Tratamiento térmico diferencial

Una hoja con endurecimiento diferencial generalmente se recubre con una capa aislante, como arcilla, pero dejando el filo expuesto. Cuando se calienta al rojo vivo y se enfría, el filo se enfría rápidamente, volviéndose muy duro, mientras que el resto se enfría lentamente, volviéndose mucho más blando. ^{[ 5 ] [ 6 ]} La capa aislante suele ser una mezcla de arcillas, cenizas, polvo de piedra de pulir y sales, que protege el lomo de la hoja del enfriamiento rápido durante el enfriamiento. ^{[ 7 ] [ 8 ]} La arcilla se suele aplicar pintándola, cubriendo la hoja con una capa muy gruesa alrededor del centro y el lomo, pero dejando el filo expuesto. Esto permite que el filo se enfríe muy rápidamente, convirtiéndolo en una microestructura muy dura llamada martensita , pero hace que el resto de la hoja se enfríe lentamente, convirtiéndolo en una microestructura blanda llamada perlita . Esto produce un filo excepcionalmente duro y quebradizo, pero reforzado por un metal más blando y resistente. Sin embargo, el filo suele ser demasiado duro, por lo que después del temple, toda la hoja se suele templar a unos 400 °F (204 °C) durante un breve período, para reducir la dureza del filo a unos HRc60 en la escala de dureza Rockwell . ^{[ 5 ]}  

La composición exacta de la mezcla de arcilla, el grosor del recubrimiento e incluso la temperatura del agua solían ser secretos celosamente guardados por las distintas escuelas de forja de espadas. ^{[ 8 ]} Con la mezcla de arcilla, el objetivo principal era encontrar una mezcla que resistiera altas temperaturas y se adhiriera a la hoja sin encogerse, agrietarse ni descascarillarse al secarse. A veces, el dorso de la hoja se recubría con arcilla, dejando el filo expuesto. Otras veces, se recubría toda la hoja y luego se retiraba la arcilla del filo. Otro método consistía en aplicar la arcilla en una capa gruesa en el dorso y en una capa fina en el filo, lo que proporcionaba un menor aislamiento. Al controlar el grosor del recubrimiento del filo junto con la temperatura del agua, se puede controlar la velocidad de enfriamiento de cada parte de la hoja para producir la dureza adecuada al templarla sin necesidad de un revenido posterior. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Una vez que el recubrimiento se ha secado, la hoja se calienta lenta y uniformemente para evitar que se agriete o se desprenda. Después de que la hoja alcanza la temperatura adecuada, que generalmente se determina por el brillo rojo cereza ( radiación de cuerpo negro ), se transforma en una fase llamada austenita . Para evitar el agrietamiento y lograr una dureza uniforme en cada área, el herrero debe asegurarse de que la temperatura sea uniforme, sin puntos calientes por estar cerca de las brasas. Para evitar esto, la hoja suele mantenerse en movimiento durante el calentamiento, para distribuir el calor de manera más uniforme. El temple se realiza a menudo en condiciones de poca luz para ayudar a determinar con precisión el color del brillo. Por lo general, el herrero también intenta evitar el sobrecalentamiento de la hoja para impedir que los cristales metálicos crezcan demasiado. En este momento, la hoja suele sumergirse en una cuba de agua o aceite para eliminar rápidamente el calor del filo. La arcilla, a su vez, aísla el dorso de la hoja, lo que hace que se enfríe más lentamente que el filo. ^{[ 5 ]}

Cuando el filo se enfría rápidamente, se produce una transformación sin difusión , convirtiendo la austenita en martensita muy dura. Esto requiere una caída de temperatura de alrededor de 750  °C (rojo cereza) a 450  °C (momento en el que la transformación se completa) en menos de un segundo para evitar la formación de perlita blanda . Debido a que el resto de la hoja se enfría lentamente, el carbono en la austenita tiene tiempo de precipitar , convirtiéndose en perlita. La transformación sin difusión hace que el filo se "congele" repentinamente en un estado térmicamente expandido , pero permite que el lomo se contraiga a medida que se enfría más lentamente. Esto suele hacer que la hoja se doble o curve durante el temple, ya que el lomo se contrae más que el filo. Esto da a espadas como la katana y el wakizashi sus características formas curvas. La hoja suele ser recta cuando se calienta, pero luego se curva al enfriarse; primero curvándose hacia el filo a medida que se contrae, y luego alejándose del filo a medida que el lomo se contrae más. En las espadas de corte, esta curvatura facilita el corte, pero aumenta las probabilidades de que se agrieten durante el proceso. Hasta un tercio de todas las espadas se arruinan durante el proceso de temple. ^{[ 9 ]} Sin embargo, cuando la espada no se agrieta, las tensiones internas creadas ayudan a aumentar la tenacidad de la hoja, de forma similar a la mayor tenacidad del vidrio templado . ^{[ 10 ]} La espada puede requerir un moldeado adicional después del temple y el revenido para lograr la curvatura deseada. ^{[ 6 ]}

Se debe tener cuidado de sumergir la espada rápida y verticalmente (primero el filo), ya que si un lado entra en el líquido de temple antes que el otro, el enfriamiento puede ser asimétrico y hacer que la hoja se doble lateralmente (deformación). Debido a que el temple en agua tiende a causar una pérdida repentina de carbono superficial, la espada generalmente se templará antes de que el filo sea biselado y afilado. Después del temple y el revenido, la hoja tradicionalmente se le daba una forma aproximada con una cuchilla de desbaste para cortar metal ( sen ) antes de enviarla a un pulidor para afilar, ^{[ 11 ]} aunque en los tiempos modernos a menudo se usa una lijadora de banda eléctrica en su lugar.

