從鉛含量看古銅鏡的鑄造時間

文/朱關(guān)東 董亞巍

從鉛含量看古銅鏡的鑄造時間

文/朱關(guān)東 董亞巍

中國古代青銅鏡的成分為Cu-Sn-Pb三元合金，根據(jù)合金的金相物理及化學(xué)性能，對于某一種鏡體的剖面幾何形狀而言，不論其鑄制的數(shù)量多少，都應(yīng)使用一種化學(xué)成分配比值的合金。在眾多古代銅鏡的化學(xué)成分分析值中可以看到，從戰(zhàn)國初期至唐代晚期之間的銅鏡里，在同一個鏡種的兩枚或多枚鏡體的含錫量都較穩(wěn)定，但其含鉛量卻有多有少而差異懸殊。

中國古代銅鏡的合金，自戰(zhàn)國初至唐代末，一直采用高錫青銅。據(jù)國內(nèi)外的許多學(xué)者對這一歷史時期的古銅鏡采用多種科學(xué)方法作出的化學(xué)成分分析表明，絕大多數(shù)銅鏡的錫含量都能保持在23%～25%，而鉛的含量卻有高有低，含鉛高的可達(dá)10%以上，而含鉛低的在1%以下。筆者通過近20年的范鑄法鑄鏡實踐得知，如果我們在同一天對古銅鏡進(jìn)行復(fù)制，用一樣的含錫量及不一樣的含鉛量分別澆鑄兩枚相同的銅鏡，其結(jié)果是只有一枚是合格的，而另一枚則會出現(xiàn)明顯的鑄造缺陷而成為廢品。但從兩枚品種相同，尺寸也基本相同，但含鉛量卻不相同的古銅鏡看，并不存在明顯的鑄造缺陷。通過長期實驗得知，只有在不同的氣候條件下進(jìn)行鑄鏡，才可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。那么，合金里的銅、錫、鉛分別在合金里各自起到了什么作用呢？其在合金里百分比的變化又會對銅鏡產(chǎn)生什么樣的質(zhì)量影響呢？這需要從銅、錫、鉛各自的性質(zhì)來考究。

各種金屬的性質(zhì)不同，在合金里所起的作用也各不相同。銅是銅鏡合金的基本原素，銅的熔點為1084.5℃，是三元合金里熔點最高者，占總量的70%左右。如果全部用純銅鑄鏡，因其熔點較高，不容易進(jìn)行熔煉，且鑄制出的銅鏡將是紅色，再加上其硬度值遠(yuǎn)不及高錫青銅，光線的反射率也遠(yuǎn)不及高錫青銅，因此，其映照效果較差。銅在濕空氣中易生銅綠銹，遇醋起化學(xué)作用產(chǎn)生有毒的乙酸銅。

錫的熔點為232℃，白色，合金里加入錫以后，錫與銅化合生成了α相及(α+δ)共析組織。α相是Cu-Sn固溶體，其最高含錫量只能達(dá)到16%；δ相是金屬間的化合物，其化學(xué)組成為Cu31Sn8，其最高含錫量可達(dá)到32.6%。錫在合金里起降低熔點和提高銅液流動性的作用，且能使合金增加硬度，更能使合金成為銀白色。此外，錫的加入，也使合金的光線反射率逐漸得到提高。早在4000年前，齊家文化的先民們鑄鏡時，在銅液中加入了9%的錫，從而得到了映像效果較想理的銅鏡。1998年10月，中科院自然科學(xué)史研究所的何堂坤先生為調(diào)查含錫量9%的齊家文化鏡是否真能當(dāng)鏡子用，專程來鄂州市博物館文物復(fù)制所進(jìn)行實際考察。筆者就此問題專門配制了含錫9%、鉛2%和含錫14%、鉛2%，其余為銅的兩種合金，用這兩種合金分別進(jìn)行了熔煉及澆鑄實驗。因沒有齊家文化鏡模，澆鑄時用的鏡范為西漢時期7.4cm的日光鏡范，采用冷范澆注，時因天雨，氣溫15℃，因此，范溫也是15℃。澆鑄過程順利，并沒有因合金的含錫量少于正常值而發(fā)生澆不足的現(xiàn)象。經(jīng)過磨削加工后的含錫量9%的銅鏡，其映像效果并不比現(xiàn)代玻璃鏡遜色。缺點是因含錫量少，鏡面易發(fā)黃甚至發(fā)紅，須堅持每天擦拭，才能保證常白。從這一點我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這對于中國新石器時代的先民們來說，可算是一個劃時代的科技進(jìn)步了，而含錫量14%之鏡的映像效果就更是不言而喻了。其從齊家文化期9%的含錫量鏡至戰(zhàn)國早期24%的含錫量鏡，這之間經(jīng)歷了1000多年的技術(shù)進(jìn)步過程。技術(shù)進(jìn)步緩慢的原因，是受到戰(zhàn)國以前無機(jī)械加工工具的條件限制。如果含錫量超過10%以上，其機(jī)械加工性能就會越來越差。至今，錫青銅的最高國家標(biāo)準(zhǔn)也只是10%的含錫量。

