Un proceso de acabado y afilado en piedra de agua, anteriores al temple, y un afilado y pulido finales, después del temple, con el mismo procedimiento dan la forma final a las piezas forjadas.

El aspecto final se obtiene mediante ataque ácido oxidante con Nital del 4-12 % en peso (solución alcohólica de ácido nítrico), o solución alcohólica acidificada con ácido clorhídrico o con ácido nitrico; o bien, con sulfato o cloruro férrico.

El contenido objeto de esta patente se encuentra enclavado dentro del campo técnico de la metalurgia.

ANTECEDENTES La invención se refiere a un proceso para la forja de aceros de Damasco, acero que atemorizó y fascinó a los europeos desde la Edad Media, manteniendo oculto su secreto hasta el mismo siglo XX. Su dureza, y el extremado poder cortante de su filo, los debía a su alto contenido en carbono y a los necesarios, a la vez que cuidadosos y rigurosos,

tratamientos de forja en caliente y de temple. Las espadas fabricadas con este acero resultaron insuperables, ya que hasta el presente no se han podido diseñar materiales que puedan competir con ellas.

El descubrimiento del secreto del acero de Damasco ha supuesto un auténtico reto de siglos para los cientificos europeos, que han especulado e investigado con verdadero ahinco para resolverlo. Sólo hasta la segunda mitad del siglo XIX, con la aparición de los procesos Bessemer y Siemens-Martin de afino del acero, no decayó este interés por un material que se consideró hasta entonces insuperable por sus características mecánicas y su espléndida belleza. Michael Faraday, célebre quimico y fisico inglés, en 1819, y Jean Robert Breant, inspector de la casa de la moneda de Paris, dos años después, propusieron que la notable resistencia, tenacidad y fuerza del acero de Damasco dependían de su alto contenido en carbono.

El proceso de fabricación objeto de la patente pretende cubrir el campo de los antiguos y legendarios aceros de Damasco. Se trata de fabricar la espada, siguiendo un proceso en el que mediante tratamientos termomecánicos se da forma-conformación-a la hoja, a la vez que se la confiere sus excelentes características mecánicas y hermoso aspecto externo. En esta etapa reside lo más crítico del secreto de este acero, es decir, la temperatura de forja en caliente. Esta debe ser suficiente para permitir el trabajo plástico de conformación, y no excesivamente alta para evitar la formación de fases cuya presencia sea perjudicial en las futuras propiedades mecánicas.

El trabajo del herrero resulta muy penoso, debiendo trabajar en unas condiciones especiales y un lugar oscuro para la mejor observación del color rojo del acero en caliente.

Resulta imprescindible golpear y calentar en una secuencia rápida y continua, ésto es, realizar pocos golpes y volver a calentar enseguida, con el propósito de mantenerse siempre en el intervalo de temperatura adecuado. También es necesario realizar un cepillado constante de la superficie al rojo con el fin de eliminar la cascarilla que se forma y así poder observar el color claramente.

El tiempo y la cadencia de la forja se controlaban con bastante exactitud, recitando diversos cantos, en lugares del mundo islámico, o rezos de largas letanías. Esto era especialmente común en Andalucía; no hay cante más severo y rítmico que el cante flamenco del martinete procedente del trabajo de los herreros andaluces.

Conseguida la forma adecuada de la espada, en el intervalo de temperatura adecuado, se impone el tratamiento térmico final de temple para acercar las características mecánicas al objetivo trazado : gran resistencia y dureza. El enfriamiento desde una temperatura más o menos elevada puede suponer un mayor o menor endurecimiento del arma, llegando, incluso, ha hacerla frágil.

Hay que reconocer que en la operación de forja radica la clave de mejorar el trabajo de forja o arruinarlo definitivamente. Tanto es así, que en numerosos casos no se templaba; temiendo el riesgo, por desconocimiento o mal control, de fragilizar en exceso.

De todas formas, estos aceros,"bien templados"es como adquieren sus máximas propiedades; habiéndose logrado tenacidades y resistencias prácticamente inalcanzables hasta nuestros días.

Hoy dia se sabe que las diferentes estructuras de enfriamiento rápido de un acero dependen de la temperatura desde la que se efectúe este, y del tiempo en que se mantenga a las distintas temperaturas intermedias hasta llegar al enfriamiento total.

La severidad del temple viene también influida por la temperatura o las características del líquido templante. Esta severidad es critica, ya que puede provocar, en algunos casos, la aparición de tensiones residuales intensas, que traerán como consecuencia mecánica negativa la formación de grietas y deformaciones. Las propiedades templantes de un líquido se derivan de las características fisico-químicas y naturaleza de este y de la temperatura.