El endurecimiento diferencial produce dos zonas de dureza distintas, que responden de manera diferente al afilado, el pulido y el desbaste. El dorso y el centro de la hoja se desgastan mucho más rápido que el filo, por lo que el pulidor debe controlar cuidadosamente el ángulo del filo, lo que afectará la geometría de la hoja. Un pulidor inexperto puede arruinar rápidamente una hoja aplicando demasiada presión en las zonas reblandecidas, alterando rápidamente la forma de la hoja sin apenas modificar la zona endurecida. ^{[ 12 ]}

Aunque tanto la perlita como la martensita pueden pulirse hasta obtener un brillo similar al de un espejo, generalmente solo el lomo y el espinazo se pulen hasta tal punto. La parte endurecida de la hoja (yakiba) y la parte central (hira) suelen recibir un acabado mate para resaltar las diferencias de dureza. Esto provoca que las distintas microestructuras reflejen la luz de manera diferente según el ángulo de visión. La perlita presenta arañazos más largos y profundos, y puede verse brillante o, a veces, oscura, dependiendo del ángulo de visión. La martensita es más resistente a los arañazos, por lo que las abrasiones microscópicas son más pequeñas. La martensita suele verse más brillante y plana que la perlita, y esto depende menos del ángulo de visión. ^{[ 12 ]} Al pulir o grabar con ácido para revelar estas características, se observa un límite bien definido entre la parte de martensita de la hoja y la perlita. Este límite se conoce como la "línea de temple" o, en japonés, el " hamon ". Entre el borde endurecido y el hamon se encuentra una zona intermedia, denominada "nioi" en japonés, que generalmente solo es visible en ángulos amplios. El nioi tiene aproximadamente uno o dos milímetros de ancho y sigue al hamon, el cual está compuesto por granos individuales de martensita (niye) rodeados de perlita. El nioi proporciona un límite muy resistente entre el yakiba y el hira. ^{[ 11 ]}

En Japón, desde la época legendaria del famoso herrero Amakuni , los hamons eran originalmente rectos y paralelos al filo, pero en el siglo XII d. C., herreros como Shintogo Kunimitsu comenzaron a producir hamons con formas muy irregulares, lo que proporcionaba beneficios tanto mecánicos como decorativos. En el siglo XVI d. C., los herreros japoneses a menudo sobrecalentaban ligeramente sus espadas antes del temple, para producir niye bastante grandes con fines estéticos, aunque un tamaño de grano mayor tendía a debilitar un poco la espada. Durante este tiempo, en Japón se empezó a prestar gran atención a la elaboración de hamons decorativos, dando forma cuidadosamente a la arcilla. Se hizo muy común durante esta época encontrar espadas con hamons ondulados, flores o tréboles representados en la línea de temple, patas de rata, árboles u otras formas. En el siglo XVIII, los hamons decorativos se combinaban a menudo con técnicas de plegado decorativas para producir paisajes completos, con islas específicas, olas rompiendo, colinas, montañas, ríos y, a veces, se cortaban zonas bajas en la arcilla para producir niye lejos del hamon, creando efectos como pájaros en el cielo. ^{[ 13 ]}

Aunque el endurecimiento diferencial produce un filo muy duro, también deja el resto de la espada bastante blando, lo que puede hacerla propensa a doblarse bajo cargas pesadas, como al parar un golpe fuerte. También puede hacer que el filo sea más susceptible a astillarse o agrietarse. Las espadas de este tipo generalmente solo se pueden reafilar unas pocas veces antes de llegar al metal más blando debajo del filo. Sin embargo, si se protegen y mantienen adecuadamente, estas hojas generalmente pueden conservar el filo durante largos períodos de tiempo, incluso después de cortar hueso y carne, o bambú muy enmarañado para simular el corte de partes del cuerpo, como se hace en iaido . ^{[ 14 ]}

A diferencia del endurecimiento diferencial, en el revenido diferencial no existe un límite definido entre los metales más duros y más blandos, sino que el cambio de duro a blando es muy gradual, formando un continuo o "gradiente" de dureza. Sin embargo, las temperaturas de calentamiento más altas hacen que los colores se extiendan menos, creando un gradiente mucho más pronunciado, mientras que las temperaturas más bajas pueden hacer que el cambio sea más gradual, utilizando una porción menor de todo el continuo. Los colores del revenido solo representan una fracción del grado total, porque el metal se vuelve gris por encima de 650 °F (343 °C) , lo que dificulta juzgar la temperatura, pero la dureza seguirá disminuyendo a medida que aumente la temperatura. ^{[ 22 ] [ 23 ]}  

