Received November 4, 2016 / Revised December 3, 2016 / Accepted December 14, 2016 Vol.32, No.4, pp579-588(2016)
DOI http://dx.doi.org/10.12654/JCS.2016.32.4.12 Printed in the Republic of Korea
pISSN: 1225-5459 eISSN: 2287-9781
수원 입북동 출토 철제환두도의 제철과 제작기술 연구
김수기1 용인대학교 문화재학과
Study on Iron‐making and Manufacturing Technology of Iron Swords with Ring Pommel Excavated in Ipbuk‐dong, Suwon
Soo-Ki Kim1
Department of Cultural Properties, Yongin University, Yongin, 17092, Korea
1Corresponding Author: [email protected], +82-31-8020-2680
초 록 본 연구는 수원 입북동 출토 철제환두도의 비금속개재물을 SEM-EDS로 분석하여 제철조업 온도를 추정하고 산화물을 SiO2와 비교하여 조재제의 인위적 장입 여부를 판단하였으며 금속학적인 조직조사를 통하여 철제 환두도의 제작 시 열처리 기술을 연구하였다. 철제환두도의 시편들에서 wüstite가 대부분 관찰되는 것으로 보아 고체저온환원법 으로 제련한 철 소재를 가열-단조-성형 가공하여 제작된 것으로 판단된다. 또한 부분적으로 P2O5가 있는 것으로 보아 배소되지 않은 자연광석으로 직접 제련하였던 것으로 추정된다. CaO/SiO2와 TiO2/SiO2 등의 비로 보아 제철 원료는 철광석으로 판단되며, 석회질의 조재제도 인위적으로 장입하지는 않은 것으로 판단된다. 선단 쪽 인부의 조직은 순철인 데 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 양상들 을 종합해본 결과 인위적인 부분적인 열처리 기법을 적용하여 제작한 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 한 유물에서 나타나는 비금속개재물의 성분분석을 통해 얻은 산화물 데이터를 SiO2로 나눈 비로 비교하는 해석하는 방법을 활용하 여 좀 더 과학적인 근거를 제시하려고 노력하였다. 이러한 방법으로 기존의 분석 연구된 결과들에 의한 주장들을 재해석 함으로 해서 다른 결과들을 얻을 수 있을 거라 사료된다.
중심어: 제철, 비금속개재물, 산화물삼원상태도, 조업온도, 열처리조직
ABSTRACT 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 SiO2 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 wüstite 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 P2O5, it is assumed that they were smelted directly with natural ore, not calcined. From the ratios of CaO/SiO2
and TiO2/SiO2, 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 SiO2. It is judged that reinterpreting the arguments by the results of the existing analysis and research in this way can obtain different interpretations.
Key Words: Iron making, Nonmetallic inclusion, Ternary phase diagram of oxide, Iron making temperature, Heat treat- ment structure
1. 서 론
제철을 통해 철을 환원하여 철기를 생산하면 철기내부 에는 제철의 흔적인 비금속개재물과 금속조직이 남아있게 된다. 철기유물에서 부식되지 않은 철기를 제외하고 비금 속개재물이나 가열 단타 과정에서 고온 산화된 마그네타 이트, 부식물 등은 모두 산화물로 되어있다. 얼마 전까지도 이러한 산화물상태의 유물을 분석한 결과를 단순한 화학 적인 원소로 표시하고 정량치를 데이터화하여 해석하였다.
이러한 산화물상태의 유물을 분석한 결과를 원소상태로 해석하면 많은 오류를 가져올 수 있다. 예를 들어 원소분석 결과를 단순히 Ti이 몇 % 이상 들어있다고 해서 철광석이 다 사철이다 라는 식의 해석은 오류를 범하기 쉽다. 최근 들어 그러한 분석결과 도출이 산화물상태로 결과를 내어 놓고 있어 다행으로 생각하는데 산화물상태라고 해도 단 순히 그 정량 값만 비교하는 것도 원소상태로 해석하는 것 과 같은 결과를 초래한다.
