龙首原西汉早期墓出土的金属器件分为青铜器和铁器两类。为了了解当时的金属加工情况,我们在修复这些器件之前,取了铜镜、铜盆、铜鍪、铁杵、铁灯的器物碎片做样品,做了金相显微组织分析,并对青铜器类碎片做了能谱分析,测出其各成分的含量。
  青铜器的能谱分析是在Amrea——能谱分析仪上进行的,全部金相组织显微是在日立S—570型扫描电子显微镜上分析的。以下分青铜器类和铁器类分别叙述它们的分析结果。

一、青铜器类


  1. 铜镜
  本文所分析的铜镜碎片取自医M48出土的一面蟠螭纹镜,镜面中央为红棕色,外边缘有近3毫米的一圈淡黄色、带点银灰色光泽。镜件脆硬,在出土时,碎裂严重。所分析样品选其边缘处一块既带有红栗色,又带有淡黄色的碎片,其断面也是外缘淡黄,内部红棕色。
  (1) 铜镜样品的成分分析
  本文针对铜镜样品有两个不同色区,分别在断面每个区域依次选择了三个点,共六个组成数据,见表1:

表1 医M48:9铜镜中央、边缘及整体成分分析结果 (%) (EDS结果)

(%)


  从表1的分析结果来看:总体的铜、锡含量附合常见的铜镜配比,但其铅、磷含量反常,铅含量达到10%,磷含量近1%,使之成为磷铅锡青铜,目前,在青铜分析报告中,很少见到这种例子。这里加入高铅,是因为要铸造厚度仅1毫米,而且还要均匀,带有精细花纹的铜镜,这就需要增加浇铸融熔体的流动性、填充性,因而,必须增加铅含量。磷在现代铜合金中常用作脱氧剂,且它能改善合金的浇铸性能,磷含量在0.5%左右抗拉强度最高,在1%左右,有很好的抗磨性,故本样品中磷含量在0.91%,提高了浇铸性能、抗磨性和抗拉强度。但在另一面,磷的加入,使铜镜的韧性下降,加之锡含量高,故脆硬、易碎裂。
  从中央区、边缘区的平均含量来看,两者差异很大:铜相差20.09%,锡相差12.43%,铅相差7.42%,磷相差0.18%,硅相差0.42%,它们的差值,除磷外,在平均值中占30%~74%,很难排除是两种材料加工合并在一起的可能。为了证实这一点,并了解其加工工艺,我们进行了金相显微组织分析。
  (2) 铜镜样品的金相显微组织分析
  为了证实两种颜色不同的材料是如何造成的,我们在两色的交界处拍摄了金相显微组织照片,如图1所示: 中央区红棕色由左下角深入向右上角延伸。左上角与右下角为边缘浅黄色区。两色交界不很明显。于是,我们延右上角继续寻找并放大摄下了红棕色与黄色最后的交界,如图2所示,由图2下边中部向上深入,在中上部呈S型慢慢结束。

图1 中央红色在边缘区深入与淡黄色交界金相显微照片

图2 红色区在淡黄色区的结束交界金相显微照片


  从图2看,它们的交界虽然清晰,但不是泾渭分明,以线而划,有过渡区。故而,可以认为它们不是用两种材料加工而成的,而是由于在浇铸过程中由于冷却速度不同而导致成的。这一点,可以由图3、图4的金相显微照片来说明。

