De re Metallum: Introducción superficial a la metalurgia

Esta entrada está destinada a introducir de forma superficial algunos conceptos básicos relacionados con la metalurgia de las armas antiguas. No entraré en mucho detalle para no extenderme, y de todos modos considero que hay mejores personas para hablar a profundidad de este tema. Así que este post sólo pretende dar un esbozo general de cómo funcionan las cosas de forma simplificada.

Incluso debe tenerse en cuenta que cuando hablo de la composición química del metal, estos porcentajes son aproximados. Estos valores pueden variar según ámbitos, piezas, métodos de producción, et cætera, sobretodo cuando hablamos en el ámbito de la producción por medios artesanales (que es a lo que me dedico principalmente).

Hierro y acero

Por lo general, en la metalurgia moderna, se utiliza el término “hierro” para referirse al elemento, mientras que el término “acero” se usa para referirse a una aleación producida en base a este elemento, mientras que las inclusiones de otros elementos pueden producir ciertas variedades. Por ejemplo, un contenido de cromo del 12% puede considerarse acero inoxidable. En general, cualquier metal compuesto principalmente por hierro se le denomina como “ferrometal”.

Sin embargo, estos términos pueden cambiar mucho en su significado dependiendo del ámbito. Por ejemplo, en el campo de arqueología es común simplemente denominar como hierro (o aleación de hierro) a cualquier ferrometal encontrado, sin importar su composición o propiedades, incluso si en otras clasificaciones se le denominaría acero.

Clasificación en el ámbito histórico

Cuando hablamos de ferrometales en el ámbito histórico, vale la pena notar que el hierro puro no podía producirse, y la única forma de obtenerlo sería encontrando meteoritos. Debido a esto, en la edad media estamos hablando de una aleación compuesta mayoritariamente de hierro con trazas elementales adicionales, entre las cuales la más importante es el carbono. Dependiendo de la concentración de este elemento, la dureza y resistencia del metal puede verse afectada dramáticamente, al igual que los efectos del tratamiento de temperatura.

Naturalmente, en la época medieval no podían calcular la composición química de los materiales, pero podían observar sus propiedades físicas, y los clasificaban de acuerdo a éstas. De modo que los europeos de esta época hablaban principalmente de tres formas de “hierros”, que coincidían aproximadamente con ciertos rangos de contenido de carbono. Hay que tener en cuenta que esta clasificación se puede ver influenciada por las técnicas, recursos y herramientas disponibles para el herrero, de modo que los porcentajes dados son más como para tener una idea general, y no son cifras exactas.

Hierro de forja

Cuando el contenido de carbono se encuentra en un porcentaje bajo, igual o menor al 0,3%, estamos hablando de hierro de forja (o dulce). Este metal es bastante fácil para forjar ya que no se requiere mucha fuerza para deformarlo, y su tendencia es a deformarse sin generar fallas o quiebres.

Hierro colado

En el extremo opuesto tenemos el hierro colado. Este es un ferrometal que contiene una cantidad de carbono muy alta, en el contexto histórico estaríamos hablando de un 1% o 1,2% de carbono o más. Este ferrometal es difícil de forjar debido a su dureza, por lo que al usarse para crear objetos metálicos lo más común es derretirlo para luego darle forma vertiéndolo en un molde mientras está en su estado líquido (proceso conocido como colado, de ahí su nombre). Al contrario del hierro de forja, el hierro colado se resiste a ser deformado, y tiene la tendencia a quebrarse.

Acero

El término acero por lo general se utiliza para definir a los ferrometales que tienen un contenido de carbono inferior al del hierro colado, y superior al del hierro de forja. La dureza de este material es mayor al del hierro de forja, sin embargo, no tanta como para no poder ser forjado. Y gracias a su contenido de carbono, es posible realizar el endurecimiento por temperatura, el cual es un proceso clave para la creación de varios elementos.

Templado / Tratamiento por temperatura

El término “templado”, el cual puede referirse a ciertos procesos o su resultado, es un poco complejo. Es común verlo definido de forma distinta por diferentes profesionales. En ocasiones puede ser usado para referirse a un tratamiento específico, a todos, a una combinación, etc. Debido a esto, he decidido saltarme el término y usar unos más específicos para explicar los procesos más importantes del tratamiento de temperatura en la antigüedad.

