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L’autore desidera ringraziare Patrick Storme, professore e capo del dipartimento di Conservazione e Restauro dei Metalli all’Artesis university college; Seerp Visser; Dirk Anthierens; Gotscha Lagidse e Zaqro Nonikashvili per i loro preziosi commenti, idee, conoscenze pratiche e aiuto nella ricerca qui riassunta.

Introduzione

1Il ferro ha giocato un ruolo molto importante nell’evoluzione degli uomini da quando è stato usato per la prima volta. Lo sviluppo della scienza metallurgica e la conoscenza che i nostri antenati avevano del ferro e dell’acciaio sono stati cruciali per l’ascesa e la caduta delle nazioni. Tra i tipi storici più famosi e intriganti di questo materiale, l’acciaio di Damasco è il più conosciuto. L’acciaio di Damasco è diventato famoso per le sue caratteristiche che si credevano vicine alla magia. Il nome moderno e più comunemente accettato per questo acciaio è acciaio da crogiolo, poiché l’acciaio veniva fuso in crogioli relativamente piccoli prima di essere forgiato in oggetti di altissima qualità.

2In breve, l’acciaio da crogiolo è duro ma flessibile e ha un aspetto specifico. La sua fisica può essere spiegata dalle sue microstrutture specifiche, che sono descritte più in dettaglio nel 2.1 di questo articolo. L’aspetto è caratterizzato da un motivo che si forma sulla superficie dell’acciaio lucidato e inciso ed è costituito da queste microstrutture. Ill.2, Damasco della sciabola in acciaio al crogiolo dell’ill.1 mostra un motivo tipico dell’acciaio da crogiolo sulla superficie della sciabola.

3La storia dell’acciaio al crogiolo è lunga e interessante ed è coperta da una vasta letteratura. È comunemente accettato che questo leggendario acciaio sia originario dell’India (Verhoeven, 2003) o del Pakistan (TR Anantharamu, 1999) dove fu prodotto per la prima volta all’inizio della nostra era. In tempi successivi, è stato prodotto anche in alcune zone dell’Asia centrale come l’attuale Turkmenistan e Uzbekistan. Si crede comunemente che la tecnica di produzione dell’acciaio al crogiolo sia andata persa da qualche parte nel XX secolo (Fedosov, 2007). Secondo le conoscenze degli autori, le prime persone che hanno ricreato con successo l’acciaio dopo che la sua tecnica è stata creduta completamente perduta, avrebbero vissuto nell’ex URSS: V.I. Basov dalla Russia (Fedosov, 2007) e il Prof. dr. Badri Amaglobeli dalla Georgia (Amaglobeli, 1984). Quest’ultimo ha scritto un dottorato molto dettagliato, ma nei paesi occidentali sconosciuto sull’argomento nel 1984. Poco tempo dopo il dr. John Verhoeven e il fabbro Alfred Pendray, probabilmente all’oscuro delle ricerche in URSS fecero le loro ricerche sull’argomento, con grande successo (Verhoeven e Pendray, 1992; J.D. Verhoeven, 1996; J.D. Verhoeven, 1998).

5 Studiando intensamente le prove storiche dell’acciaio al crogiolo, si potrebbe concludere che molte informazioni sui metodi di produzione originali sono false, incomplete o inaffidabili. Alcuni fatti che conosciamo oggi sulle tecniche di produzione provengono principalmente da alcuni resoconti storici, fatti da viaggiatori del XIX secolo come Buchanan (Buchanan, 1829), Percy (Percy, 1864) e Voysey (Voysey, 1832), e dall’enorme quantità di ricerche sull’argomento fatte dagli scienziati occidentali John Verhoeven e Alfred Pendray (J.D. Verhoeven, 1998; J.D. Verhoeven, 2001; John Verhoeven, 1998; Verhoeven, 2001; Verhoeven e Pendray, 1992). I primi viaggiatori menzionati descrivono tutti i processi di fabbricazione dell’acciaio in India e, a conoscenza degli autori, c’è solo una descrizione personale dei metodi di fabbricazione usati in Asia centrale, quella di Masalaski nel 1841 (Khorasani, 2006). Altre informazioni si trovano in diffusi studi metallografici (Piaskowski, 1978; Schastlivtsev, Gerasimov e Rodionov, 2008; Alan Williams, 2007; Williams, 2007) e archeologici (TR Anantharamu, 1999; Rehren e Papachristou, 2003; Srinivasan, 1994). Per questa ricerca archeo-metallurgica sono state utilizzate tecniche storiche, osservative e sperimentali.

