铜镜铸造制作工艺
所谓铜镜铸造制作工艺,是指将纯红铜和锡,或铅或锌,通过严格配比,进行冶炼溶化,再灌入模范,冷却后取出毛坯,最后进行机械加工,表面涂锡汞,成为可照容的日用品的工艺过程。
生产铜镜要进行许多道程序,而每一道工序都有严格标准。如某一道工序发生缺陷,都会影响铜镜的质量,甚至出次品,带来损失。在铜镜产生的四千多年历史过程中,战国、两汉、隋唐铜镜制作最精美,是当时社会经济繁荣的产物,为收藏者孜孜追求。而宋以后精品少缺,其历史原因应与一些铸造制作的关键工艺的失传有关。虽然明人宋应星《天工开物》一书有介绍,但不详细,难于掌握,并且是宋以后之事了。近年来,随着收藏热的升温,对古铜镜研究的深入,逐步对古人铜镜铸造制作工艺有了全面科学分析与了解。作为一名收藏铜镜爱好者必须全面了解铜镜的铸造制作工艺,掌握铜镜生产全过程的知识,用理论指导实践。在恒心的支撑下,才能慢慢的进入收藏的佳境,从而实现对铜镜实物,无论是理论上与实践上,对鉴定、断代、修复、鉴别伪品,都能够有一个正确的判断。
(一)采矿和冶炼:
青铜是红铜和锡、铅等金属的合金。地面可采集的自然铜很少,铜镜大量的铸造必须依靠铜矿的大规模开采和冶炼。中国铜矿资源的开发是商周铸造业发展的物质基础。中国青铜器遗存数量很多,说明古代铜矿的开采和冶炼具有相当的规模。由于采矿遗迹深埋地下,不容易被发现,到目前为止,考古工作者发现大型的和比较大的矿冶遗址只有几处:如湖北省大冶铜绿山矿冶遗址；辽宁省林西县大井古铜矿遗址；湖北省麻阳古矿井遗址；安徽铜陵铜矿井遗址等。
(二)各个时期的铜镜合金成分:
《考工记》是先秦古籍中的重要科学技术著作,它是春秋末齐国人记录手工业技术的官书。是我国,也是全世界关于铜镜及其他器物合金配比的最早记载。青铜是金属中最早的合金。人类由石器时代进入青铜时代,距今约5000年左右。先民们已开始掌握了制造合金的技术方法。采用两种或两种以上的金属,经过高温使它熔合在一起,制造成为另一种金属,从而具备了新的物理和化学性能,这就是合金。合金在铸造方面是属于金属再创造,青铜是合金的首创。
青铜作为一种合金,与纯铜相比,它的优点是硬度高、光泽好、能发出青光,可照容,以及抗腐蚀性能好。中国古代的锡青铜中常含有少量的铅,使得铜液在灌铸时流畅性能好,不易阻塞,但铅分子唯溶解于铜内,只能在铜液中均匀地分布作滴状浮悬。红铜的溶点是1084.5℃,若加上15%的铅,熔点降到960℃,若加上25%的锡,熔点则为810℃。然而,加铅或加锡,其意义不仅在于降低熔点,更重要的是使合金的物化性能得到极大的改善。在距今3000年的西周时代,我国先民已熟练地掌握了复杂的合金制造技术,并创造出令现代人叹为观止的、精美绝伦的青铜艺术品。如雄浑重器铜方鼎、玲珑剔透的云纹镜、锋利无比的吴王夫差矛等。
对此,成书于春秋战国时期的《周礼·考工记》上有大量的记载。周朝设有冬官司空掌管百工事宜,负责“营城郭,建都邑,造车服器械”。具体就冶金铸造而言,百工中又产生了十分细密的产业分工,即“攻金之工,筑氏执下齐,冶氏执上齐,凫氏为声,
氏为量,段氏为镈器,桃氏为刃。”明确由专业匠人分别专造乐器、量器、农具和刀器。对此现象,汉代郑司农解释道:“其曰某氏者,官有世功,若族有世业,以氏名官者也。”由此可知,在周代,冶金铸造业已成为重要的社会经济产业,并历史性地形成了专造某一类器物的家族,并因世袭而成为官名,这是其一。
