| 철의 탄소 함량에 따른 분류 | |||
| 순철 | 연철 | 강철 | 주철(무쇠) |
| 0.02wt% 이하 | 0.035wt% 이하 | 0.035~1.7wt% | 1.7wt% 초과 |
1. 개요
鋼鐵 / Steel철과 탄소의 합금의 일종. 정확히는 철에 탄소가 0.035wt%[1]~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 증가할수록 열처리시 강도와 경도가 크게 향상되지만 그만큼 연신율이 감소해서 충격 등에 쉽게 깨질 수 있다. 때문에 인성이 더 중요한 구조재에 사용되는 강철의 탄소 함유량은 0.04~0.6wt% 사이에 주로 분포되어 있으며 경도와 내마모성이 인성보다 더 중요시되는 칼이나 공구의 날에 사용되는 경우 0.9~1wt% 수준의 함유량이 사용된다.
이처럼 본래는 강철이라 하면 곧 탄소강을 의미했으나, 이후 기술의 발전으로 다양한 원소가 포함된 합금강도 강철로 분류된다.
강철(強鐵), 즉 강(強)한 철이라는 의미가 아님에 주의하자. 강철의 '강'은 鋼으로, 그 자체로 강철이란 의미이다. 때문에 강철이 아니라 그냥 강(鋼)이라고 해도 된다. 제강(강철 제조), 연강, 스테인리스강 등에서 강이 바로 강철이란 의미다.
'철강'이란 단어는 '철과 강철'이란 뜻으로 연철(순철)과 강철, 그리고 주철을 함께 지칭한다.저탄소강 (mild steel)이란 종류도 있는데 탄소함량이 0.05% 에서 0.25% 사이로 일반 강철보다는 탄소 함량이 낮지만 연철(煉鐵, wrought iron, 탄소함량 0.03% 이하) 보다는 탄소함량이 높은 철을 말한다. 예전에는 연철(軟鐵, soft iron) 또는 연강(軟鋼, mild steel) 이라고 부르기도 했지만 연철(煉鐵, wrought iron)과 한자는 다르지만 한글로는 똑같이 발음되므로 혼동을 피하기 위해 현재는 주로 저탄소강 mild steel 이라고 많이 부르고 연철(煉鐵, wrought iron)은 단철(鍛鐵)이라고 부르기도 한다. 저탄소강은 일반 강철보다 딱딱한 강성은 떨어져 잘 휘어지지만 압연이나 압출 등 가공이 쉽고 잘 늘어나고 잘 굽혀져서 충격에도 잘 부러지지 않는 등 연성(ductility)과 인성(toughness) 이 좋아 철사나 얇은 철판 등 비교적 물러도 되는 용도에 주로 쓰인다. 현재는 연철 wrought iron 의 생산량이 크게 줄어들어서 원래 연철을 쓰던 용도에 저탄소강 mild steel을 대신 쓰기도 한다.
2. 언어별 명칭
| <colbgcolor=#f5f5f5,#2d2f34>언어별 명칭 | |
| 한국어 | 강철 |
| 한자 | 鋼(강) |
| 독일어 | Stahl(슈탈) |
| 스페인어 | acero(아세로) |
| 에스페란토 | Ŝtalo |
| 영어 | steel(스틸) |
| 일본어 | [ruby(鋼, ruby=はがね)](hagane, 하가네), [ruby(鋼鉄, ruby=こうてつ)](koutetsu, 코테츠)[4] |
| 중국어 | 钢(gāng, 깡), 钢铁(gāngtiě, 깡티에) |
| 프랑스어 | acier(아시에)[5] |
3. 역사
