|
论古代铜镜合金成分与镜体剖面几何形状的关系 董亚巍 (鄂州市博物馆) ABSTRACT By reproducing various bronze mirrors through the ages using ancient bronze-casting technique, and studying the geometric shapes of mirrors from the Warring States to the late Tang Dynasty, the tin content must keep the ratio of around 23~24 percent, otherwise some drawbacks will appear, And the lead content must alter along with the change of the geometric shape of mirror` s section, in principle , the small mirror contain low lead while the big contain high lead, and the mirror with small button contain low lead while the mirror with big button contain high lead, if not, waste will be produced. So, it is the most important to high-tin mirrors` quality of the lead content in the alloy. Key words: the geometric shape of section the lead content 摘要：通过采用古代青铜范铸技术对历代各种铜镜的复原复制,以及对各种铜镜剖面几何形状的研究发现，从战国至唐晚期之间，历代各种铜镜的化学成分中，锡含量都需保持在23～24%左 右为最佳值，大于或小于这个数值时，就会出现一些弊病或铸造缺陷；而铅含量则必须随着镜体剖面几何形状的变化而随之改变，原则上小镜含铅量低，大镜含铅量 高，小钮镜含铅量低，大钮镜含铅量必须高，否则，就会造成废品，因此，铅在高锡青铜镜合金里的加入量，对于各种铜镜的质量而言，起到了至关重要的作用。 关键词： 剖面几何形状 含铅量 中国古代铸镜，各地有各地的风格，战国时代，由于战争频繁，各国都需要大量的青铜原料来制造兵器，青铜镜只能为一些达官贵族所使用，又由于当时的雕塑技术 还处在一个萌芽状态，所以，战国镜不论南方北方，其镜背纹饰起伏都不大，其剖面的几何形状除缘与钮以外，其余部位基本都属平板。 西汉以后，政治相对稳定，青铜镜的使用逐步普及到寻常百姓家，铜镜的背纹艺术很快从战国镜的那种青铜器底纹式的艺术中脱变出来，发展成一般铸镜工匠很容易 制作的几何纹饰，如西汉的昭明镜、日光镜、星云镜等，继而又发展成为流畅的线雕，如一些带乳钉的禽兽纹镜、四神规矩镜等，随着民间雕塑艺术的不断提高，一 些浮雕式的镜种逐渐被工匠制造出来，如龙虎镜、神兽镜、画像镜等。在镜背艺术逐步发展的过程中，青铜范铸技术必须得与其同步发展，如果一直停留在战国的铸 镜技术上，是不会有汉以后的镜种被制造出来的，这是笔者要论述的主要内容。 