강철
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1. 개요
鋼鐵[1] / steel
역사에서의 강철은 철기 시대 문서 참조.
철과 탄소의 합금의 일종. 정확히는 철에 탄소가 0.035wt% ~ 1.7wt%[2] 포함된 합금을 가리키는 것. 0.035wt% 이하일 경우 연철, 1.7wt% 초과일 경우 주철(무쇠)라 불린다. 순수한 철(Iron)은 강도와 경도가 약하다.[3]
철-탄소 합금의 경우 탄소량이 0~1.7wt% 범위일 경우 열처리에 의해 그 물리적 성질이 크게 차이나며, 이 중 강도와 인성면에서 가장 효용성이 높은 금속 합금이 강철에 해당한다.
탄소 함량이 증가할 수록 열처리시 강도와 상승하지만 경도가 지나치게 높아져 쉽게 깨질 수 있기에 구조재로 많이 사용되는 강철의 경우 탄소함유량 0.04~0.6wt% 사이에 주로 분포되어 있으며 칼이나 공구의 날에 사용되는 경우 0.9~1wt% 수준의 함유량이 사용된다.
용광로가 나오기 전 과거에는 강철을 만드려면 블루머리에서 나온 연철에 다시 탄소를 침탄시켜 강철을 만들었다. 연철괴와 숯이나 코크스을 섞어서 며칠이고 고온에서 가열해서 탄소를 서서히 침투시켜야 해서 생산량도 적고 비용도 많이 들었다. 용광로가 발명되어 주철(무쇠)를 대량생산할수 있게 된 후에도 강철의 제조에는 여전히 블루머리와 침탄법이 계속 쓰였다. 용광로에서 나온 주철을 강철로 바꾸려면 블루머리에서 연철을 만드는 법과 마찬가지로 큰망치로 오랫동안 때려 탄소와 불순물을 줄여서 강철로 만들었다. 그래서 강철은 비싸고 생산량이 적을 수 밖에 없었다. 19세기 중반에 대량으로 주철을 강철로 바꾸는 전로가 발명되고 나서야 강철을 싼 가격에 대량생산할 수 있게 되어 강철의 시대가 열렸다.
2. 특징
철강재료는 탄소함유량이 많은 순으로 주철, 강철, 연철로 나뉘는데, 이 중에서 산업현장에서 가장 유용한 것이 강철이다.
강철은 함유성분, 제조법, 사용용도 등 다양한 기준을 가지고 분류할 수 있다. 가장 일반적으로는 함유성분으로 분류하는데, 크게 다음과 같다.
- 탄소강 - 단순하게 탄소함량이 주가 되고 그 외에 철강재료에 자연적으로 4가지의 원소(규소[4], 망간[5], 황, 인)[6]만이 소량 함유된 것. 대부분 10xx의 이름을 가지며 xx는 대략적인 탄소 함량(0.xx %)를 의미한다. 당연히 숫자가 클수록 고탄소강이다. 가령 콜드 스틸#s-3 사에서 즐겨 쓰는 1055 강은 탄소함량 0.55%의 탄소강이라는 뜻이다.[7]
- 합금강 - 탄소를 제외한 4개의 함유원소 중 특정 원소의 함량이 탄소강의 기준치보다 높거나 탄소와 이 4개의 원소 이외의 다른 원소[8]들이 함유된 것. 즉 이쪽도 어쨌든 대부분 탄소는 들어간다. 제조사에 따라 이름이 천차만별이며, 실험적인 것까지 합하면 수백 수천 가지가 넘는다.
과거로부터 강철은 각종 무기와 도구 제작에 유용하였다. 따라서 강철을 최초로 만들어낸[9] 히타이트 문명 이래로 인류 역사에서 강철을 대량으로 생산하려는 노력은 계속되어왔다. 대량생산에는 대량의 자원과 고도의 기술력이 필요하며, 거대 자본도 필요하다. 이러한 3요소를 적절하게 갖추기란 매우 어렵기에 강철의 생산에는 언제나 제약이 많았다. 실제로 재래식 대장간에서 강철 칼을 한 자루 만들기 위해서는 엄청난 노력이 들어간다. 참고 현대에도 제철소는 국가나 대기업의 주도로 막대한 돈을 쏟아부어 거대한 설비를 갖추게 된다.[10] 따라서 현대의 강철은 산업을 상징하는 재료이기도 하다. 강철 생산에 필요한 시스템을 갖췄다는 의미이기도 하고, 강철 생산이 요구되는 각종 산업이 활발하게 이루어지고 있다는 의미이기도 하니까. 실제로 18세기 유럽에서 산업혁명이 일어나자, 가장 먼저 구축한 것이 강철 대량생산 시스템이었다. 이로 인해 유럽은 세계를 호령할 수 있었다.[11]
자세한 강철 제련에 대한 내용은 이 문서에 있다.
