厌学 学校社工介入:战国青铜剑的铸制技术及“削杀矢之齐”研究

战国青铜剑的铸制技术及“削杀矢之齐”研究

董亚巍(鄂州市博物馆, 鄂州，)

摘要 本文通过对战国青铜剑的模拟实验，论述了青铜剑的模、范工艺技术，以及战国剑在铸造过程中形成了刃部硬度值高、脊部硬度值低的自然规律。通过模拟战国时代的熔炼工艺，提出了对“削杀矢之齐”一种新的解释。通过铸后加工，讨论了战国青铜剑的铸后加工技术问题。

关键词 范铸，熔炼，中间合金，古代机械

   春秋战国时期，为了抵御外强、巩固政权，各大诸侯国都曾铸制大量的青铜兵器，其中相当数量为青铜剑。对于战国青铜剑的研究，一般集中在形制、产地及合金的化学成分等方面。笔者则结合模拟试验，认真探讨了“范铸技术”、“机械性能”、“削杀矢之齐”及“铸后加工”等四个主要问题。由于地下出土的青铜剑绝大部分为无纹饰的素剑，因此，这里主要讨论一般的素面剑，有纹饰的花纹剑将另文讨论。

1，青铜剑的范铸技术

    制范之前必须先有模，通过对青铜剑几何形状的研究后认为，青铜剑虽为两个面，但这两个面的几何形状完全一致，说明剑的两块泥范是用同一个模具夯制出来的。

生活在战国时代的荀子，恰逢大量生产青铜剑的时代。荀子在《强国》篇里云：“刑范正，金锡美，工冶巧，火齐得，剖刑而莫邪已┉^[1]。”荀子在这里强调了铸剑需用规整的模(刑)制出规整的范，铜(金)与锡的配比要适当，工匠要心灵手巧 ，浇铸时的铜液温度(火)要根据合金(齐)的配比掌握得当，当作到了这些以后，剖开范腔时，一把“莫邪”剑即可铸得^[2]。荀子作《强国》篇，是用铸制青铜剑的工艺过程来比喻治理国家的道理，所以，铸剑过程说得十分抽象。那未战国的青铜剑到底是如何铸制出来的呢?认真考察战国墓葬中出土的青铜剑，不难发现，几乎每一把战国青铜剑各部位之间的宽度及厚度的变化，在其两个面上都是一致的。

从这一现象中，我们推测战国人铸剑时，所用剑模应为“一面模”。这里所谓“一面模”，是指战国剑虽然有两个面，但模具只作其中的一个面，从两边的刃口分型。如图一所示，在剑模上与剑体平行的两边设置子母扣即榫与卯，榫卯与剑体呈等距离垂直，一边设榫，另一边就设卯，在这种模上夯制出的泥范，就会不分正、反。当两块剑范的范面相对时，一块范面上的卯和榫，正好分别与另一范面上的榫和卯扣合。这样，两块泥范一扣合，便形成一个完整的剑体范腔。采用这种方法铸制的青铜剑可保持正反剑面的对应几何形状、长度、宽度及厚度等皆相同。因此，我们在用范铸法作模拟实验时，只作了青铜剑一个面的模。如果作成两面模具，其正反两面的对应形状和尺寸难免不同，这样，用其夯制的两个范以及范铸所得的剑体，它们的正反两面，都将产生几何形状和尺寸的差异。显然，唯采用一个单面的剑模夯型，方可确保所有夯制泥范都能铸造出正反两面对应形状和尺寸相同的剑体。当夯制出的一批泥质剑范经阴干、焙烧成为陶质范，再将陶剑范从烘范窑中取出放凉至室温后，任意取出两块陶剑范，都可以较顺利地按榫卯扣合，由这些陶剑范浇注出的青铜剑铸坯，其正反两面的对应长度、宽度、厚度及几何形状，自然也是一致的。                      

    在合范浇铸工艺中，存在着一个平浇还是立浇的问题。华觉明先生在其绘制的青铜剑铸造示意图中，指出剑为锷部朝下、首部朝上浇铸，如图二所示。中心线左边剑首部的黑线为设置的出气孔，水口在右边，开设在剑的柄部。设置这种顶浇式浇铸工艺，其理由是铜液自上而下压力大，流动也快，可保证剑锋浇铸完整^[3]。目前，对剑体的浇铸工艺，大多持这种顶铸观点(图2)。

