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순철
순철(純鐵, pure iron)은 불순물을 전혀 함유하지 않은 순도 100%인 철이다. 순철을 만들기 위해서는 정련법이 매우 특수해야 하며, 공업적으로 생산되는 비교적 고순도의 철은 암코철·전해철·카보닐철 등이 있다.
실제로는 철뿐만 아니라 모든 물질에서 100% 순도는 거의 없으므로, 보통 순철이라 하면 다른 철에 비해 순도가 아주 높은 것을 말한다. 철에 함유된 불순물로는 탄소를 비롯하여 산소·질소·규소·수소·인·황 등이 있는데, 이를 완전히 제거하는 것은 매우 어렵다. 순철을 만들기 위해서는 정련법이 매우 특수해야 하며, 수요면에서도 많지 않기 때문에 소량생산할 따름이다.
공업적으로 생산되는 비교적 고순도의 철이라면 암코철(Armco iron: 미국 롤링밀사 제품)·전해철(電解鐵)·카보닐철을 말한다. 용도는 합금재료·촉매·전자기재료 등에 쓰인다.[1]
상세
순철은 비중은 7.87이고 용융점은 1538℃이며 전기 분해법으로 제조한다.
철(Fe)에 포함되어있는 탄소 함유랑이 0.02% 이하의 철을 순철이라고 부른다. 철의 이상적인 특성에 가장 가까운 철이며, 연하고 약해서 흔히 생각하는 (강)철의 이미지와는 다르다. 투자율이 높다는 특성이 있기는 하나 대부분의 실용적인 목적에는 더 튼튼한 전기강판이나 높은 투자율을 보이는 뮤 메탈 등의 합금이 사용되므로 일상에서 볼 일은 거의 없다.
지구상에서 100% 순수한 철이란 존재할 수 없다. 순수한 철을 얻으려면, 인공적으로 철(Fe) 원자만 따로 모은 후 철과 전혀 화학적 반응이 이루어지지 않는 재료로 만든 용기에 담아 두어야 한다.
순철을 비롯한 철은 온도에 따라 조직의 변태가 일어나는데, 이것을 동소변태라고 부르며 이것을 통해 구분되는 서로 다른 상태를 동소체라고 한다. 동소변태를 간단히 설명하면 고체 상태에서 원자 배열이 변화하는 것인데, 철의 경우 알파철(α-Fe), 감마철(Γ-Fe), 델타철(δ-Fe)의 세 가지 상태(Phase)가 있다. 즉, 철의 상태는 '고체(알파철→감마철→델타철) → 액체 → 기체'로 구분할 수 있다. 이렇게 나눠놓은 이유는 온도의 변화에 따라 분자 결합구조가 바뀌어서 성질(자성, 내식성, 취성 및 경도, 인성과 연성, 부피 등)에 차이가 생기기 때문이다.
- 상변태가 일어나는 온도경계
변태점으로 제시된 온도는 자료에 따라 몇 도씩 차이가 있는데, 측정오차도 있겠지만 하지만 그보다는 순철과 극저탄소강 구간에서는 이물질(탄소) 함량의 극소한 변화에도 변태점 온도가 영향을 크게 받기 때문이다. 일단 아래의 온도가 정확한 것은 아니며, 대략 탄소 함량 0.02% 이하 정도에서 얻어진 대표값으로, 대강 이 정도구나 하는 수준으로만 알아두자.
A1변태점 726℃ - 공석반응
A2변태점 768℃ - 자기변태(강자성체[4]→상자성체)
910℃미만 - 알파철, 체심입방격자(탄소강일 경우 페라이트)
A3변태점 910℃ - 동소변태(알파철→감마철)
1400℃ 미만 - 감마철, 면심입방격자(탄소강일 경우 오스테나이트)
A4변태점 1400℃ - 동소변태(감마철→델타철)
1538℃ 미만 - 델타철-체심입방격자
1538℃ 이상 - 액체[2]
- 두가지 포인트
- 동소변태(Allotropic transformation)
순철은 온도가 올라가면서 결정구조가 바뀐다. 상온에서 순철은 BCC 구조이다. 점점 고온으로 가열하면 910℃에서 FCC 구조로 바뀌고, 더 가열하여 1400℃에서 BCC구조로 바뀐다. 이와 같이 온도에 따라 결정격자가 바뀌는 변태를 동소변태라고 한다. 바뀐 상태를 구분하기 위해 상온의 BCC구조의 순철을 α(알파)철, 910℃~1400℃ FCC 구조를 γ(감마)철, 1400℃~1540℃ BCC 구조를 δ(델타)철이라고 부른다. 알파철에서 감마철이 되는 변태를 A₃동소변태, 그 온도(910℃)를 A3변태점이라 한다. 감마철에서 델타철이 되는 변태를 A₄동소변태, 그 온도(1400도)를 A₄변태점이라 한다.
