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O autor gostaria de agradecer a Patrick Storme, professor e chefe do departamento de Conservação e Restauração de Metais da faculdade universitária Artesis; Seerp Visser; Dirk Anthierens; Gotscha Lagidse e Zaqro Nonikashvili pelos seus valiosos comentários, ideias, conhecimentos práticos e ajuda na pesquisa aqui resumida.

Introdução

1Iron tem desempenhado um papel muito importante na evolução dos homens desde que foi usado pela primeira vez. O desenvolvimento da ciência metalúrgica e o conhecimento que nossos antepassados tinham sobre ferro e aço foram cruciais para a ascensão e queda das nações. Entre os mais famosos e intrigantes tipos históricos deste material, o aço Damasco ou Damasco é o mais conhecido. O aço de Damasco ficou famoso pelas suas características que se acreditava serem próximas do mágico. O nome moderno, mais comumente aceito para este aço é aço cadinho, pois o aço foi fundido em cadinhos relativamente pequenos antes de ser forjado em objetos da mais alta qualidade.

2Em resumo, o aço cadinho é duro e ainda assim flexível e tem uma aparência específica. A sua física pode ser explicada pelas suas microestruturas específicas, que são descritas mais detalhadamente no 2.1 deste artigo. A aparência é caracterizada por um padrão que é formado na superfície do aço polido e gravado e é composto por estas microestruturas. Ill.2, Damask do sabre de aço do cadinho do doente.1 mostra um padrão típico de cadinho de aço na superfície do sabre.

3A história do cadinho de aço é longa e interessante e é coberta por um vasto corpo de literatura. É comumente aceito que este lendário aço é originário da Índia (Verhoeven, 2003) ou Paquistão (TR Anantharamu, 1999), onde foi produzido pela primeira vez por volta do início de nossa era. Em tempos posteriores, também foi produzido em algumas áreas da Ásia Central, como o actual Turquemenistão e Uzbequistão. Acredita-se que a técnica de fazer cadinhos de aço foi perdida em algum lugar no século 20 (Fedosov, 2007). De acordo com o conhecimento dos autores, as primeiras pessoas que recriaram o aço com sucesso depois que se acreditava que a técnica estava totalmente perdida, teriam vivido na ex-URSS: V.I. Basov da Rússia (Fedosov, 2007) e Prof. dr. Badri Amaglobeli da Geórgia (Amaglobeli, 1984). Este último escreveu um PhD muito detalhado, mas nos países ocidentais desconhecido sobre o assunto em 1984. Pouco tempo depois, o Dr. Badri Amaglobeli escreveu um doutorado muito detalhado. John Verhoeven e o ferreiro Alfred Pendray, provavelmente desconhecedores da pesquisa na URSS fizeram sua própria pesquisa sobre o assunto, com grande sucesso (Verhoeven e Pendray, 1992; J.D. Verhoeven, 1996; J.D. Verhoeven, 1998).

5 Pelo estudo intensivo das evidências históricas do cadinho de aço, pode-se concluir que muitas informações sobre os métodos originais de produção ou eram falsas, incompletas ou não confiáveis. Certos fatos que conhecemos hoje sobre técnicas de produção originam-se principalmente de alguns relatos históricos, feitos por viajantes do século XIX como Buchanan (Buchanan, 1829), Percy (Percy, 1864) e Voysey (Voysey, 1832), e pela enorme quantidade de pesquisas sobre o assunto feitas pelos cientistas ocidentais John Verhoeven e Alfred Pendray (J.D. Verhoeven, 1998; J.D. Verhoeven, 2001; John Verhoeven, 1998; Verhoeven, 2001; Verhoeven e Pendray, 1992). Os primeiros mencionaram os viajantes que descreveram os processos como o aço era feito na Índia, e para o conhecimento dos autores, há apenas uma descrição pessoal dos métodos de fabricação usados na Ásia Central, a de Masalaski em 1841 (Khorasani, 2006). Outras informações são encontradas em estudos metalográficos generalizados (Piaskowski, 1978; Schastlivtsev, Gerasimov e Rodionov, 2008; Alan Williams, 2007; Williams, 2007) e arqueológicos (TR Anantharamu, 1999; Rehren e Papachristou, 2003; Srinivasan, 1994).

