Acciaio

L'acciaio è ferro con una piccola quota di carbonio, dosata, di solito tra lo 0,1 e l'1,5% circa. Si forgia a caldo; con abbastanza carbonio si indurisce scaldandolo e temprandolo, e il rinvenimento lo rende poi più tenace a scapito di un po' di durezza.

Che cos’è

Il ferro puro è tenero: un coltello fatto di ferro si piega e perde presto il filo. Basta aggiungere un po’ di carbonio, da qualche decimo di punto percentuale fino a circa uno e mezzo, e il metallo si forgia ancora a caldo. Con abbastanza carbonio, scaldato e immerso in acqua o in olio, diventa abbastanza duro da incidere il ferro. Quella lega è l’acciaio.

Per il suo carbonio sta a metà fra altri due materiali. Il ferro battuto non contiene quasi carbonio: è tenace e si salda bene, ma non indurisce. La ghisa ne contiene dal 2 al 4%: si cola nelle forme, ma è fragile e non si forgia. L’acciaio invece passa da duro a tenace a seconda di come il fabbro lo scalda e lo raffredda. Oggi è di gran lunga il metallo più usato.

Come funziona

Gli atomi di carbonio sono piccoli e si sistemano negli spazi fra quelli del ferro. Il ferro freddo ne trattiene pochissimo, e l’eccesso forma carburo di ferro, durissimo. In un acciaio raffreddato lentamente il carburo si dispone in lamelle sottili alternate a ferro tenero: un insieme robusto, che si lima ancora.

Sopra i 727 °C circa il cristallo del ferro comincia a riorganizzarsi in una forma che scioglie il carbonio, e a trasformazione compiuta la calamita non lo attira più. La temperatura e il tempo di permanenza necessari per sciogliere abbastanza carburo dipendono dal tipo di acciaio. Se il pezzo si raffredda piano, il carbonio torna fuori come carburo. Se viene temprato non ne ha il tempo: resta intrappolato in un cristallo deformato, la martensite, durissima e fragile come il vetro.

Quando si scalda il gambo, i colori avanzano verso il tagliente; il fabbro raffredda l’utensile quando vi arriva quello giusto.

Per questo si fa il rinvenimento: l’acciaio viene riscaldato fra 200 e 350 °C circa, la tensione si allenta e il metallo diventa molto più tenace a scapito di un po’ di durezza. Sull’acciaio lucidato si forma una sottile pellicola di ossido il cui colore segue la temperatura, dal paglierino chiaro verso 210 °C fino al blu scuro verso 290 °C, passando per il bruno e il porpora. Quei colori, che dipendono anche dal tempo e dallo stato della superficie, sono stati per secoli la guida approssimativa del fabbro: paglierino per un rasoio o uno scalpello da legno, porpora o blu per una molla. La ricottura, che scalda e poi raffredda molto lentamente, porta invece allo stato più tenero, facile da segare e da limare.

Sotto lo 0,3% circa di carbonio l’acciaio indurisce poco; con più carbonio diventa più duro e sopporta peggio i colpi. Un ferro chiuso nel carbone di legna e tenuto al rosso per ore assorbe carbonio dalla superficie. Temprato in seguito, acquista una pelle dura sopra un cuore tenace: è la cementazione seguita da tempra.

Come costruirlo

Il trattamento termico è la parte della siderurgia alla portata di una piccola officina. Conviene partire da una barra di acciaio da utensili non legato ad alto carbonio, di qualità nota, e conservare la scheda del fornitore, che indica temperature, tempi di permanenza e mezzo di tempra esatti. Una vecchia lima è la fonte tradizionale, ma il suo acciaio è sconosciuto e alcune lime economiche sono indurite solo in superficie.

Addolcire e sagomare. Ricuocere la barra come indica la sua scheda. Il metodo tradizionale, portarla al rosso scuro e lasciarla raffreddare per una notte nella cenere di legna, è solo approssimativo. Molare la barra addolcita in un piccolo punzone o in uno scalpello da ferro, tenendola fredda.

Temprare. Scaldare in modo uniforme l’estremità di lavoro nel fuoco di carbone di legna o con un cannello a gas. Il segno tradizionale è che la calamita non si attacchi più, poi ancora un po’ di calore, fino al rosso ciliegia visto in ombra, ma temperatura e permanenza indicate dalla scheda sono più affidabili. Immergere il pezzo diritto e per intero nel mezzo di tempra indicato, di solito olio per un piccolo utensile, in un bagno di parecchi litri tenuto ben al di sotto del suo punto di infiammabilità. Muovere il pezzo su e giù finché non si raffredda.

