硅青铜成份和配比

【专家解说】：据从地下出土的青铜文物的化学成分看，《考工记》里除“鉴燧之齐” 、“大刃之齐” 及“削杀矢之齐”以外3“齐” 的合金比例，都较比青铜文物的实际含锡量稍偏大。如湖北随县曾侯乙墓出土战国早期的大型编钟，经采用现代科学方法检测了五枚钟的结果，其合金里的锡含量为12.49%至14.6%，平均含锡量为13.75%。华觉明先生认为:我们应当如实地理解“六齐”本意，所谓“六分其金而锡居一”， 应指铜六锡一，即含锡量应为14.3%左右的锡青铜。┉。试以湖北随县曾侯乙墓所出编钟为例，则五件钟的含锡量是从12.49%到14.6%，平均含量13.75%，含铅量从1.29至3.19%，平均含铅量1.79%，和“钟鼎之齐”(含锡量14.3%)相当接近【3】。华觉明先生认为，“六分其金而锡居一”应当理解成七分，只有在这个比例下的含锡量，才最接近战国编钟的实际含锡量。 著者认为，“六分其金” 应是指一个完整的合金重量，“而锡居一” 的合金含锡量，应理解为5分金1分锡。如按这个比例计算，其合金的含锡量，应为16.67%。因六分其金里本已“居” 有一分锡在内，所以，不应在六分以外再增加一分。 应该看到，含锡量16.67%的合金配制，是熔炼合金之前配制新金属原料的比例，并非铸成钟以后的化学成分。如果含锡量16.67%的合金在熔炼时烧损了2%的锡，其化学成分也会与曾侯乙编钟的实际含锡量相符。 铸造这么大型的编钟，如果每一枚钟都熔炼新金属料，除费工费时外，铸造时也不容易保证钟的质量;应当在进行浇铸之前，先配制合金，即按“钟鼎之齐” 的配方先熔化成合金备用，待需浇铸钟体时，再用已配制好了的合金进行熔炼时，铸造工艺才能较顺利地进行。 制泥范的造型工与熔化合金的炉工，应为两个各负其责的两个不同的工种，对于象曾侯乙这么大型的编钟更应如此;合金经两次熔炼以后，按每次熔练过程中锡被烧损1%计，待浇铸成钟时，也就基本达到了现在检测的数值了。这里需要提出的一个问题是，浇铸每枚钟时的熔铜量，一般只会多于钟的重量，剩余料与从钟铸件上取下来的水口冒口以及废品，又会回炉再用于熔炼浇注;其合金在经多次熔炼的过程中，锡的含量会随熔炼的次数不断地减少，因此，青铜文物的实际含锡量，应少于历史文献里的理论含锡量2%至4%都应属于正常。科学检测五枚钟的含锡量之所以从12.49%至14.6%的，就是因为回炉料的回炉次数不尽相同所至。回炉料回炉熔炼的次数越多，其合金里的含锡量就会越少。这一规律是符合客观事实的，我们在长期的铜镜生产实践中亦是如此。 若按照这个观点，其它三“齐”的合金成分也分别与出土战国以前的青铜文物基本相符， 但“鉴燧之齐” 、“大刃之齐” 及“削杀矢之齐”的铜锡比例，如简单地从字面理解，就会觉得与实际应用相差甚远。关于“大刃之齐” 及“削杀矢之齐”，将另文讨论，这里只谈“鉴燧之齐”。 围绕“鉴燧之齐”，许多学者曾各自提出了自己的观点，对其中的“金锡半”进行了各种解释。战国时代人们将铜称之为“金”，将现代的金称之为黄金，这里的“金”，即现代的红铜。“金锡半”如从字面讲，可以有如下两种理解;其一，“金锡半”，为铜、锡各半，即铜、锡各50%;其二，“金锡半”中金为一个重量单位，锡半，即锡为金(红铜)的一半。若按照以上这两种概念计算，则铜镜及阳燧合金里的含锡量，应分别为50%及33.3%。目前，大多数学者认为，解释成33.3%的含锡量较为合理。 近二十年来，国内对古铜镜作过化学成分分析的学者有中国科学院自然科学史研究所何堂坤先生、上海博物馆谭德睿先生、吴来明先生、中国科技大学的王昌燧教授、成都科技大学(现改名四川联合大学)的田长浒教授、北京科技大学冶金史研究所的孙淑云教授、韩汝玢教授以及周忠福博士等等;他们分析的手段采用了化学定量分析、电子探针、扫描电子显微镜能谱分析、原子吸收光普等方法，来分析古铜镜的化学成分。 