过去，很少有人注意到镜背纹饰及镜体剖面的几何形状与合金配比之间有什么关系，笔者通过十数年的古代青铜镜范铸技术的研究，以及长期对其进行的复原复制实 践发现，其合金的配比与各种几何形状的铜镜之间有着非常密切的制约关系；如果将出土的古镜稍加改动其剖面的几何形状，复制出的铜镜就很容易造成废品；如果 在复制铜镜的过程中，只按照一种合金配比值来复制各个时代的铜镜，其结果是只能铸制好其中一种适合其合金配比的铜镜。笔者在长期用古代范铸技术复制古铜镜 的过程中，曾用一种合金配比铸制出很多废品。假如在烧制的一窑中、小型镜范里，有战国镜和东汉的半圆方枚神兽镜各一半，当熔炼青铜时，如果都按照战国镜的 合金配比来熔炼及浇铸，虽然铸出的毛坯都是完好的，也看不到铸造缺陷，但当镜面经磨削加工至可映照时，其中战国镜大都完好，而神兽镜的镜面中心与钮对映的 部位，就会出现一片缩松，宏观上可看到镜面中心有一片麻点。如果用中、小型镜的合金配比来浇铸大型铜镜，如用四神规矩镜的合金配比值来浇铸唐代的海兽葡萄 镜，就很容易造成海兽葡萄镜坯局部收缩裂逢的产生。造成上述铸造缺陷的直接原因，是合金里的铅含量，与所铸铜镜的大小及其几何形状不相适应所至。 国内外曾有很多专家学者，对中国古代各个历史时期的各种青铜镜作过化学成分分析，今仅从孔祥星【1】、何堂坤【2】、王士伦【3】三位先生的著录里摘录一部份各时期的各种铜镜的化学成分，绘制成“中国历代部分铜镜化学成分表”，从中可以找出古人铸镜时配制合金比例的一些规律来。 古代青铜镜为Cu- Sn-Pb三元合金，如果只用铜来铸镜，制出的镜子为红色，使用时，映照效果会很模糊；随着锡含量的不断增加，合金的颜色会由红色变为黄色而逐渐至白色， 当含锡量增加到24%左右时，铸制出的铜镜就如今天的玻璃镜一样的映照效果了。早期的齐家文化镜至殷虚文化镜，都属于我国铜镜铸制技术的起始阶段，该时期 的铜镜合金配比还没有形成规范，进入西周中期以后，我国的铸镜合金配比逐步有了规律而趋于成熟，春秋至战国，我国铜镜合金的配比及铜镜的范铸技术已完全成 熟。经过两汉、三国、六朝至隋唐，一直保持着高锡青铜工艺技术至唐代晚期。宋代以后，铜镜合金里加入了大量的铅，明代铜镜合金里加入了一定量的锌，已不属 于高锡青铜，所以，这里主要讨论的是战国至晚唐之间，高锡青铜镜的合金成分与各时代铜镜的剖面几何形状的关系。 一个批量铸镜的作坊，总会产生大量的回炉料，如铸件的水口、冒口、浇注时漏底的铜料、披逢、跑火料及浇注不完的剩余料等，这些回炉料的重量一般都会超过铸 件本身的重量，因此，熔炼青铜时，如果按新金属料与回炉料对半的话，回炉料的数量还是会逐渐增多的，图一与图二【4】为 山西侯马东周铸铜遗址出土的阳燧模与陶范；《考工记》里记载：“金锡半，谓之鉴燧之齐”，鉴为镜，燧即阳燧，为日常取火之器物，即凹面镜，《考工记》将鉴 与燧列入一个合金配比，说明两者在铸制工艺上完全相同，且镜背与燧背都具有纹饰与钮，区别只是镜面平或凸，而燧则全为凹面而已，往往铸镜的作坊也兼铸燧。 如1966年7月7日 在鄂州市出土一枚黄武六年重列式神兽镜，其铭为：“黄武六年十一月丁巳朔七日丙辰，会稽山阴作师鲍唐镜，照明服者也。宜子孙，阳燧，富贵老寿，臣先牛羊 马，家在武昌，思其少天下命吉服，吾王干昔囗囗”，现藏湖北省博物馆。通过这枚镜的刻铭得知，这位称作“鲍唐”的铸镜师在铸镜的同时，也兼铸阳燧，而且将 有关阳燧的广告作到了铜镜上。