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Acciaio e Forgiatura

1. Breve Storia dell’Acciaio

La scoperta dell'acciaio è stata fatta in molti luoghi indipendentemente, e non si può dire che ci sia stato un singolo scopritore. Spesso le stesse tecniche sono state elaborate (e a volte perdute) in luoghi diversi e in tempi diversi, dando origine a leggende e miti.

 

Efesto, dio del fuoco e fabbro degli dei

Comunque sia, pare che i primi in assoluto a fare un uso sistematico dell'acciaio tramandandone il metodo per la sua fabbricazione siano stati gli indù, addirittura in epoca romana.
In Europa l'unica tecnica nota fino al XVIII secolo fu quella dell'acciaio a pacchetto, unica a permettere di controllare il tenore di carbonio del metallo. Per secoli, l'unico modo di ottenere del buon acciaio in Europa fu quello di usare ferro delle miniere svedesi, particolarmente puro e privo di zolfo e fosforo, e usarlo per confezionare acciaio a pacchetto con altro ferro o ghisa più ricca di carbonio. Era un metodo estremamente costoso, e non si potevano creare pezzi molto grandi: al massimo grandi come la lama di una spada.

Nel 1740 in Inghilterra viene riscoperta la tecnica dell'acciaio al crogiolo, dando inizio alla rivoluzione industriale. La produzione di acciaio aumenta vertiginosamente e si scatena una serie di innovazioni per ottenere metallo sempre migliore e con caratteristiche sempre più varie. La prima di queste fu la scoperta che "cucinando" il carbone (scaldandolo in assenza di ossigeno, facendo così evaporare lo zolfo e ottenendo il carbone "cooked" o coke) si poteva ottenere dell'acciaio migliore, perché privo di impurità dannose: successivamente venne introdotto l'altoforno, che consentiva di bruciare, tramite una corrente di ossigeno e l'aggiunta di calcare, le impurità del minerale e permetteva di variare a volontà il tasso di carbonio; per ultimo, il convertitore Bessemer permise di ottenere acciaio a partire dalla ghisa e bruciando via le impurità e il carbonio in più, permettendo di sfruttare gli altiforni in regime costante per produrre ghisa da convertire. Nel 1913 viene poi scoperto l'acciaio inossidabile, scoperta che diede vita alla più importante famiglia di acciai attualmente noti.

 

Acciaio Wootz.

Il primo tipo di acciaio di cui si ha notizia, fabbricato in India almeno dal 300 dopo Cristo (ma alcuni lo fanno risalire al 200 a.c.); il suo nome è la versione anglicizzata del nome indù dell'acciaio (ukku). Veniva preparato in crogioli chiusi sigillati, che contenevano minerale di ferro, carbone e vetro. I crogioli venivano poi messi alla fiamma e riscaldati: il ferro fondeva, arricchendosi di carbonio, e il vetro assorbiva le impurità man mano che fondeva, galleggiando sulla superficie. Il risultato era un acciaio ad alto tenore di carbonio e di elevata purezza. Questa tecnica si diffuse molto lentamente, arrivando nei paesi confinanti (gli odierni Turkmenistan e Uzbekistan) solo nel 900 D.C. circa. La tecnica indiana mise molto tempo ad arrivare in Europa, dove divenne nota solo a partire dal XVII: ma nessuno qui seppe ripetere la manifattura dell'acciaio wootz per un altro secolo.

 

Acciaio Damasco.

Esempio di lama in acciaio DamascoPoco dopo l'anno mille, la tecnica indiana del wootz arriva in medio oriente, dove viene ulteriormente raffinata e dà origine all'acciai Damasco, estremamente resistente e flessibile, con cui furono forgiate le spade che affrontarono i crociati europei: la qualità di quelle armi era tanto alta che l'acciaio damasco divenne mitico in Europa, e nacquero voci sulle sue proprietà straordinarie: si diceva che una spada fatta di acciaio damasco potesse tagliare la roccia, e venire arrotolata attorno ad un uomo per poi tornare dritta come prima, e non perdesse mai il filo.
Con ogni probabilità, la tecnica del wootz venne raffinata in modo da far assorbire il carbonio soprattutto ai bordi della spada, mantenendo la sua anima centrale relativamente dolce. In questo modo si otteneva una spada flessibile e che sopportava gli urti senza rompersi, ma al tempo stesso dalla lama molto dura che manteneva un filo tagliente per molto tempo. Le variazioni nel tenore di carbonio fra il filo e il centro della spada creavano in superficie un bel disegno ondulato, dal cui l'aggettivo damascato.