图3 镜中央红棕区的金相显微照片

图4 铜镜边缘黄色部分的金相照片


  图3,是铜镜中央红色区的金相显微照片,图中黑色圆斑为铅粒,其颗粒大是因为中央区镜体薄、冷却速度快,高含量的铅单质来不及分散便被迫凝固。图中,灰色基本为 (α+δ) 共析体,晶界白色网状者为δ相,这是因为镜中央冷却速度快,导致中央区锡含量相对升高,超过了γ共析成分 (26.5%),在冷却时,在晶界处先共析的δ相出现,侵蚀后呈白色。在 (α+δ) 基体中,还有些细小的灰白色网络纹斑,则是Cu3P化合物,由于冷却快,来不及聚集状大。总之,中央区主要为铜锡青铜,颜色红棕缘于铅值的升高。另一面,由于锡含量高,基体有δ相晶界,加之Cu3P网状结构,必然导致它的硬度高,韧性差,易碎裂。
  图4,是铜镜边缘区淡黄色部分的金相显微照片。图中黑色块状为 (Cu-Sn-yu3P) 的α固溶体,灰色粒状物为铅粒 (明显小于图3),灰色细条状的基体则是(α+δ) 共析组织 (明显少于图3),灰白相间的网络状者为Cu3P化合物。
  图4与图3相比,(α+δ) 共析组织粗大,Cu3P网络增大,α固溶体比例高。故而,可以看出,边缘区的冷却速度较慢,使得各组织得以成长,而且,铅、锡含量明显少于中央区,其韧性优于中央区。但磷含量达到1%,网状结构增大,仍然给边缘带来了脆性,易碎裂。
  总之,从成分分析来看,此铜镜的铸造者为了铸造薄而精美的铜镜,在本来y铜镜配料中,加入高量铅,并加入含有磷的配料,在含有石英砂 (SiO2)的泥范中浇注 (中央区接触范围面积大,厚度小,故其中含硅量高于边缘区)。从图4来看,由于铜镜边缘厚于中央区,故其冷却速度正常,结构属正常的磷锡青铜,浅黄色;铜中央区太薄 (1.0毫米),很迅速将热量传递给了泥范,故冷却速度快,成为铅锡青铜,红棕色。两种颜色出于一体,并非两种材料合并,而是浇铸过程中,冷却速度不同造成的。
  2. 铜鍪
  医M14出土了一件铜鍪,在残破碎片尚未修复之前,本文取其腹部残片一块做为样品。此器物铜胎较薄,厚仅0.5毫米左右,质硬而具有一定韧性,不易折断。现将其化学成分的能谱分析结果列于表2。

表2 铜鍪 (医M14:7) 化学成分EDS分析结果 (%)


  从表2 结果可见,铅含量为11.28%,磷含量0.49%,可称之谓磷铅锡青铜。加入高量铅是为了在浇铸厚度很薄的器物时,提高融溶体的流动性和填充性,但铅含量高降低了青铜器的硬度,所以,在本样品中,加入了0.49%的磷、5.55%的锡正是为了提高硬度,而且,0.5%的含磷量,正是磷锡青铜硬度、塑性最佳的含量。另外,为了了解铜鍪的加工工艺,本文做了铜鍪的金相组织显微分析,结果见图5、图6、图7。

图5 铜鍪的金相组织照片

图6 铜鍪的金相组织照片

图7 铜鍪的金上组织照片


  从图5来看,除了有几处大块铅粒,基本上铅单质以小黑粒均匀分布的。基体为灰色的树枝状的α固溶体,树枝晶间的灰白花班及白色网状细条组织分别是(α+δ) 共析体及Cu3P化合物。
  为了看清铅粒的均匀度及(α+δ)、Cu3P相、我们放大倍数摄下图6、图7加以说明。
  从图6来看,铅粒分布均匀,颗粒直径在15微米左右。说明铜鍪在浇铸过程中,冷却速度较慢。而铜鍪胎体较薄、应散热快,由此推测其泥范 (或砂范)保温性能较好。
  图7中更能很好地看出α固溶体(灰色)的树枝状晶界,在树枝晶界周围是花纹条状(α+δ)共析组织,在图7中心偏上处有明显的Cu3化合物的白色网络纹块状组织。
  总之,铜鍪为磷铅锡青铜,其中铅含量高以提高浇铸性能,磷含量适度提出了铜鍪的机械性能,金相组织表明其浇铸过程中冷却速度较慢,铸范保温性较好。
  3. 铜盆
  此器与铜鍪同出于医M14,本文取其口沿残片做样品。铜盆壁厚为0.5毫米左右,口沿厚在1.0毫米左右。其硬度、韧性不如铜鍪,易折断。表3列出了铜盆的化学成分EDS分析结果:

表3 铜盆 (医M14:8) 化学成分EDS分析结果 (%)


  从表3结果可见: 铜盆为铅锡青铜。含磷量、硅量远小于铜鍪。由于铅高,锡和磷低,导致其机械性能低于铜鍪,易断。
  图8、9为铜盆的金相组织显微照片。从照片可见,它们与铜鍪的金相组织相近,只是铅的分布不均匀,大块铅粒较多,可见浇铸过程中冷却速度较快,其抗拉力性能、抗腐蚀能力均较差。