용광로가 나오기 전 과거에는 강철을 만들려면 일단 연철을 먼저 만든다. 연철은 초기의 제철 방식인 수로(竪爐, Bloomery)에서 주로 생산하였다. 블루머리는 진흙이나 벽돌을 쌓아 2미터 이하의 작은 로를 만들고 그 안에 철광석을 숯과 함께 쌓고 아래에 불을 붙인 후 풀무질로 뜨거운 공기를 불어넣어 온도를 높여 숯에서 발생한 일산화탄소가 철광석의 고체 상태의 산화철을 환원시켜 철을 뽑아내는 원시적인 제철 방식이다. 여기서 나온 철괴와 불순물 슬래그가 섞인 철 스펀지를[6] 뜨거울 때 큰 망치로 여러 번 때려리면 맥석과 슬래그가 제거되고 철 스펀지의 기공이 닫혀져서 연철이 된다. 이 과정에서 제련온도가 낮고, 철이 고체상태에서 바로 환원되기 때문에 탄소가 철에 충분히 침투하지 않고 탄소 성분과 불순물이 대부분 제거되기 때문에 연철이 된다. 이 탄소성분이 적은 연철 뜨거운 가마 속에 층층이 벽돌처럼 쌓고 탄소성분의 숯이나 코크스를 섞어서 며칠이고 고온에서 장시간 가열해서 탄소성분을 연철괴 속으로 서서히 침투시켜서 강철을 만들었다. 이런 방식은 기간도 오래 걸리고 연료비도 많이 들어 생산량도 적고 비용도 많이 들었다. 용광로가 나온 후에도 블루머리와 침탄법이 불순물이 적고 탄소의 양을 서서히 조절하기가 쉬워서 고급 강철 제조에는 여전히 쓰였다. 과거 이런 블루머리와 침탄법으로 고급 강철을 많이 만들었던 나라가 스웨덴이다. 불순물이 적은 철광석, 풍부한 석탄과 목재로 17-18세기 스웨덴은 침탄법으로 고급 강철과 강철제 무기의 제조 강국이었고 이런 산업 경제력과 군사력으로 북유럽의 강자 스웨덴 제국을 이룰 수 있었다. 이런 과거의 전통으로 스웨덴은 현대에도 여전히 유럽의 무기 제조산업 강국 중에 하나이다.용광로가 발명되어 주철(무쇠)를 대량생산할 수 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 수밖에 없었다. 19세기 중반에 대량으로 주철을 강철로 바꾸는 베세머 전로가 발명되고 나서야 강철을 싼 가격에 대량생산할 수 있게 되어 강철의 시대가 열렸다. 미국의 철강왕 카네기가 미국 철강산업을 일으킨 원동력이 베세머 전로이다. 블루머리에서 만들던 고급 강철의 생산은 1900년대에 가스 평로(open hearth furnace)가 나와서야 침탄법을 대체할 수 있게 되었다.
19세기 후반에는 용광로에서 나온 쇳물에 공기를 불어넣어 탄소를 태워 날리고 불순물을 제거하여 강철을 만드는 베세머 전로(Bessemer Converter) 방식이 널리 쓰이다가 1900년초 부터는 목욕탕 같은 쇳물 가마에 가스를 불어서 가열하는 평로 제강 (open-hearth furnace) 방식이 급성장해 1910-1930년 사이에 베세머 방식을 거의 대체하였다. 이 과정에서 많은 미국 철강산업이 재편되며 흡수합병 끝에 현재의 US 스틸이 탄생했다. 평로는 한번에 제강하는 용량이 작고 시간도 오래 걸려 생산량이 적지만 품질을 관리하기 쉬워 더 고급의 철강을 만들 수 있었다. 1960년대 부터는 베세머 전로를 오스트리아에서 개량한 기술인 염기-산소 제강법 (basic oxygen process)과 전기 아크 제강법(electric arc farnce)이 크게 성장하며 1980년대에 평로 기술을 밀어내고 완전히 대체하였다. 이때 일본 한국 등은 1960년대 부터 새로운 산소제강법을 적극 도입했지만 과거 미국의 철강업은 기존의 평로방식이 많아서 이를 빨리 전환하지 못해 국제 경쟁력을 잃고 몰락했다. 2020년대 현재는 염기-산소제강법이 70% 전기아크 제강법이 30% 지만 전기제강법이 급속히 성장하고 있다. 특히 거대한 용광로 대신 전기아크로를 이용한 작은 미니 스틸밀 방식은 용광로 방식보다 크기도 작고 자본도 덜들고 이산화탄소 배출도 적고 강철 품질 조절이 쉬워 고품질 강철 특히 자동차용 고장력 강판을 만들기 쉬워 용광로 방식과 산소제강법을 점차 대체하고 있다. 미래에는 수소가스나 암모니아를 이용한 직접 환원방식 등 기후위기에 대응하는 제철제강 기술이 널리 보급될 것으로 예상된다.
