La science de l'orikaeshi tanren — L'influence du nombre de pliages, de la température et du nombre de couches sur la structure de l'acier

Qu'est-ce que l'orikaeshi tanren — Le procédé fondamental qui transforme l'acier du nihontō

L'orikaeshi tanren est l'un des procédés les plus importants dans la fabrication du nihontō : il consiste à chauffer l'acier, à l'étirer au marteau, à le plier, puis à le frapper à nouveau, en répétant cette opération. L'objectif de ce procédé n'est pas simplement le « renforcement », mais d'homogénéiser la structure interne de l'acier, d'éliminer les impuretés et de produire finalement un matériau possédant le tranchant et la solidité optimaux.

La masse brute de tamahagane obtenue par le tatara est, en apparence, un bloc de métal, mais elle recèle divers problèmes en son sein : variations locales de la teneur en carbone, résidu de scories (laitier), inclusion d'oxydes, grossissement des grains cristallins, etc. Si l'on forgeait le métal en forme de lame sans résoudre ces problèmes, cela entraînerait un manque de résistance et des ruptures fragiles. L'orikaeshi tanren est la technique centrale du procédé de fabrication qui résout ces problèmes.

Nombre de pliages et nombre de couches — Des interfaces qui augmentent de façon exponentielle

Le nombre de pliages de l'orikaeshi tanren et le nombre de couches d'acier résultantes entretiennent une relation exponentielle. La relation selon laquelle n pliages produisent 2ⁿ couches se présente comme suit.

On considère généralement que le nihontō subit environ 8 à 15 pliages, et à 8 ou 15 pliages, il se forme un stratifié d'acier extrêmement mince.

La formation de cette immense quantité d'interfaces (les jonctions entre les couches d'acier) produit l'effet essentiel de l'orikaeshi tanren. Chaque interface constitue un lieu de redistribution du carbone, des carbures et des scories résiduelles, et les variations locales de composition sont progressivement homogénéisées par la chaleur et la pression répétées. Le principe de ce phénomène correspond à ce que les sciences des matériaux modernes appellent « diffusion accélérée par déformation plastique ».

Cependant, augmenter le nombre de pliages ne produit pas nécessairement de meilleurs résultats. On rapporte qu'au-delà de 20 pliages, l'épaisseur des couches atteint l'ordre du nanomètre, l'énergie d'interface devient excessive et l'acier devient au contraire fragile. Il se pose également le problème d'une diminution excessive de la teneur en carbone due à l'oxydation. La règle empirique des kaji traditionnels consistant à « fixer une limite de 12 à 15 pliages » est conforme aux connaissances actuelles des sciences des matériaux.

Gestion de la température — La plage de chauffage optimale pour le tanren

La température de chauffe dans l'orikaeshi tanren est la variable la plus importante, influençant directement les transformations de la structure de l'acier. La plage de température adaptée au travail de l'acier au carbone est appelée « plage de température de forgeage » ; bien qu'elle varie selon la composition de l'acier, pour l'acier à teneur en carbone moyenne à élevée utilisé dans le nihontō (teneur en carbone de 0,5 à 1,5 %), une température d'environ 900 à 1 200 °C est considérée comme appropriée.

Dans cette plage de température, l'acier adopte une structure cubique à faces centrées appelée austenite, et se trouve dans un état souple permettant la déformation plastique par martelage. En dehors de cette plage, les problèmes suivants surviennent.

• En dessous de 900 °C, la ferrite à structure cubique centrée commence à se former, la résistance à la déformation augmente brusquement et l'acier devient « dur et fragile ».
• Au-dessus de 1 200 °C, on se rapproche du point de fusion de l'acier, l'oxydation progresse rapidement et l'on observe la « surcuisson (burning) » qui dégrade la structure de l'acier.

Les kaji traditionnels jugent la température non pas à l'aide d'un thermomètre, mais à partir de la flamme du fourneau et de la couleur de l'acier. La technique de lecture de la température à partir de la couleur nécessite plusieurs années de formation, et la correspondance entre couleur et température est approximativement la suivante.

