
3. – особо ответственного назначения и повышенного качества.

Маркировка сталей буквенно-цифровая:

• буква «Л» означает, что сталь литейная;
• первые цифры указывают среднюю и максимальную (при отсутствии нижнего предела) массовую долю углерода в сотых долях процента;
• буквы за цифрами означают:
  • А – азот;
  • Б – ниобий;
  • В – вольфрам;
  • Г – марганец;
  • Д – медь;
  • М – молибден;
  • Н – никель;
  • Р – бор;
  • С – кремний;
  • Т – титан;
  • Ф – ванадий;
  • X – хром;
  • Ю – алюминий;
  • Л – литейная.

Цифры, стоящие после букв, указывают примерную массовую долю легирующего элемента в процентах.

Таблица 1. Классификация литейных сталей

1. Литейные углеродистые стали

Для получения отливок используются углеродистые стали, содержащие 0,12–0,60 % С. Они маркируются числом, обозначающим среднее содержание углерода (в сотых долях процента) и буквой «Л» (табл. 2). Литейные стали отличаются от деформируемых большим допуском на содержание примесей, а также несколько пониженной пластичностью.

Таблица 2. Механические свойства конструкционной нелегированной стали

В зависимости от назначения и предъявляемых требований все отливки из углеродистых и легированных сталей подразделяют на три группы:

1. – отливки общего назначения, контролируемые по внешнему виду, размерам и химическому составу;
2. – отливки ответственного назначения, контролируемые, кроме того, по прочности (σ_в или σ_т) и относительному удлинению;
3. – отливки особо ответственного назначения, контролируемые дополнительно к указанным характеристикам по ударной вязкости.

В числе контролируемых параметров могут включаться также микроструктура, пористость, герметичность и другие специальные характеристики.

Химический состав сталей полностью не приводится, так как существенно изменяется только содержание углерода, которое определяет марку стали и ее основные свойства.

Марганец (0,3–0,9 %) раскисляет сталь и нейтрализует вредные примеси серы, а также несколько повышает прочность стали. С железом сера образует сульфид FeS и легкоплавкую эвтектику Fe-FeS по границам зерен, в результате чего возникает красноломкость и склонность к образованию горячих трещин. При введении марганца в соотношении % Мn >1,71 % S образуются более тугоплавкие сульфиды MnS, располагающиеся в виде неметаллических включений внутри зерна; в результате красноломкость исчезает.

Кремний (0,2–0,5 %) вводится в сталь как раскислитель и дегазатор. Даже в небольших количествах он заметно упрочняет феррит и снижает пластичность стали.

Требования по содержанию марганца и кремния в литейных углеродистых сталях рассматриваются как факультативные: отклонения от них не являются признаком брака.

Сера и фосфор в сталях, за редким исключением, являются вредными примесями. Их содержание ограничивается в пределах 0,45– 0,06 % S и 0,04–0,08 % Р, в зависимости от группы и габаритных размеров отливок; с увеличением размеров требования ужесточаются. Как уже упоминалось, сера вызывает красноломкость стали, а фосфор – снижение пластичности при комнатной температуре.

Механические свойства сталей определяются содержанием углерода; по мере его увеличения от 0,15 до 0,55 % σ_в возрастает от 400 до 600 МПа, а δ снижается с 24 до 10 %, уменьшается также ударная вязкость с 0,49 до 0,24 МДж/м². Это изменение свойств объясняется возрастанием доли перлита в микроструктуре стали.

Область применения литейных нелегированных сталей:

1. 15Л; 20Л; 25Л – копровые бабы, блоки, ролики, корпусы, поводки, захваты, арматура, фасонные отливки, шкивы, траверсы, поршни, буксы, крышки цилиндров, корпусы подшипников.
2. 35Л; 40Л; 45Л – рычаги, балансиры, корпусы редукторов, муфты, шкивы, кронштейны, станины, балки, опорные кольца, бандажи, маховики, зубчатые колеса, тяги, валики.
3. 50Л; 55Л – шестерни, бегунки, колеса, зубчатые колеса подъемно-транспортных машин.

Особенности литейных свойств углеродистых сталей.