4. 세부 분류
강철은 함유성분, 제조법, 사용용도 등 다양한 기준을 가지고 분류할 수 있다. 가장 일반적으로는 함유성분으로 분류하는데, 크게 다음과 같다[7].- 탄소강 - 단순하게 탄소함량이 주가 되고 그 외에 철강재료에 자연적으로 4가지의 원소(규소[8], 망간[9], 황, 인)[10]만이 소량 함유된 것. 일반적으론 10xx [11], S(M)xxC [12][13] 형태의 이름을 가지며 xx는 대략적인 탄소 함량(0.xx wt%)를 의미한다. 당연히 숫자가 클수록 고탄소강이다. 가령 콜드 스틸 사에서 즐겨 쓰는 1055 강은 탄소함량 0.55%의 탄소강이라는 뜻이다.
- 합금강 - 탄소를 제외한 4개의 함유원소 중 특정 원소의 함량이 탄소강의 기준치보다 높거나 탄소와 이 4개의 원소 이외의 다른 원소[14]들이 함유된 것. 즉 이쪽도 어쨌든 대부분 탄소는 들어간다. 제조사에 따라 이름이 천차만별이며, 실험적인 것까지 합하면 수백 수천 가지가 넘는다.
다만 업계나 산업현장, 요식업계(특히 칼 품질을 가장 많이 따지는 일식) 등에서는 탄소강/합금강 분류보다는 탄소강/스테인리스강 분류를 더 많이 쓰는 편이다. 즉 '합금강이지만 스테인리스강은 아닌' 강재도 모조리 탄소강으로 분류하는 식. 이 기준대로면 5160이나 6150 스프링강 등 탄소강에 미량의 크롬을 넣은 강재부터, 고급 공구강(Tool Steel)이나 고속도강(High Speed Steel, 일명 하이스강) 등 카바이드를 집어넣어 경도를 높인 특수강들도 탄소강으로 분류된다.[15] 실사용의 측면에서는 녹이 스는지 여부가 가장 직접적으로 와닿는 특징이기 때문인 듯 하지만 [16], 아무래도 엄밀한 과학적 분류는 아니다보니 많은 오해를 낳기도 한다. 해당 문서로.
5. 특징
철강재료는 탄소함유량이 많은 순으로 주철, 강철, 연철로 나뉘는데, 이 중에서 산업현장에서 가장 유용한 것이 강철이다. 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[17] 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. 관련 영상 현대에도 제철소는 국가나 대기업의 주도로 막대한 돈을 쏟아부어 거대한 설비를 갖추게 된다.[18] 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 이런 생산 시스템을 갖추지 못한 곳들을 정복해 식민지로 만들어 지배하고 전세계에 막대한 영향력을 끼칠수 있었다. [19]
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.[20] 이는 강철이 가진 재료공학적 장점이라 할 수 있으며, 강철의 다양한 성질에 대해 고대로부터 수많은 연구와 경험이 축적되어 왔다.
현대에도 강철은 끊임없이 개량되고 있다. 일례로 18세기 갑옷의 재료로 쓰인 ‘강철‘의 인장강도는 오늘날의 연철만도 못하다.[21] 20세기 중후반의 강철조차 현대(21세기)의 강철과는 그 인장강도 면에서 비교가 안 된다. 타이타닉호를 21세기에 만들었다면 빙산과 충돌했어도 가라앉지 않았을 것이란 말이 있다. 일례로 자동차 공업에서 사용되는 강철(HSLA)은 1970년대와 2020년대 사이에 인장강도가 2.5~3배 증가했다. 20세기에 궁극의 재료로 찬양받던 티타늄의 인기가 21세기 들어 좀 시들한 것도 강철의 단위 부피 당 인장 강도가 티타늄 합금과 대등하거나 일부 앞설 정도로 발전했기 때문이다. 미래의 강철은 우리의 상상을 뛰어넘는 재료로 발전할지도 모른다.
