Сталь 20Л или 35Л: сравнение свариваемости и литейных свойств для фасонного литья

Коллеги, я предлагаю разобрать две марки — сталь 20Л и 35Л — ровно настолько жёстко, насколько это требует наш план выпуска фасонного литья. У нас за плечами не одна тонна брака, поэтому скажу прямо: выбор марки — это всегда компромисс между прочностью отливки и усилием, которое мы тратим на сварку и последующую термообработку. Задача ясна — получить деталь с хорошим литьём и без трещин в сварных швах.

20Л — это низкоуглеродистая сталь (0.17–0.24% C). Она пластична, как варёная морковка, и практически не «боится» термоциклов сварки. 35Л — это среднеуглеродистая сталь (0.32–0.40% C). Она даёт нам приличную твёрдость в литье, но за эту твёрдость мы платим риском холодных трещин в околошовной зоне. Игнорировать разницу в углеродном эквиваленте (Ceq) нельзя — это база.

Литейные свойства — это первая линия фронта. 20Л обладает значительно большей жидкотекучестью за счёт более широкого интервала кристаллизации; она лучше заполняет тонкостенные фасонные полости. 35Л более капризна: у неё выше усадка (около 2% против 1.8% у 20Л), что даёт нам больше концентрированных усадочных раковин и рыхлот в массивных узлах. Если мы льём детали с резким перепадом толщин, 20Л спасёт от горячих трещин, а 35Л придётся «успокаивать» мощными прибылями.

Теперь о свариваемости — это «ахиллесова пята» многих проектов. С 20Л мы завариваем дефекты (газовые раковины, усадочную пористость) обычным ММА (ручной дуговой) электродом УОНИ 13/45 без предварительного подогрева. Достаточно зачистить и сушить. С 35Л, если мы не прогреем деталь до 200–250°C перед сваркой, получим 100% закалочные структуры в ЗТВ (зоне термического влияния). Там твёрдость может скакнуть до 45 HRC, и это гарантированный скол при эксплуатации.

Давайте посмотрим на цифры «в сухом остатке» в таблице, которую я составил на основе данных цехового журнала и требований РД 03-606-03 (я их немного адаптировал под наш литейный участок). Таблица не врёт, она показывает, что выгоднее для конкретного узла.

Теперь давайте пройдёмся по практике. На прошлой неделе мы варили рычаг из 20Л для конвейерной системы — дефект газовой раковины заварили за 15 минут без подогрева, даже не греть горелкой. Механообработка подтвердила — провара 100%. С 35Л такой номер не пройдёт: если мы заварим раковину на холодную, получим шов с твёрдостью 460-500 HV, и это уже хана — микротрещины разбегутся по кристаллитам.

Литейный аспект: если мы отливаем 35Л в форму с резким перепадом сечений (например, втулка-фланец), в зоне перехода неизбежно возникнут горячие трещины — это вам не 20Л. 35Л даёт широкий интервал кристаллизации, и в стыке «тонкая стенка — массивный фланец» усадка разрывает металл. Приходится ставить мощные холодильники. 20Л в этом смысле прощает косяки формовщиков.

Итог простой и циничный, как молоток слесаря. Для деталей, которые работают на износ или под высоким давлением (штоки, шестерни, крестовины), нам нужна 35Л — но только с 100% контролем термообработки после сварки и обязательным подогревом. Для основной массы корпусного литья, кронштейнов и рамы — берите 20Л. Она сваривается как автомат Калашникова, и брак по сварке с ней — редкая случайность, а не наша ежедневная головная боль.

Если директор спросит: «А что, 35Л дороже?» — отвечайте: «Да, она дороже в обработке на 15-18% из-за припусков на механику и термообработку после сварки». Но главное — она значительно тяжелее в литье и сварке. Наш литейный двор должен понимать: 20Л — это «рабочая лошадка», 35Л — это «спортивная машина», которая требует гаражного сервиса после каждого заезда. Я рекомендую для новой линейки фасонного литья остановиться на 20Л, а 35Л пустить только под конкретные заказы с жёсткими требованиями по износу.

Ключевые термины и узлы, рассмотренные в статье:

Какая из сталей, 20Л или 35Л, лучше поддается сварке при фасонном литье?

Сталь 20Л (с содержанием углерода ~0,20%) сваривается значительно лучше, чем 35Л (~0,35% C). Низкое содержание углерода в 20Л снижает склонность к закалке в зоне термического влияния (ЗТВ) и уменьшает риск образования холодных трещин. Для 35Л, особенно при сварке толстостенных отливок в условиях низких температур, обязателен предварительный подогрев до 200-300°C и последующая термообработка. Для 20Л подогрев требуется реже и при менее жестких условиях.

Как содержание углерода в сталях 20Л и 35Л влияет на жидкотекучесть при литье?

Сталь 35Л обладает лучшей жидкотекучестью. Более высокая концентрация углерода (до 0,35%) снижает температуру ликвидуса (начала затвердевания) и увеличивает интервал кристаллизации, что улучшает заполняемость сложных тонкостенных форм. Сталь 20Л, имея более высокую температуру плавления и большую вязкость расплава, требует более высокой температуры заливки и более тщательной конструкции литниковой системы для получения качественных тонкостенных отливок.

Склонность к трещинообразованию при усадке: 20Л или 35Л?

Сталь 35Л более склонна к образованию горячих (усадочных) трещин. Увеличение содержания углерода расширяет температурный интервал кристаллизации (двухфазная зона), в котором металл обладает пониженной прочностью и высокой склонностью к разрывам под действием усадочных напряжений. Сталь 20Л, с более узким интервалом кристаллизации, демонстрирует лучшую стойкость к горячим трещинам. Однако 35Л, из-за более высокой прочности в твердом состоянии, может быть менее чувствительна к холодным трещинам, если сварка выполнена с подогревом.

Требуется ли термическая обработка отливок из 20Л и 35Л для улучшения штатной свариваемости?

Да, для обеих марок, но цели разные. Для стали 35Л после отливки рекомендуется нормализация (или отжиг) для снятия литейных напряжений и улучшения структуры (измельчение зерна). Это критически важно перед сваркой для снижения риска трещин. Для стали 20Л термообработка также полезна, но часто отливки из 20Л сваривают без предварительной обработки, особенно при отсутствии жестких требований к ударной вязкости. Однако нормализация 20Л после сварки все равно рекомендуется для обеспечения стабильности свойств.

Какой тип сварки предпочтительнее для толстостенных отливок из стали 35Л и 20Л?

Для стали 35Л при сварке толстых сечений (более 20-25 мм) однозначно предпочтительна ручная дуговая сварка (ММА) электродами с основным покрытием (типа УОНИ-13/55) с обязательным предварительным подогревом и ведением шва с ограниченной погонной энергией. Для стали 20Л в аналогичных условиях возможно использование полуавтоматической сварки (MAG) в смеси газов (Ar + CO2), что повышает производительность. Однако для 20Л также важен контроль тепловложения, чтобы избежать перегрева и роста зерна в ЗТВ.