Ricerca archeo-metallurgica sperimentale

7Nell’archeologia sperimentale, la ricerca archeo-metallurgica è una disciplina relativamente nuova. In genere utilizza esperimenti per rispondere a una domanda di ricerca. Conducendo esperimenti, si possono determinare nuove informazioni su come i nostri antenati devono aver vissuto, lavorato e pensato. È importante sottolineare che queste tecniche spesso non danno prove effettive o dati concreti per una certa teoria, ma possono fornire nuove intuizioni. In altre parole, gli esperimenti possono dare una riflessione sui conti storici.

8Tra le istituzioni accademiche che utilizzano tecniche sperimentali di archeometallurgia ci sono l’Università di Hull e l’Università di Exeter in Gran Bretagna, l’Università Autonoma di Madrid in Spagna e l’Università Reale di Groningen nei Paesi Bassi.

L’acciaio grezzo e la ricerca sperimentale

9L’acciaio nella sua forma più pura non è altro che una combinazione di ferro e carbonio, ed è quindi chiamato “carbonsteel”. Il carbonio ha un effetto speciale sulla durezza e la tenacità dell’acciaio e, in generale, potremmo affermare che più carbonio c’è, più l’acciaio è duro (e più fragile), fino al limite del 6,76% di carbonio. Oltre questo punto, la lega si crepa e si polverizza; non ha più consistenza (Budinsky e Budinsky, 2005). L’acciaio al crogiolo è un acciaio ad alto tenore di carbonio straordinariamente puro, con una percentuale dell’1-2% di carbonio in peso, ed era usato preferibilmente per armi, armature e utensili di grande valore. In ill.1: Sciabola dalla collezione del KLM-MRA fatta di acciaio da crogiolo (Klaas Remmen) mostra uno ‘Shamshir’, un’arma che era spesso fatta di acciaio da crogiolo. Questa tipica composizione ipereutettoide è in grado di formare microstrutture specifiche, che sono responsabili sia delle eccezionali capacità di taglio dell’acciaio, sia dell’aspetto estetico della superficie incisa.

10L’alto contenuto di carbonio forma strutture molto dure e fragili nell’acciaio, chiamate cementite. L’alto contenuto di carbonio nell’acciaio al crogiolo dà luogo alla formazione di molta cementite, che non sarebbe molto utile per armi o utensili bordati, perché il bordo si staccherebbe quando viene applicata una forza. Utilizzando complicati cicli di forgiatura, gli antichi fabbri erano in grado di far sì che le strutture di cementite dura si agglomerassero e si raggruppassero in linee nel prodotto finito, mentre la matrice di acciaio più morbido intorno a questa cementite dura diventava più dura. Il prodotto finito era duro e capace di resistere ai colpi, mentre le particelle di cementite allineate agivano come una microsega sul tagliente dell’oggetto. I gruppi di particelle di cementite, visibili sulla superficie levigata e incisa di antichi oggetti in acciaio da crogiolo, formano linee bianche e serpeggianti. Queste linee sono a volte chiamate ‘Damasco’ dell’acciaio (J.D. Verhoeven, 2001) e sono illustrate nell’ill.2 Damasco della sciabola in acciaio da crogiolo dell’ill.1.

11Iniziando una serie di esperimenti in cui l’acciaio da crogiolo era fatto con diverse tecniche, sono stati studiati diversi passaggi e aspetti. Una delle tecniche era la cosiddetta tecnica “georgiana” dell’acciaio al crogiolo. Questa tecnica è stata sviluppata dal dottor Zaqro Nonikashvili, un maestro georgiano che ha sperimentato l’acciaio al crogiolo per oltre un decennio. Nel novembre 2010 ha gentilmente mostrato la sua tecnica in un simposio sull’acciaio al crogiolo che si è tenuto ad Anversa, in Belgio. Come gli altri meccanismi conosciuti per ottenere l’acciaio al crogiolo, questa tecnica utilizza ferro a basso tenore di carbonio e una fonte di carbonio per unirsi in condizioni pirochimiche e formare acciaio in un crogiolo chiuso. Il modo in cui funziona la tecnica georgiana è tuttavia nettamente diverso dalle altre produzioni di acciaio al crogiolo conosciute. Questo articolo presenta la tecnica e fa alcune riflessioni storiche sui reperti archeologici. È seguito da una descrizione della metodologia, che è stata utilizzata nella ricerca sperimentale.