- 자기변태(Magnetic transformation)
앞의 동소변태는 순철내부의 격자구조가 바뀌었다. 자기변태는 순철의 자기적인 성질, 즉 자성이 바뀌는 변태를 말한다. 원래 순철은 자석을 가까이 대면 강하게 붙은 강자성체이다. 순철을 일정한 속도로 가열하다가 특정 지점이 되면 온도가 느리게 올라가면서 자성이 변하기 시작하는데 그 온도가 약 770℃ 정도이다. 이 온도가 지나면 강자성체였던 순철이 약자성체가 된다. 약자성체를 다른말로 상자성체라고 한다. 순철의 자성이 변하는 변태를 자기변태, A₂변태이며 그 온도(770℃)를 A₂변태점이라 한다. 자기변태는 원자 내부의 구조가 바뀌는 것이라서 격자구조는 그대로 BCC 구조를 유지한다.[3]
순철의 종류
순철의 종류로는 아암코철, 전해철, 해면철(환원철), 카보닐철 등이 취급된다.
- 1. 아암코철
아암코 철은 미국의 철강 업체인 아암코사가 개발한 산업용 순철이다. 주로 전자석의 철심에 이용되고 있다.
- 2. 전해철
전해철은 철을 포함하는 수용액을 전기 분해하여 정제한 순철이다. 고순도의 순철을 얻기 쉽고, 99.95% (3N 제품) 99.99 % (4N 품) 99.999 % (5N 제품)의 제품도 판매 되고 있다. 항공기와 자동차의 부재, 전자 부재 나 고기능 자석 등에 사용되고 있다.
- 3. 해면철 (환원철)
해면 철은 산화 철광석을 환원하여 얻어지는 다공성 순철이다. 이 깔린 것이 환원 철분에서 특수 합금강의 원료 및 분말 야금용 철분로 이용되고 있다.
- 4. 카보닐철
카보닐철은 해면철 등을 일산화탄소와 반응시켜 철 카보닐가스를 재생하여 철과 일산화탄소를 분해하여 얻을 수 있는 순철이다.
압분 철심 (철분을 압축 성형하여 철심으로 한 것)이나 소결 자석 원료 등에 널리 이용되고 있다.[4]
순철가공 용도
순철은 철분을 소결 · 압축 성형하여 사용하는 경우와 판이나 막대기 등을 위조 · 선반 · 밀링하여 사용하는 경우가 있다.
철 가루를 성형하는 경우에는 주로 자심과 자석 등에 이용되고 있다. 기타 합금강의 원료 및 분말 야금 용으로 다른 금속과 혼합하여 성형한 것이 고밀도 · 고강도 부품으로 금형 및 자동차 부품 등에 사용되고 있다.
한편, 단조 선반 절삭 가공을 할 경우에는 순철은 연 자성 재료로 사용되는 경우가 많다. 자동차 엔진의 연료 분사 솔레노이드 밸브, 솔레노이드 코어, 토크 센서 코어, 각종 센서 등 다양한 용도로 이용되고 있다.[4]
순철 가공의 종류
순철 자체를 가공하는 경우 주로 단조 · 선반 · 밀링을 사용한다. 그 어떤 가공법에 대해서도 순철은 자성 재료로 사용된다.
단조 가공
단조 가공은 프레스 등으로 가공물을을 압축 또는 연장으로 성형하는 가공 방법이다. 순철은 상온에서도 전연성이 뛰어 나기 때문에 냉간 단조 가공에 적합하다. 이 방법으로 가공되는 순철은 릴레이와 전자석, 자석 클러치, 브레이크, 모터 등의 자성 부품을 사용한다. 그러나 단조 가공에서는 순철의 보자력이 강해져, 자성 재료로서의 성질이 약해져 버린다는 단점이 있다.
선반 가공
선반 가공은 회전 가공물에 공구를 맞추고 깎는 가공하는 방법이다. 순철은 NC 선반 등으로 가공 할 수도 있지만, 난삭재이기 때문에 고급 절삭 기술을 필요로 한다. 따라서 단조 가공을 하고 완성품에 가까운 형상으로 성형 한 후 선반 가공에서 형상을 갖추는 방법도 있다. 용도는 단조 가공에 의한 순철과 비슷하지만 더 강한 자기 특성과 높은 정밀성을 요하는 제품에 사용된다.
