Литейные стали: Классификация, маркировка, свойства

В современной промышленности, от тяжелого машиностроения до аэрокосмической отрасли, стальные отливки играют незаменимую роль. Они являются основой для создания деталей сложной конфигурации, которые должны выдерживать высокие статические и динамические нагрузки. В данном материале мы проведем всесторонний анализ литейных сталей, их классификации, свойств и областей применения, опираясь на действующие стандарты и инженерную практику.

Исторически, получение качественных стальных отливок было сложной задачей. Прорыв произошел в середине XVIII века с изобретением тигельного способа плавки стали Бенджамином Хантсманом, что позволило получать более гомогенный и качественный металл, пригодный для фасонного литья. С тех пор технологии шагнули далеко вперед, но фундаментальные принципы, определяющие свойства литейных сталей, остаются неизменными.

1. Определение и фундаментальная классификация литейных сталей

С технической точки зрения, литейные стали представляют собой железоуглеродистые сплавы, предназначенные для производства фасонных деталей методом литья. Содержание углерода в них не превышает 2,14 %, что является границей между сталью и чугуном. Помимо железа и углерода, в их состав входят постоянные примеси (Mn, Si, P, S), а также легирующие элементы (Cr, Ni, W, Mo, V и др.). Эти элементы либо переходят в сталь из шихтовых материалов в процессе плавки, либо вводятся целенаправленно (легируются) для придания сплаву специфических эксплуатационных и технологических характеристик, таких как повышенная прочность, коррозионная стойкость или жаропрочность.

По объему производства в литейной промышленности стальные отливки уверенно занимают второе место, уступая лишь чугунным. Их применяют для изготовления наиболее ответственных деталей, от которых требуется высокая надежность, долговечность, а также сочетание прочности и пластичности. Классификация литейных сталей многогранна и основывается на нескольких ключевых параметрах.

1.1. Классификация по химическому составу

Это наиболее фундаментальное разделение, определяющее базовые свойства сплава.

• Углеродистые стали: Свойства этих сплавов в основном определяются процентным содержанием углерода. Они, в свою очередь, делятся на:
  • Низкоуглеродистые (содержание C от 0,09 до 0,2 %): Обладают высокой пластичностью и хорошей свариваемостью.
  • Среднеуглеродистые (содержание C от 0,2 до 0,45 %): Представляют собой компромисс между прочностью и пластичностью, наиболее распространены в машиностроении.
  • Высокоуглеродистые (содержание C от 0,5 до 1,0 %): Характеризуются высокой твердостью и износостойкостью, но пониженной пластичностью.
• Легированные стали: Содержат специально введенные элементы для улучшения свойств. Их классифицируют по суммарной доле легирующих добавок:
  • Низколегированные (сумма легирующих элементов до 2,5 %): Незначительное улучшение прочности и прокаливаемости по сравнению с углеродистыми.
  • Среднелегированные (сумма легирующих элементов от 2,5 до 10 %): Существенное изменение механических и специальных свойств.
  • Высоколегированные (сумма легирующих элементов более 10 %): Сплавы со специальными свойствами (например, нержавеющие, жаропрочные).

1.2. Стандартизация и маркировка согласно ГОСТ 977-88

Основным нормативным документом, регламентирующим требования к стальным отливкам в странах СНГ, является ГОСТ 977-88 «Отливки стальные. Общие технические условия». Этот стандарт устанавливает марки сталей, их химический состав, механические свойства и технические требования.