我们认为，这种浇注方式不适合青铜剑。战国青铜剑合金的含锡量多在16%以上，还有一定的含铅量，在浇注过程中，其氧化速度很快。如果将剑体直立起来浇注，由于青铜 

液进入范腔以后呈雨淋状，其铜液容易出现断开现象。而高锡青铜液在浇注时一旦出现断开现象，即便后来合成一体，其中间仍将存在相当数量的氧化物，即所谓铸件中的氧化夹渣。                                                                 

一般说来，战国青铜剑这种铜锡合金的充型能力远大于红铜。实际浇铸时，只要水口的最高处高于范腔内的铸件，是不会发生浇不足现象的。当水口设置在剑首上方进行立式浇注时，青铜液从水口流至剑体之间需要拐两次弯，这样，铜液进入范腔后，必然产生到处飞溅现象。飞溅现象一旦发生，飞溅铜液滴的外围将立即氧化，当这种飞溅铜液滴再落下去与铜液会合到一处时，必然会在剑体中产生大量的氧化夹渣、热接及冷隔等铸造缺陷。

    为避免上述铸造缺陷的产生，我们在浇铸青铜剑时采取了“平躺式立浇”方式，如图3所示，将水口开设在剑柄部，浇注时，铜液通过水口直接浇注到剑柄上，由于剑柄与剑体平行，进入范腔以后的铜液，将沿着从剑格至剑锷的一条直线平行着上升，避免了铜液飞溅现象，自然也避免了铜液断开的现象，这样，其氧化率以及造成氧化的机会都相对低得多。

关于在范腔上设置气孔的问题，我们认为，没有必要在范腔上设置气孔。剑范是因两块范合并后浇铸而成的，两块范都是由泥质范经焙烧成为陶质范，从宏观角度来看，陶范的范面较平，但陶范的范面毕竟不是玻璃板，两块范面合得再紧，充其量也只能挡住青铜液不从两个范面之间漏走，而范腔之中的空气，被充入范腔中的铜液压出时，绝大部分空气会在铜液未浇满范腔之前，受铜液挤压，从水口排至范腔外，剩下很少一部分空气，完全可从两范之间的细小缝隙中挤压出去。因此，我们在设置剑模时，没有设置出气孔。图4为我们采用以上方式，铸制出的长短各异的青铜剑。迄今为止，我们尚未发现一例因采取“平躺式立浇”方式而发生浇铸不足的现象，也未曾出现过因未开设出气孔而发生浇铸时范腔发气的现象，铸件上也没有气孔。

2，青铜剑的机械性能

    通过战国青铜剑的物理技术性能测试，人们不难发现，其刃部的硬度普遍高于脊部。根据战国青铜剑批量范铸的生产实践和研究，我们发现，未作任何技术处理的原始铸件，其刃部的硬度业已高于脊部。这一结果表明，战国青铜剑的刃部硬度之所以高于脊部，完全是在铸造中自然形成的，与铸后的技术处理基本无关。                                

我们先后对3件复制的战国青铜剑，分别于1997年6月20日、1998年7月29日及2001年3月28日采用HR-150型硬度仪进行了3次硬度测量。复制剑的合金成分为Cu77%、Sn18%、Pb5%。冷范浇铸，范温与当时室温相同，皆为28℃，浇铸时液温约为900℃。铸件浇成后，作磨削加工处理，使复制品的几何形状与原剑一样，除此之外，再未进行其他技术处理。如图5所示，剑体上的小黑点、即硬度测量点，黑点旁边的数据，即为硬度仪测得的洛氏硬度数值。图中显示，柄部硬度值最低、刃部硬度值最高。脊部所有测试点的硬度值，皆低于两边刃部的硬度值。从柄部至锷部，硬度值逐渐升高，一般说来，薄处硬度值高，而厚处硬度值低。由此也可以认为，浇铸铜剑时铜液进入范腔以后，先凝固的部位硬度值高、后凝固的部位硬度值低，这一现象是在铸造过程中自然形成的，并非铸后某种热处理所致。

