金屬組織과 非金屬介在物 分析을 통한 韓國 古代鐵器의 製造 方法과 溫度 硏究 = Study of fabrication process of Korean ancient ironware through analysis of microstructures and nonmetallic inclusions
고대 철제유물들의 연구는 철제유물의 제철과 단조 열처리를 통한 성형에만 대부분 국한되어 있어 비금속개재물 연구를 통하여 제철 당시 광석의 종류나 제철방법이나 온도, 지역 간의 연계성, 로에 첨가된 물질을 비금속개재물인 slag의 거동 등을 통해 연결시키지 못하고 있는 것이 현실이다.
본 연구에서는 가장 보편적으로 중부 이남지역에서 출토된 농·공구 또는 무기로 사용되었던 철제유물을 대상으로 금속조직조사, 미소경도측정 및 SEM-EDS로 비금속개재물 분석을 실시하였다. 분석된 결과를 금속학적인 해석과 연구를 통하여 고대 한반도의 중부 이남지역에서 출토된 철제유물의 열처리를 이용한 제강 및 제작기술을 연구하였으며, 금속유물의 조직 내에 혼입되어 있는 비금속개재물 분석 자료를 산화물의 삼원상태도로 재해석하여 철기를 만들기 위한 소재가 되는 철광석의 종류와 이를 제련했던 제철로의 온도에 대하여 추론 연구하고자 하였다.
연구결과 고대 단조 철기유물은 대부분 지역과 시대에 관계없이 철광석은 Al2O3/SiO2의 비로 보아 대부분 SiO2의 함량이 높고 상대적으로 Al2O3의 양이 낮은 것으로 보아 Al2O3가 5% 이하의 경우 자철광석을 직접환원법인 고체저온환원으로 괴련철(해면철)로 환원하여 조업하였던 것으로 추정된다. Al2O3가 1%이하에서 wüstite가 정출하는 온도는 1,020~1,050℃ 정도에서 정출되는 것을 알 수 있었다.
유리질 비금속개재물의 산화물 삼원상태도로 보아 제철 조업 온도는 대부분 1,150~1,280℃에서 조업하였던 것으로 추정되며, 경기 대성리 출토 주조철부의 용융최저온도가 1,400℃부근으로 2.3%C 정도의 아공정주철로 주조한 뒤 고체상태에서 탈탄하여 주철의 취성을 개선한 것으로 판단되었다.
고대 철제유물에서 유리질 slag의 산 염기성을 좌우하는 것은 FeO 성분으로 산화철을 많이 함유된 초기 slag는 염기성이며, 환원이 많이 되어 잔류하는 산화철 양이 적은 유리질 slag형 비금속개재물은 산성으로 확인되었다. 또한 비금속개재물에 CaO의 함량이 광석에 있는 것보다 높게 나타나는 것으로 보아 인위적으로 CaO가 높은 조개껍질과 같은 석회질을 융제로 첨가하였던 것으로 추정된다. 그리고 지역별 SiO2와 CaO 비율과 SiO2와 Al2O3의 지역적 비율에서 각 지역이 서로 다른 양상을 가지는 것으로 보아 사용한 광석이나 노벽의 황토성분 영향 때문인 것으로 판단된다.
제강은 순철에 가까운 괴련철을 단접하는 과정에서 숯에서 나오는 CO, CO2 gas로 침탄시키는 침탄강이 주 제강법으로 일부 고체 탈탄강이나 고탄소강으로 철을 생산한 것을 확인할 수 있었다. 열처리는 유물의 용도에 따라 유물에 부분적인 열처리를 하였던 것으로 보아 고대 철기제작자들의 기술적인 인지를 확인 할 수 있었다. 날이 있는 유물에서 몇몇 유물을 제외하곤 모두 인위적으로 날 부분을 침탄과 담금질 열처리를 통하여 재질을 개선하였던 것으로 보아 철기의 용도나 부위에 따라 열처리를 달리하였던 것을 확인하였다.
날이 있는 유물들에서 침탄과 담금질 열처리를 한 유물들의 시대와 출토지로 보아 모든 지역과 시대에 걸쳐 고르게 나타나는 것으로 보아 이미 2~3세기 대 이후에는 한강이남지역에서 그러한 열처리기법이 보편화되어 사용되었다는 것을 의미하며, 그러한 열처리 기술이 발전 없이 6세기까지 같은 기술이 사용되었던 것으로 판단된다.
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