古代銅鏡因為有了足夠的錫，才使得合金的組織結(jié)構(gòu)緊密，從而較之紅銅大大提高了映像效果。

眾所周知，純銅的橫斷面是比較粗糙的，從紅銅的斷面可以看到，其結(jié)晶組織粗大，如同包谷渣滓一樣；含錫量24%的高錫青銅水口的橫斷面，呈現(xiàn)出平滑且細(xì)膩的銀白色,處處閃爍著無規(guī)則形冰花紋的斷面。

云龍紋鏡

雙魚紋鏡

古代銅鏡合金里加錫的主要目的，是為了降低熔點、澆注溫度，以及提高鏡面的映像效果。合金熔點低，就便于熔煉。陶范的原材料為泥土，其主要化學(xué)成分為二氧化硅，軟化點為1100℃，如果澆鑄時銅液溫度在這個數(shù)值上，在被軟化的環(huán)境中，范面的泥料就會出現(xiàn)被燒結(jié)現(xiàn)象，使鑄出的鏡坯表面粘上一層去不掉的土。加入24%左右的錫以后，澆注溫度降低至850℃左右，這個溫度與范面的軟化點有了一定的距離，就可避免陶范被合金燒結(jié)，從而可保證銅鏡鑄態(tài)表面的毛坯光潔度，尤其是需要保證鏡背紋飾的毛坯光潔度。古代銅鏡的背面紋飾較細(xì)，有些甚至細(xì)如毫發(fā)，在鑄出的毛坯紋飾上，是不能進(jìn)行磨削加工的，如果用純銅鑄鏡，澆注時的銅液溫度至少需在1200℃左右。古代陶范是用泥土夯制的，大多為就地取土，并非采用耐高溫的粘土。一般泥土的化學(xué)成份主要為SiO2，其燒結(jié)溫度為1100℃～1200℃，因此，銅液容易將范面燒結(jié)，使鑄后的鏡坯牢牢粘上一層燒結(jié)了的范土，造成鏡背紋飾模糊不清，鑄后加工時會將紋飾磨得面目全非。如果在技術(shù)上達(dá)不到一定的鑄態(tài)毛坯光潔度，鑄件就等于廢品。因此，錫的加入，降點了澆注溫度，解決了澆注時銅液燒結(jié)范面的問題，使得鑄后的鑄件毛坯與陶范之間較容易脫離開來。但最主要的目的還是為了提高映像效果，當(dāng)合金里的錫含量達(dá)到24%左右時，其映像效果猶如今天的玻璃鏡，已完全可以滿足人們?nèi)粘Ｊ褂脮r的技術(shù)要求了。含錫量越低，鏡面就越容易發(fā)黃；如含錫量過高，一是因合金脆度大不易加工，二是因錫價遠(yuǎn)大于銅，超過24%以上純屬浪費。因此，在眾多的古銅鏡化學(xué)成分分析數(shù)值中，還是以24%為中心的含錫量占絕大多數(shù)。

螺鈿青銅鏡

通過以上論述不難理解，合金里只要加入了11%以上的錫鉛總量，就可順利地鑄制銅鏡了，其合金的充型能力是不成問題的，那么，含24%左右的高錫青銅合金的充型能力就更不存在問題。從這個意義而言，銅鏡合金里無鉛時，并不影響合金本身的充型能力。既然不加鉛也能鑄出銅鏡，而古銅鏡里卻都存在鉛，說明古人在合金里加鉛的原因，是在長期的鑄鏡實踐中為了解決其它鑄造缺陷問題摸索出來的一個解決鑄造缺陷的方法，并非是為了提高合金的流動性能或者充型能力而加鉛。

鏡體在澆注工序停止后，由于范溫與銅液之間有很大的溫差，其冷卻與收縮過程是從外向里按秩序進(jìn)行的，最先凝固的是與范腔直接接觸的外表。鏡體外表在凝固時的收縮量，則由鏡體徑間的中心部位尚沒有凝固的銅液來補(bǔ)充，鏡體的徑間中心與鏡體上方的水口的徑間之間，始終保持著流通狀態(tài)，直至最后凝固。