6 O estudo apresentado explora em profundidade algumas etapas cruciais do processo de fabricação do aço em cadinho. Para esta pesquisa arqueo-metalúrgica foram utilizadas técnicas práticas históricas, observacionais e experimentais.

Pesquisa experimental arqueo-metalúrgica

7Na arqueologia experimental, a pesquisa arqueo-metalúrgica é uma disciplina relativamente nova. Ela tipicamente usa experimentos para responder a uma questão de pesquisa. Através da realização de experimentos, novas informações sobre como nossos ancestrais devem ter vivido, trabalhado e pensado podem ser determinadas. É importante salientar que estas técnicas muitas vezes não dão provas reais ou dados concretos para uma determinada teoria, mas podem fornecer novos conhecimentos. Em outras palavras, os experimentos podem dar uma reflexão sobre relatos históricos.

8 Entre as instituições acadêmicas que utilizam técnicas arqueo-metalúrgicas experimentais estão a Universidade de Hull e a Universidade de Exeter na Grã-Bretanha, a Universidade Autônoma de Madri na Espanha e a Universidade Real de Groningen na Holanda.

Aço de aço cultivável e pesquisa experimental

9Aço na sua forma mais pura não é mais do que uma combinação de ferro e carbono, e por isso é chamado de ‘carbono-aço’. O carbono tem um efeito especial na dureza e tenacidade do aço e, em geral, poderíamos afirmar que quanto mais carbono, mais duro (e mais frágil) o aço, até o limite de 6,76% de carbono. Além desse ponto, a liga racharia e pulverizaria; não tem mais consistência (Budinsky e Budinsky, 2005). O cadinho de aço é um aço de notável pureza, com uma percentagem de 1-2% de carbono por peso, e foi preferencialmente utilizado para armas, armaduras e ferramentas altamente valorizadas. No ill.1: Sabre da coleção do KLM-MRA feito de aço cadinho (Klaas Remmen) mostra um ‘Shamshir’, uma arma que foi muitas vezes feita de aço cadinho. Esta composição hipereutectóide típica é capaz de formar microestruturas específicas, que são responsáveis tanto pelas excelentes capacidades de corte do aço, como pelo aspecto estético da superfície gravada.

10O elevado teor de carbono forma estruturas muito duras e quebradiças em aço, chamadas de cementito. O alto teor de carbono no aço em cadinho dá lugar à formação de muito cimento, que não seria tão útil para armas ou ferramentas com arestas, porque a aresta se rasgaria quando uma força fosse aplicada. Utilizando complicados ciclos de forjamento, os antigos ferreiros conseguiam fazer com que as estruturas de cimento duro se enroscassem e agrupassem em linhas no produto acabado, enquanto a matriz de aço mais macio em torno deste cimento duro se tornava mais dura. O produto acabado era resistente e capaz de resistir a golpes, enquanto as partículas de cimento alinhadas atuavam como uma micro serra na aresta de corte do objeto. Os grupos de partículas de cimento, visíveis na superfície polida e gravada de objetos antigos de aço em cadinho, formam linhas brancas e meandrosas. Estas linhas são às vezes chamadas ‘Damask’ do aço (J.D. Verhoeven, 2001) e são ilustradas no ill.2 Damask do sabre de aço do cadinho do ill.1.

11 Ao iniciar uma série de experimentos nos quais o aço do cadinho foi feito usando diferentes técnicas, diferentes passos e aspectos foram estudados. Uma das técnicas foi a chamada técnica ‘georgiana’ do cadinho de aço. Esta técnica foi desenvolvida pelo Dr. Zaqro Nonikashvili, um mestre georgiano que vem fazendo experimentos com cadinhos de aço há mais de uma década. Em novembro de 2010 ele gentilmente mostrou sua técnica em um simpósio sobre cadinho de aço que foi realizado em Antuérpia, Bélgica. Como os outros mecanismos conhecidos para obter cadinho de aço, esta técnica usa ferro de baixo carbono e uma fonte de carbono para se unir sob condições piroquímicas e formar aço em um cadinho fechado. A forma como a técnica georgiana funciona é, no entanto, distintamente diferente de outras produções conhecidas de cadinho de aço. Este trabalho apresenta a técnica e faz algumas reflexões históricas sobre achados arqueológicos. Segue-se uma descrição da metodologia, que foi utilizada na pesquisa experimental.

