Travail des métaux et métallurgie 6

i) Le travail des métaux et la métallurgie 

Introduction

Les premières transformations que l'on fît subir au métal, pendant la fin de la préhistoire, ne faisait pas intervenir de technique de chauffage, le travail se faisait à froid sur du métal à l'état natif ( cuivre ou or natif...) , souvent il s'agissait de différentes formes de martelage. Puis, en chauffant de plus en plus, ils s'aperçurent qu'il fondait et que l'on pouvait donc le mouler. Ceci constitua l'Âge du cuivre, vers -4000.( voir plus haut, chalcolithique)  

Le premier alliage fut le bronze (alliage de cuivre et d'étain). L'Âge du bronze s'étendit d'environ -2500 à -1000 bien que l'on pensait alors que le cuivre était un type de bronze.

Le cuivre natif étant rare, ils travaillèrent alors des minerais de plus en plus pauvres en cuivre natif, et ils s'aperçurent probablement que le fait de faire chauffer des minerais permettait non seulement d'extraire le cuivre par fusion, mais aussi de « transformer » le minerai en métal (réduction) ; c'est sans doute ainsi que sont nés les bas fourneaux, vers -1200.

Donc, les premiers métaux travaillés l'ont été à l'état natif : or (jaune), cuivre (rouge) et argent (gris-blanc) météoritique, puis les techniques d'obtention de ces métaux ont été améliorées pour produire des objets plus élaborés, par martelage du métal (déformation plastique) avec une pierre. Ces roches colorées, repérées par leur brillance, ont été utilisées d'abord à des fins décoratives, puis pour la confection d'armes, d'ustensiles et d'outils. C'est ainsi que l'on a retrouvé, aux IXe-VIIe millénaires avant J.-C.(période néolithique), des épingles, des perles et des alènes en cuivre natif en Iran (Alikosh) et en Anatolie (Cayönü Tepesi près d'Ergani). Le cuivre fondu apparaît de façon certaine 4500 ans avant J.-C. en Mésopotamie,et Asie centrale. Plus près de nous, 3000 à 1500 ans avant J.-C., les cuivres natifs de la région du lac Supérieur (Amérique), ont été utilisés pour la fabrication de pointes de flèches.

Ainsi, le cuivre semble avoir été travaillé avant l'or, pourtant plus facile à marteler à froid en raison de sa grande ductilité. On trouve l'or dans la nature que sous forme native : alluvionnaire sous forme de pépites dans les rivières ou présent dans certains filons de roche. Chez les Incas, en Amérique du Sud, en Colombie et en Équateur, on a retrouvé des objets en platine natif (pépites martelées).

Les débuts de la métallurgie du bronze

 

Le cuivre étant plus facile à travailler à chaud, les premiers métallurgistes ont dû améliorer les procédés de montée en température jusqu’à obtenir la fusion du métal. Fortuitement ou intentionnellement,  cela leur a permis de réaliser de nouvelles formes d’objets, reproductibles à l’infini grâce au moulage. Cette découverte marque  les débuts d’une réelle métallurgie.

Exploitation des minerais de cuivre et d’étain

La métallurgie "réelle" implique des procédés pyrotechniques* permettant d’extraire le métal du minerai* de cuivre et ainsi, de s’affranchir de la rareté du cuivre natif. Ces techniques apparaissent dans les Carpates et les Balkans durant les VI^e et V^e millénaires et au cours des IV^e et III^e millénaires avant notre ère dans l’arc alpin et le midi de la France.  Durant plusieurs siècles entre la fin du Néolithique et le début de l’âge du bronze (période appelée Chalcolithique*), les artisans qui travaillent le cuivre, par les matériaux et les techniques qu’ils utilisent, préparent un terrain largement favorable à la métallurgie du bronze.

Les plus anciennes traces de métallurgie du bronze se retrouvent une fois de plus en Anatolie et en Égée autour du III^e millénaire avant notre ère. La production et l’usage de ce nouveau métal empruntent des itinéraires de diffusion similaires à ceux du cuivre quelques millénaires auparavant. La diffusion est néanmoins beaucoup plus rapide puisque, au tout début du II^e millénaire avant notre ère, l’usage de cet alliage est attesté dans pratiquement toute l’Europe.

