망간 함유 경량 마레이징 강의 설계

Abstract

마레이징 강은 항공·우주분야 및 군수분야 등에서 활용되는 초고강도 합금으로, 적은 양의 C (<0.03 wt.%)와 다량의 Ni (17-19 wt.%), 석출물 형성을 위한 Mo (3-5 wt.%)와 Ti (0.2-1.6 wt.%), 그리고 고용강화 및 합금원소들의 기지 내 용해도를 낮추기 위한 Co (8-12 wt.%)으로 구성된다. 마레이징 강은 열간 압연 이후 마르텐사이트 단상 조직을 나타내며, 시효처리를 통하여 기지 내 Ni3Mo (D0a-type), Ni3Ti (D024-type), Ni3Al (L12-type), Fe2Mo (C14-type) 등의 나노 크기 금속간 석출물이 형성되어, 1.4 GPa 이상의 높은 항복강도와 1.6 GPa 이상의 높은 인장강도를 나타낸다. 우수한 물성에도 불구하고, 기존 마레이징 강은 고가원소인 Ni, Mo, Co 등이 다량 첨가됨에 따라, 산업적용 및 대량 생산에 한계가 있다. 본 연구에서는 경제성이 우수하면서도 기존 마레이징 강 수준의 기계적 물성을 나타내는 신개념의 마레이징 강을 비교적 적은 함량의 Ni과 저가원소 Mn을 활용하여 설계하였다. 더불어 금속간 석출물 형성 및 경량성 확보를 위한 Al 첨가를 통해, 높은 비강도를 이룩하였다. |Maraging steels have been widely used for the industrial application needed high strength materials such as aerospace technology and military industry. The corresponding steel is generally composed of substitutional elements such as 17-19% Ni (in wt.%), 8-12% Co, and 3-5% Mo and 0.2-1.8% Ti, and it contains a small amount of C (< 0.03%). After hot rolling and subsequent aging, the steels reveal the α’ martensitic matrix with intermetallic nanoprecipitates such as Ni3Mo (D0a-type), Ni3Ti (D024-type), Ni3Al (L12-type), and Fe2Mo (C14-type), resulting in a high yield strength of over 1.4 GPa and a high tensile strength of over 1.6 GPa. However, despite its remarkable mechanical response, the relative high materials cost of the steels driven by expensive alloying (e.g., a high amount of Ni, Mo, and Co) and its upward trend in raw materials cost hinder the mass production. Therefore, in the present study, we proposed the new alloy design concept of maraging steel with the merit of materials cost, and the evolutions of microstructure and mechanical response of the steel are systematically investigated. Regarding the alloy composition, the high Ni content in conventional maraging steel was partly replaced to Mn content, and the ~4 wt.% of Al was added to form an intermetallic nanoprecipitate (e.g., Ni(Mn, Al)) and to reduce the weight of alloy. The designed steel through thermodynamic calculation was aged at various temperatures, and its microstructure and tensile properties were investigated. The aged steel revealed the α’ martensitic matrix with two different types of B2 nanoprecipitates and the plentiful retained austenite, leading to high strength (1,460 MPa) and ductility (~17.5%).