Los herreros antiguos y medievales sabían de la existencia de toda esta serie de variables gracias a la intuición y experiencia en su trabajo. Habían comprobado que el agua tibia-30 a 40°C-era menos endurecedora para el acero al rojo y, también, que había que realizar enfriamientos escalonados hasta la temperatura de temple, para que al sumergir la espada no quedaran tensiones fragilizantes en la hoja acerada. Así, después de la forja cuidadosa a la temperatura adecuada en el menor tiempo posible, se calentaba la espada hasta acercarse al rojo cereza; enfriando después, muy rápidamente, hasta que desapareciera el color púrpura real.

Este acero, con ser mecánicamente inmejorable, posee el atractivo de su bellísimo aspecto a base de unas dibujos en forma de aguas muy visibles con aspecto como de "barba china". Estas aguas caracterizan las superficies pulidas de estas espadas y servian de contraste y control de calidad de la época. No era fácil hacer que aparecieran estas bellas aguas, característica exclusiva de estos aceros, de una manera nítida, y es bastante normal encontrar espadas excelentemente fabricadas con el acero de Damasco que no las presentan. La forja cuidadosa de las estructuras del acero es la que trae como consecuencia la formación de bandas.

El pulido final de la espada, y el ataque quimico diferencial, resaltan la estructura estriada dando una imagen bellísima y muy característica. Generalmente, se utilizaba un ataque ácido junto con alguna substancia oxidante. El libro Kitab Sirr al-Assar o Libro de los Secretos del alquimista árabe del siglo X, Abu Bakr Muhammad ibn Zakariya al-Razi (860-923), llamado Razés en Occidente, contiene varias recetas de las"aguas ardientes" utilizadas para el ataque o disolución de los metales. La combinación de ácidos como el vinage, la leche agria y el jugo de limón, junto con vitriolos, sales de amoníaco, etc., producían unas combinaciones químicas eficaces para conseguir el ataque del acero de Damasco.

La invención objeto de esta patente se refiere a un proceso de forja de aceros de Damasco totalmente artesanal. Existen referencias de trabajos anteriores, debidas a Wadsworth, Serby y Oyama, en los cuales se trabaja de forma industrial con aceros de alto

contenido en carbono y aleados con diversos elementos quimicos. En este caso no se puede hablar de"Genuino Acero de Damasco".

El nuevo proceso proporciona un gran número de ventajas, entre ellas la no utilización de aleantes ni de utillaje de trabajo excesivamente costoso. Como principal objetivo se puede considerar la recuperación y puesta a punto de los métodos artesanales de fabricación.

EXPLICACION DE LA INVENCION La presente invención se refiere a un proceso para la forja de aceros de muy alto contenido en carbono. Es una tecnología diseñada para fabricar, por forja y temple artesanales, armas blancas con aceros de muy alto contenido en carbono que oscila entre el 1,4 y 2,1 % en masa de este elemento.

El proceso consiste en la forja en caliente a temperaturas de 650 a 850°C.

El proceso, objeto de la invención, contempla cuatro etapas : 1.-Forja en caliente y mecanizado de acabado 2.-Temple y mecanizado final 3.-Control de calidad, certificación y acabado con el grabado de la marca 4.-Ataque quimico y protección final Una etapa previa consiste en la obtención del acero base.

Se trata de obtener un acero cuyo contenido en carbono oscila entre el 1,4 y 2,1 % en masa, presentando en niveles bajos las impurezas típicas de los aceros al carbono, como el silicio, manganeso, azufre y fósforo y otros elementos de traza.

En todos los casos el acero se calienta a 1100-1300°C durante 2 a 16 horas y finalmente se enfila lentamente en horno de fosa, o en horno de calentamiento a una velocidad de 10°C/hora. En esta temperatura debe permanecer 30 minutos y después se enfila de nuevo lentamente en el horno. Todos estos procesos se realizan en atmósfera inerte de Argón o en crisol de alumina refractaria sellado, conteniendo una mezcla de grafito (60-70%) y carbonato de bario (30-40%). Finalmente se lamina o forja para obtener piezas adecuadas de tamaño, a temperaturas comprendidas entre los 650 y los 850°C.

1.-La primera fase consiste en la forja en caliente y mecanizado de acabado basto.

Se corta la pieza del tamaño adecuado y por laminación o forja en caliente se le da una forma aproximada al diseño final del arma blanca. La temperatura de trabajo debe situarse siempre en el intervalo de 650 a 850°C, dependiendo del contenido en carbono. El trabajo final de forja, que da la forma definitiva al diseño, se realiza en fragua artesanal empleando de forma alternativa y/o conjunta la forja manual o mecánica (martinete).

También puede utilizarse una laminadora para llevar a cabo este proceso de forja, teniendo en cuenta que esta ultima forma de trabajo puede, del mismo modo, emplearse conjuntamente o como alternativa a la forja manual o mecánica.