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, 유리섬유, 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 SF 작품에서는 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 운석으로, 무협지 등에서 최상급 무기 재료로 묘사되는 운철도 본질은 우주에서 지구로 유입된 철에 불과하다.[22]
6. 강철의 미세조직
강철에서 나타나는 미세조직은 합금 원소, 공정 조건 등 다양한 변수의 영향을 받아 변화하기 때문에 셀 수 없을 정도로 다양하다. 본 문서에서는 가장 기본적인 강철인 탄소강에서 관찰되는 미세조직과, 강철 재료에서 자주 관찰되는 기본 미세조직들을 설명한다.- 페라이트(ferrite): 강철재료의 미세조직에서 탄소가 거의 포함되어 있지 않은 안정한 상태의 미세조직이다. 탄소함량이 적은 강재일수록 페라이트의 관찰비율이 증가한다. 결정구조는 체심입방정(BCC)이며, 상태도에서는 α(섭씨 727도 이하에서 형성된 경우) 또는 δ (섭씨 1394~1490도 이상의 고온에서 형성된 경우)로 표기한다. 페라이트라 하면 거의 대부분은 α-Fe를 지칭하며, δ-Fe는 델타 페라이트라고 따로 구분해서 표현한다. 일부 특수 합금강에서는 델타 페라이트가 상온에서도 관찰될 수 있으나, 탄소강에서 델타 페라이트가 관찰될 일은 거의 없다 봐도 된다.
- 오스테나이트(Austenite): 면심입방정(FCC) 구조를 가지는 미세조직으로, ferrite에 비해 대체로 연한(연성이 큰) 특징을 보인다. Fe-C 상태도 상에서 Fe 단일 고용체로써 가장 많은 탄소를 함유할 수 있는 조직이다. 상태도 상에서는 대체로 γ 로 표기하며, 논문이나 서적에서 γ-Fe 라 한다면 이 오스테나이트 조직을 가리킨다고 보면 된다. 탄소강에서는 오스테나이트 조직이 대체로 탄소 함량이 높은 강을 급랭했을 때, 후술할 잔류 오스테나이트 형태로 나타날 수 있는데, 이 잔류 오스테나이트 상은 마르텐사이트보다도 불안정한 상으로 상온에서 장시간 방치하면 일부 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태한다(이를 자연시효라고 한다). 마르텐사이트 변태는 무확산 격자변태면서 동시에 결정구조가 변화하는 변태여서 부피 팽창을 수반해 금속의 뒤틀림에 의한 치수 오차를 유발할 수 있어 보통은 잔류 오스테나이트가 가급적 생기지 않게 하는 게 바람직하다. 그러나, 이 오스테나이트 상을 상온에서도 안정하게 유지되도록 만들 수가 있는데, 가장 대표적인 게 흔히 304, 316, SUS 3×× 라 부르는 오스테나이트계 스테인리스강이다. 오스테나이트계 스테인리스강은 오스테나이트 안정화 원소인 Ni을 첨가해 상온에서도 오스테나이트 상이 안정한 상으로 존재할 수 있도록 만든 합금이다. 강철에서 오스테나이트 상을 안정화 시키는 효과가 있다고 알려져 있는 원소는 니켈, 망간, 탄소, 질소, 코발트, 구리 등이 있다. 물론 이 원소들이 들어간다고 해서 항상 오스테나이트가 생기거나 그런 것은 아니고, 이 원소들이 충분히 많이 들어가거나 다른 첨가 원소들을 적절히 조합해서 안정한 오스테나이트가 생기기 유리한 조건으로 만들어줘야 생긴다. 또한 오스테나이트의 안정화는 마르텐사이트의 변태 개시선을 극한으로 내리는 원리로 달성되는데, 그렇다보니 상온에서는 안정했던 오스테나이트가 극저온으로 냉각됐을 때는 마르텐사이트로 변태해 버릴 수 있다. 이렇게 해서 형성된 마르텐사이트 조직은 다시 상온으로 가열되어도 유지된다. 이 원리를 이용하면 잔류 오스테나이트를 제거할 수 있는데 그게 바로 심랭(sub-zero) 처리다. 심랭 처리는 담금질 한 강을 충분히 식힌 다음, 충분히 식는 즉시 액체질소나 드라이아이스와 알코올을 섞은 아주 차가운 액체 속에 오랜 시간 담가뒀다가 다시 빼는 열처리 방법이다.
