Le fer tombe le masque - 09/12/2006

Fers, fontes, aciers, une trilogie que tous les écoliers du vingtième siècle connaissaient… mais la sidérurgie a changé de région, nos usines ont fermé et les chapitres sont sortis des programmes…

Mais tous les jours l'acier est présent dans notre vie à tout instant, il est même si courant, si usuel, que nous en confondons les termes fer et acier : on parle de l'un ou de l'autre sans faire de différence, il est vrai qu'il n'y en a pas beaucoup et qu'à l'âge du fer on fabriquait souvent de l'acier ! Et si l'on doit faire une différence la première qui vienne à l'esprit est l'association « acier = progrès ».

A l'âge du fer certains avaient peur que le ciel leur tombe sur la tête… voici donc pour commencer ce dossier l'image du plus gros morceau de fer tombé du ciel : il s'agit de la météorite ferreuse de Hoba en Namibie. Découverte en 1920 elle mesure 3m par 2,5m et est composée de 82% de fer et 16% de nickel, cuivre, cobalt, chrome. Sa masse est estimée à 55 tonnes…Il arrive que « le ciel nous tombe sur la tête » ! Bonne lecture…

Météorite de Hoba, Namibie

Après l'oxygène - 50% - le silicium - 26% - l'aluminium - 8% - le fer arrive en quatrième position dans les éléments les plus présents sur Terre avec 5%.

Il appartient à la première série des éléments de transition, l'isotope le plus abondant a une masse atomique de 56, son numéro atomique est 26 et les électrons sont distribués selon : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d6, 4s2.

Symbole	Fe
Numéro atomique	26 avec les isotopes : 54 – 56 – 57 - 58
Masse molaire	55,845
Masse volumique	7874kg.m-3
Point de fusion	1536°C
Point d'ébullition	2861°C
Résistivité	9,7.10-8Ω.m
Dureté	4

La ténacité : résistance à la rupture par traction. Le fer est tenace : la charge de rupture d'un fil de 1mm² de section est de 30kg environ.
La malléabilité : permet de faire des feuilles de métal.
La ductilité : permet de faire des fils.

A - Les formes du fer :

Les alliages : certains métaux peuvent former des « solutions solides » avec d'autres éléments ou intégrer des « impuretés » dans leur réseau cristallin ; le carbone intégré dans le réseau cristallin du fer donne de l'acier ou de la fonte. Un alliage modifie les propriétés physiques du métal, l'acier est, en effet, plus dur, plus résistant mais moins ductile que le fer pur. (voir page sur l'acier)

Le principal défaut du fer est son affinité pour l'oxygène et l'eau. La rouille - hydroxyde de fer - attaque le métal dans toute son épaisseur et limite la durée de vie des objets en fer.

Le fer se trouve toujours dans la nature sous forme de composés chimiques ou d'alliages dans les météorites ; on ne connaît que deux cas de fer natif : le fer au nickel d'origine magmatique avec 90% de fer donc de même composition que le fer météoritique et le fer basaltique (Ovifak-Groenland) dans lequel la concentration de nickel tend vers zéro ; on attribue ce dernier à une réduction du magma au contact de couches de charbon, il contient, en effet, de la cohénite Fe₃C en concentration assez importante. On en a trouvé des masses allant jusqu'à 25 tonnes.

Pour les minerais les plus courants, des composés donc, on a :

-- la limonite : un mélange d'oxydes et d'hydroxydes de fer plus ou moins hydratés dont la goethite. La limonite est souvent présente dans des roches d'origine magmatique ou métamorphique. Mélangée à de l'argile elle donne des ocres plus ou moins jaunes. Attention : le terme hématite brune est synonyme de limonite et non d'hématite.

-- la goethite : FeO-OH.nH₂O orthorhombique, cristallisée en prismes courts, lamelles ou concrétions. C'est donc un oxyde dans lequel le pourcentage de fer peut dépasser 60%. Sa densité est de 3,96, sa dureté Mohs de 4. De couleur noire brillante sous forme cristalline, elle est de couleur brun jaune sous forme terreuse. On la trouve en couche, en chapeau de fer et dans les latérites.

Concrétions d'hématite

-- l'hématite : Fe₂O₃ rhomboédrique, ses formes de cristallisation dépendent de la température de solidification. C'est aussi on oxyde qui contient jusqu'à 73% de fer. De densité 5,26 de dureté 6, elle est gris brillant sous forme cristallisée (on en fait des perles) et brun rouge sous forme terreuse. L'hématite est le minerai de fer type : sous forme anhydre, elle prend le nom d'oligiste (ou hématite rouge) ; sous forme hydratée, elle prend le nom de limonite (ou hématite brune). On la trouve dans des veines, des couches et dans les chapeaux de fer. Les chapeaux de fer ou gossans correspondent à des formations rougeâtres constituées par des oxydes de fer et des hydroxydes résultant de l'altération des sulfures par les eaux de surface selon la réaction :

2 FeS₂ + 7,5 O₂ + 8H₂O + CO₂ -> 2Fe(OH)₃ + 4H₂SO₄ + H₂CO₃

Ces acides facilitent la dissolution et le phénomène s'accentue. Dans le cas d'un gisement polymétallique seul le fer est insoluble et s'accumule sur place. Les autres métaux forment un horizon enrichi, plus bas dans la zone de cémentation parce qu'ils sont emportés par lessivage. Les chapeaux de fer sont en général plus durs et plus résistants que les roches encaissantes et finissent par former un relief.

Le chapeau de fer

Citons encore dans les minerais la magnétite : Fe₃O₄ contient 70% de fer, la sidérite : FeCO₃ un carbonate, en contient 48% et la pyrite qui peut contenir 46% de fer.

Sidérite

Il y a naturellement d'autres composés naturels du fer qui ne sont pas forcément des minerais intéressants, parmi lesquels il faut mentionner les silicates, le fer étant présent dans tous les minéraux basiques : pyroxènes, amphiboles, grenats, olivine, micas, épidotes.

Pyrite

Il y en a bien d'autres encore, comme des alliages naturels par exemple les météorites alliages de fer et de nickel.

