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El autor desea agradecer a Patrick Storme, profesor y jefe del departamento de Conservación y Restauración de Metales del colegio universitario Artesis; Seerp Visser; Dirk Anthierens; Gotscha Lagidse y Zaqro Nonikashvili sus valiosos comentarios, ideas, conocimientos prácticos y ayuda en la investigación aquí resumida.

Introducción

1El hierro ha desempeñado un papel muy importante en la evolución del hombre desde que fue utilizado por primera vez. El desarrollo de la ciencia metalúrgica y los conocimientos que nuestros antepasados tenían sobre el hierro y el acero fueron cruciales para el ascenso y la caída de las naciones. Entre las clases históricas más famosas e intrigantes de este material, el acero de Damasco es el más conocido. El acero de Damasco se hizo famoso por sus características, que se creían cercanas a la magia. El nombre moderno y más comúnmente aceptado para este acero es el de acero de crisol, ya que el acero se fundía en crisoles relativamente pequeños antes de ser forjado en objetos de la más alta calidad.

2En resumen, el acero de crisol es duro y a la vez flexible y tiene una apariencia específica. Su física se explica por sus microestructuras específicas, que se describen con más detalle en el apartado 2.1 de este artículo. El aspecto se caracteriza por un patrón que se forma en la superficie del acero pulido y grabado y que está formado por estas microestructuras. Ill.2, Damasco del sable de acero de crisol de ill.1 muestra un patrón típico del acero de crisol en la superficie del sable.

3La historia del acero de crisol es larga e interesante y está cubierta por una vasta literatura. Es comúnmente aceptado que este legendario acero tiene su origen en la India (Verhoeven, 2003) o en Pakistán (TR Anantharamu, 1999), donde se produjo por primera vez alrededor del comienzo de nuestra era. En épocas posteriores, también se produjo en algunas zonas de Asia Central, como las actuales Turkmenistán y Uzbekistán. Se cree que la técnica de fabricación de acero de crisol se perdió en algún momento del siglo XX (Fedosov, 2007). Según los conocimientos de los autores, las primeras personas que recrearon con éxito el acero después de que se creyera que su técnica se había perdido por completo, habrían vivido en la antigua URSS: V.I. Basov de Rusia (Fedosov, 2007) y el Prof. dr. Badri Amaglobeli de Georgia (Amaglobeli, 1984). Este último escribió en 1984 un doctorado muy detallado, pero desconocido en los países occidentales, sobre el tema. Poco después, el dr. John Verhoeven y el herrero Alfred Pendray, probablemente desconocedores de la investigación en la URSS hicieron su propia investigación sobre el tema, con gran éxito (Verhoeven y Pendray, 1992; J.D. Verhoeven, 1996; J.D. Verhoeven, 1998).

5Al estudiar intensamente las pruebas históricas del acero de crisol, se pudo llegar a la conclusión de que mucha información sobre los métodos de producción originales era falsa, incompleta o poco fiable. Algunos datos que conocemos hoy en día sobre las técnicas de producción proceden principalmente de unos pocos relatos históricos, realizados por viajeros del siglo XIX como Buchanan (Buchanan, 1829), Percy (Percy, 1864) y Voysey (Voysey, 1832), y por la enorme cantidad de investigaciones sobre el tema que realizaron los científicos occidentales John Verhoeven y Alfred Pendray (J.D. Verhoeven, 1998; J.D. Verhoeven, 2001; John Verhoeven, 1998; Verhoeven, 2001; Verhoeven y Pendray, 1992). Todos los viajeros mencionados anteriormente describen los procesos de fabricación del acero en la India y, por lo que saben los autores, sólo hay una descripción personal de los métodos de fabricación utilizados en Asia Central, la de Masalaski en 1841 (Khorasani, 2006). Otra información se encuentra en estudios metalográficos (Piaskowski, 1978; Schastlivtsev, Gerasimov y Rodionov, 2008; Alan Williams, 2007; Williams, 2007) y arqueológicos (TR Anantharamu, 1999; Rehren y Papachristou, 2003; Srinivasan, 1994). Para esta investigación arqueo-metalúrgica se utilizaron técnicas históricas, observacionales y experimentales.

