中國(guó)古青銅器表面富錫銅鎏鍍及鎏焊的工藝探索第三部分──鎏焊

吳元康，儲(chǔ)榮邦

（1.東南大學(xué)材料學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.南京七二四研究所，江蘇 南京 210013）

【發(fā)展論壇】

中國(guó)古青銅器表面富錫銅鎏鍍及鎏焊的工藝探索第三部分──鎏焊

吳元康1,*，儲(chǔ)榮邦2

（1.東南大學(xué)材料學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.南京七二四研究所，江蘇 南京 210013）

鎏焊是從鎏鍍衍生而來(lái)的。闡述了鎏焊的定義、特點(diǎn)、應(yīng)用和意義。設(shè)計(jì)了用于制作組合青銅器的鎏焊工藝，給出了焊料、焊劑配方，說明了前處理、加熱驅(qū)汞及后處理的操作方法。以西漢云南納貢場(chǎng)面青銅貯貝器為例，介紹了鎏鍍與鎏焊工藝的具體實(shí)施過程。提出了鑒別古青銅器是由失蠟鑄造后鑄焊而成還是由分鑄小件銅焊而成的方法。

青銅器；富錫銅；鎏焊；貯貝器

1 從鎏鍍工藝中衍生而來(lái)的鎏焊工藝

現(xiàn)代熱鍍鋅或熱鍍鋁的過程中，鍍件若從浴液中取出時(shí)相互接觸，則冷卻后在接觸處會(huì)出現(xiàn)焊合的現(xiàn)象。其原理實(shí)質(zhì)與釬焊相同。因此，鍍件出浴時(shí)要嚴(yán)防相互接觸的現(xiàn)象發(fā)生，需用鐵鉤將其分開。

古人在把鎏鍍了富錫銅汞齊的青銅器放到爐內(nèi)加熱驅(qū)汞時(shí)，若不用范板把青銅器上下隔開，而是上、下擺放，則上層的鎏鍍液在驅(qū)汞加熱時(shí)就會(huì)流到下層的青銅器上，它們就會(huì)釬焊在一起，很難分開。由此，古人就發(fā)明了另一種釬焊工藝──鎏焊。

2 古代青銅器中存在銅釬焊工藝

對(duì)于古青銅器上存在銅釬焊工藝的狀況，多數(shù)專家都予以肯定。文獻(xiàn)[1]指出，“春秋中期及其后分鑄的發(fā)達(dá)，實(shí)際上主要是焊接技術(shù)的發(fā)達(dá)。這一時(shí)期可見怪異的附獸、精密的鏤空、多變的蓋頂裝飾，都是焊接技術(shù)的結(jié)果”，“從鑄造技術(shù)發(fā)展的歷程看，戰(zhàn)國(guó)時(shí)期使用銅焊似乎是無(wú)疑的”，“分別鑄出器物主體和附件，然后以鑄焊或焊料焊接的方式連接主體和附件”。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為“中國(guó)古代釬焊有軟釬焊和硬釬焊兩種，前者約發(fā)明于春秋，后者約發(fā)明于戰(zhàn)國(guó)”及“有的曾侯乙墓青銅器在強(qiáng)度要求較高的部位還使用了銅焊，這是中國(guó)古代最早的硬釬焊”。筆者認(rèn)為此時(shí)期的銅焊即是鎏焊。

3 鎏焊的定義、應(yīng)用及意義

鎏焊是一種用富錫銅鉛粉及汞調(diào)和成汞齊作焊料的硬釬焊，它不是汞齊焊，而是用汞作臨時(shí)載體的銅錫鉛釬焊。焊縫焊料中的汞通過加熱的方式被驅(qū)除，最終只有不到0.5%的汞以雜質(zhì)的形式存在。

鎏焊的焊接溫度為550 ～ 600 °C(驅(qū)汞溫度)，由于溫度高于450 °C，因此是硬釬焊。

鎏焊縫中焊料的最終物相應(yīng)以 Cu3Sn(ε)、Cu6Sn5(η)和 Cu31Sn8(δ)銅合金相為主，伴有少量 Sn和Pb的軟質(zhì)相。

鎏焊工藝的發(fā)明使得許多造型復(fù)雜，有眾多鏤空附飾件的青銅器精品在2 000多年前就呈現(xiàn)于世。

4 鎏焊的特點(diǎn)

