摘要：本研究對山西博物院館藏的明清火器（包括火炮和火銃）使用金相顯微鏡、超景深顯微鏡、掃描電子顯微鏡與能譜等設備進行了表面剝落銹層的科技檢測分析。結合銘文與形制研究，初步發(fā)現(xiàn)這批火炮生產(chǎn)年代包括明代初期、明代中晚期、明代晚期和清代的數(shù)百年時間；所涉及制造工藝包括鑄造、鍛造和復合制造，基本涵蓋了明清時期常見的火炮制造技法。這批遺物通過微損取樣，較為完整地揭示了山西地區(qū)明清時期火器形制和工藝的基本面貌，為探討明代鍛造鐵炮工藝提供了一手資料和科學依據(jù)。初步探究銹蝕層取樣提供鐵質遺物的工藝信息的技術路線。

關鍵詞：明清火器" " 鍛造火炮" " 鑄造火炮" " 青銅火銃" " 金相分析

Abstract： This study conducted a technological examination and analysis of the surface corroded rust layers on Ming and Qing dynasty firearms， including cannons and blunderbuss， in the Shanxi Museum. Employing a suite of analytical instruments such as metallographic microscopes， super-depth microscopes， scanning electron microscopes， and energy spectrometers， the research meticulously scrutinized the material composition and microstructure of the artifacts. In conjunction with the study of inscriptions and morphological characteristics， preliminary findings suggest that the production era of this batch of artillery spans several hundred years， encompassing the early Ming， mid-to-late Ming， late Ming， and Qing dynasties. The manufacturing techniques involved include casting， forging， and composite manufacturing， which essentially cover the common fabrication methods of the Ming and Qing periods. Through minimally invasive sampling， these relics have provided a relatively comprehensive view of the morphology and craftsmanship of firearms in the Shanxi region during the Ming and Qing dynasties， offering primary data and scientific evidence for the exploration of forging techniques for iron cannons in the Ming dynasty. The study also preliminarily probes the technical route of extracting craft information from iron artifacts through rust layer sampling.

Keywords： Ming and Qing firearms" " Forged cannons" " Cast cannons" " Bronze blunderbuss" " Metallographic analysis

一、引" "言

近年來，我國明清時期火炮的研究成果豐碩，特別是對明清火炮的科技檢測分析，在傳統(tǒng)文獻研究的基礎上進一步拓寬了學界對明清火炮的認識。

劉鴻亮在調(diào)查了數(shù)百門鴉片戰(zhàn)爭前后的中英火炮的基礎上，對中國多處現(xiàn)存中英火炮的材質進行了金相實驗研究[1]，對清代火炮的材質有了更深入的認識。如清代火炮材質多為白口鑄鐵，而英軍火炮多為灰口鑄鐵，從材質上來說英軍火炮質量優(yōu)于清軍火炮。除此之外，劉鴻亮還對清代鐵炮傳統(tǒng)制作技術[2]、鐵模鑄炮技術[3]、雙層火炮[4]、復合火炮[5]等問題進行了深入研究。如鴉片戰(zhàn)爭時期的中英雙方的史料以及今人對清朝龔振麟鐵模鑄炮的制造技術評價甚高，但是通過分析現(xiàn)存鐵模鑄炮實物后，劉鴻亮發(fā)現(xiàn)：鐵模鑄造效率大為提高，但澆注后鑄件冷凝快，容易得到白口鐵，白口鐵的脆性反而使火炮性能下降[6]，得出了以往單純通過史料研究龔振麟鐵模鑄炮的不同認識。劉鴻亮對雙層火炮[7]、復合金屬炮[8]的研究證明了這類多層火炮具有優(yōu)異的性能，但是制造復雜、成本很高，在鴉片戰(zhàn)爭前后的國內(nèi)外戰(zhàn)爭中未得到普及。

鄭巍巍對山西藝術博物館館藏的明代鍛造大將軍炮進行了金相分析與化學成分分析[9]，評估了明代鍛造鐵炮的質量，并深入探討了明代鍛造鐵炮的工藝細節(jié)，通過實驗證據(jù)證明了明代精煉熟鐵的過程以及鍛接鐵炮時采用黃泥和草灰作為鍛接劑的合理性。