- 시멘타이트(cementite): 강철에서 관찰되는 Fe3C 탄화물로, 후술할 펄라이트 조직을 구성하는 요소 중 하나이자, 탄소 첨가량이 높은 강철에서 찾아볼 수 있는 미세조직이다. 탄소강에서는 탄소 농도가 너무 높아서 더 이상 페라이트나 오스테나이트 조직이 탄소를 고용할 수 없는 상황에 형성된다. 만약 다른 원소가 첨가된 특수강이라면 첨가된 원소의 탄소 친화도와 양에 따라 Fe3C 보다 다른 탄화물이 먼저 형성되거나 탄소랑 친한 다른 원소들이 탄화물 만드는 데 탄소를 다 써버려서 Fe3C가 생기지 않는 경우도 있다. 이런 탄화물들은 강의 경도와 강도를 높이는 효과가 있지만 대신 연신율을 크게 떨어뜨리고 취성을 띠게 만든다는 부작용을 함께 가지고 있다.
- 펄라이트(pearlite): 앞에서 언급한 페라이트와 시멘타이트(Fe3C)가 층상 조직(lamella structure)을 이루면서 형성되는 미세조직. 대체로 탄소함량 0.025 ~ 0.8 wt%[23] 까지 페라이트 중심에서 펄라이트가 증가하고(아공석강) 0.8 ~ 2 wt% 까지 펄라이트 중심에서 시멘타이트가 증가하는 모습(과공석강)을 보인다. 탄소 함량이 0.8 wt% 이면 펄라이트 조직만 관찰되며 이를 공석강(eutectoid steel)이라 한다.
- 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[24]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 가지고 있다.
- 스피로이다이트(spheroidite): 펄라이트나 베이나이트를 적당한 온도에서 오랜 시간 동안 열처리[25]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.[26][27]
- 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 뜨임처리(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.
7. 제조법
#!if (문단 == null) == (앵커 == null)
를#!if 문단 != null & 앵커 == null
의 [[제철#s-|]]번 문단을#!if 문단 == null & 앵커 != null
의 [[제철#|]] 부분을8. 여담
현대의 재료공학, 건설현장 등에서 사용하는 강철의 정의와 그 구성이 명확함에도 그 기준이 확립되지 않은 과거의 용례에 대해 서술하기 어려운 바가 있다. 그나마 산업 혁명 이후의 에펠 탑, 군함 등의 구조물에 대한 내용이 대부분이다.육군 제 50보병사단의 경례구호이다.
8.1. Low-Background steel
1940년대 핵폭탄이 개발된 이후 두 차례의 실전 사용(1945년 히로시마와 나가사키에 투하된 리틀 보이와 팻 맨)과, 이후 핵 만능주의 시대에 접어들며 강대국끼리 경쟁하듯 진행된 수없이 많은 지상 핵실험으로 인해 지구의 대기 방사선량이 증가하면서 1940~50년대 이후 생산된 강철에는 미량의 방사성 동위원소가 포함되었다. 제철 공정 중 제선 과정에서는 다량의 공기를 뜨겁게 가열하여 열풍을 용광로 하부의 풍구로 불어넣게 되는데, 이 때 공기중에 있는 미량의 방사성 동위원소가 강철에 포함되는 것이다.[28]물론 이렇게 강철에 포함된 방사성 동위원소들이 뿜는 방사선은 자연방사선보다도 못한 극미량이므로 건강에 해롭거나 일반적으로 사용하는 데에는 별 문제가 없지만, 우주탐사장비나 가이거 계수기, 이외 여타 방사능에 민감한 초정밀 설비들을 제작할 때는 문제가 될 수 있다.때문에 이러한 장비들에 쓰이는 철은 1945년 이전에 생산된 강철을 사용한다. 이제 100년 가까이 지난 과거에 생산된 강철을 어디서 얻냐면, 제1차 세계 대전, 제2차 세계 대전 때 잔뜩 침몰한 군함들의 잔해에서 얻는다. 옛날이긴 해도 군용 장갑재로 쓰인 강철이라 품질도 좋은데다 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. 가령 쾨니히급 전함 4번함인 SMS 크론프린츠 함의 잔해는 영국의 정밀 의료기기들의 부품으로 애용되었다. 심지어 심우주 탐사선인 보이저 호에도 침몰한 독일 제국 해군함에서 추출한 강철이 사용되었다.
