El acero de crisol es acero fabricado mediante la fusión de arrabio ( hierro fundido ), hierro y, a veces , acero , a menudo junto con arena , vidrio , cenizas y otros fundentes , en un crisol . El acero de crisol se desarrolló por primera vez a mediados del primer milenio a. C. en el sur de la India y Sri Lanka utilizando el proceso Wootz . [1] [2] [3] [4]
En la antigüedad, no era posible producir temperaturas muy altas con carbón vegetal o carbón vegetal, que eran necesarias para fundir hierro o acero. Sin embargo, el arrabio, que tiene un mayor contenido de carbono y, por lo tanto, un punto de fusión más bajo, se podía fundir y, al sumergir el hierro forjado o el acero en el arrabio líquido durante mucho tiempo, se podía reducir el contenido de carbono del arrabio a medida que se difundía lentamente en el hierro, convirtiendo ambos en acero. El acero de crisol de este tipo se produjo en el sur y centro de Asia durante la época medieval .
Esto generalmente producía un acero muy duro, pero también un acero compuesto que no era homogéneo, consistente en un acero con un contenido muy alto de carbono (antiguamente el arrabio) y un acero con un contenido más bajo de carbono (antiguamente el hierro forjado). Esto a menudo daba como resultado un patrón intrincado cuando el acero se forjaba, limaba o pulía, y posiblemente los ejemplos más conocidos provienen del acero wootz utilizado en las espadas de Damasco . El acero solía tener un contenido de carbono mucho mayor (normalmente oscilaba entre el 1,5 y el 2,0 %) y una calidad (sin impurezas) mucho mayor en comparación con otros métodos de producción de acero de la época debido al uso de fundentes. El acero solía trabajarse muy poco y a temperaturas relativamente bajas para evitar cualquier descarburación , desmenuzamiento en caliente o difusión excesiva de carbono.
Con un contenido de carbono cercano al del hierro fundido, normalmente no requería ningún tratamiento térmico después del moldeado, salvo el enfriamiento por aire, para lograr la dureza correcta, dependiendo únicamente de la composición. El acero con mayor contenido de carbono proporcionaba un borde muy duro, pero el acero con menor contenido de carbono ayudaba a aumentar la tenacidad, lo que ayudaba a disminuir la posibilidad de astillado, agrietamiento o rotura. [5]
En Europa, el acero de crisol fue desarrollado por Benjamin Huntsman en Inglaterra en el siglo XVIII. Huntsman utilizó coque en lugar de carbón o carbón vegetal, logrando temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el acero y disolver el hierro. El proceso de Huntsman se diferenciaba de algunos de los procesos de Wootz en que utilizaba un tiempo más largo para fundir el acero y enfriarlo y, por lo tanto, permitía más tiempo para la difusión del carbono. [6] El proceso de Huntsman utilizaba hierro y acero como materias primas, en forma de acero blíster , en lugar de la conversión directa a partir de hierro fundido como en el pudling o el posterior proceso Bessemer .
La capacidad de fundir completamente el acero eliminó cualquier inhomogeneidad en el acero, lo que permitió que el carbono se disolviera uniformemente en el acero líquido y evitó la necesidad previa de una extensa herrería en un intento de lograr el mismo resultado. De manera similar, permitió que el acero se fundiera vertiéndolo en moldes. El uso de fundentes permitió la extracción casi completa de impurezas del líquido, que luego podían simplemente flotar hacia la parte superior para su eliminación. Esto produjo el primer acero de calidad moderna, proporcionando un medio para transformar de manera eficiente el exceso de hierro forjado en acero útil. El proceso de Huntsman aumentó en gran medida la producción europea de acero de calidad adecuado para su uso en artículos como cuchillos, herramientas y maquinaria, lo que ayudó a allanar el camino para la Revolución Industrial .
Las aleaciones de hierro se dividen de manera más amplia por su contenido de carbono : el hierro fundido tiene entre un 2 y un 4 % de impurezas de carbono; el hierro forjado oxida la mayor parte de su carbono, a menos del 0,1 %. El acero, mucho más valioso , tiene una fracción de carbono delicadamente intermedia, y sus propiedades materiales varían según el porcentaje de carbono: el acero con alto contenido de carbono es más fuerte pero más frágil que el acero con bajo contenido de carbono . El acero de crisol secuestra las materias primas de entrada de la fuente de calor, lo que permite un control preciso de la carburación (elevación) o descarburación (reducción del contenido de carbono). Se pueden agregar fundentes , como piedra caliza , al crisol para eliminar o promover el azufre , el silicio y otras impurezas, alterando aún más sus cualidades materiales.