趙代盈對遼寧營口西炮臺遺址的晚清火炮進行了金相分析[10]，通過比較清軍火炮與進口洋炮的材質，得出洋炮材質整體上要優(yōu)于清軍火炮，為東北地區(qū)清代火炮研究提供了更多科學依據(jù)。

在探討中西方火炮制造技術的演進過程中，我們可以看到，西方的鑄造火炮生產(chǎn)技術是在中國生鐵鑄造技術的基礎上逐步發(fā)展起來的。據(jù)Hall的研究[11]，西方鑄造火器的早期發(fā)展似乎是基于青銅鑄造火器的技術。與此相對，中國的生鐵鑄造傳統(tǒng)則早在宋代（960-1126）就已經(jīng)開始大規(guī)模生產(chǎn)鐵和青銅火器，并在元代得到進一步的應用。在歐洲，火炮的制造工藝經(jīng)歷了從鍛鐵炮到青銅鑄造系統(tǒng)的轉變，這一過程受到了多中心化和歐洲內(nèi)部勢力變化的影響。Yang指出[12]，與宋元時期的中國相比，歐洲在統(tǒng)一規(guī)制和軍事化量產(chǎn)方面的發(fā)展晚了數(shù)百年。這一時期的歐洲火器工業(yè)在技術傳統(tǒng)上呈現(xiàn)出多樣性。

具體到鍛鐵炮的制作，Smith描述了一種典型的制造流程[13]：鐵匠首先制作一個與預期大炮長度相同的木制模型，作為鐵條塑形的核心。然后，圍繞木制模型固定縱向鐵條，這些鐵條通過簡單固定的方式組裝，而非焊接。隨后，鐵匠將熾熱的鐵箍以直角方向包裹在結構上，淬火時鐵箍的收縮力提供了必要的握持力，以承受火藥爆炸的壓力。隨著大炮尺寸的增加，鐵箍的數(shù)量也會相應增加，通常還會安裝吊環(huán)以便于搬運。在炮口端，最后一個箍圈（炮口箍圈）通常鍛造覆蓋加強鐵條。然而，這種方法在小型火炮中更為常見，因為這些結構難以承受強烈的火藥爆炸。

中國的鑄鐵技術最早被西方所知可能是在13世紀初，Cantimpré《自然事物的性質》（約1246年）中記載了相關的內(nèi)容[14]。直到15世紀，德國《火藥書》（Feuerwerkbuch）中雖然討論了鑄鐵，但明確的制造鑄鐵炮的記錄出現(xiàn)在15世紀下半葉的意大利[15]。西方鑄造鐵炮的過程包括制作模型、燒模、清理模具、修整內(nèi)部、對齊固定模具、安裝澆口和冒口、澆鑄、冷卻、檢查和后處理等步驟，Chase的研究詳細描述了這一過程[16]。高爐技術的發(fā)展使得鑄鐵成為比青銅更易獲取且成本更低的替代材料。鑄鐵的脫碳處理生產(chǎn)出更易鍛造的鍛鐵，進一步提高了鍛鐵炮的生產(chǎn)效率。到了16世紀和17世紀晚期，鑄鐵大炮在歐洲得到了廣泛應用，極大地促進了火炮的量產(chǎn)和制式火器通用性的生產(chǎn)。然而，由于早期火炮的稀缺和缺乏冶金研究，建立一個可靠的年代框架仍然具有挑戰(zhàn)性。

本文重點研究了山西博物院收藏的3件明代銅手銃、7門明清鐵炮和1門清代銅炮，旨在通過技術層面的檢測分析積累基礎材料，為進一步研究火器生產(chǎn)中材質和工藝的多種技術演化路線提供科技檢測數(shù)據(jù)上的支持。

二、檢測方法與結果

（一）檢測方法

本次實驗的無損測試主要應用于保存狀態(tài)良好的藏品。在此過程中，采用THERMO公司的便攜式NITON系列XRF檢測設備T2-500，對文物表面無腐蝕或輕微腐蝕區(qū)域進行快速檢測。根據(jù)文物的表面特征和保存狀況，每個樣品通常測試2至6個點，標準測試時間設定為30秒。對于信號較弱的樣品，測試時間延長至90秒。