이러한 오류를 바로잡고 과학적 근거를 제시하기 위해 서는 지표구성 물질 중 가장 많이 분포하는 SiO2와 비교 분 석한 데이터가 있을 때 이것들을 서로 비교하여 해석하면 과학적이고 정확한 해석이 될 수 있다. 철광석을 노에서 용 융시켜 철을 환원하는 제철 조업에서 발생되는 부산물은 철이 환원되어 그 양이 줄어들지만 비가소성인 물질들은 그대로 남아있게 되어 상대적으로 환원이 이루어진 slag에 서는 당연히 SiO2, CaO, TiO2, Al2O3 등의 정량치는 올라 가게 된다. 그러나 TiO2/SiO2, CaO/SiO2등의 비는 비슷한 결과를 얻게 되고 철광석에 들어 있는 TiO2의 양을 TiO2/ SiO2로 계산하고, Ca는 CaO/SiO2로, Al2O3, MnO, MgO 등도 SiO2로 나누어 철광석이나 노벽편의 이러한 물질들 의 비와 비교하면 slag나 비금속개재물이 철광석에서 생성
된 것인지 조재제를 인위적으로 넣어 생성된 것인지 등도 파악할 수 있다. 또한 산화물의 삼원상태도에 FeO- CaO-SiO2와 FeO-Al2O3-SiO2를 대입하면 슬래그의 노 내 온도를 알 수 있고 bead type의 wüstite는 정출 온도를 판 단할 수 있다(Kim, 2014).
본 연구는 수원 입북동에서 출토된 고고학적으로는 4세기 초로 편년되는 철제환두도의 비금속개재물을 SEM-EDS 로 분석한 후 산화물상태로 전환하여 제철조업 온도를 추 정하고 SiO2와 비교하여 조재제를 인위적으로 장입하였는 가와 금속학적인 조직조사를 통하여 철기제작 시의 열처 리 기술을 연구하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1. 시편 채취와 분석방법
수원 입북동에서 출토된 환두도로 전체길이가 약 60 cm 이며, 이중 약 40 cm가 도신에 해당하나 선단 쪽이 결손되 어 정확한 크기를 알 수 없다. 배부에서 병부까지 매우 완 만하게 휘어져 있으며, 도신과 병부 사이에 관부가 발달해 있고 병부의 끝에 위치한 반원에 가까운 타원형의 환두는 일체형이다. 관부 쪽의 최대 폭은 약 4 cm정도이며 선단 쪽으로 갈수록 폭이 좁아진다. 대상유물은 비교적 금속심 이 잘 남아있는 상태로 X-ray 촬영을 통해 금속심을 확인 한 후 이를 통해 정확한 위치를 파악하고 유물표면에 해당 하는 magnetite층이 박락된 안쪽의 부식되지 않은 금속심 중 접합․복원 후 외형에 영향이 최소인 부위를 선정하여 시 편을 채취하였다. Figure 1에 표시된 부분과 Table 1과 같 이 선단 쪽 인부와 배부, 중앙의 배부, 관부 쪽 인부, 병부의 상단 그리고 환두부에서 총 6개의 시편을 채취하였다.
B
A
C
D
E F
Figure 1. Sampling point of iron sword with ring pommel.
Table 1. List of samples.
Sample Object Sampling point SEM-EDS Quantity
A B C DE F
Iron sword with ring pommel
Tip blade Tip back Body back Body blade
Hilt Ring pommel
- -
○
○ -
○
6
Figure 2. Phase diagram of FeO-CaO-SiO2(Engell, 1991). Figure 3. Phase diagram of FeO-Al2O3-SiO2(Yamaguchi, 2001).
채취된 시편들을 epoxy수지로 cold mounting한 후 정 밀절삭가공기를 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. 연마가 끝난 시 편은 대비효과를 주어 조직관찰이 용이하도록 nital 3%
(ethyl alcohol + HNO3)로 시편 표면을 etching을 하였다.
Etching을 마친 시편은 경도에 따른 물성파악을 위해 미세 경도시험기(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 연 구하였다.
금속조직의 비금속개재물 성분분석은 주사전자현미경 (SEM : Scanning Electron Microscope, JSM-6610LV, JEOL, Japan)에 부착된 에너지분산형X선분광분석기(EDS : Energy Dispersive X-ray Spectrometer, X-MAX, Oxford, England) 로 분석하였다.
Figure 4. Microstructure of sample A. Figure 5. Enlarged bottom left micro- structure of Figure 4.
Figure 6. Microstructure of sample B. Figure 7. Enlarged central upper
microstructure of Figure 6. Figure 8. Enlarged upper right microstructure of Figure 6.
