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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 董亚巍 (湖北省鄂州市博物馆) 摘要： 通过在陕西、湖北两地对泥范进行阴干的测试表明，南北气候的差异对泥范阴干的速度不造成直接的影响；而泥范在倒焰窑里焙烧成为陶范后至浇铸前的降温阶段是导致陶范浇注时发气的关键阶段。 汉、三国至六朝的一部份铜镜里有着比较普遍的发气现象，造成一些镜背纹饰从钮孔致镜缘之间模糊不清。产生这一现象的原因，是由于陶范在倒焰窑停火以后没有 及时从热窑中取出，而是在随窑冷却过程中吸入了热窑地底下蒸发上来的水蒸气，导致了浇注时镜范发气，造成上诉缺陷。 通过实践证明，对陶范必须采取"热出冷浇"工艺，既陶范须在400℃左右从热窑中取出，放置在干燥处进行自然冷却才不致较多的吸潮。 由于高锡青铜合金在收缩、凝固阶段产生较大的应力，高浮雕、高镜缘的铜镜铸坯很容易断裂在陶范之中，浇铸时陶范的温度起着决定性的作用。
关键词： 泥范脱水 陶范吸水 热出冷浇
古代青铜镜是用泥土制范，经过一段时间阴干，将泥范装进窑里焙烧成陶质范后浇铸成铸件，然后进行后期加工而成。从配料至成品，这之间要经过挑选土料、磨细、制备面料、制备背料、制范、阴干、焙烧、合范浇铸等多道工序。 制备面料时古人掺入了有机物质，一般是在面料里加入了燃烧过的草木灰，草木灰的化学成份是SiO2 ，① 属极耐高温的物质。当泥料里加入体积20%的草木灰时，泥料表面的热稳定性能大大提高，烧制成为陶范后在浇铸时不会因高温铜水的猛然冲刷而崩块，从而给铸件的平稳浇铸提供了质量保证。 泥范阴干工序应在封闭式的环境中进行，② 如果将泥范置于通风处进行阴干，泥范表面的水份蒸发的速度太快，而里面的水份向外迁移的速度跟不上表面蒸发的速度，这时就会出现范面变形、裂逢或者起层等敝病。 一般铜镜泥范在封闭式环境中阴干五至七天时间就可以装进窑里进行焙烧了。泥范阴干的实际作用并不光是脱水，而是通过五至七天的时间来自然消除掉因用力夯范 所造成的内应力，使泥范在焙烧时不致因受热再释放应力而发生变型及裂逢。从表一、表二可以看出泥范通过阴干是不能达到彻底脱水的目的，表一显示阴干十二天 时失水两佰克左右，占水份总量1/4左右。表二显示阴干十三天时与表一基本相同，二十一天后失水占总量的1/2左右。表一的泥范阴干脱水试验是九二年八月八日至十九日在陕西咸阳进行的，表二的泥范阴干试验是九六年十二月十九日至九七年元月一日在湖北鄂州进行的。从表三可以看到陕西年平均降雨量为400--
1000毫米，湖北年平均降雨量为750-1500毫米，两地的气温与气候差异比较大，在咸阳制范时正值干燥酷暑，在鄂州制范时，当年雨水充沛，长江水位创1954年 以来历史最高记录，因鄂州紧靠长江，制范的房子里地面湿漉漉的，但南北的气候差异对泥范的阴干速度并没有造成明显的差异，所以，泥范阴干的空气温度及时间 的长短，对铸件质量的影响不起明显的作用。泥范经过五至七天阴干，自然消除应力以后就可以装进窑里进行焙烧了，烧制成的陶范一般不会发生变形及裂逢。 古代铜镜遗存之中，在东汉、三国、两晋、南北朝时代的吴镜里有着比较普遍的铸件发气现象，例如一些神兽镜，发气的部位大多数在镜钮孔之中的泥芯，造成镜背花纹从钮孔的一端至镜缘一段的浮雕模糊不清。