(1) 鎏焊料中的汞是臨時(shí)載體，能把富錫銅粉配成漿料，在室溫下將其涂在兩件青銅器的被焊表面上，然后把兩青銅件粘接在一起。當(dāng)汞用量較少時(shí)，粘接面的汞齊焊料會(huì)固化，使兩被焊件不易脫落。汞最后通過加熱驅(qū)汞工序從焊料中逐出。

(2) 鎏焊件可以一次把眾多小單元分鑄附件焊在一個(gè)較大的主體上，但焊接件必須上下疊放(小焊件壓在大件上)，使焊縫始終處于壓力下。因此，焊縫應(yīng)當(dāng)是水平的或只傾斜一個(gè)很小的角度，以免焊液在焊接時(shí)流失過多。

(3) 鎏焊料在焊接驅(qū)汞加熱時(shí)會(huì)因汞的排出而減少。因此要求焊件不可因擺放不當(dāng)而歪倒。

(4) 焊后鎏焊縫與被焊青銅器的化學(xué)成分是相同的，都含Cu、Sn和Pb，但焊縫中的錫含量比被焊青銅器中的錫含量高，焊縫料的抗拉強(qiáng)度比青銅器的低很多，可通過增加被焊面積來(lái)彌補(bǔ)。

(5) 復(fù)雜青銅器組合件可以多次進(jìn)行鎏焊操作，后續(xù)的鎏焊工序不會(huì)降低或影響之前已鎏焊過的青銅器的焊縫性能，只會(huì)因高溫加熱而起到消除鑄造缺陷、降低焊接應(yīng)力的良好作用。鎏焊工藝使在爐內(nèi)整體加熱的青銅器不易產(chǎn)生應(yīng)力變形。

(6) 鎏焊時(shí)，初始焊料汞的流失使焊縫壓縮，因此鎏焊一般不用于大型鑄件的插接和套接。這樣古代才有鑄焊、澆注錫焊等多種焊接形式存在[1]。

5 仿鎏焊組合青銅器的工藝設(shè)計(jì)(僅供參考)

5. 1 鎏焊工藝

5. 1. 1 鎏焊料與焊劑

鎏焊料配方：選用本文第二部分[3]給出的1號(hào)或2號(hào)鎏鍍料均可，3號(hào)鎏鍍料含錫量太高，不宜用作鎏焊料，以1號(hào)鍍料成分為最佳，即Cu 42.5%、Sn 55%、Pb 2.5%(破碎為200目細(xì)粉)。

鎏焊劑的配方：5% NH4Cl，15% ZnCl2，余為水。古人釬焊時(shí)不用釬劑，因?yàn)楣辖鸩挥免F劑也能完成鎏焊。

5. 1. 2 前處理

(1) 對(duì)青銅器被焊面進(jìn)行打磨與研磨，使兩個(gè)被焊件在擺放時(shí)能很好地平穩(wěn)接觸。若多件青銅器同時(shí)焊接，則打磨后的各被焊面須能平穩(wěn)地?cái)[放在一起(像累積木塊一樣)而不搖動(dòng)或歪斜。必要時(shí)，用卯榫接頭形式。

(2) 把1號(hào)合金粉作為鎏焊料與汞按質(zhì)量比1∶1調(diào)勻，混合成漿狀。若汞少則再加一些。

(3) 在青銅器被焊面上用刷子涂一薄層焊劑。

(4) 在被焊面上涂一層鎏焊料，兩個(gè)被焊面都刷涂，不能涂太厚，但要均勻。

(5) 把被焊小件放置在大的青銅件上，也可同時(shí)放置多個(gè)花紋單元與組合小件于青銅大件(如銅梗)上，但必須上下壓放，不可左右并排放置。放置后，用力壓一下使接觸均勻，待加熱驅(qū)汞。