2.2. 분석데이터의 해석
제철로에서 생성된 slag가 완전히 정련되지 못하고 철 기 내부에 남아 있는 것이 비금속개재물이므로 비금속개 재물의 주요 산화물인 FeO, CaO, SiO2, Al2O3로 Figure 2 와 같은 FeO-CaO-SiO2(이하 FCS로 표기) 산화물삼원상 태도와 Figure 3과 같은 FeO-Al2O3-SiO2(이하 FAS로 표 기) 산화물삼원상태도에 분석된 데이터를 대입하여 bead type의 wüstite는 정출 온도를, 유리질이나 fayalite는 제철 로 내의 온도를 추정하는데 활용하였다(Kim, 2014).
또한 비금속개재물의 Ca의 함량을 CaO/SiO2의 비와 Al2O3/SiO₂, MnO/SiO₂, MgO/SiO2 등과 비교하여 조재 제의 인위적 첨가를 판단하였으며, 특정 부분에 많은 함량 이 있는 TiO2나 P2O5와 같은 산화물도 SiO2와의 비를 비교 하여 판단하였다.
3. 조사 분석 결과 및 고찰
3.1. 선단쪽 인부(Sample A)
Figure 4는 Figure 3 환두도의 선단 쪽 인부에서 채취한
시편 A의 전체 미세조직으로, 우측이 환두도의 내측이고 좌측이 환두도의 인부 쪽이다. 탄소함량 0.03%이하의 순 철조직으로 전체적으로 비교적 균일한 양상이다. Figure 5 와 같이 조대한 ferrite 조직이 생성되어 있으며, 불균일한 형태의 비금속개재물에 bead type의 wüstite가 혼입되어 시편 전체에 혼재되어 있다.
3.2. 선단쪽 배부(Sample B)
Figure 6은 환두도 선단 쪽 배부에서 채취한 시편 B의 전체 미세조직으로, 상단이 환두도의 배부 쪽이고 하단이 내부 쪽이다. 시편 중앙 부분에는 부식으로 인해 발생한 검 은 구멍들이 관찰되며 그 구멍 주변과 좌측 상단부는 침탄 으로 인해 어둡게 관찰되고, 우측은 비교적 우측은 비교적 밝게 관찰된다. 어둡게 관찰되는 부분은 Figure 7과 같이 망상의 widmanstätten 내에 공석에 가까운 pearlite가 생성 되어 있으며, 보다 밝게 관찰되는 우측은 Figure 8과 같이 ferrite 조직 사이에 pearlite가 부분적으로 생성되어 있다.
시편전체에 bead type의 wüstite가 혼입되어 있는 비정형 의 비금속개재물이 분포되어 있다.
Figure 9. Microstructure of sample C.
Figure 10. Enlarged bottom left microstructure of Figure 9. Figure 11. Enlarged upper right microstructure of Figure 9.
a b
d
c
(A) SEM image of left nonmetallic inclusion of Figure 9. (B) SEM image of central nonmetallic inclusion Figure 9.
Figure 12. SEM image and points of EDS analysis of sample C.
Table 2. EDS analysis results of sample C.
Element(wt%)
Analytical point Na2O MgO Al2O SiO2 P2O5 K2O CaO MnO FeO FCS (℃) FAS
(℃) a 0.34 0.34 3.42 19.30 1.28 1.07 4.57 - 69.68 1260
b - - 0.66 2.01 - - 0.36 - 96.96 1180
c 0.55 1.55 6.12 32.11 - 1.58 8.26 - 49.82 1200 d 0.30 6.56 3.51 31.37 - 0.84 9.06 0.25 48.11 1200
Table 3. The oxide/SiO2 ratio of sample C.
Oxide/SiO2(%)
Analytical point Na2O MgO Al2O3 P2O5 K2O CaO MnO
a 1.76 1.76 17.72 6.63 5.54 23.68 -
b - - 32.84 - - 17.91 -
c 1.71 4.83 19.06 - 4.92 25.72 -
d 0.96 20.91 11.19 - 2.68 28.88 0.80
Figure 13. Microstructure of sample D. Figure 14. Enlarged middle left micro-
structure of Figure 13. Figure 15. Enlarged bottom center mi- crostructure of Figure 13.