Météorite coupée

-- l'ocre est un nom général pour une terre contenant du fer mais la couleur change selon le composé présent : rouge pour l'hématite, brune pour la limonite et jaune pour la goethite…

L'INRA met en évidence un nouvel oxyde de fer : la fougérite. Découvert dans les sols de la forêt de Fougères, en Ille-et-Vilaine, il vient d'obtenir son homologation par l'Association Internationale de Minéralogie (en 2004).

La couleur bleu-vert de certains sols, virant au jaune au contact de l'air est utilisée depuis 1905 comme critère universel de reconnaissance des gleys, sols gorgés d'eau et réducteurs. Présents sous tous les climats, ils sont difficiles à valoriser. En 1996, les chercheurs du centre INRA d'Avignon, en collaboration avec le CNRS et l'Université Henri Poincaré de Nancy, ont pu montrer que le minéral naturel donnant leur couleur aux gleys appartient aux " rouilles vertes ". Il a fallu étudier à la fois la qualité des eaux du sol, les réactions chimiques solides - solutions, et les formes solides du fer dans le sol. L'approche pluridisciplinaire, combinant la science du sol, la géochimie, la minéralogie, la cristallographie, la physique du solide et la modélisation thermodynamique, a permis de montrer que dans le sol, la fougérite est le principal intermédiaire cristallin entre le fer II, soluble, et le fer III, insoluble. Indicateur très sensible des conditions d'aérobiose / anaérobiose, la fougérite de couleur bleu-vert se transforme en lépidocrocite ou en goethite, de couleur ocre s'il y a de l'oxygène. Elle peut, de plus, limiter la dénitrification par compétition avec le nitrate pour la respiration des microorganismes aérobies facultatifs ou anaérobies, ou par réduction directe en ammonium. Elle agit aussi sur des métaux polluants, comme Cu, Zn, Ni.

Pour plus d'infos : contacts INRA :F. Trolard-Stoll, trolard(arobase)aix.inra.fr et G. Bourrié, bourrie(arobase)aix.inra.fr

B - Métallurgie du fer , principes

Le grillage du minerai permet d'obtenir un oxyde de fer débarrassé des impuretés - soufre, phosphore et eau - qu'on y trouve généralement. Voici une réaction qui se produit pendant le grillage :

4 FeS₂ + 11O₂ -> 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂

Minerai brut - Goethite

On voit très bien la modification du minerai pendant le grillage, ces 2 photos étant prises sur les mêmes cailloux. A la place du grillage et pour certains minerais on fait une calcination dont voici la réaction :

Minerai grillé

4 FeCO₃ + O₂ -> 2 Fe₂O₃ + 4 CO₂

Il faut ensuite réduire l'oxyde pour obtenir du fer métallique selon la réaction générale en métallurgie :
MO + CO -> CO₂ + M

Ou MO est l'oxyde métallique, CO le monoxyde de carbone qui sert de réducteur, M le métal réduit donc sous forme métallique utilisable.

Soit pour le fer :
Fe₂O₃ + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO₂
Cette réaction se produit vers 1200° C.

D'autre part dans la colonne de chauffe se produit une oxydation de l'hématite qui donne de la magnétite laquelle sera transformée en scorie et fer métallique selon les proportions suivantes :

3 Fe₂O₃ -> 2 Fe₃O₄ -> 2 Fe₂SiO₄ + 2 Fe

soit, stoechiométriquement une quantité de fer métallique égale à la moitié de la quantité de fer présente dans la scorie ! Il vaut donc mieux avoir un minerai riche en fer - une teneur d'au moins 50%.

Donc après le grillage et concassage on peut enrichir le minerai en le triant avec un aimant, par exemple.
Pour le détail la transformation en fer se fait selon les étapes suivantes :

Fe₂O₃ forme α à 400 °C - hématite -> Fe₂O₃ forme γ à 450°C - maguénite (aimantée) -> Fe₃O₄ à 700°C - magnétite (aimantée) -> FeO à 850°C - wüstite -> Fe-C métal à 1200-1300°C

Pour réussir cette transformation il faut une colonne de four de 1,2 mètre, au moins, de haut, d'où la construction de 1,5 m pour le bas-fourneau de la page suivante. Le diagramme ci-dessous montre les zones de stabilité des différents composés du fer en fonction de la composition de l'atmosphère plus ou moins riche en monoxyde de carbone dans un fourneau.

Diagramme stabilité Fe-CO

C - La chimie du fer :

Tous les degrés d'oxydation du fer sont connus de –2 à +8 mais les plus courants sont +2, +3 et +6.

Le fer +3 est plus stable que le fer +2 malgré une énergie d'ionisation plus grande de 30,64 V au lieu de 16,18 V pour le fer +2. Ceci tient au fait que pour la troisième ionisation le fer perd son électron sur la couche d et a donc une configuration électronique relativement stable avec une couche d à moitié pleine et 5 électrons célibataires.

On a les configurations suivantes : Fe⁺² : 3d⁶, 4s⁰ et pour le Fe⁺³ : 3d⁵, 4s⁰. On se rend mieux compte de la stabilité de Fe⁺³ si on compare son énergie de 3ème ionisation avec celle de ses voisins Mn (34V) ou Co (34V) ou encore Ni (36V), soit plus de 10% de plus…

Pour le fer +2 ce sont les électrons s qui partent, on a donc une orbitale vide, pour le fer +3 c'est l'électron d de la première paire, on a donc une orbitale exactement à moitié vide (ou pleine !) et pour le fer 6 ce sont tous les électrons d qui sont partis ,on a donc de nouveau une orbitale vide : il est évident que ce sont les situations les plus stables possibles pour des ionisations et c'est la raison pour laquelle on observe principalement ces degrés d'oxydation là. On n'observe pas de fer 7 ou 8 parce qu'il faudrait trop d'énergie pour enlever encore des électrons à cet atome.

D - Les potentiels redox :

Ils montrent que le fer s'oxyde facilement, il est donc réducteur ! En effet :

E⁰ Fe²⁺ / Fe = - 0,44 V et
E⁰ Fe³⁺ / Fe²⁺ = 0,77 V.

Le cation Fe III est assez oxydant et le cation Fe II assez réducteur. A l'air les composés de Fe II s'oxydent et deviennent des composés de Fe III, surtout s'ils sont en solution, le dioxygène étant oxydant vis-à-vis de Fe II. En effet :

E⁰ O₂ / H₂O = 1,23 V > 0,77 V.