Se utilizaron varios métodos para producir acero de crisol. Según textos islámicos como al-Tarsusi y Abu Rayhan Biruni , se describen tres métodos para la producción indirecta de acero. [7] El historiador islámico medieval Abu Rayhan Biruni (c. 973-1050) proporciona la referencia más antigua de la producción de acero de Damasco . [8] El primer método tradicional, y el más común, es la carburación en estado sólido del hierro forjado . Este es un proceso de difusión en el que el hierro forjado se empaqueta en crisoles o un hogar con carbón, luego se calienta para promover la difusión del carbono en el hierro para producir acero. [9] La carburación es la base del proceso wootz del acero. El segundo método es la descarburación del hierro fundido eliminando el carbono del hierro fundido. [8] El tercer método utiliza hierro forjado y hierro fundido. En este proceso, el hierro forjado y el hierro fundido pueden calentarse juntos en un crisol para producir acero por fusión. [9] En relación con este método, Abu Rayhan Biruni afirma: "este era el método utilizado en Hearth". Se propone que el método indio se refiere al método de carburación Wootz; [8] es decir, los procesos Mysore o Tamil . [10]
Se han encontrado variaciones del proceso de cofusión principalmente en Persia y Asia Central, pero también se han encontrado en Hyderabad, India [11], llamado proceso Deccani o Hyderabad. [10] Para el carbono, las autoridades islámicas contemporáneas especifican una variedad de materiales orgánicos, incluidas cáscaras de granada, bellotas, pieles de frutas como la cáscara de naranja, hojas, así como la clara de huevo y las cáscaras. Se mencionan astillas de madera en algunas de las fuentes indias, pero significativamente ninguna de las fuentes menciona el carbón vegetal. [12]
El acero de crisol se atribuye generalmente a los centros de producción de la India y Sri Lanka , donde se producía mediante el llamado proceso " wootz ", y se supone que su aparición en otros lugares se debió al comercio a larga distancia. [13] Solo recientemente se ha hecho evidente que lugares de Asia Central como Merv en Turkmenistán y Akhsiket en Uzbekistán eran importantes centros de producción de acero de crisol. [14] Los hallazgos de Asia Central son todos de excavaciones y datan de los siglos VIII al XII d.C., mientras que el material de la India/Sri Lanka es tan temprano como 300 a.C. El mineral de hierro de la India tenía trazas de vanadio y otros elementos de aleación que condujeron a una mayor templabilidad en el acero de crisol indio, que era famoso en todo el Medio Oriente por su capacidad para mantener el filo.
Aunque el acero al crisol se atribuye más a Oriente Medio en épocas tempranas, se han descubierto espadas soldadas con patrones , que incorporan acero con alto contenido de carbono y probablemente al crisol, en Europa, desde el siglo III d. C., [15] [16] particularmente en Escandinavia . Las espadas que llevan la marca Ulfberht , y que datan de un período de 200 años desde el siglo IX hasta principios del siglo XI, son excelentes ejemplos de la técnica. Muchos [¿ quién? ] especulan que el proceso de fabricación de estas hojas se originó en Oriente Medio y posteriormente se comercializó durante los días de la Ruta Comercial del Volga . [17]
En los primeros siglos del período islámico aparecieron algunos estudios científicos sobre espadas y acero. Los más conocidos son los de Jabir ibn Hayyan ( siglo VIII), al-Kindi (siglo IX), Al-Biruni (principios del siglo XI), al-Tarsusi (finales del siglo XII) y Fakhr-i-Mudabbir (siglo XIII). Todos ellos contienen mucha más información sobre los aceros indios y damasquinados que la que aparece en toda la literatura sobreviviente de la Grecia y Roma clásicas . [18]
Existen numerosos relatos etnográficos sobre la producción india de acero al crisol; sin embargo, las investigaciones científicas sobre los restos de la producción de acero al crisol solo se han publicado en cuatro regiones: tres en la India y una en Sri Lanka. [19] El acero al crisol de la India y Sri Lanka se conoce comúnmente como wootz , que generalmente se acepta que es una corrupción inglesa de la palabra ukko (en el idioma canarés ) o hookoo (en el idioma telugu ). [20] [21]
Los relatos europeos a partir del siglo XVII hacen referencia a la reputación y la fabricación de "wootz", un acero de crisol tradicional fabricado especialmente en partes del sur de la India, en las antiguas provincias de Golconda , Mysore y Salem. Hasta el momento, la escala de las excavaciones y los estudios de superficie es demasiado limitada para vincular los relatos literarios con la evidencia arqueometalúrgica. [22]