图一是建安十九年直行铭重列神兽镜③ 图二是太平元年半圆方枚神兽镜④，以上两镜都是鄂州市博物馆的发掘品，都有共同的上述铸造缺陷，造成这种缺陷的主要原因是南方常年湿润的自然气候条件使陶 范范面受了潮，合范浇铸时，范面吸入的微量水份绝大部份被注入范腔的高温铜水蒸发成水蒸气，顺着冒口和范逢排出了范腔，有很小一部分水蒸气靠陶范本身的透 气性透了出去，只剩下纽孔之中的泥芯被高温铜水包了个严严实实，泥芯中吸入的水份在铜水注满范腔后不可能顺着陶范的毛细孔道透出去，只能顺着铜水与范腔之 问往上升，这就造成了上诉铸造缺陷。图三是黄武六年重列神兽镜⑤，图四是黄龙元年九月重列式神兽镜⑥，两镜摘自日本学者梅原末治著录的《汉三国六朝记年镜 图说》，在这本书里，像这样有这种铸造缺陷的铜镜还能找到很多，鄂州市博物馆的发掘品中这种镜子也有相当数量，这说明 当时鄂州的铸镜师们在创立全国闻名的铸镜中心的过程中，在江南湿润气候条件下饱受自然条件给铸镜造成的危害后，还是不断的提高了对大自然、及对事物的科学认识，最终改变了操作程序，对陶范采取了"热出冷浇"工艺，解决了问题 。 中国铜镜的大量生产与大量使用是从春秋战国开始，春秋以前，古人用的烘范窑有直焰窑与倒焰窑两种，春秋以后全部使用了倒焰窑⑦。泥范经过阴干以后 需装入倒焰窑里进行焙烧，焙烧的温度一般都会超过850℃以上，并在这个温度线上还得保温一段时间。在这种情况下，泥范中的游离水早就蒸发干净了，结晶水也逐渐分解完了，泥质范被烧制成了陶质范。但由于泥范在烧制的过程中并没有多少泥料得到玻化，范面没有烧结， 烧制好的陶范比泥质范的透气性能更好，所以，烧制好的陶 范具有很高的吸水率。这就很容易造成陶范在停火以后被热窑下面的地下水份蒸发上来后第二次吸潮。北方地下水源溃乏，热窑下面的水份蒸发很有限，不至造成明 显的危害。而南方大部分省区水源充足，地下水位高，热窑下面很容易蒸发水份，显然，北方的工艺拿到南方来应用就会出问题。这就造成了青铜范铸技术在南北方 自然气候条件下，技术发展的不平衡。正常烘范时，窑内进火口与出火口之间的气流始终是畅通的，随着窑内温度逐渐升高，窑底以下的地下也会因逐渐受热而开始 往上蒸发水份。倒焰窑的出火口一般都设在窑内的最低位置，如果出火口高于泥范，高于出火口以下的泥范就会烧不红，造成浇铸时陶范大量发气，所以，出火口只 能设在窑内最低处。烘范时，蒸发上来的地下水份被窑里的热气流顺着带入出火口排出烟筒，此时窑底地下蒸发上来的水份在窑里根本没有停留的机会，使正在升温 的泥范不致吸水受潮。 当泥范在窑中烧制成了陶范，停火以后，窑里进火口与出火口之间的气流运动会逐渐缓慢下来，烧制好的陶范这时还处于高温状态下，整个窑里都是红彤彤的，此时的陶范有900℃左右，不可能吸潮。烟筒还有相当的热量，使窑里气流运动还可维持一段时间。随着窑温不断的下降，流通的气流会逐渐停止下来，当红彤彤的陶范变得暗淡无光亮时就会逐渐开始吸入地下蒸发上来的水份了。 从表三可以看出北方地下水位比较深，常年不下雨，农村打井往往十几米深还不到地下水位。南方则不同，地下水位普遍很高，见挖坑就有水。在北方烧制