3.3. 중앙 배부(Sample C)
Figure 9는 환두도의 중앙 배부에서 채취한 시편 C의 전체 미세조직으로 상단이 환두도의 배부 쪽이고 하단이 내부 쪽이다. 좌측과 우측의 양상이 다른 시편으로 좌측부 는 ferrite 조직으로 밝게 관찰된다. 중앙부에는 과열로 인해 생성된 widmanstätten 조직이 관찰되며, 우측으로 갈수록 침탄으로 생성된 pearlite로 인해 어둡게 관찰된다. 시편의 좌측은 Figure 10과 같이 ferrite 조직 사이에 bead type의 wüstite가 혼입되어 있는 비정형의 비금속개재물이 혼재되 어 있으며, 우측은 Figure 11과 같이 망상의 widmanstätten 조직 내에 경도가 254.4~270.2 Hv인 pearlite조직이 생성 되어 있다.
Figure 12는 시편 C의 비금속개재물 SEM상에 분석위 치를 표시한 것으로 분석결과는 Table 2에 정리하였다.
Figure 12A는 Figure 9의 좌측 ferrite 기지에 위치한 비금 속개재물로 어두운 바탕에 회색의 입자가 불규칙하게 분 포하고 있는 a는 미량의 P2O5를 함유하고 CaO, Al2O3 등 을 포함하고 있는 유리질 slag로 판단되며, 그 내부에 밝은 회색상의 둥근 형태의 b는 wüstite로 판단된다. Figure 12B는 침탄으로 인해 탄소량이 0.6% 정도의 중앙 하단부 에 위치한 비금속개재물로 어두운 회색 바탕인 c는 SiO2-CaO-Al2O3계 유리질 slag로 판단되며, 그 내부에 불 규칙하게 분포하고 있는 다각형의 입자상 d는 미량의 MgO 성분함량이 높은 SiO2-CaO-MgO계 유리질 slag로 판단된다.
Table 2는 Figure 12에 표시된 부분을 EDS로 분석한 결 과로 FCS와 FAS 삼원상태도로 보아 b부분의 wüstite의 정 출온도는 1,180℃, 제철 조업온도 1,200~1,260℃로 판단 된다. Table 3은 Table 2의 산화물들을 SiO2로 나눈 비로
a b
d c
(A) SEM image of central nonmetallic inclusion of Figure 13. (B) SEM image of left nonmetallic inclusion of Figure 13.
Figure 16. SEM image and points of EDS analysis of sample D.
Table 4. EDS analysis results of sample D.
Element(wt%)
Analytical point Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 K2O CaO FeO Cl FCS (℃) FAS
(℃) a - 1.45 1.05 37.28 - 2.17 4.22 53.66 0.17 1200 b 0.43 0.43 0.71 7.36 12.47 1.04 6.23 71.10 0.22 c 0.43 0.43 1.02 8.19 11.60 0.99 5.10 72.06 0.18 d - 0.42 1.57 12.91 3.93 0.54 0.97 79.43 0.23
Table 5. The ratio of oxide/SiO2 sample D.
Oxide/SiO2(%)
Analytical point Na2O MgO Al2O3 P2O5 K2O CaO
a - 3.89 2.82 - 5.82 11.32
b 5.84 5.84 9.65 169.43 14.13 84.65
c 5.25 5.25 12.45 141.64 12.09 62.27
d - 3.25 12.16 30.44 4.18 7.51
CaO의 SiO2 비가 약 20~30%로 비교적 일정한 편인 것을 알 수 있다.
3.4. 병부쪽 인부(Sample D)
Figure 13은 환두도의 관부 쪽 인부에서 채취한 시편 D 의 전체 미세조직으로, 상단이 내부 쪽이고 하단이 인부 쪽 이다. 표면부에 해당하는 우측과 좌측 일부에 담금질로 인 해 경도가 713~857 Hv의 martensite 조직과 담금질 시 냉 각 속도차이로 2단 분할변태 된 pearlite colony가 생성되 어 있으며(Han, 1988), 중앙부에는 ferrite와 pearlite가 혼
재된 종방향의 띠가 형성되어 있다. Figure 14와 같이 시편 우측에는 martensite 조직과 pearlite colony가 혼재되어 있 으며, 중앙부는 Figure 15와 같이 미세 pearlite와 ferrite가 혼재되어 있는 양상이 관찰된다.
Figure 16은 시편 D의 비금속개재물 SEM상에 분석위 치를 표시한 것으로 분석결과는 Table 3에 정리하였다.