일반적으로 강철이라 하면 상온에서 페라이트(탄소가 거의 용해되지 않는 순수한 철)와 시멘타이트(Fe3C화합물)의 2개 상을 가지는 공석계를 말한다. 이 상태가 열역학적으로 안정하고, 냉각속도를 조절하여 다른 성질의 금속으로 바꿀 수 있다.[12] 이는 강철이 가진 재료공학적 장점이라 할 수 있으며, 강철의 다양한 성질에 대해 고대로부터 수많은 연구와 경험이 축적되어 왔다.
현대 제강공정은 크게 전로제강과 전기로제강으로 나누어지며, 전자는 철광석으로부터 용련한 선철을 주원료로 하고, 후자는 고철을 주원료로 한다. 주원료 외에도 첨가하는 것이 있는데, 전로는 발열량 조절의 목적으로 고철을 일부 사용하고, 전기로는 고철의 청정성과 떠돌이 원소 희석을 위해 선철을 일부 사용하기도 한다.
강철이 다방면으로 유용하긴 하지만, 녹이 잘 생긴다는 점과 무게가 무겁다는 것은 소재로서 단점으로 작용한다. 강철로 설비를 축조하려고 할 때, 설비의 규모가 커질수록 스스로의 무게를 감당하기 힘들어진다. 예를 들어 우주 엘리베이터 같은 초거대 건축물에 강철을 사용한다는 것은 어불성설이다. 따라서 현대에는 각종 신소재의 연구가 활발해지고 있으며, 티타늄 합금, 유리 섬유, 탄소나노튜브 등의 첨단소재가 발명되었다. 특히 탄소 결합 나노 소재 등이 개발되면 강철만큼 강하면서도 훨씬 가볍기 때문에 미래지향 소재로서 적절하다고 할 수 있다.
그러나 아직까지 범용성 면에서 강철을 대체할 수 있는 재료가 없다. 무엇보다 이만 한 가격에 이만 한 성능을 가진 재료가 없다. 인류가 우주로 진출하는 SF작품에서는 강철을 대신하는 미래금속이 곧잘 등장하는데 우주에서도 철은 흔하면서 가공이 쉬운 원소에 속하기 때문에 (질량비 기준 우주에서 6번째로 풍부한 원소이다. 흔한 정도로 치면 알루미늄도 많지만, 가공이 어렵다.) 인류가 우주로 진출한 시대에도 강철의 범용성은 여전히 무시할 수 없을 것이다. 당장 지구 질량의 1/3이 철이고, 수성 같은 경우는 구성 성분의 2/3가 철이다. 지구로 떨어지는 운석도 대부분이 철질 운석이다.
3. 강철의 미세조직
- 펄라이트(pearlite): 앞에서 언급한 페라이트와 시멘타이트(Fe3C)가 층상 조직(lamella structure)을 이루면서 형성되는 미세조직. 대체로 탄소함량 0.025 ~ 0.8 wt% 까지 페라이트 중심에서 펄라이트가 증가하고(아공석강) 0.8 ~ 2 wt% 까지 펄라이트 중심에 시멘타이트가 증가하는 모습(과공석강)을 보인다.
- 베이나이트(bainite): 페라이트를 적절한 온도까지(항온변태곡선의 nose 이하 마르텐사이트 변태시작점(Ms) 이상의 온도) 급랭 후 일정 시간 항온유지하면 나타나는 조직. 아래의 마르텐사이트는 그냥 강을 물에 푹 담궈버리면 되지만, 이 녀석은 200~400도 정도의 온도까지는 빠르게 냉각시키고 그 이후로는 변태가 완료될 때까지 온도를 일정하게 유지해야 하므로 보통 녹는점이 200도 이상인 염을 녹인 염욕(salt bath)에 푹 담궈서 만든다. 낮은 온도[14]에서 강을 변태시키기 때문에 구성원자들이 확산에 필요한 충분한 에너지를 가지지 못하여 펄라이트에 비하여 훨씬 조밀한 침상(niddle)구조를 갖는다. 펄라이트와 비교했을 때 더 강한 강도를 가지고있다.