Маркировка сталей имеет строгую буквенно-цифровую структуру, позволяющую инженеру однозначно идентифицировать сплав:

• Первые две цифры указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, в стали 25Л содержится около 0,25 % углерода.
• Буква «Л» в конце маркировки является обязательной и прямо указывает, что сталь является литейной.
• Буквы между цифрами и «Л» обозначают основные легирующие элементы:
  • А – Азот (N)
  • Б – Ниобий (Nb)
  • В – Вольфрам (W)
  • Г – Марганец (Mn)
  • Д – Медь (Cu)
  • М – Молибден (Mo)
  • Н – Никель (Ni)
  • Р – Бор (B)
  • С – Кремний (Si)
  • Т – Титан (Ti)
  • Ф – Ванадий (V)
  • Х – Хром (Cr)
  • Ю – Алюминий (Al)
• Цифры, следующие за буквой легирующего элемента, указывают на его примерное процентное содержание. Если цифра отсутствует, содержание элемента обычно составляет до 1-1,5 %.

Пример расшифровки: Сталь 30ХНМЛ — это литейная (Л) сталь, содержащая около 0,30% углерода (30), легированная хромом (Х), никелем (Н) и молибденом (М) в количестве около 1% каждого (цифры после букв отсутствуют).

1.3. Группы качества отливок

В зависимости от степени ответственности и условий эксплуатации, ГОСТ 977-88 разделяет все стальные отливки на три группы по показателям качества:

1. Группа 1: Отливки общего назначения. Контроль производится по внешнему виду на предмет дефектов (трещины, раковины), соответствию геометрических размеров чертежу и химическому составу.
2. Группа 2: Отливки ответственного назначения. Помимо контроля по параметрам первой группы, для них обязательны испытания на механические свойства: предел прочности (σ_в) или предел текучести (σ_т) и относительное удлинение (δ).
3. Группа 3: Отливки особо ответственного назначения. К ним предъявляются самые строгие требования. В дополнение к контролю по второй группе, обязательным является определение ударной вязкости (KCU). По согласованию с заказчиком могут контролироваться и другие параметры: микроструктура, герметичность, проливы на пористость и т.д.

Таблица 1 ниже систематизирует основные группы литейных сталей с примерами марок.

2. Литейные углеродистые (нелегированные) стали

Для производства фасонных отливок преимущественно применяют углеродистые стали с содержанием углерода в диапазоне 0,12–0,60 %. Эти стали являются «рабочими лошадками» машиностроения благодаря своей доступности и универсальности. В сравнении с деформируемыми (прокатными) сталями аналогичного состава, литейные марки имеют более широкие допуски по содержанию примесей, что обусловлено особенностями технологии их производства. Это, в свою очередь, может приводить к незначительному снижению пластичности.

2.1. Влияние химических элементов

• Углерод (С): Является основным элементом, определяющим структуру и механические свойства. С увеличением его содержания от 0,15% до 0,55% предел прочности σ_в возрастает с ~400 до ~600 МПа. Это объясняется увеличением доли более твердой структурной составляющей — перлита — в феррито-перлитной матрице. Одновременно с этим снижается пластичность (относительное удлинение δ падает с 24% до 10%) и ударная вязкость.
• Марганец (Mn, 0,3–0,9 %): Выполняет две ключевые функции. Во-первых, он является эффективным раскислителем, удаляя из расплава кислород. Во-вторых, он нейтрализует вредное влияние серы. Сера, образуя с железом легкоплавкий сульфид FeS, располагающийся по границам зерен, вызывает явление красноломкости — хрупкости металла при высоких температурах, что приводит к образованию горячих трещин. Марганец, обладая большим сродством к сере, образует тугоплавкие сульфиды MnS. При соотношении %Mn > 1,71 * %S, сульфиды MnS формируются в виде глобулярных включений внутри зерен, не нарушая межзеренных связей и устраняя риск красноломкости.
• Кремний (Si, 0,2–0,5 %): Вводится в сталь в первую очередь как сильный раскислитель и дегазатор. Растворяясь в феррите, он упрочняет его, но одновременно несколько снижает пластичность и ударную вязкость.
• Сера (S) и Фосфор (P): За редким исключением, являются вредными примесями. Их содержание строго ограничивается (до 0,045–0,06 % S и 0,04–0,08 % P). Сера, как указано выше, вызывает красноломкость. Фосфор вызывает хладноломкость — повышение хрупкости стали при пониженных и комнатных температурах. Требования к содержанию S и P ужесточаются с увеличением габаритов и ответственности отливки.