Endurecido

Este es el proceso por el cual el acero es llevado a su temperatura crítica (por lo general esto es cuando alcanza un color naranja brillante) y posteriormente es enfriado súbitamente, comúnmente dándole un baño en agua o aceite. Esto hace que los átomos de carbono y hierro se organizan de forma en que se generan tensiones dentro del material, produciendo un acero que posee una alta dureza y rigidez, lo cual a su vez resulta en una tendencia a ser quebradizo. Vale la pena tener en cuenta que este proceso requiere un mínimo de carbono presente en la pieza, por lo general de 0.4%, aunque en algunas piezas un 0.3% puede ser suficiente.

Recocido

Este proceso consiste en calentar el metal a temperatura crítica y luego enfriarlo lentamente, comúnmente esto se hace dejándolo en el horno de forja, sin alimentar el fuego hasta que se apague, esto resulta en un proceso de enfriado más lento y controlado. El resultado es un acero que carece de las tensiones internas causadas por el trabajo mecánico o térmico realizado. Esto resulta en un metal relativamente blando y fácil de trabajar.

Revenido

Este proceso se realiza en una pieza de acero que ha sido endurecida. Consiste en calentar nuevamente la pieza de metal, pero esta vez sin llegar a temperatura crítica, y luego dejarlo enfriar lentamente. Este proceso produce un acero flexible, el cual al ser puesto bajo fuerzas notables, se deforma pero trata de volver a su forma original, a diferencia de los otros dos que se fracturan o se deforman permanentemente.

¿Cómo funciona?

En resumidas cuentas, las características del acero dependen mucho de la cantidad de carbono presente y la forma en que interactúa con el hierro, y esto último puede ser alterado gracias a los efectos de la temperatura. Por ejemplo, al llevar al metal a temperatura crítica, el calor expande las moléculas de hierro (las cuales tienen una forma similar a cubos), lo cual genera un “vacío” en su interior el cual atrae un átomo de carbono. Si enfriamos la pieza rápidamente, la molécula se “cierra” y atrapa al átomo de carbono, lo cual crea las tensiones internas que hacen que la pieza se endurezca. Si por el contrario, dejamos que la pieza se enfríe lentamente, las moléculas de hierro sacan lentamente a los átomos de carbono, lo cual nos da una pieza recocida.

Producción artesanal del acero

Al igual que hoy día, antiguamente el acero se producía en base al mineral / mena de hierro, es decir, elementos como arena negra o ciertas rocas que poseen un determinado contenido de hierro elemental. Dicho mineral es introducido junto con carbón en un horno, al cual se le introduce aire por medio de fuelles o algún sistema similar, con la intención de aumentar el oxígeno disponible para la combustión del carbón.

Vale la pena notar que los primeros hornos no lograban llegar a la temperatura necesaria para derretir el hierro dentro del mineral. Sin embargo, una vez derretida la escoria (los materiales que no son necesarios para el acero), se liberan las partículas de hierro, las cuales se empiezan a agrupar. Cuando el hierro se encuentra a altas temperaturas, tiene la tendencia a quedarse pegado (es decir, se genera una soldadura por calor). Esto hace que las partículas se agrupen en una bola de metal (llamada esponja de hierro). Como parte de este proceso, el metal también captura parte del carbono liberado por el combustible, al igual que algunas impurezas de la escoria.

El problema de este método, es que se solían producir esponjas de hierro con muchas impurezas del mineral original (principalmente el silicio de la arena o las rocas) y con una distribución de carbono muy desigual. Sin embargo, era posible realizar ciertos procesos para reducir las impurezas y distribuir mejor el carbono. Uno de los más famosos es el laminado, el cual consiste en usar calor y un martillo para extender y doblar sobre sí mismo varias veces el metal. Por lo general esto se realizaba poniendo trozos de metal con diferentes contenidos de carbono de acuerdo a las características físicas deseadas.

Este proceso no elimina del todo las impurezas y tiene ciertos problemas, como por ejemplo, se corre el riesgo de atrapar burbujas de aire las cuales empezarían a oxidar el metal desde el interior y a la vez, deshacer la unión entre las capas de metal. Sin embargo, este método fue el avance que permitió hacer el acero suficientemente viable como para desplazar al bronce.

Eventualmente, el método anterior se volvió casi obsoleto con la aparición de los hornos altos, también a veces llamados hornos de Cataluña, los cuales lograban la fundición completa de la mena. Esto permitía que el carbono se distribuyera de manera más uniforme y, ya que la escoria tenía la tendencia a flotar como una capa líquida en la parte superior, facilitaba su remoción. Estos hornos permitían obtener de forma eficiente un metal de alta pureza (para la época), aunque era común hacerle algo de laminado, ya que el proceso no era perfecto.

Conclusiones

Bueno, conclusiones no hay esta vez, así que para finalizar dejo una foto de mi forja.