L'acier de cémentation , qui est un ancien acier cémenté, désigne le métal issu d'un procédé historique de transformation du fer en acier par une cémentation pénétrant plus ou moins profondément dans le métal (à la différence de la cémentation moderne, qui ne cherche qu'à durcir superficiellement). La cémentation superficielle existe depuis l'Antiquité..
La cémentation profonde, qui paraît avoir pris naissance en France et en Belgique, selon John Percy, a été utilisée en Europe de la fin du au John Percy, Traité complet de métallurgie, , 1864, Tome 1, Introduction page XLIV.. L'acier de cémentation étant très hétérogène (plus riche en carbone en surface qu'au cœur du produit), il était souvent refondu et ainsi transformé en acier fondu, également dénommé acier au creuset. Ces procédés, lents et d'autant plus coûteux qu'ils multiplient parfois les étapes de fabrication, disparaissent dès que les convertisseurs sont mis au point.
Développement technique Dès la première partie du , les forgerons anglais s'appliquent à durcir à la surface et à aciérer les barres et objets façonnés en fer forgé. Ils choisissent de cémenter le fer, imitant les forgerons des Pays-Bas espagnols voisins dès 1630. Or le fer suédois est bien plus facile à cémenter que les fers du Staffordshire ou du Lancashire. Les importations suédoises croissantes réduisent par contre coups les livraisons d'acier naturel de Rhénanie, qui pouvaient dépasser 1500 quintaux par annéeJohn Percy, Traité complet de métallurgie, , 1864, Tome 1, Introduction page CLXVII. Vers 1740, un procédé de traitement, par fusion au four ou creuset, des aciers cémentés, change la donne : il permet obtenir de l'acier fondu et de trouver ainsi un nouveau débouché. L'usine installé à Handsworth par Benjamin Huntsman, près de Sheffield à portée des produits réfractaires pour construire les fours et surtout desservie par la canal de Hull, port d'entrée des fers de Suède, est bientôt imitée par ses concurrents, à commencer par Walker et Marshall.
Description idéale après 1792 La Convention nationale prend brusquement conscience du manque dramatique d'acier en France, grande nation en sursis, désormais privée d'importations par un blocus militaire et confrontée aux besoins impérieux d'équipements et d'armements pour mener la guerre face à l'Europe monarchiste coalisée. Claude Berthollet, Gaspard Monge et Alexandre Vandermonde sont mandatés par le comité de salut public qui charge les scientifiques de multiplier les appels aux hommes de l'art. Les savants républicains diffusent un avis aux ouvriers en fer sur la fabrication de l'acier. Cet opus clair, accessible à un homme de métier, décrit trois espèces d'acier bien connuBerthollet, Monge et Vandermonde, , en particulier acier naturel p. 4-10, acier de cémentation p. 10-15, acier fondu p. 15-21 : i) l'acier naturel (obtenu suivant une voie supposée naturelle, en suivant une partie des étapes du procédé de fabrication du fer après la fusion de la fonte), ii) l'acier de cémentation, obtenu par le chauffage au fourneau à grand feu, de barres ou bandes de fer de bonne qualité avec un cément, un charbon de bois de grande surface spécifique réduit en poudre fine. iii) l'acier fondu, présentant une dureté uniforme et apte à un beau polissage. L'acier fondu est produit par la fonte des deux premiers aciers, même si l'acier de cémentation l'emporte pour cet usage.
L'acier de cémentation n'est guère apprécié par l'ouvrier qui martèle ou travaille ordinairement l'acier naturel, car ce dernier acier reste plus facile à mettre en forme, à affiner en tranchant, à souder au fer. Le meilleur des aciers de cémentation s'approche des propriétés de l'acier fondu, mais il n'atteint rarement une homogénéité de grains similaire et une grande dureté aussi uniforme ou constanteL' acier naturel paraît en surface moins égales que l'acier de cémentation. Un simple polissage révèle des petites surfaces ternies par des cendrures, des fibres et filandres. Avec la pointe d'un burin il est facile de mettre en évidence des veines de fer, c'est pourquoi les tranchants qui se forment sont moins sujets à s'égrener. L'acier naturel qui a plus de corps, selon le forgeron, est plus facile à travailler et soutient mieux le recuit.. Par contre, son manque d'homogénéité laisse apparaître parfois des défauts de structure, nommés pailles et filandrures. L'acier de cémentation ne se soude que difficilement au fer : il était principalement employé en coutellerie, en taillanderie, pour la fabrication de petits ressorts ou de grands laminoirs, d'outils comme des haches, limes, des marteaux de toute taille qui frappent fort, des burins qui résistent à la percussion du marteau, sans s'égrener sans se refouler etc, voire des platines de fusils ou des armes blanches comme des couteaux et sabres ainsi qu'une multitude d'objets.
Le forgeron savait autrefois confectionner des étoffes, c'est-à-dire des alliages de fer et d'acier, en forgeant, accolant et soudant laborieusement ensemble plusieurs lames différentes, le fer apportant sa souplesse et l'acier sa dureté, résistance et élasticité. L'étoffe, définie par des couches métalliques globalement peu cassantes, constitue la base des grands ressorts, des faux, des sabres etc. Cet art de mêler et contourner ensemble de fines lames de fer et acier, en réalisant des figures de veines topologiques avec ces multiples couches superposées, intimement entrelacées, explique la perfection maîtrisé des fleurs de damas.