所以，今将燧模统归镜模论。 从图一中可以看到，模上有一个又宽又厚的水口压在燧体外缘上，从图二的陶范中也能看到有一个与陶模上相一致的水口存在。燧外缘上方设置又宽又厚的水口，其 目的是为了浇注后的燧体在收缩时，有外来补缩的铜液，浇注铜液待凝固后，会有一个与燧体相当重量的水口被锯下来，所以，一个批量铸燧、镜的作坊，在熔炼青 铜前配料时，须得新、旧料对半装炉熔炼。由于青铜燧与青铜镜的回炉料早已成为合金，其熔点低于红铜，较红铜易于熔化，熔炼时，如新旧料对半，就可缩短熔炼 的时间，减少合金在熔炼过程中容易产生的氧化及吸气的机会。新青铜料按比例配制好后，在熔炼的过程中，至少会有1.5% 以上的锡及2%以上的铅被烧损，配制新炉料时，须考虑加大锡与铅在熔炼过程中的烧损量。而回炉料却是经过了无数次的熔炼，其含锡量与含铅量都很难准确判 断；这就要求历代的铸镜师必须具备会看合金断面的技能，根据断面呈现的色泽，来判断 其含锡量与含铅量的多少，从而决定回炉料再回炉熔炼时应补加的锡量与铅量，古代没有现代这么先进的化学成分分析设备，所以，造成了古代铜镜的锡、铅含量在 百分比中有些差异。但是，在原始作坊的条件下，大多数铜镜的含锡量能保持在23%～25%左右，说明古代的铸镜师大都能从合金的断面来判断其含锡、铅量的 多少，从而决定再熔炼时应增加的锡量及铅量，已是非常难能可贵的了。 从“中国历代铜镜合金化学成分表”里可以看到，战国至晚唐约1300 余年的时间里，中国青铜镜的背纹虽千变万化，但其合金里的锡含量却始终保持在一个较稳定的数值范围。表中有5例的锡含量在20%以下，这种现象不属正常的 合金比例范围。除这5例以外，其余43件的平均值为23.8%。可以认为，这个数值为古代高锡青铜镜含锡量的最佳 值。 通常情况下，铜镜合金的金相组织是由α固溶体、(α+δ)共析体及颗粒状铅组成；α相是Cu-Sn固溶体，具有面心立方晶格，它的含锡量最高只能达到16%；δ相是金属间的化合物，其化学组成为Cu31Sn8，其最高含锡量为32.6%，二者的结构均为立方体晶格【5】。古代青铜镜合金的最佳含锡量应为23～25%之间。 笔者长期从事古代青铜镜的范铸技术实验与生产，在实践中，当合金里锡含量达到23% 左右时，其断面呈银白色，细腻而光滑，用眼睛就可看到酷似现代的镀锌铁皮表面的冰花纹，这些无规则的冰花纹在阳光下闪闪发亮，这些冰花纹为高锡青铜液以树 枝状结晶后的晶界，宏观上与出土的古代青铜镜的断面完全一致。图三为含锡23%含铅4%的铜镜水口的横断面，从这个断面上可以清楚的看到该合金结晶后被断 裂开的晶界。如果合金里含锡量高于这个数值，(α+δ)共析体在铜镜基体里的相对量就会增加，α相的相对量必然会减少。δ相性质脆，常会造成铸件在凝固、 收缩期内就断裂在范腔里，图四为含锡量27%的唐代海兽葡萄镜复制件，当烧注后不足10分钟开范取镜时，由于含锡量偏高， 中国历代部分铜镜化学成分表 (wt%)
