文/朱關(guān)東 董亞巍

從鉛含量看古銅鏡的鑄造時(shí)間

文/朱關(guān)東 董亞巍

中國(guó)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(duì)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(guó)初期至唐代晚期之間的銅鏡里，在同一個(gè)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(guó)古代銅鏡的合金，自戰(zhàn)國(guó)初至唐代末，一直采用高錫青銅。據(jù)國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者對(duì)這一歷史時(shí)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(guò)近20年的范鑄法鑄鏡實(shí)踐得知，如果我們?cè)谕惶鞂?duì)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(huì)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(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)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(huì)對(duì)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(lái)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(diǎn)為1084.5℃，是三元合金里熔點(diǎn)最高者，占總量的70%左右。如果全部用純銅鑄鏡，因其熔點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)和提高銅液流動(dòng)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(shí)，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(lái)鄂州市博物館文物復(fù)制所進(jìn)行實(shí)際考察。筆者就此問(wèn)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(shí)驗(yàn)。因沒(méi)有齊家文化鏡模，澆鑄時(shí)用的鏡范為西漢時(shí)期7.4cm的日光鏡范，采用冷范澆注，時(shí)因天雨，氣溫15℃，因此，范溫也是15℃。澆鑄過(guò)程順利，并沒(méi)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(guò)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(diǎn)是因含錫量少，鏡面易發(fā)黃甚至發(fā)紅，須堅(jiān)持每天擦拭，才能保證常白。從這一點(diǎn)我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這對(duì)于中國(guó)新石器時(shí)代的先民們來(lái)說(shuō)，可算是一個(gè)劃時(shí)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(guó)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(guò)程。技術(shù)進(jìn)步緩慢的原因，是受到戰(zhàn)國(guó)以前無(wú)機(jī)械加工工具的條件限制。如果含錫量超過(guò)10%以上，其機(jī)械加工性能就會(huì)越來(lái)越差。至今，錫青銅的最高國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也只是10%的含錫量。

古代銅鏡因?yàn)橛辛俗銐虻腻a，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(wú)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(diǎn)、澆注溫度，以及提高鏡面的映像效果。合金熔點(diǎn)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(diǎn)為1100℃，如果澆鑄時(shí)銅液溫度在這個(gè)數(shù)值上，在被軟化的環(huán)境中，范面的泥料就會(huì)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(gè)溫度與范面的軟化點(diǎn)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(shí)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(shí)會(huì)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(diǎn)了澆注溫度，解決了澆注時(shí)銅液燒結(jié)范面的問(wèn)題，使得鑄后的鑄件毛坯與陶范之間較容易脫離開(kāi)來(lái)。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(shí)，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(shí)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(guò)高，一是因合金脆度大不易加工，二是因錫價(jià)遠(yuǎn)大于銅，超過(guò)24%以上純屬浪費(fèi)。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(guò)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(wèn)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(wèn)題。從這個(gè)意義而言，銅鏡合金里無(wú)鉛時(shí)，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(shuō)明古人在合金里加鉛的原因，是在長(zhǎng)期的鑄鏡實(shí)踐中為了解決其它鑄造缺陷問(wèn)題摸索出來(lái)的一個(gè)解決鑄造缺陷的方法，并非是為了提高合金的流動(dòng)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(guò)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(shí)的收縮量，則由鏡體徑間的中心部位尚沒(méi)有凝固的銅液來(lái)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(huì)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(huì)在5分鐘之內(nèi)凝固。

當(dāng)范腔之中澆滿銅液以后，銅液開(kāi)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(shí)留下的痕跡，因澆注時(shí)銅液屬膨脹了體積的金屬，鏡體在結(jié)晶、凝固過(guò)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(gè)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(shí)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(diǎn)為327℃，比錫的熔點(diǎn)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?yàn)殂U與錫生成了低熔點(diǎn)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(shí)，會(huì)很快沿范壁形成一個(gè)凝固了的金屬殼，由于銅有良好的導(dǎo)熱性能，會(huì)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?yàn)殂U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(shí)間，客觀上延長(zhǎng)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(bào)告中，可以看到一些規(guī)律：如從戰(zhàn)國(guó)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(guó)鏡的鉛含量在1.5%左右，超過(guò)2%的較少；西漢鏡開(kāi)始加大鉛含量，至三國(guó)六朝為最?？偟膩?lái)看，凡高鉛鏡 (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(wú)浮雕無(wú)緣的鏡種。其中尤以大鈕鏡為最，如畫像鏡。這說(shuō)明，古人鑄鏡是在長(zhǎng)期實(shí)踐中，找到了三元合金比值的配制規(guī)律，這個(gè)規(guī)律就是根據(jù)鏡體的剖面幾何形狀，來(lái)增減鉛的加入量。如戰(zhàn)國(guó)鏡普遍為體積十分小的三弦鈕，又都沒(méi)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(kāi)始在合金里增加鉛含量來(lái)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(kāi)始出現(xiàn)了各種神獸鏡、畫像鏡及四葉八鳳鏡，這3個(gè)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(gè)鏡種中，含鉛低的在6%左右，高的在10%以上。其合金在熔煉過(guò)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(dòng)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(gè)靜態(tài)的環(huán)境里，如果不能很快凝固的話，這時(shí)合金里的鉛就會(huì)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(lái)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(shí)氣溫稍不合適，輕者造成鑄件縮松現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鑄件出現(xiàn)縮孔。在合金里增加鉛含量，對(duì)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(shí)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(shí)候，也就是銅鏡含鉛量最少的時(shí)候。夏季過(guò)后，隨著氣溫的下降，合金里的鉛含量須逐漸增加，不然，會(huì)在鏡面產(chǎn)生縮松現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(lái)，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(wú)法保證，稍大一些的銅鏡如直徑在12cm以上的銅鏡，一直沒(méi)有好的產(chǎn)品能夠鑄制出來(lái)。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(shí)間長(zhǎng)，氣溫高時(shí)已超過(guò)了40℃，如果按照常規(guī)范鑄技術(shù)鑄鏡，將會(huì)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(shí)以上，取出澆鑄時(shí)范溫處于零下10℃，采用這種冷凍澆鑄法，使得過(guò)去在夏天無(wú)法鑄制的銅鏡可以較順利地鑄制出來(lái)，其工藝的成活率達(dá)到了80%左右。通過(guò)長(zhǎng)期鑄鏡實(shí)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(diǎn)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(huì)產(chǎn)生鑄造缺陷。筆者認(rèn)為，古代每個(gè)鏡種的含鉛量，是古人經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)次的鑄造失敗后從教訓(xùn)中摸索出來(lái)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(huì)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(guò)來(lái)了，會(huì)在鏡面產(chǎn)生縮孔，而鏡背卻沒(méi)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(huì)開(kāi)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(huì)越來(lái)越大，如果這時(shí)還不增加合金里的鉛含量，就會(huì)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(zhǎng)期從事古銅鏡的青銅范鑄研究工作，經(jīng)手鑄過(guò)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(wàn)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(lái)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(lái)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(lái)判斷合金里應(yīng)該增減的鉛含量。對(duì)于漢代以后至唐代晚期的某一個(gè)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(gè)百分點(diǎn)。如果鑄鏡時(shí)只按照一個(gè)固定的百分比值來(lái)配制合金，定會(huì)產(chǎn)生大量廢品。在出土的銅鏡里，很少見(jiàn)到廢品，說(shuō)明古代的先民們?cè)缫褤挝樟税凑諝夂蛘{(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(diǎn)，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)。