图8 铜盆金相组织显微照片

图9 铜盆金相组织显微照片

二、铁器类


  1. 铁杵
  本文所分析的铁杵出自医M48,与铁臼同时出土。其外形如棒,长15厘米左右,直径3.5厘米。外层锈蚀呈汽泡状,但很紧密。整体在出土时从柱腰中间断裂,断口银灰闪亮,有明显放射状断痕。并露出中心部分为枣核形的空洞,洞内空,无任何填塞物。从断面看,锈蚀程度很轻,仅外表层有一层灰黑的高价铁锈。为了了解当时此杵的加工方法,分析此杵的组织结构,本文在断面选取了一块含有内、外边缘的样品块,做了电子显微断面构造分析及金相组织显微分析。
  图10~13是铁杵断口的构造分析照片。从中我们可以分析它的铸造过程。图10,是内空心边缘 (见图上部) 的构造情况。在图右上角,可见到三处球形片状石墨体,左上角也有,特别在左上部口沿处有一处片状石墨体,而图片下部很少见石墨体,这一点可以说明: 空心处原来有一个含碳量很高的枣形物体,在高温铁浆的加热下,升华出碳单质,气压保持了一定体积,并有部分渗入铁浆,形成局部碳含量过高的区域,导致球形片状石墨体的出现。

图10 铁杵断面构造分析照片


  图11,是样品中心部位的断面构造相片。其具有明显的延性断口的特点,有簇状表面。这种表面是由在断裂扩展引起的无数局部颈缩造成的。这也可以归于铁杵碳含量较高而冷却速度又快导致的。因此,铁杵硬度高却韧性差,易脆裂。

图11 铁杵断面构造分析照片


  图12、13是样品近外边缘处的断面构造。图12左上部有球状铁豆镶于铁基体中,它是在浇注时铁液飞溅冷却又被后注入的铁液包融的结果,是一种铸铁缺陷。图12中部及右下角有河流状构造,它是铁液在浇注过程中,从注口到它应该到的地点,这段过程中,温度下降较多,呈半融状,流动性差,故而叠压成 “河流y”的构造。图13更加明显地反应出这种构造的情况,它处于更外层边缘,大颗粒 (Ø75~100μm) 铁豆在浇注中飞溅, 又同时被半融状的铁液叠压下来, 最终形成这种带球状的,较疏散的外层结构。这也说明了,铁杵外层锈蚀呈汽泡状的原因。

图12 铁杵断面构造分析照片

图13 铁杵断面构造分析照片


  铁杵的金相组织显微分析见图14、15。从图14中可以看到其金相组织为: 以灰黑色的珠光体为基体,方向性分布着白色的次生渗碳体,并具有少量莱氏体共晶。图15中的右下部基本与图14相同,其左上部有黑色的点状及条状的珠光体均匀分布。从图14和图15的分析来看,铁杵的显微组织为: 珠光体+次生渗碳体+莱氏体,为亚共晶白口铸铁。C含量<4.3%。另外,次生渗碳体具有方向性排列,也说明了铁杵的冷却速度较快。这种组织所导致的铁杵质硬、耐磨的特性正好附合铁杵砸磨物品的需要。

图14 铁杵金相组织照片

图15 铁杵金相组织照片


  2. 三足铁灯
  三足铁灯出自医M68,出土时锈蚀严重,样品取自灯足部分,在其中心部分打磨出金属光泽,做了金相组织显微分析。
  图16、17为三足铁灯的金相照片,图16中可以看到中部有一个直径约1.05毫米的石墨球,其右边还有一处片状石墨。而基体为枝晶状珠光体,所以三足铁灯是灰口铁,组织为珠光体+石墨。

图16 三足铁灯的金相组织照片

图17 三足铁灯金相组织照片


  但是,图17的金相组织与图16大为不同,基体主要是莱氏体,带有极少量珠光体,属于共晶白口铸铁。从而可知,三足铁灯既含有灰口铁的金相组织又含有白口铁的金相组织。以现代金相学的命名,它应是麻口铁。
  麻口铁最早出现在何时,没有文章报导。西汉早期出现麻口铁,应该是冶金史上的一大进步。
  综合青铜器与铁器分析,龙首原西汉早期墓中的西汉青铜器、铁器的铸造工艺是先进的。在青铜铸造中,可以巧妙地应用磷元素的含量与青铜硬度,机械性能和抗磨性能的关系,能以薄壁 (胎)省材的制作,造出具有一定实用性的器物。已经掌握了铅锡青铜、磷锡青铜的配铸工艺。在铁器铸造中,能以实用出发制作器物,铁杵的结构与用途很相适。在铁杵铸造中,杵体中心的空洞是如何造成的?是否采用了失蜡法? 仍值得进一步深入研究。三足铁灯的用材为麻口铁,标志着我国生产铸铁的技术在西汉早期已经基本形成。具有很高的历史价值。