현재까지 분석된 백제지역 출토 철기 유물의 금속미세조직과 비금속개재물 분석 자료들을 한강, 금강, 영산강 유역권으로 분류하여 조업 온도를 추정하고 제강 및 열처리 기술을 지역적 시대별 특성을 조사하였다. 세 지역 모두 시대에 관계없이 고체저온환원으로 괴련철이나 해면철이 주 제철 방법으로 판단된다. 비금속개재물의 산화물 삼원상태도로 재해석한 결과 로내 온도는 $1,100{\sim}1,300^{\circ}C$ 정도에서 조업하였던 것으로 추정된다. 철광석은 자철광석이 주원료이며, $TiO_2$가 높은 것들은 사철을 사용하였던 것으로 보인다. $CaO/SiO_2$의 비율이 0.4 이상인 유물들은 석회질의 융제를 인위적으로 넣었던 것으로 판단된다. 제강은 저탄소강을 단야로에서 숯으로 가열할 때 나오는 CO, $CO_2$ gas로 침탄시키는 고체 침탄강임을 알 수 있었다. 또한 의도적으로 필요 부분의 강도를 높이는 침탄작업과 담금질을 하였던 것으로 보아 3세기에는 백제지역의 철기제작자들은 열처리 기술을 인지하고 있었다.
현재까지 분석된 백제지역 출토 철기 유물의 금속미세조직과 비금속개재물 분석 자료들을 한강, 금강, 영산강 유역권으로 분류하여 조업 온도를 추정하고 제강 및 열처리 기술을 지역적 시대별 특성을 조사하였다. 세 지역 모두 시대에 관계없이 고체저온환원으로 괴련철이나 해면철이 주 제철 방법으로 판단된다. 비금속개재물의 산화물 삼원상태도로 재해석한 결과 로내 온도는 $1,100{\sim}1,300^{\circ}C$ 정도에서 조업하였던 것으로 추정된다. 철광석은 자철광석이 주원료이며, $TiO_2$가 높은 것들은 사철을 사용하였던 것으로 보인다. $CaO/SiO_2$의 비율이 0.4 이상인 유물들은 석회질의 융제를 인위적으로 넣었던 것으로 판단된다. 제강은 저탄소강을 단야로에서 숯으로 가열할 때 나오는 CO, $CO_2$ gas로 침탄시키는 고체 침탄강임을 알 수 있었다. 또한 의도적으로 필요 부분의 강도를 높이는 침탄작업과 담금질을 하였던 것으로 보아 3세기에는 백제지역의 철기제작자들은 열처리 기술을 인지하고 있었다.
This study classified the result of non-metallic inclusion analysis and result of microstructure investigation on the ironware excavated in the Baekje region into Han River, Geum River, and Yeongsan River to estimate the iron making temperature and study the characteristics of regional and temporal ...
This study classified the result of non-metallic inclusion analysis and result of microstructure investigation on the ironware excavated in the Baekje region into Han River, Geum River, and Yeongsan River to estimate the iron making temperature and study the characteristics of regional and temporal characteristics of the heat treatment technology and steel making technology. Regardless of era, bloom iron and sponge iron are judged to be the major method for making as a directreduction process in all three regions. The result of the reinterpretation of the non-metallic inclusion by the oxide ternary constitutional diagram suggest that the temperature inside of the furnace is estimated to be between $1,100{\sim}1,300^{\circ}C$ while making the steel. The magnetic iron ores are the major raw material of steel ore and irons with high $TiO_2$ are estimated to use iron sands. Ironware with $CaO/SiO_2$ rate higher than 0.4% are considered to have artificially added the flux of calcareous materials. It was found that the iron making method is the solid caburizing-steel which caburizes low-carbon steels by the CO gas and $CO_2$ gas created when heating the forging furnace with charcoal. Also, the ironware manufacturers in the Baekje during 3rd century recognized the heat treatment technology as they performed carburizing process and quenching to intentionally increase the strength of necessary parts.
This study classified the result of non-metallic inclusion analysis and result of microstructure investigation on the ironware excavated in the Baekje region into Han River, Geum River, and Yeongsan River to estimate the iron making temperature and study the characteristics of regional and temporal characteristics of the heat treatment technology and steel making technology. Regardless of era, bloom iron and sponge iron are judged to be the major method for making as a directreduction process in all three regions. The result of the reinterpretation of the non-metallic inclusion by the oxide ternary constitutional diagram suggest that the temperature inside of the furnace is estimated to be between $1,100{\sim}1,300^{\circ}C$ while making the steel. The magnetic iron ores are the major raw material of steel ore and irons with high $TiO_2$ are estimated to use iron sands. Ironware with $CaO/SiO_2$ rate higher than 0.4% are considered to have artificially added the flux of calcareous materials. It was found that the iron making method is the solid caburizing-steel which caburizes low-carbon steels by the CO gas and $CO_2$ gas created when heating the forging furnace with charcoal. Also, the ironware manufacturers in the Baekje during 3rd century recognized the heat treatment technology as they performed carburizing process and quenching to intentionally increase the strength of necessary parts.