Investigación arqueo-metalúrgica experimental

En la arqueología experimental, la investigación arqueo-metalúrgica es una disciplina relativamente nueva. Suele utilizar experimentos para responder a una pregunta de investigación. Mediante la realización de experimentos, se puede determinar nueva información sobre la forma en que debieron vivir, trabajar y pensar nuestros antepasados. Es importante subrayar que estas técnicas a menudo no aportan pruebas reales o datos sólidos para una determinada teoría, pero pueden proporcionar nuevos conocimientos. En otras palabras, los experimentos pueden aportar una reflexión sobre los relatos históricos.

8Entre las instituciones académicas que utilizan técnicas arqueo-metalúrgicas experimentales se encuentran la Universidad de Hull y la Universidad de Exeter en Gran Bretaña, la Universidad Autónoma de Madrid en España y la Real Universidad de Groningen en los Países Bajos.

Acero crisol e investigación experimental

9El acero en su forma más pura no es más que una combinación de hierro y carbono, por lo que se denomina «acero al carbono». El carbono tiene un efecto especial sobre la dureza y la tenacidad del acero y, en general, podríamos afirmar que cuanto más carbono, más duro (y más frágil) es el acero, hasta el límite del 6,76% de carbono. Más allá de este punto, la aleación se agrieta y se pulveriza; ya no tiene consistencia (Budinsky y Budinsky, 2005). El acero de crisol es un acero de gran pureza, con un porcentaje del 1-2% de carbono en peso, y se utilizaba preferentemente para armas, armaduras y herramientas de gran valor. En la ilustración 1: Sable de la colección del KLM-MRA fabricado con acero de crisol (Klaas Remmen) muestra un «Shamshir», un arma que a menudo se fabricaba con acero de crisol. Esta composición hipereutectoide típica es capaz de formar microestructuras específicas, que son responsables tanto de las extraordinarias capacidades de corte del acero, como del aspecto estético de la superficie grabada.

10El alto contenido de carbono forma estructuras muy duras y frágiles en el acero, denominadas cementita. El alto contenido de carbono en el acero de crisol da lugar a la formación de mucha cementita, que no sería tan útil para las armas o herramientas de filo, porque el filo se astillaría al aplicar una fuerza. Mediante el uso de complicados ciclos de forja, los antiguos herreros conseguían que las estructuras duras de cementita se hicieran bola y se agruparan en líneas en el producto final, mientras que la matriz de acero más blando alrededor de esta cementita dura se volvía más dura. El producto acabado era duro y capaz de resistir los golpes, mientras que las partículas de cementita alineadas actuaban como una microsierra en el filo del objeto. Los grupos de partículas de cementita, visibles en la superficie pulida y grabada de los antiguos objetos de acero de crisol, forman líneas blancas y serpenteantes. Estas líneas se denominan a veces el «damasco» del acero (J.D. Verhoeven, 2001) y se ilustran en la ill.2 Damasco del sable de acero de crisol de la ill.1.

11Al iniciar una serie de experimentos en los que se fabricó acero de crisol mediante diferentes técnicas, se estudiaron distintos pasos y aspectos. Una de las técnicas fue la llamada técnica de acero de crisol «georgiano». Esta técnica fue desarrollada por el Dr. Zaqro Nonikashvili, un maestro georgiano que lleva más de una década experimentando con el acero de crisol. En noviembre de 2010 tuvo la amabilidad de mostrar su técnica en un simposio sobre el acero de crisol que se celebró en Amberes (Bélgica). Al igual que los demás mecanismos conocidos para obtener acero de crisol, esta técnica utiliza hierro de bajo contenido en carbono y una fuente de carbono para unirse en condiciones piroquímicas y formar el acero en un crisol cerrado. Sin embargo, el funcionamiento de la técnica georgiana es claramente diferente al de otras producciones de acero de crisol conocidas. Este artículo presenta la técnica y hace algunas reflexiones históricas sobre los hallazgos arqueológicos. Le sigue una descripción de la metodología, que se utilizó en la investigación experimental.