Tecnica georgiana dell’acciaio al crogiolo

12Nella tecnica georgiana dell’acciaio al crogiolo una certa quantità di ferro a basso tenore di carbonio viene divisa in due parti uguali. Negli esperimenti è stato usato ferro puro. Una metà dei pezzi di ferro è stata messa in un crogiolo di argilla, e coperta con sabbia o vetro con un punto di fusione medio di circa 1200°C. Su questo, è stato aggiunto uno strato di carbone di legna. Anche l’altra metà del ferro viene ora caricata nel crogiolo, in strati alternati di ferro e carbone, dove lo strato finale o superiore doveva essere di carbone. Il crogiolo viene poi sigillato con un coperchio che aveva un piccolo foro nel mezzo. Il modo di caricare il crogiolo è visibile ill.3: Sezione di crogiolo e la sua carica (Seerp Visser). Le parti nere sull’illustrazione rappresentano il carbone, le parti rosse rappresentano le parti in ferro, mentre le parti verdi mostrano il vetro o la sabbia.

13Quando il crogiolo viene cotto in un forno a carbone o a gas, la temperatura nel crogiolo raggiunge i 1200°C, e la sabbia o il vetro comincia a fondere e forma una massa appiccicosa sopra la metà inferiore della carica di ferro. Questa massa appiccicosa, essenzialmente solo vetro fuso, protegge la metà inferiore del ferro dalla carbonizzazione da parte del carbone di sopra. La metà superiore della carica di ferro, sopra il vetro, inizia a raccogliere il carbonio dal carbone circostante più velocemente man mano che la temperatura aumenta, secondo la legge di Fick (Ashby, Shercliff e Cebon, 2007).

14Durante il processo, il ferro nel crogiolo raccoglie sempre più carbonio e la temperatura complessiva sale fino a +-1500°C. Alla fine i pezzi originali di ferro a basso contenuto di carbonio diventeranno una lega ad alto contenuto di carbonio nella gamma della ghisa. Poiché il punto di fusione della lega ferro-carbonio scende man mano che la lega è composta da più carbonio, questi pezzi di ghisa si fonderanno. Una volta fusa, la lega di ferro comincia a gocciolare giù attraverso i pezzi di carbone e di vetro e più giù fino al fondo del crogiolo. A differenza del carbone più leggero, questa ghisa fusa è in grado di passare attraverso il “filtro” di vetro fuso e si fissa intorno alla parte inferiore della carica di ferro. A causa dell’alta temperatura, la parte inferiore della carica ora inizia a raccogliere il carbonio dalla ghisa fusa che la circonda, e alla fine si fonderà da sola.

15Dopo un’ora e mezza questo processo di cottura è completo e tutta la parte superiore della carica di ferro si trova sul fondo del crogiolo. La carica del crogiolo consiste ora in una carica di acciaio fuso sul fondo del crogiolo, sopra la quale c’è uno strato di vetro fuso, che funge ancora da copertura proteggendo l’acciaio fuso dalla reazione con il carbone residuo. Dopo il raffreddamento, l’acciaio forma le strutture tipiche dell’acciaio da crogiolo, e consiste in una percentuale di carbonio ipereutettoide superiore allo 0,8% in peso. Su ill.4: Sezione trasversale dell’acciaio da crogiolo dopo il raffreddamento (Klaas Remmen)

Prills e studi metallografici

16Dopo i primi esperimenti, la tecnica di Nonikashvili fu trovata relativamente facile da usare. Il residuo metallurgico della fabbricazione dell’acciaio consisteva di cinque parti diverse: avanzi del crogiolo, avanzi di carbone, un lingotto d’acciaio solido e uno strato di scorie, in cui erano presenti minuscole goccioline di una lega di ferro. Il crogiolo e il carbone sono stati scartati, poiché l’attenzione si è concentrata principalmente sulle altre parti. Il lingotto d’acciaio ottenuto e i prilli di ferro sono stati esaminati per la struttura e la consistenza con la metallografia.

17I campioni sono stati tagliati usando una sega diamantata raffreddata e incorporati in una comune resina di montaggio. Sono stati lucidati fino a un grado di 1µm usando tecniche metallografiche standard, seguite da incisione con Nital. I campioni provenienti dai lingotti mostrano distintamente una composizione ipereutettoide con una matrice di perlite e una cementite Widmanstätten aghiforme, come si vede nell’ill.5: Struttura dell’acciaio grezzo da crogiolo.