Calentar solo un área, como el extremo plano de un punzón , hará que el grado se distribuya uniformemente a lo largo de la herramienta. Dado que no siempre se desea un grado continuo a lo largo de toda la herramienta, se han ideado métodos para concentrar el cambio. Una herramienta como un cincel se puede calentar rápida pero uniformemente a lo largo de todo el mango, templándolo a un color púrpura o azul, pero permitiendo que el calor residual se conduzca rápidamente a corta distancia hasta el filo. Otro método consiste en mantener el filo en agua, manteniéndolo frío mientras se templa el resto de la herramienta. Cuando se alcanza el color adecuado, se retira el filo del agua y se deja templar con el calor residual, y se sumerge toda la herramienta en el agua cuando el filo adquiere el color adecuado. Sin embargo, calentar en áreas localizadas con temperaturas tan bajas puede ser difícil con objetos grandes, como un hacha o una maza , porque el acero puede perder demasiado calor antes de que este se conduzca al filo. A veces, el acero se calienta uniformemente hasta justo por debajo de la temperatura deseada y luego se templa diferencialmente, lo que facilita el control del cambio de temperatura. Otra opción es incrustar parcialmente el acero en un material aislante, como arena o cal, para evitar una pérdida excesiva de calor durante el templado.

El templado diferencial puede verse dificultado por la forma de la hoja. Al templar una espada de doble filo con un estrechamiento longitudinal, la punta puede alcanzar la temperatura adecuada antes que el mango. El herrero puede necesitar controlar la temperatura mediante métodos como verter agua a lo largo de ciertas partes del filo o enfriarlo con hielo, logrando que la temperatura adecuada llegue a todo el filo simultáneamente. De esta forma, aunque es menos laborioso que el endurecimiento diferencial con arcilla, una vez iniciado el proceso, el herrero debe estar atento y controlar cuidadosamente el calor. Esto deja poco margen de error, y los errores al dar forma a la zona endurecida no se pueden corregir fácilmente. Esto se complica aún más si el cuchillo o la espada tiene una curva, una forma irregular o una punta muy afilada. Las espadas templadas de esta manera, especialmente las de doble filo, generalmente deberán ser bastante anchas, permitiendo la formación de un gradiente. Sin embargo, el templado diferencial no altera la forma de la hoja. ^{[ 26 ]}

Cuando una espada, cuchillo o herramienta se templa uniformemente, todo el objeto se convierte en martensita, que es extremadamente dura, sin la formación de perlita blanda. El revenido reduce la dureza en el acero al cambiar gradualmente la martensita en una microestructura de varios carburos , como la cementita , y ferrita más blanda (hierro) , formando una microestructura llamada " martensita templada ". Cuando se templa acero de alto carbono en el método del herrero, el color proporciona una indicación general de la dureza final, aunque generalmente se requiere cierta prueba y error para que coincida con el tipo de acero para lograr la dureza exacta, porque el contenido de carbono, la velocidad de calentamiento e incluso el tipo de fuente de calor afectarán el resultado. Sin la formación de perlita, el acero se puede templar incrementalmente para lograr la dureza adecuada en cada área, asegurando que ninguna área sea demasiado blanda. ^{[ 27 ]} En las espadas de armas, por ejemplo, debido a que la hoja suele ser bastante ancha y delgada, una hoja puede ser propensa a doblarse durante el combate. Si el centro de la hoja es demasiado blando, es probable que esta curvatura sea permanente. Sin embargo, si la espada se templa hasta alcanzar una dureza elástica, será más probable que recupere su forma original. ^{[ 26 ]}

Una espada templada de esta manera generalmente no puede tener un filo tan duro como una espada de endurecimiento diferencial, como una katana, porque no hay un metal más blando directamente debajo del filo que refuerce el metal más duro. Esto hace que el filo sea más propenso a astillarse en trozos más grandes. Por lo tanto, un filo tan extremadamente duro no siempre es deseable, ya que una mayor dureza lo hace más quebradizo y menos resistente a los impactos, como cortar huesos, astas de armas de asta, golpear escudos o bloquear y parar. La espada a menudo se templa a temperaturas ligeramente más altas para aumentar la resistencia al impacto a costa de la capacidad de mantener un filo afilado al cortar. Para lograr esto, puede ser necesario templar el filo a un color pajizo oscuro o marrón, y el centro a un color azul o púrpura. Esto puede dejar muy poca diferencia entre el filo y el centro, y las ventajas de este método, en comparación con templar la espada uniformemente en algún punto intermedio, pueden no ser muy sustanciales. Cuando una espada templada de esta manera se vuelve a afilar, la dureza disminuirá con cada afilado, aunque la reducción de la dureza generalmente no será perceptible hasta que se haya eliminado una gran cantidad de acero. ^{[ 26 ]}