青铜器制作技术.ppt

,第五章 中国古代青铜器 制作技术,纯铜（红铜、紫铜）的结构与性能,外观：新鲜表面是玫瑰红色，表面形成氧化亚铜Cu2O皮膜后呈紫色，故又称紫铜。密度：8.898.95 l03kg/m3（Fe：7.8；Al:2.7）晶体结构：面心立方晶体（fcc)熔点：1083 沸点：2593,化学性能：惰性金属，耐蚀性与周期表上同族金属金、银相似，在清洁的乾燥空气中不受腐蚀。空气中含有S02、H2S、CO2和Cl2时，则生成CuSO43Cu(OH)2、CuCO3Cu(OH)2、和CuC12 3Cu(OH)2等化合物，在Cu表面上形成一薄层青绿色铜锈（铜绿）。力学性能：,成分组织结构决定材料的性能,锡青铜的强化 固溶体固溶强化 相（Cu31Sn8）金属化合物相沉淀强化,合金的化学成分是决定合金性能的重要因素之一。,中国古代青铜器的成分,不同的青铜器器件对性能的要求不同，因此对合金组元的含量要求理应不同。我们的祖先是这样处理问题的吗？,吕氏春秋 别类编载有：“金柔锡柔，合两柔则刚”的记述。我们祖先早就认识到这一规律，即合金强化规律。,周礼考工记中指出：“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”。这六种不同成分青铜合金的配方，是世界上最早研究成分与性能、用途的关系的科学文献，它指出了青铜合金的性能随其配方比的不同而引起变化的规律。用以指导制造不同的器具。,“六齐”中的“金”，当指铜及铜合金而言，古人把金、银、铜分别称为黄金、白金、赤金，单个的“金”则指铜。所谓“金无足赤”，即“铜无纯铜”。,关于“六齐”的问题,周礼考工记作为“官书”，显然是士大夫调查整理之作。调查整理的局限性，可能导致“六齐”内容难以避免的理论缺陷，然其作为当时合金配制经验的总结，说明当时人们对于合金成分与性能的关系已经有了深刻认识，这是毫无疑义的。“六齐”作为中国乃至世界关于合金成分的最早记载，在科技史及冶金史的重要地位，应该是肯定的。,铸造的基本概念,将金属熔炼成符合要求的液体并浇进铸型，冷却凝固、得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。,青铜器的铸造，主要采用泥范铸造和失蜡铸造。中国的青铜器铸造以泥范为主，并在近代兴起砂型铸造之前的三千多年时间内，泥范分范合铸一直是最主要的铸造成形方法，春秋中期以前几乎是唯一的方法。这和美索不达米亚、埃及等地以失蜡铸造为主的情况截然不问，是中国独有的技术道路。,中国古代三大铸造技术,金属型铸造,金属型铸造是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次）。,制造金属型的材料，应满足下列要求：耐热性和导热性好，反复受热时不变形，不破坏；应具有一定的强度、韧性及耐磨性，机械加工性好。,铸铁是金属型最常用的材料。其加工性能好，价廉，耐热、耐磨，是一种较合适的金属型材料。,1959年河北兴隆出土。长28.3厘米、宽10.3厘米。中国历史博物馆藏。范由铸铁浇铸而成，能多次重复使用。发明于战国时期，用以生产统一规格的铁器。