같은 이유로 일본에서는 항구에서 원인 미상의 이유로 폭침된 나가토급 전함 2번 함 무츠에서 강철을 뽑아내 정밀기기에 사용 중이다. 중국에서는 자바 해전 당시 침몰한 연합군 측 군함 몇 척을 강철을 훔치기 위해 몰래 인양해간 사건이 있었다. 이 때문에 영국과 인도네시아 등등 당사국들에게 항의를 받았다. 미국의 경우 사우스다코타급 전함 USS 앨라배마나 인디애나함의 잔해를 사용했다. 군함 외에도 제2차 세계 대전 당시 사용된 전차를 녹여서 고철로 쓰기도 한다.
이런 걸 보면 1945년 이전의 강철이 현재는 생산이 불가능한 일종의 로스트 테크놀로지 취급받는 것 아니냐고 생각할 수 있지만 사실이 아니다. 대기 중의 방사능으로 문제가 되는 코발트-60 정도는 현재의 기술력으로도 충분히 걸러낼 수 있다. 전기 응집술[29]로 순수한 공기 환경을 만들어내서 강철을 주조하면 되기 때문이다. 하지만 근해에서 침몰한 군함들의 부품을 스크랩하여 사용하는 것이 훨씬 값싸고 간편하기 때문에 그냥 침몰선을 뜯어내서 사용하는 것. 침몰선을 다 소비하면 그때부터는 위 방법으로 직접 방사능을 걸러낸 강철을 만들어 쓸 것이다.
스캐퍼 플로와 일본 근해 이외에도 아이언 바텀 사운드에도 엄청나게 많은 군함이 침몰해 있지만, 이 동네 수심은 평균 600m가 넘기 때문에 건져내는 비용이 더 높을 수도 있으며, 상기했듯 국제법에 따라 무단으로 아무 침몰선이나 인양해서 금전적인 목적으로 사용하는 것은 분쟁의 소지가 있어서 법적인 절차를 밟아야 하므로 더욱 번거롭다. 다만 중국은 이러한 침몰선들을 자주 인양하여 국제적인 문제를 일으키기도 했다. 당장 2023년에는 중국이 말레이 해전 당시 침몰한 킹 조지 5세급 전함 HMS 프린스 오브 웨일스와 리나운급 순양전함 HMS 리펄스의 잔해를 인양하다 걸려, 영국 해군이 격노하는 사건까지 벌어졌다.# 영국과 미국, 그리고 일본이 사용하는 잔해는 퇴역한 자국 함선이나 노획한 적국 함선으로 정식 퇴역 및 해체 절차를 밟은 것이기 때문에 문제가 없다. 그러나 중국이 불법으로 인양하는 잔해들은 실제 전투에서 격침당하여 수많은 장병들과 함께 바다에 수장된 타국의 함선들이므로 국제적, 인도적으로 문제가 되는 것이다.
이러나저러나, 1963년의 핵실험 금지 조약 이후 오랜 시간이 지났기에, 대기 중의 방사선 농도는 냉전 시절에 비해 생각보다 많이 감소했으니 걱정은 덜 수 있을 것이다. 코발트-60의 반감기는 5.3년 정도로 매우 짧기 때문.
9. 매체에서의 등장
각 매체에서의 강철 능력자들에 대해서는 금속 문서로.중세 판타지나 공상과학에서는 아다만티움이나 비브라늄과 같이 강철보다 훨씬 단단한 가상 물질들이 많이 나오는데, 이 가상 물질들은 강철을 종잇장 마냥 가르거나 찢어버리는 등 파손시켜버리기 일쑤이기 때문에 현실에서의 강철의 위상과 달리 일반 졸병들이나 사용하는 싸구려 무기 취급을 받는 경우가 많다. 반면 근세~근현대를 모티프로 했거나, 스팀펑크나 디젤펑크를 주제로 한 작품에서는 현실에서와 같이 저렴하지만, 중요한 소재로 묘사된다.
