선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 고대 무기류의 우수한 금속학적 특성을 적용하기 위해 전통 제철법을 통해 생산된 다층구조 소재인 사철강괴와 사철강괴에 현대강을 접합한 응용강괴를 이용하여 철제 칼을 제작하였다. 또한 고대 철제도 혹은 환두대도처럼 칼날의 경도를 증가시키기 위해 추가적으로 칼날에 대한 열처리를 시행하여 제작한 3종류의 철제 칼에 대하여 금속학적 분석을 통해 특성을 비교하고자 한다.
- 전통 제철법으로 제작된 무기류는 단접방식이 적용되었음을 단접층과 미세하게 형성되어 있는 금속조직을 통해 확인할 수 있다. 본 연구는 한반도 고대국가의 무기류 제작방식을 토대로 철제 칼을 제작하였으며, 철제 칼의 금속학적 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 고대 무기류의 우수한 금속학적 특성을 적용하기 위해 전통 제철법을 통해 생산된 다층구조 소재인 사철강괴와 사철강괴에 현대강을 접합한 응용강괴를 이용하여 철제 칼을 제작하였다. 또한 고대 철제도 혹은 환두대도처럼 칼날의 경도를 증가시키기 위해 추가적으로 칼날에 대한 열처리를 시행하여 제작한 3종류의 철제 칼에 대하여 금속학적 분석을 통해 특성을 비교하고자 한다.
- 따라서 단접층이 형성되는 이유를 밝히기 위해 EDS line scanning을 실시하였고, 이를 통해 원소함량 차이가 단접면의 생성원인이라는 것을 확인하였다. 이를 시각적으로 확인하고자 EPMA Mapping을 실시하여 단접면의 화학적 조성과 분포를 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 표면무늬의 원소함량을 알아보기 위해 EPMA(EPMA-1610, SHMADZU, Japan)를 측정하였다. SEM-EDS보다 정밀한 EPMA를 이용하여 단접면의 화학조성을 알아보고자 시료를 에폭시 수지로 마운팅(Mounting)하여 연마를 실시한 뒤 Mapping을 통한 면 분석을 진행하였다.
- 각 시료인 철제 칼의 칼날부분에 대해 비커스 경도를 측정하였다. 칼날의 경도는 사용빈도에 따른 마모와 관련이 깊다.
- 금속현미경을 이용해 칼날과 칼 중심, 칼등의 미세조직을 관찰하였으며, 각 시료의 단접면을 관찰하였다. 금속현미경 관찰 후 백금(Pt)코팅을 하여 비금속개재물이나 특이한 형상의 미세조직을 SEM-EDS를 이용하여 관찰하였다.
- 금속현미경으로 철제 칼 3종류를 분석하였다. 분석한 결과 3종류 모두 동일하게 탄소함량이 0.
- 에폭시수지로 마운팅(mounting)하여 연마가 가능한 상태로 만든 후, 미세연마를 실시하였다. 금속현미경을 이용해 칼날과 칼 중심, 칼등의 미세조직을 관찰하였으며, 각 시료의 단접면을 관찰하였다. 금속현미경 관찰 후 백금(Pt)코팅을 하여 비금속개재물이나 특이한 형상의 미세조직을 SEM-EDS를 이용하여 관찰하였다.
- 이 모든 단계가 끝난 강괴는 다시 가열을 하여 위의 공정을 12회 반복 수행하여 다층구조 소재인 사철강괴를 생산하였다(Cho, 2015; Oh, 2018a). 또한 사철강괴에 이종소재인 현대강을 접합하여 위의 공정으로 다층구조 소재의 응용강괴도 함께 생산하였다.
- 마모에 의한 질량감소율을 알아보기 위해 Rubbing test를 진행하였다. Rubbing test를 진행한 결과 K1은 0.
- 이후 칼 표면의 잔존하는 진흙을 모두 제거하였다. 마지막으로 칼날과 칼등의 최종적인 두께를 위해 연삭을 실시하였고, 손으로 미세연삭을 실시하여 칼날 표면의 스크래치를 제거하였다. 모든 연삭작업이 끝난 후 Acetone(99.
