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图一 铜斗（M30∶20、21）侧面、图二 铜斗（M30∶20、21）器底 山西隰县瓦窑坡墓地M29、M30是三晋地区目前所见等级最高的春秋中期墓葬，出土遗物丰富。其中，铜斗M30∶20、21器盖和器身内外壁均饰有大量的线刻几何纹或鱼纹，器形别致，工艺精细（图一；图二）。这也是目前所见刻纹铜器中年代最早的，为研究春秋时期刻纹铜器的形成和发展提供了重要资料。为揭示此件刻纹铜斗的制作工艺和技术特征，我们采用多种技术手段对其进行了科学分析，以期更深入认识春秋时期刻纹铜器的出现和发展，以及铜器风格转变过程中的制作工艺特征。 一、样品与分析方法 铜斗M30∶20、21出土时严重残损，在保护修复中，从器盖、器底及器身残片上取得样品7个，其中器盖2个（G1、G2），器底2个（D1、D2），器身2个（B1、B2）及器壁焊接处1个（L1）。我们使用金相显微镜、扫描电镜及其配备的能谱仪（SEM-EDS）对样品进行了金相组织和合金成分分析。使用便携式X荧光能谱仪（p-XRF）对无法取样的立鸟盖钮及其与器盖的焊接处和器柄等部位进行了原位无损成分分析，并结合肉眼观察和X光拍照对器盖、壁及柄的结构特征进行了分析。 SEM-EDS分析条件为加速电压20千伏，激发时间大于50秒；p-XRF的分析条件为General Metals No Al模式，测试时间30秒。 二、分析结果 铜斗M30∶20、21由立鸟盖钮、器盖、器底、器身及器柄组装而成。立鸟盖钮位于器盖外壁，表面光滑，不见范线，但底部与器盖外壁相接处可见明显的分铸缝隙（图三），且器盖内壁中心发现接榫和镴焊焊料（图四）。器盖外壁满饰线刻几何纹，内面为素面，外扣于器身。器底内外壁均为素面，内扣于器身。器盖和器底均可单独取出。器身呈圆筒形，内壁饰线刻鱼纹，外壁满饰线刻几何纹。器柄前窄后宽，前端饰兽首，后端饰镂空及相互纠缠的蟠螭纹。器柄前端兽首与器身外壁以铜焊方式连接，其分铸（图五）、焊料（图六）及浇口（图七）痕迹极为清晰。 图三 立鸟盖钮分铸缝隙 图四 立鸟盖钮接榫及镴焊焊料 图五 器柄与器壁连接部位侧视 图六 器柄与器壁连接部位侧视、图七 器柄与器壁连接部位俯视 器身外壁（器柄兽首上下）有一条宽约0.8～1.2厘米的长方形“铸态金属带”，应为圆筒形器身闭合焊接的焊料（图八）。器身厚约0.8毫米，此处厚约1.68～1.7毫米，可知焊料厚度与器身接近。此外，立鸟盖钮和器柄表面均未发现范线，但根据形态、纹饰及较为厚重的体量，推测其为铸造成型。 金相分析显示，器盖、器底及器身样品均为等轴晶、孪晶组织（图九；图一〇；图一 一），属于热锻成型。基体组织内多见蓝灰色夹杂物，部分有沿加工方向拉长排列的迹象。器盖和器底样品中，两侧晶粒略小，局部晶粒内存在滑移带，中间晶粒略大。器身样品的晶粒内存在较多滑移带，器身外壁焊料样品则呈α固溶体和较多（α+δ）共析体组织，且（α+δ）共析体在样品一侧（与器身外壁的接触面）局部聚集并连接成网状（图一二），铅呈小颗粒状弥散分布，为铅锡青铜铸造成型。
图九 器盖样品G1金相组织、图一O 器底样品D1金相组织 图一 一 器身样品B1金相组织、图一二 器壁焊接处样品L1金相组织 此种共析体局部聚集，且连接成网的现象，被称为锡的反偏析，俗称锡汗。反偏析的产生主要是由于合金液体析出气体的压力和铸件本身的热应力等，未凝固的高锡液态金属使凝固的合金硬壳断裂，流出其外所致。由于铜锡合金凝固温度范围较大，铸件冷却时容易产生反偏析。此外，如合金在还原气氛中熔化，或者铸件冷却较快，其表面层中发生高锡共析相反偏析的倾向也越大。