Los sitios probados de producción de acero al crisol en el sur de la India, por ejemplo en Konasamudram y Gatihosahalli, datan al menos del período medieval tardío, siglo XVI. [23] Uno de los primeros sitios potenciales conocidos, que muestra alguna evidencia preliminar prometedora que puede estar vinculada a procesos de crisol ferroso en Kodumanal , cerca de Coimbatore en Tamil Nadu . [24] El sitio está datado entre el siglo III a. C. y el siglo III d. C. [25] Para el siglo XVII, el principal centro de producción de acero al crisol parece haber estado en Hyderabad. El proceso aparentemente era bastante diferente del registrado en otros lugares. [26] Wootz de Hyderabad o el proceso Deccani para hacer hojas humedecidas implicaba una cofusión de dos tipos diferentes de hierro: uno era bajo en carbono y el otro era un acero con alto contenido de carbono o hierro fundido. [27] El acero Wootz se exportó y comercializó ampliamente en toda la antigua Europa, China, el mundo árabe y se hizo particularmente famoso en el Medio Oriente, donde llegó a ser conocido como acero de Damasco. [28] [29]
Recientes investigaciones arqueológicas han sugerido que Sri Lanka también apoyó tecnologías innovadoras para la producción de hierro y acero en la antigüedad. [30] El sistema de Sri Lanka de fabricación de acero al crisol era parcialmente independiente de los diversos sistemas indios y de Oriente Medio. [31] Su método era algo similar al método de carburación del hierro forjado. [30] El yacimiento de acero al crisol más antiguo confirmado se encuentra en la cordillera Knuckles , en la zona norte de las Tierras Altas Centrales de Sri Lanka, que data de los siglos VI-X d. C. [32] En el siglo XII, la tierra de Serendib (Sri Lanka) parece haber sido el principal proveedor de acero al crisol, pero con el paso de los siglos la producción retrocedió y en el siglo XIX solo sobrevivía una pequeña industria en el distrito de Balangoda, en las tierras altas del centro-sur. [33]
Una serie de excavaciones en Samanalawewa indicaron la inesperada y previamente desconocida tecnología de los sitios de fundición orientados al oeste , que son diferentes tipos de producción de acero. [30] [34] Estos hornos se usaban para la fundición directa del acero. [35] Se los llama "orientados al oeste" porque estaban ubicados en los lados occidentales de las cimas de las colinas para aprovechar el viento predominante en el proceso de fundición. [36] Los aceros para hornos de Sri Lanka eran conocidos y comercializados entre los siglos IX y XI y antes, pero aparentemente no después. [37] Estos sitios fueron datados en los siglos VII-XI. La coincidencia de esta datación con la referencia islámica del siglo IX a Sarandib [36] es de gran importancia. El proceso de crisol existía en la India al mismo tiempo que la tecnología orientada al oeste operaba en Sri Lanka. [38] Las excavaciones del yacimiento de Yodhawewa (cerca de Mannar) (en 2018) han descubierto la mitad inferior de un horno esférico de fondo y fragmentos de crisol utilizados para fabricar acero de crisol en Sri Lanka durante los siglos VII y VIII d. C. Los fragmentos de crisol descubiertos en el yacimiento eran similares a los crisoles alargados con forma de tubo de Samanalawewa. [2]
Asia Central tiene una rica historia de producción de acero al crisol, que comenzó a fines del primer milenio d. C. [39] En los sitios en el Uzbekistán moderno y Merv en Turkmenistán, hay buena evidencia arqueológica de la producción a gran escala de acero al crisol. [40] Todos pertenecen en términos generales al mismo período medieval temprano entre fines del siglo VIII o principios del IX y fines del siglo XII d. C., [41] contemporáneo con las primeras cruzadas . [40]
Los dos yacimientos de acero al crisol más importantes del este de Uzbekistán que llevan a cabo el Proceso de Fergana son Akhsiket y Pap en el Valle de Fergana , cuya posición dentro de la Gran Ruta de la Seda ha sido probada histórica y arqueológicamente. [42] La evidencia material consiste en un gran número de hallazgos arqueológicos relacionados con la fabricación de acero de los siglos IX al XII d.C. en forma de cientos de miles de fragmentos de crisoles, a menudo con enormes tortas de escoria . [39] El trabajo arqueológico en Akhsiket ha identificado que el proceso de acero al crisol consistía en la carburación del metal de hierro. [12] Este proceso parece ser típico y restringido al Valle de Fergana en el este de Uzbekistán, y por lo tanto se llama el Proceso de Fergana. [43] Este proceso duró en esa región aproximadamente cuatro siglos.