- 정련 및 단접실험 역시 2015년도에 진행된 연구과정을 참고하였다. 먼저 가열된 괴련철의 내부에서 불순물이 녹아 나오게 되면 모루 위에서 망치질을 하여 직사각형의 강괴로 제작하였다. 강괴를 다시 반으로 접기 위해서 도끼를 이용해 강괴의 중앙에 홈을 내어 단접하였다.
- 제련실험은 2015년도에 진행된 연구과정을 참고하였다. 먼저 목탄 20 kg을 제련로에 넣어 점화하여 완전히 건조 시킨 후, 완전히 건조된 제련로에 10분의 간격으로 사철 1.0 kg과 목탄 2.5 kg을 투입하였다. 진행되는 과정에서 하단의 배출구를 통해 슬래그를 배출시켰다.
- 마지막으로 칼날과 칼등의 최종적인 두께를 위해 연삭을 실시하였고, 손으로 미세연삭을 실시하여 칼날 표면의 스크래치를 제거하였다. 모든 연삭작업이 끝난 후 Acetone(99.9%)으로 칼의 표면을 세척하고 염화철과 물이 1:3인 용액에 10분간 침적하여 에칭을 실시하였다. 에칭이 끝난 철제 칼은 중성세제를 이용해 세척한 후 건조시켰다.
- 사철강괴와 응용강괴를 이용하여 철제 칼 3종류를 제작하였다(Figure 3). 접합된 현대강은 탄소강(Carbon steel 1095; 0.
- 시료의 표면무늬는 EPMA를 통해 분석하였다. 최초 SEM-EDS를 통해 단접층에 대한 EDS line scanning을 실시하였다.
- 제작된 철제 칼의 미세조직을 관찰하기 위해 금속현미경(DM-2500M, Leica, Germany)과 SEM(MIRA3, TESCAN, Czech)-EDS(QUANTA300, BRUKER, Germany)를 사용하였다. 에폭시수지로 마운팅(mounting)하여 연마가 가능한 상태로 만든 후, 미세연마를 실시하였다. 금속현미경을 이용해 칼날과 칼 중심, 칼등의 미세조직을 관찰하였으며, 각 시료의 단접면을 관찰하였다.
- 연마는 칼날과 칼등이 각각 대략적인 두께가 될 때까지 반복하여 수행하였다. 연마가 완료된 후 고령토와 백토를 1:1의 비율로 갠 후 칼날의 앞과 뒤에 펴서 바른 후, 칼날부분에는 물결무늬 모양으로 진흙을 제거하여 열처리를 실시하였다. 칼날 부분의 진흙을 물결무늬 모양으로 제거한 이유는 단야로에서 가열할 때 칼날과 칼등의 진흙 두께 차이로 칼 표면에 열의 전달속도를 조절하기 위해서이다.
- 진행되는 과정에서 하단의 배출구를 통해 슬래그를 배출시켰다. 이 때 제련과정 중에는 어떠한 조재제도 첨가하지 않았고, 송풍은 제련로 하단의 송풍구를 통해 기계송풍을 실시하였다. 경주사철의 제련은 총 17시간 걸렸으며, 장입된 사철 170.
- 이후 무게의 감소량을 토대로 질량감소율[(시험 전 무게-시험 후 무게)/시험 전 무게×100)]을 측정하였다.
- 최초 SEM-EDS를 통해 단접층에 대한 EDS line scanning을 실시하였다. 이후 좀 더 정밀한 분석결과를 얻기 위해서 EPMA를 실시하였다. K1을 먼저 C를 중심으로 Mapping한 결과 함량의 차이가 나타남을 확인하였으며, 단접층이 C의 함량이 높다는 것을 확인하였다.
- 한반도 고대국가들은 철제 칼을 제작하기 위해 전통 제철법인 제련을 통해 괴련철을 만든 후, 다시 정련 및 단접을 거쳐 강괴를 만들었다. 일련의 제철과정을 통해 강도와 인성을 높여 우수한 품질의 무기류를 제작하였다. 전통 제철법으로 제작된 무기류는 단접방식이 적용되었음을 단접층과 미세하게 형성되어 있는 금속조직을 통해 확인할 수 있다.
- 진흙을 바른 후 단야로에서 가열하고 대두유(大斗油, 40℃)에 넣어 담금질(Quenching)을 하고 뜨임(tempering)을 실시하였다.