Técnica del acero de crisol georgiano

12En la técnica del acero de crisol georgiano se divide una determinada cantidad de hierro de bajo carbono en dos partes iguales. En los experimentos se utilizó hierro puro. Una mitad de los trozos de hierro se puso en un crisol de arcilla, y se cubrió con arena o vidrio con un punto de fusión medio de unos 1200°C. Sobre esto, se añade una capa de carbón vegetal. La otra mitad del hierro se carga ahora también en el crisol, en capas alternas de hierro y carbón vegetal, donde la capa final o superior debía ser de carbón vegetal. El crisol se cierra entonces con una tapa que tiene un pequeño agujero en el centro. La forma de cargar el crisol es visible ill.3: Sección del crisol y su carga (Seerp Visser). Las partes negras de la ilustración representan el carbón vegetal, las partes rojas representan las partes de hierro, mientras que las partes verdes muestran el vidrio o la arena.

13Cuando el crisol se cuece en un horno de carbón o de gas, las temperaturas en el crisol alcanzan los 1200°C, y la arena o el vidrio comienzan a fundirse y forman una masa pegajosa sobre la mitad inferior de la carga de hierro. Esta masa pegajosa, que es esencialmente vidrio fundido, protege la mitad inferior del hierro para que no se carbure con el carbón de arriba. La mitad superior de la carga de hierro, por encima del vidrio, comienza a recoger el carbono del carbón circundante más rápidamente a medida que aumenta la temperatura, según la ley de Fick (Ashby, Shercliff y Cebon, 2007).

14Durante el proceso, el hierro en el crisol recoge cada vez más carbono y la temperatura global aumenta hasta +1500°C. Finalmente, las piezas originales de hierro con bajo contenido de carbono se convertirán en una aleación con alto contenido de carbono en el rango de la fundición. Dado que el punto de fusión de la aleación de hierro y carbono desciende a medida que la aleación se compone de más carbono, estos trozos de hierro fundido se fundirán. Una vez fundida, la aleación de hierro empieza a gotear a través de los trozos de carbón y de vidrio y más abajo hasta el fondo del crisol. A diferencia del carbón vegetal más ligero, este hierro fundido es capaz de atravesar el «filtro» de vidrio fundido y se deposita alrededor de la parte inferior de la carga de hierro. Debido a la alta temperatura, la parte inferior de la carga ahora comienza a recoger el carbón del hierro fundido que la rodea, y finalmente se fundirá.

15Después de una hora y media este proceso de cocción se ha completado y toda la parte superior de la carga de hierro se encuentra en el fondo del crisol. La carga del crisol consiste ahora en una carga de acero fundido en el fondo del crisol, encima de la cual hay una capa de vidrio fundido, que sigue actuando como una cubierta que protege al acero fundido de reaccionar con el carbón vegetal sobrante. Tras el enfriamiento, el acero forma las estructuras típicas del acero de crisol, y consta de un porcentaje de carbono hipereutectoide superior al 0,8% en peso. En la ilustración 4: Sección transversal del acero de crisol después del enfriamiento (Klaas Remmen)

Estudios metalográficos y de prensado

16Tras los primeros experimentos, la técnica de Nonikashvili resultó ser relativamente fácil de utilizar. El residuo metalúrgico de la fabricación de acero constaba de cinco partes diferentes: restos del crisol, restos de carbón vegetal, un lingote de acero sólido y una capa de escoria, en la que había pequeñas gotas de una aleación de hierro. El crisol y el carbón vegetal se descartaron, ya que la atención se centró principalmente en las otras partes. El lingote de acero obtenido y las escorias de hierro se examinaron mediante metalografía para determinar su estructura y consistencia.

17Las muestras se cortaron con una sierra de diamante refrigerada y se incrustaron en una resina de montaje común. Se pulieron hasta un grado de 1µm utilizando técnicas metalográficas estándar, seguidas de un grabado con Nital. Las muestras procedentes de lingotes mostraban claramente una composición hipereutectoide con una matriz de perlita y cementita Widmanstätten en forma de aguja, como se ve en la ilustración 5: Estructura del acero crudo de crisol.