,铸铁范战国（公元前475-前221年）,锄铁范（河北兴隆古洞沟出土，战国）由双合范、内范三件组成。一扇为器范，一扇是平底，一为四角锥状銎口范。范身上小下大，边缘有四个子母口，上部有一长方形銎；背面有弓形把手。,最初的铸造技术是使用石范。由于石料不容易加工，又不耐高温，随着制陶业的发展，很块就改用泥范。在近代砂型铸造之前的三千多年时间里，泥范铸造一直是最主要的铸造方法之一。,泥范铸造,对中国古代青铜器范铸技术的研究根据的是古代铸铜遗址的遗物，如：,郑州商城铸铜遗址 安阳殷墟铸铜遗址（获得铸型19000余块）洛阳北窑西周铸铜遗址（获得铸型万余块）侯马东周铸铜遗址（出土的残破铸型不胜其数）,泥范铸造的基本流程,泥范铸造法的一般问题,1.铸型材料不同于制陶泥科，理论上需具备如下工艺性能：（1）一定的湿强度，保证在塑制或翻制泥模、从泥模翻制泥范的过程中，不改变其几何形状；（2）良好的可塑性，便于塑制形状复杂、纹饰细腻的泥模，并使得从泥模上翻印的范纹饰清晰；,一、泥料的选取与制备,（3）一定的干强度，使泥模、泥型在搬运、焙烧和浇注过程中能承受一定的外力而不损坏；（4）较高的耐火度，能承受高于1200的高温而不软化和馈散，使铜液浇注时铸型仍能保持预定形态；（5）良好的退让性，使得铸型在液态金属凝固和冷却过程中，能随着金属的收缩而相应收缩，不致使铸件产生裂纹；,（6）低的发气性，若铸型在浇注过程中发气，气体则进入金属液中使铸件生成气孔，影响铸件质量以至报废；（7）高的透气性，使铸型型腔中的气体在浇注过程中能够排出，不致在烧注时混入金属液中，使铸件产生气孔乃至报废。,2.泥料的选取与制备具体步骤：(1)泥料选取 研究表明，商周泥型的原料与中国早期陶器的泥料相类似，说明铸型泥料也是就地取材、略加选择的干净泥土。进一步表明制陶技术的发展奠定了青铜器制范技术的基础。(2)泥料加工 1)过筛与漂洗 目的是选择泥土的合适粒度、减少含泥量，以较好地满足铸型的综合性能要求。粒度太细：耐热性和热稳定性都会变差，强度也会变低；粒度太粗：“复印性”则会变差，难以刻塑和翻制细如纤毫的泥模并翻制出泥范。,2)羼（chn）和 该工艺直接承自制陶工艺。陶器中羼和料的比例高者达30左右，以砂粒为主。目的：减小烧制过程中发生变形和开裂的倾向；减少粘土粘性作用，便于起模；提高泥型的耐火度、高温强度和尺寸稳定性。例：侯马东周泥范可能就在过筛和淘洗后的原生土中羼入了一定量的100-260目的细砂。在侯马东周铸铜遗址中发现多处米黄色或白色细砂，当系羼和料及其加工场所。,3)练制与陈腐 所谓练制就是搓揉、摔打；所谓陈腐，是将泥料在某种特定环境陈放一定时间，目的在于使泥料组成更趋均匀、密度增大，从而提高其强度，使铸型不易变形、分层和开裂，更进一步提高物理性能。,二、铸型设计与制作,铸型设计与制作的目的：通过对青铜器铸件的分析，设计铸件的形态和功用，由此制作铸型，为浇注和最后获得青铜器件作准备。,（一）制模 制模是用泥土按照器物原型雕刻成泥模。模是器物的模样，是制作铸型的依据，是实现青铜器件铸造的首道工序。模的塑制过程就是青铜器的设计过程，也是铸型工艺的设计过程。对于形状简单的器物，可用这些器物直接作模。