Le bronze

Le bronze, est un alliage* de cuivre et d’étain, mélangés dans des proportions variables (environ 90% de cuivre pour 10% d’étain) suivant les objets fabriqués. Les ressources en minerai étant inégalement réparties,  la généralisation de la pratique de cette métallurgie implique et voit la mise en place d’importants réseaux d’échanges entre les communautés où les métaux nécessaires à l’alliage vont circuler abondamment.

Diffusion des objets et des techniques.

En France, ce métal apparaît au cours du II^e millénaire avant notre ère, et son développement marque les premiers temps de l’âge du bronze (2300/2200 – 800/750 avant notre ère), que l’on a périodisé en trois temps : bronze ancien (2300/2200 – 1700/1650 avant notre ère), bronze moyen (1650 - 1350 avant notre ère) et  bronze final (1300/1350 – 800/750 avant notre ère). Il s’agit bien entendu de "dates repères" significatives, susceptibles de varier selon les zones géographiques considérées.

Cette innovation majeure va entraîner d’importants changements socioéconomiques dans les sociétés issues du Néolithique. Les objets en métal et leur circulation vont devenir l’apanage des élites qui constituent de vastes réseaux d'échanges à travers l'Europe, contribuant ainsi à développer et à pérenniser de nouveaux et puissants pouvoirs "politiques". C’est notamment dans le domaine funéraire que s’expriment clairement cette forte hiérarchisation de la société et les nouvelles idéologies qui y sont liées.

La métallurgie du bronze : la chaîne opératoire de production

Rappelons ici que le bronze est un alliage de cuivre et d’étain, que l’on obtient à partir de minerais réduits.  Pour le cuivre, on va pouvoir utiliser différents minerais, la chalcopyrite, la malachite ou la cuprite. Pour l’étain, le principal minerai utilisé est la cassitérite.

La connaissance de la chaîne opératoire de réduction de minerai et de fabrication d’objets en bronze a pu être mise en évidence d’une part grâce aux vestiges archéologiques (foyers de réduction ou de bronziers, tuyères, creusets, moules, etc.) mais également par de nombreux travaux d’expérimentation*.

Le minerai, quel qu’il soit, est préalablement concassé. Cette première étape permet de réaliser plus facilement la réduction et pour cela, la chaleur nécessaire se situe entre 800 et 1 200°C.
Cette opération requiert un foyer de réduction : cercle de pierres scellées par de l’argile ou petite cuvette tapissée d’argile, dans lequel l’apport d’oxygène se fait avec un système de tuyères* et de soufflets. Le combustible utilisé est le charbon de bois, au pouvoir calorifique plus important que le bois brut.
La durée de l’opération est variable, suivant les minerais employés et les systèmes de montée en température.
Il faut compter quelques heures avant que le métal se liquéfie et coule dans le fond du foyer, où il forme une matte*.

Pour obtenir du bronze, le cuivre et l’étain sont fondus dans un creuset*. Le matériel utilisé diffère peu du dispositif nécessaire à la réduction (foyer réfractaire*, tuyères et soufflets). La température de fusion du bronze se situe autour de 1 000°C, et celle de coulée, idéale pour une bonne fluidité du métal, autour de 1 200°C. Le bronze ainsi liquéfié peut alors être coulé dans des moules pour obtenir des lingots ou des objets.

Les moules peuvent être en pierre, monovalves ou bivalves*, en bronze, ou en argile. Pour ces derniers, on utilise la technique dite de la cire perdue. L’objet est d’abord réalisé en cire, puis englobé dans de l’argile réfractaire, en dégageant un orifice de coulée. Le moule est ensuite séché, puis cuit : c’est le décirage, opération au cours de laquelle la cire fond et s’écoule pour libérer le négatif de l’objet. Le métal est ensuite coulé dans le moule, qu’il faut briser pour récupérer l’objet en bronze. Les pièces ainsi obtenues sont uniques mais cette technique permet la réalisation d’objets complexes.

