第五章-中国古代青铜器制作技术

第五章中国古代青铜器制作技术纯铜（红铜、紫铜）的结构与性能•外观：新鲜表面是玫瑰红色，表面形成氧化亚铜Cu2O皮膜后呈紫色，故又称紫铜。•密度：8.89~8.95×l03kg/m3（Fe：7.8；Al:2.7）•晶体结构：面心立方晶体（fcc)•熔点：1083℃•沸点：2593℃•化学性能：惰性金属，耐蚀性与周期表上同族金属金、银相似，在清洁的乾燥空气中不受腐蚀。空气中含有S02、H2S、CO2和Cl2时，则生成CuSO4·3Cu(OH)2、CuCO3·Cu(OH)2、和CuC12·3Cu(OH)2等化合物，在Cu表面上形成一薄层青绿色铜锈（铜绿）。•力学性能：状态抗拉强度σb屈服强度σs伸长率δ断面收缩率ψ布氏硬度HBMPa％退火24070507545冷加工450380635120成分组织结构决定材料的性能锡青铜的强化α固溶体－固溶强化δ相（Cu31Sn8）－金属化合物相－沉淀强化合金的化学成分是决定合金性能的重要因素之一。中国古代青铜器的成分不同的青铜器器件对性能的要求不同，因此对合金组元的含量要求理应不同。我们的祖先是这样处理问题的吗？《吕氏春秋·别类编》载有：“金柔锡柔，合两柔则刚”的记述。我们祖先早就认识到这一规律，即合金强化规律。《周礼·考工记》中指出：“金有六齐：六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐。五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐。四分其金，而锡居一，谓之戈戟之齐。三分其金，而锡居一，谓之大刃之齐。五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐。金锡半，谓之鉴燧之齐”。这六种不同成分青铜合金的配方，是世界上最早研究成分与性能、用途的关系的科学文献，它指出了青铜合金的性能随其配方比的不同而引起变化的规律。用以指导制造不同的器具。•“六齐”中的“金”，当指铜及铜合金而言，古人把金、银、铜分别称为黄金、白金、赤金，单个的“金”则指铜。所谓“金无足赤”，即“铜无纯铜”。关于“六齐”的问题《周礼·考工记》作为“官书”，显然是士大夫调查整理之作。调查整理的局限性，可能导致“六齐”内容难以避免的理论缺陷，然其作为当时合金配制经验的总结，说明当时人们对于合金成分与性能的关系已经有了深刻认识，这是毫无疑义的。“六齐”作为中国乃至世界关于合金成分的最早记载，在科技史及冶金史的重要地位，应该是肯定的。铸造的基本概念将金属熔炼成符合要求的液体并浇进铸型，冷却凝固、得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。青铜器的铸造，主要采用泥范铸造和失蜡铸造。中国的青铜器铸造以泥范为主，并在近代兴起砂型铸造之前的三千多年时间内，泥范分范合铸一直是最主要的铸造成形方法，春秋中期以前几乎是唯一的方法。这和美索不达米亚、埃及等地以失蜡铸造为主的情况截然不问，是中国独有的技术道路。中国古代三大铸造技术•泥范铸造•失蜡铸造•金属型铸造古青铜器主要制作法金属型铸造金属型铸造是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次）。制造金属型的材料，应满足下列要求：•耐热性和导热性好，反复受热时不变形，不破坏；•应具有一定的强度、韧性及耐磨性，机械加工性好。铸铁是金属型最常用的材料。其加工性能好，价廉，耐热、耐磨，是一种较合适的金属型材料。1959年河北兴隆出土。长28.3厘米、宽10.3厘米。中国历史博物馆藏。范由铸铁浇铸而成，能多次重复使用。发明于战国时期，用以生产统一规格的铁器。铸铁范战国（公元前475-前221年）锄铁范（河北兴隆古洞沟出土，战国）由双合范、内范三件组成。一扇为器范，一扇是平底，一为四角锥状銎口范。范身上小下大，边缘有四个子母口，上部有一长方形銎；背面有弓形把手。最初的铸造技术是使用石范。由于石料不容易加工，又不耐高温，随着制陶业的发展，很块就改用泥范。