- 스피로이다이트(spheroidite): 펄라이트나 베이나이트를 적당한 온도에서 오랜 시간 동안 열처리[15]를 하면 얻어지는 구조. 이름대로 강 속의 탄소들이 구형으로 박혀있는 모습을 가지고 있다. 고온에 둠으로써 철강내부의 응력이 감소하여 펄라이트와 베이나이트에 비하여 연성이 좋다.
- 마르텐사이트(martensite): 매우 뜨겁게 달군 강을 급냉하면 분자들이 원래 자기 위치를 찾을 시간도 없이 상이 변해 천천히 식힐 때와는 다른 체심정방정계(BCT)구조의 조직이 된다. 그 상태 중 하나인 마르텐사이트는 철강 중에서 최고의 강도를 가지지만 연성이 적고 잘 깨지는 편이다. 연성이 너무 작아 가공이 어려우므로 주로 열처리(tempering)을 하여 가공성을 높여서 사용한다. 마르텐사이트는 분자들이 일정 간격으로 거리를 두게 되므로 부피가 4.4%가량 늘어난다.[16][17]
- 잔류 오스테나이트(retained austenite): 마르텐사이트 변태는 온도에 의존적이고 시간에 의존적이지 않기 때문에(일부 합금계를 제외하고, 그나마도 모두 비철계) 마르텐사이트 변태가 시작하는 Ms온도와 마르텐사이트 변태가 종료되는 Mf온도가 중요하다. 상온은 일반적으로 Mf 온도보다 높기 때문에 급랭 시 오스테나이트가 마르텐사이트로 모두 변태하지 못하고 잔류하는데, 이를 잔류 오스테나이트라고 칭한다.
- 소르바이트(sorbite): 마르텐사이트화 된 강재를 500~600도 정도의 고온으로 뜨임처리(tempering) 했을 때 나타나는 조직. medium pearlite라고도 하며, Fe3C가 성장하면서 구상화하여 현미경으로 관찰했을 때 미세한 점들이 무수히 나 있는 조직을 볼 수 있다. 구상 시멘타이트 조직이 나타나는 또다른 미세조직인 스피로이다이트와는 미세조직 적으로 다르며, 기계적 특성도 다르다. 소르바이트는 강인성이 좋아 구조용으로 많이 사용된다.
- 트루스타이트(troostite): 마르텐사이트화 된 강재를 300~350도 정도로 뜨임처러(tempering) 했을 때 나타나는 조직. 미세 펄라이트(fine pearlite)라고도 하며, 뜨임처리 중 생성되는 ε탄화물이 모상 중에 고용하면서 새로운 Fe3C 조직이 석출되면서 만들어지는 조직이다. 경도는 마르텐사이트와 베이나이트 보다 낮지만 일반적인 펄라이트에 비해 높다. 부식이 쉽게 되는 것으로 알려져있다.
4. 여담
현대의 재료공학, 건설현장 등에서 사용하는 강철의 정의와 그 구성이 명확함에도 그 기준이 확립되지 않은 과거의 용례에 대해 서술하기 어려운 바가 있다. 그나마 산업혁명 이후의 에펠탑, 군함 등의 구조물에 대한 내용이 대부분이다.
4.1. Low-Background steel
1940년대 핵폭탄이 개발되고 진행된 여러차례의 지상 핵실험과 실제 사용(1945년 히로시마와 나가사키에 투하된 리틀 보이와 팻 맨)로 인해 지구의 대기 방사선량이 증가하면서 1940~50년대 이후 생산된 강철에는 미량의 방사성 동위원소가 포함되게 되었다. 근대 제철 공정 중 제선 과정에서는 다량의 공기를 뜨겁게 가열하여 열풍을 용광로 하부의 풍구로 불어넣게 되는데, 이 때 공기중에 있는 미량의 방사성 동위원소가 포함되는 것이다.
물론 오염이라고 해도 미미한 수준이므로 건강 문제 혹은 제품 제조에 별 문제는 없지만, 우주탐사장비나 가이거 카운터 등 방사능에 민감한 장치들을 제작할 때는 문제가 있다.