其二,由于实践经验的日积月累,先民们能从不同的矿石中分别提炼出金(即红铜)、铅、锡、锌等金属,通晓不同的金属各自的理化性能,并在此基础上,按照自己的意愿,根据不同器物的特殊用途要求,创造出分门别类的合金。“六齐之论”即是合金制造的理论总结。《周礼·考工记》记载:“金有齐: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。”这清楚地告诉我们,当时的工匠不仅清楚青铜中含锡量越高,质地越硬的原理,还把握住了硬度和韧度、光亮度在工具不同部位各自的特殊要求,按需制作。如采用复合技术制造剑时,用含锡较低的青铜做剑脊,用含锡高的青铜做剑刃,如此造出的剑,剑锋锐利,剑身坚韧,杀伤力大且经久耐用。具体就铜镜而言,光亮度是其重要特征,铜锡各半,能使光洁度恰到好处。故先贤总结“金锡半”为制造鉴燧最合适的配比剂量。但各个时代铸造的铜镜,因各种因素的影响,它的金属配比有所不同,加工方式亦不同,所以铜镜断代,主要应借助于先进的现代化科学仪器进行测试。对于无法确切断代的铜镜,如果我们掌握各时期金属配比的知识,再结合铜镜其它方面的特点,也是可以做出准确的判断的。
齐家文化铜镜的铜锡比例是1:0.096。商周镜含锡量稍高,但质地远不如同时期的青铜礼器,对镜面缺乏必要的防锈处理。战国铜镜中铜、锡、铅的比例已较稳定,铜大多在68%上下浮动,多的达74.8%,少的也在56.6%以上,但锡的比例一般在20%左右。另外,铅的比例在0.45%—3%。战国镜中有一种表面黑里透亮似涂有一层厚厚的黑漆,被称之为“黑漆古”的,这类镜保存完好,尤其是它的防锈技术令现代人叹为观止,这与当时制镜的金属配比是直接相关的。
汉镜的合金配比较为稳定,铜占60—70%左右,锡占20—24%,铅占4—6%左右的配比最为普遍。汉镜保存稍好的镜面仍可反光,有的精品还能反射出青褐色的光。魏晋南北朝铜镜的合金配比不稳定,较易锈蚀,色以黑褐居多。
唐镜,尤其是盛唐时期的镜子,呈银白色,其金属成分中,大体铜平均69%,锡25%,铅5%,配比较为稳定。在唐代,已采用了向镜中加入微量或一定量的银的新工艺,使得典型的盛唐时期铜镜泛银白色光,很少有铜绿锈色,似乎不是青铜铸成,给人以厚重、富态之感,加之纹饰绚丽多彩、内容丰富,实为难得之艺术珍品。明《天工开物》记述:“唐开元宫中镜尽以白银与铜等分铸成,每口值银数两者以此故。朱砂斑点乃金银精华发现……,唐镜、宣炉皆朝廷盛世物云。”唐镜珍贵,因银而贵。
宋、西夏、辽、金、元铜镜,合金成分发生了变化,含锡量仅有10%左右,含铅量却增至8%以上,最多达23.7%,大大高于汉唐镜平均5%的数量,锌含量也增多,最高达8%,所以,这时期的铜镜呈黄铜色,一般都布满铜锈。虽形制较薄,但因含铅多,反比汉镜为重。
明代是我国古代铜业比较发展的一个阶段,采铜业兴盛,当时冶铜及其合金技术的主要成就有三:一是火法炼铜技术有了进一步提高；二是直接使用金属锌配制了黄铜；三是制造了宣德炉,它在合金配制方面达到了一个新的高度。铜锌合金一般都是黄色的,故名黄铜。铜锌合金颜色与含锌量关系是:含锌10%左右时赤带黄,15%左右时黄带赤,25%左右呈黄色,30%左右为深黄色。明、清铜镜大多呈黄色,其合金配比是铜70—75%,锌25—30%。因黄铜流动性较好,有利于改善合金的铸造性能。(三)造型陶范、石范和泥范的制作:
学术界已知有镜范出土,大约是清末以后的事,从报道和著录情况看,这些镜范始见于春秋晚期,多属战国至西汉时期,计约30多片。
1、镜范的制作:制作陶范的基本成分是粘土和细砂。但陶模和陶范在铸造青铜镜时所起的作用是不相同的,前者决定器物的造型,而后者却需要承受上千度高温的铜液的冲击,并在其中冷却。因此陶范除了耐高温以外,还要有良好的机械强度,经得起液灌浇冲刷而不致损坏,同时还要有一定的透气性。因为铜液灌入后,会在范中产生程度不同的气体,这些气体大部分通过浇口和冒气口排出范体外,少量的需要通过范的毛细孔渗透出去,以保证所铸器物在外观上看不出气孔之类的铸造缺陷。因此制作陶范的泥土必须是很细腻的,在既能够清晰反映出铜镜上的铭文和花纹的同时,又要有很好的吸收性。