Литейные свойства углеродистых сталей значительно хуже литейных свойств чугуна и других сплавов. Низкая жидкотекучесть сталей объясняется, главным образом, самой высокой (кроме титановых сплавов) температурой ликвидуса и соответственно низкой температурой заливки. Суммарная объемная усадка затвердевания и усадка в жидком состоянии составляет 6,0 %. Поэтому стальные отливки, как и отливки всех других сплавов, кроме чугуна, необходимо получать с прибылями.

Для стальных отливок характерно развитие пористости, в них чаще, чем в отливках из других сплавов, образуются горячие трещины, даже в случаях литья в песчано-глинистые формы. В то же время холодные трещины в стальных отливках возникают реже, чем в чугунных отливках. К насыщению газами и неметаллическим включениям стали более склонны, но и требования для них выше, чем для чугунов. К ликвации, особенно по сере и фосфору, склонны стальные отливки с толщиной стенки более 80 мм. Как правило, ликвации подвергнуты слитки, имеющие существенно большую толщину.

К изменению механических свойств, в зависимости от толщины стенок, литейные углеродистые стали менее чувствительны, чем другие сплавы, особенно, учитывая обязательную их термическую обработку.

2. Легированные литейные стали

Легирование литейных углеродистых сталей проводится с целью повышения механических свойств и приобретения ими специальных служебных свойств.

К легированным сталям относят низко- и среднелегированные стали с содержанием легирующих компонентов, соответственно, до 2,5 и от 2,5 до 10 %. Химический состав легированных сталей в соответствии с ГОСТ 977-88 приведен в табл. 3, а их механические свойства после термической обработки (закалки (нормализации) и отпуска) – в табл. 4.

Чаще других применяют стали, легированные кремнием, марганцем, хромом и никелем, медью и др. Известно много композиций марганцевой стали, различающихся содержанием углерода и марганца. Обычно их содержание колеблется в пределах, соответственно, 0,17…0,4 % С и 1,0…2,0 % Mn. Марганцевые стали отличаются более высокой прочностью и особенно большей прокаливаемостью, чем углеродистые. Марганцевые стали широко используются при изготовлении отливок для железнодорожного транспорта, экскаваторов и других машин.

Таблица 3. Средний химический состав легированных сталей, мас. %

Содержание S и Р не более 0,03…0,05 % каждого.

Таблица 4. Механические свойства легированных сталей

У хромовых сталей (40ХЛ и др.) также повышенные, по сравнению с углеродистой сталью, механические свойства и прокаливаемость. Для улучшения их структуры и свойств используют небольшие добавки молибдена, устраняющие склонность к отпускной хрупкости. Хромовые стали применяют для получения отливок, работающих в условиях абразивного износа.

Большая прокаливаемость достигается при легировании стали одновременно марганцем, хромом и кремнием (30ХГСЛ, хромансил). Одновременное легирование хромом и никелем проявляется в измельчении зерна, в значительном увеличении прокаливаемости, что позволяет изготовлять из этих сталей крупногабаритные отливки (30ХНМЛ и др.). Стали, легированные медью, подвержены дисперсионному твердению, которое обеспечивает однородные свойства в тонких и толстых сечениях отливок. Некоторые марки легированных сталей модифицируют бором, кальцием, церием и другими РЗМ. В результате улучшаются механические и литейные свойства стали.

Как правило, добавки вводятся в малых количествах. Так, например, достаточно иметь 0,001…0,002 % В в стали, чтобы получить резкое увеличение прокаливаемости и пластичности. В одних случаях действие добавок связывается с модифицированием, в других – с микролегированием. Графитизированная сталь, также относящаяся к легированным, содержит 0,9…1,5 % С, 1,0…1,4 % Si, 0,5 % Mn.

В литом состоянии ее структура представлена перлитом и цементитом, т. е. весь углерод находится в связанном состоянии. При термической обработке (отжиг с нагревом до 900 °С и последующее медленное охлаждение в интервале температур 800…700 °С) происходит распад структурно свободного цементита с выделением графита. Окончательная структура стали – перлит + графит. Такая графитизированная сталь обладает повышенными антифрикционными свойствами и используется для втулок, вкладышей, работающих в условиях абразивного износа.