金相觀察檢測在對文物外觀進行詳細觀察和記錄后，對火炮表面的銹蝕脫落部分進行采樣，選擇最接近基體的樣品，采用電動微型精鋼無齒鋸進行切割取樣，隨后使用ERGO公司的5400低粘度膠水進行加固；對于多孔連通質地的樣品，則采用真空鑲嵌技術，以保證結構穩(wěn)定并減少二次污染。隨后，根據(jù)樣品的質地，采用不同粗細的水砂紙進行打磨，并使用相應顆粒度的拋光液進行拋光。金相顯微鏡觀察使用萊卡（LEICA）公司的DM400M型顯微鏡，觀測前使用硝酸酒精侵蝕進行預處理。

在成分結構SEM-EDS檢測中，對金相樣品重新拋光，表面進行真空噴碳鍍膜。掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線光譜儀（EDS）的檢測工作在北京科技大學科技史與文化遺產(chǎn)研究院的TESCAN公司的VAGA3 XMU電鏡配合BRUKER XFlash Detector 610M能譜分析儀上完成。在SEM-EDS檢測中，工作電壓維持在15kV，束流強度根據(jù)實驗需求進行微調(diào)。半定量元素組分的采樣分析采用軟件的自動模式，所有測試數(shù)據(jù)的計數(shù)率通過軟件自動優(yōu)化模式進行調(diào)整，以確保采樣時間超過60秒，從而達到計量有效范圍。所得數(shù)據(jù)的測量誤差控制在最小范圍內(nèi)，以確保測試結果的準確性。

（二）檢測結果

對于青銅火器，因其保存狀況良好，同時基于保護文物的考慮，故只進行無損檢測。

清代銅炮（圖一，A）無損檢測位置為炮身第一道箍和左右炮耳，同時為了避免銅炮表面銹蝕的影響，檢測點選取銹蝕打磨后的位置。銅炮成分經(jīng)檢測為： Cu 70.1%～77.8%，Zn 11.6%～13.9%，Sn 2.5%～3.5%，Pb 4.1%～9.3%（表一）。

三件銅手銃（圖一，E）檢測位置則是在銃管、藥室、尾銎三個部分各選取二至三個點作為檢測點。S.3676號銅手銃成分經(jīng)檢測為： Cu 55.6%～77.6%，Sn 8.9%～13.5%，Pb 22.5%～26.0%（表一）。S.3651號銅手銃成分經(jīng)檢測為： Cu 57.1%～79.2%，Sn 10.4%～13.6%，Pb 8.0%～24.4%（表一）。S.3137號銅手銃成分經(jīng)檢測為： Cu 69.6%～73.6%，Sn 12.5%～14.6%，Pb 11.3%～13.8%（表一）。

對于鐵炮，基于保護文物的考慮，只對鐵炮銹蝕剝離部位進行取樣。取樣按照炮膛、炮口、炮身、火門、炮身斷面等處銹蝕層依次進行，對取樣后的樣品進行集中檢測，通過銹蝕物的檢測結果來反映各門鐵炮的工藝細節(jié)。檢測順序，則按照各門鐵炮的年代順序進行，以期能反映鐵炮在我國不同歷史時期的工藝發(fā)展。

館藏42號（圖二，A）、43號鐵炮形制相同，為明初將軍炮。首先對樣品用礦相顯微鏡觀察，結果顯示銹蝕層已經(jīng)礦化，外層多為赤鐵礦，內(nèi)層為磁鐵礦，同時還有部分金屬基體殘留（圖二，C）。對金屬基體進行金相觀察，結果顯示樣品有少量未腐蝕的滲碳體，殘相為片層狀珠光體和麻點狀珠光體，推測是亞共晶鑄鐵（圖二，D）。電鏡觀察顯示樣品大部銹蝕，可見珠光體和萊氏體（圖二，E、F）。據(jù)此可判斷樣品為生鐵，加工方式為鑄造。

