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Texte de Jeremie sur le charbon

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Texte de Jeremie sur le charbon

Message par frannyz le Ven 29 Nov 2013 - 16:08

j'avais gardé ce texte de Jérémie
Le rôle du charbon
Nos méthodes de déliantage entraînent systématiquement une oxydation du métal (or et argent pur mis à part). Cette oxydation constitue un obstacle au frittage (fusion des particules de métal). Il faut donc obligatoirement "désoxyder" le métal pendant la cuisson  : on parle de "réduction" des oxydes.
L'introduction de charbon dans le four est la seule solution pour obtenir cette réduction.
Depuis 2008 , les bienfaits du charbon n'ont jamais été remis en cause. A l'inverse, le choix du bon type de charbon est complexe et fait toujours débat. Heureusement, les recherches progressent chaque jour... voici un bilan au 30 mai 2012  :
Il est possible de regrouper les différents types de charbons en deux catégories  :
Le charbon de bois traditionnel (pour barbecue par exemple)
Le charbon activé (pour purifier l'air ou l'eau)

Caractéristiques de ces charbons
Charbon de bois traditionnel  :
- Fabriqué à partir d'essences de bois à basse et moyenne densité chauffées à 350°C.
- En présence d'oxygène, brûle spontanément et rapidement dès 315°C environ
- Vendu 1 euro/kg dans les supermarchés sous forme de gros morceaux ensachés.
- Utilisé comme combustible pour barbecue.
- Pendant la cuisson, génère principalement du CO2, CO, H2, H2O, O2 et CH4
Charbon actif :
- Fabriqué le plus souvent à partir de noix de coco (forte densité).
- Activé par chauffage à 600°C et plus, parfois suivi d'un lavage à l'acide.
- En présence d'oxygène, brûle spontanément mais lentement à partir de 600°C.
- Vendu 10 euros/kg dans les animaleries sous forme de granulés calibrés.
- Utilisé pour son pouvoir d'adsorption permettant la filtration de l'air et de l'eau.
- Pendant la cuisson, génère principalement du CO2 et CO

Effets lors de la cuisson du métal  

La combustion des charbons (actifs ou non) génère des gaz réducteurs qui protègent l'objet de l'oxydation. Il est donc préférable d'opter pour le charbon dont la combustion démarre le plus vite possible. De tous les charbons, celui pour barbecue est celui qui brûle le plus vite. La nature des gaz dégagés par le charbon a également son importance. Le charbon actif a une composition chimique très différente du charbon de base. La raison est que l'activation nécessite une épuration du carbone (par la chaleur ou par un lavage à l'acide). Après traitement, le charbon actif se rapproche d'un carbone pur et ne contient pratiquement plus d'oxygène et d'hydrogène. Pour sa part, le charbon pour barbecue conserve encore la majeure partie de ses composés et il va les libérer lors de la cuisson des objets en métal. Les gaz générés, pour la plupart combustibles, vont participer à l'accélération de la combustion, ce qui est bénéfique. Plus la combustion sera intense, plus le dégagement de gaz réducteurs sera importante et plus la cuisson pourra être raccourcie (il faudra cependant éviter de descendre au dessous de 30 minutes pour laisser le temps aux particules de fusionner).
Il est déconseillé de bloquer totalement l'arrivée d'air dans le four et donc d'éviter les couvercles étanches ou les calfeutrages trop importants. L'air contient 20% d'oxygène et d'une manière logique, son effet est dramatique si les cuissons sont réalisées sans charbon. Par contre, un apport d'air modéré a un effet bénéfique dans le cas d'une cuisson au charbon.
Une erreur couramment rencontrées est de penser qu'il suffit de stopper l'arrivée d'oxygène pendant la cuisson. Comme l'objet est déjà oxydé lorsqu'il rentre dans le four, les gaz réducteurs sont indispensables. L'oxydation est un processus réversible grâce à l'action du CO (action presque négligeable en dessous de 700°C) et du H2 (action très forte et rapide, dès 300°C). Notez que le charbon actif n'agit que par le CO, ce qui implique des cuissons beaucoup plus longues (en général, de plusieurs heures).Du point de vue chimique, le charbon pour barbecue est donc beaucoup plus adapté aux cuissons des pâtes de métal que le charbon actif. On peut donc se demander pourquoi le charbon actif a été préconisé dans les premiers protocoles de cuissons apparus en 2008.