也就是说，在冷却速度较快的情况下，反偏析较容易产生，器身外壁焊料的金相组织中呈现的反偏析现象便表明其可能经历了较为快速的冷却过程，即焊接时器身外壁可能并未进行提前预热。 成分分析（表一）显示，铜斗各部位材质可大体分为锡青铜、铅锡青铜及铅金属三类（以2%为标准）。器盖、器底及器身均为锡青铜，有少量硫化物夹杂。不同部位锡含量较为接近，含量为11.7～12.9%；且均含少量铅，含量为0.9～1.2%。器身焊料为铅锡青铜，含锡19.5%，含铅3.4%，且有少量硫化物夹杂，而金相分析中发现的（α+δ）共析体局部聚集部位的锡含量则高达22.9%。立鸟盖钮和器柄均为铅锡青铜，含锡量分别为16.2%和19.5%，含铅量分别为7%和8.7%。立鸟盖钮与器盖焊接处的焊料为含铅99.6%的铅金属。器盖的p-XRF与SEM-EDS分析结果基本吻合，而器盖和器壁的SEM-EDS分析结果与之前ED-XRF的分析结果基本吻合。
说明：表中上半部分数据为定量分析结果，下半部分斜体数据为定性分析结果。 受仪器结构和器柄前端空间所限，器柄兽首底部的焊接浇口和焊料未进行p-XRF成分测试，焊接部位保存完整，也无法取样分析。但从外观来看，表面均附着不同程度的绿色锈蚀物，且呈铸态外观，与铅锡焊料的外观形态区别较大，应该为铜合金。 此外，受测试条件和仪器性能所限，p-XRF成分测试结果仅有定性意义。为减小误差，我们测试时选择平整且基本不见锈蚀或污垢的区域，并尽量使测试区域完全覆盖仪器检测窗口。因此，本项成分分析的检测结果应不会与SEM-EDS分析相差太大。器盖基体的锡、铅含量，p-XRF数值分别比SEM-EDS数值高1.7%和0.8%，可能与器表腐蚀后铜的流失有关。结合立鸟盖钮、盖内焊料及器柄成分数据，对其材质类别的判断应该是可信的。 X射线影像分析显示，器身外壁的长方形焊接带（图一三）内部有大量边缘清晰呈流线形分布的圆形或椭圆形孔洞（图一四），大体成两列分布于焊接带两侧。此现象与镀锡铜器的镀锡内、外层之间，且均位于内层一侧的黑色孔洞较为相似，也可以用柯根达耳效应进行解释。器身材质为含铜87.3%、含锡11.7%的锡青铜，外壁焊料的材质则为含铜76.8%、含锡19.5%、含铅3.4%的铅锡青铜。焊接时，铅锡青铜焊料与锡青铜器身接触，接触面两侧的铜、锡相互扩散，形成新的合金层。由于铜比锡的扩散系数大，扩散速度快，且器身含铜量高于焊料，因而器身扩散到焊料的铜原子比焊料扩散到器身的锡原子多，所以器身得不到充足的原子补充，在接触面偏向器身的一侧形成了较多孔洞。同时，这也说明器身外壁焊接带孔洞呈现的流线形线条（图一五、图一六中虚线所示）应是焊料与器身接触的大概位置。由此可见，完成刻纹装饰后，铜斗器身应采用了对接的方式进行铜焊连接。
图一三 获取X射线影像的器身焊接部位
图一四 器身焊接部位X射线影像 此外，铜斗出土时器身断裂为两部分。在资料整理中，我们采用传统的焊接修复方法，使用云南锡业63A型铅锡焊料对铜斗实施了保护修复。p-XRF分析显示所用焊料的铅、锡含量接近共晶铅锡焊料配比，熔点约为183℃。X射线影像分析显示，器身断裂处焊接修复使用的铅锡焊料（见图一五、图一六中箭头所示）中也存在较多圆形孔洞。然而仔细辨识发现，此种孔洞多位于铅锡合金焊料的中间部位，与器身铅锡青铜焊接带中孔洞的特征差异较大，其形成原因当与青铜器铸造中的铸造气孔类似。铸造气孔是青铜器铸造时的常见缺陷，主要是铜液凝固时夹带气体未及时排出，或浇铸时铜液温度较低所致，与浇铸铜液冷却速度较快有较大关系。在青铜器修复中，使用300瓦的电烙铁即可将铅锡焊料熔化并进行焊接修复。室温状态下，当使用电烙铁将熔化的铅锡焊料置于铜斗器身断裂处时，液态焊料触及器身断裂处的接口会迅速冷却和凝固。因而，器身X射线影像中焊接修复痕迹中的孔洞，当是熔化的液态铅锡焊料接触被焊部位后冷却速度较快，内部夹带的气体未及时排出形成的气孔。
