Le laiton produit en masse au Moyen Âge

L'Europe médiévale a connu un engouement pour un alliage très spécial : le laiton. Des tests en laboratoire et la reproduction grandeur nature des procédés de fabrication de l'époque expliquent cet essor.

À la fin du Moyen Âge, en Europe, un matériau métallique, alliage de cuivre et de zinc, fait fureur : le laiton. Les populations de l'époque sont séduites par sa couleur jaune et brillante, qui rappelle l'aspect de l'or. Entre le XIIIe et le XVe siècle, les quantités d'objets en laiton, ainsi que le nombre d'ateliers et d'artisans engagés dans sa production explosent. Cet engouement a fait la prospérité de deux villes de la vallée de la Meuse dans l'actuelle Belgique, Dinant et Bouvignes, qui se mettent à en produire de manière quasi industrielle.

Le laiton, et plus généralement les alliages à base de cuivre, arrive alors dans presque toutes les maisons. Ces alliages deviennent la matière première des chaudrons, chaudières, aiguières, et autres vaisselles qui concurrencent alors les récipients en céramique. Jusqu'à présent, les historiens considéraient que le laiton constituait à l'époque une sorte d'or factice et bon marché. Comme de nos jours, il n'aurait pas eu de valeur particulière.

Nos travaux récents viennent nuancer cette hypothèse [1]. Nous avons en effet analysé et reproduit les techniques utilisées par les fondeurs médiévaux. Nous en avons conclu que le laiton était en fait un métal coûteux à produire. Son essor s'explique alors par la rationalisation des procédés de fabrication et par la production d'une gamme de laitons de diverses qualités

Aujourd'hui, pour fabriquer du laiton, il suffit de mélanger du cuivre et du zinc. Mais au XIIIe siècle, ce n'était pas aussi simple. Et pour cause : les fondeurs médiévaux ne connaissaient pas le zinc à l'état de métal.

Pour obtenir ce métal à partir d'un minerai, telle la calamine, un carbonate de zinc, une température minimale d'environ 900 °C est nécessaire. Or, à cette température, le zinc se volatilise. Ce n'est qu'au milieu du XVIIIe siècle que des méthodes pour récupérer le zinc sous forme métallique furent mises au point en Europe. Elles consistent à distiller et à condenser le zinc gazeux.

La cémentation

Voilà pourquoi les fondeurs du Moyen Âge ont recours à un autre procédé, plus complexe : la cémentation. Ils placent du minerai de zinc broyé, du charbon de bois pilé et des morceaux de tôle de cuivre dans un creuset - vase en céramique servant à la fois de contenant et de réacteur. Ils font ensuite chauffer ce dernier au-delà de 900 °C. Le carbonate de zinc du minerai se décompose rapidement pour libérer de l'oxyde de zinc. Au contact du carbone apporté par la poudre de charbon de bois, cet oxyde se transforme en zinc métallique, sous forme gazeuse par une réaction chimique appelée réduction. Il pénètre alors peu à peu dans le cuivre, qui demeure solide, du moins au début de l'opération, formant ainsi le laiton.

Au début de nos recherches, c'était à peu près tout ce que nous savions sur le procédé médiéval. Le Diversarum artium schedula, écrit par le moine Théophile dans les premières décennies du XIIe siècle, décrit l'enchaînement des opérations et donne en plus quelques conseils pratiques. Mais, comme d'autres traités de métallurgie anciens, il ne contient que très peu de données quantitatives. Ces textes ne disent rien au sujet de paramètres aussi essentiels que la température à laquelle doit être maintenu le creuset, la durée de l'opération, ou encore le rendement que pouvaient espérer les métallurgistes du Moyen Âge.

Quant aux vestiges archéologiques, qui proviennent en grande partie de la région de Dinant et de Bouvignes, ce sont principalement des restes de fours, dont ne subsistent au mieux que des fondations enterrées, et des restes de creusets en céramique. Ils nous livrent des renseignements précieux sur la taille et le type de four utilisé, sur l'organisation de l'atelier dans l'espace, mais peu de chose, jusqu'ici, sur la fabrication elle-même.

Pour comprendre comment les fondeurs procédaient, le meilleur moyen était de simuler expérimentalement le procédé ancien. Nous avons choisi une approche inédite : coupler des tests en laboratoire et des expérimentations en conditions réelles, proches de celles des ateliers médiévaux.