Se han encontrado evidencias de la producción de acero al crisol en Merv, Turkmenistán, una ciudad importante en la "Ruta de la Seda". El erudito islámico al-Kindi (801-866 d. C.) menciona que durante el siglo IX d. C. la región de Khorasan, el área a la que pertenecen las ciudades de Nishapur , Merv, Herat y Balkh , era un centro de fabricación de acero. [44] La evidencia de un taller metalúrgico en Merv, que data del siglo IX-principios del siglo X d. C., proporciona una ilustración del método de cofusión de producción de acero en crisoles, unos 1000 años antes que el proceso wootz claramente diferente. [45] El proceso de acero al crisol en Merv podría verse como tecnológicamente relacionado con lo que Bronson (1986, 43) llama proceso de Hyderabad, una variación del proceso wootz, por la ubicación del proceso documentado por Voysey en la década de 1820. [46]
La producción de acero al crisol en China comenzó alrededor del siglo I a. C., o posiblemente antes. Los chinos desarrollaron un método para producir arrabio alrededor del año 1200 a. C., que usaban para fabricar hierro fundido . Para el siglo I a. C., habían desarrollado el pudling para producir acero dulce y un proceso de descarburación rápida del hierro fundido para fabricar hierro forjado revolviéndolo sobre lechos de salitre (llamado proceso Heaton , fue descubierto independientemente por John Heaton en la década de 1860). Alrededor de esta época, los chinos comenzaron a producir acero al crisol para convertir cantidades sobrantes de hierro fundido y hierro forjado en acero adecuado para espadas y armas. [47] [48]
En 1064, Shen Kuo , en su libro Dream Pool Essays , dio la primera descripción escrita de los patrones en el acero, los métodos de producción de espadas y algunos de los razonamientos detrás de esto:
Los antiguos usaban chi kang (acero combinado) para el filo y jou thieh (hierro dulce) para la parte posterior, de lo contrario se rompería con frecuencia. Un arma demasiado fuerte cortará y destruirá su propio filo; por eso es aconsejable usar solo acero combinado. En cuanto al efecto yu-chhang (intestinos de pescado), es lo que ahora se llama la espada de acero "enrollada en forma de serpiente" o, alternativamente, el "diseño del pino". Si cocinas un pescado completamente y le quitas las espinas, la forma de sus entrañas se verá como las líneas de una "espada enroscada en forma de serpiente". [49]
Las primeras referencias europeas al acero de crisol parecen no ser anteriores al período postmedieval . [50] Los experimentos europeos con aceros de “ Damasco ” se remontan al menos al siglo XVI, pero no fue hasta la década de 1790 que los investigadores de laboratorio comenzaron a trabajar con aceros que se sabía específicamente que eran indios/wootz. [51] En ese momento, los europeos sabían de la capacidad de la India para fabricar acero de crisol a partir de informes traídos por viajeros que habían observado el proceso en varios lugares del sur de la India.