館藏47號鐵炮（圖三，A），形制為明中晚期威遠炮。通過金相觀察，顯示樣品已經(jīng)完全銹蝕，但銹蝕產(chǎn)物呈層狀分布（圖三，B）。在電鏡下觀察到夾雜物（圖三，D、E、F），為浮氏體（表二）。浮氏體通常在炒鋼渣中出現(xiàn)，說明該火炮應為炒鋼法生產(chǎn)的熟鐵制成，工藝應為鍛造。

館藏38號（圖四，B）、39號（圖四，C）、40號（圖四，A）鐵炮，形制為明晚期從西方引進的紅夷炮。其中38號、40號炮身銘文明確為明崇禎年間制造，39號銘文不清，年代仍需進一步討論。40號鐵炮前部外殼已經(jīng)崩落，露出內(nèi)層約60厘米，為雙層鐵炮。對樣品進行電鏡觀察，結果顯示樣品有少量未腐蝕的滲碳體，殘相為片層狀珠光體和麻點狀珠光體，為亞共晶白口鑄鐵（圖四，D、E、F、G）。檢測結果顯示38號、39號鐵炮和40號鐵炮的外殼應該為生鐵鑄造。40號鐵炮暴露出的內(nèi)層表面與47號鐵炮表面一致，推測應該同為熟鐵鍛造而成。

館藏S.3825號（圖五，A）為清代鐵炮。金相觀察顯示樣品存在一小塊未腐蝕的區(qū)域，侵蝕后可見珠光體和略呈網(wǎng)狀的二次滲碳體（圖五，B）。通過電鏡觀察顯示樣品大部分已經(jīng)銹蝕，銹蝕區(qū)域呈現(xiàn)硫、錳元素的富集（表三），部分區(qū)域可見珠光體（圖五，D、E、F）。該門火炮應為生鐵鑄造而成。

三、討" "論

三件銅手銃（圖一，E），形制與河北發(fā)現(xiàn)的B型銅手銃[17]相仿，推測同為元末明初時期的火銃。此類銅手銃一般由銃管、藥室和尾銎三部分組成，銃管一般自尾至口微微收窄，鑄有一道或數(shù)道加強箍，藥室隆起呈橄欖型，以便更好地承受火藥爆炸時的壓力，尾銎則用以安裝手柄。三件銅手銃經(jīng)檢測為銅錫鉛三元合金，其含有1%左右的鋅應該是由鉛引入，而非有意添加。 S.3137號銅手銃各部分成分較其余兩件要更加均勻，其表面也更光滑，無明顯范縫，說明這件銅手銃比其他兩件制作更加精細。這三件銅手銃與另一件嘉靖“無敵手銃”（圖一，C、D）比較，嘉靖“無敵手銃”的銃管更長，帶有多道加強箍，火門處帶有火門蓋，有助于防風，說明此類銅手銃在嘉靖時期得到了進一步發(fā)展，比元末明初時性能得到了提高。

館藏42號、43號火炮形制相同。兩門火炮口徑約21厘米，通長約100厘米，重量約445千克。前膛直筒，鑄有兩對耳柄，尾部藥室膨大。銃身有明顯范縫。炮身鑄有銘文 “大明洪武十年丁巳歲□季月吉日平陽衛(wèi)造”[18]。館藏42號炮膛內(nèi)尚遺存有合口大石彈。該炮屬明初將軍炮。這種火炮的一般特征為：銅或生鐵鑄造之前裝滑膛炮，形制類似銅手銃的放大體。炮身由三部分組成：直身前膛、橢圓形藥室、平底尾銎。管壁較薄，銃身附有若干加強箍。無調(diào)整射角之銃耳，無照星照門[19]。館藏42、43號火炮是目前世界上最早的鑄造鐵炮。從范縫可以判斷出采用的鑄造方式是塊范鑄造法，兩門火炮的形狀相同，反映了當時火器生產(chǎn)對標準化的追求，代表了早期管形火器的最高水平。同時這兩門火炮也帶有早期火炮的普遍缺點：炮管厚度前后一致，不太符合火藥爆炸時的壓力分布，導致炮管前部厚度“過剩”，火炮比較沉重；火炮倍徑較小，導致火炮威力較?。粺o調(diào)整射角之銃耳，無照星照門，使得火炮難以靈活調(diào)整射擊方向。

