철 이야기

밀도 7.86으로 주로 탄소가 함유된 채로 발견된다. 

철은 대체로 500~600도 이상이 되면 환원이 시작되고,

1000도 이상이 되면 탄소량이 매우 적은 고체로 이루어진 철덩어리를 얻을 수 있다. 

처음에는 이처럼 탄소량이 매우 적은 상태의 쇠를 이용하였지만, 

기술이 발달하면서 탄소의 함유량을 조절하고 담금질로 열처리를 하여 더 강한 쇠를 만들 수 있게 되었다.

존재

지각 속에 가장 많이 있는 원소의 하나인데, 금속원소로는 알루미늄에 이어 제2위이다. 

그러나 지구 내부는 주로 철로 이루어져 있으므로 지구 전체로 보면 존재율이 매우 높다. 

화학적으로 활성이 커서 천연에 홑원소물질로서 있는 경우는 거의 없고 

산화물이나 탄산염의 형태로 광상을 이루어 산출된다. 

주된 광석은 자철석 FeO, 적철석 FeO, 갈철석 FeO·HO, 능철석 FeCO 등이다. 

사철(沙鐵)은 암석의 풍화로 인해 생긴 미립자 형태의 자철석으로 이전에는 중요한 철자원이었다. 

현재 세계에서 다량으로 철광석을 산출하는 나라는 미국이고 다음이 옛 소련·영국·독일 등이다.

제조법

순수한 철은 특수한 용도로만 쓰이며 실용되는 철은 철과 탄소의 합금인 강(鋼)이다. 

보통 두 공정으로 나누어진다.

먼저 배소(焙燒)한 철광석을 코크스 및 융제(融劑；석회석·점토 등)와 함께 

고로(高爐；용광로)에 넣고 열풍을 불어 넣는다. 

이때 노내(爐內)의 반응은 복잡하지만 요점을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

⑴ 일산화탄소의 생성

C＋O→CO CO＋C→CO

⑵ 일산화탄소에 의한 환원(노상부, 500∼800℃)

FeO→FeO→FeO→Fe

⑶ 탄소에 의한 직접환원(노하부, 900∼1200℃)

FeO＋C→Fe＋CO

유리된 철은 융해상태가 되어 노바닥에 모이고 

광석 중의 규산 성분이나 불순물 등은 융제와 반응해서 슬래그가 되어 철 위에 모인다. 

이 단계의 철이 선철(銑鐵)인데 

수％의 탄소 외에 소량의 규소·인·황 등이 함유되어 있다(용광공정 혹은 제선공정). 

선철은 불순물을 함유하고 있어 단단하지 못하므로 압연(壓延)·단조(鍛造)를 할 수 없다. 

그래서 석회 등을 첨가하여 평로(平爐)·전로(轉爐)·전기로 속에서 

1500℃ 이상으로 가열·융해하여 공기를 불어 넣으면 탄소나 불순물은 산화물이 되어 제거된다. 

이 제강 공정에서 탄소 함유량이 1.7％에서 0.03％인 강이 된다. 

탄소 함유량이 적은 순철(純鐵) 제조법에는 

철(Ⅱ)염 수용액의 전기분해(탄소 함류량 0.01∼0.02％), 

펜타카르보닐철의 열분해(0.005∼0.0007％), 

질산철이나 옥살산철을 열분해하여 만드는 고순도 산화철의 수소환원(0.0045％) 등이 있다.

성질

순철은 은백색의 금속으로 비교적 연하고, 상온에서 강자성을 나타낸다. 

α, , δ의 3가지 결정변태가 있는데,

α철에서 철로의 전이온도는 906℃(→α는 898℃, A변태점이라 한다), 

철에서 δ철로의 전이온도는 1401℃(A변태점)이다.

α철은 체심입방 구조이고 강자성이다. 

769℃(A변태점)에서 퀴리점을 가지고 

이 이상의 온도에서는 상자성으로 변하므로 β철이라고 하는 경우도 있으나 이것은 결정변태가 아니다. 