但形状较为复杂的器物，则以泥为模，这是殷墟和侯马铸铜遗址出土的实物所证实了的。,泥模的塑制与陶器的制作过程相类似，塑形与雕刻当是制模的两大步骤。泥模制成后，必须置入窑内焙烧成陶模才能用来翻范。,（二）翻制范和芯 用泥料敷在模型外面，脱出用来形成铸件外廓的铸型组成部分，在铸造工艺上称为外范，外范要分割成数块，以便从模上脱下；除了外范，还要用泥料制一个体积与容器内腔相当的范，通常称为芯，或者称为心型、内范；然后使内外范套合，中间的空隙叫做型腔，其间隔距离就是所铸器物的厚度。,范和芯构成了铸型的主体。范形成器物的外表，芯则形成器物的内腔、孔以及某些中空部分。一般来说，浇注后被金属包络的部分称之为芯，而金属外侧的则称之为范，范与范的结合面称为“分型面”。铸造复杂器物的铸型往往需要多个范和芯的组合。,1.制范和芯 步骤：在泥模上涂以分型剂以便脱模（例用油烟熏模即为处理法之一）；将练制好的泥料做成形状较为规则的泥块。用泥弓将泥剖成一定厚度的泥片，按在泥模的外面，用力拍压，使泥模上的纹饰反印在泥片上。外面再贴覆泥片以至预定厚度（14130mm）；修整分型面，做出与另一边范或芯装配的榫卯并撒上分型剂，即可印制下一块范。为了便于组装时辩识，往往在范背上刻划以符号；待全部泥范制就并略变干硬后，从最后制就的一片范开始倒序起模；,制芯 一种常用的方法是将原模刮削掉相当于铸件壁厚的尺寸而成芯。,原模,刮去虚线以外部分形成内范（芯）,外范,内范（芯）,浇口,2组合铸型 范与芯组合成铸型。这一工序要求范、芯定位准确，相对位置稳定。因之，在翻制泥范时就在分型面上作出了榫卯，以备组合。铸型组合后，外面通常要捆绑加固，有的还要再糊以泥层。,3干燥 泥范或泥芯往往采用阴干，再经焙烧才能组装。组装之后还要再次干燥（同时也是预热）方能浇注。侯马东周铸铜遗址中，翻制的泥范是放在地窖内阴干的。这样可以避免泥范干燥时开裂，并减少变形。通常阴干时的环境温度不宜过高，以控制水分蒸发速度，使之均匀脱水，特别在初始一段时间内更需如此。,三、铜的熔炼 考古表明，至迟在商代早期，已不延用早先那种矿石冶炼后直接铸造的一步法工艺，而将冶炼和铸造分开进行。这种进步的生产方式，免去矿石与燃料的辗转之累，而将矿山附近炼得的金属，直接运至重要都邑铸造成器。可能早在夏代已是如此运作。所谓“禹收九牧之金，铸鼎于荆山下。”当是这种两步法工艺的写照。,古人的炼铜方法及其进展1.偶然得铜 除了采石时偶然得到自然铜之外，古人从篝火的灰烬中，或者在冶玉和烧陶过程中，也可能得到炼铜的启示，偶然得到铜。有人认为，中国冶铜术的发生，有可能来自对含铜较高的矿物（如孔雀石、硅孔雀石或绿松石）的火试。古代鉴别玉质优劣的办法就是火试，“试玉要烧三日满”。孔雀石和硅孔雀石及绿松石，长时间在还原气氛中高温火试，就有可能还原出金属铜。,目前，在地壳中已发现铜矿物和含铜矿物约计250多种，主要是硫化物及其类似的化合物和铜的氧化物、自然铜以及铜的硫酸盐、碳酸盐、硅酸盐类等矿物。其中，能够适合选冶条件可作为工业矿物原料的有16种，分成如下四类。