5. 1. 3 加熱驅(qū)汞

(1) 把待焊組合件粘接好，再逐件放入爐中擺放平穩(wěn)，不可疊壓。由于汞調(diào)配較少，此時(shí)組合件中鎏焊料已漸固化，不易掉落。

(2) 把爐子加熱到200 °C，保溫10 min左右。此時(shí)Sn和Pb都會(huì)熔于汞中，使焊料變稀，焊縫中存在(Hg+Sn+Pb)的液體和 Cu6Sn5(Hg)x的固體粒子，被焊面的基體上也會(huì)形成薄層的Cu6Sn5(Hg)x固相粒子。注意觀察被焊件之間有無(wú)歪斜、不穩(wěn)的現(xiàn)象，若有則及時(shí)調(diào)整。

(3) 緩慢加熱到汞的熔點(diǎn)360 °C以上時(shí)，汞開始大量蒸發(fā)，但不會(huì)立刻蒸發(fā)完。爐溫加熱到415 °C以上時(shí)，Cu6Sn5(Hg)x分解3Sn(L)]，析出Cu3Sn(Hg)y粒子和錫(含Cu 8%)液。由于汞的存在，Cu3Sn中也會(huì)有少量的汞，這些汞與Cu6Sn5(Hg)x中的汞一樣，并不是組成了三元化合物，而只存在于銅錫化合物的晶體缺陷(如空位、位錯(cuò)、晶界)之中，因此含量不多。

(4) 加熱到415 °C以上后于550 °C保溫30 min，完全驅(qū)汞并最終形成以δ、ε和η相為主的銅焊縫。由于焊縫中汞的大量蒸發(fā)以及錫液的流出，且上面的青銅件壓在焊縫中，會(huì)有Sn合金(含Cu、Pb和微量Hg)的液體流淌下來(lái)，焊縫變得更為細(xì)密。文獻(xiàn)[4]指出曾侯乙尊盤中“被熔化的銅料堆積在下面形成了圓形的銅豆；……逐漸熔化的銅流下來(lái)凝固在小紋飾上?！筮叺男〖y飾被燒變了形”，說的就是鎏焊料加溫時(shí)流淌下來(lái)，有的還侵蝕基體材料的現(xiàn)象。實(shí)際上，這些流淌下來(lái)的“銅豆”包含了眾多焊料及焊接加熱工藝參數(shù)的信息。譬如，“銅豆”表面可測(cè)得Sn、Cu和 Pb的含量，應(yīng)當(dāng)是與基體成分含量所不同的富錫銅合金。從“銅豆”的EPMA相分析結(jié)果可知，應(yīng)當(dāng)有ε相和富錫相。由于“銅豆”冷卻較快，未能形成η相，則從富錫相中的錫含量可知其當(dāng)時(shí)鎏焊加熱的溫度。對(duì)“銅豆”心部截面成分進(jìn)行EPMA相分析，則可能測(cè)得微量的汞，而銅豆表面的汞早已逸去，不大可能測(cè)得出來(lái)。

(5) 保溫結(jié)束后，鎏焊青銅器隨爐冷卻至室溫后取出。檢查焊接分鑄件有無(wú)脫焊、歪斜或脫落的現(xiàn)象。若有，則再次鎏焊，或在總裝組合鎏焊時(shí)一起補(bǔ)焊。

5. 1. 4 后處理

鎏焊的后處理與鎏鍍后處理相似：

(1) 用銼刀和鑿子除去焊瘤和毛刺；

(2) 古代用皂角水，現(xiàn)代則可用5% Na2CO3水溶液或銅用工業(yè)清洗劑進(jìn)行刷洗，然后用清水洗凈，晾干或吹風(fēng)機(jī)吹干。

