COMPOSITION MOYENNE DU FER, DR L* ACIER ET DR LA FONTE

Fer. Acier. Fonte obtenœ au charbon de bois.

Grise. BliHfrc.

Fer 99,51 99,18 95,90 94,38

Carbone 24 ,71 2,29 2,50

Silicium 25 ,05 1,00 0,39

Manganèse traces traces traces 2,40

Phosphore traces ,09 0,90 0,33

De ce rapprochement entre la composition des trois produits, on conclura que la fonte moyennement affinée, ou un minerai traité convenablement par la méthode catalane, pourrait donner directement de l'acier. On appelle naturel l'acier préparé par un de ces deux procédés, pour le distinguer de celui que l'on obtient par la carburation du fer, -et qui porte le nom d'acier de cémentation. Voilà les deux aciers types : viennent ensuite l'acier fondu et Y acier damassé, qui ne sont que des variétés des deux types précédents.

Nous avons vu que dans le traitement du minerai par la méthode catalane, on obtenait directement du fer malléable ; cependant il faut remarquer que dans certaines régions de la forge le fer peut se carburer. Ordinairement on le décarbure sur place ; mais on peut , en modiâant la conduite de l'opération, l'épargner, et en augmenter la production, de sorte que, par la méthode catalane, on obtient à volonté plus ou moins d'acier.

Pour cela il faut suivre beaucoup de règles, dont le but principal est d'éloigner les causes décarburantes. Nous savons que , dans l'affinage de la fonte, le carbone est brûlé par l'oxygène de l'oxyde de fer contenu dans les bilicates des scories : nous savons donc que les scories ferrugineuses sont décarburantes ; aussi la décarburation sera-t-elle d'autant plus prompte que leur contact avec du fer carburé aura été plus prolongé. Or une des principales règles à suivre pour avoir de l'acier dans les forges catalanes, c'est précisément de faire couler souvent les scories ferrugineuses, et d'abré-

gef ainsi leur contact avec le fer carburé. Une autre règle, c'est d'avoir beaucoup moins de scories et de mettre beaucoup plus de charbon que d'ordinaire : par ce moyen, on augmente la cause carburante et on diminue celle qui produit un effet contraire.

La masse métallique qui sort des forges catalanes n'est jamais formée exclusivement d'acier; certaines parties sont formées de fer : mais comme l'acier devient cassant par la trempe, il arrive qu'en refroidissant d'une manière brusque cette masse, on peut, par des coups de marteau bien appliqués, séparer l'acier du fer.

L'acier provenant des forges catalanes est employé sans affinage préalable, et sert surtout à la confection des armes blanches, des ressorts, des faux, des socs de charrue, et d'autres instruments d'agriculture.

Les fontes employées à la fabrication de l'acier sont les fontes manganésifères obtenues dans les fourneaux au charbon de bois. Dans l'affinage, le manganèse rend les scories très-fluides, et sert à ralentir leur action décarburante sur la fonte. Les localités où l'on fabrique Y acier de forge, c'est-à-dire celui que l'on produit par la décarburation incomplète de la fonte, sont très-nombreuses en Europe ; et comme les procédés, quoique fondés sur les mêmes principes, ne sont pas les mêmes dans toutes les usines, je me bornerai a vous donner une idée succincte de celui que l'on pratique en France, et spécialement dans l'Isère.

On opère , comme si l'on affinait la fonte au petit foyer, par la méthode comtoise.

On charge sur le contrevent (partie du creuset qui est en face delà tuyère) 1000 à 4200 kil. de fonte , avec des scories riches, provenant d'une opération précédente : le charbon de bois est chargé sur la tuyère, puis on conduit la fusion très-lentement; elle doit durer au moins huit heures. Il faut que la température soit moins élevée que dans les feux d' affiner ie ordinaires, et cependant il est nécessaire que les scories restent bien fluides. D'un autre côté, on a soin de maintenir la fonte à l'état liquide, et de la travailler avec un ringard, pour en favoriser la décarburation.

C'est pendant cette période, qui dure environ 6 heures, qu'a lieu l'affinage. Il résulte de l'action que les scories riches exercent sur la fonte. Ces scories, étant très-basiques , retiennent faiblement une certaine quantité de leur oxyde de fer ; celui-ci réagit sur le carbone de la fonte , et le convertit en oxyde de carbone ; et pour que la décarburation ne soit pas complète, on ne perd pas de vue la surface du bain. Lorsque celle-ci commence à s'épaissir, ou en langage d'usine , lorsque la fonte commence à prendre nature, on affaiblit autant que possible l'action des

554 CHIMIE ELBMtPfTAIBE.

scories, en y ajoutait du sable quartzeux, et* en ralentissant le jeu de la tuyère. Bientôt, c'est le tour de l'acier de prendre nature, car il vient former à la surface, une croûte spongieuse , dont l'ouvrier fait une loupe qu'il pousse vers le contrevent. Après la première croûte , une seconde se forme , puis une troisième «t ainsi de suite, jusqu'à ce que tout l'acier ait été enlevé. Chaque loupe est martelée , puis chauffée de nouveau pour être étirée.