- 철제 칼의 제작을 위해 먼저 강괴를 제작하였다. 강괴의 원료는 『세종실록(世宗實錄)』의 기록에 의거하여 경주시감포읍 해안에서 채취한 사철을 이용하였다(Oh, 2015).
- 시료의 표면무늬는 EPMA를 통해 분석하였다. 최초 SEM-EDS를 통해 단접층에 대한 EDS line scanning을 실시하였다. 이후 좀 더 정밀한 분석결과를 얻기 위해서 EPMA를 실시하였다.
- 측정위치는 칼날의 3지점을 선정하였다. 측정이 완료된 후 각 지점의 경도 값을 표기하고, 3지점의 평균값을 도출하였다.
- 칼날의 마모정도를 알아보기 위해 마모시험기(Rubbing Tester, NR-RB1, NURISC, Korea)를 이용하여 측정하였다. 마모재는 sand paper(#220)를 이용하였다.
- 표면무늬의 원소함량을 알아보기 위해 EPMA(EPMA-1610, SHMADZU, Japan)를 측정하였다. SEM-EDS보다 정밀한 EPMA를 이용하여 단접면의 화학조성을 알아보고자 시료를 에폭시 수지로 마운팅(Mounting)하여 연마를 실시한 뒤 Mapping을 통한 면 분석을 진행하였다.
대상 데이터
- 철제 칼의 제작을 위해 먼저 강괴를 제작하였다. 강괴의 원료는 『세종실록(世宗實錄)』의 기록에 의거하여 경주시감포읍 해안에서 채취한 사철을 이용하였다(Oh, 2015). 제련실험은 2015년도에 진행된 연구과정을 참고하였다.
- 칼날의 마모정도를 알아보기 위해 마모시험기(Rubbing Tester, NR-RB1, NURISC, Korea)를 이용하여 측정하였다. 마모재는 sand paper(#220)를 이용하였다. 시험은 시편에 500 g의 시험하중을 주어 속도를 60 rpm으로 5,000회(1 Cycle)동안 진행하였다.
- 50% Ni)이다. 사철강 칼(K1)은 4096(212)겹으로 이루어진 다층구조 소재의 강괴를 이용하여 제작하였다. 사철-탄소강 칼(K2)과 사철-니켈탄소강 칼(K3)은 Figure 4의 단면도처럼 기본 소재를 제작한 후 정련 및 단접을 통해 제작하였다(Figure 3, 4).
- 제작된 철제 칼의 미세조직을 관찰하기 위해 금속현미경(DM-2500M, Leica, Germany)과 SEM(MIRA3, TESCAN, Czech)-EDS(QUANTA300, BRUKER, Germany)를 사용하였다. 에폭시수지로 마운팅(mounting)하여 연마가 가능한 상태로 만든 후, 미세연마를 실시하였다.
- 따라서 칼날 부분의 경도를 측정하고자 KOLAS-마이크로 경도시험기(JP/MMT-7, Matsuzawa, Japan)을 이용하여 측정하였다. 측정위치는 칼날의 3지점을 선정하였다. 측정이 완료된 후 각 지점의 경도 값을 표기하고, 3지점의 평균값을 도출하였다.
- 이는 재가열시 발생하는 탈탄을 방지하기 위함이다. 황토 물은 1.6 kg의 황토에 10.52 kg의 물을 혼합한 것을 이용하였다. 이 모든 단계가 끝난 강괴는 다시 가열을 하여 위의 공정을 12회 반복 수행하여 다층구조 소재인 사철강괴를 생산하였다(Cho, 2015; Oh, 2018a).
데이터처리
- 이후 무게의 감소량을 토대로 질량감소율[(시험 전 무게-시험 후 무게)/시험 전 무게×100)]을 측정하였다. Rubbing test는 총 3차례 진행되어 결과 값을 평균치로 계산하였다.
이론/모형
- 철제 칼의 칼날 경도는 사용량에 따른 마모와 관련이 깊다. 따라서 칼날 부분의 경도를 측정하고자 KOLAS-마이크로 경도시험기(JP/MMT-7, Matsuzawa, Japan)을 이용하여 측정하였다. 측정위치는 칼날의 3지점을 선정하였다.