철은 면심입방 구조,

δ철은 체심입방 구조로 모두 상자성이다. 

철의 화학적 특징의 하나는 산소에 대한 화합력이 크며 미세한 분말상태의 철은 자연발화성을 나타내는 것이다. 

괴상(塊狀)이나 판상(板狀)의 철은 상온의 건조한 공기 중에서는 변화하지 않지만

습기가 있으면 점차 녹슬어 삼산화이철 FeO·HO로 변한다. 

건조한 공기 중에서도 150℃ 이상으로 가열하면 산화하는데 

이 경우에 생기는 것은 산화철 Ⅲ, Ⅱ 즉 사산화삼철 FeO로, 이것은 철의 표면을 부동태(不動態)로 만든다.

철은 공기를 함유하지 않는 물에서는 상온에서 침해되는 일이 거의 없으나 

적열(赤熱) 상태에서는 수증기와 반응하여 사산화삼철을 생성한다. 

묽은 산에서는 수소를 발생하며 녹아 철(Ⅱ)염이 되고 진한 질산에서는 부동태가 된다.

묽은 알칼리에는 녹지 않으나 진한 수산화나트륨에는 고온에서 심하게 침해된다. 

철은 화합물 속에서 보통 ＋2 또는 ＋3의 산화수를 취하는데, 

유기금속화합물 등에서는 －2, －1, 0, ＋1 등도 볼 수 있다. 

그리고 철산염 등에서는 ＋6의 상태로도 나타낸다. 

비중은 고체일 때 7.87(측정온도 20℃) 

액체일 때 6.9(측정온도 1535℃)이고 녹는점 1540℃, 끓는점 2750℃, 입방결정계이다. 

선팽창계수 1.15×10/deg(0∼100℃), 비열 0.11㎈/deg·g(0∼100℃),

열전도율 0.10∼0.15㎈/㎝·s·deg(상온), 융해열 64㎈/g, 비저항 9.8×10Ω·㎝, 모스굳기 4.5이다.

용도

선철은 녹는점 1100∼1200℃로 비교적 낮아 가열하면 연화하지 않고 녹아 버리므로 주물 제작에 적합하다. 

또한 값이 비교적 싸고 큰 힘의 작용을 받지 않는 물품인 차량·농기구 등에 쓰인다. 

탄소함유량 0.6∼1.7％인 강은 탄성·강도가 모두 커서 단련(鍛鍊)도 가능하므로 

담금질로 경화하여 공구 등을 만드는 데 쓰인다. 

탄소함유량 0.6％ 이하인 철은 연철(鍊鐵)이라고 하는데, 연하고 강인하여 쉽게 단련할 수 있다. 

이것은 담금질로 경화되지 않는다. 

기계기기의 제작과 건축·토목용 강재 등에 널리 쓰인다. 

니켈·크롬·망간·코발트·텅스텐 등의 금속을 첨가하면 

스테인리스강·내열강·공구강·스프링강·자석강 등 여러 가지 특수강이 된다. 

탄소함유량이 아주 작은 순철은 트랜스의 철심 등에 쓰인다.

인체와의 관계

인체에는 2∼4g의 철이 함유되어 있어 중요한 생리작용을 한다. 

인체내 철의 1/2∼2/3는 혈중의 헤모글로빈에 함유되어 있고, 0.5∼1.0g은 저장철로서 간·지라·골수에 있다. 

그 외 혈장철로서 순환하는 것과 시토크롬 등 각종 효소성분으로서 전신에 존재하는 것이 있다.

철의 흡수

철의 흡수는 십이지장과 소장의 상부에서 이루어진다. 

음식물로 섭취되는 철에는 2가철(Fe)과 3가철(Fe)이 있는데 Fe가 Fe보다 잘 흡수된다. 

Fe로서 섭취된 철은 위내의 염산에 의해 환원되어 일부가 Fe로 바뀐다. 