祥瑞紋鏡

菱花鏡

當(dāng)熔煉好了的合金澆注到范腔里以后，由于范腔與合金之間存在很大的溫差，合金會很快從范壁向中心結(jié)晶。一般而言，只要不是特別大型的鏡體，都會在5分鐘之內(nèi)凝固。

當(dāng)范腔之中澆滿銅液以后，銅液開始從范腔兩壁向中心結(jié)晶、收縮及凝固，而水口橫截面中的內(nèi)圈，就是銅液在向鏡體中補(bǔ)給銅液時留下的痕跡，因澆注時銅液屬膨脹了體積的金屬，鏡體在結(jié)晶、凝固過程中必然要將體積收縮至膨脹前的體積。澆注后，鏡體較水口薄，先于水口凝固，其收縮期內(nèi)的銅液需求量由上面的水口予以補(bǔ)給。水口在鏡體的上方，厚于鏡體數(shù)倍，其收縮、凝固期自然晚于鏡體，在壓力作用下，整個鏡體的收縮量全部由水口供給。

鉛在合金里起降底合金的結(jié)晶溫度，推遲合金的凝固時間的作用，從而給水口向鏡體增補(bǔ)銅液創(chuàng)造了條件。

鉛的熔點為327℃，比錫的熔點高90℃，當(dāng)錫里加入40%的鉛成為焊錫以后，反而比錫更容易熔化，這是因為鉛與錫生成了低熔點的固溶體。

鉛在高錫青銅合金里既不化合也不溶解，而是以球狀或不規(guī)則狀態(tài)分散在合金之中。當(dāng)銅液進(jìn)入20℃左右的范腔里時，會很快沿范壁形成一個凝固了的金屬殼，由于銅有良好的導(dǎo)熱性能，會不斷地繼續(xù)向中心結(jié)晶及凝固。當(dāng)合金里加入鉛以后，由于鉛不溶解于銅，正是因為鉛以球狀或不規(guī)則狀態(tài)分散在合金之中，起到了間斷銅的導(dǎo)熱性能的作用，推遲了鏡體徑間結(jié)晶的時間，客觀上延長了水口向下補(bǔ)縮的功能。

從大量的銅鏡化學(xué)成分分析報告中，可以看到一些規(guī)律：如從戰(zhàn)國初期至唐代晚期的銅鏡，錫含量大多為24%左右，而鉛含量卻各不相同。戰(zhàn)國鏡的鉛含量在1.5%左右，超過2%的較少；西漢鏡開始加大鉛含量，至三國六朝為最?？偟膩砜矗哺咩U鏡 (5%以上) ，必具備以下條件之一：漢以后16cm以上的大鏡、高浮雕鏡種、大鈕平緣鏡種、大鈕無浮雕無緣的鏡種。其中尤以大鈕鏡為最，如畫像鏡。這說明，古人鑄鏡是在長期實踐中，找到了三元合金比值的配制規(guī)律，這個規(guī)律就是根據(jù)鏡體的剖面幾何形狀，來增減鉛的加入量。如戰(zhàn)國鏡普遍為體積十分小的三弦鈕，又都沒有浮雕，這種剖面幾何形狀近乎為平板鏡，有2%的含鉛量就可維持鏡體的縮補(bǔ)平衡。西漢以后的半圓鈕打破了這種平衡，人們開始在合金里增加鉛含量來維持這種平衡，所以，西漢至東漢之間的一些半圓鈕鏡的含鉛量大都在5%左右或者以下。東漢以后開始出現(xiàn)了各種神獸鏡、畫像鏡及四葉八鳳鏡，這3個鏡種全為歷史上最大的大鈕鏡，其剖面的幾何形狀較之西漢鏡也都遠(yuǎn)遠(yuǎn)拉大了與平板鏡的距離，因此，其含鉛量也達(dá)到了歷史之最，在這3個鏡種中，含鉛低的在6%左右，高的在10%以上。其合金在熔煉過程中，由于高溫作用，液態(tài)的合金在熔鍋(古代為熔爐)里處于運(yùn)動狀態(tài)，因此，鉛才能得以分散于合金之中。當(dāng)合金澆注到范腔里以后，由于合金處在一個靜態(tài)的環(huán)境里，如果不能很快凝固的話，這時合金里的鉛就會產(chǎn)生偏析、下沉。古人鑄鏡在合金里加鉛，正是利用了鉛的這一特性，來達(dá)到解決一些鑄造缺陷的目的。如鑄造尺寸較大，或者鏡鈕較大的鏡體，鑄造時氣溫稍不合適，輕者造成鑄件縮松現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成鑄件出現(xiàn)縮孔。在合金里增加鉛含量，對鏡體在澆注后的凝固期內(nèi)增強(qiáng)合金的補(bǔ)縮性能，起到了至關(guān)重要的作用。