성능/효과
- 3개의 시료를 금속현미경과 SEM-EDS를 통해 분석한 결과를 통해 각 시료는 Fe-C 합금으로 아공석강의 미세한 Ferrite와 Pearlite 조직이 관찰되었으며, 칼날에서 Martensite가 관찰되었다. K2와 K3의 단접층을 EDS line scanning을 통해 관찰한 결과 K2의 경우 사철강괴와 탄소강의 교차 적층으로, K3의 경우 Ni 함량의 차이로 층을 이루고 있음을 확인하였다.
- EPMA Mapping을 통해 각 단접층의 형성원인은 원소별 함량의 차이로 인해 생성되었음을 확인하였다.
- K3를 C로 Mapping한 결과 단접층에서 주위보다 낮은 함량으로 확인되었으며, 반대로 Ni의 함량이 높은 것으로 확인되었다. EPMA를 통해 시료들을 원소별로 Mapping한 결과 C의 함량 차이와 혹은 화학조성에 의해 무늬가 드러남을 확인하였으며, 함량의 차이가 클수록 무늬가 선명하다는 것을 알 수 있었다.
- 이후 좀 더 정밀한 분석결과를 얻기 위해서 EPMA를 실시하였다. K1을 먼저 C를 중심으로 Mapping한 결과 함량의 차이가 나타남을 확인하였으며, 단접층이 C의 함량이 높다는 것을 확인하였다. K2는 C로 Mapping한 결과 큰 차이가 나타나지 않았으며, Si Mapping 결과 개재물의 형식으로 단접층에서 나타나고 있음을 확인하였다.
- 3개의 시료를 금속현미경과 SEM-EDS를 통해 분석한 결과를 통해 각 시료는 Fe-C 합금으로 아공석강의 미세한 Ferrite와 Pearlite 조직이 관찰되었으며, 칼날에서 Martensite가 관찰되었다. K2와 K3의 단접층을 EDS line scanning을 통해 관찰한 결과 K2의 경우 사철강괴와 탄소강의 교차 적층으로, K3의 경우 Ni 함량의 차이로 층을 이루고 있음을 확인하였다.
- K2는 C로 Mapping한 결과 큰 차이가 나타나지 않았으며, Si Mapping 결과 개재물의 형식으로 단접층에서 나타나고 있음을 확인하였다. K3를 C로 Mapping한 결과 단접층에서 주위보다 낮은 함량으로 확인되었으며, 반대로 Ni의 함량이 높은 것으로 확인되었다. EPMA를 통해 시료들을 원소별로 Mapping한 결과 C의 함량 차이와 혹은 화학조성에 의해 무늬가 드러남을 확인하였으며, 함량의 차이가 클수록 무늬가 선명하다는 것을 알 수 있었다.
- 마모에 의한 질량감소율을 알아보기 위해 Rubbing test를 진행하였다. Rubbing test를 진행한 결과 K1은 0.013 g의 무게감소를 보였고, 0.058%의 질량감소율을 보이며 3개의 시료 중에서는 최고의 내마모성을 보여주었다. 그 다음으로 K3가 0.
- 금속현미경과 SEM-EDS를 통해 K1, K2, K3 모두 Fe-C 합금의 아공석강이며, 단조로 인한 미세한 Ferrite와 Pearlite가 확인되었으며, 칼날부분에 Martensite가 확인되었다. 또한 K2, K3 단면에서 line이 관찰되었으며, EDS를 통한 Line scanning 결과 K2의 경우 사철강괴와 탄소강의 교차 적층으로, K3의 경우 Ni에 의해 적층되어 생겼음을 알 수 있다.
- 표면무늬는 강괴의 제작과정에서 형성되는 단접층에 기인한다. 따라서 단접층이 형성되는 이유를 밝히기 위해 EDS line scanning을 실시하였고, 이를 통해 원소함량 차이가 단접면의 생성원인이라는 것을 확인하였다. 이를 시각적으로 확인하고자 EPMA Mapping을 실시하여 단접면의 화학적 조성과 분포를 알아보고자 하였다.
