철과 강을 합쳐서 일컫는 말. 강을 뜻하기도 하나, 여기서는 앞의 정의에 따른다. 철은 금속원소의 하나로 비중 7.86의 대표적 중금속이다. 새로운 단면은 검은빛을 띤 은백색으로 빛나지만 대기 중에서 곧 산화되어 광택을 잃는다. 녹에는, 검고도 치밀하며 표면보호력이 강한 검은 녹과 적갈색으로 벗겨지기 쉬운 이른바 부식이라고 하는 붉은 녹이 있다. 순도가 높은 철은 구리나 알루미늄보다 만들기 어렵기 때문에 특별한 용도를 위해 특별히 제조할 뿐이며, 보통 철재라고 하는 것은 실제로는 강이다.

강은 순철과 탄소의 합금으로서 공업적 제조법으로는 규소·망간·인·황 및 기타의 불순물을 함유하고 있다. 탄소함유량이 2.11 % 이하 0.0218 %까지의 것을 강이라고 한다. 강은 담금질하면 경화하므로 예부터 칼·식칼 등의 절삭공구에 사용되었다. 2.11 % 이상의 탄소를 함유하면, 철과 탄소의 금속간화합물인 시멘타이트 Fe3C와 철이 약 1,150 ℃에서 공정(共晶)을 이루기 때문에 강의 성분을 가진 것보다 주물을 만들기 쉽다.

종래 주물에 사용되는 것은 3.7∼4.3 %의 탄소를 함유한 것으로, 이것을 주철이라고 한다. 이 성분은 앞서 말한 공정점(共晶點)이 바로 철 쪽에 해당하는 성분범위로서, 이런 합금이 냉각응고할 때는 냉각속도에 따라 시멘타이트가 철과 흑연으로 분해되거나, 거의 그대로 끝나거나 한다. 주물에 사용하는 주철은 이 분해가 상당히 진행하므로, 균열이 생겼을 때의 파면은 회색이 되고 회선철(gray pig iron)이라고 하며, 펄라이트(pearlite)의 바탕에 가늘고 긴 흑연이 산재한다.

철 속에 극히 소량(0.0218 % 이하)의 탄소가 함유된 것은 여전히 철의 체심입방격자를 유지하고 있으며, 페라이트(ferrite)라고 한다. 순철은 906∼1,401 ℃에서는 면심입방격자가 된다. 이 면심입방격자의 철에 탄소가 용해한 것을 오스테나이트(austenite)라고 한다. 보통 철강이라고 하는 것은 페라이트에 해당되는 철의 고용체와 강, 그리고 주철로 나눌 수 있다. 이 밖에 옛날의 제철법으로는 저온에서 광석을 환원하여 만든 다공질의 철괴(鐵塊)를 가열하여 두드리는, 이른바 단련(forging)을 반복하여 철재(鐵滓)를 짜내어 연철(鍊鐵)을 만들었으나 오늘날에는 사용되지 않는다.

【역사】 인류가 입수한 최초의 철은 운석(隕石)의 철이라고 하며, 5600년 전의 이집트 시대에는 철도 희소가치가 있어 장신구로 사용되었다. 그 후 통풍이 잘되는 들판에 구덩이를 파서 철광석과 장작을 섞어 불을 질러 불완전하나마 철광석을 환원하여 광재를 많이 함유한 철괴를 얻는 고대 제철법이 행해져서 철제품을 사용할 수 있게 되었다. 피라미드 속에 있었다는 약 3000년 전의 톱의 파편은 그 한 예이다.

그 후 연료는 장작에서 목탄으로 바뀌고, 자연통풍 대신 풀무를 발로 밟아서 바람을 보내어 목탄을 연소시켜 고온을 낼 수 있게 되었다. 다음에 축력(畜力)으로 풀무를 움직이고, 마침내 수차를 사용하여 동력화하였다. 이 때문에 풍량도 송풍력도 증대하여 노는 높게 축조할 수 있었고, 노당의 제철량이 증가하는 동시에 철광석은 노내를 강하(降下)하는 사이에 예열되어 환원되고, 환원된 철은 고온에서 탄소를 흡수하여 녹는점이 하강하고 탄소 위에 흘러 떨어져 다시 탄소를 충분히 흡수하며 마침내 선철로까지 되기에 이르렀다.

오늘날의 고로(용광로)에서는 광석·석회석, 거기에 잘 부서지지 않는 코크스(강점결성의 석탄이 원료)의 세 가지를 순차적으로 층을 이루어 노 꼭대기로부터 들어가고 불필요한 성분인 실리카 등은 석회석이 열분해해서 생기는 산화칼슘과 결합하여 광재가 되어 노저에 흘러떨어진다. 환원되어 만들어진 철은 차례로 탄소를 흡수하여 마침내 탄소 4 % 전후의 선철이 되고 이것도 용해되어 고로의 저부에 있는 용탕풀에 괸다.