18Queste microstrutture sono tipiche dell’acciaio grezzo da crogiolo, e possono essere facilmente confrontate con studi metallografici di acciaio antico da crogiolo (M L Wayman, 1999), come si vede ill.6: Immagine al SEM che mostra l’acciaio antico da crogiolo dello Sri Lanka (M L Wayman).

19Dopo aver forgiato alcuni dei campioni con questa struttura, l’acciaio ha mostrato una fascia di cementite, (come si vede in Fig. 7) che è responsabile delle marcature bianche o Damasco sulla superficie incisa (come si vede in Fig. 8).

20Sulla sommità del lingotto solidificato, si trova sistematicamente uno strato di vetro nel crogiolo, che è stato aggiunto deliberatamente durante il caricamento dei materiali. Questo strato di vetro spesso si attacca al lingotto, mentre la parte superiore è coperta da cenere e pezzi di carbone che non sono stati consumati né dall’aria nel crogiolo né sono stati utilizzati per la carburazione dell’acciaio. Inoltre, in ogni esperimento con la tecnica del dr. Nonikashvili, sono stati trovati dei prilli di ferro impigliati nel vetro, come si vede nella Fig. 9.

21Queste goccioline misuravano da 0,1 a 5 mm in sezione trasversale, ed erano situate in tutto e sopra lo strato di scorie. I prill da diverse parti dello strato di vetro sono stati studiati con la metallografia. La struttura di questi prilli ha mostrato di essere una lega di ferro ad alto contenuto di carbonio, con una percentuale di carbonio ben nella zona della ghisa. La struttura di un prill si vede nell’ill.10: Struttura di un prill in lega di ferro trovato nella scoria (Klaas Remmen) che mostra lamelle di grafite grigia, tipiche di una struttura di ghisa.

Discussione

22I risultati degli esperimenti, seguendo la tecnica di Nonikashvili, hanno mostrato di essere particolarmente interessanti. Si nota una notevole somiglianza con i reperti archeologici di un antico sito di produzione di acciaio al crogiolo a Merv, Turkmenistan (Feuerbach, 2002). Viene fatto un confronto oggettivo, in cui gli argomenti suggeriscono che è considerato possibile che i metallurgisti nell’antica Merv possano aver usato una tecnica simile a quella di Nonikashvili. Il confronto è fatto con i dati forniti da Feuerbach e accessibili nel suo Phd: ‘Crucible steel in Central Asia: production, use, and origins’ (University College London, 2002).

The prills

23Le prove di scavo mostrano che i crogioli a Merv erano particolarmente grandi e avevano uno strato relativamente sottile di vetro sopra il lingotto solidificato. L’acciaio prodotto mostrava una microstruttura ipereutettoide. Inoltre, i resti dell’officina hanno mostrato che le scorie di vetro che si trovavano sopra i lingotti, contenevano anche piccoli prilli di una lega ferro-carbonio con un’alta percentuale di carbonio, con una struttura compresa tra il ferro ipereutettoide e la ghisa.

24 Date le poche descrizioni originali di prima mano disponibili sulla fabbricazione dell’acciaio al crogiolo, specialmente nella regione centro-asiatica, non è certo quale tecnica possa essere stata usata per ottenere l’acciaio al crogiolo in questa regione. Gli antichi metallurgisti devono aver usato ferro con una percentuale relativamente bassa di carbonio, insieme a qualche fonte di carbonio da fondere nel crogiolo sigillato. Secondo il dr. A. M. Feuerbach è molto improbabile che, a differenza di altre tecniche conosciute per produrre acciaio al crogiolo, sia stata usata come fonte di carbonio la ghisa con un alto livello di carbonio. Come ipotesi per il ferro intrappolato, Feuerbach descrive i prilli, trovati nello strato di scorie, che potrebbero essere rimasti intrappolati nello strato di vetro durante il processo dopo essere stati tirati fuori dal metallo fuso a causa “dell’ebollizione CO dell’acciaio”. Questa cottura è una reazione ben nota e descritta che avviene quando l’acciaio solidifica ed è meno capace di legarsi all’ossigeno. Poiché l’ossigeno si lega al carbonio durante il raffreddamento, forma bolle di CO che fanno bollire l’acciaio fuso (Verhoeven, 2007). Pezzi di acciaio rimangono intrappolati nello strato di scorie, così come nelle pareti del crogiolo. Molti scienziati e appassionati di acciaio da crogiolo seguono questa teoria.