Mais l'engagement des cations du fer dans des complexes peut évidemment modifier les propriétés redox de ceux-ci.

F - Réactions avec les corps purs simples :

Le fer ne réagit pas avec le dihydrogène, il peut se former un alliage par insertion des atomes d'hydrogène dans la maille de fer mais il n'y a pas de réaction chimique !

Le fer réagit avec tous les non-métaux et on obtient par exemple :

Br₂ + Fe donnera FeBr₂ si le fer est en excès ou FeBr₃ si c'est l'halogène qui est en excès. On a la même réaction avec le fluor et le chlore mais on n'obtiendra que des composés de Fe II avec I₂et S.

Avec le carbone on obtient 3 Fe + C -> Fe₃C, la cémentite qui joue un rôle de premier plan en sidérurgie.

A chaud on a la réaction suivante avec l'oxygène : 3Fe + 2O₂ -> Fe₃O₄.

G - Réactions avec les composés

Là aussi le fer manifeste son caractère réducteur et on a toutes les réactions du bas et du haut-fourneau avec à chaud :

3Fe + 4 H₂O -> Fe₃O₄ + 4 H₂ en dessous de 590 °C
Fe + H₂O -> FeO + H₂ et
3FeO + H₂O -> Fe₃O₄ + H₂ au dessus de 590 °C

et avec le carbone on a :

3Fe + 4 CO₂ -> Fe₃O₄ + 4 CO en dessous de 590 °C
Fe + CO₂ -> FeO + CO et
3 FeO + CO₂ -> Fe₃O₄ + CO au dessus de 590 °C

Toutes ces réactions étant des équilibres plus ou moins déplacés à gauche ou à droite suivant les conditions expérimentales.

Le fer, immergé dans des solutions salines, déplace le cuivre, l'argent l'étain….

Fe + Cu⁺² -> Cu + Fe⁺²

La réactions du fer sur les acides est assez complexe.

Avec les acides dilués il y a réaction et dissolution du fer, c'est l'hydrogène (dans le proton) qui oxyde le fer. C'est un peu différent et plus compliqué avec l'acide nitrique.

Mais les acides concentrés n'attaquent que superficiellement le fer, la couche oxydée devenant protectrice avec pour conséquence pratique dans l'industrie ce n'est pas le stockage des acides concentrés dans des fûts en fer qui pose problème mais bien celui des acides dilués !

Le fer ne réagit pas avec les bases, les hydroxydes de fer sont basiques !

La réaction avec le monoxyde de carbone peut donner du fer-carbonyle si le CO passe sous pression sur du fer divisé et à chaud ! Ainsi dans le composé Fe(CO)₅ le fer aurait la configuration électronique périphérique du krypton. On retrouve l'apparition de métaux carbonyle avec tous les métaux de transition surtout ceux dont le numéro atomique est pair.

H - Les composés du fer II :

Le cation Fe²⁺ de rayon 0,076 nm, petit et surtout possédant un niveau 3d incomplet forme très facilement des complexes. En solution aqueuse les ions se trouvent sous la forme hydratée avec 6 H₂O : Fe (H₂O)₆²⁺. Ces ions sont verts.

On trouve ce complexe dans de nombreux sels par exemple le sel de Mohr, dont voici la formule Fe(H₂O)₆ (NH₄)₂ (SO₄)₂ 6H₂O dans lequel on a Fe II.

Avec le cyanure il se forme l'anion complexe cyanoferrate II : Fe(CN)₆^4-, complexe suffisamment stable pour que les anions CN^- et Fe²⁺ soient masqués à leurs réactifs. Ainsi cet anion, contrairement à CN^- n'est pas toxique. Cet anion est très intéressant parce qu'il permet le passage à d'autres complexes qui permettent des réactions caractéristiques : par exemple il permet la formation de nitroprussiate (nom courant, mais faux du pentacyanonitroferrate !) qui caractérise le HS- par formation d'un composé pourpre.

Concernant les réactions d'oxydo-réduction on citera :

1.-les dosages importants qui sont fondés sur les réactions suivantes en milieu acide, p.ex :
-dosage de ions permanganates par le sel de Mohr
-dosage du fer dans un minerai avec du perchromate
-dosage des nitrates avec le fer II en excès qui complexe l'oxyde NO

2.- les réactions dans lesquelles les ions fer II sont réduits par le Zn ou le Mn qui permettent de protéger le fer contre la corrosion.

I - Les composés du fer III :

Le cation fer III est aussi petit avec un rayon de 0,067 nm, fortement chargé, dont le niveau 3d est encore plus insaturé, il aura donc aussi tendance à former des complexes. L'ion hydraté, de même formule que celui de fer II, mais plus chargé est violet, couleur souvent masquée par la présence d'oxyde ferrique en suspension de couleur orange. Le cyanoferrate III forme avec les ions Fe2+ un précipité bleu caractéristique. Les ions +3 ont un caractère acide marqué : ceci vient de la précipitation massive de l'hydroxyde de fer, très insoluble. Concernant les oxydo-réductions on ne retiendra ici que les 3 réactions ci-dessous :

3 Fe₂O₃ + CO -> 2 Fe₃O₄ + CO en dessous de 590 °C et
Fe₃O₄ + CO -> 3 FeO + CO₂ au dessus de 590 °C

Cette réduction est irréversible de même que celle obtenue par le dihydrogène.

La dernière est connue de tous, il s'agit de l'oxydation à l'air ambiant et la formation de rouille qu'il faut considérer comme un mélange d'oxyde Fe₂O₃ et d'hydroxyde Fe(OH)₃ ferrique.

J - Les composés du fer VI :

Dans ces ions FeO₄^2- le fer présente le DO VI. On peut obtenir le ferrate en traitant de l'hydroxyde de fer III par de la potasse ou un courant de dichlore. Tous les ferrates sont fortement oxydants : ils oxydent l'eau à température ordinaire et ne sont donc pas stables. Leur stabilité est acceptable en milieu très basique comme le laisse prévoir la demi-équation redox : FeO₄^2- / Fe³⁺

K - Elaboration et utilisation du fer pur :

Electro aimant industriel

Le fer pur peut être obtenu par électrolyse d'un sel de fer ou par réduction d'un oxyde de fer II issu de la décomposition du carbonate de fer II ou encore par décomposition thermique du fer pentacarbonyle ou enfin par la technique de la zone fondue. Ce fer entre dans la composition d'électro-aimants et de catalyseurs mais son importance reste confidentielle par rapports aux quantités de fontes et d'aciers.