陶范要达到耐热性能优良,机械强度也相当好,用来制范的泥土必须精心淘洗。淘洗的目的一方面是把泥料按粒度分级,另一方面将泥料中所含碳酸钙、硫酸盐等有机物溶于水中,以减少这种盐类的危害,否则会造成降低耐火度、烧结温度和增加发气性。
制范时先用粗“真土”制成范的雏形,然后再依次加上较细的“中真土”、“造型真土”,及至到了范面,再加上极细的“肌真土”。制作一枚直径约25厘米的镜子,范厚约需12厘米,其中“粗真土”层厚约8厘米,“肌真土”是最薄的,大约只有0.1厘米。这种分层用料法的优点是既可保证生产对铸型的各项性能要求,亦可节省较细的优质“真土”。《天工开物》指出:“凡铸镜,模用灰沙,铜用锡和,不用倭铅。”倭铅,即锌,对铜镜质量有影响,故不能用。灰沙是用稻谷壳灰之类透气性和保温性较好的材料,和颗粒很细的细砂伴和而成。这样的材料才适合做镜模。
石范今见于著录和报道的有通化汉代博局四神石质镜范。范体呈瓢形,范径
约20.5厘米,有浇口一个,下宽5.3厘
米,范面图纹清晰。另一片镜径约17厘
米,范面内容为柿蒂座。座外方格内有
十二地支铭,主题纹饰为四神及规矩符
号。主纹区外有一周铭带:“尚方作镜 (见图1—18)
真大好,上有仙人不知老,渴饮玉泉饥
食枣,浮游天下敖四海,寿如金石为国保。”计35字。上海市博物馆还藏滑石质“镜范”1片(见图1—18)。在石范中,有的大约是可以用来浇铸的,如“通化石范”等。有的则可能是用来制范的阴模,如“上海石范”,它的优点是能耐高温及能多次反复使用,线条式纹饰尤其特出,尽显风采,但出土实物少,需要深入研究。
石范铸镜工艺当与泥范有些相似,但有一些区别,主要差别是其范为石料直接雕成,属半永久型。
泥范铸镜的优点是:造型较易,并可制作出许多细如发丝、纤毫无失、形态各异的镜背图纹来,特别是制作大镜、定做器尤为方便,缺点是通常一范只能用一次,不能批量生产。
以上是镜范出土和著录的大概情况,有重大价值的陶范和石范,多属战国至西汉时期,主要出于今河北、山东、山西、陕西、吉林等北方省区,南方迄今未见,大约与其地潮湿,陶范又是易碎之物有关。
(四)陶范的翻制:
大凡一般青铜器造型,皆须先制模,后制范。此“模”可用木块、陶泥雕成,也可用范土制成。若器物形制较为简单,所需产品较少,此“模”便可直接用来制范,若器物形制较为复杂,花纹较为繁缛,需对其多次修整；或产品需要量较大,祖模需长期保存备用,则须由“祖模”(一次阳模)制出“一次阴模”,再用“一次阴模” 制出“二次阴模”,再用“二次阴模”来制范。对花纹图案的修整,通常宜在阳模上进行,对于高浮雕花纹,则可通过堆砌、按压、雕刻等方式,在泥质阳模上制出。官方作坊所铸之镜,都是依朝廷提供的某种标准镜模来制作的。铜镜的成熟技术在我国沿用了二千余年,历代铜镜的花纹、形制不同,对产品的需要量亦不一样,故其对陶范的翻制也就千差万别。有关研究认为,我国古代铜镜陶范的翻制常用的是整范整模复制,这应是我国古代镜范制作使用最普遍的传统方法。
镜背范的制作:做法是先用木料、陶片或金属等制成了整个镜背图纹的模子,后再在一个造型框内用夯填法复制,只需一次操作便可得到一块完整的镜背范。这实际上就是一种整范整模复制。“夯填法”在古代金属铸造型过程中,具有十分重要的意义,许多铜铁铸范都是使用此法制成的,否则,便很难获得清晰的棱角和花纹,就是现代,某些场所还在应用。另外,还有整范分模复制,分范分模复制等方法。
面范的制作:制作面范与背范的造型材料应大体一致,造型方法大同小异。但面范有它的要求,即铜液接触的表层和支撑表层的厚厚的基体层的要求不同。表层的陶土致密,渗有匀净的细砂,有的厚度约在0.5厘米左右。基体层除了同样掺和细砂以外,还包含有丰富的孔洞,主要是在土中拌和切碎的植物茎叶和麦秸等草料,使阴干时不致开裂变形,浇铸时易出气体。
(五)铜镜浇铸的基本(工艺)操作:
1、顶式浇铸法:
我国古代金属铸造的传统工艺一般主要是泥型,石型也占有一定的比例。范片经焙烧,凉透后,便可合范浇铸。浇铸前,铸范需要预热,以防止产生废品。浇铸温度不宜过高,这不但可减少金属吸气等弊端,而且可避免范面烧结,保证顺利脱范和镜面质量。一般而言,内浇口是设计好的,是不会浇不到的。在此有几点值得注意的是:
(1)因锡青铜的树枝状晶甚为发达,此枝晶间的小液池最后冷凝时并无金属液填补,铸件在固态收缩时常被拉裂,故浇铸过程中要切忌金属内部再产生自张力,否则容易炸裂。
(2)因锡青铜的冷凝收缩主要表现为分散性收缩,疏松倾向很大,故铜镜设计时,应尽量考虑这一因素,避免疏松大量出现于镜面。
(3)范和芯皆应烧透,避免重新吸气,尤其是钮芯,否则会极大地影响背纹的清晰度。组织疏松和芯子发气在古铜镜实物收藏中,常可看到。
从现有镜范的外形看,我国古铜镜浇铸主要是采用顶式浇铸法的(图1—19)。一套范(即一片面范,一片背范)组成一个浇铸系统,每套范可单独浇铸,也可叠在一起。顶式浇铸的优点是:浇铸过程较为简单,从而减少了制作工作量和金属损失,缺点是易引起金属飞溅。
2、透雕镜特殊浇铸法:
特殊浇铸法主要用于铸造双层透雕镜。其镜面和镜背系由两种成份不同的合金复合嵌铸而成,通常是镜背部分嵌到了镜面部分中,即“镜面”包“镜背”。双层透雕镜始见于春秋晚期、战国中后期和西汉初期仍有使用,直至到唐、宋、元代。其正背两部分金属一般嵌合较好,很少看到分离开了的,一般说来,这类镜子应当是先浇镜背,之后才浇镜面,金属冷凝后,与镜面部分连在一起的镜缘同样会产生一个紧箍力,从而加强了两部分金属嵌合。
3、夹镜特殊浇铸法:
我国古代文献中,关于夹镜有详尽的记载。夹镜具有如下几个特点:1、镜面与镜背分为两层,而且中空。2、“正面部分”较薄,与普通镜子同样,“背面”亦可有图纹凸起。3、没有焊迹。4、其声冷然纤远。关于夹镜的材料,同样是高锡青铜,因为只有清晰高锡青铜花纹,才能达到此种效果。夹镜成型工艺比较复杂,不是铸的,也不是焊的,是使用一种与前述双层透雕纹镜相近,而又不完全相同的特殊方法加工而成的。其工艺要点是:1、先分别铸成了“镜面部分”和“镜背部分”,并且“镜面部分”要向后凸出一个圆环状的背缘来,使之最后能够夹住“镜背”；2、将铸好的“镜背”、“镜面”两部分金属分别进行一次淬火处理；3、把“镜面部分”加热到β相区,即稍高于586℃的范围,保温后趁热以强力使之与“镜背部分”套合、候冷,两部分金属便紧密粘合在一起了；4、用锡汞齐把接合部位抹平并打光,把接缝遮盖住。“镜面”与“镜背”两部分的尺寸必须十分准确,不能失之纤毫,接合面须光洁干净,不得殊留任何氧化物、易挥发物。“夹层空腔”的大小要选择得当,套合火候要适宜,否则便难以达到长久不分离的效果。夹镜难得,看来主要是难制之故。
4、铜镜热处理技术:
高锡青铜是既硬且脆的,为改善铜镜的加工和使用性能,战国、汉唐时人们经常对它进行一些淬火和回火处理,这操作大约是铸造成形后,并稍经简单清理后,始才着手进行。从现代技术原理上看,铸态高锡青铜淬火前,其性硬且脆。淬火后其塑性好,使材料强度、塑性都有了明显提高,硬度却下降了,回火温较低时,硬度又复回升,回火温度提高后,硬度又复下降。这主要是指强度而言的。我国古代铜镜淬火术,约发明于春秋战国时期,从战国到汉唐间使用得较普遍。从文献记载和现代技术原理看,古镜淬火、回火的技术效果大约有3个方面:1、强度和塑性提高了,从而改善了它的切削加工性能,回火温度稍高时亦同此理；2、因强度、塑性的提高,便减少了铜镜损坏的机会,延长了使用年限；3、回火后,颜色皆近于青灰,而“青近白”故宜于镜。今见一般战国、汉唐镜断口皆洁白如银,当与此有关。可见铜镜淬火后既保存了锡态,锡青铜原有的一些优点,又改善了加工性能,延长了使用年限,是一项相当合理、科学的工艺。
青铜淬火是我国古代金属技术的一项杰出成就,它使用得如此之早,如此之广,在古代世界其它地方是很少看到的。