또 아스코르브산(비타민 C) 등 환원작용이 있는 물질에 의해서도 Fe로 변화된다. 

철의 흡수를 저해하는 물질에는 피틴·타닌 및 과잉의 인 등이 있는데 철과 결합하여 흡수를 저하시킨다. 

철 흡수의 특징은 신체의 요구량에 따라 변한다는 점이다. 

즉 인체내에 철이 부족한 상태일 때에는 흡수율이 높아지는 반면, 

철이 충분히 있거나 음식물 속에 다량의 철분이 함유되어 있을 때에는 흡수율이 낮아진다. 

대부분의 영양소는 배설메커니즘에 의해 체내의 양이 조절되고 있는데 

철의 경우 흡수와 배설 양쪽이 다 조절역할을 하고 있다.

생리작용

철의 주된 생리작용은 산화환원작용이다. 

철은 체내에서 Fe에서 Fe로 또는 그 반대로 변화하는데, 이때의 산화나 환원이 생리작용으로 이루어진다. 

예를 들면 혈중의 헤모글로빈은 산소를 몸의 구석구석까지 운반하는데 

이때 헤모글로빈은 철과 산소가 결합된 형태(철이 산화된 상태)이다.

소요량과 결핍증

철의 소요량은 성인 기준으로 1일 10∼12㎎이다. 

생리가 있는 여성은 남성이나 생리가 없는 여성보다 1일 2㎎ 정도 더 많은 양이 소요된다. 

철의 1일 배설량은 1∼2㎎ 정도이다. 

임신부나 수유부는 기준량보다 8㎎쯤 더 많이 섭취할 필요가 있다.

식사와 철

식품 중에 함유되어 있는 철에는 헴철(헤모글로빈과 미오글로빈 등의 헴단백질 형태의 것)과 비헴철이 있다.

헴철은 간·육류·어류에 함유되어 있고 흡수율이 좋다. 

시금치·브로콜리 등의 녹황색 채소와 난황, 유제품에도 많은 철이 함유되어 있지만 비헴철이므로 

흡수율이 떨어진다. 

따라서 비타민 C와 육류를 함께 섭취하는 등 흡수 효율이 좋은 방법을 취할 필요가 있다.

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- 철 -

철은 지구에서 가장 흔한 금속이며 우주에서도 열번째로 흔한 원소라고 여겨진다. 

철은 지구를 이루는 가장 주요한 원소로 지구 중량의 34.6%를 차지한다. 

철은 지구 중심핵에 가장 많이 분포하며, 지각에는 5% 쯤을 차지한다. 

지구의 중심핵은 철의 단일 결정일 수도 있으나, 철과 니켈의 혼합물일 가능성이 더 많다. 

지구의 풍부한 철은 지구 자기장을 형성하는데 역할을 하고 있다.

철은 철광석의 형태로 산출되며, 순수한 금속 상태로는 거의 발견되지 않는다. 

순철을 얻기 위해서는 환원 반응을 통해 불순물을 제거해야 한다. 

철은 다른 금속(과 비금속, 특히 탄소)과의 합금인 강을 만드는데 사용된다.

철 원자핵 내에서 핵자 간의 결합 에너지는 니켈 동위원소인 62Ni 다음으로 가장 높다. 

일반적으로 가장 안정적인 핵종은 56Fe로 항성의 핵융합 과정을 통해 만들어진다. 

62Ni의 합성과정에서 약간의 에너지를 더 얻을 수 있으나, 

항성 내부의 상태는 이 과정이 진행되기에 좋은 조건이 아니다. 

초거성이 생명을 다 해 응축하기 시작하면 

별의 내부 압력과 온도가 올라가면서 원자의 안정성은 떨어지지만 훨씬 무거운 원소를 만들게 된다. 

이 과정은 초신성까지 진행된다.

일부 우주 모델에서는 핵융합과 핵분열의 결과로 모든 물질이 철로 바뀌게 된다고 예언하고 있다.