이때 쓰이는 게 1945년 이전에 생산된 강철들인데, 주로 제1차 세계 대전, 제2차 세계 대전 때 침몰한 군함들의 잔해에서 얻는다. 1945년 이전에 생산된 강철을 가장 쉽고 대량으로 얻을 수 있기 때문. 주로 1919년 6월 21일 영국의 스캐퍼 플로에서 자침해 가라앉은 1차 세계대전 시절 독일 제국 해군 군함들을 건져서 추출하고 있다. 같은 이유로 일본에서는 항구에서 원인미상의 이유로 폭침된 나가토급 전함 2번 함 무츠에서 강철을 뽑아내 정밀기기에 사용 중이다.
이런 걸 보면 1945년 이전의 강철이 일종의 로스트 테크놀로지 취급받는 것 아니냐고 생각할 수 있지만 사실은 아니다. 대기 중의 방사능으로 문제가 되는 코발트-60 정도는 현재의 기술력으로도 충분히 걸러낼 수 있다. 전기 응집술로 순수한 공기 환경을 만들어내서 강철을 주조하면 되기 때문이다. 하지만 들이는 비용과 수고에 비해 의미가 적기 때문에 그냥 침몰선의 부품을 스크랩하여 사용하는 것이다. 저 두 곳의 침몰선을 다 소비하면 그때부터는 뭐 그냥 직접 방사능을 걸러낸 강철을 만들어 쓸 것이다. [18]
5. 매체에서의 등장
각 매체에서의 강철 능력자들에 대해서는 금속 항목을 참조할 것.
괴이하게도 중세나 판타지 배경의 게임을 보면 철광석을 그냥 녹이면 순철이 나오고, 흑연 등의 탄소를 추가로 첨가하면 강철이 되어 순철보다 한 단계 높은 금속처럼 묘사한다. 하지만 철광석에는 이미 탄소가 들어있으며, 제련과정에서 쓰이는 코크스, 석탄, 목탄 등에 의해서 필연적으로 탄소가 첨가된다. 일종의 아이템 티어를 나누기 위함이거나, 자료 조사를 하지 않아 발생하는 고증 오류. 오히려 탄소가 없는 순철이야말로 전기분해 등의 복잡한 과정을 거쳐서 현대에야 제작이 가능해졌으며, 과거엔 순철을 만드는 것이 불가능했다. 오히려 과다한 탄소 함유량으로 인해 지나치게 강해진 강성과 취성을 낮추고 밸런스를 맞추기 위해 단조와 열처리 과정을 거쳤다. 용광로는 코크스나 석탄/목탄 등의 연료, 석회석, 철광석을 차례대로 쌓아 가열하는 방식으로 작동하기 때문. 연료의 탄소와 석회석의 탄산칼슘이 산화철, 각종 불순물과 반응하여 철을 환원하고 찌꺼기를 분리시키며, 나온 부산물은 슬래그가 되어 분리된다.
요컨데, 어떻게 재주좋게 게임에서처럼 석탄은 열만 가하고, 철광석만 분리된채로 혼자 녹이면 순철은 커녕 환원이 제대로 되지 않아 불순물이 그득한 잡철이 나올뿐이다. 이 상태로 흑연을 뿌려 탄소량만 높이면... 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 물론 고증을 제대로 하면 제련이 너무 어려워지니 현실적으로 타협할 수밖에 없는 게임적 허용이긴 하다.
5.1. 인명
위 금속의 이미지 때문인지 각종 작품의 주인공 이름(국산/번안 및 현지화 불문하고)으로 마르고 닳도록 쓰인 이름이기도 하다. 물론 실존 인물의 이름으로도 쓰인다.
5.2. 별명
흔히 무언가 단단한 것을 표현할 때 '강철~' 같은 식으로 표현한다. 단순히 물리적 내구력이 높은 것뿐만 아니라 정신력이 강하거나 육체적으로 튼튼하거나 등. 물론 상기했듯 사실 강철보다 더 튼튼한 물질은 많이 있지만, 역시 위와 같은 이유로 대체적으로 흔하게 접할 수 있는 물질이 강철이다보니 강철이 그중에서 제일 유명하여 자주 사용되는 것이다.
그외에도 강한 능력자들이나 강한 물질이 나오면 강철을 간단히 부수는, 강철보다 00배 단단하다는 식으로 표현하기도 한다.
