본 연구는 수원 입북동 출토 철제환두도의 비금속개재물을 SEM-EDS로 분석하여 제철조업 온도를 추정하고 산화물을 $SiO_2$와 비교하여 조재제의 인위적 장입 여부를 판단하였으며 금속학적인 조직조사를 통하여 철제 환두도의 제작 시 열처리 기술을 연구하였다. 철제환두도의 시편들에서 wustite가 대부분 관찰되는 것으로 보아 고체저온환원법으로 제련한 철 소재를 가열-단조-성형 가공하여 제작된 것으로 판단된다. 또한 부분적으로 $P_2O_5$가 있는 것으로 보아 배소되지 않은 자연광석으로 직접 제련하였던 것으로 추정된다. $CaO/SiO_2$와 $TiO_2/SiO_2$ 등의 비로 보아 제철 원료는 철광석으로 판단되며, 석회질의 조재제도 인위적으로 장입하지는 않은 것으로 판단된다. 선단 쪽 인부의 조직은 순철인데 관부 쪽 인부는 탄소량도 높고 martensite 조직과 pearlite colony가 생성되어 있는 것으로 보아 침탄 후 담금질을 하였으며, 배부 및 병부와 환두부는 의도하지 않은 침탄이 된 것으로 판단된다. 이러한 철제환두도 시편들의 조직 양상들을 종합해본 결과 인위적인 부분적인 열처리 기법을 적용하여 제작한 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 한 유물에서나타나는 비금속개재물의 성분분석을 통해 얻은 산화물 데이터를 $SiO_2$로 나눈 비로 비교하는 해석하는 방법을 활용하여 좀 더 과학적인 근거를 제시하려고 노력하였다. 이러한 방법으로 기존의 분석 연구된 결과들에 의한 주장들을 재해석함으로 해서 다른 결과들을 얻을 수 있을 거라 사료된다.
본 연구는 수원 입북동 출토 철제환두도의 비금속개재물을 SEM-EDS로 분석하여 제철조업 온도를 추정하고 산화물을 $SiO_2$와 비교하여 조재제의 인위적 장입 여부를 판단하였으며 금속학적인 조직조사를 통하여 철제 환두도의 제작 시 열처리 기술을 연구하였다. 철제환두도의 시편들에서 wustite가 대부분 관찰되는 것으로 보아 고체저온환원법으로 제련한 철 소재를 가열-단조-성형 가공하여 제작된 것으로 판단된다. 또한 부분적으로 $P_2O_5$가 있는 것으로 보아 배소되지 않은 자연광석으로 직접 제련하였던 것으로 추정된다. $CaO/SiO_2$와 $TiO_2/SiO_2$ 등의 비로 보아 제철 원료는 철광석으로 판단되며, 석회질의 조재제도 인위적으로 장입하지는 않은 것으로 판단된다. 선단 쪽 인부의 조직은 순철인데 관부 쪽 인부는 탄소량도 높고 martensite 조직과 pearlite colony가 생성되어 있는 것으로 보아 침탄 후 담금질을 하였으며, 배부 및 병부와 환두부는 의도하지 않은 침탄이 된 것으로 판단된다. 이러한 철제환두도 시편들의 조직 양상들을 종합해본 결과 인위적인 부분적인 열처리 기법을 적용하여 제작한 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 한 유물에서나타나는 비금속개재물의 성분분석을 통해 얻은 산화물 데이터를 $SiO_2$로 나눈 비로 비교하는 해석하는 방법을 활용하여 좀 더 과학적인 근거를 제시하려고 노력하였다. 이러한 방법으로 기존의 분석 연구된 결과들에 의한 주장들을 재해석함으로 해서 다른 결과들을 얻을 수 있을 거라 사료된다.
This study analyzed nonmetallic inclusions in iron swords with a ring pommel excavated in the Ipbuk-dong, Suwon. Scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy(SEM-EDS) was used to estimate the iron-making temperature, and we compared the oxide with $SiO_2$ to investigat...
