강철

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1. 개요2. 1945년 이전의 강철3. 강철의 미세조직4. 매체에서의 등장
4.1. 인명4.2. 별명
5. 관련 문서

1. 개요[편집]

鋼鐵[1] / steel

탄소합금의 일종. 순수한 철(Iron)은 강도와 경도가 약하다. 철에 탄소를 혼합하면 적절한 강도와 인장력을 지니게 되어 쓸 만한 상태가 되는데, 이를 강철이라 부른다. 합금강은 탄소함유량이 많은 순으로 주철, 강철, 연철로 나뉘는데, 이 중에서 산업현장에서 가장 유용한 것이 강철이다. 조선시대 순우리말로는 뽕쇠라고 불렀다.

강철을 연철이나 주철과 함께 아울러 철강(鐵鋼)이라고도 부르고 강철로 된 재료를 강재(鋼材), 판 모양의 강재를 강판(鋼板)이라고 부른다. 강판은 가공 형태에 따라 코일(Coil), 쉬트(Sheet), 후판(Plate) 등으로 분류된다.

과거로부터 강철은 각종 무기와 도구 제작에 유용하였다. 따라서 강철을 최초로 만들어낸 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.[2] 따라서 현대의 강철은 산업을 상징하는 재료이기도 하다. 강철생산에 필요한 시스템을 갖췄다는 의미이기도 하고, 강철생산이 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.

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.[3] 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 그 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 발명되면서 강철만능시대의 종지부를 찍었다. 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 흔한 원소에 속하기 때문에 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.

2. 1945년 이전의 강철[편집]

1945년 히로시마와 나가사키에 떨어진 핵폭탄, 그리고 여러 차례의 핵실험으로 인해 지구의 대기방사선량이 증가하면서 강철에도 문제가 생겼다. 강철 제조에는 필수적으로 공기가 들어가는데, 핵폭발로 인해 오염된 공기가 강철 제조에도 쓰임으로써 1945년 이후 생산되는 강철은 모두 방사능에 오염된 상태다. 고작 핵실험 수준으로 지구 전체의 방사능량이 증가할 수는 없고 그저 요즘의 강철은 제조과정에서 용광로의 수명 측정을 위해 발라놓은 소량의 코발트-60에 영향을 받기 때문이다. 물론 오염이라고 해도 심각한 수준은 아니므로 별 지장은 없지만, 방사능에 민감한 장치들(우주탐사장비나 가이거 카운터 등)을 제작할 때는 문제가 있다.

이때 쓰이는 게 1945년 이전에 생산된 강철들인데, 주로 제1차 세계 대전, 제2차 세계 대전 때 침몰한 군함들의 잔해에서 얻는다. 침몰 군함들은 바닷속에 있었기 때문에 방사능의 영향을 받지 않았고, 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 2번함 무츠에서 강철을 뽑아내 정밀기기에 사용 중이다.

3. 강철의 미세조직[편집]

  • 펄라이트(pearlite): 앞에서 언급한 페라이트시멘타이트(Fe3C)가 층상 조직(lamella 구조)을 이루면서 형성되는 미세조직. 대체로 탄소함량 0.5~2%까지 페라이트 중심에서 펄라이트가 증가하고 2%에서 5%까지 펄라이트 중심에 시멘타이트가 증가하는 모습을 보인다.

  • 베이나이트(bainite): 페라이트를 적절한 온도까지 냉각시키면 나타나는 조직. 아래의 마르텐사이트는 그냥 철을 물에 푹 담궈버리면 되지만 이 녀석은 200~400도 정도의 온도까지 빠르게 냉각시켜야 하므로 보통 녹는점이 200도 이상인 염을 녹인 salt bath에 푹 담궈서 만든다. 낮은 온도[4]에서 철을 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[5]를 하면 얻어지는 구조. 이름대로 철 속의 탄소들이 구형으로 박혀있는 모습을 가지고 있다. 고온에 둠으로써 철강내부의 응력이 감소하여 펄라이트와 베이나이트에 비하여 연성이 좋다.

  • 마르텐사이트(martensite): 매우 뜨겁게 달군 강을 급랭하면 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.[6][7]

  • 리테인드 오스테나이트: 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 오스테나이트, 즉 리테인드 오스테나이트라고 칭한다.

4. 매체에서의 등장[편집]

각 매체에서의 강철 능력자들에 대해서는 금속 항목을 참조할 것.

4.1. 인명[편집]

위 금속의 이미지 때문인지 각종 작품의 주인공 이름(국산/번안현지화 불문하고)으로 마르고 닳도록 쓰인 이름이기도 하다. 물론 실존 인물의 이름으로도 쓰이기도 하다.

4.2. 별명[편집]

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.

5. 관련 문서[편집]

[1] 강(强)한 철이라서 강철(强鐵)이 아니다. 단련된 철을 뜻한다. (연강, 스테인리스강 등을 칭할 때의 그 -강이다.[2] 규모가 커질수록 생산되는 강철 제품의 단가가 싸진다. 규모의 경제 참고.[3] 냉각시키면 금속 내부의 미세조직의 상태가 변화하여 준안정한 상으로 자리잡는다. 냉각 속도에 따라 준안정한 상이 변하기 때문에 냉각 속도를 조절하면 성질이 달라지는 것이다.[4] 200도~400도가 대체 뭐가 낮은 온도냐! 할 수도 있지만 철 녹는점을 생각하면 이 정도는 그냥 대중목욕탕 수준(...) 어허 오늘 염 온도가 좋구만[5] 보통 700도에서 30시간 이상[6] 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.[7] 페라이트, 펄라이트의 다음으로 유럽갑주에서 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.