[1] '''강(强)한 철'''이라서 강철(强鐵)이 '''아니다.''' 단련된 철을 뜻한다. 순수한 철과 구분하기 위해 줄여서 "강" 이라고 부르기도 한다.(연강, 스테인리스강 등을 칭할 때의 그 -강이다.[2] 상태도 측면에서 보면 약 0.025 ~ 2.0% 영역을 강철의 탄소함량 영역으로 해석할 수 있으나, 탄소함량이 너무 적거나 많은 강은 실용적으로 거의 사용되지 않기 때문에 실용적 측면에서 다음과 같은 조성을 강철의 조성이라고 한다.[3] 이는 비단 철 뿐 아니라 대다수의 금속에 해당되며, 따라서 연성과 전성이 필요한 부문에서는 순금속을 사용하는 경우가 있다[4] 규소는 제련시 사용하는 탈산제에 의해 잔류되는 것으로 강철의 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 않지만 함유량이 높아지면 강도 증가, 인성 감소(가공성에 악역향) 등 효과가 있다. 그 외 변압기나 전동기 등의 철심에 사용될 경우 규소함량이 높으면 포화자속밀도가 높아져 유리하다. [5] 망간은 강철의 항복강도를 향상시키고 철 속의 황과 결합하는 성질이 있다.[6] 탄소를 포함해 이를 철의 5대원소 라고 한다.[7] 이보다 탄소 함량이 높은 1095 강 등이 경도는 더 높지만 대신 강도가 약해지므로, 무기용의 대형 도검보다는 공구나 나이프 등에 더 적합하다.[8] 대표적으로 니켈, 크롬 [9] 요즘 학계에서는 히타이트의 철기 사용에 대한 이견도 많다. 히타이트 문서 참조[10] 규모가 커질수록 생산되는 강철 제품의 단가가 싸진다. 규모의 경제 참고.[11] 또한 이러한 강철을 만드는 데에는 상기한 거대 제철소가 필요한 데에 그치지 않고, 고로를 계속 돌리면서 끝없이 철을 뽑아내야 한다. 한번 쇳물을 뽑기 시작한 고로는 그 수명이 다할 때(혹은 그에 준하는 정비)까지 끝없이 쇳물을 뽑아야 한다. 이것은 수천 도에 달하는 온도를 계속 유지시킬 수 있을 제반여건, 끝없이 나올 강철에 대한 수요, 그리고 결정적으로 강철의 재료에 이르기까지 모든 사회적 기반이 갖춰져야 하는 것이 기본이다. 이 중 하나라도 모자라다면 그 고로는 고물이 된다. 이 모든 제반조건을 갖추지도 않고 강철을 뽑으려다가 국가를 통째로 말아먹은 사례가 바로 토법고로이다.[12] 냉각시키면 금속 내부의 미세조직의 상태가 변화하여 준안정한 상으로 자리잡는다. 냉각 속도에 따라 준안정한 상이 변하기 때문에 냉각 속도를 조절하면 성질이 달라지는 것이다.[13] 순수한 철 기준 약 1539도[14] 200도~400도가 대체 뭐가 낮은 온도냐! 할 수도 있지만 철 녹는점[13]을 생각하면 이 정도는 그냥 대중목욕탕 수준(...) [15] 보통 700도에서 30시간 이상[16] 일본도가 휘어있는 이유 중 하나가 바로 마르텐사이트이다. 열처리 과정에서 칼등은 열을 천천히 주고 천천히 식히는 반면, 날을 유지하고 더 단단해야하는 칼날은 경도를 높은 상태로 만들기 위해서 급냉하는데, 냉각되는 과정에서 상대적으로 부피가 적은 칼등 쪽으로 휘어지기 때문. 물론 이 과정에서 칼을 못 쓰게 되는 경우도 많기 때문에 전통 일본도 제작에서는 열처리가 가장 어렵다.[17] 페라이트, 펄라이트의 다음으로 유럽의 갑주에서 자주보이는 미세 조직이기도 하다. 마르텐사이트는 주로 무기(특히 도검)에 사용되는 강철에서 찾아볼 수 있지만, 기사들이 사용한 갑주에서도 찾아볼 수 있다. 갑주의 경우, 내구성의 문제로 무기보다는 강도와 경조가 조금 낮다. 판금갑의 무적의 신화도 볼록한 구조와 함께 바로 여기에서 나온 것. 한계 이상의 충격을 흡수할 때, 깨지기보다는 조금씩 휘어들어갔기 때문.[18] 아이언 바텀 사운드에도 엄청나게 많은 군함이 침몰해 있지만 이동네 수심은 평균 600미터가 넘기 때문에 건져내는 비용이 더 높을 수도 있다.