This study analyzed nonmetallic inclusions in iron swords with a ring pommel excavated in the Ipbuk-dong, Suwon. Scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy(SEM-EDS) was used to estimate the iron-making temperature, and we compared the oxide with $SiO_2$ to investigate the heat-treatment technology in the production of iron swords with a ring pommel by investigating the artificial insertion of a slag former and the metallurgical structure. From the wustite observed in most of the specimens, it is judged that these swords were produced by heating and forging iron smelted at a low temperature using the solid reduction method. In addition, judging from the partial presence of $P_2O_5$, it is assumed that they were smelted directly with natural ore, not calcined. From the ratios of $CaO/SiO_2$ and $TiO_2/SiO_2$, it is judged that the raw material for iron-making was iron ore and that a calcareous slag former was not artificially inserted. The structure of the blade part on the front end was pure iron. From the high carbon content of the blade part on the ring pommel and the formation of a martensitic structure and pearlite colony, it is judged that they were tempered after carburizing and that the back, handle part, and ring pommel were unintentionally carburized. Judging from the structure of these specimens, it was noted that they were produced by applying artificial partial heat-treatment technology. This study attempted to present a more scientific analysis by using the method of interpretation through component analysis of nonmetallic inclusions appearing in one relic by the ratio of the oxide divided by $SiO_2$. It is judged that reinterpreting the arguments by the results of the existing analysis and research in this way can obtain different interpretations.
This study analyzed nonmetallic inclusions in iron swords with a ring pommel excavated in the Ipbuk-dong, Suwon. Scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy(SEM-EDS) was used to estimate the iron-making temperature, and we compared the oxide with $SiO_2$ to investigate the heat-treatment technology in the production of iron swords with a ring pommel by investigating the artificial insertion of a slag former and the metallurgical structure. From the wustite observed in most of the specimens, it is judged that these swords were produced by heating and forging iron smelted at a low temperature using the solid reduction method. In addition, judging from the partial presence of $P_2O_5$, it is assumed that they were smelted directly with natural ore, not calcined. From the ratios of $CaO/SiO_2$ and $TiO_2/SiO_2$, it is judged that the raw material for iron-making was iron ore and that a calcareous slag former was not artificially inserted. The structure of the blade part on the front end was pure iron. From the high carbon content of the blade part on the ring pommel and the formation of a martensitic structure and pearlite colony, it is judged that they were tempered after carburizing and that the back, handle part, and ring pommel were unintentionally carburized. Judging from the structure of these specimens, it was noted that they were produced by applying artificial partial heat-treatment technology. This study attempted to present a more scientific analysis by using the method of interpretation through component analysis of nonmetallic inclusions appearing in one relic by the ratio of the oxide divided by $SiO_2$. It is judged that reinterpreting the arguments by the results of the existing analysis and research in this way can obtain different interpretations.
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문제 정의
본 연구는 수원 입북동에서 출토된 고고학적으로는 4세기 초로 편년되는 철제환두도의 비금속개재물을 SEM-EDS로 분석한 후 산화물상태로 전환하여 제철조업 온도를 추정하고 SiO2와 비교하여 조재제를 인위적으로 장입하였는가와 금속학적인 조직조사를 통하여 철기제작 시의 열처리 기술을 연구하고자 하였다.
본 연구는 제한된 유물에서 소량의 시편 채취를 하여 완전한 유물의 제철과 제작기법을 연구하는데 어려움이 있었다. 그러나 한 유물에서 나타나는 비금속개재물의 성분 분석을 통하여 해석하는 방법을 기존의 방법이 아닌 산화물을 SiO2로 나눈 비를 활용하고, 비교하여 좀 더 과학적인 근거를 제시하려고 노력하였다.
제안 방법
연마가 끝난 시편은 대비효과를 주어 조직관찰이 용이하도록 nital 3%(ethyl alcohol + HNO3)로 시편 표면을 etching을 하였다. Etching을 마친 시편은 경도에 따른 물성파악을 위해 미세경도시험기(HM-112, Mitutoyo, Japan)로 Vickers경도를 측정하였고, 금속미세조직은 광학현미경(LEICA DM4000M, Leica, German)을 이용하여 50배부터 100, 200, 500배로 순차적으로 배율을 올리며 미세조직을 관찰하고 조사 연구하였다.