从众多的学者对古铜镜进行的化学成分分析报告表明，中国古代铜镜包括战国镜在内的绝大部分铜镜的含锡量，是以24%为中心上下浮动，其中战国镜偏低一些，一般含锡量在22%以下者为多;战国以后的铜镜合金含锡量就基本稳定在24%左右了，含锡量超过27%的古铜镜发现较少。 著者在长期生产实践中得知，每当熔炼合金配制金属料时，如果不小心将合金里的含锡量达到了25%时，铸出的镜坯非常脆，往往在脱范时，稍不留意就破碎了，如果铸坯从范腔中小心地脱出来，在铸后的打磨加工中，也很容易发生崩块现象，甚至破裂，镜缘的周边外缘也常会出现崩块。如图1所示，由于这枚铜镜含锡量稍大于24%，当铸后开范脱镜坯时，镜坯旱已断裂在范腔之中;如果熔炼时含锡量配制到了25%，在铸后的磨削加工中，虽然经过了几道加工工序，但稍不注意，还是造成了铸件的破损。 同一种含锡量的青铜合金，如果用于浇铸不同几何形状的镜体，其铸制出的铜镜的脆度也是不一样的;如含锡量为24%的青铜合金，分别浇注到唐代的海兽葡萄镜范及战国的四山镜范里，其结果是，唐海兽葡萄镜可稍加小心地正常加工，而战国的四山镜在铸后的加工中，就需格外小心，稍不留意，镜体就会破碎。究其原因，两镜的合金成分虽然相同，但唐代的海兽葡萄镜是高浮雕、高镜缘，从金属力学角度看，这种几何形状的镜体较之平板式的战国镜镜体耐冲击;而战国镜的镜体几何形状绝大部分为平板式镜体，在相同合金条件下，其耐冲击力远不如后代各朝的铜镜。因此，战国镜的青铜合金的含锡量，应普遍比后代铜镜稍微偏低，以不超过22%为宜才合逻辑。 在战国时代里，其铜镜合金的含锡量，应低于战国以后其它各时代铜镜的含锡量，如果战国铜镜合金中的含锡量超过了23%，其铸坯的铸后加工就会难上加难。从许多学者对古铜镜所作的化学成分分析报告中可以看到，在一系例各时代的铜镜合金成分中，战国镜的含锡量普遍偏低，一般为18%至21%左右。 战国时代的人，不可能看到后代青铜镜几何形状的变化，同样看不到因镜体几何形状的变化，而使得铜镜合金配比值的变化，因此，战国时代的记录，只能按照他们当时的流行工艺来记载。 《考工记》是战国时代的著作，其作者生活在战国时代，其记载应当是真实的、准确的。既然“鉴燧之齐”及“大刃之齐” 以外的其它各“齐”都记载得与出土战国时代的青铜文物基本相符，那么，“鉴燧之齐” 为什么会有如此之大的差异呢? 中国古代的文献记载里有许多文献没有标点，《考工记》也不例外;如果将“鉴燧之齐”里的“金锡半”，释读成“金、锡半”，就可理解为“金”、“锡半”各半;“金”是红铜，在这里可作为一个重量单位的一半;“锡半”是红铜与锡各半的合金，亦作为一个重量单位的另一半;即铜为50%，铜锡各半的合金亦为50%;那么，配料熔炼以后的铜锡合金的锡含量，理论上就成为25%;这个理论上的数值，与出土的战国镜合金的实际含锡量十分接近了。 为了考证古代的熔炼工艺，同时也为了证实湖北盘龙城出土的小型陶缸到底能否熔炼青铜，著者与盘龙城工作站站长李桃元先生进行研究，李先生提供了盘龙城出土小型陶缸的几何形状，我们按其形状也按其体积大小，用当地的泥土经过揉搓，制成了泥缸式炼炉;并采用了古代的熔炼方法进行了试验。如图2所示，用泥料作成的熔炉，高20cm，直径20cm，经阴干、焙烧成半陶质;分别于1999年10月与12月进行了两次试验。第一次试验时，用我们平时铸镜的回炉料2kg，其合金的化学成分约为Cn73%、Sn24%、Pb3%;炉底内放木炭，合金放在中间，上面盖木炭，风管放在熔炉正中间，风管的进风口用一个30w的电动小风机鼓风。当开风不足20分钟时，炉内的金属料已熔炼到了“炉火纯青”的程度，达到可正常铸镜的温度。因当时只是为试此炉是否能熔青铜，没有预计到该试验能这么顺利，所以没有提前准备镜范，因此，没有铸镜。这次的实验足可以说明，盘龙城出土的陶缸，不论其在商代是什么功用，但用其作为熔炉来熔炼青铜，是不成问题的。 