Quelles que soient les techniques utilisées pour le moulage, les objets devront être soigneusement ébarbés, limés, et polis à l’aide de polissoirs en grès avant d’être achevés. Ils peuvent aussi être décorés : incisions, estampage, ciselure, etc..

Au cours de l’âge du bronze les techniques de fabrication d’objets vont se diversifier et engendrer l’apparition de nouvelles spécialisations autour de cet artisanat : le travail de la tôle de bronze avec la dinanderie (les récipients, cuirasses, casques…), l’orfèvrerie et la création de bijoux complexes, ainsi que la mise en place de vastes réseaux d’approvisionnement et de distribution.

Chronologie de l’âge du bronze

De 2 300 /2 200 av. J-C jusqu'à 1 700/1 650 av. J-C: bronze ancien

L’habitat du bronze ancien se compose de grands bâtiments allongés aux extrémités en forme d’abside à plusieurs nefs* (nord de la France) ou de bâtiments de taille plus réduite et de plan quadrangulaire (zone alpine, vallée du Rhône). Ce sont des maisons à ossature bois et murs de torchis, la pierre étant très peu utilisée dans les constructions. La toiture est réalisée à partir d’éléments végétaux.

Outre l’introduction du bronze dans les sociétés et les changements socioéconomiques liés, on assiste à un développement technique en matière de taille du silex : pointes armoricaines, poignards et haches polies dont la production se maintient au cours de cette période. Parallèlement, un outillage simple, peu investi, perdure (grattoirs, éclats retouchés ou denticulés).

Dans le domaine de la poterie, les cuissons sont de meilleure qualité, plus homogènes et mieux conduites, mais l’usage de réels fours de cuisson n’est pas encore généralisé.

Pour ce qui est des pratiques funéraires, on a recours généralement à l’inhumation individuelle, au sein de nécropoles structurées (tumulus ou tertre, enclos). Les défunts sont très souvent accompagnés d’un important mobilier métallique. L’incinération existe mais reste marginale.

De 1 700/1 650 jusqu'à 1 350 avant notre ère: bronze moyen

L’habitat voit la disparition des grands bâtiments au profit de constructions plus réduites avec parfois une extrémité en abside et un pignon droit et généralement deux nefs.

C’est au cours de cette période que s’intensifie et que s’organise la production métallurgique. Cette activité va prendre un caractère protoindustriel. Les techniques de fonte s’améliorent (moules en pierre, fonte à la cire perdue et plus rarement moule en bronze) et permettent désormais d’obtenir en série des objets aux formes plus complexes. L’utilisation du bronze se généralise largement au détriment de l’outillage en silex. Cette intensification de la production contribue à une circulation des objets sur des distances considérables.

Les techniques liées à la céramique vont connaître également un essor : on a désormais recours à des structures de cuisson pérennes (fours à sole perforée) et des techniques de décor nouvelles comme l’excision ou la peinture se développent largement.

Les pratiques funéraires semblent peu éloignées de celles du bronze ancien : l’inhumation individuelle sous tumulus continue à côtoyer quelques incinérations marginales.

De 1 350 jusqu'à 800/750 avant notre ère : bronze final

L’habitat du bronze final connaît de nouvelles mutations : davantage tourné vers la sphère familiale, la taille des maisons se réduit encore (largeur : 10 m ; longueur 4 à 6 m) et l’intérieur est désormais libre de circulation avec une seule nef.

Du point de vue des techniques liées à la métallurgie du bronze, on constate un développement singulier du travail de la tôle de bronze. Apparaissent alors de nouvelles activités comme la dinanderie (travail de la tôle pour la confection de cuirasses, casques ou chaudrons) ou le tournage (notamment pour les épingles). Ces activités nécessitent un cuivre plus pur qui va circuler intensément sous forme de lingots et on utilise désormais la balance à fléau pour le dosage des alliages.