(3) 用砂紙(布)打磨，用絨布加拋光粉手工拋光，平坦處可用手持拋光機(jī)(汽車車身拋光用)拋光至平滑、光亮，最后用清水洗凈。

5. 2 鎏焊與鎏鍍工藝實(shí)例──西漢云南納貢貯貝器

圖1為西漢云南納貢貯貝器[5-6]，1957年云南晉寧石寨山出土，是表面經(jīng)富錫鍍的青銅器之一[7]。它是西漢時(shí)期的貯貝器，即貯存錢幣的器物，器下側(cè)飾有四頭高浮雕臥牛，器的蓋口沿四周飾有21個(gè)少數(shù)民族人和動(dòng)物雕像，形象逼真細(xì)致，人物與動(dòng)物形象都焊于貯貝器蓋上[6]，2 000多年來(lái)牢固無(wú)損，應(yīng)為鑄后銅釬焊所致。迄今，出土了眾多西漢時(shí)期的貯貝器[8-9]，有的兼有鎏金、鎏富錫銅和鎏焊工藝，如四牛騎士筒形貯貝器[9]，被定為國(guó)寶級(jí)青銅器[10]。

圖1 西漢云南納貢貯貝器Figure 1 Western Han Dynasty’s bronze cowry container with tribute-paying figures excavated in Yunnan

5. 2. 1 納貢貯貝器上銅分鑄件的分類

(1) 貯貝器下側(cè)所飾的四頭臥牛，系由失蠟鑄造而成[9]。

(2) 器上部蓋口沿四周裝飾了21位少數(shù)民族先民和動(dòng)物的雕像，系失蠟法鑄造而成[9]，有背簍的、有牽馬的，形象逼真，但都是由個(gè)體焊在貯貝器蓋的口沿外部。

(3) 貯貝器頂蓋是一塊薄片形蓋板，未破損前應(yīng)為完好的高帽狀蓋，蓋頂上原來(lái)是否有雕塑像不得而知，埋在土中 2 000多年因受壓而頂蓋上部遭嚴(yán)重?fù)p壞，而蓋口沿部眾多人物和動(dòng)物雕像并無(wú)受外力作用而損傷的跡象。

(4) 貯貝器身形似銅鼓，素面，其上面焊了許多人物和動(dòng)物作為裝飾。由于連接處為銅質(zhì)，因此筆者認(rèn)為經(jīng)鎏鍍的該貯貝器器身與人和動(dòng)物雕像[7]之間的連接應(yīng)為鎏焊所致。若采用分鑄法很難使薄的青銅器口沿上能鑄牢這么多的人和動(dòng)物形象。

5. 2. 2 仿制時(shí)的鎏鍍與鎏焊工藝

5. 2. 2. 1 鎏鍍與鎏焊前的處理

(1) 對(duì)人物與動(dòng)物分鑄件進(jìn)行打磨，清理干凈氧化皮；把貯貝器上需鎏鍍與鎏焊的部位打磨光潔，除去氧化皮，被焊的接觸面應(yīng)相互嚴(yán)密無(wú)隙配合，放在器身上不歪不倒。為防止歪倒，有的人物和動(dòng)物足部有榫頭，可插入蓋四沿的預(yù)置卯孔中。

(2) 在需鎏鍍與鎏焊的部位刷上一層助鍍(焊)劑(可用15% ZnCl2+ 5% NH4Cl的水溶液)，然后吹干。古人不刷助劑也可完成。

5. 2. 2. 2 刷涂鎏鍍料與鎏焊料

(1) 在人物與動(dòng)物等附件表面涂上一層鎏鍍漿液(可采用1號(hào)或2號(hào)合金粉，加其質(zhì)量1.5 ～ 2.0倍的汞)，可放在陶瓷器皿上刷涂，既不能太厚，也不能漏涂。

(2) 在器身需鎏鍍富錫銅的部位也刷涂一層鎏鍍漿液。

(3) 把四頭銅牛和相對(duì)應(yīng)的器身待鎏焊部位涂上一層鎏焊漿液(同樣采用1號(hào)或2號(hào)合金粉與等質(zhì)量的汞制成的混合漿液)，然后置于爐中，用范條將四頭銅牛斜壓住，避免滑動(dòng)。

(4) 把眾多動(dòng)物和人物的足榫對(duì)準(zhǔn)蓋沿四周的卯孔，在涂焊料后插入卯口中并平穩(wěn)放在貯貝器蓋上，然后平穩(wěn)置于加熱驅(qū)汞爐中。由于操作時(shí)間延長(zhǎng)，被焊件之間的焊料會(huì)變黏稠，因此也防止了焊件歪倒。