18Estas microestructuras son típicas del acero de crisol en bruto, y pueden compararse fácilmente con los estudios metalográficos del acero de crisol antiguo (M L Wayman, 1999), como se ve ill.6: Imagen SEM que muestra el acero de crisol antiguo de Sri Lanka (M L Wayman).

19Después de forjar algunos de los especímenes con esta estructura, el acero mostraba una banda de cementita, (como se ve en la Fig. 7) que es responsable de las marcas blancas o damasco en la superficie grabada (como se ve en la Fig. 8).

20Encima del lingote solidificado, se encuentra sistemáticamente una capa de vidrio en el crisol, que se añadió deliberadamente mientras se cargaban los materiales. Esta capa de vidrio a menudo se pega al lingote, mientras que la parte superior está cubierta por cenizas y trozos de carbón vegetal que no fueron consumidos ni por el aire del crisol ni se utilizó para la carburación del acero. Además, en todos los experimentos en los que se utilizó la técnica del Dr. Nonikashvili, se encontraron gránulos de hierro atrapados en el vidrio, como se ve en la Fig. 9.

21Estas gotas medían entre 0,1 y 5 mm de sección transversal, y estaban situadas a lo largo y encima de la capa de escoria. Los gránulos de diferentes partes de la capa de vidrio se estudiaron con metalografía. La estructura de estos prills demostró ser una aleación de hierro con alto contenido en carbono, con un porcentaje de carbono muy cercano al de la fundición. La estructura de un prill se ve en la ilustración 10: Estructura de un prill de aleación de hierro encontrado en la escoria (Klaas Remmen) mostrando láminas de grafito gris, típicas de una estructura de hierro fundido.

Discusión

22Los resultados de los experimentos, siguiendo la técnica de Nonikashvili, mostraron ser particularmente interesantes. Se observa un notable parecido con los hallazgos arqueológicos de un antiguo lugar de producción de acero de crisol en Merv, Turkmenistán (Feuerbach, 2002). Se realiza una comparación objetiva, en la que los argumentos sugieren que se considera posible que los metalúrgicos de la antigua Merv pudieran haber utilizado una técnica similar a la de Nonikashvili. La comparación se realiza con los datos aportados por Feuerbach y accesibles en su doctorado: ‘Crucible steel in Central Asia: production, use, and origins’ (University College London, 2002).

Los prills

23Las pruebas de excavación muestran que los crisoles de Merv eran especialmente grandes y tenían una capa relativamente fina de vidrio sobre el lingote solidificado. El acero producido presentaba una microestructura hipereutectoide. Además, los restos del taller mostraban que la escoria de vidrio que se encontraba encima de los lingotes, también contenía pequeños grumos de una aleación de hierro y carbono con un alto porcentaje de carbono, teniendo una estructura entre el hierro hipereutectoide y el hierro fundido.

24Dada la escasa cantidad de descripciones originales de primera mano disponibles sobre la fabricación de acero de crisol, especialmente en la región centroasiática, no se sabe con certeza qué técnica podría haberse utilizado para obtener el acero de crisol en esta región. Los antiguos metalúrgicos debían utilizar hierro con un porcentaje relativamente bajo de carbono, junto con alguna fuente de carbono que se fundía en el crisol sellado. Según el Dr. A. M. Feuerbach es muy dudoso que, a diferencia de otras técnicas conocidas para producir acero de crisol, se hubiera utilizado como fuente de carbono hierro fundido con un alto nivel de carbono. Como hipótesis para el hierro atrapado, Feuerbach describe que los grumos, encontrados en la capa de escoria, posiblemente quedaron atrapados en la capa de vidrio durante el proceso después de ser desprendidos del metal fundido debido a «la cocción de CO del acero». Esta cocción es una reacción bien conocida y descrita que se produce cuando el acero se solidifica y es menos capaz de unirse al oxígeno. Como el oxígeno se une al carbono al enfriarse, forma burbujas de CO que hacen hervir el acero fundido (Verhoeven, 2007). Los trozos de acero quedan atrapados en la capa de escoria, así como en las paredes del crisol. Muchos científicos y entusiastas del acero de crisol siguen esta teoría.

