초록 ▼

고인성 극초고강도 Co-Ni 합금계 이차경화강의 개발을 위해 오스테나이트 미재결정 영역에서 강가공을 도입하고 기존의 합금설계를 개조하여 인장강도 350ksi급 (2400MPa, HRC 60)의 극초고강도를 달성하고, 65(±10)MPa $\sqrt{m}$ 의 고인성을 최종 목표로 한다.
고함량 Co-Ni계 극초고강도강에서의 인성의 확보를 위한 최적의 합금설계, 강가공 및 시효 등의 공정설계 그리고 개재물 제어는 구조재료 분야의 핵심적인 연구과제이다. 3개년에 걸친 본 연구는 최종 목표인 350ksi급 고강도

고인성 극초고강도 Co-Ni 합금계 이차경화강의 개발을 위해 오스테나이트 미재결정 영역에서 강가공을 도입하고 기존의 합금설계를 개조하여 인장강도 350ksi급 (2400MPa, HRC 60)의 극초고강도를 달성하고, 65(±10)MPa $\sqrt{m}$ 의 고인성을 최종 목표로 한다.
고함량 Co-Ni계 극초고강도강에서의 인성의 확보를 위한 최적의 합금설계, 강가공 및 시효 등의 공정설계 그리고 개재물 제어는 구조재료 분야의 핵심적인 연구과제이다. 3개년에 걸친 본 연구는 최종 목표인 350ksi급 고강도강의 개발을 위해 연차별로 다음과 같이 진행되었다.
1차년도에는 첨단 구조용 합금강인 AerMet 100의 조성을 기본으로 하여 각각 Co 및 Ni 함량 변화에 따른 연구를 진행하였다. 연구결과 1차목표인 300ksi급 고강도강의 합금설계가 가능하였으며, 이와 동시에 전략적 원소인 Co 및 기지인성을 위해 첨가되는 Ni의 함량을 줄일 수 있는 가능성을 확인하였다. 그리고 공정조건의 관점에서 재가열 온도 및 저온압연 효과에 대해서 연구되었다.
2차년도에는 1차년도 결과를 바탕으로 합금설계를 개조하고 재결정온도 및 저온 압연효과(600℃)에 대한 실험도 진행하였다. 그 결과 최적의 재가열온도는 1050∼1200℃이며, 압연온도의 경우 700∼800℃가 인성의 확보측면에서 유리한 것으로 분석되었다. La 및 Ti에 의한 개재물 제어에 있어서는 회수율, 조성 등의 문제가 있었으나 이에 대한 새로운 정보를 습득하여 보다 최적화된 개재물 제어를 통한 파괴인성 향상의 이론적 토대를 확립할 수 있는 계기를 마련하였다.
3차년도에는 이미 2차년도 말에 350ksi급에서 65(±10)MPa $\sqrt{m}$ 의 고인성을 확보할 수 있었기 때문에 (2353MPa/60.5MPa $\sqrt{m}$ ), 향후 400ksi급 합금의 개발을 위한 선행연구를 실시하였다. 이미 예측한 바와 같이 탄소함량을 0.3, 0.35wt%로 증가시킬 경우 강도의 확보는 가능하나 인성의 큰 저하를 나타냈다. 그럼에도 불구하고 상대적으로 고탄소의 Co-Ni계에서의 합금원소의 영향도 조사함으로써 극초고강도강의 전반적인 합금설계의 기본 틀을 마련할 수 있었다.
총 3개년에 걸친 연구로서 기존의 AerMet 100보다 높은 강도에서도 긍정적인 예측치인 비교적 고인성을 확보할 수 있었다. 즉 UTS 300∼350ksi(≒2100∼2400MPa) 급 초고강도 고인성(110∼60MPa $\sqrt{m}$ )을 보유하는 극초고강도강을 개발 하였다. 또한 시효합금임에도 불구하고 시효상태보다 오히려 AQ상태에서, 보다 높은 인장강도와 높은 충격/파괴인성을 나타내는 것을 발견하였다. 그러나 낮은 항복비(0.4∼0.5)가 AQ상태의 합금강의 개발을 위한 제한사항으로서 어려움이 있었으나, AQ상태에서의 이동가능 전위를 압연공정의 변화 및 N등의 합금첨가를 통해 고착시켜 항복강도를 증가(0.4→0.75) 시킬 수 있는 중요한 가능성을 발견하였다. 현재 이와 관련된 연구가 과학재단의 지원으로 “고인성 극초고강도강의 합금 및 공정설계”의 연속적인 과제를 통해 진행되고 있으며, 조만간 가시적인 연구성과가 나올 것으로 기대한다.

Abstract ▼

For the development of secondary hardening Co-Ni alloy steels with high toughness and extremely ultrahigh strength, the severe deformation will be applied in unrecrystallized range of austenite and thus alloy design will be modified. Tensile strength and fracture toughness levels to be reached final

For the development of secondary hardening Co-Ni alloy steels with high toughness and extremely ultrahigh strength, the severe deformation will be applied in unrecrystallized range of austenite and thus alloy design will be modified. Tensile strength and fracture toughness levels to be reached finally are 350 ksi (2400MPa, HRC 60) and KIC 65(± 10)MPa√m.
In extremely ultrahigh strength high Co-Ni steels, optimum alloy design, process design including severe deformation, aging, etc. and inclusion control, to get relatively high toughness, are the core project of the structural materials field. This study was conducted for final goal of development of extremely ultrahigh strength steel of 350 ksi grade for 3 years, as follows.
In the 1st year, the effects of Co and Ni additions were studied, on the basis of the composition of AerMet 100 of advanced structural alloy steel. As a result, the design of ultrahigh strength alloy with 300 ksi was made, reducing expensive elements, Co of strategic material and/or Ni of matrix toughness enhancer. Influences of reheating temperature and low temperature rolling were studied in terms of processing conditions.
In the 2nd year, alloy design was modified on the foundation of 1st year result. Optimum processing conditions of reheating and rolling temperatures were 1050∼1200℃ and 700∼800℃, respectively. In the inclusion control by La and/or Ti additions, there are the problems like lower gain and composition. Through the new information, however, the theoretical background to improve fracture toughness could be established.
In the 3rd year, a prestudy on the development of 400 ksi grade alloy was conducted since the high toughness(65(±10)MPa $\sqrt{m}$ ) in the 350 ksi grade of final goal was already reached in the 2nd year end (2353MPa/60.5MPa $\sqrt{m}$).
As expected, the increase in carbon content up to 0.3 and 0.35 wt% resulted in a large drop in toughness, despite the gain in strength. Nevertheless, the basis of general alloy design in the extremely ultrahigh strength steels was able to be provided, investigating the effects of alloying elements in relatively high carbon Co-Ni system.
As a result of 3 year study, the positive expected value of relatively high toughness in the ultrahigh strength grade higher than AerMet 100 could be obtained, that is, 110∼60MPa $\sqrt{m}$ in UTS 300∼350ksi(≒2100∼2400MPa) grade. In addition, those alloys shows higher UTS and impact/fracture toughness in AQ condition, as compared to in aged conditions. Even though the low yield ratio(0.4∼0.5) is a big barrier to develop AQ alloys, a significant possibility to reduce the mobile dislocations through the variation of rolling process and/or N additions was found. At present, the related continuous study, "Alloy and Process Design for Extremely Ultrahigh Strength Steels with High Toughness" supported by KOSEF, conducted. It is expect that positive results will be produced.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...13
• 3. 결과 및 고찰...19
• 4. 결론...77
• 5. 인용문헌...79