L'alchimie plaçait le fer sous le signe de Mars, dieu de la guerre de la Rome Antique. De même le signe martialqui mime une flèche prête à partir devint le symbole du sexe masculin.

C'est le fer météoritique utilisé depuis des temps immémoriaux qui a donné naissance au mot sidérurgie : de sideros - astre - et ergon - travail. De même sidérer - frapper de stupeur - vient de siderari - influence des astres. Ce fer météoritique était encore utilisé relativement récemment par les Inuits par exemple.

Au XVIIIème siècle avant J.-C., à Alalakh (frontière turco-syrienne), des tablettes cunéiformes hittites signalent une production d'armes en fer. On a retrouvé des poignards en fer au Moyen-Orient. On fait aussi fait référence à la «lettre» de Hattousili, dans laquelle ce roi Hittite s'excuse de ne pas pouvoir envoyer plus de fer de Kizzouwatna. Cette lettre date de 1275 à 1250 avant J.-C.

Carte de l'âge du fer

L'âge du fer désigne davantage la maîtrise d'une technologie qu'une période précise, même si en Europe on considère qu'il suit l'âge du bronze et précède la période historique, ce qui induit des limites chronologiques différentes suivant les régions.

En 1000 av.J.-C. environ, la métallurgie du fer concernait la Grèce, la Thrace, la Turquie, le Moyen-Orient et le nord de la péninsule Arabique, mais on sait très peu de chose sur la métallurgie du fer en Afrique proche pour ces périodes. Le premier fer obtenu était sans doute un sous-produit de l'industrie du bronze puisque les métallurgistes utilisaient du minerai de fer comme fondant à l'époque.

Au VIIème siècle les Grecs savaient produire de l'acier par cémentation dans les fours de potiers : ils plaçaient un pot contenant des feuilles de fer et du charbon de bois dans le four et vers 900 degrés : un peu de carbone passe dans le réseau métallique pour se « coincer » entre les atomes de fer.

Vers 550 av. J.-C. l'extension de la métallurgie du fer est considérable et couvre pratiquement toute l'Europe (voir carte). La transition entre l'âge du bronze final et le premier âge du fer est marquée par le développement des relations commerciales lointaines et par la formation d'une civilisation très brillante dans la région des lacs alpestres, aussi bien en Suisse qu'en France. Les deux grands sites du fer en Europe occidentale sont Hallstatt (- 750 à - 475 ) en Autriche et la Tène (- 475 à - 50 ) en Suisse. Ils ont donné leur nom à leur époque respective.

Hallstatt

Hallstatt est un site autrichien découvert en 1824. C'est une nécropole de 2000 tombes près des mines de sel gemme qui servait à la conservation des denrées, mais l'on trouve des sites semblables en Alsace, Lorraine, Bourgogne, Berry et Franche-Comté.

Vers – 475 les peuples celtiques continentaux se mettent de nouveau en marche afin de conquérir le reste du territoire gaulois et d'essaimer en Italie du Nord, en Europe centrale, dans les Balkans et jusqu'en Asie Mineure. La civilisation celtique s'étend alors à toute la Gaule et à une grande partie de l'Europe. Cette période d'expansion celtique (premier âge de la Tène) correspond à une mutation économique et sociale. À la classe aristocratique se substitue une paysannerie guerrière et on assiste à un développement de l'agriculture grâce à des techniques nouvelles : l'araire à soc de fer, remplace l'araire en bois, et permet de labourer plus profondément. L'expansion démographique qui en résulta aurait été la cause déterminante des invasions gauloises…

La Tène

A cette époque on disposait des techniques suivantes en métallurgie : la soudure autogène, la brasure, le rivetage, le tréfilage, l'estampage, le tour à métaux, le moule en pierre ou en sable, moule à grappe permettant la fabrication de plusieurs pièces en une seule coulée (très fréquent pendant la Tène), mais on ne connaissait pas la manivelle, le filetage, le ciseau de couturière, la scie de long, le martinet…

Détail d'un four gaulois

Entre 120 et 25 la Gaule se morcelle, l'aristocratie est dominé par le pouvoir des riches commerçants et enfin, entre 58 et 52, César prend prétexte d'un appel à l'aide des Eduens, menacés par les Helvètes, pour envahir la Gaule. On entre dans l'époque gallo-romaine.

Fibules gallo-tomaines de Cutry Meurthe et Moselle

Plus tard durant le Haut Moyen-Age on souda, à chaud, par martelages successifs des feuilles de fer et d'acier pour obtenir les fameuses épées en acier damassé (de Damas, la ville de Syrie). Puis, entre le XI et le XIIIème, le moulin facilite beaucoup la vie des forgerons ainsi que l'invention de la came, du martinet, du bocard, du soufflet…

Atelier de martelage au Moyen-Age

Les haut-fourneaux, de 4-5 mètres de haut seulement, ont commencé au XIIème siècle, avec du charbon de bois et non du coke. On n'y obtient pas la même fonte qu'avec du coke ! Au XVème siècle on commence à couler la fonte dans des - vrais - haut-fourneaux à Liège par exemple…C'est le début de l'industrie du fer au sens moderne du terme.

Notons encore que, de 2500 avant à 1300 après J.-C. soit près de 4000 ans en gros, le fer est obtenu par réduction directe qui donne une loupe, laquelle subit le corroyage qui est une suite de manipulations consistant à chauffer et marteler l'éponge de fer plusieurs fois en l'étirant et en la repliant pour obtenir un lingot que l'on pourra ensuite forger. Le forgeage c'est façonner - à chaud, en général - un métal par déformation plastique.

La cémentation est pratiquée pour durcir le fer. Il peut être cémenté par des céments solides - au Moyen-Age - par exemple du charbon de bois pour le CO avec une possible adjonction de carbonate de baryum. La pièce chauffée subit une réaction superficielle d'adsorption par dissociation du CO, le carbone diffusant dans le métal. Ensuite on trempe la pièce pour durcir les zones cémentées par formation de martensite. Le durcissement de la pièce n'est que superficiel, l'intérieur gardant la même structure.