광재는 용해하여 이 위에 괴므로, 용탕풀에 설치된 출선구를 하루에 수차례 열어 선철과 광석을 유출시키고 양자를 나누어 선철은 레이들(ladle)에 모으고 제강용의 용선으로 하거나 따로 주선기(鑄銑機)에 의해 주형에 주입하여 괴상으로 만든다(이것을 冷銑이라고 한다). 한편, 광재는 슬랙 시멘트(slag cement)의 원료로 하거나 슬랙 울(slag wool)의 원료로 한다. 이와 같이 오늘날에는 고로에서 일단 선철을 만들고, 거기에서 다시 제강로에 의해 강을 만드는 간접제강법이 일반적으로, 옛날의 방법은 환원온도가 낮기 때문에 탄소가 별로 들어가지 않고 슬랙을 많이 함유한 강에 가까우므로 이른바 직접제강법이었다.

옛날의 노는 오늘날의 석회석의 역할을 노벽 자체가 했으므로 제철작업이 끝날 때는 노는 허물어지고 그 내부로부터 다공질의 철괴를 파내는 형식이었다. 이 철괴는 뒤에 두들겨서 연신(延伸)하고, 가열하여 공기와 접촉시켜 표면의 탄소를 제거하며 슬랙이 함유된 것을 짜낸다. 한편, 탄탄한 면은 중앙에 들어가도록 접고, 새로운 부분이 표면에 나오게 하여 이것을 몇 번이고 반복해서 바라는 탄소량의 강편으로 만들었다. 노에서 채취한 철편은 높은 곳으로부터 돌계단 위에 떨어뜨리고 탄소가 많을수록 시멘타이트의 양이 많으므로 무르고 가늘게 갈라지는 것을 이용하여 파편의 대소로 대략 탄소 함유량의 분류를 했다고 한다.

【제철·제강】 보통 고로에서 선철을 만들고, 이것을 제강로에 넣어 강을 만든다. 제선은 고로의 노정에서 철광석·코크스·석회석을 번갈아 넣고 노하부에 설치된 바람구멍으로부터 열풍로를 통하여 1,000 ℃ 정도로 예열한 공기를 불어넣고 코크스를 연소시켜 일산화탄소가스를 만들고 철광석을 환원하여 철을 만든다. 석회석이 연소된 산화칼슘과 광석 중의 실리카는 결합하여 슬랙이 되고, 한편 철은 탄소를 충분히 흡수하여 선철이 되며, 용해되어 노저의 용탕풀에 괴므로 하루에 몇 차례씩 출선구로부터 유출시킨다.

고로의 용량은 종전에는 하루에 생산하는 선철의 양으로 표시했으나, 최근에는 노의 내용적으로 표시하며 4,000 m3 급의 고로도 많이 건설되었고, 포항제철의 제3고로의 내용적은 3,770 m3이다. 고로에서 만들어진 선철은 보통 용해된 용선 그대로 제강공장에 운반되며, 일부는 주형에 주입하여 응고시켜 소규모로 제강만 하는 공장에 판매하거나 때로는 주철을 만드는 주철공장에 원료로 판매한다.

제강용에는 평로·전로·전기로 등이 주로 사용되고, 용선에 철광석·스크랩(scrap) 등을 배합하여 정련하며 탄소분을 산화·제거하고 계속하여 규소·망간·인·황의 양도 적당히 감소시켜 바라는 강을 만든다. 제2차 세계대전 후에는 산소를 공기에 혼합시키거나 또는 용선에 순산소를 불어넣어 취정(吹精)하는 방법이 보급되고, 제강능률이 대단히 증가했다.

전기로는 이른바 특수강을 만드는 데 잘 이용된다. 또 일반적인 제조법은 아니지만, 특별한 경우에는 해면철과 같은 것을 만드는 직접제철법이 지금도 행해지고 있다. 순철은 특별한 방법으로 만들어지며, 가장 많이 사용되는 것은 전해법으로 만드는 전해철과 철의 카보닐(Fe(CO)4)을 분해시키는 카보닐철이 있고, 이들을 전자빔융해·영역정제(領域精製) 등을 하면 매우 순도가 높은 초순철을 만들 수 있다.

철강 생산은 1993년 현재 미국·일본 등이 각각 1억 t 내외를 생산하고, 한국은 약 3000만 t을 생산하고 있다. 그러나 광석을 수입하여 철강소재만을 만드는 것과 같은 가공도가 낮은 산업은 점차적으로 저개발국으로 옮겨가는 경향이 있다.

【철과 강】 철은 906 ℃ 이하에서는 체심입방격자(α)인데, 이 이상 1,401 ℃까지는 면심입방격자(γ), 이 이상의 온도에서는 다시 체심입방격자(δ)으로 되어 1,535 ℃에서 녹는다. 철에 탄소가 들어가면 1,401 ℃에 해당하는 결정형의 변화온도(A4변태점)는 상승하고 906 ℃에 해당하는 변태점(A3변태점)은 하강하며, 후자는 결국 723 ℃ 이하에 공석점(共析點)을 만든다. 공석점의 탄소량은 약 0.77 %로서, 이 점을 경계로 하여 철에 가까운 것을 아공석강(亞共析綱), 시멘타이트에 가까운 쪽을 초공석강(超共析綱)이라고 하고, 0.0218 % 이하의 페라이트(α)를 순철이라고 한다. 이와 같이 A4점은 상승하고 A3점은 하강하기 때문에 면심입방격자(γ)이 존재할 수 있는 범위는 넓고, 이것이 2.11 %에서 끝난다. 이 범위를 오스테나이트라고 한다.

