Prévenir la décarburation et la calamine—Comment l'oxydation de surface lors du forgeage détermine la qualité de la katana

Dans le forgeage de la katana japonaise, l'un des problèmes qui demande le plus d'attention aux forgerons est la « décarburation » et la « brûlure ». Les deux sont des phénomènes de dégradation de surface de l'acier se produisant dans des environnements à haute température, et ils affectent directement la qualité du produit fini. Dans les discussions techniques du forgeage, la beauté du hamon et du jihada est souvent discutée, mais en tant que condition préalable, les techniques de contrôle de l'oxydation de surface sont essentielles. Cet article explique les mécanismes de la décarburation et de la brûlure, ainsi que les techniques de prévention que pratiquent les forgerons.

Qu'est-ce que la décarburation—Le phénomène de l'acier « s'amincissant »

La décarburation est le phénomène dans lequel le carbone contenu près de la surface de l'acier réagit avec l'oxygène dans des environnements à haute température et s'échappe sous forme de CO₂ ou de CO. La teneur en carbone de l'acier est un facteur déterminant de la dureté et de la ténacité, et à mesure que la décarburation progresse, la concentration en carbone à la surface diminue et la dureté dans cette zone est perdue.

Le tamahagane est un acier à haut carbone avec une teneur en carbone d'environ 0,6–1,5 %, mais le chauffage répété lors du forgeage provoque l'épuisement du carbone de surface. Lorsque la trempe est appliquée, la transformation en martensite se produit moins facilement dans la couche de surface appauvrie en carbone, ce qui entraîne un hamon qui n'apparaît pas comme prévu ou une dureté inégale.

La vitesse de décarburation est proportionnelle à la température de chauffage et à l'intensité de l'atmosphère oxydante. Plus la température est élevée, plus le processus est rapide, et dans un environnement de flamme oxydante, la décarburation est accélérée. Inversement, la décarburation peut être supprimée dans une atmosphère de flamme réductrice en limitant l'oxygène dans le four. C'est aussi pourquoi les forgerons ajustent soigneusement le flux d'air (sortie du soufflet) dans le four.

Qu'est-ce que la brûlure—Dommages de surface dus à la surchauffe

La « brûlure » est un terme du forgeage de la katana japonaise faisant référence à un état dans lequel la surface de l'acier excessivement chauffé est couverte d'un film d'oxyde (calamine), et la microstructure de l'acier est devenue grossière et fragile en raison de la surchauffe. En anglais, ceci est exprimé comme « overheating » ou « burning », et en termes de microstructure métallique, c'est un état où la « brûlure » due à une surchauffe excessive s'est produite.

Les zones brûlées ont une surface noire avec une texture friable. Lorsqu'elles sont frappées, elles produisent un son terne différent de celui de l'acier normal, de sorte que les forgerons expérimentés peuvent détecter la brûlure par le son seul. Si l'on essaie de forger une zone brûlée avec force, cette section se fissurera ou s'écaillera. De plus, la brûlure provoque un grossissement de la microstructure de l'acier et est une cause de perte de raffinement dans le jihada.

La brûlure et la décarburation se produisent souvent simultanément. Un chauffage trop élevé augmente la vitesse de décarburation et peut entraîner une brûlure. Pour éviter de dépasser la limite de température « supérieure », les forgerons surveillent constamment la couleur de la flamme pendant le travail.

Techniques de prévention pratiquées par les forgerons

Les techniques pratiques pour prévenir la décarburation et la brûlure peuvent être organisées en trois domaines principaux : « gestion de la température », « minimisation du temps de chauffage » et « utilisation d'agents protecteurs ».

• La gestion de la température est la mesure de contrôle la plus fondamentale. La température de forgeage optimale pour le tamahagane est dite être d'environ 900–1200 °C, mais la valeur précise varie selon la teneur en carbone de l'acier et est déterminée non pas par des instruments mais par la couleur de la flamme et la radiance de l'acier. Lorsque la luminosité dépasse la plage appropriée de jaune-orange à incandescence et surpasse le blanc, cela entre dans la zone de danger. Ce jugement est une technique sensorielle acquise grâce à des années de formation, et c'est un domaine où les forgerons expérimentés et jeunes montrent des différences considérables.
• La minimisation du temps de chauffage est également importante. À la même température, plus l'acier reste longtemps dans le four, plus la décarburation se produit. Les forgerons fonctionnent selon un cycle rapide de « chauffage pour le temps strictement nécessaire et retrait et frappe immédiate ». Particulièrement dans les étapes de finition des détails fins, les légères différences d'exposition à la flamme entraînent des variations de qualité de surface, de sorte que le rythme de travail est extrêmement important.
• L'utilisation d'agents protecteurs : Dans le processus de forge par fusion, la « cendre de paille de riz » est utilisée comme flux. La cendre de paille de riz a l'effet de dissoudre et d'éliminer la calamine d'oxyde lors du chauffage, exposant les surfaces d'acier frais. Cette action chimique prévient localement l'oxydation pendant la forge par fusion et permet un assemblage uniforme. De plus, en créant consciemment une « atmosphère de carbone » en utilisant du charbon de bois, on peut obtenir un effet de « protection par cémentation » qui prévient la décarburation.

L'élimination des zones brûlées est une autre contre-mesure. Si la brûlure se produit, cette section est activement forgée et retirée lors du processus de forgeage. Puisque la brûlure se concentre à la surface, la frappe et l'élimination de la calamine ne laissent que l'acier sain en profondeur. Si ce travail n'est pas effectué correctement, la microstructure brûlée sera incorporée à l'intérieur de la lame, entraînant une dégradation de la qualité du produit fini.

Post-traitement de la décarburation et de la brûlure—Relation avec le polissage

Si une légère décarburation ou brûlure existe sur la lame finie, cette couche peut être retirée lors du processus de polissage. Le polisseur change progressivement les pierres à aiguiser de qualités grossières à moyennes à fini tout en meulant la surface de la lame ; dans ce processus, la couche décarbonisée de surface est retirée et la surface d'acier avec sa concentration en carbone d'origine est exposée.

Cependant, si la couche décarbonisée est profonde, le polissage seul ne peut pas la traiter, et la lame elle-même peut nécessiter un « remaniement ». C'est pourquoi la minimisation de la décarburation et de la brûlure lors du forgeage est importante. Le post-traitement après completion ne peut remédier qu'aux cas mineurs.

Le phénomène de décarburation et de brûlure est une facette de la « chimie de l'acier » sous-jacente à la beauté des katanas japonaises. Le travail des forgerons contrôlant ces quatre variables—le carbone, l'oxygène, la température et le temps—à travers leurs cinq sens forme la fondation pour produire la beauté du jihada et l'éclat du hamon dans la lame finie.