自然元素：自然铜（含铜近100%）；,铜 矿 石,铜的硫化物：黄铜矿（含铜34.6%）、斑铜矿（63.3%）、辉铜矿（79.9%）、铜蓝（66.5%）、方黄铜矿（23.4%）、黝铜矿（46.7%）、砷黝铜矿（52.7%）、硫砷铜矿（48.4%）；铜的氧化物：赤铜矿（88.8%）、黑铜矿（79.9%）；铜的硫酸盐、碳酸盐和硅酸盐矿物：孔雀石（57.5%）、蓝铜矿（55.3%）、硅孔雀石（36.2%）、水胆矾（56.2%）、氯铜矿（59.5%）。,2.堆烧法 在篝火上将矿石和木柴逐层堆放，在火堆边缘掘坑，炼得的铜液和炼渣流入坑内并分离。此法在原苏联米努辛斯克附近发现，我国大冶铜绿山的西周矿井井口，发现炊火遗迹中有孔雀石被木柴烧后还原而成的红铜珠，似乎也属堆烧法的痕迹。,3.坩埚炼铜 辽宁建平牛河梁出土的红山文化时期的黏土坩埚，内壁已玻璃化，并附有还原型铜渣，可见当时已采用内热式坩埚炼铜。,熔铜坩锅 商（公元前16-前11世纪）,1953年河南郑州二里岗出土。高32.7厘米、口径30.5厘米、底3.5厘米。中国历史博物馆藏。熔铜坩锅又称熔铜炉，是熔炼金属铜及其合金的工具。商代有多种规格的熔铜坩埚，本件是其中之一。多种规格能适应不同的烧铸需要。,将军盔应是浇包 早年，曾认为殷代用“将军盔”作为“炼锅”，在将军盔里配料，在炼炉中加热冶炼。这种方法与后来外加热式坩埚冶炼相同。事实上，殷墟出土的“将军盔”都是内部受热较外部为烈，不应是冶炼用的坩埚，而是盛放铜液用于浇注的浇包。,4.竖炉炼铜 中国何时由坩埚炼铜演化为竖炉炼铜，有待考证。但在龙山文化时期已有竖炉炼铜，则是考古发掘的事实。早期的炉子是破炉取铜，每座炉只能用一次，后来发展为完整的连续出铜的竖炉。瑞昌铜岭遗址是所知年代最早的采冶遗址，其中炼渣分布面积达数千平方米，炼渣多呈黑色薄片形，表面平滑，流动性能良好。经检验，炼渣含铜量仅0.33说明铜、渣分离较好当时炼铜水平已经较高。,古人利用熔炼过程中火焰状态及颜色来判断炉况，控制熔炼。考工记中总结为：“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”。,熔炼初期：炉气属于还原性气氛，其中含有氢、一氧化碳和碳氢化合物，燃烧时就会冒黑烟，故形成“黑浊”之气。此阶段按下列式子使金属氧化物（MeO）还原：MeO+CO Me+CO2MeO+H2 Me+H2O,熔炼中期：由于氧化物、硫化物的挥发而生成“黄白之气”。此阶段还原性气氛除可将氧化亚铜和氧化铜还原外，还有可能将锡、铅等氧化物还原。,熔炼末期：随着温度升高，蒸汽压升高，金属的蒸发加快，同时铜合金中的铁、硅、锑等杂质也会随着温度升高、蒸汽压增加而发生烧损，再加上此时燃料得到充分燃烧，故此阶段火焰呈微蓝色的“青白之气”。,浇注前：温度进一步升高，铜液中其他金属杂质烧损很大，在大量杂质烧损后，已完成了精炼任务，因而炉火达到了“纯青”，可以浇注了。,四、浇注 浇注是将熔融的铜合金注入铸型型腔的过程。先秦青铜器大多数形状较为复杂，纹饰繁缛，器壁多数较薄，要保证青铜熔液充满整个型腔确非易事。为此，古人往往采用如下措施：过热浇注预热铸型配制充型能力强的合金,1.过热绕注 铜的熔点为1083，与铅或锡形成比例不等的合金后，熔点相应有不同程度的降低。