2.2. Механические свойства и применение

Механические свойства углеродистых сталей напрямую зависят от содержания углерода и вида термической обработки (нормализация или закалка с отпуском), как показано в таблице 2.

Области применения нелегированных сталей:

1. 15Л, 20Л, 25Л: Детали, работающие при невысоких статических нагрузках и требующие хорошей пластичности. Примеры: корпуса подшипников, крышки цилиндров, шкивы, траверсы, арматура, неответственные блоки и ролики.
2. 35Л, 40Л, 45Л: Наиболее востребованная группа для деталей, испытывающих умеренные динамические и статические нагрузки. Примеры: зубчатые колеса, рычаги, балансиры, корпуса редукторов, станины, муфты, кронштейны.
3. 50Л, 55Л: Детали, требующие повышенной твердости и износостойкости при работе без значительных ударных нагрузок. Примеры: зубчатые венцы, колеса подъемно-транспортных машин, бегунки.

2.3. Специфика литейных свойств углеродистых сталей

Литейные свойства углеродистых сталей существенно уступают чугунам, что усложняет технологию получения качественных отливок.

• Жидкотекучесть: Низкая жидкотекучесть обусловлена высокой температурой плавления (около 1500 °С) и узким интервалом кристаллизации. Это требует повышенной температуры заливки и усложняет заполнение тонкостенных сечений формы.
• Усадка: Суммарная объемная усадка (в жидком состоянии и при затвердевании) достигает 6-7%. Это высокий показатель, требующий обязательного применения крупных прибылей для компенсации усадочных раковин и пористости.
• Склонность к дефектам: Стальные отливки более склонны к образованию горячих трещин, газовой пористости и неметаллических включений по сравнению с чугунными. Ликвация (неоднородность химического состава) по сере и фосфору особенно проявляется в толстостенных отливках (стенка > 80 мм).

Несмотря на это, углеродистые стали менее чувствительны к влиянию толщины стенки на механические свойства, чем серые чугуны, особенно после обязательной для них термической обработки (отжига или нормализации).

3. Легированные литейные стали

Легирование, то есть введение в состав стали специальных элементов, является основным инструментом для кардинального улучшения ее свойств. Цели легирования:

• Значительное повышение механических характеристик (прочности, твердости, ударной вязкости).
• Улучшение прокаливаемости, что позволяет получать заданные свойства в крупногабаритных отливках.
• Придание сплаву специальных свойств: коррозионной стойкости, жаропрочности, износостойкости и т.д.

3.1. Низко- и среднелегированные стали

Эта группа сталей является логическим развитием углеродистых сплавов. Небольшие добавки легирующих элементов позволяют существенно повысить их эксплуатационные характеристики.

Чаще всего в качестве легирующих элементов выступают:

• Марганец (свыше 1%): Стали типа 20ГЛ, 35ГЛ. Марганец значительно увеличивает прокаливаемость и прочность. Такие стали широко используются для отливок железнодорожного транспорта, деталей экскаваторов и дробилок.
• Хром (Cr) и Молибден (Mo): Стали 40ХЛ, 35ХМЛ, 30ХНМЛ. Хром повышает твердость и износостойкость. Молибден дополнительно увеличивает прокаливаемость и, что важно, устраняет склонность к отпускной хрупкости — явлению снижения ударной вязкости после определенного режима отпуска.
• Комплексное легирование (Cr, Mn, Si, Ni): Стали 35ХГСЛ (хромансиль), 30ХНМЛ. Одновременное введение нескольких элементов дает синергетический эффект. Например, хром и никель резко увеличивают прокаливаемость и вязкость, позволяя изготавливать крупногабаритные высоконагруженные детали.
• Микролегирование: Введение сверхмалых добавок (сотые и тысячные доли процента) таких элементов, как бор (Р), кальций (Ca), церий (Ce) и другие РЗМ. Например, всего 0,001–0,002% бора способно кардинально увеличить прокаливаемость стали. Эти элементы выступают в роли модификаторов, измельчая зерно и улучшая как механические, так и литейные свойства.