Figure 16A은 Figure 13의 우측 담금질 조직 내에 위치한 검은색 단일상의 비금속개재물로 분석결과 FeO와 SiO2가 주성분이고 미량의 CaO, K2O, MgO 등을 포함한 유리질 slag로 판단된다. Figure 16B는 ferrite와 pearlite가 혼재되
Figure 17. Microstructure of sample E. Figure 18. Enlarged middle section mi-
crostructure of Figure 17. Figure 19. Enlarged upper right micro- structure of Figure 17.
Figure 20. Microstructure of sample F. Figure 21. Enlarged bottom left mi-
crostructure of Figure 20. Figure 22. Enlarged upper right mi- crostructure of Figure 20.
어 있는 시편 중앙에 위치한 혼합상의 비금속개재물로 바 탕이 되는 b와 c는 분석결과 FeO가 주성분이고 P2O5가 매 우 높게 함유하고 있고, 회색의 d 역시 FeO와 SiO2가 주성 분이고 Table 4에서와 같이 다량의 P2O5를 함유하고 있는 것으로 미루어 철광석을 제철로에 장입하기 전에 낮은 온 도에서 구워내는 배소 작업이 잘 되지 않은 광석을 로에 장 입하여 직접제련을 하였던 것으로 추정된다. Table 4에서 P2O5의 함량이 높은 b, c, d는 FCS나 FAS의 온도를 구할 수 없었으며, a부분 유리질의 FCS 산화물삼원상태도로부 터 제철 조업온도는 1,200℃로 판단된다. Table 5에서 P2O5/SiO2 비가 높으면 상대적으로 CaO/SiO2의 비도 높게 나타나는 것으로 보아 부분적인 P2O5를 많이 함유한 석회 질일 가능성도 있으나 FeO의 양이 많고 P2O5가 CaO보다 두배 이상 많은 이러한 현상은 P2O5가 편석되며 주변의 CaO를 끌어 당겨 생긴 것으로 판단된다.
3.5. 병부(Sample E)
Figure 17은 환두도의 병부 상단에서 채취한 시편 E의 전체미세조직으로, 상단이 환두도의 병부 상단 쪽이고 하 단이 내부 쪽이다. 전체 미세조직의 양상은 중앙을 경계로
사선으로 좌측과 우측이 나뉜다. 좌측은 ferrite 조직이 주 를 이루는 저탄소강이며 중앙부을 경계로는 pearlite 조직 의 비율이 높아지는 것이 관찰된다. 중앙의 경계부를 확대 한 Figure 18과 같이 좌측은 ferrite와 pearlite가 혼재되어 있고 우측은 pearlite가 생성되어 있다. 중앙부에서 우측은 비교적 균일한 양상을 보이고 있으며 Figure 19와 같이 pearlite가 열풀림으로 인해 pearlite 내의 층상 cementite가 구상화 cementite로 변해있는 것이 관찰되는 것으로 보아 장시간 낮은 온도에서 가열되었기 때문으로 판단된다.
3.6. 환두부(Sample F)
Figure 20은 환두도의 일체형 환두부에서 채취한 시편 F의 전체 미세조직으로, 상단이 환두부 표면에 가까운 쪽이다.
크게 좌측 하단과 우측 표면부가 서로 다른 양상을 띠고 있 다. 시편의 좌측은 Figure 21과 같이 순철인 ferrite조직이 우측상단의 표면은 Figure 22와 같이 망상 widmanstätten 조직 사이에 pearlite 조직이 생성되어있다. 비금속개재물 은 시편전체에서 주로 ferrite조직 부분에 혼재되어 있다.
Figure 23은 환두에서 채취한 시편의 비금속개재물 SEM상에 분석위치를 표시한 것으로 분석결과는 Table 6
a
b
c
d
(A) SEM image of left nonmetallic inclusion of Figure 20. (B) SEM image of right nonmetallic inclusion of Figure 20.
Figure 23. SEM image and points of EDS analysis of sample F.
Table 6. EDS analysis results of sample F.
Element(wt%)
Analytical point Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 K2O CaO TiO2 FeO FCS (℃) FAS
(℃)
a - - 1.03 4.44 - 0.20 1.24 - 93.08 1150
b - - 5.62 22.44 1.29 1.35 7.55 - 61.75 1220 c - 1.00 1.04 29.99 - 0.71 16.9 - 50.37 1200 d 0.60 2.69 4.36 28.04 - 2.68 6.50 0.27 54.86 1100
Table 7. The oxide/SiO2 ratio of sample F.