第二次试验时，称回炉料与红铜各1kg，如图3所示，与第一次的熔炼工艺完全一致。但是，由于炉料里增加了一半红铜，其熔炼的难度就显露出来了。第一次试验时一次性将木炭放满后，直至将合金熔化至可浇注的温度，中间没有再添加木炭;而第二次曾添加了数次木炭，但合金的温度却始终达不到浇注温度。如图4所示，因这次试验原计划浇铸成镜，最后勉强将合金浇注了一套镜范。图5中左边为范腔，右边为铸出的日光镜，可以看出，浇铸的铜镜毛坯虽然成形，但接触过铜液的范面，连灰黑色的氧化层都没有形成。这说明，铜液温度不够，此镜系废品无疑。这次的铸镜失败的原因，是熔炼青铜合金的各种金属比例不适应战国以前的熔炉性质所至。 通过以上试验可知，在铸镜的实际生产中，常规的开炉铸镜，是不可能完全使用新合金进行熔炼的。陶质的镜范有较高的吸水率，在空气中长期存放很容易吸潮，如果浇铸不及时，就会造成整批的陶范报废;这就要求开炉浇注及时。如果开炉熔炼合金时全部使用新金属原料，将会造成大量的废品。虽然炉料里有低熔点的锡，但红铜在熔炼之前并没有成为合金，其熔点为1084.5℃，熔化速度较慢，当熔炼成为合金时，熔炉里的燃料也烧完了，其合金的熔炼温度始终达不到浇注温度的要求。最好的解决方法，就是在开炉铸镜之前，先按铜、锡各半的比例熔炼合金原料待用。在这种锡比例增加到如此高的前提下，熔炼速度会大大提高;熔炼出的合金并不是直接铸镜，而是作为配制的合金料待用。正常铸镜时，应该有三种料合起来进行熔炼;回炉料即水口、冒口、披缝、废品、跑火料及每次浇注的剩余料等，这些回炉料应占全部配料的一半，“金”与“锡半”两种料合起来占全部配料的另一半;即新配制的红铜料其实只占全部配料的四分之一，“锡半”，即铜锡各半的合金料亦占全部配料的四分之一;由于有了回炉料及低熔点的“锡半”合金，熔炼的速度才会大大地缩短，熔炼工艺才会顺利地进行，而回炉料的消耗量与铸镜的进度，也才能始终保持着一个相对稳定的平衡。如果哪-个铸镜作坊在每次的开炉铸镜时，只使用新金属原料而不加入回炉料，那么，回炉料对于这个铸镜作坊就等于废料;先不论其熔炼的技术难度，只算废金属料-项，就会远远超过所有铸出铜镜的重量;在实际铸镜生产中，这是不可能的。 战国时代的采矿、冶炼工艺技术及设备条件都远不及现代，其时代的铜料都掌握在方国或权贵手中，其珍贵是不言而喻的，不可能不大量地利用回炉料来进行铸造;回炉料并不是废料而是比新料更易于熔炼的合金料。我们在长期的铸镜生产中，每次熔炼合金时，虽然都配制了一半回炉料，但回炉料的数量还会不继地增多;到了-定时间，只有采取全部使用回炉料的办法，来暂时减少回炉料的数量。因此，在战国时代的铸镜过程中，每次开炉熔铜都会加入至少一半重量的回炉料。从“六齐”里每一“齐”都未曾提及回炉料看，“鉴燧之齐”的比例应是指回炉料以外新添金属料的配比值。 铜镜合金为Cu-Sb-Pb三元合金，其中，铜为合金的基本原料，合金里加锡的目的是使铜镜能够白亮，从而使得合金能有较高的光线反射率;而铅在铜镜合金里，必须随气候的变化而增减;不能将其按一个固定的数值来定值;铅在铜镜合金里，是对Cu-Sn二元合金起着平衡不同的气候对合金的收缩造成不同的收缩率的作用。可以认为，铅在铜镜合金里不是主要原料，而是一种比例很小的平衡剂。对于某一个特定的几何形状镜体或燧体而言，铅在其合金里的加入量，须隋季节的变化而变化;在一年当中，可以说每个月的铅含量都不一样【4】。因此，在“鉴燧之齐” 的合金比例里没有铅的比值就不足为怪了。 在现代有色金属铸造工艺中，为了避免某-种金属在熔炼过程中出现大量烧损，往往会采用先配制“中间合金”的方法，来达到目的。