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문제 정의
본 연구는 금속학적인 방법으로 지금까지 연구되어진 백제지역 출토 단조철기 유물 연구 결과들에서 현대금속학적으로 미세조직과 비금속 개재물을 시대별, 지역별로 체계적인 정리를 통하여 철제 유물 제작에 수행된 작업의 성격을 추정하고 기술의 수준을 파악하여 백제지역 철기 생산기술의 유입 단계와 발달 과정을 밝히는 기초자료로 정리하였다. 또한 정리된 데이터를 통하여 단조철제 유물의 제련 방법과 단조성형 시의 침탄과 탈탄을 포함하는 열처리 기술의 시대적, 지역적 제작기법이나 제작기술의 특성에 관하여 연구하였다.
본 연구는 금속학적인 방법으로 지금까지 연구되어진 백제지역 출토 단조철기 유물 연구 결과들에서 현대금속학적으로 미세조직과 비금속 개재물을 시대별, 지역별로 체계적인 정리를 통하여 철제 유물 제작에 수행된 작업의 성격을 추정하고 기술의 수준을 파악하여 백제지역 철기 생산기술의 유입 단계와 발달 과정을 밝히는 기초자료로 정리하였다. 또한 정리된 데이터를 통하여 단조철제 유물의 제련 방법과 단조성형 시의 침탄과 탈탄을 포함하는 열처리 기술의 시대적, 지역적 제작기법이나 제작기술의 특성에 관하여 연구하였다.
제안 방법
백제지역에서 출토된 단조철제 유물들의 시대별 지역적인 제철과 제작기술의 특성을 규명하기 위하여 지금까지 백제지역 출토철기 유물을 금속학적인 조사와 분석 자료들을 한강, 금강, 영산강 유역권으로 구분하여 금속조직 내에 혼입되어 있는 비금속 개재물을 조사하였다. 그 결과들을 산화물 삼원 상태도로 재해석하여 조업 온도를 비교하였다. 또한 금속 미세조직 조사를 통하여 제강 및 열처리 기술을 시대별 지역적인 특성을 금속학적으로 해석을 한 결과는 다음과 같다.
철을 제련하는 기술은 처음에는 단순하게 철광석 위에 장작을 쌓아 태운 열로 철을 얻는 방법으로부터 시작되었다. 그 후보다 효율적인 열원을 이용하기 위하여 목탄을 사용하게 되었으며, 로에 철광석과 목탄을 적층하고 풀무를 이용하여 풍구로 공기를 주입하여 목탄을 고온으로 연소시켜 높은 열을 얻는 방식으로 제철을 시작하게 되었다. 이러한 고대의 제철 방법은 환원 온도가 낮기 때문에 탄소를 거의 함유하지 않고 slag를 많이 함유한 철을 생산하는 직접 제철법이었다.
백제지역에서 출토된 단조철제 유물들의 시대별 지역적인 제철과 제작기술의 특성을 규명하기 위하여 지금까지 백제지역 출토철기 유물을 금속학적인 조사와 분석 자료들을 한강, 금강, 영산강 유역권으로 구분하여 금속조직 내에 혼입되어 있는 비금속 개재물을 조사하였다. 그 결과들을 산화물 삼원 상태도로 재해석하여 조업 온도를 비교하였다.
이렇게 가열 단조하여 제작된 철기는 단야로의 목탄에 직접 접촉한 부분에는 침탄되어 탄소량이 높아지는 성형과 침탄이 동시에 수행되기도 한다. 용도에 따라 필요 부위의 기계적ㆍ 물리적 성질을 개선하기 위하여 담금질, 뜨임, 풀림, 불림 등을 시행하였다. 담금질은 고대 철기 제작에 있어 대표적인 표면경화 열처리로 austenite의 무 확산 변태에 의해 일어나며, 이때 약 2초 이내에 400~600℃가량의 온도를 상실해야 martensite조직이 성공적으로 생성된다.
직접 제철법으로 생산하는 고대제철방법은 slag를 많이 함유한 다공질의 해면철이나 괴련철 덩어리를 얻는 방법으로 알려져 있다. 이렇게 얻은 철괴를 적층 가열 단조하는 작업을 통해 내재된 slag를 제거할 수 있으며, 이러한 가열단타 과정을 통해 철제품을 만들기 위한 중간 소재를 제작하였다. 중간 소재를 노내의 목탄 속에서 가열하면 철표면에 탄소가 침투되는데 이를 적층 단접하여 가열하는 작업을 반복하여 필요에 요구되는 높은 탄소함량을 가진 단단한 침탄강을 만들었던 것으로 보인다 (Choi, 2000).
