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著名的铜绿山古矿冶遗址位于湖北大冶矿区,面积约1平方公里,已发掘采区7处,井巷500余条,出土大量采矿工具、井巷支护构件、炼炉、铜锭等遗物。遗存可分前后两期,前期属西周晚期至春秋时期,后期属战国至汉代。古代工匠为掘取铜矿石,开凿竖井、平巷与盲井等,并用木质框架支护,采用了提升、通风、排水等技术。经清理的春秋时期冶铜炉,由炉基、炉缸、炉身三个部分组成。炉基下有风沟,冶炼时可确保炉缸的温度。炉缸设有放铜、排渣的金门,炉身有鼓风口。古炉渣总量超过40万吨。经化验,炉渣的酸度适宜,含铜量仅0.7%,说明东周时期的冶铜技术已达到相当高的水平。(21)
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与大冶接壤的湖北阳新港下古矿井遗址包含有三处矿床,其开采时间为春秋战国时期。已发掘古采区两处,发现竖井、平巷、铜与木工具、水槽等遗存。(22)
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麻阳九曲湾遗址位于湘西沅麻盆地的丘陵带,南依沅水支流辰水,已发现古采区14处,斜巷长400米,距地表深80多米。有大量炼渣堆积。出土铁、木工具和陶器等,开采年代为战国时期。(23)
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大井遗址位于内蒙林西县境。古矿区面积达2.5平方公里,露天采矿槽遗址47条,开采长度累积达1570米,最大开采深度约20米,最大开采宽度25米左右,足见开采规模之宏大。该遗址早自西周时期已被开拓,伴出有选矿石质工具约1500件,还发现了12座炼炉遗迹。(24)
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皖南古矿冶遗址规模宏大,在已知60余处矿点中,属于先秦时期的约20处,分布于安徽境内长江南岸的贵池、青阳、铜陵、南陵、繁昌、泾县和宣城这7个县、市,以及长江北岸的枞阳。炼渣堆积量达百万吨以上。有的村庄即建在渣堆之上,村民以渣块堆砌屋基、围篱,蔚为奇观。至迟从西周前期已被开采,有的遗址有可能早到商代晚期。(25)
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以上铜绿山、港下、铜岭三处遗址均位于长江中游,属古荆州地区,从实地考察可知,从湖北鄂州南部至大冶全境,连接阳新北南纵轴,再到江西瑞昌县境,与得天独厚的铜矿成矿带相应,先秦采铜冶铜遗址密集。其中,铜岭遗址距港下的直线距离不足16公里,实际上是连成一片,成为商周时期一处巨大的铜采冶基地。皖南古矿冶遗址位于长江下游,属古扬州地区。其中,尤以地处南陵、铜陵交会地带的大工山、凤凰山、铜官山等处为最集中和重要,从而形成另一处巨大的铜采冶基地。所以说,长江中、下游地区是商周时期最重要的铜矿开采基地。
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2.冶炼
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纯铜因颜色呈红色,故名红铜。红铜的优点是延伸性好,可锻能熔,但质地软,不如石器坚硬,做成的工具刃口容易钝,较之石器显现不出多少优异性能。同时,由于红铜溶液黏稠,流动性能较差,因而难以浇铸出造型复杂的大件容器,只能铸一些小件工具和装饰物。因此它不能在较广泛的范围内代替石器或陶器。后来人们在提炼及使用红铜器具的过程中,发现只有将红铜与锡熔融在一起,才能克服以上这些弱点。于是开始在红铜中掺进一定量的锡,这就是青铜。由于掺加了锡,称为锡青铜。也有一些掺加了铅,或同时加锡、铅,称之为铅青铜或锡铅青铜。
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冶炼青铜的方法,开始时是用铜矿石加锡矿石或铅矿石合炼,或者由含有多种元素的铜矿石冶炼出青铜的方法。随着技术的进步,逐渐发展为先炼出铜,然后再加锡矿石、铅矿石一起冶炼。最后发展到先分别炼成铜、锡、铅,或铅锡合金,然后按比例混合一起熔炼。这样得到的青铜成分比较稳定,而且可按不同的器物的要求改变成分的配比,熔炼时也容易控制,青铜质量也大为提高。至此青铜冶炼技术达到了成熟的阶段。
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人们在长期青铜冶铸过程中,特别是在商周时期大量冶铸实践基础上,逐渐认识了合金成分与性能、用途之间的关系,并开始人为地控制铜、锡或铅的配比。在此基础上,总结出适用于不同用途的合金的“六齐”规律:
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金有六齐。六分其金而锡居一,谓之钟鼎之齐;五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐;四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐;三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金而锡居二,谓之削杀矢之齐;金、锡半,谓之鉴燧之齐。
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《考工记》中的这一记载,大体反映了合金配比与器物性能要求之间的关系。这也是世界上最早的合金配比的经验性科学总结。