器身内壁均匀分布四条首尾相对的线刻鱼纹，由于局部锈蚀，仅有两条鱼纹较为清晰（图一七）。左侧鱼纹中构成头部轮廓，右侧鱼纹中构成尾部轮廓、尾鳞（图一八）、躯体鱼鳞的弧线由数量不等的楔形短线首尾相接组成，构成轮廓的短线略长于构成鳞纹的短线，原因当与轮廓线弯曲程度多数较小有关。弯曲程度越小，越易于錾刻，每次錾刻的长度也能更长。显微测量显示，鳞纹弦长多在2～5毫米，錾刻次数约为7～15次，且弯曲程度越小的鳞纹上錾刻短线的长度越长，反之则越短。而右侧鱼纹的臀鳍（图一九）和背鳍均由较长的錾刻短线组成，多数仅錾刻一次即可成型，个别需要錾刻两次。
图一七 器身内壁刻纹 图一八 器身内壁A处刻纹、图一九 器身内壁B处刻纹
图二O 器身外壁局部刻纹 图二一 器身外壁C处刻纹、图二二 器身外壁局部刻纹 三、相关问题讨论 铜斗M30∶20、21在材质和制作工艺、焊接工艺及纹饰技法三方面有较为显著的多样化特征。制作者针对不同部位选用了不同类型的合金和加工工艺，合金类型、加工工艺、装饰技法与各部位有明显的对应关系。 成分和金相分析显示，M30∶20、21的器盖、器底及器身均采用锡青铜热锻而成，并随后在器盖外壁和器身内、外壁采用刻纹的方式饰以几何纹和鱼纹。而器盖的立鸟盖钮和镂空蟠螭纹器柄则采用铅锡青铜铸造。 热锻成型的器盖、器底及器身含锡11.7～13.9%，含铅量则均低于2%。而铸造成型的立鸟盖钮和器柄含锡16.2～19.5%，含铅7～8.7%。可见，较之热锻成型饰以刻纹的器盖、器底及器身，铸造成型饰以立体造型的立鸟盖钮和前端为兽首、后端饰浅浮雕蟠螭纹的器柄，制作时均使用了高合金量的铅锡合金。 根据锡青铜的机械性能与锡含量的关系，随着锡含量的增加，锡青铜的硬度、抗拉强度会逐渐增加，但塑型性会随之降低。当含锡量低于11～12%时，随着锡含量的增加，锡青铜的抗拉强度逐渐增加，随后逐渐降低；当含锡量为2～3%时，延伸率最大，超过5%时则急剧下降，并在含锡量达到23%时降至零。因此，对于锻制青铜器，含锡10～15%左右较为适宜，其抗拉强度、硬度及塑型性均较好，而对于硬度要求较高的兵器及工具，含锡15%～20%左右为佳。随着铅含量的增加，铅锡青铜的强度、硬度及延伸率等均会大为降低。考虑合金的综合机械性能，含锡5～15%、含铅小于10%的铅锡青铜具有较高的硬度和抗拉强度，并具有一定的塑型性。此外，铅一般不溶于铜或铜的化合物，在合金中主要呈游离态。因此，铅的加入可以提高液态金属的流动性，增强填充铸型的能力，有利于铸造纹饰繁缛、复杂的青铜器。再者，铅的熔点较低，一般在青铜熔液中最后凝固，也有利于在合金凝固的最后阶段填补枝晶间的空隙，这些均有利于形态复杂和纹饰精细青铜器的成功铸造。 结合成分分析结果可以看出，采用锡青铜锻制成型的器盖、器底及器身的锡含量均在较为合理的范围之内。而立鸟盖钮和蟠螭纹器柄使用铅锡青铜和铅含量低于10%的合金配比，既保证了一定的机械强度，又增加了合金熔液的流动性，提高了合金溶液的充型能力，进而确保了纹饰更加清晰，外形更加规整。此外，热锻加工会使青铜器的组织发生再结晶，从而使其晶粒细化，成分偏析减少，脆性δ相分解或减少及固溶体中锡含量均匀化；进而使组织致密，消除铸造缺陷，改善机械性能，提高相关的强度指数、韧性及塑型性，并使硬度下降，有助于后期刻纹装饰。器盖热锻组织显示的少量滑移线，可能是热锻时器物降温较快，在再结晶温度之下少量锻打所致。锻造模拟实验表明，锡青铜存在两个韧性锻区，含锡18%以下的在200～300℃，含锡20～30%的在500～700℃。