성능/효과
3세기대의 유적으로 알려진 김포 양촌유적에서 출토된 철기들의 비금속개재물을 분석한 산화물들의 특징으로 FeO인 wüstite는 대부분의 유물에서 조사 분석되었으며, 7점의 유물에서 TiO2가 0.6%이하로 검출되었고 산화물의 삼원상태도에 의한 양촌 유적출토 철기들은 제철 시 로 내의 최고온도는 1,300℃ 정도에서 제련한 것으로 추정된다.
비금속 개재물은 대부분 유리질이고 4세기 전반의 4지점 1호묘 출토 환두대도에서만 TiO2가 1% 정도 분석되었다. 또한 5세기 전반의 5-1 지점 40호주구묘에서 출토된 환두도의 시편들에선 모든 시편에서 CaO/SiO2가 적게는 약 0.9에서 많게는 5.5 정도로 매우 많이 검출되었다. 3세기 유적의 김포 양촌, 가평 대성리 출토철기들과 오산 수청동 출토 4세기 후반철기 1점과 5세기 전반 철기들의 비금속 개재물에서 P2O5가 분석되었다.
또한 과열되어 상온에서 비교적 빠르게 냉각될 때 생성 되는 widmanstätten 조직이 pearlite 조직과 망상의 widmanstätten 조직으로 침탄되어 있는 것으로 보아 시기와 지역 유물의 용도에 관계없이 나타나는 것으로 보아 900℃이상으로 가열하여 단조하는 과정에서 의도되지 않은 부분적인 침탄과 탈탄이 되었던 것으로 판단된다.
본 연구를 통하여 2~3세기부터 6~7세기 대의 백제지역 제철 및 철기 제작 기술은 시대와 지역에 관계없이 비슷한 양상으로 철기의 용도에 따라 열처리 방법이 다른 것으로 확인되었다. 기존에 현대의 금속학적으로 조사연구된 철기들이 각 지역과 시기별로 많지 않아 본 연구로 명확히 백제지역의 철기 특성을 밝힐 수 없는 것이 매우 아쉬웠으며, 철제 유물은 부식되지 않은 금속 시편 채취가 어려운 유물이라는 특수성으로 연구된 유물 수량이 적어 연구결과가 시대와 지역을 대표할 수는 없다고 사료된다.
오산 수청동 유적은 4세기 전반에서 5세기 후반의 유적으로 분석된 유물들의 미세조직으로 보아 탄소량이 대부분 높은 편이나 매우 불균일하며, 삼원상태도의로 내 온도는 1,100~1,300℃ 정도의 로에서 제련한 것으로 추정된다. 비금속 개재물은 대부분 유리질이고 4세기 전반의 4지점 1호묘 출토 환두대도에서만 TiO2가 1% 정도 분석되었다. 또한 5세기 전반의 5-1 지점 40호주구묘에서 출토된 환두도의 시편들에선 모든 시편에서 CaO/SiO2가 적게는 약 0.
오산 수청동 유적에서 출토된 철기들에서 탄소량이 많은 부분에는 wüstite가 없는 것도 있으나 본 연구자가 미세 조직 사진을 확인한 결과 탄소량이 낮은 부분에서는 대부분 fayalite와 wüstite로 추정되는 bead type 알갱이들이 확인되었다.
제철 시 시대와 지역에 관계없이 wüstite가정출하는 온도는 1,050℃ 정도에서 정출되기 시작한 것을알 수 있었으며, 비금속개재물의 삼원상태도로 보아 제철 조업 온도는 1,100~1,300℃ 정도에서 고체저온환원으로 제철하였던 것으로 추정되었다.
후속연구
고대의 백제지역에서의 철광석을 제련하여 주조와 단조 등의 가공을 통하여 유용한 금속제품을 만드는 활동이 어떻게 변화하였는가 하는 문제를 현대의 금속학적인 방법으로 고찰함으로써 고대 백제지역에서의 철기제작기술 발달 과정을 파악해보는 것이 우리나라 고대 사회를 이해하는 데 도움이 될 것이다. 지금까지 백제지역에서 출토된 철제 유물의 금속학적인 연구는 대부분 출토지역에 한정되어 있어 한성백제 시기와 마한지역의 철기 제작 기술과 웅진사비기 백제의 철기 제작 기술 등을 전체적으로 파악하기에는 한계가 있었다.