Высоколегированные стали. В соответствии с ГОСТ 2176-77, высоколегированные стали, содержащие более 10 % легирующих элементов, подразделяются по структуре на шесть классов: мартенситный; мартенсито-ферритный; ферритный; аустенито-мартенситный; аустенито-ферритный; аустенитный. Смена классов происходит по мере увеличения легированности. На практике чаще пользуются названиями сталей по основным служебным свойствам: коррозионностойкая, кислотостойкая, жаростойкая, жаропрочная, износостойкая.

Большой класс высоколегированных сталей составляют так называемые коррозионностойкие (нержавеющие) стали, обладающие хорошей стойкостью против коррозионного воздействия агрессивных сред. Прежде всего к ним относятся высоколегированные хромовые стали ферритного класса (12Х18ТЛ, 15Х20ТЛ), обладающие хорошей пластичностью. Добавка титана связывает углерод и повышает стойкость против межкристаллитной коррозии.

Для получения высокой твердости и износостойкости хромовых сталей (Х28Л, Х34Л) содержание углерода увеличивают до 0,5…2,0 % и получают феррито-карбидную структуру. Хромовые коррозионностойкие стали мартенситного и феррито-мартенситного классов характеризуются сравнительно широким диапазоном содержания углерода и возможным наличием никеля, меди, ниобия и других элементов.

К сталям этого класса можно отнести стали марок 10Х14НДЛ и 09ХН4БЛ (Б – ниобий). Наивысшей коррозионной стойкостью рассматриваемые стали обладают в том случае, когда карбиды в свободном состоянии отсутствуют и полностью переведены в твердый раствор. Хромовые стали отличаются пониженной, по сравнению с углеродистой сталью, теплопроводностью, повышенной окисляемостью, склонностью к пленообразованию, образованию пригара при заливке в формы на основе кварцевого песка, к образованию усадочных раковин, горячих и холодных трещин.

В качестве кислотoстойких сталей применяют высоколегированные стали аустенитного, аустенито-ферритного и феррито-аустенитного классов. Основными легирующими элементами для них являются хром и никель. При этом никель необходим для получения однофазной аустенитной структуры.

Кислотостойкая хромоникелевая сталь, содержащая 18 % Cr и 8 % Ni, широко используется для отливок деталей насосов, фиттингов и т. п. Чаще других стали этого типа легируют титаном и молибденом (12Х18Н9ТЛ, 12Х18Н12МЗТЛ).

Хромоникелевые стали так же, как и хромовые, обладают пониженными литейными свойствами. Сложнолегированные хромоникелевые стали характеризуются высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Жаропрочными называют стали, способные сопротивляться нагрузкам и разрушению при температурах выше 550 °С. Стали, обладающие высокой стойкостью против коррозии и образования окалины при температурах до 1200 °С, называют жаростойкими.

Основным фактором, предопределяющим жаропрочность сталей, является легированный аустенит. Практическое применение для изготовления отливок из жаропрочных сталей получили аустенитные стали типа 12Х18Н9ТЛ (для жаропрочных отливок энергетического, химического и нефтяного машиностроения) и 12Х20Н12ТЛ (для турбинных лопаток, работающих при температурах до 600 °С). В стали 15Х18Н22В6М2Л высокая жаропрочность обеспечивается за счет введения добавок вольфрама и молибдена.

Высокомарганцевая износостойкая сталь 110Г13Л (так называемая «сталь Гадфильда») относится к аустенитному классу. Особенностью отливок из этой стали является способность упрочняться условиях ударной нагрузки и принимать наклеп, повышающий поверхностную твердость от НВ 170…200 до НВ 600…800 и износостойкость в условиях абразивного изнашивания. При отсутствии наклепа ее износостойкость находится на уровне углеродистой стали. В литом состоянии структура стали – аустенит и карбиды, располагающиеся по границам зерен. Данная сталь используется после закалки в воде с температурой 1100 °С, когда отливки приобретают однородную аустенитную структуру.

Температура заливки стали 110Г13Л ниже, чем у других сталей, и колеблется в пределах 1330…1370 °С. Сталь 110Г13Л характеризуется повышенной склонностью к усадочным дефектам, образованию горячих трещин, пригару при литье в формы на основе кварца. Особо следует отметить, что сталь 110Г13Л очень плохо обрабатывается режущим инструментом.