     高锡青铜在结晶后生成α相固溶体，以及(α+δ)共析组织。按照铸造学原理，在结晶速度快的部位，其(α+δ)共析体相对较多，而结晶慢的部位，α固溶体含量相对较多。以机械物理性能而论，δ相的性质相对硬于α相，剑体中各部位的厚度差异较大，这就造成了高锡青铜液在凝固以后，各部位自然产生出各不相同的硬度值。

    从这把青铜剑的硬度值，可以得出一个规律，即剑体厚的部位，其硬度值相对低于较薄的部位。由此可以得出以下推断：即高锡青铜液注满范腔后，在凝固过程中，结晶速度快的部位，其硬度值相对高于结晶速度慢的部位，且结晶速度越慢，其硬度值也越低。在剑体中，刃部最薄，浇铸后凝固最快、结晶最早。该处金相组织中δ相含量相对最多，其硬度值自然高于剑体的其它部位。

    把一个剖面几何形状呈菱形的青铜剑直接放置在HR-150型硬度仪上进行测量，测出的硬度值比实际硬度值可能会小一些。但是，刃部与脊部、柄部与锷部的硬度变化，同样符合上述规律。我们曾顺便测量了一块复制的铜镜断片，其硬度为HRC31度。由于被测量的铜镜断片两面都是平的，因此，其硬度值是准确的。铜镜合金的含锡量为24%，而剑的含锡量为18%；由此推测，剑的最大硬度值可能在HRC28左右。

3，关于“削杀矢之齐”

    《考工记·金有六齐》云：…，“五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐” 。按照五分之二计算，“削杀矢之齐” 的含锡量应为40%。如果仅从字面理解，战国青铜剑应有40%左右的含锡量，但从众多的战国青铜剑的实际含锡量来看，大多在20%以下，似乎离“六齐” 的记载相去甚远。

    我们知道，战国时代熔炼青铜的工艺与现代不同；现代熔炼铜合金工艺是用坩锅外加热方式进行熔炼，而战国时代则是用内加热方式的熔炉进行熔炼；两者各有优、缺点。

用现代坩锅作有色合金熔炼，因为是外加热方式，坩锅外的温度始终高于坩锅内，且锅外热能的持续时间，决定着锅内热量的持续时间。无论电炉、油炉、反射炉或焦炭炉等，通常皆可连续不间断地加热直至锅内合金完全熔融、满足浇铸的条件，连最简陋的焦炭炉也可在熔炼过程中加炭。由于采用了现代热能材料，其优点是可持续熔炼时间长、熔炼温度高，现代坩锅可以熔炼球墨铸铁，甚至可以炼钢，其缺点主要是合金的熔炼时间比古代熔炉长。

战国时代熔炼合金的工艺，是将燃料与金属料混合在一起装入一个泥制的炉膛里进行熔炼，由于直接加热，即金属料直接在烈火中加热，因此，它比现代坩锅的熔炼速度快，但战国时代的燃料是木炭，其燃烧时间及释放热量都不及现代燃料，一次性装入炉内的木炭数量又有限，因此不能够进行不间断的生产作业。由于古代熔炉采取这种内加热的熔炼方式，炉外没有热能，如果掌握不当，即炉中燃料燃尽而合金还没有完全熔融，则即使再加入燃料，也无法继续熔炼了。这时，先熔化了的金属液早已沉于炉底，而炉内还没有熔炼好的金属液，也会很快地降温。遇到这种情况时，只有将未熔炼好的金属液泄出炉外，以便重新回炉熔炼。

为了对战国时代的熔炼工艺有所了解，我们采用战国时代的熔炼方式，进行

了青铜合金的模拟熔炼试验。用泥料作成一个高20cm，直径20cm的熔炉，经阴干、焙烧成半陶质，分别于1999年10月及12月进行了两次试验。第一次试验时，用平时铸镜的回炉料2kg，其合金的化学成分约为Cn73%、Sn24%、Pb3%。炉底放置木炭，合金放在中间，上面再盖木炭，风管放在熔炉正中间，风管的进风口用一个25w的电动小风机鼓风，如图6所示。不难发现，开风尚不足20分钟，炉内金属料即已达到了“炉火纯青”，可以正常浇铸的程度。

    两个月后作第二次试验时，由于在金属料的配制中采取了回炉料与红铜对半的比例，结果大大增加了熔炼难度，当炉内木炭燃烧殆尽时，炉内的合金方勉强完全熔融，其熔炼时间近1小时。