在近代砂型铸造之前的三千多年时间里，泥范铸造一直是最主要的铸造方法之一。泥范铸造对中国古代青铜器范铸技术的研究根据的是古代铸铜遗址的遗物，如：•郑州商城铸铜遗址•安阳殷墟铸铜遗址（获得铸型19000余块）•洛阳北窑西周铸铜遗址（获得铸型万余块）•侯马东周铸铜遗址（出土的残破铸型不胜其数）泥范铸造的基本流程泥料选取与加工塑制模型翻制范、芯铸型组合制范筑炉及选料配料及熔炼熔炼修整补铸或加工成品浇注（浑铸或分铸）泥范铸造法的一般问题1.铸型材料不同于制陶泥科，理论上需具备如下工艺性能：（1）一定的湿强度，保证在塑制或翻制泥模、从泥模翻制泥范的过程中，不改变其几何形状；（2）良好的可塑性，便于塑制形状复杂、纹饰细腻的泥模，并使得从泥模上翻印的范纹饰清晰；一、泥料的选取与制备（3）一定的干强度，使泥模、泥型在搬运、焙烧和浇注过程中能承受一定的外力而不损坏；（4）较高的耐火度，能承受高于1200℃的高温而不软化和馈散，使铜液浇注时铸型仍能保持预定形态；（5）良好的退让性，使得铸型在液态金属凝固和冷却过程中，能随着金属的收缩而相应收缩，不致使铸件产生裂纹；（6）低的发气性，若铸型在浇注过程中发气，气体则进入金属液中使铸件生成气孔，影响铸件质量以至报废；（7）高的透气性，使铸型型腔中的气体在浇注过程中能够排出，不致在烧注时混入金属液中，使铸件产生气孔乃至报废。2.泥料的选取与制备具体步骤：(1)泥料选取研究表明，商周泥型的原料与中国早期陶器的泥料相类似，说明铸型泥料也是就地取材、略加选择的干净泥土。进一步表明制陶技术的发展奠定了青铜器制范技术的基础。(2)泥料加工1)过筛与漂洗目的是选择泥土的合适粒度、减少含泥量，以较好地满足铸型的综合性能要求。粒度太细：耐热性和热稳定性都会变差，强度也会变低；粒度太粗：“复印性”则会变差，难以刻塑和翻制细如纤毫的泥模并翻制出泥范。2)羼（chàn）和该工艺直接承自制陶工艺。陶器中羼和料的比例高者达30％左右，以砂粒为主。目的：①减小烧制过程中发生变形和开裂的倾向；②减少粘土粘性作用，便于起模；③提高泥型的耐火度、高温强度和尺寸稳定性。例：侯马东周泥范可能就在过筛和淘洗后的原生土中羼入了一定量的100-260目的细砂。在侯马东周铸铜遗址中发现多处米黄色或白色细砂，当系羼和料及其加工场所。3)练制与陈腐所谓练制就是搓揉、摔打；所谓陈腐，是将泥料在某种特定环境陈放一定时间，目的在于使泥料组成更趋均匀、密度增大，从而提高其强度，使铸型不易变形、分层和开裂，更进一步提高物理性能。二、铸型设计与制作铸型设计与制作的目的：通过对青铜器铸件的分析，设计铸件的形态和功用，由此制作铸型，为浇注和最后获得青铜器件作准备。（一）制模制模是用泥土按照器物原型雕刻成泥模。模是器物的模样，是制作铸型的依据，是实现青铜器件铸造的首道工序。模的塑制过程就是青铜器的设计过程，也是铸型工艺的设计过程。对于形状简单的器物，可用这些器物直接作模。但形状较为复杂的器物，则以泥为模，这是殷墟和侯马铸铜遗址出土的实物所证实了的。泥模的塑制与陶器的制作过程相类似，塑形与雕刻当是制模的两大步骤。泥模制成后，必须置入窑内焙烧成陶模才能用来翻范。（二）翻制范和芯用泥料敷在模型外面，脱出用来形成铸件外廓的铸型组成部分，在铸造工艺上称为外范，外范要分割成数块，以便从模上脱下；除了外范，还要用泥料制一个体积与容器内腔相当的范，通常称为芯，或者称为心型、内范；然后使内外范套合，中间的空隙叫做型腔，其间隔距离就是所铸器物的厚度。范和芯构成了铸型的主体。范形成器物的外表，芯则形成器物的内腔、孔以及某些中空部分。一般来说，浇注后被金属包络的部分称之为芯，而金属外侧的则称之为范，范与范的结合面称为“分型面”。铸造复杂器物的铸型往往需要多个范和芯的组合。1.制范和芯步骤：•在泥模上涂以分型剂以便脱模（例用油烟熏模即为处理法之一）；•将练制好的泥料做成形状较为规则的泥块。用泥弓将泥剖成一定厚度的泥片，按在泥模的外面，用力拍压，使泥模上的纹饰反印在泥片上。外面再贴覆泥片以至预定厚度（14～130mm）；•修整分型面，做出与另一边范或芯装配的榫卯并撒上分型剂，即可印制下一块范。