好的陶范放凉后如果一天浇铸不完，放到第二天或者笫三天第四天浇铸时，一般都不会出现发气现象，但在南方烧制好的陶范必须在400℃以上就得从热窑中取出来，放置在干燥处进行自然冷却后，浇铸时才不至出问题。无论北方还是南方，烧制好了的陶范随窑冷却后浇铸都是要出问题的。随窑冷却不科学，它违背了陶范在浇铸时不能含有水份的自然法则。图五是1996年十月用古代范铸法在鄂州进行的随窑冷却后，铸出的六朝时代半圆方枚神兽镜复制件，其结果与前图完全相同。 陶范在400℃左右从热窑中取出后须彻底放凉才能进行浇铸，范温越高，浇成的铸件越粗糙，铸件断裂在范腔里的可能性越大。从战国至唐代的古代青铜镜的合金一般为Cu-Sn-Pb三元合金，其含锡量往往超过23%，含铅量也有5%左右，这种合金的比重远远大于其它铜合金，冲型能力非常好。一般铜镜水口横截面的厚度只要不低于0·6毫 米，陶范温度只要高于零℃，就不会发生浇不足的现象，冷范浇铸不但铸件表面纹饰清楚光洁，而且有利于冒口的充分补缩功能。陶范本身的导热性能很差，往往刚 浇注完毕的陶范在几分钟之内用手拿起来时并没有热的感觉，这说明了陶范有着比较好的保温性能。当铜水充满范腔时，由于高温铜水与陶范的温差太大，铜水会很 快沿着整个范腔内壁形成一个半凝固状态的金属壳，然后不断地向中心凝固，还没有凝固的铜水由中心向外补缩，镜体中心的补缩需求则由压在最上端的冒口来进行 补给，这－切收缩过程在浇注过程完成以后的两三分钟内就结束了，在这种情况下冒口的补缩功能得到了充分的应用。 热范进行浇铸时情况就发生了变化，注满铜水的范腔里不会在几分钟的时间内形成一个凝固的金属外壳，因为热范保着温，致使浇铸过程一停止就该立即进行的收缩 过程不能及时进行，陶范内腔的温度还会随着铜水的注入而有所提高。有了这样的保温效果致使一切收缩过程全部推迟而不能按里处秩序收缩凝固，而是基本上达到 里外同时凝固。冒口在最外面暴露着则早已凝固，失去了补缩功能，铸件会出现缩孔或者大面积的缩松等铸造缺陷。如果是高浮雕高镜缘的铸件还会出现因收缩不及 而造成铸件应力猛增，致使铸件断裂在热范之中。 北京科技大学冶金史所孙淑云教授、周忠福博士、河南省文物考古研究所李京华先生以及中国科学院自然史所何堂坤先生于96年9月3日联合来鄂州对古代青铜范铸技术进行考察研究时看到一窑镜范共二十四件，彻底放凉后，浇铸出的铸件全部完好，唯一一件唐代海兽葡萄镜范是热的，但范温不足50℃；当铜水浇满范腔待凝固后，由于热范使铸件收缩不良，致使打开镜范时铸件早已断裂成了五块。 综上所述，可以认定，长江以南的古人在经历了无数次的铸造缺陷后，总结出以上规律，在烧制好陶范以后必须采取"热出冷浇"工艺，即陶范需在350℃以上肘从热窑中取出，放置在干燥的地面上进行自然冷却，待彻底放凉后浇铸，才能保证青铜镜的质量达到镜面光彩照人，镜背浮雕栩栩如生的技术水平。鄂州市博物馆里那么多见棱见角一丝不苟的古代青铜镜就是最好的佐证。
本文在写作当中得到鄂州市博物馆熊寿昌、徐劲松先生的大力支持与帮助，在此表示感谢。 一九九八年九月八日写于湖北省鄂州市博物馆。
注解：①谭德睿等，《植物硅酸体及其在古代青铜器陶范制造中的应用》〈考古〉1993年5期。 ②华觉明《中国冶铸史论集》文物出版社1986年。 ③鄂州市博物馆《鄂城汉三国六朝铜镜》文物出版社1986年3月第52页。 ④鄂州市博物馆《鄂城汉三国六朝铜镜》文物出版社1986年3月第88页。 ⑤梅原末治《汉三国六朝纪年镜图说》图版第三一。 ⑥梅原末治《汉三国六朝纪年镜图说》图版第三三。 ⑦李京华《中原古代冶金技术研究》中州古籍出版社1994年6月。 ⑧〈中国南北部分省区年平均降雨量〉摘自《中国分省公路交通地图册》中国地图出版社1994年3月出版。
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