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对曾侯乙编钟进行的检测获知,钟体的合金成分中锡占12.5%~14.6%,铅一般为1%~3%。这个配比与《考工记》所载“钟鼎之齐”大体相近。实验表明,钟体含锡量低于13%时,发出的声音单调、尖锐;含锡量太高则钟体易碎。同时,适当的含铅量有利于钟音的衰减和音色的改变,含铅量过低则衰减缓慢,含铅过量则音色恶化。古代工匠在实践中摸索出配料的合理比例,并掌握了热处理等工艺来控制和改善钟的音响,铸造了这一套总音域达5个八度,能奏出完整的五声、六声或七声音阶的乐曲的编钟。
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对吴越青铜剑进行的研究发现,铸剑时在剑的不同部位使用了不同成分的铜合金。如中脊用低锡或含铅较多的合金,以提高其韧性;两锷则用含锡量19%左右的铜合金。使用不同成分铜合金的直接效果是既保证了两锷的锋利,又增强了格斗时剑体中脊的抗震性能,刚柔相济,不易折断。
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古人在冶铸青铜器的过程中是如何控制温度的呢?对此,《考工记》中有关观察冶铜时的火焰或气体以判断冶炼进程的记载:
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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。
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冶炼金属时加热后先呈暗红色,温度渐高,依次是呈橙色、黄色、白色、最后是青色。这是因为金属里含有碳、钠一类的杂质,不同物质有不同的汽化点,所以可以根据汽化物质的颜色作为判断火候或温度高低的标准,最后达到“炉火纯青”,就可以浇铸了。《考工记》的记述大体上符合实际的情况,传至今日,这一从实践中总结的经验知识在某些冶炼过程中仍有运用。
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3.铸造
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青铜器制造工艺中,铸造占着突出的地位。中国的青铜铸造工艺流程大致可分为:制模、塑出花纹图案→翻制泥范→刮制泥芯→范、芯自然干燥和高温焙烧及修整→范、芯组装和糊泥→浇注铜液→出范、芯,并作必要清理→打磨修整后得到成品,这样几个步骤。它开创了具有鲜明特色的泥(陶)质块范法铸造技术。
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制模:想做什么器物,首先要用泥土做一个实心模具。模子的外形与所要铸造的器物一样,称为泥模,也叫初胎。制模的原料可以选用陶土或木、竹、骨、石等各种质料,已铸好的青铜器也可以用作模型。形体厚重高大的青铜容器,多选用陶土做模。制造泥模的土都是经仔细选择过的洁净细匀的黏土,由于土坯不牢固,经高温后容易开裂,故在土坯中掺入颗粒很细的沙子,使之有较低的收缩率和适宜的透气性,以增加其承热性能和机械强度。由于泥模在干燥并经焙烤后,体积会收缩,所以在塑造时一定要比所需的尺寸略大些。
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塑出花纹图案:泥模在塑成后,应使它在半干的室温中逐渐干燥,纹饰要在其干成适当硬度时雕刻。花纹凹入的部分用刀雕刻出,凸起部分用泥琢好后再加贴上去,再在其上雕刻花纹。除了用泥制作全模外,还有利用器物的对称性,将其分成几等分,取其中一部分制成泥模,这叫做分模。分模重复使用,就可以代替全模。
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翻制泥范:将经过细筛不含任何杂质的泥土调和均匀,拍打成平片按贴在泥模外部,用力压紧,使泥模上的纹饰反印在泥片上。制范要选用和制备适当的泥料,特别是其制备必须经过晾晒、破碎、分筛和混匀,然后加入适当的水分,糅合成软硬适度的泥土,再经过反复摔打、揉搓,并经过较长时间的浸润,使之定型。拍在泥模上的泥片半干后,按照要铸造的器物特点,将其划成若干块。划下来的每一块泥片经过阴干或用微火烘干,修整剔补范内面的花纹,再合成一个外腔,这就是外范,又称铸型。
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刮制泥芯:将翻外范用过的泥模趁湿刮去一层,剩下的就是内范。合范后内外范之间有一层空隙,就是刮去的外层的厚度,也就是所铸铜器的厚度。
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范、芯自然干燥和高温焙烧及修整:泥范制成后,经过适当的修整,刷上涂料,即可阴干。内外范都要阴干,使范料逐渐收缩,并排除水分。待范完全干燥后就放在炉中焙烤,排除残余水分,这样泥范就成了陶范,提高了范的机械强度,使之不再变形。
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范、芯组装和糊泥:将内范倒置于范底座上,再将外范块置于内范周围,合拢起来成为器物的外腔,即合范。为使器壁厚薄均匀,常在内外范之间的垫上预先准备好的铜质垫片,垫片的多少和分布排列形状视所铸器物的形制而不同,但要避开花纹和铭文部位,一般位于器物的底部或下腹部。外范上要留有浇口和排气孔,以备浇注铜液、排出空气。浇口一般不止一个,这样浇注的时候可以几个孔同时浇灌铜液,以防止铜液出现冷隔现象。
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