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[소재탐구] 우리에게 익숙하지만 낯선 ‘철’의 모든 것

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2023-10-31

목차

    혹자에게 인류와 가장 친숙한 금속이 무엇이냐고 물어본다면 대부분 ‘철’이라고 대답할 것입니다. 우리는 선사 시대 내에서 청동기 시대 이후를 철기 시대라고 부르고, 인간의 피에는 철분이 들어있습니다.

     

    또한 우리는 어렸을 때부터 철봉, 철사, 철물 등 철이 포함된 단어를 숱하게 들어왔습니다. 하지만 막상 우리는 철에 대해 생각보다 많이 알지 못합니다. 오늘은 이렇게 익숙하지만 낯선 ‘철’에 대해 알아보겠습니다.

     

     

    철(iron)이란 무엇일까

     

    철은 원소기호 Fe에 해당하는 금속 물질입니다. 땅 위에 있는 금속 중에서는 알루미늄이 가장 큰 비중을 차지하지만, 지구 전체로 범위를 넓히면 가장 흔한 금속은 철입니다. 철은 순수한 형태로 산출되기보다는 수백 개의 광물에서 다른 원소와 결합한 상태로 발견됩니다.

     

    값이 저렴하고 성형과 합금도 쉬워서 일상생활에서 볼 수 있는 제품 대부분에 활용됩니다. 하지만 다 같은 철이 사용되는 건 아닙니다. 철은 탄소가 포함된 양에 따라 종류를 구분할 수 있습니다. 사람마다 구분하는 기준이 다르긴 하지만 이번 글에서는 5개의 종류로 구분해보겠습니다.

     

    순철(pure iron)에 대하여

    순철의 가공

    순철은 불순물을 포함하지 않은 순도 100%에 가까운 철입니다. 사실 철뿐만 아니라 모든 물질이 순도 100%인 경우는 거의 없습니다. 그래서 순철도 100%라는 수치에 주목하기보다는 가장 순수한 철이라고 보면 될 듯합니다. 탄소가 적기 때문에 철 중에서 가장 부드럽고 잘 늘어납니다.

     

    순철은 교류 자기장을 발생시키는 자성 재료로, 주로 무선 통신에 이용됩니다. 냉간에서도 전연성이 높고 부드러워 냉간 단조 가공성이 뛰어납니다. 선반, 밀링, 단조 등 여러 가공법을 사용할 수 있지만 어떻게 가공해도 자성의 재료로 사용됩니다. 순철은 어떤 방식으로 만들었는지에 따라 4가지로 나눌 수 있습니다.

     

    • 아암코 철: 대표적인 공업용 순철로 미국의 제조회사인 American Rolling Mill Co.의 앞 글자를 따서 이름을 지었습니다. 심한 가공을 하는 제품에 쓰입니다.
    • 전해 철: 철을 포함하는 수용액을 전기 분해하여 얻을 수 있습니다. 순도 높은 순철을 쉽게 얻을 수 있고, 항공기나 자동차의 부재, 고기능 자석 등에 활용됩니다.
    • 해면철: 산화 철광석을 1,000도 이하의 온도에서 가스를 사용하여 환원하면, 스펀지 모양의 녹지 않은 철을 얻을 수 있습니다. 특수 합금강이나 분말야금용 철분으로 사용됩니다.
    • 카보닐천: 해면철 등을 일산화탄소와 반응시켜 철카보닐 가스를 재생함으로써 철과 일산화탄소를 분해하여 얻는 순철입니다.

     

     

    연철(wrought iron)에 대하여

     

    연철의 응용: 장식용

     

    탄소를 0.2%까지 함유한 철을 말합니다. 철광석을 저온에서 환원하여 만들거나, 고철이나 선철에 교련법을 적용하여 만들 수 있습니다. 현대에는 주로 후자의 방법을 통해 생산합니다. 주로 장식용이나 골프채를 만드는 용도로 사용합니다.

     

    사용처가 있긴 하지만 연철은 현대에 더 이상 대량 생산하지 않습니다. 다른 철들보다 강도가 떨어지고 녹이 잘 슬기 때문이죠. 산업적인 용도로는 강철보다 나은 점이 없고, 생활용품의 용도로도 강철이나 알루미늄, 플라스틱보다 나은 점이 없습니다.