25Se però questi prilli provenissero dall’acciaio liquido del crogiolo, dovrebbero aumentare il loro livello di carbonio per ottenere la struttura di ghisa, dopo essere stati fatti uscire dalla massa liquida. Questo significa che l’atmosfera all’interno del crogiolo dovrebbe essere di tipo riducente, mentre lo strato di scorie viene aggiunto per evitare che l’acciaio liquido si ossidi. Inoltre, in qualsiasi altro metodo conosciuto di acciaio al crogiolo, la quantità di carbonio caricata nel crogiolo in qualsiasi forma, è calcolata per essere interamente consumata dall’acciaio. Teoricamente ci dovrebbe essere poco carbonio rimasto per i prill da far reagire quando sono stati sparati in questa parte del crogiolo. D’altra parte, i prilli archeologici sono molto piccoli, e non avrebbero bisogno di così tanto carbonio per trasformarsi da acciaio ad alto tenore di carbonio in ghisa. I prilli catturati nelle scorie non avrebbero potuto reagire con l’atmosfera sovrastante del tutto.

26I prill che sono stati trovati nello strato di scorie degli esperimenti hanno probabilmente avuto un’origine diversa. Logicamente, si presume che questi prilli provengano dalla parte superiore della carica del crogiolo e non siano stati in grado di viaggiare attraverso il vetro fuso prima che il processo fosse terminato e completamente solidificato.

Le scorie

27Le scorie, trovate negli scavi hanno mostrato di essere molto simili alle scorie dei vicini residui di fusione del ferro. Questo suggerisce che il ferro usato per produrre l’acciaio del crogiolo è stato ottenuto nella vicina area di fusione e conteneva le scorie come contaminazione che si sono separate durante il processo. Un’altra risposta potrebbe essere trovata nell’aggiunta deliberata delle scorie nel crogiolo per agire come un flusso, o forse come un filtro in un processo autonomo come descritto sopra. Le scorie vengono regolarmente estratte dai forni a pozzo in uso all’epoca. Il riciclaggio delle scorie dei forni a pozzo sarebbe vantaggioso in quanto sono dense e occupano meno spazio nel crogiolo quando vengono aggiunte, a differenza dell’uso della sabbia. Inoltre, il punto di fusione delle scorie dei forni a pozzo è nell’intervallo giusto per agire come il filtro descritto, poiché venivano estratte dal forno quando il ferro all’interno era in uno stato semi-fuso, a circa 1200-1250°C (Ouden, 1988).

Semplicità

28Tutte le tecniche conosciute per fare acciaio al crogiolo hanno bisogno di calcoli o di una conoscenza empirica delle quantità per ottenere il livello di carbonio del lingotto desiderato nel giusto intervallo. È solo una differenza di poche percentuali in peso di carbonio che fa la differenza tra un acciaio da crogiolo di alta qualità e una ghisa impraticabile (2% di carbonio o più) (Budinsky e Budinsky, 2005). Il sistema di autoregolazione del Dr. Nonikashvili è piuttosto semplice da usare e non ha bisogno di calcoli accurati per i livelli di carbonio per essere efficace. Eseguito nel modo giusto, c’è solo una piccola possibilità di finire con troppo carbonio nelle strutture.

Conclusione

29I risultati sperimentali mostrano una tecnica semplice per fare l’acciaio da crogiolo che è adatta per ottenere il materiale altamente prismatico. I resti delle attività metallurgiche degli esperimenti corrispondono molto bene ai reperti archeologici di Merv. Questa osservazione dà l’impressione che una simile tecnica autoregolata potrebbe essere stata usata nell’antica Merv.

30 Poiché la ricerca presentata è stata fatta come parte di un progetto di master di un anno, ed è iniziata come un progetto pilota, non c’era abbastanza tempo né risorse per fare ulteriori confronti tra le diverse tecniche. Per esempio sappiamo che anche i tipi di cariche del crogiolo e le tecniche di cottura giocano un ruolo chiave nel processo, e hanno un grande effetto sulle qualità (anche fisicamente ed esteticamente) del materiale. La ricerca futura può sicuramente fornire fatti più solidi sulle diverse teorie.