古代熔炉的鼓风管是陶管。据李京华先生考证，一般小型熔炉只需一个陶管，大一些的熔炉需用两个或两个以上的陶管进行鼓风。一般说来，古代熔炉不论大小，其金属原料与木炭的比例总是相同的，由此推测，古代熔炉的熔炼时间基本也是一致的，不应有太大的差异。木炭的有限加入量，限制了木炭在鼓风作用下的燃烧时间，当然也决定了金属料在熔炉中的熔炼时间。采用古代铸造工艺熔炼青铜合金时，通常要求其合金原料的熔点尽量低，以便在有限的条件下尽快将其熔炼到浇铸温度。需要指出的是，不论这种熔炼工艺顺利与否，当铜液熔炼至待浇铸时，由于熔炉是内加热，炉外温度相对较低，以致可直接用手端起熔炉进行浇铸。图7为我们的职工用手端着刚刚浇铸结束的熔炉，进行炉内的清理。可以看到，炉内还是红彤彤的，但炉外并没有感觉到烫手。

    “削杀矢之齐”中云：“五分其金而锡居二”，这里所说的“金”即今之红铜。红铜的熔点为1084.5℃，如果在古代熔炉中直接熔炼红铜，其熔炼的难度较大。如果按“削杀矢之齐”中字面上的比例即铜60%、锡40%同时装入炉中进行熔炼，由于锡的熔点只有232℃，在炉中很快被熔化后沉入炉底，而此时固体的红铜还没有成为合金，不会由于炉中有锡料而降低熔点。因此可以认为，全部用新金属料进行熔炼，是不能直接得到实用的合金的。

当烧制好了剑范需开炉浇铸时，如果采用合金料加上新金属料各半的比例进行熔炼，其熔炼的速度就会大大地提高。顺便指出，批量青铜范铸生产中，总会产生大量的回炉料。这些回炉料不是指铸前专门配制的合金料，而是指在批量生产青铜铸件时产生的废品、浇铸时的一些附件，如水口、冒口、披缝、跑火料以及没有浇铸完的剩余料等。这些金属料都已成为合金，是较容易进行熔炼的炉料。

1978年4月，鄂州市燕矶镇坝角村的农民在该村临近的走马湖畔围垦造田时，在湖汊的淤泥中约30厘米深的泥层中，挖出一个大陶瓮，瓮中装满铜兵器的残片约30公斤。有箭镞、铜矛、铜壶盖、马饰、弩机、带钩以及其它一些青铜器上的附件等残片，其中数量最多者为青铜剑的残片^[4]。图8为这一陶瓮中的一部份青铜剑废片。从这一陶瓮的青铜废品中应当看到，青铜铸造作坊中产生大量的废品，是一个正常的现象。当每次开炉熔炼青铜时，除在炉中加入新金属料以外，还应加入一半左右的回炉料，只有采用这样的炉料配制，才能够最大限度地避免金属原材料的浪费，最有效地利用木炭的热能，以最快的熔炼速度，将所需的合金按配比熔炼出来。根据以上推论，战国青铜剑在开炉熔炼配料时，除在炉内装入木炭外，应加入一半回炉料及一半新金属料；其中，新金属料包括铜料与合金料各半。如果合金料按照“削杀矢之齐”中“五分其金而锡居二”的比例计算，合金的含锡量应为40%，如设熔炼一炉10公斤的青铜用来铸剑，其合金配制如下：回炉料5公斤、新料5公斤，其新料中红铜2.5公斤、合金2.5公斤，其合金即是指“五分其金而锡居二”的铜、锡配比。如果回炉料中的含锡量为20%的话，按照上述配比装入的炉料熔炼出的合金，其含锡量在理论上还是20%。