D'autres opérations étaient pratiquées couramment sur le fer comme par exemple le « damas soudé ». Il s'agit des motifs symétriques qui sont visibles sur les épées, les poignards et quelques lames de lances de l'époque mérovingienne qui fut l'apogée de cette technique. Il s'agit de forger des lames de fer et d'acier soudées pour constituer l'âme à la fois résistante et souple d'une épée dont les tranchants étaient rapportés par soudure. Les lames de fer doux et carburé étaient disposées alternativement, soudées, martelées, torsadées, l'ensemble étant meulé, poli et mordancé à l'acide pour faire ressortir le dessin. Ceci signifie que tout le travail du forgeron se fait sans que celui-ci puisse avoir un contrôle continu de ce qu'il fait : il fallait donc être très habile !

L'acier damassé, détail de lame

Une autre technique est la damasquinure qui est l'art d'incruster ou de plaquer un métal sur un autre. Ce procédé vit le jour en Orient et apparut en Gaule vers la fin du Vème ap.J.-C. Il fut utilisé pour la décoration de boucles de ceinture, de poignards dans lesquels on incrustait des fils d'argent par exemple. Contemporaine de la technique du cloisonné dans la bijouterie , la damasquinure atteint des sommets de technicité avec de nombreux entrelacs de métaux différents incrustés sur la même lame pour obtenir des effets bichromes entre par exemple le cuivre et l'argent. Les dessins étaient souvent des arabesques mais aussi des animaux.
Ne pas confondre un poignard damassé et un poignard damasquiné !

Lame damasquinée

Boucle de ceinture damasquinée

• Pour étudier la métallurgie antique

on dispose de toute une série d'indices, en voici quelques uns :

-- Les vestiges de minerais plus ou moins réduits
-- Les inclusions dans le métal plus ou moins écrouies
-- La morphologie des porosités
-- Les inclusions de métal manufacturé dans les dépôts
-- Les vestiges de battitures
-- La morphologie et la métrologie des culots et des scories
-- La composition chimique, teneurs en carbone, des scories et des résidus.
-- Des expérimentations dans les mêmes conditions que celles, supposées, lors des fouilles (voir page sur les bas-fourneaux).

• Méthodologie de l'étude de scories, par exemple, d'après F.H.Forestier

Scorie romaine Montagne Noire F.

1.- la pesée des scories et le sciage de celles-ci permettent de savoir si on a du fer ou de la scorie.
2.- la fabrication d'une lame mince dans la scorie indique si les scories sont cristallines de fayalite ou de wüstite (liées à une coulée donc existence d'un bas fourneau…) ou si elles sont vitreuses.
3.- un examen de la lame mince au MEB et une analyse qualitative permettent de confirmer le fer, d'étudier la minéralogie et la structure de la scorie.
4.- l'examen d'une lame mince de scorie à la microsonde électronique indique si le verre a la même composition que le sol et donc si le four a été construit avec ce dernier.
5.- une section polie du culot de fer suivie d'une attaque de 15 secondes au Nital (alcool 90° et 2% acide nitrique) donne des indications précieuses sur la structure du métal et la qualité du traitement sidérurgique. Proportion de perlite, présence de cémentite ou de ferrite.
6.- la détermination des teneurs du culot de fer en traces de divers éléments à la au spectromètre de masse donnent des résultats à utiliser avec précautions à cause du réemploi possible de différents matériaux.

Objets en fer retrouvés lors de fouilles

Marteaux, pinces, enclumes, forces, mèches, scies, bêches, houes, haches, clés, gonds, charnières, équerres, clous, jantes, frettes, chaînes, anneaux, attaches, crochets, mors, pièces de brides, crampons à glace, pitons, couteaux, fibules, parures, épées, lances, boucliers, casques…

• Une belle découverte

Une épave romaine chargée de fer et de plomb dans le port romain submergé de Fos.

Trouvée en 1966 puis retrouvée en 1975. Le port antique était un port lagunaire abrité par un cordon littoral appuyé sur la pointe rocheuse de St Gervais. Bien que le chargement ait été récupéré à différentes époques parce que peu profond il a été possible de déterminer le chargement en fer de l'épave (Louis Monguilan). Les barres mesurent 55 cm / 310 cm / 2,80 cm. Pour une densité de 7,8 ,la barre pèse 4,6 kg. Le matériel est fortement concrétionné, le fer étant favorable à la fixation de calcaire, et il est aussi fortement corrodé : ceci a pour conséquence qu'il ne reste souvent plus que le moule de concrétions calcaires pour mesurer les objets !

Mais les quelques restes de fer permettent de dire qu'il est très pur quant au carbone, 0,02%, phosphore, 0,075%, soufre, 0,0105% et manganèse, 0,004%, mais que, en revanche, il contient relativement beaucoup de cobalt, 0,286%. Il a été fabriqué dans un bas fourneau et les barres ont été obtenues par martelage à chaud et cémentation dans du charbon de bois pour durcir la surface. Il s'agit donc d'un fer alpha comportant de nombreux défauts métallurgiques (inclusions et ségrégations) provenant de l'élaboration du métal lors de la coulée.

Quelques jours avant, la fabrication dans le bas fourneau, il faut fabriquer les briques en terre mélangée à du sable et du foin et les tuyères pour que l'argile sèche un peu…

A - Jour 1 : Construire le bas-fourneau et préparer le minerai.

Pour préparer le minerai on le grille, puis on le concasse en petits morceaux de diamètre inférieur à 1cm.

Briques et tuyères

Pour que la réduction soit possible, il faut une colonne de four d'au moins 1,2 m de haut, c'est pourquoi la construction va mesurer 1,5 m en tout.

• Etape 1 :

Choix de l'emplacement, à l'abri de la pluie, la porte face au vent dominant. Marquer sur le sol une forme de huit, mouiller légèrement le bord du creux du four et le crépir grossièrement avec de la barbotine. Poser les premières briques en biais sur la pente et dans le sens de la circonférence et les maçonner avec de la barbotine. Poser une deuxième couche de brique et une troisième couche en arrière dans le même sens mais en quinconce. Maçonner soigneusement le tout avec de la barbotine et veiller à ce que le diamètre intérieur soit de 30-35 cm. Bien lisser l'intérieur et bien arrondir le fond. L'épaisseur de la paroi, au fond fait environ 25 cm.