La raison est la suivante  :
Lors des débuts de la pâte de bronze, la volonté a été de protéger les objets de l'oxygène. Les couvercles étaient recommandés et du charbon était déposé dès la phase de déliantage (brûlage du liant). On espérait même que le charbon actif capture l'oxygène dans ses pores (alors que dans la pratique, c'est le CO2 qui est capturé, l'O2 étant une molécule très petite et donc difficilement adsorbable). La limitation de l'arrivée d'oxygène ne permettait pas d'obtenir un déliantage complet, car le déliantage nécessite beaucoup d'oxygène. Comme le charbon actif brûle très tardivement, la privation d'oxygène se fait également tardivement, ce qui laisse la possibilité au liant de brûler en partie. Les premiers tests avec le charbon non activé étaient donc logiquement des échecs. Depuis, il est établi que les meilleurs déliantages se font sans charbon, et la cuisson au charbon non activé donne maintenant les meilleurs résultats.
Un nouveau paramètre important est apparu récemment  : la carburation.
Il s'agit, comme pour l'oxydation, d'un phénomène de corrosion  : à haute température le carbone a la faculté de se fixer au métal, le rendant plus cassant. La carburation a également un effet néfaste sur le frittage et donne des résultats analogues à un déliantage insuffisant. La présence de carbone dans le métal est bien plus néfaste qu'une oxydation superficielle. Il est donc nécessaire de contrôler au maximum les agents carburants (carbone pur et CO). Le carbone pur n'est pas un gaz, c'est un solide qui agit par contact. Il est possible de limiter voire d'annuler le contact direct avec le métal en déposant du sable entre l'objet et le charbon. Une très fine couche suffit. Par contre, le CO est un gaz qui ne peut pas être évité (ce qui ne serait d'ailleurs pas souhaitable  : il reste utile pour la réduction des oxydes). Par chance, comme pour l'oxydation le processus de carburation est réversible. Certains gaz sont décarburants  : O2, CO2, H2O. Le charbon pour barbecue libère tous ces gaz, alors que le charbon actif ne libère qu'un gaz décarburant  : le CO2. Si l'objet en métal séjourne trop longuement dans du charbon en présence de CO, la carburation peut être significative et l'objet peut être fragilisé. Les effets de la carburation sont malheureusement difficilement visibles  : les meilleurs indices sont l'apparition de points noirs à la surface des objets. La solidité des objets ne peut s'estimer que par des tests de résistance jusqu'à destruction, rarement effectués.
A ce jour, tous les essais de remplacement du charbon par d'autres substances organiques (sciure, graines, fibres végétales etc) a conduit à des échecs systématiques de cuisson. La durée et la température des cuissons n'est pas la raison de ces échecs. Il s'agit probablement d'un effet d'enfumage entraînant une carburation intense du métal au tout début de la cuisson. Pour réussir la cuisson, ces matériaux organiques doivent être préalablement carbonisés  : les charbons ont l'avantage de ne dégager aucune fumée entre 100 et 300°C. Les fumées ont en effet été évacuées en usine lors de la fabrication du charbon. Chaque phase de montée en température verra se succéder différents dégagements gazeux. Ainsi, lorsqu'un charbon a été porté au delà de 800°C, il ne rejette plus d'autre gaz que du CO et du CO2 (résultant de la combustion du carbone pur qui reste, responsable de la couleur noire du charbon). J'ai récemment réalisé qu'un charbon pour barbecue qui subit une cuisson à haute température et un refroidissement rapide devient du charbon actif parfaitement fonctionnel (c'est d'ailleurs une des techniques les plus utilisées pour fabriquer le charbon actif !). Il sera donc impossible de recycler du charbon barbecue pour des cuissons courtes. Il pourra néanmoins être réutilisé pour des cuissons longues de plusieurs heures si votre four le permet (cela reste relativement déconseillé compte-tenu des motifs exposés tout au long de cet article).
Le charbon actif va donc disparaître peu à peu des protocoles des différents fabricants de pâtes dans les prochaines années. Beaucoup de points importants sont encore méconnus des chercheurs qui se penchent sur le frittage des pâtes de métal. Le changement sera lent et difficile  : les habitudes sont difficiles à abandonner, mais surtout, la diffusion du charbon barbecue se heurte à l'absence de producteur de charbon broyé...dans l'attente, il faut broyer son charbon soi-même (pour obtenir idéalement des grains de la taille d'un grain de riz). Un travail salissant, mais qui en vaut la peine !
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Re: Texte de Jeremie sur le charbon