괴이하게도 몇몇 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, 제련 과정에서 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 전기 분해 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 분리된 채로 혼자 녹이면 순철은커녕 환원이 제대로 되지 않아 불순물이 그득한 잡철이 나올뿐이다. 이 상태로 흑연을 뿌려 탄소량만 높이면 대약진 운동 시기 토법고로에서 나올 법한 그것이 된다. 물론 게임에서 말하는 순철은 진짜 순철이 아니라 바로 저런 잡철을 그냥 철이라고 표기했다고 보는 게 맞다. 아무리 그래도 잡철검 따위로 이름을 짓는 게 좀 그렇기 때문.
또한 고증을 제대로 하면 제련이 너무 어려워지고 공학, 제철 시뮬레이션이 될 수도 있으니 현실적으로 타협할 수밖에 없는 게임적 허용이긴 하다. 일부 게임에서는 저런 불순물들을 분해하는 과정을 거치고도 한다. 물론 탄소가 높으면 강철이 된다는 방식은 유지되나 일단 고대~중세시기에 좋은 철을 얻는 방법도 결국 게임과 비슷한 과정을 거치다보니 어쩔 수 없긴 하다.
9.1. 인명
위 금속의 이미지 때문인지 각종 작품의 주인공 이름(국산/번안 및 현지화 불문하고)으로 마르고 닳도록 쓰인 이름이기도 하다. 물론 실존 인물의 이름으로도 쓰이지만 '철'자가 젊은 사람들보다는 중장년층 이상의 남성에게 많이 사용되던 글자이다보니 다소 촌스럽다고 느끼는 경우도 적지 않다. 뭔가 북한사람 인명 같기도 하고.9.2. 별명
흔히 무언가 강하고 단단한 것을 표현할 때 강철에 빗대는 식으로 표현하는 경우가 많다. 예를 들면 강철치마.(...) 단순히 물리적으로 내구성이 높아 잘 부서지지 않는 것뿐만 아니라, 정신력이 강하거나 육체적으로 튼튼하거나 등도 모두 강철에 비유한다. 물론 상기했듯 사실 강철보다 더 튼튼한 물질은 많이 있지만, 역시 위와 같은 이유로 주변에서 흔하게 접할 수 있는 물질 중 강도가 가장 높은 편에 들어가는 물질이 강철이다 보니 자주 사용되는 것이다. 강철 외에는 바위에 빗대는 경우도 많다.그 외에도 매체에서 강한 능력자들이나 강한 물질이 나오면 강철을 간단히 부수는, 강철보다 XX배 단단하다는 식으로 표현하기도 한다.
[1] wt% = weight percent = 질량을 기준으로 하는 함량 비율을 의미함[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] '코'가 장음이기 때문에 '코-테츠'라고 발음한다[5] \[asje\]라고 발음한다. \[aʃe\]로 발음하지 않도록 주의.[6] 쇳물이 아니다. 쇳물로 만들어버리면 연료의 탄소 성분이 쇳물과 섞여서 탄소 함량이 높은 주철이 된다.[7] 실제 강철의 세부분류를 상세하게 따지고 들어간다면 정말 밑도 끝도 없기 때문에 이 문서에서는 가장 대표적인 유형만 제시한다. 만약 도검이나 공구류에 자주 사용되는 강철의 종류와 분류를 조금 더 자세히 알고 싶다면 현대의 도검용 강재 문서를 참조할 것.[8] 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 규소 함량이 높으면 포화자속밀도가 높아져 유리하다.[9] 망간은 강철의 항복강도를 향상시키고 철 속의 황과 결합하는 성질이 있다.[10] 탄소를 포함해 이를 철의 5대원소 라고 한다.[11] ASTM, AISI 표준 규격식 표기법[12] JIS 및 KS 표준 규격식 표기법.[13] KS 규격은 Steel을 의미하는 S 뒤에 Machine 을 의미하는 M이 더 붙는다. 