Técnica do cadinho de aço georgiano

12Na técnica do cadinho de aço georgiano uma certa quantidade de ferro de baixo carbono é dividida em duas partes iguais. Nas experiências foi utilizado ferro puro. Uma metade das peças de ferro foi colocada num cadinho de argila, e coberta com areia ou vidro com um ponto de fusão médio de cerca de 1200°C. Sobre isto, uma camada de carvão vegetal é adicionada. A outra metade do ferro é agora também carregada no cadinho, em camadas alternadas de ferro e carvão vegetal, onde a camada final ou superior tinha de ser carvão vegetal. O cadinho é então selado com uma tampa que tinha um pequeno buraco no meio. A maneira de carregar o cadinho é visível mal.3: Secção do cadinho e sua carga (Seerp Visser). As partes pretas na ilustração representam o carvão vegetal, as partes vermelhas representam as partes de ferro, enquanto as partes verdes mostram o vidro ou areia.

13 Quando o cadinho é queimado num forno a carvão ou a gás, as temperaturas no cadinho atingem 1200°C, e a areia ou vidro começa a derreter e forma uma massa pegajosa no topo da metade mais baixa da carga de ferro. Esta massa pegajosa, essencialmente apenas vidro derretido, protege a metade inferior do ferro de ser queimada pelo carvão vegetal acima. A metade superior da carga de ferro, acima do vidro, começa a captar o carbono do carvão vegetal circundante mais rapidamente à medida que a temperatura aumenta, de acordo com a lei de Fick (Ashby, Shercliff e Cebon, 2007).

14Durante o processo, o ferro no cadinho capta cada vez mais carbono e a temperatura global sobe até +-1500°C. Eventualmente, as peças originais de ferro de baixo carbono se tornarão uma liga de alto carbono na faixa do ferro fundido. Como o ponto de fusão da liga de ferro-carbono cai à medida que a liga consiste em mais carbono, estas peças de ferro fundido fundido derreterão. Uma vez fundida, a liga de ferro começa a pingar através dos pedaços de carvão e vidro e mais para baixo, até ao fundo do cadinho. Ao contrário do carvão vegetal mais leve, este ferro fundido é capaz de passar através do “filtro” do vidro fundido e se fixa em torno da parte inferior da carga de ferro. Devido à alta temperatura, a parte inferior da carga começa agora a captar carbono do ferro fundido que o envolve, e acabará por derreter-se a si própria.

15 Após uma hora e meia este processo de queima está completo e toda a parte superior da carga de ferro está localizada na parte inferior do cadinho. A carga do cadinho consiste agora numa carga fundida de aço no fundo do cadinho, em cima da qual há uma camada de vidro fundido, que ainda age como uma cobertura protegendo o aço fundido de reagir com os restos de carvão vegetal. Após arrefecimento, o aço forma o típico cadinho de estruturas de aço e consiste numa percentagem de carbono hipereutectóide superior a 0,8% em peso. No doente.4: Secção transversal do cadinho de aço após arrefecimento (Klaas Remmen)

Prills e estudos metalográficos

16 Após as experiências iniciais, a técnica de Nonikashvili foi considerada relativamente fácil de usar. O resíduo metalúrgico da fabricação do aço consistia em cinco partes diferentes: sobras do cadinho, restos de carvão vegetal, um lingote sólido de aço e uma camada de escória, na qual estavam presentes pequenas gotas de uma liga de ferro. O cadinho e o carvão vegetal foram descartados, uma vez que o foco recaía principalmente sobre as outras partes. O lingote de aço obtido e os pastilhas de ferro foram examinados quanto à estrutura e consistência com a metalografia.