铸件已断裂在范腔里。没有断裂在范腔里的镜坯，在铸后的磨制加工过程中，也是很容易破碎的。 如果合金里锡含量小于正常数值，必然会导至增高熔炼时的温度及延长熔炼时间。高于正常熔炼温度会加速锡与铅的大量烧损，延长熔炼时间会增加金属氧化与吸气 的机会，浇注时铜液的温度也必然需高于正常含锡量的温度，浇注时温度越高，范面粘结越严重，增加了铸件表面的粗糙度，磨制出的铜镜在使用的过程中，较之正 常含锡量的铜镜容易发黄。 以上讨论的是锡在青铜镜里所起的作用，下面再来讨论铅在铜镜中的性能。前文提到，古代高锡青铜镜是由Cu-Sn-Pb三元合金组成，经北京科技大学冶金史研究所分析，其金相组织为α+(α+δ)+Pb，从结构式可以看出，Cu与Sn溶解后分别在高锡青铜合金里生成了α相及(α+δ)共析组织，铅(Pb)却在合金里不溶解，而是以球状分散于合金之中。 一般认为，合金里加入铅后可提高浇注时的充型能力，从而可铸出那些微妙微俏及较精细的纹饰来。还有人认为，合金里加铅可减少气泡的产生。其实不然，不含铅，只含24%Sn 左右的高锡青铜合金的充型能力本已远超过纯铜，合范浇注时，尽管范面合得很紧，但还是常常会有跑火现象发生，而跑火的合金厚度有时仅0.1～0.2mm左 右，就足以将已浇满范腔的铜液漏掉一半以上或者漏完。笔者通过长期的青铜范铸实践认为，再精细的铜镜纹饰，Cu-Sn-Pb三元合金能铸出来，无铅的 Cu-Sn二元合金一样铸得出来，而且比有铅的三元合金铸出铜镜的表面光洁度更好。因此，笔者认为，铅在古代铜镜合金里，对陶范起到提高冲型能力的作用属 多余。 铜镜铸件产生气孔的原因有两种因素可造成，一种是由于合金在熔炼过程中温度过高，且熔炼时间又过长，使金属液在高温下吸收了空气中水分里的氢；第二种是发 生在浇注时，由于陶范在窑里没有将泥范里的结晶水彻底分解完，或者是烧制好的陶范在浇注前吸了潮，浇注时，由于铜液的高温作用，使得范腔发气。前一种吸入 氢气的铜液浇铸后造成的铸造缺陷全部在铸件皮下，铸件表面是完好的，当毛坯层磨掉以后，发亮的气孔都暴露出来遍及整个镜体，而气孔全部在镜体的横截面之 中；由于这种气孔产生于熔炼过程中，金属液在高温下吸入了氢(H2)而不是氧(O2)，因此，铸件皮下或横截面里的气孔全部为没有经过氧化而闪闪发亮的气孔。后一种属浇注时范腔发气，气孔大多在铸件表面，由于气体占居了一定的范腔空间，造成铸件表面纹饰模糊不清，但铜镜基体横截面里的气孔却较少见到；由于浇注时范腔因受热释放出的气体里有氧(O2)存在，氧与高温铜液发生氧化反应，所以，范腔发气产生的气孔几乎全部在皮外，其颜色也与铸件表面相当或浅于铸件。关于浇铸时范腔发气，造成铸件表面纹饰模糊这一点，笔者在《中国南北气候差异对古代青铜镜铸造质量的影响及其相关问题》一文里有详尽的论述，这里不作重复了。以上两种铸造缺陷都与合金里加了铅或没加铅没有关系。因此，铅在高锡青铜镜的合金里，既不可能消除氢气(H2)，也不可能分解氧气(O2)，铅不可能起到除气的作用。 铅在古代高锡青铜镜合金里真正起的作用有两条，其一，是因为高锡青铜合金里δ相的相对量多，且性质较脆，在铸后的镜体刮磨开光加工过程中很容易破碎；加入 铅后，正是由于铅不与合金溶解及化合，而是以球状或不规则形状分散于合金之中，才给铸后的加工创造了条件。笔者在长期及大量的对复制铜镜进行加工过程中， 对镜体含铅量问题较敏感；如果含铅量小，加工过程中镜体很容易破碎，但较容易磨削，如果含铅量大，虽然镜体不容易破碎，但也不容易磨削加工。其二，是加入 铅以后可延迟镜体自身的凝固时间。高锡青铜合金是以树枝状晶呈三维方式沿范壁向中心结晶生长，铅以球状分散于合金，里客观上阻尼了合金的结晶速度，从而给 水口延长了给镜体补缩的时间。铅的这一特性，对战国以后，特别是对东汉以后的青铜镜起到了至关重要的作用。 