El proceso de forja o laminado debe realizarse trabajando el metal en caliente en el intervalo del rojo cereza y el rojo sangre (650-850°C). El tiempo de trabajo debe ser rápido y por ningún motivo, y ningún instante, la pieza puede adquirir una temperatura por encima del intervalo antes referido. Obtenida la forja se enfiia al aire. La operación se realiza parcial o totalmente en fragua tradicional.

A continuación se realiza la operación de mecanizado para conseguir el acabado basto de las superficies y el filo. La operación se debe realizar en piedra de agua. En los casos en que la hoja de acero presente caras planas de geometría sencilla se podrá realizar el rectificado y alisado en rectificadora comercial.

2.-La segunda fase consiste en un temple del acero y mecanizado de acabado final.

Forjada la hoja de acero se pasa a la operación de temple. En algunos casos y cuando el contenido en carbono está en el limite más alto, o próximo a él, la operación de temple no se efectúa por innecesaria y por precaución. Las características mecánicas son muy buenas y no necesitan de ninguna operación de temple. Para el caso de aceros con contenidos en carbono en el limite inferior, o próximos a él, se puede efectuar la operación de temple. En este caso, las características mecánicas resultantes son inmejorables. La operación, muy compleja y artesanal, se efectúa en las siguientes fases : a.-Calentamiento homogéneo de la pieza a temperaturas por encima de los 720°C y no superando nunca los 800°C. b.-Enfriamiento al aire hasta el rojo púrpura e inmersión en agua salinizada con cloruro sódico (5-13 gr/1), cloruro potásico (4-7 gr/1) y urea (10-19 gr/1), a la temperatura entre 35 a 40°C, hasta que cesa el chisporroteo fuerte en el agua c.-Se extrae de la solución acuosa salinizada en el momento en que va a cesar ese chisporroteo fuerte y se sigue enfriando al aire hasta la aparición de manchas blancas; sumergiéndose, finalmente, en la solución salina hasta el enfriamiento total.

La segunda fase (denominada b) se hace sumergiendo la hoja de acero de perfil, en posición paralela a la superficie líquida, en la que se hará flotar un papel absorbente o paño basto impregnados en aceite de oliva, semillas vegetales o similar.

Templada la hoja de acero se terminan sus superficies y su filo en piedra agua; pasándose, finalmente, al desbaste con papel de esmeril hasta el grado 600-800 y pulido con alúmina de los tamaños de grano correspondientes a los tipos O y D; llegándose al l acabado final de la hoja de acero.

3.-La tercera fase consiste en realizar un control de calidad, certificación y grabado de la marca, con punzón o químicamente.

Acabada la hoja de acero se examina por microscopía óptica y se determinan sus caracteristicas mecánicas de dureza superficial Shore y másicas Brinell, Vickers y Rockwell C. y módulo de elasticidad por ultrasonidos. Comprobado que los datos obtenidos se corresponden con el diseño inicial, se redacta su certificación y se graba la marca, con punzón o químicamente.

4.-La cuarta fase consiste en la realización de un ataque químico y protección final.

Una vez limpia la hoja de acero de cualquier suciedad, se ataca químicamente con Nital 4-12 % (Solución alcohólica de ácido nítrico concentrado) o con Tierra de Damasco (Solución acuosa o alcohólica de sulfato férrico o cloruro férrico acidificada con ácido clorhídrico concentrado o ácidos orgánicos como cítrico, acético o málico) en diferentes proporciones según el contenido en carbono del acero y el tratamiento térmico de enfriamiento después de la forja. Después de un lavado enérgico en agua se seca con un paño o con chorro de aire.

El resultado del ataque químico se adjuntará a la hoja de certificación.

Cuando la hoja de acero se ha secado, después de la operación de ataque químico, y con el objeto de proteger sus superficies de la corrosión, se pasa al lacado o encerado. El lacado se puede efectuar con resinas elásticas, transparentes y muy adherentes, del tipo de las nitrocelulósicas, poliuretanos, acrílicas, etc. El encerado se puede efectuar con cera microcristalina calentando previamente el acero a poco más de 100°C con soplador de aire caliente. Y también se puede encerar con cera de carnauba y similares en emulsiones acuosas.

Para usos no decorativos, se prescindirá de la etapa de protección, garantizándose en este caso la suficiente resistencia de la hoja a los agentes corrosivos ambientales.

El producto obtenido mediante este proceso de forja de aceros tiene un uso preferente en la fabricación de armas blancas (usos deportivos, decorativos, militares, de caza, de despiece, etc.) o herramientas de trabajo con filo cortante resistentes al desgaste y de gran tenacidad (útiles de maquinaria, cualquier tipo de útiles de herramienta usada en talleres mecánicos).

MODO DE REALIZACION DE LA INVENCION Para facilitar una explicación más detallada y su comprensión, exponemos un modo de realización preferente de la invención.

