중등교실 2

“철의 특성과 우수성”

철이 어떤 특성을 가지고 있기에 인류문명에 큰 영향을 미칠 수 있었을까?

과연 어떤 특성 때문에 철이 우수하다고 말할 수 있는지 알아본다.

1. 철이란?

주기율표 8족에 속하는 원소의 하나. 원소기호 Fe, 원자번호 26, 원자량 55.847이다. 확인되지는 않았으나 원소기호 Fe는 ＜쇠＞를 뜻하는 라틴어 ferrum에서 비롯되었다고 한다. 영어명 iron은 라틴어 aes가 어원(語源)인 것으로 알려져 있다. 철의 5대 원소는 탄소, 규소, 망간, 인, 황(C,Si,Mn,P,S)이다.

철은 지각을 구성하는 원소 중에서 산소, 규소, 알루미늄 다음으로 많아서 전체의 약 5%를 차지하고 있다. 규소나 알루미늄이 철보다 양은 많으나 지각 중에 널리 균일하게 분산되어 있는데 비해 철은 철분을 많이 함유한 광맥의 형태로 집중적으로 매장되어 있어 극히 효과적으로 이용할 수 있는 장점이 있다. 지구의 최대 외각 부분을 형성하는 층의 물질 중에서는 제4위이고, 유리금속의 상태로 산출되는 일은 극히 드물며 운석(隕石)이나 지구 내부에는 다량으로 존재한다고 알려져 있다. 화합물로서는 토양 ․암석 ․광물 등에 존재하고 있다. 주요 광석으로는 적철석 ․자철석 ․갈철석 ․황철석 ․능철석 등이 있다. 또 사철(砂鐵)은 주로 미분말의 자철석으로 이루어져 있다.

2. 철의 특성

① 인체에 해를 주지 않는다.

인간의 몸 속에도 철이 일정량 존재하고 있으며 철은 사람의 몸과 닿아도 해롭지 않다. 그래서 통조림 등 식품
을 저장하는 용기로도 사용하며 인체내의 인공뼈대를 만들때도 사용한다.

생체 재료에 필요한 ‘생체 적합성’은 크게 □생체 안정성□과 □생체 친화성□으로 구분된다. 생체 안정성이
란□무독성□, 즉 독이 없다는 뜻으로 생체 재료가 몸 속에 들어가 해로운 반응을 일으키지 않는 것을 의미한
다.

철이 생체 재료로 활용되고 있다는 것은, 생체 적합성이 뛰어나다는 것이며 강도, 내마모성, 내식성 등 물리적
인 특징은 물론, 원하는 형태로 쉽게 가공할 수 있고 임상에 널리 사용될 수 있도록 경제적이기 때문이다.

철 소재 중에서는 스테인리스강이 가장 많이 사용된다. 녹이 슬지 않는 스테인리스 강은 다른 철보다 생체 적합
성이 우수하고 가공하기 쉬우며, 값도 비싸지 않아 1950년대 말부터 널리 사용돼 왔다. 스테인리스강은 인공 관
절과 골절 치료용 기기, 척추 치료용 기기, 재활용 기기의 소재로 활용된다.

② 재활용이 가능하다.

모든 철로 만들어진 제품들은 녹여서 재활용할 수 있으며 철 스크랩(고철)은 다른 철강제품을 만드는데 중요한
주원료 중의 하나이다. 철 스크랩은 버리면 산업 쓰레기에 불과하지만 재활용하면 귀중한 자원이 된다. 특히 우
리나라처럼 철강재를 많이 사용하지만 철강의 재료(철광석, 원료탄)가 없는 나라에서는 재활용이 아주 중요하
다. 또한 철은 재활용되지 않는다 해도, 다시 철광석으로 변해가는 성질이 있는데, 이것은 철이 영구적으로 자
연을 오염시키지 않는 자원임을 말해주는 것이다.

③ 가격이 싸고 활용성이 우수하다.

철은 다른 재료에 비해 가격이 싸고 활용성이 매우 우수하다. 예를 들어 알루미늄 1kg은 1700원인데 반해, 철
근 1kg은 325원이다.(www.kpi.or.kr) 또한 철은 쉽게 모양을 바꿀 수 있으며 한번 형태를 바꾼 모양은 쉽게 변
하지 않는다. 따라서 다리를 짓거나 건물을 짓고 배를 만드는 등 튼튼하게 만들어야 할 물건들에 꼭 필요한 소
재가 된 것이다.

④ 수 많은 응용이 가능하다.

철은 그 특성을 이용해서 좀 더 개선된 성능을 가진 금속을 만들기도 하는데, 그 대표적인 예로는 스테인리스
강이 있다. 탄소가 적당량 포함된 강철에 니켈과 크롬을 첨가해 합금으로 만든 것으로서 녹이 슬지 않고 무척
강한 성질을 가지고 있다.

⑤ 자성이 강하다.

철의 합금이나 산화물은 자성을 띠는 특성이 있어서 컴퓨터의 디스켓, 녹음 테이프, 스키퍼 및 전화카드 등에
도 유용하게 사용된다. 우리가 현재 사용하고 있는 컴퓨터의 하드 디스크와 같은 저장매체에도 철은 없어서는
안 될 중요한 자원이다.

3. 철강의 분류

철은 철의 탄소함유량에 따라 순철, 선철, 강으로 분류한다. 탄소가 전체의 1.7% 이상 들어있으면 선철, 0.035% 미만의 탄소가 들어있으면 순철이라고 부른다. 강은 그 중간이다. 철은 탄소가 적게 들어있을수록 부드럽고 잘 늘어난다. 반대로 탄소가 많으면 경도(물체의 단단한 정도)가 높아지고 강하다. 현재 철이라고 사용되고 있는 것은 실제로 대부분 강과 선철이라고 생각하면 된다.

① 불순물이 거의 없는 순철

암코(Armco)철이라고도 부른다. 불순물(탄소, 규소, 망간, 인, 유황 등)이 거의 없는 순도 99.9% 이상의 철이
다. 순철을 만드는 과정은 아주 복잡하고 까다롭다. 철에 들어있는 불순물을 완전히 없애는 일이 어렵기 때문
이다. 다른 철에 비해 쓰임새가 적고, 생산도 적다. 대부분 전기용품의 재료나 철강의 성질을 알아보는 실험용
으로 쓰인다.

② 각종 주물을 만들 때 쓰는 선철

용광로에서 철광석을 녹여 만든 철이다. 불순물이 많다. 탄소가 많아 단단한데, 너무 강해 쉽게 부서지고, 부
러진다. 그래서 힘을 가해 얇게 하거나, 늘리는 일(압연 가공)을 하기 힘들다. 주로 쇠솥이나 난로와 같이 주
물을 만드는 원료나 강을 만드는 원료로도 쓰인다.

③ 산업현장에서 가장 많이 쓰이는 강

용광로에 선철과 철 스크랩, 그리고 산화제 등을 넣어 불순물과 탄소의 양을 줄인 것이다. 특별한 쓰임새에
맞도록 다른 원소를 넣어 합금강을 만드는데 쓰인다. 강은 충격에 강하고, 질기며, 늘어나는 성질이 있어 롤
사이를 통과시켜 여러가지 모양으로 만들어 사용한다. 자동차, 조선, 기계, 건축, 가전제품, 공업용 소재 등
산업현장에서 가장 많이 쓰이는 철이다.