기계구조용 탄소강을 뜻한다.[14] 대표적으로 니켈, 크롬, 몰리브데넘, 바나듐, 텅스텐, 나이오븀, 코발트 등.[15] 가령 고급 일제 식칼에 종종 쓰이는 고속도강인 HAP40는 크롬 4.2%, 몰리브데넘 5%, 바나듐 3%, 텅스텐 6%, 코발트 8% 등 각종 비철금속이 잔뜩 든 고합금강이지만, 일식 조리사들은 그냥 탄소강으로 분류한다.[16] 실제로는 특수강과 탄소강은 내부식성도 차이가 있다. 일반적으로 크롬이나 몰리브데넘이 함유된 특수강들은 탄소강보다 부식에 좀 더 잘 견디는 편이다. 단지 스테인리스강이 이들에 비해 내부식성이 넘사벽 수준으로 우수하고, 요리라는 게 염분과 수분에 빈번하게 노출되는 가혹한 환경이다보니 둘 다 녹이 워낙 잘 생겨서 그렇게 된 것으로 보인다.[17] 요즘 학계에서는 히타이트의 철기 사용에 대한 이견도 많다. 히타이트 문서로.[18] 규모가 커질수록 생산되는 강철 제품의 단가가 싸진다. 규모의 경제 문서로.[19] 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.[20] 냉각시키면 금속 내부의 미세조직의 상태가 변화하여 준안정한 상으로 자리잡는다. 냉각 속도에 따라 준안정한 상이 변하기 때문에 냉각 속도를 조절하면 성질이 달라지는 것이다.[21] 18세기 퀴레이스 아머에서 연철로 바꿨더니 방어력이 더 늘어났을 정도다.[22] 물론 산소와 결합하면서 산화철이 되어서 그냥은 못 쓰는 철광석과 달리 운철은 산소가 없는 우주 공간에 존재해 거의 산화하지 않은 상태고, 산화된 부분마저 대기권을 통과하면서 강한 기압과 고속으로 낙하하며 공기와 충돌해 발생하는 고열에 의해 환원되어 별도의 제련이 필요없을만큼 순도가 매우 높아서 철기 시대 이전에는 철제 무기를 수급할 수 있는 거의 유일한 수단이었고, 철기 시대에 접어들어서도 재련술과 야금술이 발달하지 않은 고대에는 희귀성 같은 걸 논외로 하더라도 최상급 재료였다.[23] 여기서 wt% = weight percent 의 약자로, 무게비를 의미한다[24] 200도~400도가 대체 뭐가 낮은 온도냐 할 수도 있지만 철 녹는점(순수한 철 기준 약 1539도)을 생각하면 이 정도는 그냥 대중목욕탕 수준.[25] 보통 700도에서 30시간 이상. 이 미세조직을 만들기 위한 열처리는 구상화 열처리 또는 구상화 소둔이라고 따로 구분해서 부른다.[26] 일본도가 휘어있는 이유 중 하나가 바로 마르텐사이트이다. 열처리 과정에서 칼등은 열을 천천히 주고 천천히 식히는 반면, 날을 유지하고 더 단단해야 하는 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.[27] 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 경도가 조금 낮다. 판금 갑옷의 무적의 신화도 볼록한 구조와 함께 바로 여기에서 나온 것. 한계 이상의 충격을 흡수할 때, 깨지기보다는 조금씩 휘어들어갔기 때문.[28] 이 현상으로 포도주 감별을 하기도 한다. 1945년 이전에 세슘-137이란 원소는 자연에서 존재하지 않았으나 1945년 최초의 핵실험 이후 세슘-137은 지구 어느 곳에서나 쉽게 검출할 수 있는 원소가 되었다. 이를 활용하여 세슘-137은 포도주를 감별하는 데에도 쓰인다. 포도주를 검사했는데 그 포도주에 세슘-137이 발견된다면, 그 포도주는 세슘-137이 함유된 토양에서 자란 포도로 만든 것이므로 1945년 이후에 만들어진 것이라는 뜻이 된다.[29] 전기를 고압으로 방전시켜 발생된 음이온으로 반대 극성을 가진 집진판에 분진을 달라붙게 만드는 기술