La fabricación de un ejemplar de espada en acero de Damasco exige una secuencia cuidadosa de operaciones encadenadas que se describen a continuación.

1. Fabricación del acero base.

En horno de inducción y con crisol de alúmina se funde hierro ARMCO y grafito en la proporción de 1,75% en masa de carbono. El metal fundido se cuela en un molde refractario o cerámico; obteniéndose, normalmente, un lingote de entre 12,5 y 16 Kg. de peso.

2. Tratamiento térmico de homogeneización y crecimiento de grano austenitico en el acero obtenido.

El lingote de acero se calienta entre 1100°C-1300°C en horno eléctrico y atmósfera inerte de Argón o en crisol de alumina refractaria sellado, conteniendo una mecla de grafito (60-70%) y carbonato de bario (30-40%), entre 2 y 16 horas; dejándose

enfriar lentamente hasta los 700° C a una velocidad de 10°C/hora. En esta temperatura debe permanecer 30 minutos y después se enfria de nuevo lentamente en el horno.

3. Corte del lingote de acero.

El lingote de acero se trocea con sierra mecánica en piezas que se ajusten en peso y volumen al modelo de espada seleccionado; tratando de cortar paralelepípedos que resulten adecuados para el trabajo de forja manual, mecánica (martinete) o en laminadora.

4. Forja en caliente del acero.

La pieza de acero seleccionada se calienta en el horno a 750° C y se forja mediante martilleado manual y/o de forma mecánica empleándose un martillo pilón o martinete. La forja mediante martilleado se combina con la laminación de la pieza de acero en pasadas con reducciones de 0,5 milímetros. Llegando al espesor adecuado a la hoja, se acaba la forja de forma manual en la fragua a temperaturas comprendidas entre 650 y 850°C para darle la forma definitiva. Esta ultima etapa de fragua puede ser sustituida, en algunos modelos de acabados muy geométricos, por mecanizado en maquina herramienta.

5. Rectificado y alisado de las superficies de la hoja de acero.

En el caso de que el perfil de la hoja de acero no presente caras planas, la operación de rectificado y alisado de las superficies se lleva a cabo manualmente con piedra de agua. En los casos en que la hoja presente caras planas de geometría sencilla se podrá realizar el rectificado y alisado en rectificadora comercial.

6. Operación de temple de la hoja de acero.

Una vez obtenido el perfil final, se lleva a cabo la operación de temple. Para ello se prepara un baño de temple de agua salinizada con cloruro sódico (5-13 gr/1), cloruro potásico (4-7gr/1) y urea (10-19 gr/1).

Se calienta la hoja de acero en fragua hasta una temperatura entre 720 y 800°C. Se enfila al aire hasta 650 °C (rojo cereza) y se introduce la hoja, de perfil y en posición paralela a la superficie liquida, en el bano de temple sobre el que flota un papel de estraza impregnado en aceite de oliva.

En el momento que cesa el fuerte chisporroteo de la hoja en el líquido, se procede a la extracción de la hoja, enfriándose al aire hasta la aparición de unas manchas blancas.

Posteriormente se introduce la hoja de nuevo en la solución templante hasta el enfriamiento total.

7. Operación de mecanizado o acabado final de la hoja de acero.

Una vez templada la hoja de acero, se procede a la mecanización, afilado y pulido final, mediante piedra de agua, papel de esmeril y alúmina de los tamaños de grano correspondientes a los tipos O y D. Este conjunto de operaciones da a la hoja de acero su forma final.

8. Operación de marcado, control y certificación de calidad de la hoja de acero.

En esta etapa se determinan las características mecánicas de la hoja mediante dureza superficial Shore y másica Rockwell, debiendo conseguirse unos valores entre 30 y 50 Rockwell C. Los valores del módulo de elasticidad deben adecuarse a los de diseños inciales. Comprobado que los datos obtenidos se corresponden con el diseño inicial se redacta su certificación y se procede al grabado de la marca, con punzón o químicamente, y referencia de fabricación en la parte de la hoja que quedará oculta por la empuñadura.

9. Operación de ataque químico y protección final de la hoja de acero.

Terminada la hoja de acero, se ataca con Nital al 4% (disolución de ácido nítrico concentrado en etanol), durante 4 o 5 minutos; pasándose a continuación a un lavado enérgico con agua y secado con paño de algodón o con chorro de aire. El examen de las

marcas dejadas por el ataque en la hoja se observa mediante Microscopía óptica y los resultados se adjuntan al certificado de calidad. Para la mejor conservación de la hoja de acero se puede dar una capa de cera microcristalina o cera de carnauba. Para usos no decorativos, se prescindirá de la etapa de protección, garantizándose en este caso la suficiente resistencia de la hoja a los agentes corrosivos ambientales.