通常浇铸镜体时，合金处在1000℃ 左右的高温熔化状态下，因金属普遍存在热涨冷缩的性质，高锡青铜不在例外，所以，浇注到范腔里的铜液，属已经澎涨了体积的铜液，注满范腔的镜体在冷却的过 程中必然要进行收缩过程。镜体的收缩需要镜体以外的铜液来补缩，图一及图二的镜缘上方压着的水口，浇注时称之为水口，浇注工序完成以后就成为冒口，正是这 个冒口起到了镜体以外补缩铜液的作用。 战国镜最厚的部位都在镜缘，镜背中心的镜钮虽高出镜背纹饰，但因战国镜钮绝大部分为弦纹钮或桥形钮，其体积都较小且又较溥，凝固收缩时，基本能达到先期于 镜体或同时于镜体收缩、凝固，不存在补缩不到位的问题，镜缘给镜体的补缩空缺，只需从冒口直接得到，就可以维持战国镜体的缩、补平衡。所以，战国镜的含铅 量一般都不大。从“中国历代铜镜合金化学成分表”中可以看到，在可以确认为战国镜的五件铜镜中，含铅量最高者2.69%，最低者1.26%，五件的平均值仅为1.85%。 西汉以后，镜体的背纹及镜体剖面几何形状较之战国那千篇一律的剖面几何形状有了较大的变化。西汉镜的缘部一改战国镜那种较薄的内凹式弧形缘，而成为又宽又 厚的平缘；战国镜的弦纹式钮也被改变成了半圆钮。由于西汉镜体剖面几何形状的改变，造成了汉代镜体铸后收缩、凝固期的不平衡，再不可能如战国镜体那样能够 同时进行收缩、凝固，而是按照薄处先凝固、厚处后凝固的自然规律来进行。致使在一个镜体中，浇铸后的收缩、凝固分出先后，相对造成了补缩量的增多；如果此 时还保持战国镜的合金配比不动的话，就会出现显而易见的铸造缺陷了。因增加镜体的补缩量并不能通过加大或加高冒口来解决，镜体的凝固时间有限，镜面薄于镜 钮与镜缘，自然最先收缩凝固，镜缘有冒口压在上面可以直接得到补缩，而镜背中心的镜钮的补缩途径却被周围先期凝固的镜面限制了，在这种情况下，以钮为中心 的部位必然会出现铸造缺陷，轻者，磨出的镜面中心会出现一片缩松，严重者会造成缩孔，镜背钮座上也会出现缩孔。解决这一矛盾的唯一办法，就是调整合金里的 铅含量。 金属锡的熔点为232℃， 金属铅的熔点为327℃，铅的熔点本高于锡95℃，但人们在配制焊锡的时候，因钝锡不容易被熔化，往往在纯锡里加入40%的铅成为焊锡以后，反而比纯锡更 容易被熔化开，其原因是铅与锡生成了低熔点的固溶体。当铅加入到锡青铜里以后，铅的这一特性并没有改变，青铜液的凝固速度会随着含铅量的增加而减慢。当含 铅的合金铜液充满范腔后，镜体较薄的部位与较厚的部位，在凝固速度上会形成一个时间差，这个时间差是随着含铅量的增加而缩小，含铅量越高，凝固时差越小。 东汉以后的铜镜合金里增加铅含量，主要是为了解决铜镜背纹中越发展越大的镜钮与镜体在凝固期中的时间差，但如果铅含量太大会造成镜面发乌，这就迫使东汉的 铸镜师们在不大量增加铅含量的条件下，通过增高增厚镜缘，解决铅多发乌、铅少缩孔的铸造缺陷，就是解决这一矛盾的最好方法。东汉出现了一些剖面类似三角形 的镜缘，如盘龙镜、龙虎镜、画像镜等，这些镜种的镜钮都较大，加高加厚的镜缘，起到了延长镜钮外围收缩、凝固时间的作用，使镜钮对映镜面部位的收缩、凝固 过程能得以先期进行，这样的剖面几何形状维持了镜体的缩、补平衡。 从汉代铜镜的化学成分来看，中、小型的半圆钮镜如昭明镜、四神镜、云雷连弧纹镜等，这些镜种的外径尺寸一般都在12～16cm 之间，较少有超过20cm的，这些镜种的镜钮还没有发展到东汉后期的镜钮那么大，所以，这些中、小型镜的铅含量一般可保持在3～5%左右，就可铸出正常的 镜体。