Message par frannyz le Ven 29 Nov 2013 - 16:13

jéremie peux-tu expliquer pourquoi un petit apport d'oxygène est bénéfique
est-ce à cause de la carburation ?
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Re: Texte de Jeremie sur le charbon

Message par inari le Ven 29 Nov 2013 - 17:11

La carburation n'est pas toujours indésirable.

Pour le bronze je ne pensais pas que cela puisse jouer.

Mais pour les aciers pauvre en carbone (on parlera de cémentation, création de cémentite), l'ajout de carbone en solution solide d'insertion permet de remonter la teneur en carbone de la couche extérieure, et ainsi permet une meilleure trempabilité (pour augmenter la dureté). C'était une des plus vieille méthode de traitement thermique et chimique, bien avant la nitruration qui pollue.

Sans vouloir m'avancer, et si je me rappelle de mes cours de métallurgie, l'oxygène de l'air va s'allier avec le carbone sous forme de gaz, pénétrer dans la pièce. Dans le cas du cuivre que je ne connais pas, transformer l'oxyde de cuivre en cuivre pur (en le débarrassant de Cu20, et par la même, le monoxyde de carbone perdant son Oxyde redevient carbone pur, dans la matrice de l'alliage.
Si ce process était vrai pour des pièces brutes de fonderie, alors ça doit être pire avec la porosité de la poudre frittée?!


Dans la fusion du bronze, on rajoutait du charbon sur le dessus du bain, dès qu'il était liquide, parce que le "cuivre est avide d'oxygène", nous disait le prof ^^

C'est marrant de retrouver toutes ses vieilles techniques dans un procédé de """loisir créatif""" Je kiffe
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Re: Texte de Jeremie sur le charbon

Message par Jérémie le Ven 29 Nov 2013 - 18:10

J'ai écrit ce texte sur le charbon actif en mai 2012, et depuis, j'ai des éléments à ajouter/corriger ! Le charbon actif et le charbon BBQ recylcé (qui sont chimiquement très proches) sont meilleurs que le charbon BBQ neuf (même s'ils ne permettent jamais des cuissons aussi courtes !). Ils sont meilleurs car ils ne dégagent pas de méthane. Le méthane dégagé par le BBQ neuf réduit les temps de cuissons mais augmente la carburation. Je suggérais une différence de temps de cuisson importante entre BBQ neuf et recyclé, alors qu'il n'y a dans les faits que 20% d'augmentation, ce qui est très correct. Ma préoccupation de l'époque était d'obtenir les temps de cuissons les plus courts. Actuellement, je ne cuis plus au charbon BBQ neuf et mes cuissons sont un peu plus longues, mais c'est mieux pour la solidité ! Je ne suis plus du tout réfractaire à l'utilisation du charbon actif et charbons BBQ recyclés (au contraire, je les conseille maintenant !). Le charbon actif peut également se recycler sans problème.
Une autre chose à ajouter : il faut éviter absolument l'utilisation de charbon actif à base minérale (charbon de mine, nommé coal based activated carbon en anglais). La raison est très probablement la teneur en soufre. Le soufre a un effet corrosif sur les métaux cuivreux (formation de sulfures). La sulfuration semble aussi méchante que la carburation. Pour l'acier, la carburation n'est pas toujours un problème (elle transforme le fer en acier) mais pour le bronze et le cuivre, c'est totalement indésirable.
Pour finir (et répondre à Inari concernant l'effet du CO et de l'oxygène) j'aimerais préciser que les réactions de ces atomes et molécules sont très nombreuses (je crois qu'il y a à peu près 100 réactions !). Il y a en permanence des oxydations et des réductions, des carburations et décarburations... et les phénomènes sont majoritairement dans un sens ou dans un autre en fonction des températures, pressions, proportions des atomes et molécules mis en jeu. Par exemple, le CO peut "capturer" un atome oxygène dans l'air ou dans l'oxyde métallique...mais il peut aussi "offrir" son atome d'oxygène pour déposer du carbone dans le métal...ces réactions sont infernales à anticiper pour ne pas dire impossible. L'expérimentation est souvent la meilleure solution se faire une idée du bilan des réactions.
Concernant l'ajout de charbon au sommet du bain de métal en fusion, c'est très juste. Cela produit une réduction des oxydes métalliques qui flottent à la surface. Les oxydes flottent car ils sont plus légers que le métal "pur". On le fait pour tous les métaux qui s'oxydent (étain, cuivre, bronze...). Il me semble avoir lu que les potiers d'étain jetaient de la paraffine dans les bains pour réaliser la réduction des oxydes flottants à la surface.
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Re: Texte de Jeremie sur le charbon