Opération de cémentation L'acier de cémentation est formé par la réaction, parfois superficielle, et à haute température, autrefois au grand feu, du fer avec un cément, qui à l'époque n'est autre que du charbon de bois de bonne surface spécifique, réduit en poudre très fineUn charlatanisme, influencé par des considérations de fausse chimie technique, amenées insidieusement par les théories divulguées du minéralogiste Stahl concernant la forge et la nature des réactions et du feu a envahi ce domaine technique depuis un demi-siècle, malgré la vive réaction de l'académie des sciences menée par Lavoisier et ses collègues après 1786. Ce qui a conduit à multiplier les mélanges abscons de céments, supposés salin, gras, sulfureux, inflammable etc. et à dénommer acier factice l'acier cémenté. Même le citoyen Pierre Fétil l'aîné, dans son Précis de notions utiles aux artistes qui travaillent et emploient le fer et l'acier, tant pour les parties mécaniques que pour celles des instruments et des outils, rédigé en l'an X et publié à compte d'auteur en 77 pages, propage encore quelques notions descriptives, tout à la fois fallacieuses, séduisantes et d'apparence lumineuse, de Stahl.. Concrètement, des barreaux, des bandes, des plaques de fer entourés d'un cément, maintenu dans une caisse ou creuset sont chauffés dans un fourneau au grand feu. Le fer employé doit être homogène à défaut d'être pur et de grande qualité, en outre correctement forgé et corroyé avec soin, surtout ne dévoilant aucune gerçures ni pailles. Les aciéristes anglais, grands experts en cémentation, accaparent à prix d'or le fer de Roslagie, le meilleur de Suède. Dans le cas contraire, la réunion des morceaux de fer et même leurs alliages de surface demeure ardue. Les fers d'excellence des forges catalanes de l'ancien comté de Foix permettent une bonne cémentation, au moins égales à celle des fers suédois. Les fers de France, par exemple ceux du Berry, ne peuvent être cémentés seuls, mais seulement avec une bonne proportion de l'excellent fer suédois qui facilite l'opération de cémentation. Le registre crucial, si on excepte les fers de qualité médiocre ou porteurs d'impuretés, paraît être l'opération complète de forgeage à chaud, sous l'action régulière des martinets ou des marteauxSi la France manque de potiers maîtrisant le travail des argiles réfractaires des four ou fourneaux, l'application des fers à la forge et au corroyage n'est guère satisfaisante.. Il n'est nullement exclu que l'aciériste français recourt pour la cémentation à des fers vétustes ou rouillés, s'il les forge et les corroie préalablement dans les règles de l'art.
Un lit de poussier de charbon de bois est répandu dans le fond du creuset, légèrement humecté pour qu'il ne s'envole pas au moindre mouvement d'air. Un premier rang de bandes de fer est placé soigneusement, de façon qu'il soit recouvert de charbon. Puis ce rang est totalement recouvert d'un lit de poussier d'une épaisseur d'un demi pouce, ce qui permet de poser un second rang de bandes de fer. Le remplissage du creuset est continué de façon similaire. Le dernier rang est recouvert de lit de poussier de charbon, avant qu'un ultime lit de sable humide ou humecté ne ferme une surface étanche aux poussières, en forme de dos d'âne, cumulant au centre du creuset plusieurs pouces de hauteurs. Il ne faut pas que ce couvercle ou sertissage de sable soit détruit pendant la combustion. Selon la grandeur du creuset et sa contenance en fer, une chauffe du fourneau, plus ou moins durable, mais toujours graduelle ou par palier, est lancée. Le fourneau de cémentation de Newcastle, où prennent place deux caisses contenant 25 à 30 milliers de bandes d'aciers, reste en chauffe pendant cinq jours et cinq nuits. Pour vérifier l'état final de cémentation, une extrémité du fourneau est percée, ainsi qu'une caisse pour y soustraire facilement une barre témoin. L'acier bien cémenté se reconnaît à sa couleur et à ses boursouflures de surface. Une épreuve peut être faite au marteau. Si la cémentation est incomplète et n'a point encore pénétré jusqu'au centre, il est facile de constater un état fibreux du fer résiduel, distinct de l'acier. L'acier régurgité du four de cémentation a une surface pleine d'inégalités ou de boursouflures, d'où son nom d'acier poule ou d'acier boursouflé. Sa cassure présente des larges facettes, et a l'aspect d'un mauvais fer cassant. Pour le mettre dans le commerce, un forgeage au martinet s'impose, et une réduction à chaud en bande de 7 à 8 lignes de large lui permet, après un refroidissement à l'air, sans trempe à l'air, de garder un grain beaucoup plus serré. Notez que les extrémités des barres, converties en acier, préservent leurs pailles, et constituent de facto un acier défectueux, l'opérateur métallurgiste les coupe et les forge en paquets, destinés à la confection d'instruments aratoires.