如欲熔炼含铝10%的铝青铜合金来铸造工件，如果采取90%的铜及10%的铝一次性进行熔炼的话，由于铝在1000℃左右时会开始大量气化，当铜被熔化完时，其液温至少超过了1100℃，当铝料被下入铜液时，早已超过了铝的气化点，且是在爆发式的情况下，铝的气化速度是很快的;甚至人们可以清楚地看到，熔炉周围的上方会如初夏的杨絮到处飘扬，这种在空中飘舞的一缕缕白絮，即是铝在熔炼时超过了气化温度而产生出来的铝蒸气。其熔炼的结果，可能合金里连5%的铝含量也达不到了。通常的作法是，先将铜和铝各以50%的重量熔化成合金;因金属铝的熔点低于铜300℃，所以，有50%的铝与铜熔炼时会大大降低铜的熔点，熔炼时，低熔点的铝也不会产生明显的烧损。当熔炼成合金以后，铝与铜生成了固溶体，再次熔炼时，就更不容易被烧损了。当开炉铸造含铝量10%的工业零件时，可先熔化80%的红铜，再加入20%的铝铜合金，这个合金被现代的人们称之为“中间合金”，这样熔炼的结果，就较容易地得到了10%的铝青铜。这样的工艺安排，使得合金的配制易于操作，且不容易出现-些意想不到的熔炼问题。 “六齐”里的任何一“齐” ，都应指的是回炉料以外新增加的金属料配方;如果完全采用新金属料按照“六齐” 里的任何一“齐” 来熔炼合金，对于战国时代的熔炼工艺而言，都是不大可能铸成器物的，必须在浇注器物之前，先按各种比例将金属料熔炼成为合金待用，只有这样安排工艺，才能顺利地进行熔炼、浇铸。 战国时代，人们将全部配制好了待浇注器物的合金称之为“齐”，那么，提前先配制好了待用的合金又称之为什么呢。在“六齐”中虽然没有这方面的文字记载，就如同“六齐”里没有对金属铅的记载一样，应该将其看成是一个客观存在的事实。著者以为“鉴燧之齐”中的“锡半”，即现代铸造工业中的“中间合金”。“锡半”应为铸镜前先配制好待用的合金。如采用这种方法进行熔炼时，回炉料多些或少些，新增料多些或少些都无关紧要，除回炉料外，只需将红铜料与“锡半” 料等量加入即可，基本不需要进行精密地计算，这对于熔炼工而言，省去了许多麻烦，而熔炼的结果，其合金里含锡量也正是战国镜的普遍含锡量。因此，“锡半”在“鉴燧之齐”里，即是量词、同时又是名词的双关语。 铸镜时的水口或冒口、废品及浇注时的剩余料加起来，其重量总会大于铸出镜体的重量，这就意谓着，在铜镜合金里，总是有相当一部分金属料是经过了无数次回炉熔炼的;在经多次熔炼过的合金里，其含锡量只会底于配料时的数值;因在每次的熔炼过程中，锡都会有所烧损，理论上25%的含锡量在实际的熔炼过程中会被越炼越低。 在战国时代里，人们已经历了两千余年的青铜熔炼工艺;对于锡在熔炼过程中的烧损，人们不可能没有认识。《考工记·栗氏》曰:“凡铸金之状，金与锡黑浊之气竭，黄白次之，黄白之气竭，青白次之，青白之气竭，青气次之，然后可铸也。”从这-段记载来看，其工艺是为了控制熔炼的温度，即掌握火候;当熔炼到“青气次之”之时，也就是熔炼到了所谓“炉火纯青”的火候了;如果此时不进行浇注而是继续熔炼，其合金里的锡与铅都会比铜的烧损严重。因此可以认为:战国时代的人们，是在充分地认识了青铜合金的熔炼工艺的性质以后著作出的《考工记》。 从我们多年的生产实践来看，古代每个铸镜作坊在开炉熔炼合金时，一般都须在炉中装入一半重量的回炉料及一半新料;比如若熔炼一炉10Kg的锡青铜，可用水口料、冒口料、废品披逢料等回炉料5Kg，新金属料5kg，按铜73%、锡25%、铅2%，应加入Cu3.65Kg、Sn1.25Kg、Pb0.1;在这一炉金属料之中，新金属料的总量为5Kg，其含锡量为25%;因回炉料里的含锡量少于正常配比，因此，其熔炼后的合金含锡量就会少于正常值;假设回炉料里的含锡量已降至18%，那么，加新配制的金属料熔炼出的合金，其含锡量也只有21.5%。在这种情况下，熔炼出的合金里含锡量的多少，就完全取决于回炉料所回过炉的次数了。因此可以认为，18%至22%之间，应是“金、锡半”配料方法的必然结果。由此看来，“鉴燧之齐金锡半”，需从范铸工艺及高锡青铜的熔炼等多方面去研究，不能仅限于《鉴燧之齐》里字面上对百分数的计算。