상태도(狀態圖)에서도 알 수 있는 바와 같이 0.77 % 탄소에 있는 공석조성에서는 철과 시멘타이트가 층상으로 섞여 들어간 펄라이트라는 조직이 되므로 아공석강에서는 초석(初析)의 페라이트 사이를 펄라이트가 메우고, 초공석강에서는 초석의 시멘타이트 사이를 펄라이트가 메운 조직으로 되어 있다. 이것은 강을 상태도의 GSE선상에서 서서히 냉각시켰을 때의 조직으로, GSK선의 30∼60 ℃로부터 급랭하여 담금질을 하면, 서랭할 때는 나타나지 않는 불안정한 조직이 된다.

완전히 급랭하면 오스테나이트로 되며, 탄소만 들어 있는 강에서는 이것이 불가능하며 약 723 ℃의 PSK선에서 일어나는 오스테나이트 → 페라이트＋시멘타이트라고 하는 변화가 일부 정지된 상태로 된다. 극도로 급랭하면 마텐자이트라고 하는 조직이 되고 대단히 단단하면서 무르게 된다. 좀더 서서히 담금질하면 순차적으로 트루스타이트·소르바이트라는 조직이 된다. 또 한번 담금질하여 마텐자이트로 한 것을 적당한 온도로 가열하고 뜨임을 하여 트루스타이트나 소르바이트를 나오게 할 수도 있다.

탄소만을 첨가한 강을 탄소강이라고 하며, 이에 한 가지 이상 다른 원소를 더 첨가한 강을 합금강 또는 특수강이라고 한다. 첨가하는 원소로는 니켈·크롬·몰리브덴·텅스텐·바나듐·규소 등이 있다. 이들 탄소 이외의 원소가 들어가면 앞에서 말한 철의 A4, A3점의 변화방식에는 두 가지가 있고, γ확대형에서는 탄소와 같이 오스테나이트(γ)가 확대하고, γ루프형에서는 A4는 하강하고 A3는 상승하며 합금원소가 어느 일정량 이상 들어가면 오스테나이트(γ)는 닫혀 루프(loop)를 만든다. 니켈·망간은 γ확대형이며, 크롬·규소·텅스텐은 γ루프형이다.

【주철·주강】 보통 주철이라고 하는 것은 3.0∼3.6 %의 탄소량에서 규소 1∼2 %, 황 0.06∼1 %의 것으로서, 조직은 펄라이트 바탕에 층상(層狀)의 흑연이 산재한다. 이것으로는 흑연이 크게 석출하여 강도도 불충분하고 무르므로 여러 가지의 개량을 하게 되었다. 그 하나는 이른바 연성주철(延性鑄鐵)과 고력주철이다. 그 원리는 흑연의 형상을 가늘고 둥근 입자로 하는 것과 바탕재인 강 부분을 강하게 하는 것이 있다.

가장 오래된 미하나이트(meehanite) 주철을 비롯해서 고력주철과 세륨·마그네슘 등의 활성원소를 첨가하여, 이른바 접종(接種)을 하여 흑연을 구상화(球狀化)하고, 연성을 증가시킨 연성주철을 만든다. 또 하나의 개량은 합금강과 마찬가지로 탄소 이외의 원소를 첨가하는 것으로, 내산성을 주로 하여 16 %의 규소를 가한 고규소주철이나 니켈·크롬·망간·구리·규소 등을 첨가한 오스테나이트주철 등이 있다.

또 일단 백선의 주물을 만들고 모래·적철광·밀 스케일(mill scale) 등에 묻어 900 ℃ 전후로 가열하여 탄소를 줄여 가단성을 낸 가단주철이 있다. 이 경우 표면을 수 mm 정도 탈탄한 상태에서 멈추게 하면 중심부는 유리흑연(遊離黑鉛)이 있기 때문에 검어서, 흑심가단주철이라 한다. 중심까지 완전히 탈탄해 버리면 유리흑염이 없어져 파면(破面)이 희게 되므로 백심가단주철이라고 한다. 주강은 강성분의 것을 주물로 하므로 0.77 % 이하의 탄소량의 것이 사용된다.

【특수철합금】 탄소가 들어가는 것을 피하여 실제의 순철을 만들고, 여기에 다른 원소를 첨가하여 합금을 만들어 사용하는 것이 참된 의미의 철의 합금이며, 보통 철이라고 일컫는 것은 대개 강을 말한다. 원래 철합금에 들어가는 것으로는 내열합금, 변압기의 철심에 사용하는 규소철, 영구자석합금, 불변합금(amber), 고도자율합금(permalloy) 등이 있다. 전해철이나 카보닐철을 다시 정제한 초순도철(extra pure iron)은 기초연구용으로서 사용된다.