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무쇠
무쇠는 탄소 함유량이 1.7wt% 초과한 철을 말한다. 주철(鑄鐵) 또는 생철(生鐵)이라고도 한다. 이름대로 주조에 주로 사용한다.
순우리말로 무쇠라고 하는데, 이는 주철이 너무 딱딱하다 보니 연성이 부족해 잘 깨져서 오히려 무른 쇠라고 무쇠라는 이름을 붙였다는 설이 있다. 다른 설로는 주철이 완전히 액체로 녹여서 주물을 만드는 데 많이 쓰이다 보니, 물처럼 녹이는 쇠라고 '물쇠'라고 부르던 게 무쇠가 되었다는 설이 있다.
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개요[편집]
무쇠는 1.7% 이상의 탄소를 함유하는 철의 합금이다. 보통 탄소량은 2.06 ~ 6.7%로 나타나 있으나 흔히 사용되는 것은 3 ~ 4%이다. 탄소가 많아서 단단하고 부서지기가 쉬우므로 압연·단조 등의 가공은 할 수 없으나, 강에 비해서 융점이 낮아 쉽게 용해되기 때문에 주물로 쓰기에는 편리하다. 주철 제품은 강도가 높고 강에 비해 녹이 덜 슬며 가격도 싸기 때문에 기계 부품에서 취사용구에 이르기까지 용도가 넓고 또 많이 쓰이고 있다. 주철의 탄소는 시멘타이트({{#invoke:Langname|link|code=en}}: cementite)(Fe3C)의 형태로 존재하는 경우와 단독의 탄소가 흑연의 형태로 존재하는 경우의 두 가지가 있으며, 또한 주철로서의 성질도 다르다. 탄소가 세멘타이트의 형태로 되느냐, 흑연의 형태로 되느냐 하는 것은 주철 속의 탄소와 규소의 양 및 주조할 때의 냉각 속도에 관계된다.
탄소나 규소가 적고 급랭되면 세멘타이트로 된다. 세멘타이트는 굳은 화합물이므로, 세멘타이트를 많이 함유하는 주철은 단단하고 내마모성(耐磨耗性)은 우수하지만 부서지기가 쉽다. 이와 같은 주철의 단면은 조직이 치밀하고 백색으로 빛나기 때문에 백주철이라고 한다.
냉각속도가 느리고 탄소나 규소가 많은 경우에는 탄소가 유리되어 흑연의 형태로 되기 쉽다. 백주철에 비해서 연하지만 잘 깨어지지 않는 성질을 가졌으면, 단면에는 검은 색깔의 흑연이 덮여 있으므로 회색으로 보인다. 이러한 주철을 회주철이라고 부른다. 회주철의 흑연을 현미경으로 보면 지렁이와 같은 모양으로 벌려 있는 것처럼 보인다.
이 주철에 마그네슘이나 칼슘을 약간 첨가하면, 이 흑연은 구상(球狀)으로 변화하여 회주철의 2 ~ 3배나 강하고 질긴 주철이 된다. 이러한 주철은 구상흑연주철(球狀黑鉛鑄鐵) 또는 노듈라주철({{#invoke:Langname|link|code=en}}: nodular cast iron)이라고 부르며, 연성(軟性)이 필요한 중요 기계부품이나 수도관 등에 사용한다.
이름[편집]
무쇠는 '물[水]'과 '쇠[鐵]'의 합성어다. '믈'은 근대국어 시기에 원순모음화를 경험하여 '물'로 변화한다. 또한 합성어를 형성할 때, 'ㅅ' 앞에서 'ㄹ'이 탈락하는 음운 변화로 '무쇠'가 된 것이다. '무쇠'에서 '물'은 자기 본래의 의미를 잃어버리고 "묽은", "약한"이라는 의미의 접두사로 쓰였다. '무쇠'는 비록 단단하기는 하나 아직 연마가 덜 된 쇠를 뜻한다.
선철[편집]
선철(銑鐵, pig iron)은 탄소 함량상으로는 주철과 같이 1.7wt% 이상인 철이다. 성분상으로는 주철과 선철이 특별히 구분되지 않지만 사용 목적과 제작 공정에 따라 구분된다.
선철은 용광로에 코크스와 석회와 철 원광을 넣어 용해하여 나온 것으로, 추가적인 공정이 없다면 탄소 외에도 규소, 망간, 인, 황 등의 불순물이 섞여 있다. 때문에 실제 제품으로는 사용할 수 없고, 추가적인 공정을 통해서 강철이나 주철로 재가공하여 사용한다.