Soubassement

• Etape 2 :

A la 5ème couche de briques laisser libre le milieu face à la porte - pour poser la tuyère N° 1. Poser la tuyère dans l'espace réservé et orienter le tube en PVC pour que son prolongement arrive exactement en face de l'entrée du four un petit peu en arrière de celle-ci, de manière que le point le plus chaud se trouve légèrement en avant du milieu du four pour faciliter la coulée des scories.

Mise en place de la tuyère N° 1

A la 8ème rangée laisser un espace pour la 2ème tuyère comme on l'a fait précédemment. A l'avant du four, placer maintenant une brique en long de chaque côté de manière à former un couloir de chauffe. Maçonner très soigneusement et monter en joints croisés jusqu'à la hauteur de la 8ème couche. Prendre garde à la largeur de l'entrée : on doit pouvoir passer une pelle… Positionner la 2ème tuyère avec les mêmes exigences que pour la 1ère, elle sera donc plus inclinée pour que le souffle arrive au même endroit. On a donc un trou de tuyère à 25 cm de haut et le 2ème à 35 cm de haut environ, les 2 souffles arrivant au même endroit du four. Ce point est appelé point chaud du four et on doit y maintenir une température de 1250 degrés au moins pour liquéfier la scorie sans ré-oxyder le fer.

• Etape 3 :

On a maintenant un four qui fait 40 cm de hauteur à l'extérieur et 50 à l'intérieur, avec un diamètre de 25-30 toujours. On place maintenant en arrière de la porte 2 branches de bois vert - qui servent de linteau - que l'on enveloppe généreusement de barbotine. Veiller à la planéité de la surface de travail et mettre en place une cheminée de 25 cm de diamètre. Monter la cheminée à 1 m de haut soit une hauteur totale de 1,5 m pour le four qui fera ainsi 80 litres de capacité. Pour la cheminée bien tasser les briques entre elles et contre le gabarit pour que ça tienne au feu.

• Etape 4 :

Faire un tout petit muret près du four - en surépaisseur - pour brancher les soufflets dans la tuyère basse en les posant sur leurs supports et en les fixant bien.

Boîte à vent

Veiller à ce que le branchement soit solide, les soufflets travaillent beaucoup, la structure souffre à cet endroit. La partie inférieure des soufflets doit rester fixe - elle est attachée à des piquets plantés dans le sol un peu en arrière du soufflet lui-même. L'ouverture circulaire d'entrée d'air du soufflet est positionnée dessous ici - ça s'ouvre en montant - de manière à ce que l'on n'aspire pas les gaz du four. La partie supérieure des soufflets est prolongée par des barres en bois qui permettent de s'asseoir à une certaine distance et d'allonger les jambes. Il faut que l'on puisse surveiller ce qui se passe dans le four par le trou de la tuyère. Le rôle du souffleur est capital, c'est lui qui surveille le feu….

Allumer un petit feu en avant de l'ouverture et quand le tirage est bien en place pousser doucement les braises dans le four pour sécher un peu la structure. Faire un feu doux et pendant 1 heure environ et laisser mourir le feu.

Mise à feu

B - Jour 2 : la réduction

Vers 9 heures du matin allumer devant le four un petit feu que l'on maintient un moment puis faire un bon feu pour monter jusqu'à 900 degrés pour vitrifier l'intérieur du four en poussant le feu dans le petit couloir. Souffler et chauffer au moins 40 minutes. Attention de manipuler les soufflets alternativement pour que le flux d'air soit continu. Ensuite enlever les cendres et les braises et réserver ces dernières…

Puis fermer la porte du four de manière hermétique - au fond du petit couloir de manière à avoir un foyer plus ou moins sphérique - avec des petites briques et de la barbotine, en prenant soin de ménager un trou de coulée à 15 cm de haut, pour évacuer les scories, que l'on bouche avec un morceau de bois vert avant de colmater le tout. Attention c'est chaud ! Remettre les braises - 2 à 3 pelles - et ajouter du charbon de bois doucement en actionnant les soufflets. Garder pour le moment la tuyère du haut bouchée avec son bouchon d'argile, on n'en a pas besoin.

Ce passage est très délicat car il ne faut pas que le feu crève sous le charbon de bois qu'on ajoute par paquets de 4 kg à la fois, donc le souffleur doit régler son débit pour toujours voir du feu. On peu « touiller » un peu avec la barre de fer en passant par la tuyère mais attention la tuyère est très fragile… Si le feu crève il faut tout re-démonter !

Une fois que le feu a bien pris on remplit le four jusqu'en haut avec du charbon de bois et on souffle lentement mais fort, en continu, de manière à ce que la colonne de charbon prenne feu en entier.. Au bout d'un moment on aperçoit la flamme bleue de CO au sommet du four - 450 degrés, température à partir de laquelle on n'a que du CO stable - l'équilibre d'oxydation du CO étant complètement déplacé vers la gauche à ces températures. A ce moment le bas du four doit être blanc brillant à l'intérieur (1300 degrés env.)

Une fois le charbon allumé en haut du four on recharge avec 8 litres et on attend environ 8-10 minutes pour que ça descende de 10 cm. Cette vitesse est à maintenir tout au long de la réduction et le souffleur doit régler son activité en conséquence. Injecter l'air de façon régulière mais pas trop à la fois - ça refroidit l'intérieur du four, mais oui ! - mais quand même assez pour que ça reste blanc à l'intérieur. Quand on aura du fer sur le feu, la production de fer étant exothermique, on gagnera environ 200 degrés et le souffleur pourra se calmer un peu !

Quand c'est descendu de 10 cm pour la 2ème ou 3ème fois on met le minerai - 2kg à la fois, plutôt du côté opposé à la tuyère mais réparti quand même - et on attend 3-4 minutes pour bien le sécher et le préchauffer - avant de recouvrir de 8 litres de charbon de bois. La flamme du haut doit toujours restée allumée et en bas ça doit rester blanc à l'intérieur.. S'il y a une fuite, une flamme apparaît et il faut colmater avec de la barbotine tout de suite. Dans ce cas, et parce qu'on a construit le four la veille, il « fume » sa vapeur d'eau abondamment, c'est tout à fait normal même si c'est impressionnant !