L’incinération devient la règle au cours de cette période : le corps du défunt est brûlé, accompagné parfois d’objets métalliques. Les restes sont récupérés sur le bûcher et déposés dans une urne en terre cuite, laquelle rejoint ensuite une fosse où elle peut être accompagnée d’offrandes. Sur le plan symbolique, on constate également à cette période une multiplication sensible des dépôts d’objets en bronze, regroupant souvent un nombre important d’objets enterrés (objets entiers et fragments destinés à la refonte).

Vers -1000 commença l'Âge du fer. Le fer fondant à beaucoup plus haute température que le cuivre (1 535 °C contre 1 084 °C), la réduction du minerai dans les bas fourneaux était imparfaite et donnait naissance à un bloc d'aspect spongieux (le massive ou la loupe) que l'on martelait pour le débarrasser de ses impuretés. Les premiers à utiliser le fer furent les Hittites. En Afrique, vers -2000 la civilisation Nok développa très tôt cette science passant de l'age de pierre directement à l'age du fer.

Dans toute la suite de l'antiquité seuls quelques métaux furent utilisés et pour certains seulement travaillés. N'étaient connus que sept métaux : l'or, le mercure, le plomb, l'argent, le fer, le cuivre et l'étain. Il faudra attendre 1750, lors de la découverte du bismuth pour assister à la découverte d'un nouveau métal et 1735 pour découvrir le cobalt. 

La métallurgie du fer

Au début de l'âge du fer en Europe et dans une grande partie de l'Afrique, les métallurgistes utilisaient soit un bas-fourneau à cuvette, ventilé au moyen d'une tuyère, soit un fourneau en forme de cheminée où l'air était pulsé. Minerai et charbon de bois étaient introduits sur un lit de charbons de bois incandescents. En haut du fourneau, l'oxyde de carbone, issu de la combustion du charbon de bois, réduisait l'oxyde de fer du minerai : particules métalliques et scories s'aggloméraient peu à peu vers le bas en une masse spongieuse (la loupe). Les scories empêchaient que les particules de fer ne s'oxydent à nouveau en passant devant la tuyère.

La loupe était récupérée et placée, cette fois-ci, dans la zone fortement oxydante en avant de la tuyère. Elle y était débarrassée d'un excès de carbone, puis était martelée afin d'en chasser les scories, devenues visqueuses. Réchauffements et martelages répétés aboutissaient à une masse de métal dont la composition variait entre celle du fer forgé et celle d'un acier à faible teneur en carbone.

 

 

Reconstitution d'un bas fourneau

 

 

 

 

 

 

 

Le bas fourneau se présente comme une cheminée de taille humaine (un ou deux mètres de haut) en briques et en terre cuite, dans laquelle on dispose en alternance une couche de minerai de fer et une couche de charbon de bois. Lorsque l'on met le feu, le charbon de bois produit du monoxyde de carbone (gaz CO) qui vient réduire le minerai : le fer est présent dans le minerai sous forme oxydée Fe₃O₄ ou Fe₂O₃, par réaction avec le CO, il se forme du fer :

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

Le tirage du fourneau est assuré soit par ventilation naturelle, soit par des soufflets, généralement manuels. Les impuretés qui accompagnent le minerai forment la scorie ou laitier qui s'écoule au bas du fourneau ou dans une fosse ménagée en dessous de sa base (« fourneaux à cuve » à usage unique).

Dans le bas du fourneau s'accumule un solide spongieux, composé de métal et de scorie, que l'on appelle « massiot » ou « loupe ». Le métal obtenu par ce procédé est très hétérogène. Le massiot peut être composé de fer et d'acier allant de 0,02% à 2% de carbone.

La loupe est d'abord épurée et corroyée, par martelage répété, afin de retirer la scorie et de rendre le métal homogène. Il reste quand même des inclusions de scories dans la matrice métallique. On obtientaprès ce long processus, un bloc de métal qui pourra être mis en forme par le forgeron pour fabriquer l'outil (soc de charrue, serpe, cerclage de roue...) ou l'arme.

DE RE METALLICA - AGRICOLA

Etapes de la transformation du minerai de fer au XVème siècle 

 

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