- 철제도, 환두대도 및 여러 철제유물을 통해 탄소함량에 따라 여러 겹으로 이루어진 다층구조 소재를 이용하여 제작하였음을 확인할 수 있으며, 미세조직 분석을 통해 단접방식이 적용되었음을 알 수 있다. 또한 공주 수촌리 유적 출토 대도를 통해 칼날은 단단한 조직을 가지고, 칼등은 충격을 완화하는 연한 조직을 가진다는 것을 확인하였다. 이는 임의적인 열처리 기술이 적용됨을 확인 할 수 있으며, 삼국시대부터 한반도의 칼 제작기술은 고도로 발전하였다는 것을 알수 있다(Cho, 2014).
- 금속현미경으로 철제 칼 3종류를 분석하였다. 분석한 결과 3종류 모두 동일하게 탄소함량이 0.85% 이하인 Fe-C 합금의 아공석강이며, 전체적으로 Ferrite와 Pearlite가 관찰되었으며, 칼날에서 Martensite가 관찰되었다.
- 비커스 경도 분석결과와 Rubbing test 결과를 토대로 비커스 경도가 높을수록 마모에 의한 질량감소율 역시 낮아진다는 것을 확인하였으며, 높은 경도와 내마모성을 지닌 시료는 K1임을 확인하였다.
- 시료별로 칼날에 대한 비커스 경도를 측정한 결과, K1이 평균 533.38 HV로 가장 높았으며, 그 뒤를 이어 K3가514.8 HV, K2가 477.02 HV로 측정되었다. Rubbing test 결과 역시 칼날에 대한 비커스 경도 차이와 일치하였다.
- 대표적으로 연기 장재리 유적 출토 대도, 공주 수촌리 유적 출토 쌍룡문은상감환두대도 등이 있으며, 이외의 철제도를 포함한 다양한 철제유물에서 정련 및 단접의 흔적이 발견되었다. 연기 장재리 유적 출토 대도는 미세한 조직의 Ferrite와 Pearlite가 관찰되었으며, 비금속개재물이 단접면을 따라 분포하고 있는 것을 확인하였다. 이러한 특징은 단접과정에서 발생하며 또한 탄소함량에 따라 다르다.
- Rubbing test 결과 역시 칼날에 대한 비커스 경도 차이와 일치하였다. 질량감소율은 K1이 0.058%로 가장 내마모성이 우수하였으며,그 뒤로 K3가 0.060%, K2가 0.144%로 측정되었다. 이렇듯 칼날에 대한 경도와 마모에 의한 질량감소율이 차이가 나는 주된 이유는 칼날에 형성된 Martensite의 유무와 양의 차이로 판단된다.
- 또한 칼날 부분에서 Martensite가 관찰되는데, 이는 다른 부분과 달리 칼날부분의 경도를 높이기 위해 담금질과 같은 열처리가 이루어졌음을 보여주는 증거이다(Figure 1)(Cho, 2015). 철제도, 환두대도 및 여러 철제유물을 통해 탄소함량에 따라 여러 겹으로 이루어진 다층구조 소재를 이용하여 제작하였음을 확인할 수 있으며, 미세조직 분석을 통해 단접방식이 적용되었음을 알 수 있다. 또한 공주 수촌리 유적 출토 대도를 통해 칼날은 단단한 조직을 가지고, 칼등은 충격을 완화하는 연한 조직을 가진다는 것을 확인하였다.
- 여기에 칼날에 대한 추가적인 열처리 공정을 통해 Martensite가 형성되었고, 이를 통해 칼날의 경도가 증가하였다. 하지만 단일소재의 단접으로 인해 단면의 단접층의 확인이 어려우며, 이로 인해 표면무늬 역시 단조롭다는 것을 확인하였다. K2와 K3 역시 다층구조 소재가 가지는 금속학적 특성인 강도와 인성이 좋고, 추가적인 열처리 공정으로 인해 경도가 증가하였다.
후속연구
- 또한 응용강괴의 표면무늬가 더 뚜렷이 표현되었다. 본 연구결과를 통해 물성개선을 위한 열처리 공정에 대한 추가적인 연구와 표면무늬 생성을 위한 추가적인 연구가 필요함을 알 수 있었다. 마지막으로 전통 제철법으로 제작한 사철강괴의 물성개선을 위해서는 니켈탄소강과 접합하여 사용하는 것이 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.