摘要:本文通过对战国青铜剑的模拟实验,论述了青铜剑的模、范工艺技术,以及战国剑在铸造过程中形成了刃部硬度值高、脊部硬度值低的自然规律。通过模拟战国时代的熔炼工艺,提出了对“削杀矢之齐”一种新的解释。通过铸后加工,讨论了战国青铜剑的铸后加工技术问题。
关键词 范铸,熔炼,中间合金,古代机械
春秋战国时期,为了抵御外强、巩固政权,各大诸侯国都曾铸制大量的青铜兵器,其中相当数量为青铜剑。对于战国青铜剑的研究,一般集中在形制、产地及合金的化学成分等方面。笔者则结合模拟试验,认真探讨了“范铸技术”、“机械性能”、“削杀矢之齐”及“铸后加工”等四个主要问题。由于地下出土的青铜剑绝大部分为无纹饰的素剑,因此,这里主要讨论一般的素面剑,有纹饰的花纹剑将另文讨论。
1,青铜剑的范铸技术
制范之前必须先有模,通过对青铜剑几何形状的研究后认为,青铜剑虽为两个面,但这两个面的几何形状完全一致,说明剑的两块泥范是用同一个模具夯制出来的。
生活在战国时代的荀子,恰逢大量生产青铜剑的时代。荀子在《强国》篇里云:“刑范正,金锡美,工冶巧,火齐得,剖刑而莫邪已┉[1]。”荀子在这里强调了铸剑需用规整的模(刑)制出规整的范,铜(金)与锡的配比要适当,工匠要心灵手巧 ,浇铸时的铜液温度(火)要根据合金(齐)的配比掌握得当,当作到了这些以后,剖开范腔时,一把“莫邪”剑即可铸得[2]。荀子作《强国》篇,是用铸制青铜剑的工艺过程来比喻治理国家的道理,所以,铸剑过程说得十分抽象。那么战国的青铜剑到底是如何铸制出来的呢?认真考察战国墓葬中出土的青铜剑,不难发现,几乎每一把战国青铜剑各部位之间的宽度及厚度的变化,在其两个面上都是一致的。
从这一现象中,我们推测战国人铸剑时,所用剑模应为“一面模”。这里所谓“一面模”,是指战国剑虽然有两个面,但模具只作其中的一个面,从两边的刃口分型。如图一所示,在剑模上与剑体平行的两边设置子母扣即榫与卯,榫卯与剑体呈等距离垂直,一边设榫,另一边就设卯,在这种模上夯制出的泥范,就会不分正、反。当两块剑范的范面相对时,一块范面上的卯和榫,正好分别与另一范面上的榫和卯扣合。这样,两块泥范一扣合,便形成一个完整的剑体范腔。采用
这种方法铸制的青铜剑可保持正反剑面的对应几何形状、长度、宽度及厚度等皆相同。因此,我们在用范铸法作模拟实验时,只作了青铜剑一个面的模。如果作成两面模具,其正反两面的对应形状和尺寸难免不同,这样,用其夯制的两个范以及范铸所得的剑体,它们的正反两面,都将产生几何形状和尺寸的差异。显然,唯采用一个单面的剑模夯型,方可确保所有夯制泥范都能铸造出正反两面对应形状和尺寸相同的剑体。当夯制出的一批泥质剑范经阴干、焙烧成为陶质范,再将陶剑范从烘范窑中取出放凉至室温后,任意取出两块陶剑范,都可以较顺利地按榫卯扣合,由这些陶剑范浇注出的青铜剑铸坯,其正反两面的对应长度、宽度、厚度及几何形状,自然也是一致的。
在合范浇铸工艺中,存在着一个平浇还是立浇的问题。华觉明先生在其绘制的青铜剑铸造示意图中,指出剑为锷部朝下、首部朝上浇铸,如图二所示。中心线左边剑首部的黑线为设置的出气孔,水口在右边,开设在剑的柄部。设置这种顶浇式浇铸工艺,其理由是铜液自上而下压力大,流动也快,可保证剑锋浇铸完整[3]。目前,对剑体的浇铸工艺,大多持这种顶铸观点
我们认为,这种浇注方式不适合青铜剑。战国青铜剑合金的含锡量多在16%以上,还有一定的含铅量,在浇注过程中,其氧化速度很快。如果将剑体直立起来浇注,由于青铜液进入范腔以后呈雨淋状,其铜液容易出现断开现象。而高锡青铜液在浇注时一旦出现断开现象,即便后来合成一体,其中间仍将存在相当数量的氧化物,即所谓铸件中的氧化夹渣。
一般说来,战国青铜剑这种铜锡合金的充型能力远大于红铜。实际浇铸时,只要水口的最高处高于范腔内的铸件,是不会发生浇不足现象的。当水口设置在剑首上方进行立式浇注时,青铜液从水口流至剑体之间需要拐两次弯,这样,铜液进入范腔后,必然产生到处飞溅现象。飞溅现象一旦发生,飞溅铜液滴的外围将立即氧化,当这种飞溅铜液滴再落下去与铜液会合到一处时,必然会在剑体中产生大量的氧化夹渣、热接及冷隔等铸造缺陷。
为避免上述铸造缺陷的产生,我们在浇铸青铜剑时采取了“平躺式立浇”方式,如图3所示,
将水口开设在剑柄部,浇注时,铜液通过水口直接浇注到剑柄上,由于剑柄与剑体平行,进入范腔以后的铜液,将沿着从剑格至剑锷的一条直线平行着上升,避免了铜液飞溅现象,自然也避免了铜液断开的现象,这样,其氧化率以及造成氧化的机会都相对低得多。
