讲座纪要:青铜制造的多种方法(The Many Ways of Making Bronze)

时间:2019-05-10 17:42 点击:
来源:本站原创 作者:王元锴

 

一、背景介绍:锡青铜的定义、起源和研究意义
Thilo Rehren教授首先为我们概述了什么是锡青铜,在对合金进行详细的定义后,他强调有意识合金行为的重要性。锡青铜本身比较容易制造,铜冶炼大约出现在公元前5000年左右,随后锡青铜就出现在东欧的巴尔干地区。对比同一时期地红铜器物,青铜器物的锡含量显著升高,且常伴有砷、镍、锑、铅等元素。锡可能并非由纯矿物或金属锡引入,而是有意使用了复杂共生矿物如黝铜矿[(Cu, Ag)10(Fe, Zn)2(Sb, As)4S13]和黄锡矿(Cu2FeSnS4)等矿物进行冶炼,直接获得青铜。值得注意的是,这一时期的人们很可能在矿石颜色、产地及冶炼产品之间建立了某种联系,例如需要红铜时选用绿色的铜氧化矿石,而需要具有特殊颜色和硬度的合金时则选用其他颜色的矿石。一个有趣的案例是在塞尔维亚西部的Kolubara-Jaričište遗址,发现了冶炼坩埚内附着有一种高磷、高铁的炉渣,其成分正好位于坩埚陶制胎体和当地绿松石之间(图一)。因此可以推测,该遗址的工匠误将绿松石这一绿色矿石当作铜矿石加入冶炼坩埚之中。可见在这一时期,矿石颜色是古人判断其功能的重要依据。

 

图一 Kolubara-Jaričište遗址坩埚、炉渣和绿松石的成分数据
 
二、两种配置锡青铜合金的方法
青铜时代早期,近东地区开始出现少量冶炼金属锡的证据,而到青铜时代晚期之后大量发现的锡金属锭及成分稳定的锡青铜合金证明锡金属和锡矿石的性质已经被完全掌握。这一时期的一个核心问题是锡以什么样的形式被加入合金当中。直接使用金属锡显然能够使得合金成分更加稳定,但金属锡冶炼效率较低,常会有大量锡氧化物进入冶炼渣中(约20%)。如果向铜液中直接添加锡矿石则不会遇到此问题,矿石的利用效率更高,但最终产品的锡含量则较难控制。最为棘手的问题是,如何通过炉渣分析辨别这两种合金化过程。因为无论锡以金属还是矿石的形式加入,除了金属锡颗粒外,都会在炉渣中转化成为大量二次二氧化锡晶体。这些晶体自身的形貌特征无法有效指示其来自金属锡氧化还是二氧化锡矿石的重结晶。
Rehren教授以埃及青铜时代晚期的Qantir遗址熔铜坩埚研究为例,介绍了有关这一问题研究的最新进展。Qantir遗址的年代大约在公元前1250年(拉美西斯二世统治时期),具有一个大型的青铜生产作坊,出土了包括铜冶金坩埚在内的大量遗物。对其坩埚渣层的扫描电镜分析显示,部分样品中的二次二氧化锡晶体存在局部团聚的现象,并保持原始二氧化锡矿石颗粒的形貌,这可能是判断其向铜液中加入二氧化锡矿石的关键证据(图二)。这一现象被其他遗址的研究及模拟实验证实,此外还有学者发现在疑似矿石颗粒的区域内会有少量含钽和铌的晶体,这些元素应该来自锡矿石而非锡金属。由此可见,二氧化锡团簇的形貌以及其微量元素含量可能是判断是否使用锡矿石的关键证据。

图二  Qantir遗址熔铜坩埚渣层的扫描电镜分析。青铜渣中团簇状的二次二氧化锡晶体,其整体形貌可能反映了一个原始加入的二氧化锡矿石颗粒。
 
三、青铜合金高温氧化——另外一种解释
Thilo教授之后又提到,对于锡青铜渣的解读可能非常多样,存在一定不确定性。一个包含金属铜、二氧化锡晶体及其他硅酸盐物相的炉渣既可能来自上述合金化过程,也可能来自青铜合金的高温氧化。他通过模拟实验发现,即使在液化温度以下对青铜进行加热,其表面也会产生大量针状二氧化锡晶体。对于铅锡青铜合金,加热可使其中的铅流失,进而破坏其结构,造成器物的解体。因此,要通过分析炉渣判断一个冶金过程,不仅要关注金属与渣相的物相组成,还要关注各物相的空间分布情况。最后Rehren教授与在场师生展开了积极的互动交流环节,并对每个问题作以详细解答与讨论。

 

记录:王元锴

 

 

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