从“中国历代铜镜合金化学成分表”中可以看到，凡属大钮的镜种如东汉至三国时代的半圆方枚神兽镜、三角缘禽兽镜及画像镜等，其合金里的含铅量一般都 会超过6%以上，其中画像镜的含铅量多在7%以上，而神兽镜因没有设置画像镜那么高、厚的外缘，所以，其含铅量更需大于画像镜。出土的历史遗存证明，汉代 的铸镜工匠们认识到了铅的这些特性，而且在充分地利用了铅的这些特牲，使得铜镜铸件达到了设计的质量要求。 通过以上论述不难理解，中国古代青铜镜的创造者们，必然经历了一段又一段曲折且又漫长的合金配比摸索过程。我们应当看到，战国镜里含铅量虽少，但绝不属于 铜原料里的夹杂，而是经过了对合金里各种金属性能的摸索后，主观加入进去的。由于战国镜的剖面较平、镜钮较小，所以，战国镜含铅量一般不超过3%，对于大多数战国镜而言，小镜以2%、大镜以3%为基数铅的加入量恰到好处，这个合金配比一直持续了近300年 左右。这说明，战国的铸镜师对铅有了理性的认识。随着历史的发展进程，特别是进入西汉中期以后，各种几何形状的纹饰被搬上镜背、并发明了半圆钮以后，汉代 的铸镜师们又开始了艰苦的合金配比摸索过程；在这一过程中，新设计出的镜体几何形状需符合高锡青铜的收缩、补缩及凝固的秩序，在试铸的过程中不断改进不合 理的剖面几何形状，以及不合理的合金配比值，才能逐渐创造出一个个新的镜种。对于每个新镜种而言，那些含锡量、含铅量大于或小于相应数值的青铜合金铸制出 的铜镜，都会存在着这样或者那样的缺陷。先民们在摸索合金配比的过程中必然会发现，锡含量越高，合金就会越白，但在铸后的加工过程中也越容易破碎；锡含量 越低，越不容易破碎，但却不白亮而容易发黄；而铅的含量须与镜体的大小及其剖面几何形状相适应，否则，不是铜镜发乌或发黄，就是出现缩松或缩孔。通过长 期、大量的铜镜铸造与铸后加工，先民们得出了各个镜种各自正确的合金配比值，这种根据镜体剖面几何形状来决定合金配比参数的工艺技术，从战国一直延用至晚 唐。 唐代以后，由于种种原因，青铜镜的合金配比起了变化，锡含量逐渐减少；明代以后发明了炼锌(Zn)术，锌在铜镜合金里的含量逐渐增大，已不属于高锡青铜合金了，所以，唐代以后的铜镜品种再没有了大钮镜，镜体自然再不需要高、厚的镜缘或三角形的镜缘了【6】，因此，对铅在古代高锡青铜镜合金里所起的作用，只论述到唐晚期。
1999年3月16日于鄂州 本文在写作过程中，得到北京科技大学孙溆云教授、周忠福博士、李延祥博士的大力协助，在此表示感谢。
【1】表中1的数值摘自孔祥星、刘一曼《中国古代铜镜》第115页，文物出版社1984年12月。 【2】表中2的数值摘自何堂坤《中国古代铜镜的技术研究》第34～43页，中国科学技术出版社，1992年10月。 【3】表中3的数值摘自王士伦《浙江出土铜镜》序言第1～2页，文物出版社1987年12月。 【4】山西省考古研究所《侯马铸铜遗址》图版一O四，文物出版社1993年。 【5】孙淑云、N.F.Kennon澳大利亚卧龙港大学《中国古代铜镜显微组织的研究》〖中国冶金史论文集〗第二集 第57一60页，北京科技大学1994年3月。 【6】董亚巍《试论镜钮的演变过程与镜体几何形状的制约关系》〖科技考古论丛－全国第五届科技考古学术讨论会论文集〗(第二辑)，中国科学技术大学出版社2000年6月。
|
|
|