철(쇠) - 이온화된 철

철이 이온화 되면 양이온이 2개(= Fe++ ) 혹은 3개(= Fe+++ )인 두 종류의 이온을 가진 철이 된다.

이온화된 철과 금속 철은 성질이 전혀 다르다.

보통 우리 일상생활에서 보는 금속들은 전부 이온화되지 않은 것들이다.

철만 아니라 구리, 알미늄, 마그네슘, 코발트 등등 금속공학에서 보는 이온화되지 않은 그냥 금속들과

생물학에서 나오는 이온화된 금속들은 전혀 다르다.

이온화된 철(= 은 Fe++와 Fe+++ )은 언제나 다른 이온화물질과 결합해서 다른 물질로 존재합니다.

빈혈치료제 중 철분은 황산철(= FeSO4)이라는 화합물질이고, 

그것이 몸에 들어가면 Fe++가 따로 떨어져나가서 피 속의 헤모글로빈이라는 물질을 구성하는 

단백질의 한 성분으로 들어갑니다.

그러나 이온화되지 않은 금속들도 화학반응을 시키면 이온화화합물로 바뀔 수도 있습니다.

철의 제조과정

1   제선공정

철광석(산이나 바다 깊은 곳에 있는 광석)을 불로태운다

2    제광공정

1번 작업으로 나온 물질에 다른 물질(석회등)을 첨가하여 ~ 철의 성질을 돋군다.

3    탄소 함유량

고순도의 철은 연하기 때문에 기계나 건축물의 구조재로 사용하기에는 부적합하다. 

여기에 강도를 주기 위해 탄소(C)를 첨가한다. 

즉, 목탄, 코크스 등은 철을 단단한 강이나 주철로 변환시킨다.

결국 철강의 성질은 0.01~0.7% 정도 함유되어 있는 탄소(C)의 양에 따라 크게 좌우되는데 

탄소의 함유량이 적을수록 연하고 늘어나기 쉬우며 

탄소량이 증가할수록 경도와 강도는 증가하지만 탄성력과 신장률은 감소하는 경향을 나타내고 있다.

주철과 대부분의 강은 철과 탄소의 합금이다. 

철(Fe)에 0.05~0.3%의 탄소가 함유된 것을 보통 강이라고 부른다.

이중에서도 비교적 탄소량이 적은 강은 기계의 구조부분이나 축(軸)에 사용되며, 

탄소량이 많은 것은 레일 등에 사용된다.

탄소량 0.7~1.3%의 것은 공구강이라고 하며, 금속가공용의 공구가 이것으로 만들어진다.

공구강은 담금질 열처리가 잘 되기 때문에 쉽게 단단해 진다.

탄소량이 2%이상인 것은 강(降)이라 하지 않고 주철이라고 부른다. 

주철에도 여러 종류가 있으나 

탄소의 대부분이 흑연의 형태로 포함된 것을 회(색)주철이라 하고 

탄소가 철의 화합물(시멘타이트, Fe3C)의 형태로 포함된 것을 백주철이라 한다.

회주철은 대단히 연하며 가공이 쉬우나 백주철은 단단하며 여린 성질을 갖고 있다. 

주철의 용도는 매우 다양하다.

기계의 받침부분, 엔진 몸체, 수도관 등 많은 것이 주철로 만들어진다. 

비교적 저온에서 용해되며 주조가 용이하여 공원의 울타리나 조각에도 사용된다.

(참고자료 : 포항공과대학 철강대학원)

탄소 함유량이란 금속의 조직학상 분류에 속한다...

철의 성질을 결정하는데 가장 큰 영향을 미치므로 이를 기준으로 분류하면 다음과 같다.

철은 탄소 함유량이 적으면 적을수록 연하고 늘어나는 성질이 커지며 

그 함유량이 많아짐에 따라 경도가 높아지고 강하게 되는 반면에 부서지기 쉽고 늘어나는 성질은 줄어든다

철은 1.7% 의 탄소 함유량을 경계로 하여 그 금속조직과 성질이 크게 달라지는데 

탄소가 1.7%이상 함유된 것을 주철(선철), 그 미만의 것을 강이라고 부른다...