D'après ce que nous avons dit sur la fabrication de l'acier naturel ou de forge, on conçoit que ce produit ne peut pas être homogène ; aussi dans une même opération , obtient-on de l'acier proprement dit, enfer acier eux, et du fer. La proportion de ce dernier sera toujours plus grande lorsqu'on opère par la méthode catalane , que lorsqu'on traite des fontes.

Voyons de quelle manière on se procure l'acier de cémentation, c'est-à-dire comment on introduit du carbone dans le fer.

L'acier de cémentation s'obtient en chauffant dans des caisses en briques réfractaires, du bon fer entouré de charbon en poudre. Les caisses de cémentation ont de % à 5 mètred de longueur, de 0m,7 à 0œ,9 de largeur, et autant de hauteur : elles sont disposées dans un four voûté, et la flamme les enveloppe de toute part. Le combustible est généralement de la houille , quelquefois du bois. Pour charger une caisse de cémentation , on commence par mettre dans son fond une couche bien tassée de cément, ayant 5 centimètres d'épaisseur '. On dispose sur cette couche un lit de barres de fer placées de champ, et espacées d'un centimètre environ. Elles doivent être plus courtes que l'intérieur de la caisse , pour que leur dilatation s'opère librement. On répand et on tasse du cément sur ce premier lit, de manière à en former une couche de 4 5 à 20 millimètres d'épaisseur, sur laquelle' on met un second lit de barres. On procède ainsi jusqu'à 45 centimètres des bords, et on remplit la caisse avec du sable quartzeux. Chaque four renferme deux caisses qui doivent contenir en tout de 42 à 25,000 kilogr. de fer.

Dans les parois du four, sont ménagés de petits ouvreaux qui correspondent à des ouvertures pratiquées dans les caisses. Par cette disposition , on peut retirer de temps à autre des barres de fer, qui servent de témoins, et permettent de surveiller les progrès de la cémentation. Lorsque les caisses sont assez chauffées pour être rouges , -on les entretient à cette température , pendant

(1) Le cément se compose de charbon de bois dnr pulvérisé, mêlé souvent à ~ de son poids de cendre , et à un peu de sel marin.

un nombre de jours proportionné à la section transversale des barres et au degré de carburation qu'on veut leur donner. On achève l'opération en laissant refroidir le fourneau avec lenteur. En général, une opération dure de 46 à 20 jours.

La surface des barres les mieux forgées devient très-inégale, et se recouvre d'ampoules ; ce qui a fait donner à l'acier de cémentation , le nom $ acier-poule.

L'acier brut, quelle que soit sa provenance , ne peut avoir que des applications très-bornées. Celui de cémentation , par exemple, ne sert guère que pour faire des ressorts de voiture ou des objets grossiers. Gela tient à ce qu'il manque d'homogénéité. Nous avons déjà fait ressortir cette circonstance , en parlant de l'acier naturel. On conçoit qu'une barre de fer ne peut s'aciérer uniformément dans toute sa masse. En effet , elle se cémente, en s'imbibant de charbon de proche en proche, à partir de la surface ; or il est évident que ses parties centrales seront toujours moins carburées que ses parties extérieures ; la surface sera déjà devenue de l'acier, tandis que le centre sera encore â l'état de fer doux.

Il faut donc diminuer autant que possible ces inégalités ; on y parvient par le corroyage. Voici en quoi consiste cette opération.

On forme des trousses avec plusieurs barres d'acier brut , qu'on assortit , en alternant celles qui sont très-aciérées, avec celles qui le sont moins. On chauffe ces trousses dans des foyers à tuyères, et on en fait de nouvelles barres. Celles-ci , trempées et cassées , servent , avec leurs fragments , à former de nouvelles trousses , qui après chauffage, seront encore converties en barres. A chaque opération, la masse devient plus homogène, mais elle perd un peu de son carbone ; par suite de cette perte, ses propriétés se modifient de telle sorte que, dans les usines, on répète plus ou moins le corroyage , suivant la nature de l'acier que l'on veut obtenir.

V acier corroyé, et surtout celui qui a été produit par cémentation, est susceptible d'un beau poli , et peut servir à la fabrication des objets de quincaillerie, car il a une texture très-serrée et un grain très-fin. Cependant, il n'est pas encore doué d'une homogénéité parfaite ; aussi se rouille-t-il facilement, et dès que la rouille a commencé , elle se propage bientôt à toute la masse ; en outre, cette sorte d'acier n'a pas une texture assez fine pour servir à la confection d'instruments à tranchant délié. D'un autre côté , l'acier brut de cémentation se prête beaucoup moins bien au corroyage que l'acier de forge ; d'abord parce qu'il se décarbure plus facilement par suite dos nombreuses chaudes qu'il doit subir , ensuite parce qu'il ne perd qu'imparfaitement les solutions de continuité ( pailles) produites par la cémentation.