从出土的战国青铜剑来看，其含锡量的范围是从13%至23%左右，含锡量超过20% 的剑较少；如果含锡量超过20%以上，会导致合金的脆度增大，使剑体容易被折断；如果含锡量太小，其合金就没有足够的硬度；从公元前770的春秋时代至战国中期，这之间至少也经过了400年，在这漫长的战争年代里，先民们通过长期的铸剑实践，对锡与铅的性质应有较正确的理性认识，因此，青铜剑的实际含锡量，以18%左右最为普遍。如果推论正确的话，“削杀矢之齐”中“五分其金而锡居二”的比例，应是战国时代的先民在开炉铸剑以前，先配制一个专门用于铸剑的低熔点合金添加料的配比值，当预先配制并熔炼好了这种“削杀矢之齐”以后，待再开炉铸剑时，配料及熔炼工艺都变得十分简单了；配制金属料装炉时，只需掌握新、旧料对半的大原则，而新料中红铜料与提前熔炼的合金料亦对半，甚至不需要称量工具，仅凭手拿的重量感觉来配料，也不致出现大的合金问题。因此笔者认为，“削杀矢之齐”本是指一种合金，这种合金类似于现代有色铸造工业中的“中间合金”^[5]，其作用不是直接用于铸剑，而是用于配制铜剑合金的合金。

4，关于青铜剑的铸后加工

    从地下大量出土的大多数战国青铜剑上，可以清楚地看到，剑体表面光洁，剑刃、剑丛、剑脊规整，几何造型的棱角分明，丛部与脊部之间非铸态而呈加工态。这些现象都表明，这些战国青铜剑不仅经过了铸造加工，而且经过了铸后加工。在铸后的加工过程中，采用了某种加工的机械设备。图9为鄂州市博物馆在当地出土的一把战国青铜剑的局部，从这一剑体表面可以看到，刃与丛及丛与脊之间棱角分明。图10即为上述陶瓮中青铜剑废品中的一件，从这一废品的表面，可以看到原始铸态，其铸造成形后，并未经过其它加工处理。因此，虽经历了两千余年，还是可以看出其至今仍属铸态毛坯。其刃部与丛部之间、丛部与脊部之间均无棱角，整个表面都是原始铸态毛坯层，说明此剑自铸出后，还未经过任何加工，故其剑体上看不到棱角。这与我们平时在各个博物馆的陈列中所看到的战国青铜剑，形成了鲜明的对比。

    荀子的《强国》篇里云：“刑范正，金锡美，工冶巧，火齐得，剖刑而莫邪已。然而不剥脱，不砥厉，则不可以断绳；剥脱之，砥厉之，则劙盘盂，刎牛马忽然耳”。战国时人们将模称为“刑”，将红铜称之为“金”，将几种金属的合金称之为“齐”(音剂，4声)。荀子生活在战国时代，完全可以亲眼看到铸制青铜剑的完整过程。因此笔者认为，荀子的记载应是真实的、准确的。荀子指出，经过复杂的青铜范铸过程以后，铸造出来的才只是一把“莫邪” 剑的毛坯，此时这把有名的“莫邪”剑连绳子也割不断。从图9及图10的两剑对比中，不难理解，荀子对战国时代铸制青铜剑的记载。以上实例及文献都表明，战国时代铸制出青铜剑的毛坯后，唯经“剥脱”及“砥厉” 后，才可能达到现在所看到的战国时代那些光洁度较高、棱角甚分明的青铜剑。战国青铜剑的铸后加工，也只有在相应的机械设备上，才有可能被加工出来。若使用手工进行磨制加工，是不大可能将粗糙的剑坯磨制得那么规范。关于战国时代青铜剑的铸后加工至成品的问题，笔者在《从古代青铜文物看中国机械加工的渊源》一文里已提出讨论，本文只是再次强调提出，经陶范铸制出来的，只是青铜剑的毛坯，不是我们所看到的战国青铜剑的成品。而经范铸制出的青铜剑毛坯，充其量只完成了青铜剑铸制工艺过程的一半。

                                               2001年6月18日修改

[1]，杨任之，《白话荀子·强国》第420页，岳麓书社，1991年4月版。

[2]，董亚巍，《从古代青铜文物看中国机械加工的渊源》鄂州大学学报1999年增刊。

[3]，华觉明，《中国冶铸史论集·广东省出土青铜器冶铸技术的研究》第167至171页，文物出版社，1986年8月。

[4]，熊亚云《鄂州市燕矶镇坝角村出土一批兵器》江汉考古1990年3期第92页。

[5]，董亚巍，《“鉴燧之齐”新见解》 科技考古论丛－全国第五届科技考古学术讨论会论文集(第二辑)，中国科学技术大学出版社2000年6月。