无论是纯铜还是铜合金，液态温度越高，流动性越好，充型能力越强，反之则相反。因此，浇注温度要高于熔点。现代铸造工艺将这个温度差称之为过热温度。另外，过热温度越高，铜合金的吸气能力越大，易使铸件生成气孔。因此，过热温度的掌握应恰到好处。,2预热铸型 预热铸型也是提高充型能力的措施之一。预热铸型使金属液与铸型的温度梯度降低，浇注过程中液态金属温度损失减少，易于保持良好的流动性，利于充型。,3配制充型能力强的合金（实践中摸索）这些成分的铜合金凝固时金属液的黏度低，流动性好。,将融化的青铜溶液沿浇注孔注入，等铜液冷却后，打碎外范，掏出内范，将所铸的铜器取出，经过打磨修整，一件精美的青铜器就制作完成了。,大型铜器的浇注 小型铜器当是用大口尊之类的浇包浇注的。至于大型铜器，诸如司母戊方鼎之类的重器，过去曾认为是用大约40个将军盔化铜，再行浇注的。事实上，这些方法在具体工艺实践中都是行不通的。据最新研究，这些重器的铸造，当是采用多个竖炉共同熔炼，经流槽注于铸型之中，如明宋应星天工开物中所载铸千钧钟的浇注方式。,古代常见的别类铸造方法,叠铸法 叠铸法亦称层叠式铸型铸造法，它是把许多相同的或成对的铸型重叠堆装，用一个共同浇道进行浇注，一次得到几十甚至上百个铸件的铸造方式。这对大量铸造形状相同的器物(标准件)很有用处。此法始于春秋晚期，战国时用于铸造货币，使叠铸工艺得到长足发展，汉代也用叠铸广泛生产钱币、车马器等。,东汉时期的叠铸工艺已有较高的技术水平，所用工艺参数与现存传统叠铸工艺相当接近。叠铸工艺在现代仍用于活塞环、缝纫机零件及齿轮等大批量生产的小型铸件。20世纪70年代，传统叠铸工艺仍在使用，负有盛名的广东佛山铸造业，使用这种技术已长达800多年。,汉代六角承叠铸复原图,铸接 古代分铸工艺，需要将一些分铸铸件连接起来，“铸接”是最早的连接方法。铸接就是将先铸的铸件与下一铸件的型腔连接，浇注后即将二者连在一起的方法。铸接和补铸有类似之处，铸型设计要考虑连接机构，如嵌铸式铸接，有时可用两种成分的金属铸造。（例：双色剑的铸造工艺）,古代青铜器的失蜡铸造,古代青铜器的失蜡铸造,云纹铜禁（浙川下寺出土）通高28.8厘米，器身长103厘米，宽46厘米（河南博物院藏）,%,%,%,失蜡法（也称“熔模法”）是一种青铜等金属器物的精密铸造方法。具体方法是：用蜂蜡做成铸件的模型，再用别的耐火材料填充泥芯和敷成外范。加热烘烤后，蜡模全部熔化流失，使整个铸件模型变成空壳。再往内浇灌溶液，便铸成器物。以失蜡法铸造的器物可以玲珑剔透，有镂空的效果。,失蜡法在我国有悠久的历史，可以追溯到春秋战国时期，即公元前五世纪。最早采用脱蜡法铸造的青铜器是楚共王熊审盂，此外，淅川下寺楚墓出土的春秋中期云纹铜禁和随州擂鼓墩出土的战国时期的曾侯乙墓青铜盘尊也是失蜡法制作的典型器物。,中国古代青铜器制作中运用的其他金属工艺,镶嵌与包贴工艺 镶嵌金属的工艺称为“错”，错金、错银等。商代青铜器有错红铜的，春秋中期以后，错金属工艺渐趋繁荣，战国中期达到鼎盛阶段。,错金银工艺的工序铸造器物，并在准备错金属的部位铸出凹槽；加工嵌槽，亦称镂金。将铸就的嵌槽加工錾凿，使凹槽的截面呈燕尾状；镶嵌。将金丝或银丝(片)适当加温，再用捶打或挤压的方式入槽，使其结合妥贴；磨光。