현재 "鐵"이란 명칭으로 사용되고 있는 것은 실제로 대부분이 강과 선철이며, 

이 두가지는 그 성질에 있어서 매우 다른 특징을 가지고 있다...

즉 선철은 단단하지만 부러지기 쉽고, 용선을 주형에 넣어서 주물로 만들 수는 있지만 굽히거나 늘릴 수는 없다.

전에 우리가 흔히 볼 수 있었던 무쇠솥이나, 난로 등은 선철 주물이지만, 

철도 레일이나 철근, 냉장고, 못 등은 강재(鋼材)로 제조된 것이다.

순철(純鐵)

순철은 탄소(C), 규소(si), 망간(Mn) ,인 (p),유황(s)의 5원소 합계가 0.0l% 이하이며 

99.9% 이상 금속원소 철 (Fe)로 구성된, 불순물이 거의 포함되어 있지 않은 철을 말하는데 

천연적으로는 유성이 지구에 도달한 운석의 형태로 존재한다고 한다.

순철은 질(質)이 너무 연해서 그 용도가 한정되어 기계구조용에는 거의 쓰이지 않고

전기용 재료나 철강의 성질을 알아보는 실험용 등으로 쓰이고 있다.

선철(旋鐵)

선철은 철광석을 원료로하여 고로(高廬)에서 만들어지며, 

철광석의 제련에는 코크스, 목탄 등이 열원으로 사용되기 때문에 비교적 많은 탄소가 포함되어 있다.

일반적으로 사용하는 선철은 3.5- 4.5%의 탄소를 함유하고 있으며, 

전성과 연성이 거의 없어 그대로는 가공할 수 없기 때문에 

이를 재차 정련하여 탄소량을 저하시켜 강을 만들며, 

선철 자체는 용융점이 1,150-1,250℃로 비교적 낮고 용해하기 쉬워 각종 주물을 만드는 원료로 사총되고 있다...

강(鋼)

강(탄소강)은 탄소를 0.035-1.7% 포함한 것이나 보통 0.04-0.6% 정도의 것이 많다. 

강에는 다른 금속원소가 많이 포함되지 않고 주로 탄소만 함유된 것을 탄소강 또는 보통강이라 하고, 

니켈, 크롬, 망간, 텅스텐, 몰리브덴 등의 특수금속원소가 포함된 강을 특수강 또는 합금강이라 한다...

한편 강은 제강방법에 따라 전로강, 평로강, 전기로강으로, 

탈산도에 따라 림드강, 반진정 (Semi-KiIled)강, 진정 (Killed)강으로, 

주입후 처리방법에 따라 압연(壓延)강, 단강, 주강으로 나뉘어 진다...

또한 용도에 따라 구조용 강은 보통강, 저탄소강, 스프링강 등으로, 

공구강은 탄소공구강, 특수 공구강, 다이스강 등으로 

특수용도강은 베어링강, 자석강, 내식강 등으로 나뉘어진다...

주철(鑄鐵)

탄소강에 비하여 탄소의 함유량이 많은 2.11~6.7% 정도를 함유하고 있으며 

휘어지거나 늘어나는 성질이 거의 없어 압연하거나 두들겨서 제품을 만들 수 없으며, 충격에 약해 깨지기 쉽고 

주철을 용해하여 복잡한 모양의 제품을 만들 수 있어 

아령, 가계의 몸체, 내연기관의 실린더 등의 주물용 재료로 쓰인다.

종류에는 깨어진 면의 색깔에 따라 백주철, 반주철, 회주철로 분류된다. 

보통 주철이라 하면 회주철을 말한다...

후기 : 

대장간에서 사용하는 철의 기본적인 지식으로 일단은 여기서 줄이고 

다음 단계에서 좀 더 심도있는 내용을 기술한다.