본 연구는 제한된 유물에서 소량의 시편 채취를 하여 완전한 유물의 제철과 제작기법을 연구하는데 어려움이 있었다. 그러나 한 유물에서 나타나는 비금속개재물의 성분 분석을 통하여 해석하는 방법을 기존의 방법이 아닌 산화물을 SiO2로 나눈 비를 활용하고, 비교하여 좀 더 과학적인 근거를 제시하려고 노력하였다. 이러한 방법으로 기존의 분석 연구된 결과들에 의한 주장들을 재해석함으로써 좀 더 다른 결과들을 얻을 수 있을 거라 사료된다.
또한 비금속개재물의 Ca의 함량을 CaO/SiO2의 비와 Al2O3/SiO2, MnO/SiO2, MgO/SiO2 등과 비교하여 조재제의 인위적 첨가를 판단하였으며, 특정 부분에 많은 함량이 있는 TiO2나 P2O5와 같은 산화물도 SiO2와의 비를 비교하여 판단하였다.
철기유물에서 부식되지 않은 철기를 제외하고 비금속개재물이나 가열 단타 과정에서 고온 산화된 마그네타이트, 부식물 등은 모두 산화물로 되어있다. 얼마 전까지도 이러한 산화물상태의 유물을 분석한 결과를 단순한 화학적인 원소로 표시하고 정량치를 데이터화하여 해석하였다. 이러한 산화물상태의 유물을 분석한 결과를 원소상태로 해석하면 많은 오류를 가져올 수 있다.
채취된 시편들을 epoxy수지로 cold mounting한 후 정밀절삭가공기를 이용하여 양면을 수평으로 절삭하였으며, Sand paper #1,500~#2,000으로 연마하고 6 μm와 1 μm diamond 현탁액으로 정밀연마 후 최종적으로 0.05 μm diamond 현탁액으로 마무리 연마하였다.
대상 데이터
대상유물은 비교적 금속심이 잘 남아있는 상태로 X-ray 촬영을 통해 금속심을 확인한 후 이를 통해 정확한 위치를 파악하고 유물표면에 해당하는 magnetite층이 박락된 안쪽의 부식되지 않은 금속심중 접합·복원 후 외형에 영향이 최소인 부위를 선정하여 시편을 채취하였다. Figure 1에 표시된 부분과 Table 1과 같이 선단 쪽 인부와 배부, 중앙의 배부, 관부 쪽 인부, 병부의 상단 그리고 환두부에서 총 6개의 시편을 채취하였다.
대상유물은 비교적 금속심이 잘 남아있는 상태로 X-ray 촬영을 통해 금속심을 확인한 후 이를 통해 정확한 위치를 파악하고 유물표면에 해당하는 magnetite층이 박락된 안쪽의 부식되지 않은 금속심중 접합·복원 후 외형에 영향이 최소인 부위를 선정하여 시편을 채취하였다.
성능/효과
환두도의 선단 쪽 인부의 조직은 순철인데 비하여 관부쪽 인부는 탄소량도 높고 급속 냉각 조직인 martensite조직과 pearlite colony가 생성되어 있는 것으로 보아 기계적 특성을 개선하기 위해 담금질을 하였으며, 배부는 부분적으로 침탄이 되었으나 실제 사용에 있어 경강도 개선이 필수적인 부위가 아니므로 이는 가열 단조와 인부의 침탄 및 담금질 과정에서 의도하지 않은 침탄이 된 것으로 판단된다. 또한 병부와 환두부는 열간 단조과정에서 탄소량이 증가하는 것으로 보아 단조과정에서 장시간 저온에서 가열되었고 그 결과 pearlite 내의 cementite조직이 열풀림 조직이 생성된 것이 확인되었다. 이러한 철제 환두도에서 채취된 각 지점들의 시편 조직 양상이 가열 단조와 부분적인 침탄과 담금질을 하는 과정에서 생성된 조직으로 판단되어 이 환두도는 부분적인 열처리 기법을 적용하여 제작된 것임을 알 수 있었다.
수원 입북동 출토 철제환두도의 조직조사와 비금속개재물 분석연구를 통하여 고체저온환원법으로 제작한 철기의 지표조직인 wüstite가 조사 분석된 대부분의 시편에서 관찰 분석되는 것으로 보아 고체저온환원법으로 제련한 철 소재를 가열-단타 작업을 반복하여 성형 가공하는 과정을 거쳐 제작되어진 것으로 판단된다.