Message par Jérémie le Ven 29 Nov 2013 - 18:30

On trouve une excellente synthèse sur les réactions des gaz sur les métaux cuivreux dans le livre "Atmosphères de traitements thermiques", de Patrick Coppin, Benoît Lhote, Meryem Buffin et Serban Cantacuzène :

Le CO ne serait carburant qu'avec les aciers, et pas avec les alliages cuivreux. Avec les alliages cuivreux, la carburation proviendrait du méthane (malheureusement, le tableau se contente de dire que l'effet du méthane est indésirable sans en expliquer la raison).
Il est intéressant de savoir que lorsqu'on fait un feu, c'est le méthane qui s'enflamme (et qui crée les longues flammes). Quand le bois a complètement rejeté son méthane, il forme des braises qui brûlent sans flamme. Si la combustion est stoppée et les braises refroidies, on obtient un charbon de bois dégazé assez léger. Une fois broyé, ce charbon est excellent pour la cuisson des pâtes de métal et se recycle parfaitement.


Dernière édition par Jérémie le Ven 29 Nov 2013 - 18:42, édité 1 fois (Raison : n)
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Re: Texte de Jeremie sur le charbon

Message par frannyz le Ven 29 Nov 2013 - 19:01

merci Jeremie, je vais modifier ma fiche pate de métal en conséquence. Depuis que j'ai découvert la pate de métal, je glane sur tous les forums et les sites les renseignements interessants même quand il n'y a que 5 mots et je les classe en regroupant les thème (je mets toujours le pseudo ou le nom de l'auteur en bleu sur ma fiche)
je fais ça même pour les trucs que je ne fais pas par ex argent etc... et j'ai eu le nez creux car quand le forum de Zab a disparu, j'avais un document très détaillé de 100 pages, illustrées que je continue à étoffer et qui me rend bien service maintenant
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Re: Texte de Jeremie sur le charbon

Message par Jérémie le Ven 29 Nov 2013 - 22:16

Génial Frannyz ! Cela serait une excellente base pour une publication !
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Re: Texte de Jeremie sur le charbon

Message par inari le Lun 2 Déc 2013 - 12:23

méthane... CH4... Est-ce que tu conseillerais d'étuver le charbon avant l'utilisation pour la cuisson? Son taux d'hygrométrie aurait une influence sur la création de méthane à l'intérieur du four? (ou est-ce que cette réaction n'est vraie que dans le sens inverse?)

J'en reviens à ton tableau.
Si le four est quasi hermétique, on produirait du C0 réducteur pour le cuivre
Si le four ne l'est pas, on aurait plus tendance à dégager du CO2 qui lui est oxydant pour le cuivre?
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Re: Texte de Jeremie sur le charbon

Message par palayana le Lun 14 Avr 2014 - 14:37

bonjour,
question c.. peut être, mais comment faire du charbon BBQ recyclé pour la cuisson en four?
Je me renseigne avant de commencer et ce charbon à l'air parfait pour commencer justement...
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Re: Texte de Jeremie sur le charbon

Message par ArmelleB le Lun 14 Avr 2014 - 22:59

Il suffit de le faire cuire. Le plus simple est de l'utiliser neuf pour faire une cuisson (en utilisant le temps de cuisson du charbon neuf), puis de l'utiliser en recyclé les fois suivantes (en utilisant le temps du recyclé).  Very Happy 
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