현대 제철소 공정에서는 용광로에서 나온 용선(쇳물)을 그대로 불순물을 제거하여 주철로 쓰고 혹은 전로에 넣어서 강철로 만들기 때문에 선철과 주철이 구분되는 의미가 적다. 하지만 근대까지만 해도 용광로에서 나온 선철을 괴로 만든 후 다시 녹여서 주철이나 강철로 가공했기 때문에, 영단어에서는 구분이 남아 있다.
특징[편집]
이 주철을 베세머 전로에 넣고 공기를 불어넣어 탄소와 불순물을 제거하면 바로 강철이 된다. 강도나 경도를 보면 주철이 강철보다 더 단단하지만, 인성이 없어 충격을 받으면 잘 깨진다. 마치 유리가 경도는 철보다 높지만 잘 깨지는 것과 같다.
주철은 다 녹지 않은 탄소가 흑연(Graphite) 상으로 미세조직에 나타나며 열처리에 따라 이 탄소가 다시 철과 결합하게 한다든가 뭉친 모습을 바꾼다든가 하는 식으로 상을 변화시킬 수 있다.
대체로 철이나 강철보다 더 단단하고 잘 부러지는 경향이 컸지만, 강철보다 주조성이 높고 이를 이용해 엔진이나 조리도구를 만들기도 한다. 한국에서 쓰던 가마솥도 무쇠로 만든 것. 돔 건축에도 활용되었는데, 대표적인 사례가 성 이사악 대성당과 미국 국회의사당이다.
강철이 널리 쓰이기 전에는 생산이 어려운 연철을 대신하여 일상용품 제작에 주로 쓰였다. 모양 내기가 쉽다는 큰 장점이 있기 때문에 강철이 흔해진 현재에도 강철이 주철을 완전히 대체하진 못했으며 수많은 일상용품이나 공업용품이 아직도 주철로 제작되고 있다.
초기에는 철도 레일도 주철로 만들었다. 그러다 증기 기관차가 등장하면서 무게가 많이 늘어나자 레일이 깨지는 현상이 나타났고, 이후 연철을 사용하다가 지금은 강철을 사용한다.
간혹 주조로 만들어진 모든 제품을 주철이라고 잘못 부르는 경우가 있는데, 철만 주조(녹은 금속을 틀에 부어 만드는 것)하는 게 아니라 다양한 금속이 주조에 적합하다. 대표적으로 청동. 인터넷 등에서 흔히 말하는 자동차의 "주철 휠"은 사실 주조 알루미늄 휠이다. 자동차 휠을 주철로 만들었다간 너무 무거워서 차가 굼떠지고 연비도 형편없을 것이다.
철로 만든 물건이라도 주조로 만든 것이 아니리면 당연히 주철이 아니다. 철제 제품을 만드는 방법은 주조 외에도 단조, 밀링, 압연 등 매우 다양하다. 예를 들어 강판구조물로 만들어진 서스펜션암을 주철 로워암이라고 부르는 이들이 있다는데, 큰 충격을 버티는 서스펜션 암을 주철로 만들었다간 하루만에 깨질 것이다. 이런 부품은 대개 단조(금속 가공)로 제작한다.
연철과도 구분해야 한다. 주철은 cast iron, 연철은 wrought iron인 것만 봐도 알 수 있지만, 쇳물을 틀에 부어 굳혀서 만드는 주철과 달리, 연철은 고체 상태의 철을 기계나 도구로 형태를 잡아준 것이다. 나름 많이 사용되는 주철과 달리, 연철은 강철에 밀려 이제는 찾아보기 힘들다. 옛날에 지은 건물의 울타리나 금속 장식 등에서나 찾아볼 수 있는 정도다.
역사[편집]
청동기 시대에 야금 기술이 발견되고 퍼진 이래로, 구리광이 아닌 철광석을 녹이다가 우연히 발견된 것으로 보인다. 현재까지 발견된 유물 중 제일 오래된 주철 유물은 기원전 12세기의 것으로, 인도 지역에서도 발견되고 연해주 지역도 비슷한 시기에 철 슬래그와 주조 철기가 발견되어서 의도적으로 만들어졌음을 알 수 있다. 연해주의 경우 청동기 제련 기술을 접했으나 청동이 채굴되지 않는 자연환경에서 우연히 발견한 것으로 보인다.
중국 지역은 기원전 7세기 경에 주철 제조 기술이 발명된 것으로 보이며, 가장 오래된 유물은 기원전 5세기의 것으로 무기와 일상 물품을 만드는데 사용되었다.