此件刻纹铜斗的锻制器盖、器底及器身含锡11.7～12.9%，应在200～300℃范围内锻制成型。 可以看出，此件刻纹铜斗各部位的材质选择与其成型和装饰工艺匹配较好，说明当时的工匠已经能够根据器物类型和用途而采用不同的合金配比，较好地把握合金配比与铜合金铸造性能和机械性能的关系。此外，这件铜斗的复合材质和成型工艺，应是刻纹铜器发展早期阶段的一种重要技术现象。 在铜斗M30∶20、21制作中，古代匠师分别使用了镴焊（低温铅基焊料）和铜焊（高温铜基焊料）两种方式对锻制器盖和铸制立鸟盖钮、锻制器身、锻制器身与铸制器柄进行焊接，焊接技术有显著的多样化特征。 结合铜斗的结构特征和X射线影像，可将其组装过程简述如下。 1.器盖（锡青铜）锻制成型，刻纹，并在中心位置预留一个工艺孔。待立鸟盖钮（铅锡青铜）铸造成型后，将其底部接榫插入器盖中心的工艺孔内，并在出露的接榫外围制作简易铸型。最后，向铸型内浇注液态铅焊料，实现器盖与立鸟盖钮的镴焊连接。 2.器身（锡青铜）锻制成型，刻纹。将其弯曲成筒形，接口对接，并在接口附近制作简易铸型。随后，向铸型内浇注液态铅锡青铜焊料，实现器身的铜焊连接。出土时，铜斗的器身断裂为两部分，断裂处在略远离器身焊接的位置，焊接处保存完好，未见损坏，可见当时焊接技术水平之高、强度之大。据此推测，铜焊连接时，器身对接的接口处可能设置了一定长度的接榫，其位置应在器身外壁与器柄前端接触的部位。 3.器柄（铅锡青铜）前端兽首为空心结构，兽首底部预留工艺孔。铸造成型后，其与器身外壁预留的接榫相合，接榫从兽首口中插入兽首内部，再在周围设置简单铸型，并将焊接浇口设置于兽首底部工艺孔上。最后，浇注铜基焊料，液态焊料沿工艺孔进入兽首内部，与器身外壁及接榫接触。铜合金焊料凝固后，与器身外壁接榫形成类似卡锁式的焊接结构。 从目前的研究来看，铜焊技术的使用可早至晚商及西周早期，应当早于以铅锡为焊料的镴焊技术。先秦时期铜焊焊料的科学分析较少，仅见西周早期的铜兽面纹卣、铜甗及两周之际的瓦纹簋三例，且均为铅锡青铜合金，成分与各自器身大体接近。镴焊焊料的科学分析相对较多。目前发现最早的低温镴焊焊料实例应为虢国墓地两周之际的凤鸟纹铜壶，其器耳处有含铅91%以上的铅基焊料；还有延庆军都山春秋早期山戎文化墓地铜罍，其器耳处有含铅100%的铅基焊料和含锡83%以上的锡基焊料。春秋中后期，镴焊焊料仍以高铅的铅基焊料或高锡的锡基焊料为主，铅锡合金焊料较少，并在春秋晚期出现了少量接近共晶成分的铅锡焊料。铅一般不与铜或锡互溶，镴焊连接时仅起到物理填充或固定作用，因此仅用铅料镴焊的部位较容易脱落。而锡却因能够与铜反应，形成金属间化合物而与铜形成较为牢固的焊接层，镴焊效果较好。 从操作和功效的角度来看，较之镴焊，铜基焊料的熔点较高，操作过程也相对复杂，但焊接强度较高。显然，在实际使用中，铜斗的器身、器身与器柄的连接部位所需力学强度要远远大于立鸟盖钮与器盖的连接部位。因此，古代匠师分别使用铅基焊料和铜基焊料对立鸟盖钮、器身及器身与器柄进行焊接的技术选择是适宜的，既满足了对焊接强度的需求，又一定程度上提高了生产效率。可见，此时期的古代匠师已对铜焊和镴焊的不同功效有了较为深入的认识。使用焊接技术组装起来的器物出土时连接部位仍十分牢固，反映了此时期焊接技术娴熟，工艺精湛。这件刻纹铜斗是目前发现采用焊接技术实施青铜器锻制部件连接和锻制部件与铸制部件连接的最早实物例证。
图二三 器盖的几何纹
图二四 器身外壁的几何纹
图二五 器柄前端的兽首
图二六 器柄后端的蟠螭纹 四、结 语  潜 伟（北京科技大学科技史与文化遗产研究院） 原文刊于《考古》2020年07期 此处省略原文注释
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