Quand on voit fondre les scories et que celles-ci commencent à obstruer systématiquement la tuyère - on voit bouillir le liquide au fond du four - il est temps d'envisager le changement de tuyère, moment délicat et stressant ! Déboucher la tuyère du haut, boucher la tuyère du bas avec un bout de bois. Remonter les soufflets bien les fixer - en effet, la barbotine reste mouillée et se démonte facilement, il faut donc un effort minimum sur celle-ci - et refaire un emplâtre d'argile tout autour.
Il peut arriver que la scorie soit vraiment épaisse et ne s'écoule pas du tout par le trou de la porte avant, maintenant débouché. On doit donc employer les grands moyens si on veut finir la réduction. On démolit donc toute la porte et on fouille avec une barre de fer pour faire descendre la scorie puis on referme la porte - chaud ! - et répéter si nécessaire.

Quand on a passé 30 kg de minerai on peut envisager l'ouverture du four.

Sortie du bloc

On nettoie bien autour du four pour ne pas salir le fer. Ouvrir la porte comme précédemment et sortir un maximum de scories puis le charbon de bois restant. Utiliser la pelle pour vider le bas du four mais ne pas oublier de la tremper dans l'eau entre deux - pas qu'elle fonde ! - les barres en fer et la pince sont aussi utiles ici. Le fer se trouve le long de la paroi du four au-dessus des scories. Il peut arriver que l'on doive démolir le four pour sortir le fer…

Bloc incandescent

En résumé on est parti de 150 kg de limonite, pour avoir 60 kg de minerai grillé. On a chargé 30 kg et on obtient 10 kg d'éponge de fer… environ ! Ce qui est brillant, c'est la scorie, le fer lui-même est mat. Attention le massiot est très fragile …et il est 17 heures !

Pour faire un lingot il faut corroyer le fer ce qui représente encore 12 à 16 heures de travail …et après il faudra le forger… Les mesures de dureté montrent que le métal obtenu est constitué de ferrite et de perlite (voir page sur l'acier) et contient peu de carbone dissout dans la structure (contrairement au haut fourneau).

Fer coupé et poli

Sur le schéma qui suit, dessiné par M. Jean-Claude Leblanc, chercheur en paléosidérurgie, associé à l'UMR 5608, CNRS, UTAH, Université de Toulouse II , vous avez toutes les réactions chimiques qui se passent dans le bas-fourneau ainsi que les endroits et les conditions dans lesquelles elles se déroulent en principe.

Schéma - © J.C. Leblanc
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Et pour terminer ce paragraphe un petit croquis représentant l'évolution de l'architecture des bas-fourneau au cours de l'histoire, du début des âges du fer au XIXème qui a vu naître la métallurgie industrielle dont nous allons parler page suivante.

Evolution de l'architecture des fours d'après Pleiner 1958
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Au XIVème siècle les haut-fourneaux ont quelques mètres de haut ( 5 à 7 en général) et on utilise encore du charbon de bois et non du coke. Puis la chimie s'en mêle…(voir aussi page sur l'acier pour certains termes techniques)

Dampierre-sur-Blévy en Eure et Loir , intérieur octogonal du haut-fourneau

On a en France de très beaux sites de haut-fourneaux, classés monuments historiques, au titre de la protection du patrimoine industriel qui constitue une partie importante de l'histoire du pays avec deux exemples choisis ici. Les Forges de Dampierre-sur-Blévy : un vestige exceptionnel de l'industrie sidérurgique du XVII ème s. Les hauts fourneaux, la chaussée de l'étang et la halle à charbon sont classés Monuments Historiques et La Guerche sur Aubois.

Sortie du haut-fourneau

En 1722 Réaumur a l'idée de fabriquer du fer malléable à partir de la fonte en oxydant la fonte blanche cassante pour en enlever le carbone avec de la craie ou de la chaux. Cette idée sera appliquée beaucoup plus tard de manière industrielle avec le procédé Thomas.

Au XVIIIème une série de savants se penchent sur la question parmi lesquels Lavoisier, Bergman, Berthelot, Monge : on cherche à comprendre l'alliage fer-carbone.

Schéma de la disposition du haut-fourneau de Dampierre-sur-Blévy

En 1783 Cort et Onions découvrent la technique du puddlage. On y utilise un four à réverbère qui évite complètement le contact entre le fer et le carbone (métal-combustible). Ce sera, pendant plus de la moitié du XIXème, la seule méthode utilisée pour obtenir du fer malléable (voir la page réalisations). C'était aussi, sans le savoir ni l'expliquer, la seule façon d'éviter les oxydes de phosphore stables aux températures de l'époque et nuisibles.... Ce procédé est complètement abandonné.

La Guerche-sur-Aubois

1850 voit le début de la métallurgie « moderne » avec, en Angleterre, Darby qui remplace le charbon de bois par de la houille dans les haut-fourneaux de l'époque.

Site industriel de haut-fourneaux

Dès lors on entre dans un processus tout à fait industriel avec des haut-fourneaux qui vont atteindre jusqu'à 80 m de haut, 5000 mètres cube, des températures de 1600 degrés et des productions en continu jusqu'à 10000 tonnes par jour… Les procédés évoluent, la coulée se fait en continu et la fonte passe directement en laminoir, lesquels prennent des proportions gigantesques avec par exemple plus de 500 m de long pour le laminoir de Dunkerque (Arcelor-Usinor). Un haut-fourneau ne s'arrête jamais pendant les 10 ans de son existence…

Le haut fourneau et ses annexes (mis à disposition gracieusement par energymanagertraining.com)

Dans un haut-fourneau on obtient des fontes de première fusion : c'est la fonte de base qui est obtenue directement par le traitement du minerai. Une fonte est un alliage métallique dont l'élément essentiel est le fer, et dont la teneur en carbone est supérieure à 2%.

- Le déroulement des opérations est le suivant :

-- Extraction du minerai.
-- Concassage, broyage.
-- Enrichissement pour éliminer le plus possible de gangue.
-- Agglomération pour en faire des blocs.
-- Réduction de ce minerai dans un haut fourneau par chauffage avec le coke : il est impossible d'utiliser du charbon comme matériau réducteur, car il se ramollit à chaud et colmaterait le haut fourneau. Le coke, quant à lui, ne se ramollit pas et conserve toute sa résistance mécanique pendant sa combustion.