Pourquoi cette double approche ? D'après les vestiges archéologiques et les textes anciens, nous avions plusieurs hypothèses sur la façon de procéder des fondeurs médiévaux. Seulement, pour déterminer quelle était la plus plausible, il nous fallait tester un grand nombre de paramètres, ce qui nécessitait d'effectuer des centaines d'opérations. Une démarche matériellement impossible sur le terrain. De plus, pour répondre à toutes nos questions, nous avions aussi besoin d'un modèle physico-chimique de la fabrication du laiton au Moyen Âge qui décrive, entre autres, les vitesses des différentes réactions chimiques, les transferts de chaleur qui s'y produisent. Les tests en laboratoire sont pour cela plus adaptés, et surtout permettent un contrôle des paramètres beaucoup plus précis que les simulations sur le terrain.

Réplique de fours médiévaux

En revanche, il reste difficile d'extrapoler certaines données clés à partir des tests sur quelques litres réalisés dans le petit four du laboratoire. Par exemple, on ne peut pas déterminer exactement quelle était la durée de l'opération dans les fours médiévaux d'environ un mètre de diamètre et pouvant atteindre plusieurs mètres de haut, ni estimer le nombre de personnes nécessaires pour réaliser telle ou telle opération. Nous voulions également évaluer dans quelle mesure les différents paramètres physiques mis en jeu - température, pression partielle* des différents gaz, par exemple - pouvaient fluctuer en pratique dans ces conditions. Pour toutes ces raisons, parallèlement aux travaux de laboratoire, nous avons construit plusieurs fours médiévaux de tailles différentes, et nous les avons fait fonctionner.

Nos travaux nous ont d'abord permis de bien cerner certaines limites de la fabrication du laiton. Ainsi, elle doit se situer entre 950 °C et 1 100 °C. La température la plus basse, 950 °C, était sans doute la situation la plus avantageuse pour les fondeurs médiévaux, car elle permet de minimiser les pertes de zinc. Toutefois, travailler à ces températures relativement basses présente un inconvénient : pour une même quantité de matériau l'opération devient nettement plus longue qu'à des températures plus élevées. Sa durée peut être multipliée par deux ou par trois en fonction de la quantité traitée.

Mais notre plus grande surprise a été de découvrir que produire du laiton au Moyen Âge était, en réalité, coûteux, notamment en combustible et en main-d'oeuvre. Un résultat qui met à mal l'image de « l'or bon marché » qui prévalait jusqu'ici. Sur le terrain, en effet, la fabrication s'est révélée beaucoup plus longue que ne le laissaient présager les tests en laboratoire. En une journée, avec un four de grande capacité de quelques mètres cubes chargé au maximum, les fondeurs médiévaux ne pouvaient guère espérer obtenir plus d'une cinquantaine de kilogrammes de laiton.

En outre, l'opération nécessitait quelques centaines de kilogrammes de charbon de bois comme combustible, mobilisait plusieurs ouvriers spécialisés, et exigeait des travaux préalables comme broyer le minerai de zinc ou préparer les morceaux de tôle de cuivre. Nous sommes donc loin d'un alliage bas de gamme accessible à tout le monde.

Réduction des coûts

Le laiton semble ainsi plus coûteux à produire que les autres métaux courants au Moyen Âge, le fer par exemple. Difficile, cependant, de faire des comparaisons chiffrées, car les conditions de production et les marchés sont différents. Ainsi, le fer est produit à une échelle considérable, sans commune mesure avec le laiton. Il est abondamment employé, notamment pour former les pièces métalliques des bâtiments, les outils agricoles ou les armes.

Comment alors expliquer la démocratisation du laiton au cours des derniers siècles du Moyen Âge ? Tout simplement, parce que les fondeurs ont réduit les coûts, et ce, par deux moyens. Premièrement, les textes anciens, les vestiges archéologiques et nos reconstitutions expérimentales dans les ateliers nous l'ont montré, ils ont augmenté le nombre de creusets, et ainsi multiplié les quantités produites dans les fours. Ils ont aussi organisé les ateliers pour une production de masse, notamment par l'embauche d'ouvriers peu qualifiés pour les tâches répétitives. Deuxièmement, ils ont réduit la teneur en zinc et en cuivre, pour les remplacer en partie par du plomb, métal très bon marché. C'est ce que révèle l'analyse de la composition chimique de centaines d'objets médiévaux retrouvés lors de fouilles archéologiques ou conservés dans des musées.

Les fondeurs fabriquaient ainsi une gamme d'alliages à base de cuivre, selon les usages. Pour les chaudrons de cuisine ordinaires, ils n'utilisaient pas de zinc, mais du bronze fortement chargé en plomb. Ce métal de qualité inférieure était en partie issu de recyclages. Pour des objets un peu plus chers et plus ostentatoires, comme les chandeliers des familles bourgeoises, ils employaient du laiton contenant un peu de plomb. Enfin, ils réservaient le laiton pur et riche en zinc pour les objets de prestige, comme la vaisselle aristocratique ou liturgique.

Par David Bourgarit et Nicolas Thomas
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