25Sin embargo, si estos trozos se originaran en el acero líquido del crisol, tendrían que aumentar su nivel de carbono para conseguir la estructura de hierro fundido, después de que fueran expulsados de la masa líquida. Esto significa que la atmósfera dentro del crisol tendría que ser de tipo reductor, mientras que la capa de escoria se dice que se añade para evitar que el acero líquido se oxide. Además, en cualquier otro método de acero de crisol conocido, la cantidad de carbono cargada en el crisol, sea cual sea su forma, se calcula para que sea consumida en su totalidad por el acero. Teóricamente, debería quedar poco carbono para que las pastillas reaccionen cuando se disparen en esta parte del crisol. Por otro lado, los prills arqueológicos son muy pequeños, y no necesitarían tanto carbono para transformarse de acero con alto contenido en carbono a hierro fundido. Los prills atrapados en la escoria no habrían podido reaccionar con la atmósfera por encima del todo.

26Los prills que se encontraron en la capa de escoria de los experimentos tuvieron probablemente un origen diferente. Lógicamente, se supone que estos prills se originan en la parte superior de la carga del crisol y no pudieron viajar a través del vidrio fundido antes de que el proceso terminara y se solidificara completamente.

La escoria

27La escoria, encontrada en las excavaciones mostró ser muy similar a la escoria de los residuos de fundición de hierro cercanos. Esto sugiere que el hierro, utilizado para producir el acero del crisol se obtuvo en la zona de fundición cercana, y contenía la escoria como una contaminación que se separó durante el proceso. Otra respuesta podría encontrarse en la adición deliberada de la escoria en el crisol para que actuara como fundente, o quizá como filtro en un proceso de autocontención como el descrito anteriormente. La escoria se extrae regularmente de los hornos de cuba en uso en ese momento. El reciclaje de la escoria de los hornos de cuba sería beneficioso, ya que es densa y ocuparía menos espacio en el crisol cuando se añadiera, a diferencia del uso de la arena. Además, el punto de fusión de la escoria del horno de cuba está en el rango adecuado para actuar como el filtro descrito, ya que se extraía del horno cuando el hierro de su interior estaba en estado semifundido, a unos 1200-1250°C (Ouden, 1988).

Simplicidad

28Todas las técnicas conocidas para fabricar acero de crisol necesitan cálculos o un conocimiento empírico de las cantidades para conseguir el nivel de carbono del lingote deseado en el rango adecuado. La diferencia entre un acero de crisol de alta calidad y una fundición inviable (con un 2% de carbono o más) es sólo de unos pocos porcentajes de peso de carbono (Budinsky y Budinsky, 2005). El sistema de autorregulación del Dr. Nonikashvili es bastante sencillo de utilizar y no necesita cálculos precisos para que los niveles de carbono sean efectivos. Ejecutado de forma correcta, sólo hay una pequeña posibilidad de acabar con demasiado carbono en las estructuras.

Conclusión

29Los resultados experimentales muestran una técnica sencilla para fabricar acero de crisol que es adecuada para obtener el material altamente prensado. Los restos de las actividades metalúrgicas de los experimentos coinciden muy bien con los hallazgos arqueológicos de Merv. Esta observación da la impresión de que en la antigua Merv podría haberse utilizado una técnica similar autorregulada.

30Debido a que la investigación presentada se realizó como parte de un proyecto maestro de un año de duración, y comenzó como un proyecto piloto, no hubo suficiente tiempo ni recursos para realizar más comparaciones entre las diferentes técnicas. Por ejemplo, sabemos que también los tipos de cargas de crisol y las técnicas de cocción desempeñan un papel clave en el proceso y tienen un gran efecto en las cualidades (tanto físicas como estéticas) del material. Las investigaciones futuras seguramente podrán aportar datos más sólidos sobre las diferentes teorías.