关于在范腔上设置气孔的问题,我们认为,没有必要在范腔上设置气孔。剑范是因两块范合并后浇铸而成的,两块范都是由泥质范经焙烧成为陶质范,从宏观角度来看,陶范的范面较平,但陶范的范面毕竟不是玻璃板,两块范面合得再紧,充其量也只能挡住青铜液不从两个范面之间漏走,而范腔之中的空气,被充入范腔中的铜液压出时,绝大部分空气会在铜液未浇满范腔之前,受铜液挤压,从水口排至范腔外,剩下很少一部分空气,完全可从两范之间的细小缝隙中挤压出去。因此,我们在设置剑模时,没有设置出气孔。
图4为我们采用以上方式,铸制出的长短各异的青铜剑。
迄今为止,我们尚未发现一例因采取“平躺式立浇”方式而发生浇铸不足的现象,也未曾出现过因未开设出气孔而发生浇铸时范腔发气的现象,铸件上也没有气孔。
2,青铜剑的机械性能
通过战国青铜剑的物理技术性能测试,人们不难发现,其刃部的硬度普遍高于脊部。根据战国青铜剑批量范铸的生产实践和研究,我们发现,未作任何技术处理的原始铸件,其刃部的硬度业已高于脊部。这一结果表明,战国青铜剑的刃部硬度之所以高于脊部,完全是在铸造中自然形成的,与铸后的技术处理基本无关。
我们先后对3件复制的战国青铜剑,分别于1997年6月20日、1998年7月29日及2001年3月28日采用HR-150型硬度仪进行了3次硬度测量。复制剑的合金成分为Cu77%、Sn18%、Pb5%。冷范浇铸,范温与当时室温相同,皆为28℃,浇铸时液温约为900℃。铸件浇成后,作磨削加工处理,使复制品的几何形状与原剑一样,除此之外,再未进行其他技术处理。如图5所示,剑体上的小黑点、即硬度测量点,黑点旁边的数据,即为硬度仪测得的洛氏硬度数值。图中显示,柄部硬度值最低、刃部硬度值最高。脊部所有测试点的硬度值,皆低于两边刃部的硬度值。从柄部至锷部,硬度值逐渐升高,一般说来,薄处硬度值高,而厚处硬度值低。由此也可以认为,浇铸铜剑时铜液进入范腔以后,先凝固的部位硬度值高、后凝固的部位硬度值低,这一现象是在铸造过程中自然形成的,并非铸后某种热处理所致。
热的熔炼方式,炉外没有热能,如果掌握不当,即炉中燃料燃尽而合金还没有完全熔融,则即使再加入燃料,也无法继续熔炼了。这时,先熔化了的金属液早已沉于炉底,而炉内还没有熔炼好的金属液,也会很快地降温。遇到这种情况时,只有将未熔炼好的金属液泄出炉外,以便重新回炉熔炼。
为了对战国时代的熔炼工艺有所了解,我们采用战国时代的熔炼方式,进行了青铜合金的模拟熔炼试验。用泥料作成一个高20cm,直径20cm的熔炉,经阴干、焙烧成半陶质,分别于1999年10月及12月进行了两次试验。第一次试验时,用平时铸镜的回炉料2kg,其合金的化学成分约为Cn73%、Sn24%、Pb3%。炉底放置木炭,合金放在中间,上面再盖木炭,风管放在熔炉正中间,风管的进风口用一个25w的电动小风机鼓风,如图6所示。
“削杀矢之齐”中云:“五分其金而锡居二”,这里所说的“金”即今之红铜。红铜的熔点为1084.5℃,如果在古代熔炉中直接熔炼红铜,其熔炼的难度较大。如果按“削杀矢之齐”中字面上的比例即铜60%、锡40%同时装入炉中进行熔炼,由于锡的熔点只有232℃,在炉中很快被熔化后沉入炉底,而此时固体的红铜还没有成为合金,不会由于炉中有锡料而降低熔点。因此可以认为,全部用新金属料进行熔炼,是不能直接得到实用的合金的。当烧制好了剑范需开炉浇铸时,如果采用合金料加上新金属料各半的比例进行熔炼,其熔炼的速度就会大大地提高。顺便指出,批量青铜范铸生产中,总会产生大量的回炉料。这些回炉料不是指铸前专门配制的合金料,而是指在批量生产青铜铸件时产生的废品、浇铸时的一些附件,如水口、冒口、披缝、跑火料以及没有浇铸完的剩余料等。这些金属料都已成为合金,是较容易进行熔炼的炉料。
1978年4月,鄂州市燕矶镇坝角村的农民在该村临近的走马湖畔围垦造田时,在湖汊的淤泥中约30厘米深的泥层中,挖出一个大陶瓮,瓮中装满铜兵器的残片约30公斤。有箭镞、铜矛、铜壶盖、马饰、弩机、带钩以及其它一些青铜器上的附件等残片,其中数量最多者为青铜剑的残片。
4,关于青铜剑的铸后加工
从地下大量出土的大多数战国青铜剑上,可以清楚地看到,剑体表面光洁,剑刃、剑丛、剑脊规整,几何造型的棱角分明,丛部与脊部之间非铸态而呈加工态。这些现象都表明,这些战国青铜剑不仅经过了铸造加工,而且经过了铸后加工。在铸后的加工过程中,采用了某种加工的机械设备。
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