先用错石错磨，使器表“严丝合错”，再用木炭加水打磨，使之光滑平整或更为光亮。,贴金、包金、贴银、包银装饰 工艺较为简单，将金银捶制成薄片，以粘合剂贴附于器表或直接包裹于器外，再压熨贴妥即可。古代粘合剂的种类尚待讨论，或用生漆、桐油，或用金胶油(用熬制的熟桐油加少量胡麻叶、颜料或调和漆制成)，古代包贴装饰常有脱落现象。,刻划等表面工艺,刻划 是在铜制品上刻划线条或下凹的点、面。这应该是在出现了坚硬的铜铁工具之后才能达到，故而春秋晚期出现，战国时盛行。早期刻划纹饰多为点组成，后期多由线、面组成。刻划工艺一开始就以写实手法描绘各种场面，摆脱了神秘、肃穆的早期风格。不少图形线条流畅，刻纹细如毫发，清晰优美。刻划技术也和镶嵌技术结合运用其代表作如成都出土的战国早期青铜器宴乐水陆攻战铜壶。,表面合金化技术 部分春秋战国的铜剑的剑从(剑身中脊的两侧部分)，铜矛矛身，饰有类似菱形的花纹或火焰纹等，肉眼明显可辨，却不是另一种合金的机械嵌错。如越王勾践剑的菱形花纹，就是由一种表面合金化技术制成的。,鎏金技术 鎏金，古代称为“金涂”、“镀金”、“涂金”、“流金”等，清朝晚期为了区别于电镀，始称“鎏金”。按其工艺特点，也叫火镀金法或汞镀金法。我国鎏金制品最早出现于春秋末期至战国初期，也是世界最早的鎏金艺术品，盛行于西汉，2000年来不断发展，至今沿用，如天安门上的金色国徽、人民英雄纪念碑上的题字、毛主席纪念堂的金色大字等。,鎏金工艺的大致步骤,第一步，制金汞齐（俗称杀金或制金泥）先将黄金锤打、剪裁成的小碎片，按黄金与水银1：68的配比，将黄金在坩埚中加热至600-800C，取出迅速投入水银，搅拌使黄金全部溶解，将溶液倒入沸腾清水中除去漂浮杂质并冷却，再移人另一盛有清水的容器中，其沉淀物呈泥状，即为“金汞齐”或“金泥”，封存备用。第二步，制金棍 先制备一根长15cm、直径12cm、一头扁平且翘起的铜棒，将铜棒扁平弯头部分蘸乌梅水(或50硝酸)，浸入水银，反复几次，使弯头涂上一层水银。,第三步，涂金汞齐（俗称抹金）先用乌梅水或李干水将铜器洗净，再用金棍扁平弯头部分蘸金汞齐和盐、矾的混合液(或用75硝酸)，均匀地涂抹在铜器表面。然后用头发制成的“发栓”蘸乌梅水或硝酸，将金泥推压均匀。最后用热水冲洗掉残留酸液。第四步，烘烤（亦称烤黄或开金）将涂好金汞齐的器物移入炭火炉中烘烤，或用铁丝网盛无烟木炭火靠近器物烘烤。待到有白烟冒起(水银蒸发引起)即停止，然后用硬棕刷拍击，并用棉花轻轻擦去水银珠，或用扇子扇，使水银尽快蒸发。这样反复几次，使加热温度升至400C左右，见表面颜色由白变为浅黄，再变成金黄，即可冷却。,第五步,刷洗和压光。用棕刷蘸乌梅水、皂角水或肥皂水轻轻刷洗鎏金表面，使其露出闪亮的金黄色泽。再用玛瑙工具(俗称压子)蘸肥皂水或皂角水，将镀面推压至平整光滑。一件器物的鎏金加工，往往需要重复涂抹几次金汞齐并烘烤、刷洗和压光，少则四五遍，多则十几遍，直至达到所需厚度和表面光洁度等要求，鎏金处理才算完成。*鎏银、鎏锡与鎏金类似。如果先制备银汞齐或锡汞齐(将银或锡溶解于水银中而形成的泥状物)，则可用上述办法在器物表面进行鎏银或鎏锡处理。,