17 Os espécimes foram cortados com uma serra de diamante resfriada e embutidos em uma resina de montagem comum. Foram polidas até um grau de 1µm utilizando técnicas metalográficas padrão, seguidas de gravura com Nital. As amostras de lingotes apresentaram distintamente uma composição hipereutectídica com matriz de perolita e cimentos Widmanstätten com forma de agulha, como visto em ill.5: Estrutura do cadinho de aço bruto.

18 Estas microestruturas são típicas do aço bruto em cadinho, e podem ser facilmente comparadas com estudos metalográficos do antigo cadinho de aço (M L Wayman, 1999), como visto mal.6: Imagem SEM mostrando o antigo cadinho de aço do Sri Lanka (M L Wayman).

19 Após forjar alguns dos exemplares com esta estrutura, o aço mostrou uma faixa de cimento, (como visto na Fig. 7) que é responsável pelas marcas brancas ou Damask na superfície gravada (como visto na Fig. 8).

20No topo do lingote solidificado, há sistematicamente uma camada de vidro encontrada no cadinho, que foi deliberadamente adicionada enquanto carregava os materiais. Esta camada de vidro muitas vezes cola-se ao lingote, enquanto a parte superior é coberta por cinzas e pedaços de carvão vegetal que não foram consumidos pelo ar do cadinho nem foram utilizados para carbonizar o aço. Também, em todas as experiências com a técnica do Dr. Nonikashvili, foram encontrados pedaços de ferro esmaltados presos no vidro, como mostrado na Fig. 9.

21 Estas gotas mediam 0,1 a 5 mm em secção transversal, e estavam situadas ao longo e em cima da camada de escória. As gotas de diferentes partes da camada de vidro foram estudadas com metalografia. A estrutura destes prills mostrou ser de alta liga de ferro de carbono, com uma percentagem de carbono bem dentro da área de ferro fundido. A estrutura de um prill é vista em ill.10: Estrutura de um prill de liga de ferro encontrada na escória (Klaas Remmen) mostrando lamelas de grafite cinza, típicas de uma estrutura de ferro fundido.

Discussão

22Os resultados das experiências, seguindo a técnica de Nonikashvili, mostraram ser particularmente interessantes. Uma notável semelhança com os achados arqueológicos de um antigo local de produção de cadinho de aço em Merv, Turquemenistão (Feuerbach, 2002) é notada. Uma comparação objetiva é feita, na qual argumentos sugerem ser possível que metalurgista em Merv antigo poderia ter usado uma técnica similar à de Nonikashvili. A comparação é feita com os dados fornecidos por Feuerbach e acessíveis em seu Phd: Crucible steel in Central Asia: production, use, and origins’ (University College London, 2002).

The prills

23Excavation evidence shows that the crucibles in Merv were particularly large and had a relatively thin layer of glass on top of the solidified ingot. O aço produzido mostrou uma microestrutura hipereutectóide. Além disso, os restos da oficina mostraram que a escória de vidro que foi encontrada em cima dos lingotes, também continha pequenos prills de uma liga de ferro-carbono com alta porcentagem de carbono, tendo uma faixa de estrutura entre o ferro hipereutectóide e o ferro fundido.

24Dadas as poucas descrições originais disponíveis em primeira mão na fabricação do cadinho de aço, especialmente na região centro-asiática, não é certo qual técnica poderia ter sido usada para obter o aço do cadinho nesta região. Os antigos metalúrgicos devem ter usado ferro com uma percentagem relativamente baixa de carbono, juntamente com alguma fonte de carbono para ser fundido no cadinho selado. Segundo o Dr. A. M. Feuerbach, é altamente duvidoso que, ao contrário de outras técnicas conhecidas para produzir o cadinho de aço, o ferro fundido com um alto nível de carbono teria sido usado como fonte de carbono. Como hipótese para o ferro aprisionado, Feuerbach descreve os prills, encontrados na camada de escória possivelmente ficavam presos na camada de vidro durante o processo, depois de serem retirados do metal fundido devido à “ebulição do CO do aço”. Este cozimento é uma reação bem conhecida e descrita que ocorre quando o aço solidifica e é menos capaz de se ligar com oxigênio. Como o oxigênio se liga com o carbono ao ser resfriado, forma bolhas de CO que fazem o aço fundido ferver (Verhoeven, 2007). Pedaços de aço ficaram presos na camada de escória, assim como nas paredes do cadinho. Muitos cientistas e entusiastas do cadinho de aço seguem essa teoria.