銅手銃和洪武鐵炮作為典型的中國早期金屬管狀火器，手銃采用青銅鑄造，而火炮采用生鐵鑄造。這種火器生產(chǎn)體系應該是由中國生鐵鑄造的技術傳統(tǒng)、不同材料的性能差異與不同火器的不同應用場景等多方面因素影響下的產(chǎn)物。中國火器發(fā)展的初始階段就能夠采用生鐵鑄造得益于中國長久以來形成的生鐵鑄造的技術傳統(tǒng)，而且生鐵較青銅廉價，對于大規(guī)模生產(chǎn)的火器來說肯定更希望使用便于生產(chǎn)的材料。但是生鐵的韌性較青銅差，對于早期火器來說鑄造鐵炮往往比銅炮更加沉重，而且安全性較差。因此對于單兵野戰(zhàn)環(huán)境下使用的手銃，出于輕便和安全的考慮，使用青銅鑄造，對于固定使用的火炮，出于便利生產(chǎn)的考慮采用生鐵鑄造。

館藏47號鐵炮，為明代中晚期威遠炮。結合文獻記載和此次檢測分析的結果，該類火炮是由熟鐵經(jīng)鍛造而成。明代較早出現(xiàn)的鍛造鐵炮為大將軍炮，即鄭巍巍《明后期鍛造大將軍炮的金相學研究案例》[20]一文中的鍛造大將軍炮，其炮身還帶有數(shù)道鐵箍以加強，威遠炮則屬鍛造大將軍炮的進一步發(fā)展，去掉外箍僅在藥室處加厚。鄭誠對明代威遠炮的鍛造流程已有詳細的研究[21]，包括精煉熟鐵、打制鐵瓦、將若干片鐵瓦熱鍛成炮筒、將若干炮筒接成炮身、旋銑炮膛、加底開火門。此類鍛造方式與西方由鐵條拼接再由鐵箍包裹的制造工藝不同[22]，炮身強度更高，無漏氣的風險。與西方鍛造炮在鑄造炮技術成熟后逐漸被淘汰的過程不同，明代鍛造鐵炮的出現(xiàn)應該說是適應當時明軍野戰(zhàn)環(huán)境的結果。鍛造鐵炮在保證威力的同時能進一步減輕重量，極大地增強機動性，故而自明至清，該類火炮一直得到持久且廣泛的應用。

館藏38號鐵炮，形制為明代晚期從西方引入的西洋炮，明人多稱“紅夷炮”。該炮兩側炮耳已經(jīng)缺失，炮身有范縫，表明鑄造方法應為中國傳統(tǒng)的塊范鑄造法。炮身后部有銘文，銘文為“崇禎戊寅歲夏吉日 捐助建造紅夷大炮 總督軍門盧象升 總督軍門陳新甲 總督軍門陳貴 巡撫都御史葉廷桂 分守太監(jiān)牛文炳 巡按監(jiān)察御史張宸極 巡按監(jiān)察御史秦廷奏 鎮(zhèn)守京左都督王樸 中監(jiān)太監(jiān)楊林茂 戶部郎中王士章 分守冀北兵備道朱家仕 分巡冀北兵道樊師孔 整飭陽和兵備道竇可進 大同左衛(wèi)兵備道聶明楷 監(jiān)軍屯牧兵備道鄭獨復 張洪 督工監(jiān)造中軍參游吳□ 梁承爵 紅夷大炮一位重五百斤 裝放用藥一斤四兩 封口鐵子一個重一斤 群子九個 如日久不放者每年須用稻糠煨潤一次 試放用藥一斤 垂為永式”[23]。據(jù)此可知，該門火炮系盧象升等人在崇禎十一年鑄造，比較符合西方已經(jīng)發(fā)展出的“模數(shù)”思想[24]，顯示出明末“西學東漸”的大背景下，西方火炮技術在中國的傳播。

館藏39號鐵炮，形制為紅夷炮。該炮左側炮耳缺失，炮尾珠缺失，火門已不存。炮身有范縫，顯示為塊范法鑄造，炮身后部的銘文因銹蝕導致模糊不清，難以得知該門火炮更加確切的信息。經(jīng)檢測該門火炮的材質為白口鑄鐵。