기존에 현대의 금속학적으로 조사연구된 철기들이 각 지역과 시기별로 많지 않아 본 연구로 명확히 백제지역의 철기 특성을 밝힐 수 없는 것이 매우 아쉬웠으며, 철제 유물은 부식되지 않은 금속 시편 채취가 어려운 유물이라는 특수성으로 연구된 유물 수량이 적어 연구결과가 시대와 지역을 대표할 수는 없다고 사료된다. 그러나 본 조사연구 성과가 백제지역의 시대와 지역 간 제철과 철기제작기술 체계의 특성을 연구하는 데 기여할 것으로 사료되며, 고대 백제지역의 철기 생산에 관하여 시기와 지역적으로 연구된 결과들을 모두 수집하여 비교한 것에 큰 의미가 있었다.
본 연구를 통하여 2~3세기부터 6~7세기 대의 백제지역 제철 및 철기 제작 기술은 시대와 지역에 관계없이 비슷한 양상으로 철기의 용도에 따라 열처리 방법이 다른 것으로 확인되었다. 기존에 현대의 금속학적으로 조사연구된 철기들이 각 지역과 시기별로 많지 않아 본 연구로 명확히 백제지역의 철기 특성을 밝힐 수 없는 것이 매우 아쉬웠으며, 철제 유물은 부식되지 않은 금속 시편 채취가 어려운 유물이라는 특수성으로 연구된 유물 수량이 적어 연구결과가 시대와 지역을 대표할 수는 없다고 사료된다. 그러나 본 조사연구 성과가 백제지역의 시대와 지역 간 제철과 철기제작기술 체계의 특성을 연구하는 데 기여할 것으로 사료되며, 고대 백제지역의 철기 생산에 관하여 시기와 지역적으로 연구된 결과들을 모두 수집하여 비교한 것에 큰 의미가 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
직접제철법의 장점은 무엇인가?
그 후 보다 효율적인 열원을 이용하기 위하여 목탄을 사용하게 되었으며, 로에 철광석과 목탄을 적층하고 풀무를 이용하여 풍구로 공기를 주입하여 목탄을 고온으로 연소시켜 높은 열을 얻는 방식으로 제철을 시작하게 되었다. 이러한 고대의 제철방법은 환원온도가 낮기 때문에 탄소를 거의 함유하지 않고 slag를 많이 함유한 철을 생산하는 직접제철법이었다.
비금속개재물이 가진 특징은 무엇인가?
직접제철법으로 제련된 괴련철이나 해면철을 적층하여가열하고 두드리면 탄소량과 조직은 탄소량이 불균일하고 표면의 커다란 slag는 제거되나 내부의 미세한 slag는 제거 되지 않고 철괴 내부에 남게 되는데 이것이 비금속개재물 (Yun, 1986)이라 하는데 이러한 slag형 비금속개재물은 제철에 사용된 철광석의 화학적 조성이나 연료나 융제(flux), 노벽의 화학적 조성, 용융된 산화물의 온도 등 다양한 정보를 내포하고 있다. Figure 2는 탄소량이 다른 괴련철을 적층 단접하여 생긴 유물조직이다.
고온용융환원으로 얻은 주철은 어디에 사용되었는가?
고온용융환원으로 얻은 주철은 주로 거푸집에 용탕을 부어 그 형태를 제작하는 방법으로 거푸집의 그 형태에 따라 단범, 합범 등으로 구분된다. 주로 충격이나 타격을 가하기 위한 용도가 아닌 농기구나 생활용기 또는 복잡한 형태를 가진 형태를 제작할 경우 이용되는 방법으로 이렇게 제작된 철기를 주조철기라 부른다.
참고문헌 (9)
Lee, G.G., 2000, Ojuserjongbacmulgobein(五洲書種博物考辨, Choi Ju, trans.), Hakyoun, Seoul. (Original work published in 1834) (in Korean)
Choi, Ju., 2000, History of Metallugical Technology in Korea, Trends in Metals & Materials Engineering, Seoul. (in Korean)
Han, S.W., 1988, Explanation of heat treatment structure, Gold, Seoul. (in Korean)
Noh, T.C., 2000, A Study on the Ancient Metallugical Technology in Korea. Hakyoun, Seoul. (in Korean)
Engell, H.J., 1991, Schlacken in der Metallurgie(Shim J.D. et al, trans.), Daekwang, Seoul. (Original work published in 1984) (in Korean)
Rostoker, W., and Bronson, B., 1990, Pre-Industrial Iron Its Technology and Ethnology, Archeomaterials monograph No.1, Philadelphia. Pennsylvania. (in English)
Yamaguchi, 2001, Understanding and application of phase equilibrium diagram of ceramics(相平衡狀態圖の讀み 外, Lee Y.B. et al, trans.), Dasung, Seoul. (Original work published in 1997), (in Korean)
Yu, J.E., 2002, Ancient iron technologies as observed in the microstructure of iron artifacts excavated from fortresses in Gyeonggi-do Province. Ph.D thesis, Dankook University, Seoul. (in Korean with English abstract)
Yun, D.S., 1986, About slag on Ancient iron manufacture process. The National Academy of Science Republic of Korea 25, Seoul. (in Korean)
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