또한 병부와 환두부는 열간 단조과정에서 탄소량이 증가하는 것으로 보아 단조과정에서 장시간 저온에서 가열되었고 그 결과 pearlite 내의 cementite조직이 열풀림 조직이 생성된 것이 확인되었다. 이러한 철제 환두도에서 채취된 각 지점들의 시편 조직 양상이 가열 단조와 부분적인 침탄과 담금질을 하는 과정에서 생성된 조직으로 판단되어 이 환두도는 부분적인 열처리 기법을 적용하여 제작된 것임을 알 수 있었다.
철제환두도에서 채취한 시편의 비금속개재물 EDS분석 결과 분석한 세 시편 모두에서 부분적으로 P2O5를 함유하고 있는 것으로 미루어 배소가 되지 않은 자연 광석을 노에 장입하여 직접제련을 하였던 것으로 추정된다. CaO/SiO2, Al2O3/SiO2, MnO/SiO2, TiO2/SiO2 등의 비로 보아 제철 원료는 철광석으로 판단되며, 석회질의 조재제도 인위적으로 장입하지는 않은 것으로 판단된다.
후속연구
그러나 한 유물에서 나타나는 비금속개재물의 성분 분석을 통하여 해석하는 방법을 기존의 방법이 아닌 산화물을 SiO2로 나눈 비를 활용하고, 비교하여 좀 더 과학적인 근거를 제시하려고 노력하였다. 이러한 방법으로 기존의 분석 연구된 결과들에 의한 주장들을 재해석함으로써 좀 더 다른 결과들을 얻을 수 있을 거라 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철의 환원 과정으로 제철하여 철기를 생산하면 철기 내부에는 무엇이 남는가?
제철을 통해 철을 환원하여 철기를 생산하면 철기내부에는 제철의 흔적인 비금속개재물과 금속조직이 남아있게 된다. 철기유물에서 부식되지 않은 철기를 제외하고 비금속개재물이나 가열 단타 과정에서 고온 산화된 마그네타이트, 부식물 등은 모두 산화물로 되어있다.
지금까지 산화물상태의 유물 분석 결과를 어떤 방법으로 해석하였는가?
철기유물에서 부식되지 않은 철기를 제외하고 비금속개재물이나 가열 단타 과정에서 고온 산화된 마그네타이트, 부식물 등은 모두 산화물로 되어있다. 얼마 전까지도 이러한 산화물상태의 유물을 분석한 결과를 단순한 화학적인 원소로 표시하고 정량치를 데이터화하여 해석하였다. 이러한 산화물상태의 유물을 분석한 결과를 원소상태로 해석하면 많은 오류를 가져올 수 있다.
철제환두도 제작 시 담금질 과정이 있었던 것을 알 수 있는 근거는?
환두도의 선단 쪽 인부의 조직은 순철인데 비하여 관부쪽 인부는 탄소량도 높고 급속 냉각 조직인 martensite조직과 pearlite colony가 생성되어 있는 것으로 보아 기계적 특성을 개선하기 위해 담금질을 하였으며, 배부는 부분적으로 침탄이 되었으나 실제 사용에 있어 경강도 개선이 필수적인 부위가 아니므로 이는 가열 단조와 인부의 침탄 및 담금질 과정에서 의도하지 않은 침탄이 된 것으로 판단된다. 또한 병부와 환두부는 열간 단조과정에서 탄소량이 증가하는 것으로 보아 단조과정에서 장시간 저온에서 가열되었고 그 결과 pearlite 내의 cementite조직이 열풀림 조직이 생성된 것이 확인되었다.
참고문헌 (4)
Engell, H.J., 1991, Schlacken in der Metallurgie(Shim J.D. and Bhan, B.C., trans.). Daekwang, Seoul. (Original work published 1984) (in Korean)
Han, S.W., 1988, Explanation of heat treatment structure, Gold Technology Co., Seoul. (in Korean)
Kim, S.K., 2014, A study on iron manufacturing and technology through analysis reports of iron artifacts in the Baekje area. Journal of Conservation Science, 30(4), 335-343. (in Korean with English abstract)
Yamaguchi, 2001, Understanding and application of phase equilibrium diagram of ceramics(Lee, Y.B., Park, H.C. and Oh, K.D., trans.). Dasung, Seoul. (Original work published 1997) (in Korean)
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