Coulabilité des alliages cuivreux
Responsable scientifique : Benoît Mille
L'ajout de très fortes quantités de plomb dans les alliages à base de cuivre est un phénomène récurrent qui traverse des périodes et des territoires très différents les uns des autres, et qui intrigue toujours de nombreux spécialistes. Ce phénomène nous a conduit à formuler une hypothèse : les forts ajouts de plomb dans les alliages cuivreux sont-ils liés au développement des techniques de coulée, et en particulier à celui de la fonte à la cire perdue ?
Cette hypothèse n’est pas totalement nouvelle, il est en effet souvent invoqué que les ajouts de plomb améliorent la coulabilité1 des alliages cuivreux. Mais cette proposition n’a jamais été démontrée, ni par la détermination du mécanisme physico-chimique qui serait responsable de cette amélioration de la coulabilité, ni par une simulation expérimentale en mesure de reproduire le phénomène.
Ce court texte a pour objet de relater les expérimentations qui ont été effectuées : conception d’un modèle expérimental de forme totalement nouvelle, fabrication des moules, réalisation des coulées, exploitation des résultats dont calcul de la coulabilité2 .
La technothèque conserve les 21 éprouvettes métalliques réalisées à l’occasion de ces essais, ainsi que quelques fragments du plâtre réfractaire utilisé pour la fabrication des moules. Les éprouvettes, dont on connaît précisément la composition et les conditions de coulée, pourront ultérieurement servir de support à une caractérisation approfondie de la microstructure des tiges, dans le but de mieux identifier le mécanisme contrôlant la coulabilité des aliiages cuivreux dits à long intervalle de solidification (bronzes et alliages à fort taux de plomb).
Etude expérimentale de l’effet du plomb sur la coulabilité du cuivre et du bronze
Pour ce qui concerne les types d’alliages cuivreux expérimentés, nous avons comparé d’une part la coulabilité du cuivre non allié avec la coulabilité du cuivre au plomb, et d’autre part le bronze avec le bronze au plomb. La teneur en plomb a été testée sur une large échelle de variation puisque 15 % semble être le minimum requis pour obtenir un effet important sur la coulabilité si l’en s’on tient aux données issues des analyses de composition que nous avons rassemblées.
Tout indique par ailleurs que la vitesse de solidification joue un rôle prépondérant sur la coulabilité des alliages cuivreux à fort taux de plomb. L’étude des propriétés thermiques des moules montre en effet que la vitesse de refroidissement est d’abord et avant tout contrôlée par le matériau du moule. Afin de mesurer cette influence, nous avons effectué deux types d’essais. Le premier type réalisé en moule métallique permanent en conditions proches de ce qui est pratiqué pour les tests modernes de coulabilité (vitesse de refroidissement très rapide), résultats non présentés ici. Le second type d’essai tend quant à lui à se rapprocher le plus possible des techniques de fabrication des objets anciens que nous étudions, c’est-à-dire que nous avons procédé par une fonte à la cire perdue effectuée en moule non permanent fait de plâtre (vitesse de refroidissement beaucoup plus lente).
1 En terminologie scientifique française, la coulabilité se définit en effet comme étant l’aptitude d’un métal ou d’un alliage à remplir un moule dans tous ses détails, lorsqu’on le verse dans ce moule à l’état liquide et qu’il se solidifie.
2 Pour une présentation plus complète de cette recherche (revue bibliographique des cas d’alliages cuivreux à fort ajout de plomb, définition de la coulabilité, paramètres influençant la coulabilité, étude critique des expérimentations de coulabilité, et interprétation poussée des résultats), on se reportera à :
Mille, B. (2017) - D’une amulette en cuivre aux grandes statues de bronze, évolution des techniques de fonte à la cire perdue, de l’Indus à la Méditerranée, du 5e millénaire au 5e siècle av. J.-C., thèse de doctorat en cotutelle de l’ED 395 « Milieux, cultures et sociétés du passé et du présent » en préhistoire (Nanterre), et du département de géosciences en archéométrie (Fribourg), Université de Paris-Nanterre et Université de Fribourg, 2 volumes, 484 et 132 p., http://www.theses.fr/s49636 .