筆者從事鑄鏡工作近20年，從實踐中得知，高錫青銅鏡的含鉛量須按氣溫的變化而變化。在一年之中鑄造同一枚銅鏡，原則上冬季含鉛量最高，夏季含鉛量最低。到了一年之中最熱的時候，也就是銅鏡含鉛量最少的時候。夏季過后，隨著氣溫的下降，合金里的鉛含量須逐漸增加，不然，會在鏡面產(chǎn)生縮松現(xiàn)象，嚴(yán)重時會在鏡背鈕座處產(chǎn)生縮孔。而增加鉛的含量，就可避免上述鑄造缺陷。近20年來，每遇夏季，我們只能澆鑄一些尺寸在10cm以下的小鏡，其鑄件質(zhì)量也無法保證，稍大一些的銅鏡如直徑在12cm以上的銅鏡，一直沒有好的產(chǎn)品能夠鑄制出來。1999年，由于厄爾尼若現(xiàn)象，夏季至秋季特別炎熱且持續(xù)時間長，氣溫高時已超過了40℃，如果按照常規(guī)范鑄技術(shù)鑄鏡，將會造成95%以上的廢品率。于是我們將焙燒好的中、小型鏡范放入冰柜里冷凍20小時以上，取出澆鑄時范溫處于零下10℃，采用這種冷凍澆鑄法，使得過去在夏天無法鑄制的銅鏡可以較順利地鑄制出來，其工藝的成活率達(dá)到了80%左右。通過長期鑄鏡實踐得知，盡管范溫從室溫的40℃降至零下10℃，但其合金的含鉛量卻一點也不能增加，因環(huán)境氣溫高，其合金的含鉛量還須保持夏季的含量，否則，就必然會產(chǎn)生鑄造缺陷。筆者認(rèn)為，古代每個鏡種的含鉛量，是古人經(jīng)過了無數(shù)次的鑄造失敗后從教訓(xùn)中摸索出來的，少了不行，多了亦不行。前面提到，合金里如果含鉛量少了，會造成鏡面縮松或者鏡背縮孔，但如果含鉛量多了，情況就反過來了，會在鏡面產(chǎn)生縮孔，而鏡背卻沒有鑄造缺缺。

氣溫降低以后，在合金成分不變的情況下，鑄出的銅鏡在磨削加工后，鏡面中心就會開始出現(xiàn)小片的縮松現(xiàn)象。隨著氣溫不斷的降低，鏡面中心的縮松面積會越來越大，如果這時還不增加合金里的鉛含量，就會在鑄態(tài)毛坯的鏡背鏡鈕座與鏡背的結(jié)合處出現(xiàn)縮孔了。只有適當(dāng)增加鉛含量后，才可避免這些鑄造缺陷的產(chǎn)生。

筆者長期從事古銅鏡的青銅范鑄研究工作，經(jīng)手鑄過的銅鐿尺寸從4.5厘米到24厘米不等，剖面幾何形狀各異，但萬變不離其宗的是，不論鏡種及尺寸，也不論冬夏與春秋，其含錫量都須按24%左右來配制合金，其效果最佳。合金里的鉛含量首先須參考季節(jié)的氣溫高低，再考慮其鏡體的大小及剖面幾何形狀，根據(jù)以上這幾條因素來決定合金里的鉛含量。一般情況下，可以根據(jù)鑄出銅鏡的鑄造缺陷，來判斷合金里應(yīng)該增減的鉛含量。對于漢代以后至唐代晚期的某一個鏡種而言，在一年當(dāng)中如果不停地鑄制這枚銅鏡，那么，其合金里的含鉛量必須隨季節(jié)的變化而增減，原則上冬天含鉛量最高，夏天含鉛量最低。如同一枚尺寸在20cm左右的大鏡，其冬夏之間的鉛含量能差出6～7個百分點。如果鑄鏡時只按照一個固定的百分比值來配制合金，定會產(chǎn)生大量廢品。在出土的銅鏡里，很少見到廢品，說明古代的先民們早已撐握了按照氣候調(diào)節(jié)合金的技能。

綜上所述，不難理解，錫在銅鏡里的作用是使合金降低熔點，便于熔煉及澆注，使合金顏色變白及提高合金的硬度，從而提高了鏡面的光線反射率；而鉛在合金里，起到了調(diào)節(jié)氣候?qū)﹁T鏡質(zhì)量的影響的作用。因此，可以認(rèn)為，從古銅鏡的鉛含量，可以判斷出古鏡的鑄造月份，致少可以推斷出其鑄造的季節(jié)。