Oxide/SiO2(%)
Analytical point Na2O MgO Al2O3 P2O5 K2O CaO TiO2
a - - 23.20 - 4.50 27.93 -
b - - 25.04 5.75 6.02 33.65 -
c - 3.33 3.47 - 2.37 56.35 -
d 2.14 9.59 15.55 - 9.56 23.18 0.96
에 정리하였다. Figure 23A은 Figure 20의 좌측 ferrite 조 직 사이에 위치한 혼합상의 비금속개재물로 ferrite조직의 입계를 따라 FeO가 도열하여 있는 것으로 보아 열간 단조 하는 과정 중에 비금속개재물이 유리질상태에서 내부의 FeO인 wüstite가 입계벽을 따라 도열된 것으로 판단된다.
이러한 현상은 wüstite가 ferrite조직으로 편입되기 직전의 현상으로 보인다. 분석결과 회색의 둥근 입자형태로 관찰 되는 a는 환원이 조금 덜 된 wüstite이고 그 바탕이 되는 b 는 FeO-SiO2-CaO-Al2O3계 fayalite로 판단된다. Figure 23B는 망상의 widmanstätten 사이에 생성된 pearlite 조직
내에 위치한 비금속개재물로 불규칙한 입자 형태로 분포 하고 있는 c는 FeO가 주성분이고 높은 CaO를 함유한 fayalite로 판단로 판단되며, 그 바탕이 되는 어두운 회색의 d는 FeO-SiO2-CaO-Al2O3계 유리질로 판단된다. Table 6 에서 TiO2가 미량으로 나오고 Table 7에서와 같이 TiO2/SiO2
가 1%이하인 것으로 보아 TiO2는 광석으로부터 혼입된 것 으로 판단된다. 또한 fayalite를 분석한 b지점에서 CaO/SiO2
가 다른 분석지점은 20~30%대 인데 비하여 56%로 높게 나타나는 것은 CaO가 부분적으로 편석되어 생긴 것으로 판단된다.
4. 결 론
수원 입북동 출토 철제환두도의 조직조사와 비금속개 재물 분석연구를 통하여 고체저온환원법으로 제작한 철기 의 지표조직인 wüstite가 조사 분석된 대부분의 시편에서 관찰 분석되는 것으로 보아 고체저온환원법으로 제련한 철 소재를 가열-단타 작업을 반복하여 성형 가공하는 과정 을 거쳐 제작되어진 것으로 판단된다.
철제환두도에서 채취한 시편의 비금속개재물 EDS분석 결과 분석한 세 시편 모두에서 부분적으로 P2O5를 함유하 고 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 인위적 으로 장입하지는 않은 것으로 판단된다.
환두도의 선단 쪽 인부의 조직은 순철인데 비하여 관부 쪽 인부는 탄소량도 높고 급속 냉각 조직인 martensite조직 과 pearlite colony가 생성되어 있는 것으로 보아 기계적 특 성을 개선하기 위해 담금질을 하였으며, 배부는 부분적으 로 침탄이 되었으나 실제 사용에 있어 경강도 개선이 필수 적인 부위가 아니므로 이는 가열 단조와 인부의 침탄 및 담 금질 과정에서 의도하지 않은 침탄이 된 것으로 판단된다.
또한 병부와 환두부는 열간 단조과정에서 탄소량이 증가 하는 것으로 보아 단조과정에서 장시간 저온에서 가열되 었고 그 결과 pearlite 내의 cementite조직이 열풀림 조직이 생성된 것이 확인되었다. 이러한 철제 환두도에서 채취된 각 지점들의 시편 조직 양상이 가열 단조와 부분적인 침탄
과 담금질을 하는 과정에서 생성된 조직으로 판단되어 이 환두도는 부분적인 열처리 기법을 적용하여 제작된 것임 을 알 수 있었다.
본 연구는 제한된 유물에서 소량의 시편 채취를 하여 완 전한 유물의 제철과 제작기법을 연구하는데 어려움이 있 었다. 그러나 한 유물에서 나타나는 비금속개재물의 성분 분석을 통하여 해석하는 방법을 기존의 방법이 아닌 산화 물을 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.
REFERENCES
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