Химический состав и механические свойства некоторых популярных марок легированных сталей приведены в таблицах 3 и 4.

Примечание: Содержание S и Р для большинства марок не более 0,03…0,05 % каждого.

3.2. Высоколегированные стали со специальными свойствами

Эта категория включает сплавы с содержанием легирующих элементов свыше 10%. Требования к ним ранее регламентировались ГОСТ 2176-77, однако в настоящее время этот стандарт упразднен, и все положения включены в единый ГОСТ 977-88. По структуре в равновесном состоянии их делят на несколько классов: мартенситный, ферритный, аустенитный и промежуточные (мартенсито-ферритный, аустенито-ферритный и т.д.). На практике чаще используется классификация по назначению.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали

Их ключевое свойство — способность сопротивляться коррозии в агрессивных средах благодаря образованию на поверхности тонкой, плотной и инертной пассивной пленки оксида хрома Cr₂O₃.

• Хромистые стали (мартенситного и ферритного классов): Например, 20Х13Л. Обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и слабоагрессивных средах. Могут подвергаться закалке для повышения твердости.
• Хромоникелевые стали (аустенитного класса): Например, 10Х18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ. Это наиболее распространенная группа «нержавейки». Никель стабилизирует аустенитную структуру, придавая стали высокую пластичность, хорошую свариваемость и отличную коррозионную стойкость во многих кислотах и щелочах. Для борьбы с межкристаллитной коррозией их дополнительно легируют титаном (12Х18Н9ТЛ) или ниобием.

Жаростойкие и жаропрочные стали

Важно различать эти два свойства.

• Жаростойкость (окалиностойкость) — это способность стали сопротивляться химическому разрушению (окислению) при высоких температурах (до 1200 °С). Примеры: 40Х9С2Л, 15Х23Н18Л.
• Жаропрочность — это способность стали выдерживать механические нагрузки при высоких температурах (свыше 550 °С) в течение длительного времени, не разрушаясь и не деформируясь (сопротивление ползучести). Примеры: 20Х12ВНМФЛ, 12Х18Н9ТЛ. Для повышения жаропрочности стали аустенитного класса легируют вольфрамом и молибденом (15Х18Н22В6М2РЛ). Из них изготавливают лопатки турбин, детали печной арматуры, элементы реакторов.

Износостойкая сталь 110Г13Л (Сталь Гадфильда)

Эта высокомарганцевая сталь аустенитного класса стоит особняком. Ее уникальность заключается в способности к интенсивному поверхностному самоупрочнению (наклепу) в условиях ударных нагрузок. Изначально мягкая и вязкая отливка (твердость HB 170-200) под действием ударов упрочняется до HB 600-800, в то время как сердцевина сохраняет высокую вязкость. Это делает ее незаменимой для изготовления щек дробилок, зубьев ковшей экскаваторов, железнодорожных крестовин.

Ключевые особенности 110Г13Л:

• Требует обязательной закалки в воде с 1100 °С для получения однородной аустенитной структуры.
• Обладает очень плохой обрабатываемостью резанием из-за интенсивного наклепа.
• Имеет повышенную усадку и склонность к образованию горячих трещин.
• Немагнитна.