Desde mediados del siglo XVII en adelante, los viajeros europeos al subcontinente indio escribieron numerosos relatos vívidos de testigos presenciales de la producción de acero allí. Entre ellos se incluyen los relatos de Jean-Baptiste Tavernier en 1679, Francis Buchanan en 1807 y HW Voysey en 1832. [52] Los siglos XVIII, XIX y principios del XX fueron testigos de un período de gran interés europeo por tratar de comprender la naturaleza y las propiedades del acero wootz. El acero wootz indio atrajo la atención de algunos de los científicos más conocidos. [53] Uno de ellos fue Michael Faraday , que estaba fascinado por el acero wootz. Probablemente fueron las investigaciones de George Pearson, presentadas en la Royal Society en 1795, las que tuvieron el impacto de mayor alcance en términos de despertar el interés por el acero wootz entre los científicos europeos. [54] Fue el primero de estos científicos en publicar sus resultados y, por cierto, el primero en utilizar la palabra "wootz" en forma impresa. [55]
Otro investigador, David Mushet , fue capaz de inferir que el wootz se hacía por fusión. [56] David Mushet patentó su proceso en 1800. [57] Presentó su informe en 1805. [55] Sin embargo, resulta que el primer proceso europeo exitoso había sido desarrollado por Benjamin Huntsman unos 50 años antes, en la década de 1740. [58]
Benjamin Huntsman era un relojero que buscaba un acero mejor para los muelles de los relojes. En Handsworth , cerca de Sheffield , comenzó a producir acero en 1740 después de años de experimentación en secreto. El sistema de Huntsman utilizaba un horno de coque capaz de alcanzar los 1.600 °C, en el que se colocaban hasta doce crisoles de arcilla, cada uno capaz de contener unos 15 kg de hierro. Cuando los crisoles o "ollas" estaban al rojo vivo, se cargaban con trozos de acero blíster , una aleación de hierro y carbono producida por el proceso de cementación , y un fundente para ayudar a eliminar las impurezas. Las ollas se retiraban después de unas 3 horas en el horno, se eliminaban las impurezas en forma de escoria y el acero fundido se vertía en moldes para terminar como lingotes fundidos . [59] [60] La fusión completa del acero produjo una estructura cristalina altamente uniforme al enfriarse, lo que le dio al metal mayor resistencia a la tracción y dureza en comparación con otros aceros que se fabricaban en ese momento.
Antes de la introducción de la técnica de Huntsman, Sheffield producía unas 200 toneladas de acero al año a partir de hierro forjado sueco (véase Hierro molido ). La introducción de la técnica de Huntsman cambió esto radicalmente: cien años después, la cantidad había aumentado a más de 80.000 toneladas al año, o casi la mitad de la producción total de Europa. Sheffield pasó de ser un pequeño municipio a una de las principales ciudades industriales de Europa.
El acero se producía en talleres especializados llamados "hornos de crisol", que consistían en un taller a nivel del suelo y una bodega subterránea. Los edificios de los hornos variaban en tamaño y estilo arquitectónico, creciendo en tamaño hacia la última parte del siglo XIX a medida que los avances tecnológicos permitían "cocer" varios crisoles a la vez, utilizando gas como combustible para la calefacción. Cada taller tenía una serie de características estándar, como filas de agujeros de fusión, fosos de amasado, [ aclaración necesaria ] respiraderos en el techo, filas de estanterías para los crisoles y hornos de recocido para preparar cada crisol antes de la cocción. Las salas auxiliares para pesar cada carga y para la fabricación de los crisoles de arcilla estaban adosadas al taller o ubicadas dentro del complejo de la bodega. El acero, originalmente destinado a hacer resortes de reloj, se utilizó más tarde en otras aplicaciones, como tijeras, hachas y espadas.
La aldea industrial Abbeydale de Sheffield opera para el público una fábrica de guadañas que data de la época de Huntsman y está impulsada por una rueda hidráulica que utiliza acero de crisol fabricado en el lugar.