Les sulfures et les carbonates sont transformés en oxydes par grillage. Les oxydes peuvent, si nécessaire, être enrichis par broyage et par flottation. Ils sont ensuite conditionnés par agglutination, sous forme d'éléments calibrés, avec incorporation éventuelle d'une quantité variable de carbone, sous forme de poussière de coke ou de charbon pulvérulent. La quasi-totalité du minerai de fer est actuellement traitée dans des hauts fourneaux, tours creuses faites en matériaux réfractaires, dans lesquels il est chargé par couches alternées avec du coke. Dans les hauts fourneaux traditionnels, on injecte à la base de l'air permettant de faire brûler le coke dans une atmosphère réductrice, produisant du monoxyde de carbone, gaz qui réduit l'oxyde de fer en fer naissant liquide. Ce fer ruisselle sur le coke et se charge en carbone pour produire un alliage fer-carbone, appelé fonte. La fonte s'accumule à la base du haut fourneau dans un creuset d'où elle est régulièrement prélevée. Le bain de fonte est surmonté d'une couche liquide, le laitier (composé de silicates et d'aluminate de chaux), qui est soutiré séparément.

Fonctionnement du haut fourneau (mis à disposition gracieusement par energymanagertraining.com)
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Bilan de matière pour une tonne de fonte.

Nota : 1000 Nm3 à 1200 degrés C = 1,3 tonne air/tonne de fonte.

Entrées		Sorties
aggloméré	1500 kg/tf	fonte	9000 tf/j
minerai rocheux	150 kg/tf	laitier	330 kg/tf
coke	295 kg/tf	gaz gueulard	1480 Nm3/tf
charbon	180 kg/tf	poussières	10 kg/tf
vent chaud	970 Nm3/tf	---	---
oxygène	15 Nm3/tf	---	---

Composition approximative des différents composés du haut fourneau :

O₃10,5%

Aggloméré	Fe 58%	SiO2 5,7%	CaO 10%	MgO 1,8%	Al2O3 1%	---
Coke	C 88%	Mat.min 10%	H20,3%	---	---	---
Fonte1	Fe 94,6%	C 4,8%	Si 0,3	Mn 0,2%	---	---
Fonte2 type	Fe 94-95%	C 4,5-5%	Si 0,25-0,4%	Mn 0,2-0,3%	S 0,015 -0,04%	P 0,08-0,09%
Laitier	Fe 0,2%	CaO 42,5%	SiO235,5%	MgO 7,5%	Al<susb
---

Action des principaux éléments présents dans la fonte :

-- Carbone : sous forme de graphite il est combiné au fer. L'augmentation du carbone graphitique se fait plus rapidement que celle du carbone total : le carbone est un élément graphitisant.

-- Chrome : élément très durcissant et carburigène. Il améliore les caractéristiques mécaniques. Avec 2% de chrome, la fonte devient blanche et avec 30% de chrome on a une bonne résistance à la corrosion.

-- Cuivre : élément soluble dans le fer jusqu'à 1.5%. Il stabilise le graphite.
Etain : dans les pièces courantes de fonderie, il modifie la matrice.

-- Manganèse : il est maintenu à une teneur suffisante pour neutraliser le soufre en formant du sulfure de manganèse (MnS). Cette teneur minimale est fixée à Mn = 1.7 %S + 0.3. Sa teneur dans les fontes grises est de 0.5 à 0.8%.

-- Molybdène : élément carburigène, il favorise la résistance aux chocs. On l'associe souvent au nickel et au chrome en addition de 0.3 à 1%. On peut en trouver jusqu'à 10% dans les fontes blanches.

-- Nickel : soluble dans le fer, il n'est pas carburigène. Il affine la structure et plus on en ajoute, plus il modifie celle-ci.

-- Phosphore : en pratique de 0.05 à 1.5%. A partir d'une teneur de 0.1% environ, il forme un eutectique qui crée des difficultés d'usinage et peut engendrer des porosités. Cependant le phosphore améliore beaucoup la fluidité et la coulabilité des fontes.

-- Silicium : de 1% à 3% c'est un graphitisant puissant il déplace les points de transformation vers la gauche, ainsi pour 2% de silicium, l'eutectique se trouve à 3.7% au lieu de 4.3% de carbone (voir diagramme dans la page acier). Il augmente également la température eutectique.
Soufre : c'est un élément nuisible qui diminue la coulabilité et rend la fonte dure, fragile et poreuse. (voir manganèse)

Quelques fontes différentes parmi les plus connues :

Coulée de fonte

-- Les fontes blanches : leur solidification se fait suivant le diagramme fer-cémentite. Leur structure est un réseau de carbures et d'une matrice perlitique. Leur cassure présente un aspect métallique blanc brillant. Ces fontes ont une bonne coulabilité, inférieure aux fontes grises. Les fontes blanches présentent une dureté élevée, une grande résistance à l'usure par frottement et par abrasion, mais cette dureté les rend fragiles impossibles à usiner par les moyens courants. On en fait des boulets de broyage, pièces mécaniques devant résister à l'abrasion, par exemple.

-- Les fontes grises : la plupart du carbone se trouve sous forme de lamelles de graphite. Ceci donne aux fontes une cassure d'aspect gris, d'où leur nom. A dureté identique avec un acier, la résistance à la traction de la fonte est beaucoup plus faible que celle de l'acier.

--La fonte malléable à cœur blanc : aussi appelée fonte malléable européenne. Les pièces sont placées dans un four oxydant. Chauffées aux environs de 1000°C et maintenues à cette température pendant 60 à 90 heures. Leur surface commence à se décarburer, puis le carbone présent à l'intérieur des pièces diffuse vers la surface où il est brûlé. Si la pièce est mince (épaisseur inférieure à 10 mm) la structure obtenue est sans carbone

-- Les fontes malléables à cœur noir : fonte malléable américaine. Obtenue par chauffage vers 930°C, pendant un certain temps, variable, puis refroidissement (parfois rapide) jusqu'à 730°C. Stabilisation, puis refroidissement final. On traite par cette méthode des pièces dont l'épaisseur va 60 mm, le temps de traitement dépend de l'épaisseur des pièces.

Résumé haut fourneau
© Claire König
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Pour finir ce chapitre voici un résumé du haut fourneau indiquant les