4. Сравнительная характеристика основных групп литейных сталей

5. Интересные факты о литейных сталях

• Открытие «нержавейки»: Нержавеющая сталь была открыта случайно в 1913 году в Шеффилде (Англия) металлургом Гарри Брерли. Он экспериментировал со сплавами для оружейных стволов и заметил, что один из образцов с высоким содержанием хрома не ржавеет.
• Немагнитная броня: Благодаря своей немагнитности и высокой вязкости, сталь Гадфильда (110Г13Л) в годы Второй мировой войны использовалась для изготовления шлемов и в качестве противоснарядной брони на некоторых кораблях.
• Современное моделирование: Сегодня проектирование технологии литья стальных деталей невозможно представить без компьютерного моделирования (системы CAE, например, LVM-Flow, ProCAST). Программы позволяют смоделировать процесс заливки и затвердевания, предсказать образование усадочных раковин, пористости и трещин, и оптимизировать конструкцию литниковой системы еще до изготовления первой формы.
• Точное литье: Для получения деталей сложнейшей формы из жаропрочных сплавов (например, лопаток газовых турбин) используется метод литья по выплавляемым моделям. Этот метод позволяет получать отливки с высокой точностью размеров и качеством поверхности, практически не требующие механической обработки.

6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем ключевое отличие литейной стали от обычной (прокатной)?

Основное отличие — в назначении и технологических свойствах. Литейные стали обладают лучшей жидкотекучестью для заполнения сложных форм. Они часто содержат больше кремния. Прокатные стали оптимизированы для обработки давлением (ковка, прокатка), они более пластичны и имеют более жесткие допуски по примесям.

Почему для стальных отливок всегда необходима термическая обработка?

В литом состоянии сталь имеет крупнозернистую, неоднородную структуру (литая дендритная структура), которая обладает низкими механическими свойствами, особенно пластичностью и вязкостью. Термическая обработка (отжиг или нормализация) позволяет получить мелкозернистую и однородную структуру, что кардинально повышает эксплуатационные характеристики отливки.

Можно ли сваривать сталь Гадфильда (110Г13Л)?

Сварка этой стали крайне затруднительна. Из-за высокой теплопроводности и склонности к образованию хрупких карбидов в зоне термического влияния, сварной шов и прилегающая область становятся очень хрупкими. Применяются специальные технологии сварки с минимальным тепловложением и использованием особых электродов, но это сложный и ответственный процесс.

Что такое «графитизированная сталь», упомянутая в некоторых источниках?

Это особый вид легированной стали с высоким содержанием углерода (0,9-1,5%) и кремния (1,0-1,4%). После специального отжига (графитизирующего), содержащийся в ней цементит распадается с образованием включений графита, как в чугуне. В результате получается материал, сочетающий прочность стали с антифрикционными свойствами и виброгашением чугуна. Используется для вкладышей, втулок и других деталей, работающих на износ.

Как выбрать правильную марку литейной стали для детали?

Выбор марки — это комплексная инженерная задача. Необходимо учитывать: 1) Уровень и характер нагрузок (статические, динамические, ударные). 2) Условия эксплуатации (температура, агрессивность среды). 3) Требования к свариваемости и обрабатываемости. 4) Габариты отливки (влияет на прокаливаемость). 5) Экономическую целесообразность.

Заключение

Литейные стали представляют собой обширный и критически важный класс конструкционных материалов. Понимание их классификации, свойств и особенностей технологии является фундаментальным для любого инженера-конструктора и технолога-литейщика. От правильного выбора марки стали, регламентированного ГОСТ 977-88, напрямую зависит надежность, долговечность и безопасность машин и механизмов. Современные тенденции в развитии литейных сплавов направлены на создание новых композиций с улучшенным комплексом свойств, а также на широкое внедрение методов компьютерного моделирования для повышения качества отливок и снижения издержек производства.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в Современные технологии производства

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Технологии автоматизации в обработке давлением: валковые подачи, ГПМ, обрабатывающие центры и линии резки. - 09.09.2025
• Современное гибочное оборудование: технологии, виды, применение - 09.09.2025
• Оборудование и технологии листовой штамповки для мелкосерийного производства - 09.09.2025