• Rouge sombre (environ 750 °C)
• Rouge (environ 850 °C)
• Orange (environ 950 °C)
• Orange vif (environ 1 100 °C)
• Jaune (environ 1 200 °C)

La détermination de la limite inférieure de la température de tanren (aux alentours de 900 °C) est particulièrement difficile, et il y a un risque qu'en continuant à frapper un acier dont la température a trop baissé, des « criques à froid (hieware) » se forment à l'intérieur.

Le mécanisme d'élimination des impuretés — Évacuation des scories et des oxydes

Un autre effet important de l'orikaeshi tanren est l'élimination des impuretés dans l'acier. Le tamahagane issu du tatara contient des traces de scories (composites de silicates et d'oxydes) qui constituent une cause de baisse de résistance et de rupture fragile de l'acier.

Lorsque l'acier chauffé est frappé au marteau, les scories internes se déforment et sont repoussées vers la surface. À la surface de l'acier à haute température, les scories se mélangent à la couche d'oxyde (calamine) et s'éparpillent sous forme de projections appelées « oroshi ». En répétant ce procédé, la teneur en scories à l'intérieur de l'acier diminue rapidement.

En outre, l'homogénéisation de la distribution du carbone progresse simultanément. Dans la masse brute de tamahagane issu du tatara, coexistent des zones à teneur en carbone élevée (la « hakutetsu », à coupe blanche) et des zones à teneur faible (la « kurotetsu », à coupe noirâtre). L'orikaeshi tanren dissout progressivement cette ségrégation du carbone, formant un acier à distribution de carbone uniformément homogène. Cette homogénéisation permet au hamon d'apparaître de façon belle et uniforme après le yaki-ire.

Affinement de la microstructure de l'acier — Le contrôle de la taille des grains crée le tranchant

L'influence de l'orikaeshi tanren sur la taille des grains cristallins de l'acier est également importante. En répétant chauffes, refroidissements et déformations, les grains cristallins de l'acier se recristallisent et recroissent tout en s'affinant progressivement. Un acier à grains fins présente des caractéristiques supérieures à celles d'un acier à gros grains sur tous les plans : résistance, ténacité et homogénéité (relation de Hall-Petch).

La finesse de la structure martensitique formée après le yaki-ire dépend également de la taille des grains avant le tanren. En affinant préalablement les grains cristallins par l'orikaeshi tanren, la martensite formée après le yaki-ire est uniforme et fine, réalisant une structure d'acier alliant haute dureté et ténacité. Le grain du jigane qui apparaît après polissage — les divers motifs tels que mokume, itame, ayasugi-hada — est la manifestation de cette fine structure cristalline sur la surface polie ; la qualité de l'orikaeshi tanren se reflète directement dans la beauté du jigane.

La dégradation causée par un excès de pliages — Le problème de la consommation de carbone et de la fragilité

L'inconvénient le plus grave lié à l'augmentation excessive du nombre de pliages dans l'orikaeshi tanren est la consommation de carbone. Lorsque l'acier est exposé à l'air à haute température, le carbone en surface s'oxyde et s'échappe sous forme de dioxyde de carbone : c'est la « décarburation (dattan) ». Plus le nombre de pliages augmente, plus le nombre de chauffes de l'acier est élevé, et la diminution de la teneur en carbone due à la décarburation s'accumule.

Un acier dont la teneur en carbone a diminué voit sa dureté baisser après le yaki-ire et devient une « lame qui ne coupe pas ». À l'inverse, si l'on utilise une matière première à teneur en carbone excessivement élevée dans le but de compenser le carbone, l'acier reste trop riche en carbone après les pliages et devient fragile. Les kaji traditionnels maîtrisent empiriquement le « bilan carbone pendant le tanren » et maintiennent la teneur en carbone optimale en choisissant le nombre de pliages et le temps de chauffe appropriés.

Cette « gestion du carbone » est l'une des plus hautes techniques des kaji. Même dans les analyses modernes par les sciences des matériaux, l'analyse en coupe des lames célèbres de l'époque Edo révèle une distribution du carbone d'une uniformité remarquable, et l'étonnement ne cesse pas devant le fait que les tōkō de l'époque aient réalisé cette gestion avancée des matériaux par la seule expérience et intuition, sans aucune connaissance théorique.