     

    주철(cast iron)에 대하여

    주철은 탄소가 3.0~3.6% 정도로 철 중에서 탄소 함유 정도가 가장 높습니다. 그래서 철 중에서 가장 단단하지만, 그만큼 쉽게 부서지기도 합니다. 경도와 내마모성은 높아서 손상 없이 마모에 견딜 수 있습니다. 그래서 기계 부품, 기어, 브레이크 등 많이 사용하는 제품을 제조하는 데에 사용합니다.

     

    또한 열 전도성, 인장 강도, 인성, 주조성, 가공성이 높습니다. 하지만 연성, 탄성, 가단성, 피로 강도, 내식성은 낮습니다. 즉 단단하고 많은 충격을 견디며, 한 번 형성된 형태를 잘 유지합니다. 하지만 쉽게 구부러지지 않아서 한 번 변형된 후에는 원래 모양으로 돌아오지 않는다고 요약할 수 있습니다.

     

    선철(pig iron)에 대하여

    선철 역시 탄소가 1.7% 이상 함유되어 탄소 함유 정도가 높은 편입니다. 사실 선철은 주철과 구성 성분이 같습니다. 그래서 선철=주철이라고 설명하는 예도 많이 있습니다. 하지만 만들어지는 타이밍이 약간 달라서 이 글에서는 구분했습니다. 만약 철의 종류가 많아서 헷갈리면 그냥 같은 종류라고 생각해도 무방합니다.

     

    선철은 철광석에서 직접 제조됩니다. 고로에 철광석을 넣고 가열하면 철광석이 녹아서 쇳물이 되고 그것이 식으면 철 덩어리가 되는데 그것이 선철입니다. 그 후 그렇게 얻은 선철을 큐폴라라고 불리는 용해로에 넣고, 코크스를 연료로 하여 녹이는 과정을 수행할 수 있습니다. 그 결과 얻는 철이 바로 주철입니다.

     

    강철(steel)에 대하여

    강철 제조과정: 판금

    강철은 위에 철들처럼 독립적인 개념으로 사용되기보다는 철‘강’, 특수‘강’, 탄소‘강’처럼 다른 물질 뒤에 결합하여 사용됩니다. 우리는 무의식적으로 철과 철강을 동일시하여 사용하지만 사실 철은 iron인 반면, 철강은 iron & steel로 합성어입니다. 일반적으로 탄소를 0.035~1.7%까지 함유한 철을 통틀어 말합니다.

     

    강철은 선철을 재정련하여 탄소 함량을 의도적으로 낮춤으로써 제작됩니다. 탄소 함유량이 선철, 주철보다 낮아서 상대적으로 늘어나는 성질이 강합니다. 적당히 늘어나면서 적당히 단단한 덕분에 자동차, 조선, 건축, 공업용 소재 등 산업 현장에서 가장 많이 사용합니다.

     

    철의 가공 과정

    철은 인류가 사용한 기간만큼이나 가공의 역사도 오래된 소재입니다. 우리 조상들은 주로 단조와 주조의 방법으로 철을 가공했습니다. 그렇게 가공된 철은 농기구나 각종 생활용품으로 유용하게 사용되었습니다.

     

    단조는 고체인 금속을 해머 등으로 두들겨서 모양을 만드는 방법입니다. 두드리는 과정에서 불순물을 제거하고, 소재를 강하게 만들 수 있습니다. 단조를 위해서는 선철을 초강법을 활용하여 숙철로 만들어야 합니다. 여기서 초강법이란 탄소의 함량을 낮추는 방법입니다. 그 후 냉각속도를 달리 하여 열처리를 함으로써 철을 단단하게 만들 수 있습니다.

     

    또 다른 방법인 주조는 용광로에서 선철을 녹이고 거푸집에 쇳물을 부어서 굳히는 방법입니다. 주조에서는 초반에 쇠를 녹이는 과정이 가장 중요합니다. 쇳물이 어떻게 만들어지느냐에 따라 제품의 내구성과 품질이 좌우되기 때문입니다. 거푸집은 재사용이 가능해서 한 번 만들어두고 여러 번 대량생산할 수 있습니다.

     

    iron이라는 단어는 마블의 ‘아이언맨’이라는 캐릭터 덕분에 우리에게 친숙합니다. 동시에 철은 뭔가 철이라는 소재를 지칭하기보다 금속처럼 포괄적인 용도로 쓰이는 느낌도 있습니다. 하지만 자세히 들어가면 이렇게 철의 종류가 다양하다는 사실이 놀랍지 않으신가요? 오늘도 저희 바로발주에 방문해주시고 글 읽어주셔서 진심으로 감사드립니다!

     

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