Purtroppo, dopo il 1300 non si hanno più notizie di manufatti creati con questa tecnica, e non sono pervenuti documenti o testimonianze sul modo di ottenere l'acciaio damasco: semplicemente, la tecnica originale dell'acciaio damasco si è perduta. Per un certo periodo si ritenne che l'acciaio damasco non fosse altro che un tipo di acciaio a pacchetto, che in certe condizioni può esibire delle venature superficiali, ma un confronto con i manufatti in acciaio damasco superstiti evidenziano differenze sostanziali, sebbene a volte anche l'acciaio damasco mostri tracce di pacchettatura.
In Giappone si creò una intera mistica intorno alla fabbricazione dell'acciaio usato per le spade, e i costruttori di spade erano gelosi custodi delle loro tecniche segrete. La tecnica era (ed è ancora) simile a quella utilizzata per l'acciaio damascato, ma con alcune differenze sostanziali: la lama veniva realizzata dividendo la battitura a strati prima su una parte interna di acciaio più morbido che in seguito veniva inserita in una sorta di "involucro" di acciaio più duro e resistente.

 

Acciaio a pacchetto.

Consiste nel creare un pacchetto di strati alternati di ferro dolce e ghisa, fatti rammollire e poi martellati insieme per saldarli e far diffondere il carbonio dalla ghisa al ferro dolce, in modo da ottenere la percentuale di carbonio desiderata. Una volta saldati gli strati del pacchetto, si taglia la barra e la si piega su se stessa, ripetendo il processo: in questo modo si possono creare barre di centinaia di strati sottilissimi. È stato per secoli l'unico modo noto, al di fuori dell'India, per ottenere l'acciaio, ed è un processo la cui riuscita dipende moltissimo dalla capacità e dall'esperienza del fabbro: è molto difficile ottenere due volte lo stesso risultato con questo metodo.
È un processo molto lento, ed è anche molto costoso: per un Kg di acciaio sono necessari circa 100Kg di combustibile. Inoltre è impossibile ottenere con questo metodo pezzi molto grandi o di forma complessa.
Durante il medioevo in Europa, all'incirca dal V secolo al XVI secolo, la tecnica dell'acciaio a pacchetto fu dimenticata. Venne riscoperta con il Rinascimento, e in quel periodo molti si convinsero che il mitico acciaio Damasco di cui i crociati raccontavano meraviglie non fosse altro che un tipo di acciaio a pacchetto: ma le analisi delle nervature visibili nei due tipi di acciaio ha reso evidente che non è così.

 

Acciaio al crogiolo.

Nel 1740 Benjamin Huntsman, a Sheffield riscoperse la tecnica dell'acciaio al crogiolo: dopo anni di esperimenti in segreto, mise a punto una fornace in grado di raggiungere i 1600ºC in cui metteva una dozzina di crogioli di argilla, ciascuno con 15 Kg di ferro, che veniva portato lentamente al calor bianco: a questo punto si aggiungevano pezzi di ghisa, che lasciati a fondere aggiungevano al materiale il carbonio necessario: dopo tre ore circa l'acciaio veniva colato in lingotti.
Fu una rivoluzione: nel 1740, Sheffield produceva circa 200 tonnellate di acciaio all'anno; un secolo dopo ne produceva 80.000, la metà di tutta la produzione europea, ed era la più grande città industriale d'Europa. Questo modo di produrre l'acciaio restò il migliore fino all'arrivo del convertitore Bessemer permetteva di ottenere acciaio di pari qualità ad una frazione del costo.

 

Acciaio Bulat.

Fu inventato da Pavel Petrovich Anosov, dopo anni di studi sulla perduta arte dell'acciaio damasco di cui Anosov voleva riscoprire il segreto. Alla fine le sue ricerche lo portarono ad un risultato che anche se non era l'acciaio Damasco, senz'altro permetteva di ottenere un materiale di qualità superiore. In pratica, l'acciaio Bulat (dalla parola persiana pulad, acciaio) era un acciaio stratificato, ottenuto raffreddando molto lentamente la massa fusa e dando il tempo al carbonio di concentrarsi in strati diversi: in questo modo il metallo finale consisteva di molti strati di ferrite (acciaio dolce) e cementite (acciaio duro).
La cementite però è instabile a temperature fra 600ºC e 1100ºC e tende a scomporsi in ferrite e carbonio, e quindi la lavorazione a caldo di questo tipo di acciaio era molto delicata, perché poteva perdere le sue caratteristiche. Come l'acciaio al crogiolo, anche il processo Bulat venne soppiantato dal convertitore Bessemer, che produceva acciaio altrettanto buono ma più economico.

 

2. Tipi di Acciaio

Esistono moltissimi tipi di acciaio, e anzi esiste un ente, l'AISI (American Iron and Steel Institute), che stabilisce le caratteristiche per una serie di tipi di uso comune. Si possono classificare in:

  • acciai al carbonio;

  • acciai a bassa lega, con meno del 5% di elementi di lega;

  • acciai ad alta lega, con più del 5% di elementi di lega.