为了便于组装时辩识，往往在范背上刻划以符号；•待全部泥范制就并略变干硬后，从最后制就的一片范开始倒序起模；•制芯一种常用的方法是将原模刮削掉相当于铸件壁厚的尺寸而成芯。原模刮去虚线以外部分形成内范（芯）外范内范（芯）浇口2．组合铸型范与芯组合成铸型。这一工序要求范、芯定位准确，相对位置稳定。因之，在翻制泥范时就在分型面上作出了榫卯，以备组合。铸型组合后，外面通常要捆绑加固，有的还要再糊以泥层。榫卯的形状3．干燥泥范或泥芯往往采用阴干，再经焙烧才能组装。组装之后还要再次干燥（同时也是预热）方能浇注。侯马东周铸铜遗址中，翻制的泥范是放在地窖内阴干的。这样可以避免泥范干燥时开裂，并减少变形。通常阴干时的环境温度不宜过高，以控制水分蒸发速度，使之均匀脱水，特别在初始一段时间内更需如此。三、铜的熔炼考古表明，至迟在商代早期，已不延用早先那种矿石冶炼后直接铸造的一步法工艺，而将冶炼和铸造分开进行。这种进步的生产方式，免去矿石与燃料的辗转之累，而将矿山附近炼得的金属，直接运至重要都邑铸造成器。可能早在夏代已是如此运作。所谓“禹收九牧之金，铸鼎于荆山下。”当是这种两步法工艺的写照。古人的炼铜方法及其进展1.偶然得铜除了采石时偶然得到自然铜之外，古人从篝火的灰烬中，或者在冶玉和烧陶过程中，也可能得到炼铜的启示，偶然得到铜。有人认为，中国冶铜术的发生，有可能来自对含铜较高的矿物（如孔雀石、硅孔雀石或绿松石）的火试。古代鉴别玉质优劣的办法就是火试，“试玉要烧三日满”。孔雀石和硅孔雀石及绿松石，长时间在还原气氛中高温火试，就有可能还原出金属铜。目前，在地壳中已发现铜矿物和含铜矿物约计250多种，主要是硫化物及其类似的化合物和铜的氧化物、自然铜以及铜的硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐类等矿物。其中，能够适合选冶条件可作为工业矿物原料的有16种，分成如下四类。•自然元素：自然铜（含铜近100%）；铜矿石•铜的硫化物：黄铜矿（含铜34.6%）、斑铜矿（63.3%）、辉铜矿（79.9%）、铜蓝（66.5%）、方黄铜矿（23.4%）、黝铜矿（46.7%）、砷黝铜矿（52.7%）、硫砷铜矿（48.4%）；•铜的氧化物：赤铜矿（88.8%）、黑铜矿（79.9%）；•铜的硫酸盐、碳酸盐和硅酸盐矿物：孔雀石（57.5%）、蓝铜矿（55.3%）、硅孔雀石（36.2%）、水胆矾（56.2%）、氯铜矿（59.5%）。2.堆烧法在篝火上将矿石和木柴逐层堆放，在火堆边缘掘坑，炼得的铜液和炼渣流入坑内并分离。此法在原苏联米努辛斯克附近发现，我国大冶铜绿山的西周矿井井口，发现炊火遗迹中有孔雀石被木柴烧后还原而成的红铜珠，似乎也属堆烧法的痕迹。3.坩埚炼铜辽宁建平牛河梁出土的红山文化时期的黏土坩埚，内壁已玻璃化，并附有还原型铜渣，可见当时已采用内热式坩埚炼铜。熔铜坩锅商（公元前16-前11世纪）1953年河南郑州二里岗出土。高32.7厘米、口径30.5厘米、底3.5厘米。中国历史博物馆藏。熔铜坩锅又称熔铜炉，是熔炼金属铜及其合金的工具。商代有多种规格的熔铜坩埚，本件是其中之一。多种规格能适应不同的烧铸需要。将军盔应是浇包早年，曾认为殷代用“将军盔”作为“炼锅”，在将军盔里配料，在炼炉中加热冶炼。这种方法与后来外加热式坩埚冶炼相同。事实上，殷墟出土的“将军盔”都是内部受热较外部为烈，不应是冶炼用的坩埚，而是盛放铜液用于浇注的浇包。4.竖炉炼铜中国何时由坩埚炼铜演化为竖炉炼铜，有待考证。但在龙山文化时期已有竖炉炼铜，则是考古发掘的事实。早期的炉子是破炉取铜，每座炉只能用一次，后来发展为完整的连续出铜的竖炉。瑞昌铜岭遗址是所知年代最早的采冶遗址，其中炼渣分布面积达数千平方米，炼渣多呈黑色薄片形，表面平滑，流动性能良好。经检验，炼渣含铜量仅0.33％说明铜、渣分离较好．当时炼铜水平已经较高。•风沟（火沟）因有时在沟中用火烘烤而得名。其作用是通风防潮，防止炉缸冻结。•风口其作用是进行人工强制供风以提高炉温，强化熔炼。据推测鼓风器采用皮囊•金门出铜和排渣的通道。52湖北大冶铜绿山春秋炼铜竖炉的复原图湖北大冶铜