青铜是如何冶炼的?青铜是什么材质的?
趣历史 2020-02-06 20:30:14 费仲 盘庚 祖丁 雍己

  今天趣历史小编为大家带来青铜是如何冶炼的?希望对你们能有所帮助。

  谈及青铜,人们脑海中最先浮出的画面大多是雄伟庄严的后母戊鼎,是造型精美的四羊方尊,是寒光凛凛的越王勾践剑,心中升腾起对古人高超制造技艺的钦佩。中国的青铜文明博大精深,今天希望这篇文章能够带领大家由“知其然”走向“知其所以然”,一起来领略古人的智慧结晶,看看青铜到底是如何冶炼出来的。

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  青铜器制造流程

  青铜是什么

  首先我们从化学的角度来看一下,青铜到底是什么。

  铜,大家都不陌生,它是一种常见的金属,初中化学课本里这样描述,“常温下带有金属光泽的紫红色固体”。自然界中,铜矿的露头处存在着含铜量高达98~99%的自然铜,也称红铜或纯铜。它质地柔软,延展性好,无需加热处理,锻打加工即可获得所需要的形状,最早在公元前7000多年的中东地区,便有农耕部落制造的红铜装饰物被发现。

  青铜,广义上指所有以铜为主要成分的合金,但在考古界,一般是指有一定比例锡、铅的铜基合金。锡,是我们常常提到的“五金”——金、银、铜、铁、锡——之一,银白色光泽的软金属;铅,高密度柔软的蓝灰色金属,但是常温下在空气中易氧化,表面会形成一层氧化膜。红铜质地比较软,在铸造时需要的温度也较高,但在加入锡或铅后形成合金,其熔点降低,硬度增加,颜色也由红变白亮,虽然韧性有所损失,整体变得更脆,但是只要控制好比例,韧性能保持在一个合适的范围。

  19世纪30年代丹麦考古学家G·J·汤姆森提出人类物质进化史的分期概念,他根据人类在不同时代使用的生产工具,将人类文明历史划分为石器时代、青铜时代和铁器时代。实际上,现代考古发掘证明,红铜的发现与使用都在青铜之前,但是为什么历史学家没有划定一个时期叫做红铜时代呢?这主要是因为人类使用红铜的同时,也普遍使用着石器,红铜制品大多都是一些小件器物,用于装饰,对整体社会生活意义不大,也无法替代石器制品的使用,所以红铜时代便没有被考古学界广泛接受。

  此外还有很多人疑惑,为什么铜先于铁被人类发现和利用呢?这主要是因为铜色彩艳丽,易吸引人类的目光,且在自然界中存在天然矿藏,熔点也只有1087℃,更易进行冶炼。而与之相反的铁,自然界很少有自然铁,它主要是以氧化物或者其他化合物的形式存在,铁矿石与普通石料难以区分,此外铁的熔点在1537℃,远高于铜,难以冶炼,即便从矿石中提炼出来,也是呈现海绵状,不经捶打,无法成材。综上几点,人类对金属的冶炼和利用,先是从铜开始。

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  红铜的冶炼

  青铜是一种比较复杂的合金,含有多种元素,冶炼技术出现较晚,我们先来研究一下成分较为单一的红铜的冶炼。

  在自然界中,红铜是天然存在的,因其颜色鲜艳,非常容易吸引人们的目光,世界上先在发现的最早的铜器就是由红铜铸造的,但在我国尚未发现。学者们推测,人类或许在最初是将红铜矿石当作普通石料进行打磨,并发现了红铜良好的延展性,它不似石头那样容易碎裂,而是可以捶打变薄,制成形状各异的装饰品。后来,人类又渐渐摸索出加热到一定温度后的红铜会变软,更易塑形,铜的熔点时1083℃,若设烧到制陶时的最高温度(1000℃),红铜还可以熔化成铜水,冷却凝固后能随容器形成一定形状。

  但是红铜在自然界中存量毕竟不多,与其共生的一种常见含铜矿石——孔雀石——也开始走向了人类的视野。孔雀石,化学分子式为Cu2(OH)2CO3,因其色彩与孔雀的羽毛相似,所以得名。它与红铜矿石常常分布在一起,又因为颜色与铜锈相近,所以考古学家们推测古代炼铜最早是从孔雀石开始的。人类开始尝试将孔雀石投入炉火中,在木炭存在的情况下加热到1083℃时,铜便经由氧化还原反应而制得,反应式如下:

  自此,人类开始掌握了红铜的冶炼方法,但是红铜金属熔液难以铸造成型,易吸收空气,成型后器物制品往往带有气眼,表面粗糙,硬度也不足,很大程度上限制了其应用。

  青铜的冶炼

  青铜是怎样被发明出来的,考古学家们有两种推测:

  一种观点认为,青铜是在冶炼红铜的长期实践中逐渐摸索出来的。最初从矿石中冶炼出来的红铜并不非常纯,其中含有一些杂质,如少量的铅、锡、铁等,但因为铅、锡含量很低,还不能称为青铜。可是人们无意中发现这种合金的机械性能要强于红铜,从而进一步开始有意识地向红铜中添加锡从而配制出青铜。

  另一种观点认为,青铜冶炼可能是人类在采掘金属矿时,用火烧烧烤岩石,然后浇水,使矿石裂缝。锡青铜含锡25%时,熔点只有800℃,当矿石是铜锡共生矿时,在800℃左右的木炭或者干柴火焰中,便能获得青铜。

  这两种观点都有一定的道理,在学界都获得了广泛支持。

  中国的青铜冶炼

  我国青铜冶炼大致分为以下三个步骤:选矿、初炼、精炼。现在的考古发现表明,大多情况下,开采矿石与初炼是在铜矿产地进行的,而精炼和铸造则会运抵他处进行。

  1. 选矿

  我国铜储存量非常大,最早于《管子·地数篇》有这样一段记载:“出铜之山,四百六十七山,出铁之山,三千六百九山。”据说古代神话女娲补天所用的五色石——赤铜矿(红)、孔雀石(绿)、蓝铜矿(蓝)、黑铜矿(黑)、石英(白)——就是铜矿及其伴生的脉石。古代人根据经验寻找铜矿,颜色青绿的孔雀石,伏地生长的红色铜草都是找矿的标志。开采后的铜矿石一般需要人为进行挑选,筛出杂质较少的矿石进行初炼,但商代大概主要是从孔雀石铜矿中炼铜,孔雀石含铜量高,也可能不经富选直接入炉冶炼。

  2. 初炼

  铜矿石接下来需要加以破碎,然后与充作燃料和还原剂的木炭一起投入炉中,将温度升至1100℃进行初炼,炼得的铜液凝固即得粗铜。粗铜一般仍含有较多杂质,还需进行下一步精炼提纯。

  3. 精炼

  精炼时,粗铜被放入熔铜设备中进行熔化,且根据所要铸造的器具种类不同,加入一定比例的锡铅等合金成分,来调节青铜的性能。加入锡铅的操作,或称为“调剂”,其分量最早在《周礼·考工记》中有所记载:“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。”

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  精炼铜使用的工具在不同时期,形制多有差异,其中最为人所熟知的当属“将军盔”。“将军盔”为陶质坩埚,周身呈赤红色,由红土烧制而成,因形状与后世倒放的头盔相近,故而被当时参加殷墟考古的工作者取做此名,下图即为安阳出土“将军盔”。精炼时,粗铜与木炭便是置于其中,在炭火之上或陶窑之中加热,某些出土的坩埚片上还留有小孔,专家推测可能是曾连接陶管,向内鼓气助燃之用。

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  安阳殷墟出土“将军盔”

  关于精炼时的炉温,《周礼·考工记》也有文字记载:“凡铸金之状,金与锡黑浊之气竭,黄白次之;黄白之气竭,青白次之;青白之气竭,青气次之;然后可铸也。”在这里“金”即指铜,铜锡合金在精炼过程中,先是原料中所附着的碳氢化合物进行燃烧,生成黑浊的气体;接下来随着温度的升高,一些氧化物、硫化物和金属挥发出来,形成黄白、青白之气;当这些杂质都气化挥发之后,火焰呈青色时,青铜就制得了。“炉火纯青”一词就来源于此,指青铜精炼时的火候温度,这种根据火焰的颜色来进行判断的方法,也被视为化学中火焰鉴别法的开端。

  青铜冶炼在中国的发展

  在中国,青铜时代大体是指夏商周三代,此时世界范围内的青铜冶炼工艺均为火法炼铜,这一面貌直至我国湿法炼铜的技术发明后才被改变。最早在西汉刘安的《淮南万毕术》中曾有“曾青化铁为铜”的记载,曾青又称胆矾,指天然硫酸铜或其他可溶性铜矿物。将铁放入胆矾溶液中,发生置换反应,胆矾里的铜离子被金属铁置换制得单质铜,其化学反应式如下。到宋代时,湿法炼铜被广泛应用于生产,并成为我国生产铜的主要方法之一。

  在我国,青铜不仅与生产生活息息相关,青铜器还成为了祭祀和权力的代言。青铜礼器要按照阶级来使用,不可越级;传说中大禹铸造九鼎,夏、商、周三代流传,成为王权的象征,“问鼎”一词沿用至今。青铜文明在整个中国历史长河中熠熠生辉,透过一件件精妙绝伦的器具,我们穿越了时光的限制,望见千年前的吉光片羽。

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