25Se, no entanto, esses prills fossem originários do cadinho de aço líquido, eles teriam que aumentar seu nível de carbono para obter a estrutura de ferro fundido, depois de serem lançados para fora da massa líquida. Isto significa que a atmosfera dentro do cadinho teria que ser do tipo redutor, enquanto a camada de escória seria adicionada para evitar que o aço líquido se oxidasse. Além disso, em qualquer outro método conhecido de cadinho de aço, calcula-se que a quantidade de carbono carregada no cadinho, sob qualquer forma, é totalmente consumida pelo aço. Teoricamente, deve sobrar pouco carbono para que os prills reajam quando foram disparados para esta parte do cadinho. Por outro lado, os prills arqueológicos são muito pequenos, e não precisariam tanto carbono para se transformar de aço de alto carbono em ferro fundido. Os prills presos na escória não teriam sido capazes de reagir com a atmosfera acima de tudo.

26 Os prills que foram encontrados na camada de escória das experiências provavelmente tiveram uma origem diferente. Logicamente, assume-se que estes prills têm origem na parte superior da carga do cadinho e não foram capazes de viajar através do vidro fundido antes que o processo fosse terminado e completamente solidificado.

A escória

27A escória, encontrada nas escavações mostrou ser muito semelhante à escória dos resíduos de fundição de ferro próximos. Isto sugere que o ferro, usado para produzir o cadinho de aço foi obtido na área de fundição próxima, e continha a escória como uma contaminação que foi separada durante o processo. Outra resposta pode ser encontrada na adição deliberada da escória no cadinho para atuar como um fluxo, ou talvez como um filtro em um processo autocontido, como descrito acima. A escória é regularmente extraída dos fornos de eixo em uso nesse momento. A reciclagem da escória do forno de cuba seria benéfica, pois é densa e ocuparia menos espaço no cadinho quando adicionada, ao contrário do uso de areia. Além disso, o ponto de fusão da escória do forno de cuba está na faixa certa para atuar como o filtro descrito, pois foi batida do forno quando o ferro no interior estava em estado semi-molde, a cerca de 1200-1250°C (Ouden, 1988).

Simplicidade

28 Todas as técnicas conhecidas para fazer cadinho de aço precisam de cálculos ou de um conhecimento empírico das quantidades para obter o nível de carbono do lingote desejado na faixa certa. É apenas uma diferença de algumas percentagens de peso de carbono que fazem a diferença entre o aço de cadinho de alta qualidade e o ferro fundido inviável (2% ou mais de carbono) (Budinsky e Budinsky, 2005). O sistema de auto-regulação do Dr. Nonikashvili é bastante simples de usar e não precisa de cálculos precisos para que os níveis de carbono sejam eficazes. Executado da maneira correta, há apenas uma pequena chance de acabar com muito carbono nas estruturas.

Conclusão

29 Os resultados experimentais mostram uma técnica simples para fazer cadinho de aço que é adequado para obter o material altamente prensado. Os restos das actividades metalúrgicas das experiências correspondem muito bem aos achados arqueológicos em Merv. Esta observação dá a impressão de que uma técnica similar auto-regulada poderia ter sido utilizada na antiga Merv.

30Desde que a pesquisa apresentada foi feita como parte de um projeto mestre de um ano, e iniciada como um projeto piloto, não houve tempo suficiente nem recursos para fazer mais comparações entre as diferentes técnicas. Por exemplo, sabemos que também os tipos de cargas de cadinho e as técnicas de queima desempenham um papel fundamental e têm um grande efeito sobre as qualidades (tanto física como estética) do material. Pesquisas futuras podem certamente fornecer fatos mais sólidos sobre as diferentes teorias.