Normalmente gli acciai ad alta lega sono acciai inossidabili o speciali, prodotti per scopi ben definiti, mentre gli acciai al carbonio e gli acciai a bassa lega si usano come acciai da costruzione e per usi generici. Gli acciai generalmente utilizzati per la realizzazione di lame, oggi come nel passato, sono i cosiddetti Acciai al Carbonio. Si lavorano facilmente e possono essere saldati senza problemi. Sono però soggetti alla corrosione, soprattutto a temperature elevate, a cui perdono anche resistenza meccanica; e a temperature molto basse diventano fragili. Si dividono in Acciai Dolci, con meno dell’1% di carbonio, e Acciai Duri con tenore di carbonio superiore.
- Gli acciai dolci sono molto duttili e malleabili, si lavorano facilmente ed hanno ottima resistenza meccanica a trazione e compressione; sono anche molto resilienti.
- Gli acciai duri invece sono meno resilienti, cioè è più facile che si spezzino se sottoposti a urti violenti. Però sono anche più duri superficialmente; inoltre prendono molto bene la tempra, trattamento che non da buoni risultati con gli acciai dolci. Ovviamente sono più difficili da lavorare.

 

Gli acciai al carbonio si dividono in altre tre grandi categorie correlandoli alla loro durezza di base:

 

Acciai Ferritici o Ferro Alfa.

Hanno un tipo di struttura cristallina stabile generalmente a temperature non troppo elevate. Per essere resa stabile anche ad alte temperature necessita dell’aggiunta di opportuni elementi di lega, come, ad esempio il cromo o il molibdeno.
A temperatura ambiente gli acciai ferritici sono magnetici.

 

Acciai Austenitici o Ferro Gamma.

A differenza degli acciai ferritici ,hanno un tipo di struttura cristallina stabile generalmente solo a temperature elevate. Tramite l’aggiunta di opportuni elementi tipo il nichel, possono essere resi stabili anche a temperatura ambiente. Sono acciai completamente a-magnetici.

 

Acciai Martensitici.

Sono ottenuti tramite una soluzione sopra satura di carbonio nel ferri alfa, ottenuta per raffreddamento rapido (tempra) dall’austenite. Tale struttura si forma generalmente a temperature prossime ai 300°C. Possiede una durezza elevata e quindi è estremamente fragile.

 

3. Forgiatura, Tempra e Rinvenimento

La Forgiatura altro non è che la prima fase di lavorazione dell’acciaio per ottenere le lame. Di qualsiasi foggia o dimensione esse siano. Tecnicamente è una fase di lavorazione per cui si producono deformazioni plastiche tramite l’utilizzo di magli o presse. Come prima cosa all’interno della forgia (da cui il termine forgiatura) il fuoco viene ravvivato tramite un mantice.

Il Mantice ravviva il fuoco nella forgiaUna lama sbozzata è messa ad arroventare sui carboni ardenti della forgia

Sull'incudine lo "sbozzo" della lama viene modellato con il martelloLa barra d'acciaio incandescente martellata sull'incudine per forgiare una lama

In un secondo tempo una lama sbozzata viene messa ad arroventare sui carboni ardenti della forgia. Lo “sbozzo” della lama viene poi modellato con il martello sull’incudine.Una volta modellata la barra d’acciaio viene resa incandescente per poi essere martellata per forgiare una lama. Tale procedimento può essere ripetuto più e più volte per realizzare lame particolarmente tenaci

Per rendere l’acciaio nello stesso tempo resistente e flessibile, adatto cioè a mantenere il taglio è però indispensabile l’operazione di Tempra.La lama arroventata al color bianco, viene immersa rapidamente in olio e acqua (a seconda del tipo di acciaio). Con questo procedimento acquista durezza, ma diviene fragile e per evitare tale inconveniente, la lama viene riscaldata nuovamente procedendo poi ad un nuovo raffreddamento nel liquido più adatto. Detto trattamento termico consistente in un riscaldamento seguito da un raffreddamento a velocità controllata per ridurre l’eccessiva durezza acquisita con la tempra viene chiamato Rinvenimento. Il trattamento di tempra più rinvenimento prende il nome di Bonifica.

Tecnica di Saldatura del Filo (Pattern Welded).

Anticamente non era poi così facile avere differenti tipi di durezze sulla stessa lama, cosa che oggi giorno grazie a dei trattamenti superficiali tipo la Cementatura risulta facile ed economico. Per essere considerata di ottima fattura una lama doveva essere flessibile in maniera che non si rompesse, ma allo stesso tempo possedere un filo resistente in maniera da non venir facilmente intaccata. Il problema della tempra effettuata uniformemente sulla lama, risulta quindi ovvio. Proprio per ovviare a questa situazione vennero costruite spade “bimetalliche” con anima in acciaio dolce e filo in acciaio duro. Detta tecnica prese il nome di “saldatura del filo”. La lama viene prima costruita e assemblata tramite pezzi di acciaio di varie durezze (dolci al centro e duri alle estremità) tenuti insieme da delle graffette metalliche. Il tutto viene scaldato a calor bianco per fare in modo che le parti si saldino assieme

 


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Ultimo aggiornamento: 15/03/2008 13.02.04.