Antes de Huntsman, el método más común para producir acero era la fabricación de acero de corte . En este método, se utilizaba acero blíster producido por cementación, que consistía en un núcleo de hierro forjado rodeado por una carcasa de acero con un contenido de carbono muy alto, que normalmente oscilaba entre el 1,5 y el 2,0 % de carbono. Para ayudar a homogeneizar el acero, se golpeaba hasta formar placas planas, que se apilaban y se soldaban entre sí mediante forja . Esto producía acero con capas alternas de acero y hierro. El tocho resultante se podía martillar hasta aplanarlo, cortarlo en placas, que se apilaban y se volvían a soldar, adelgazando y componiendo las capas, y nivelando más el carbono a medida que se difundía lentamente desde el acero con alto contenido de carbono hacia el hierro con menor contenido de carbono. Sin embargo, cuanto más se calentaba y trabajaba el acero, más tendía a descarburarse , y esta difusión hacia el exterior se produce mucho más rápido que la difusión hacia el interior entre capas. Por lo tanto, los intentos posteriores de homogeneizar el acero dieron como resultado un contenido de carbono demasiado bajo para su uso en artículos como resortes, cubiertos, espadas o herramientas. Por ello, el acero destinado a ser utilizado en dichos artículos, especialmente herramientas, todavía se fabricaba principalmente mediante el lento y arduo proceso de desbaste , en cantidades muy pequeñas y a un alto coste, que, aunque mejor, tenía que separarse manualmente del hierro forjado y todavía era imposible de homogeneizar por completo en estado sólido.
El proceso de Huntsman fue el primero en producir un acero completamente homogéneo. A diferencia de los métodos anteriores de producción de acero, el proceso de Huntsman fue el primero en fundir completamente el acero, lo que permitió la difusión total del carbono en todo el líquido. Con el uso de fundentes, también permitió la eliminación de la mayoría de las impurezas, produciendo el primer acero de calidad moderna. Debido al alto punto de fusión del carbono (casi el triple del acero) y su tendencia a oxidarse (quemarse) a altas temperaturas, por lo general no se puede agregar directamente al acero fundido. Sin embargo, al agregar hierro forjado o arrabio, permitiendo que se disuelva en el líquido, el contenido de carbono se puede regular cuidadosamente (de manera similar a los aceros de crisol asiáticos, pero sin las marcadas inhomogeneidades indicativas de esos aceros). Otro beneficio fue que permitió alear otros elementos con el acero. Huntsman fue uno de los primeros en comenzar a experimentar con la adición de agentes de aleación como el manganeso para ayudar a eliminar impurezas como el oxígeno del acero. Su proceso fue utilizado posteriormente por muchos otros, como Robert Hadfield y Robert Forester Mushet , para producir los primeros aceros aleados como el mangalloy , el acero de alta velocidad y el acero inoxidable .
Debido a las variaciones en el contenido de carbono del acero blíster, el acero al carbono producido podía variar en contenido de carbono entre crisoles hasta en un 0,18%, pero en promedio producía un acero eutectoide que contenía ~ 0,79% de carbono. Debido a la calidad y alta templabilidad del acero, se adoptó rápidamente para la fabricación de acero para herramientas, máquinas herramienta, cubiertos y muchos otros artículos. Debido a que no se soplaba oxígeno a través del acero, superó al acero Bessemer tanto en calidad como en templabilidad, por lo que el proceso de Huntsman se utilizó para la fabricación de acero para herramientas hasta que se desarrollaron mejores métodos, utilizando un arco eléctrico , a principios del siglo XX. [61] [62]
En otro método, desarrollado en los Estados Unidos en la década de 1880, el hierro y el carbono se fundían juntos directamente para producir acero de crisol. [63] A lo largo del siglo XIX y hasta la década de 1920, una gran cantidad de acero de crisol se destinó a la producción de herramientas de corte , donde se lo llamó acero para herramientas .
El proceso de crisol se siguió utilizando para aceros especiales, pero hoy está obsoleto. En la actualidad se fabrican aceros de calidad similar con un horno de arco eléctrico . Algunos usos del acero para herramientas fueron reemplazados, primero por el acero de alta velocidad [63] y luego por materiales como el carburo de tungsteno .
En 1837, el ingeniero ruso Pavel Anosov desarrolló otra forma de acero para crisol . Su técnica dependía menos del calentamiento y enfriamiento que del proceso de enfriamiento rápido del acero fundido cuando se había formado la estructura cristalina adecuada en su interior. Llamó a su acero bulat ; su secreto murió con él. En los Estados Unidos, el acero para crisol fue desarrollado por William Metcalf .