절삭 가공
절삭 가공은 가공물에 회전 공구를 맞추고 깎아하여 가공하는 방법이다. 선반 가공뿐만 아니라 고급 절삭 기술이 필요하다. 그 외, 용도도 선반 가공과 같다. 또한, 머시닝 센터 등의 시설에 따라 다르지만, 선반 가공보다 미세한 가공이 가능하다.[4]
철의 종류
철의 종류는 크게 3가지로 나뉘게 된다. 철 속에 들어있는 탄소 함유량을 기준으로 크게 순철(Armco), 선철(Pig Iron), 강(Steel)으로 구분한다. 철은 탄소가 적게 들어 있을수록 부드럽고 잘 늘어나는 성질을 가지며, 탄소가 많으면 경도가 높아지고, 강해지기 때문에 부서지거나 부러지기 쉽다.
- 순철 (Armco)-전기용 재료나 실험용
순철은 탄소 함량이 0.035% 이하이고, 불순물(규소, 망간, 인, 유황 등)이 거의 없는 순도 99.9% 이상의 철이다. 순철을 만드는 과정은 아주 복잡하고 까다로운데 철에 들어있는 불순물을 완전히 제거하기가 어렵기 때문이다. 천연적으로는 유성이 지구에 도달한 운석의 형태로 존재한다고 한다. 불순물이 거의 없는 순철은 재질이 너무 연해서 그 용도가 한정되어 기계구조용에는 거의 쓰이지 않고 전기용 재료나 철강의 성질을 알아보는 실험용 등으로 주로 사용된다.
- 선철 (Pig Iron)-주물용
일반적으로 철이라 부르는 것으로 선철은 탄소 함량이 1.7% 이상 들어있는 제품으로 무쇠 혹은 주철로 불린다. 선철은 철광석을 원료로 만들어지며 코크스가 철광석의 제련과정 중 열원으로 사용되기 때문에 많은 탄소가 포함된다. 일반적으로 사용하는 선철은 3.5%~4.5%의 탄소를 함유하고 있다. 따라서 전성과 연성이 거의 없어 그대로는 가공할 수 없다는 단점이 있다. 선철은 용융점이 1,150℃~1,250℃로 비교적 낮고 용해하기 쉬워 각종 주물을 만드는 원료로 사용되고 있다.
- 강 (Steel)-산업현장에서 사용 多
강은 선철을 재정련하여 탄소 함량을 0.035%~1.7% 수준으로 낮춘 것이다. 강은 충격에 강하고, 연성이 있어 자동차, 조선, 기계, 가전제품, 공업용 소재 등 산업 현장에서 가장 많이 사용된다. 주로 탄소 함량이 0.04%~0.6% 정도인 것이 많이 쓰인다. 한편 강은 탄소강과 특수강으로 나눠진다.
탄소강은 강에 다른 금속 원소가 많이 포함되지 않고 주로 탄소만 함유된 것이며 보통강이라고도 한다. 합금강은 니켈, 크롬, 망간, 텅스텐, 몰리브덴 등의 특수한 금속 원소가 포함된 강이며 특수강이라고도 한다.[5]
각주
- ↑ 〈순철〉, 《두산백과》,
- ↑ 〈순철〉, 《나무위키》,
- ↑ 홍교수, 〈철강재료 2. 순철〉, 《네이버 블로그》, 2018-06-25
- ↑ 4.0 4.1 4.2 카논, 〈순철 가공이란? 종류와 가공 용도에 관해서도 자세하게 해설〉, 《티스토리》, 2021-01-08
- ↑ Lina, 〈철의 종류 | 순철(Armco), 선철 (Pig Iron), 강 (Steel)에 대하여〉, 《네이버 블로그》, 2020-09-01
참고자료
- 〈순철〉, 《두산백과》
- 〈순철〉, 《나무위키》
- 카논, 〈순철 가공이란? 종류와 가공 용도에 관해서도 자세하게 해설〉, 《티스토리》, 2021-01-08
- 홍교수, 〈철강재료 2. 순철〉, 《네이버 블로그》, 2018-06-25
- Lina, 〈철의 종류 | 순철(Armco), 선철 (Pig Iron), 강 (Steel)에 대하여〉, 《네이버 블로그》, 2020-09-01
같이 보기