기원 후 5세기 무렵에는 아프리카 콩고강 유역의 숲에 살던 부족인 루바족이 독자적인 주철 제조 기술을 발명한 것으로 보인다. 루바족의 전통 주철 제조 기술은 유라시아에서 발명된 용광로와는 다른 방법으로 철을 녹였다고 한다.
이렇게 전세계적으로 문명과 떨어진 곳에서도 자체적으로 주철 기술을 개발한 것과 대조적으로, 유럽은 특이하게도 기원후 12세기까지 주철의 생산법을 몰랐다. 13세기부터야 독일에서 주철을 만드는 용광로를 개발하여 주철의 생산이 시작된다. 시기상 몽골 제국을 통해서 동방에서 주철 제조 기술이 유입된 것으로 보인다.
주철의 종류[편집]
백주철[편집]
주철의 탄소 함량에서 시멘타이트(Fe₃C)는 준안정상인데, 시멘타이트가 안정상인 페라이트와 흑연으로 분리되지 않고 그대로 존재하는 주철을 백주철이라고 한다. 이름은 시멘타이트상의 특징인 벽개파괴로 생긴 파단면이 흰색인 데서 유래하였다. 주철의 용탕을 고속으로 냉각하면 백주철이 된다.
회주철[편집]
준안정상의 시멘타이트가 충분한 시간을 들여 페라이트와 흑연으로 완전히 분리된 것을 의미한다. 미세조직상에 흑연이 관찰된다. 흑연 조직은 플레이크상을 띤다. 이름은 파단 시 플레이크상의 흑연이 다수의 미세 크랙을 만들어 파단면이 회색을 띠는 데서 유래하였다. 백주철보다 냉각속도를 늦추면 회주철이 된다.
가단주철[편집]
백주철에 열처리해서 인성을 부여하여 단조할 수 있도록 만든 주철. 규소 성분을 추가하여 주조시 세부 부분까지 정밀하게 표현할 수 있다.
구상흑연주철[편집]
용탕에 세륨이나 마그네슘을 첨가하여 흑연 조직을 구상화한 주철. 진동에 약하다.
기계 재료로서의 특성[편집]
오늘날 주철은 강철의 압도적인 인장 강도에 밀려 기계의 재료로서는 거의 퇴출되었지만, 주철이 아직도 대활약하는 분야가 있는데 바로 내연기관 엔진의 실린더 내부이다.
엔진의 실린더 내부에는 1초에 수십번 왕복하는 피스톤이 들어있는데다, 연료가 연소되면서 발생하는 고열 가스로 인해 엄청난 고압 고열 환경이다. 이런 고열 고압에서 마찰이 지속적으로 발생하면 금속은 골링(galling)이란 현상을 일으켜 마치 용접한것처럼 서로 달라붙게 된다. 즉 실린더 내벽에 피스톤이 접착되어 버린다는 것이다.
주철은 모든 금속 중에서 가장 골링이 안 일어나는 재료다. 주철과 주철끼리는 아무리 고열로 마찰시켜도 골링이 발생하지 않으며, 피스톤의 재질로 흔히 사용되는 알루미늄도 주철과 골링을 일으키지 않는다.
조리 도구로서의 특성[편집]
오늘날 사용되는 대부분의 조리용 금속제품(냄비, 프라이팬 등)은 스테인리스 스틸, 알루미늄 합금 등으로 되어 있다. 그러나 20세기 중반까지도 주철제 취사도구는 식당 뿐 아니라 일반 가정에서도 널리 사용되었으며, 우리나라에서도 가마솥을 비롯한 주철제 취사도구가 많이 사용되었다. 주물은 대량 생산이 쉬운데다 구리, 스테인리스 스틸 등의 재질보다 값이 쌌기 때문이다.
그러나 스테인리스 등의 취사도구를 손쉽고 저렴하게 구할 수 있는 오늘날에도 주철제 취사도구를 애용하는 이들이 제법 있다. 유명 브랜드로는 롯지(미국), 이와츄(일본), 르크루제(프랑스), 스타우브(프랑스), Krampouz(프랑스, 크레페/와플 틀로 유명), 스켑슐트(스웨덴) 등이 있으며, 여전히 많은 사람들이 애용하고 있다. 주철은 주철 나름대로의 장점이 있기 때문이다.