Verificare. Una lima nuova passata sull’estremità temprata deve scivolare senza mordere. Se morde, forse solo la superficie ha perso carbonio nel fuoco, oppure la tempra non è riuscita: molare un piccolo punto fino al metallo lucido e riprovare prima di scaldare di nuovo.

Rinvenire subito. La scheda indica temperatura e durata del rinvenimento, che un forno mantiene meglio: un ciclo comune è un’ora in temperatura, un raffreddamento fino a temperatura ambiente e una seconda ora. Il metodo tradizionale è più rapido e solo approssimativo. Lucidare l’estremità con carta abrasiva, scaldare lentamente il gambo e guardare i colori che avanzano verso la punta. Raffreddare l’utensile quando il bruno o il porpora, verso 260–270 °C, raggiunge il tagliente di uno scalpello da ferro, o il paglierino, verso 220 °C, quello di uno scalpello da legno.

Sicurezza. Il calore della forgia provoca ustioni profonde, e l’acciaio sotto il rosso sembra freddo anche quando non lo è: trattare ogni pezzo come caldo. Indossare occhiali protettivi, con una visiera sopra durante la tempra, guanti di cuoio per maneggiare i pezzi caldi ma mai alla mola, scarpe di cuoio e abiti di cotone o di lana. Lavorare all’aperto o con forte ventilazione, perché la forgia libera monossido di carbonio e l’olio caldo fumo. Usare un contenitore metallico per l’olio con un coperchio metallico a portata di mano, e immergere il pezzo per intero e in fretta, il che limita le fiammate. Se si incendia, chiudere il coperchio; non gettare mai acqua sull’olio in fiamme né lasciare che l’acqua entri nell’olio caldo. Tenere vicino un estintore a polvere. Non battere, piegare, lasciar cadere o tentare di spezzare mai un acciaio temprato e non rinvenuto: può spaccarsi e lanciare schegge taglienti.

Storia ed evoluzione

Frammenti da Kaman-Kalehöyük, in Anatolia, del 1800 a.C. circa, contengono già acciaio, probabilmente per caso. Un piccone da minatore del monte Adir, in Galilea, a lungo datato al XII secolo a.C., mostra una struttura temprata e leggermente rinvenuta, ma la sua data è stata poi messa in dubbio. Nessun ritrovamento fissa l’inizio della produzione intenzionale di acciaio. Questa tavola adotta per convenzione il 1000 a.C. circa, l’epoca in cui il ferro entrò nell’uso comune nel Levante, fra il 1100 e il 900 a.C. circa.

Un crogiolo spezzato dopo la cottura e la focaccia d’acciaio che conteneva.

Nell’India meridionale il ferro veniva chiuso in crogioli d’argilla con materia ricca di carbonio e fuso in focacce uniformi con l’1–1,5% di carbonio; i crogioli di Kodumanal, nel Tamil Nadu, risalgono al II secolo a.C. circa. Questo acciaio al crogiolo, che gli europei chiamarono poi wootz, è quello delle lame dal disegno marezzato note come acciaio di Damasco. In Sri Lanka, forni sui pendii soffiati dal monsone produssero acciaio fra il VII e l’XI secolo, forse per il commercio nell’oceano Indiano.

La Cina seguì ancora un’altra strada. Una tomba dello stato di Yan, dell’inizio del III secolo a.C., contiene già acciaio temprato, ma il ferro cinese era allora soprattutto ghisa. Togliendole carbonio si ottenevano metalli più teneri: tenuta calda all’aria per giorni, oppure rimestata in un focolare di affinazione sotto il soffio dei mantici, la ghisa diventava acciaio o ferro dolce. I focolari di affinazione scavati risalgono al I secolo a.C.

Nella cassa di cementazione le barre di ferro restano una settimana o più nel carbone ed escono coperte di vesciche.

L’Europa moderna usò la cementazione, messa a punto prima in Germania. A Derwentcote, in Inghilterra, dal 1730 circa, barre di ferro svedese sepolte nel carbone di legna restavano da sei a dieci giorni sopra i 1.100 °C; l’acciaio vescicolare veniva poi riunito in pacchi e saldato alla forgia per renderlo più uniforme. Verso il 1740 l’orologiaio Benjamin Huntsman fuse l’acciaio vescicolare in crogioli e lo colò in un acciaio omogeneo.

Nel 1856 Henry Bessemer soffiò aria attraverso la ghisa fusa: carbonio e silicio bruciarono e il loro calore mantenne liquido il metallo. Negli anni Sessanta dell’Ottocento arrivarono i forni Martin-Siemens. Nel 1952, a Linz, in Austria, entrarono in funzione convertitori soffiati con ossigeno puro; producono ancora la maggior parte dell’acciaio, mentre i forni elettrici, alimentati soprattutto con rottami, ne danno circa il 29%.