館藏40號鐵炮，形制同為紅夷炮，但不同之處在于40號鐵炮為雙層鐵炮。其炮身兩側炮耳已經(jīng)缺失，炮身有范縫，前部外殼已經(jīng)崩落，露出內(nèi)層約40厘米。炮身后部有銘文，為“崇禎十二年捐造 委官……”[25]。該門火炮的外殼經(jīng)檢測為白口鑄鐵，內(nèi)層為熟鐵鍛造而成。劉鴻亮對此類多層鐵炮的性能已有過深入研究[26]：在火藥爆炸時，復合層火炮會形成內(nèi)壁受壓、外壁受拉的效果，分布均勻的各層體應力都做了功，如此炮體要比同樣壁厚的單層體火炮堅固得多。此前研究的雙層鐵炮多為清代鐵炮，這門明崇禎年間制造的雙層鐵炮有助于我們認識雙層鐵炮在明代的制造工藝與性能，以及我國在吸收西方火炮技術的同時對其制造技術的發(fā)展。

館藏S.3825號應為清代鐵炮。炮身銘文不清。直筒形，尾部藥室隆起，炮身鑄有兩道箍，炮身中部鑄有雙耳，炮身兩側可見鑄縫。經(jīng)檢測，其材質為生鐵，鑄造所用的生鐵應該使用了含錳鐵礦，導致其成份中引入了大量的錳元素。另有館藏S.3824號、S.3645號兩門鐵炮與該門鐵炮形制相近，推測這三門鐵炮是清代地方自造火炮，其各方面性能難以和同期軍用制式火炮相媲美。

清代銅炮（圖一，A），形制為紅夷炮型。炮身鑄有五道箍，有一對炮耳。炮身后部有銘文，為“直隸南宮縣 郝家都水村 同治二年制 二百四十斤”（圖一，B），說明這門銅炮是清同治年間直隸南宮縣鑄造的一門銅炮。該門火炮的主要成分為黃銅，同時含有少量的錫和鉛。對于南宮縣自造火炮的生產(chǎn)者來說，一則地方很難得到先進的生鐵鑄炮技術[27]，二則地方也不需要進行大規(guī)模的火炮生產(chǎn)，綜合考慮這門火炮制造的地點和年代，采用黃銅鑄造一門紅夷炮型的火炮應該是一種合理的選擇。

四、結" "語

山西博物院收藏的明清火炮，其種類多樣， 制造技術豐富，年代跨越明初至清代，使我們得以一窺我國火器技術的發(fā)展與演變。

明初火器幾乎全部采用鑄造生產(chǎn)，只是不同種類的火器所用材料不同，單兵火銃多為青銅或黃銅，大型火炮多用生鐵，初步形成一套規(guī)范化的火器生產(chǎn)體系。明代中晚期則在吸收西方火炮技術基礎上發(fā)展出鍛造熟鐵火炮，該類火炮很好地平衡了威力與機動性，成為之后明軍乃至清軍在不同作戰(zhàn)環(huán)境下應用較為廣泛的一類火炮。明末開始仿制紅夷炮，并發(fā)展出多種復合火炮，至此中國古代火炮生產(chǎn)體系基本成熟。

本次研究集中于明清火炮的生產(chǎn)工藝演變，主要研究對象為明清火炮表面崩解銹蝕物。通過提取火炮表面的銹蝕物進行相關的科技檢測，進而分析火炮所對應的生產(chǎn)工藝。不過這取決于銹蝕物的狀態(tài)，且需要分析比較多的材料才能的得出可靠的數(shù)據(jù)。未來還需要應用更多的檢測手段，提高檢測數(shù)據(jù)的有效性，同時還要深入挖掘更多的明清火炮的技術細節(jié)。目前對明清火炮的研究，特別是在部分工藝細節(jié)、使用性能或生產(chǎn)流通等問題的研究仍然依賴于文獻記載，能否從科技分析的角度提供更多的佐證，這是未來努力的方向。希望明清火炮的科學檢測分析能夠為軍事史與軍事技術史研究提供更多的有效證據(jù)支撐。

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