6S6 cmma kléhsntaike.

On évite tous ces inconvénients en donnant l'homogénéité aux aciers, par le moyen de la fusion.

Voici comment on prépare l'acier fondu :

On commence par chauffer au coke, graduellement , et environ pendant 42 heures, un fourneau à vent, dont vous voyez ici une coupe verticale (fig. 72).

La température étant au rouge sombre , on y place deux creusets vides, parfaitement desséchés, et revêtus de leur couvercle. On remplit le fourneau avec du coke , on ouvre complètement le registre r, pour qu'an bout d'une demi-heure la chaleur parvienne a son plus haut degré. On charge alors les creusets , en introdui-

ts, n.

sent dans chacun d'eus 43 à 14 kilogrammes d'acier brut. La charge faite, on remplit le fourneau de coke, et on fait marcher la chautfe environ pendant i heures. Après ce temps , on retire les creusets , et on coule l'acier dans des lingotièies. Le plus estimé est celui que l'on fabrique aux Indes, et qui porte le nom A' acier fVootx.

L'acier fondu a une texture très-homogène; il sert aux usages les plus délicats de la coutellerie et de la bijouterie ; il sert aussi a la confection des médailles; maie comme il ne peut supporter le choc du balancier, on commence par le détaciérer, en le chauffant, après l'avoir recouvert avec de la limaille de fer : dès qu'il est redevenu fer, on le frappe au balancier, puis on le convertit

de nouveau en acier; à cet effet, on le recouvre de poussière de charbon, et on le chauffe. Le procédé semblerait plus court si l'on frappait d'abord les médailles en fer, et si on les convertissait ensuite en acier. Mais le fer n'a pas une texture assez homogène pour reproduire, sous la pression du balancier, les empreintes les plus fines. Quand on convertit l'acier en fer, on lui ôte sa dureté, mais on lui laisse sa texture.

Après avoir vu comment on peut se procurer le meilleur acier, étudions-en les propriétés génériques.

L'acier est brillant, susceptible d'un beau poli, très-ductile et très-malléable. Sa texture est grenue, mais ses grains sont fins et serrés. Sa densité est un peu moindre que celle du fer.

Chauffé au rouge, et refroidi peu à peu , il conserve toutes ses propriétés physiques ; mais refroidi brusquement, il devient trèsdur et cassant ; c'est alors de V acier trempé. Cette propriété le distingue particulièrement du fer.

La dureté que l'acier acquiert par la trempe est en raison de la célérité du refroidissement et de la différence entre la température du métal et celle du milieu refroidissant. Supposez , par exemple, une masse d'eau à + 30°, plongez-y une lame d'acier chauffée au rouge sombre : cette lame acquerra une dureté quelconque : répétez l'expérience avec de l'eau à 0°, la dureté de votre lame sera plus grande : il en sera de même si , au lieu de refroidir l'eau, vous chauffez davantage la lame.

Il est donc prouvé que le degré de la trempe dépend de la température du métal et de celle du milieu. Je vais vous prouver qu'il dépend aussi de la célérité du refroidissement.

Soient deux masses égales, Tune de mercure, l'autre d'eau, ayant la même température. Qu'on y plonge séparément deux lames d'acier semblables et également chauffées. Celle qui sera plongée dans l'eau deviendra moins dure que celle qui sera plongée dans le mercure, parce qu'elle se refroidira moins rapidement , l'eau étant un mauvais conducteur de la chaleur.

Tous ces faits prouvent que l'on peut communiquer à l'acier divers degrés de dureté, en variant les deux conditions suivantes :

*re Rapidité de refroidissement ;

2e Différence de température entre le milieu refroidissant et l'acier.

Les artisans suivent cette règle lorsque, dans l'opération de la trempe , ils chauffent plus ou moins l'acier, et le plongent tantôt dans un liquide, tantôt dans un autre.

On trempe souvent l'acier par un procédé tout différent. Lorsqu'on chauffe ce métal autant qu'on l'a chauffé quand on l'a

trempé, puis qu'on le laisse refroidir lentement, il perd sa dureté, redevient ductile et malléable ; en un mot* il se détrempe complètement ; mais , à mesure que sa température s'élève , il se manifeste à sa surface une série de colorations dont chaque terme correspond à un degré déterminé de chaleur, et par conséquent à un degré particulier de détrempe.

Pour donnera l'acier une trempe voulue, quelques artisans commencent par le tremper au maximum, puis ils le chauffent peu à peu jusqu'à l'apparition de la couleur qui correspond à la trempe cherchée.

Voici les différentes nuances et les températures correspondantes :