- 주물은 한번 달궈지면 열을 오래 보존하고, 차가운 식재를 넣어도 접촉표면이 금세 식어버리지 않아서 겉은 바삭하고 속은 촉촉한 요리로 완성되며, 단순한 삼겹살이나 부침개, 스테이크도 주철에 구우면 더 맛있다고 한다. 사실 비열은 스테인리스가 좀 더 높은데도 주철이 쉽게 식지 않는다고 하는 이유는, 흔히 파는 무쇠팬이 더 두꺼워서 질량이 크니, 당연히 열용량도 크기 때문이다(물체의 열용량은 비열에 질량을 곱한 값이다). 다른 빵에 비해 높은 온도에서 구울 필요가 있는 발효종 빵을 굽는 사람들도 빵틀 대용으로 많이 찾는다. 캠핑족들이 특히 애용하는 '더치 오븐'의 재질도 바로 이것.특히 똑같은 밥도 전기밥솥에 지은 것보다 더 맛있으며, 여기서 생기는 누룽지는 별미 중의 별미. 가마솥도 이걸로 만든다.
- 프라이팬으로 음식을 조리할 때 음식이 팬 표면에 타서 달라붙지 않도록 테플론으로 표면을 처리하는데, 테플론 코팅은 사실 조금씩 벗겨지므로 이를 사람이 음식과 함께 장기적으로 섭취하게 되며 이것이 인체에 해를 줄 가능성이 있다는 주장이 있다. 반면 주철은 테플론으로 코팅하지 않으며 시즈닝이라는 기름 피막이 있어 음식이 타 달라붙는 것을 막는다. 때문에 테플론 걱정은 없다.
- 수명이 반영구적이다. 주철은 일부러 망치로 두들겨도 쉽게 손상되지 않을 정도로 튼튼하며, 만에 하나 방치해서 녹이 슬었거나, 실수로 시즈닝을 몽땅 태워먹거나(불 위에 올려놓고 잊어버렸다든지) 쇠솔로 세게 문질러 시즈닝을 전부 벗겨버린 경우에도 가정에서 어렵지 않게 다시 시즈닝할 수 있다. 수십 년을 쓰고 자식들에게 물려주는 일이 흔할 만큼 내구성이 좋으며, 오히려 쓰면 쓸수록 시즈닝이 깊어져, 처음 샀을 때보다 더 적은 기름으로도 식재가 달라붙지 않고 매끄럽게 조리되고, 세척도 쉬워진다.
- 통짜 철이기 때문에 통째로 오븐 안에 집어넣을 수 있다(일반 프라이팬은 손잡이 부분이 플라스틱이나 나무로 만들어져 있고 테플론 코팅까지 되어 있어 오븐에 넣을 수 없다). 주철 프라이팬이 대개 손잡이가 아주 짧은 이유도 오븐에 넣기 위해서다.
- 주철은 인덕션 방식의 전기레인지에도 사용할 수 있다. 구리, 유리(소위 코닝), 스테인리스 스틸 재질은 인덕션 레인지에 이용할 수 없다.
- 요리 과정에서 자연스럽게 미량의 철이 용출되기 때문에 빈혈의 예방에도 좋다.
이런 장점에도 불구하고 오늘날 주철제 취사도구를 사용하지 않는 이들이 많은 이유는 그만큼 단점도 많기 때문이다.
- 무겁다. 가마솥 같은 대형 주물은 물론, 스킬렛 같은 두꺼운 프라이팬조차도 상당히 무겁다. 따라서 얇은 프라이팬처럼 돌려서 뒤집기는 어렵다. 전을 부칠 때는 옆벽이 낮은 팬을 쓰면 뒤집개를 쓰기 편하다.
- 관리가 힘들다. 주철은 녹이 슬기 쉽고 시즈닝은 산 및 염기에 약하다. 즉, 식초같은 산성 음식을 조리하거나 알칼리성 세제인 비누로 세척하면 시즈닝이 손상된다. 때문에 주철제 취사도구는 사용 후 물에 담근 채로 둘 수 없으며, 비누로 씻어서는 안되고 반드시 중성세제로 씻어야 한다. 음식 찌꺼기를 물과 솔로 제거하고, 다시 불에 올려 가열해 물기를 완전히 제거하고, 기름을 얇게 입혀 녹을 방지한 후 보관해야 한다. 스테인리스에 비하면 훨씬 번거로운 셈.
- 음식을 태울 경우 팬 자체에서 오는 탄 맛이 난다.
- 코팅이 없기 때문에 기름이 적은 요리를 조리하기에는 적합하지 않다. 가열 시 단백질이나 탄수화물이 쉽게 팬에 달라붙기 때문이다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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