5. 2. 2. 3 在爐內(nèi)加熱驅(qū)汞

(1) 把爐溫升至200 °C保溫10 ～ 15 min，開爐門觀察，對(duì)歪斜的被焊件予以調(diào)正。若有漏涂處，可用木板條輕輕刮平整，再緩慢加熱。

(2) 將爐溫升至420 °C，使鍍(焊)料中的汞加速蒸發(fā)。爐子應(yīng)具有抽氣裝置，及時(shí)抽出汞蒸汽，然后在不銹鋼螺旋管中冷凝、回收。此時(shí)，大部分的汞都已逸去，鍍(焊)料的成分為(ε + Sn)合金液，基體會(huì)形成薄層ε相。

(3) 將爐溫升至550 °C保溫30 ～ 40 min，此時(shí)鍍(焊)料應(yīng)是以δ、ε和η相為主的銅合金鍍(釬)料，還含有少量的鉛，均勻分布于各晶粒間。

(4) 爐冷或取出空冷至室溫。

5. 2. 2. 4 鎏鍍與鎏焊后處理

按5.1.4節(jié)所述工藝進(jìn)行。鎏鍍貯貝器局部經(jīng)拋光后將呈銀亮白色，未鎏鍍處理部位呈青銅的金黃本色，金黃和銀白交相輝映，使人賞心悅目。經(jīng)鎏焊的各人物和動(dòng)物，以逼真的形象牢固地附著在貯貝器身上，呈現(xiàn)工藝裝飾美。

6 古青銅器是由失蠟鑄造后鑄焊而成還是由分鑄小件銅焊而成的鑒別

一件古青銅器是由分鑄件鑄焊的還是經(jīng)分鑄件銅焊工藝而成的，可采用下列步驟來(lái)分析：

(1) 把認(rèn)為是焊料的物質(zhì)，取一小粒下來(lái)進(jìn)行能譜成分分析。若含錫量與青銅基體一致，則說明是銅液澆注焊接的，其含錫量應(yīng)在 20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下，再考慮到鉛的存在，Sn/Cu質(zhì)量比也應(yīng)在1/4以下；若焊料的含錫量在35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上，或Sn/Cu質(zhì)量比在1∶2以上，則說明焊料成分與青銅基體不一致。焊料與基體所含的化學(xué)元素相同但含量百分比不同的情況，在現(xiàn)代硬釬焊中較普遍。

(2) 對(duì)認(rèn)為是焊料的物質(zhì)進(jìn)行掃描電鏡(SEM)或X射線衍射(XRD)分析[11]。若測(cè)得其中的物相組織為銅(α)及(α + δ)共析體，則說明系青銅基液體澆注而成。若測(cè)得液滴中的物相組織是ε、δ、η′及少量Sn(或SnO)與Pb，則是釬焊料成分無(wú)疑，因?yàn)榍嚆~基體中既不存在ε相及η′相，也不存在δ組織。

7 結(jié)語(yǔ)

(1) 鎏鍍件驅(qū)汞加熱時(shí)若上下疊放，鍍液向下流淌會(huì)使下方鍍件與上面的鍍件鎏焊在一起。鎏鍍發(fā)明后促使了鎏焊的發(fā)明。鎏鍍和鎏焊都工藝簡(jiǎn)單，操作方便。

(2) 先秦時(shí)期在古青銅器分鑄件中采用的銅焊工藝，實(shí)質(zhì)是用富錫銅汞齊作焊料的鎏焊工藝，屬于銅合金硬釬焊。

(3) 一些鎏鍍料可作鎏焊之用。與鎏鍍一樣，鎏焊也用汞作臨時(shí)載體，與富錫銅粉料汞合成一種具有黏性的漿料，可使待焊的大批量小單元花紋分鑄件在鎏焊前粘在銅條上而不致滑落，形成累積木形式的鏤空花紋圖案。但貯貝器蓋上的人物與動(dòng)物鑄像不能平穩(wěn)擺放，故需在足底加榫頭插入蓋的卯孔中進(jìn)行鎏焊。焊縫經(jīng)驅(qū)汞工藝后，微量的汞以雜質(zhì)形式存在，不影響其力學(xué)性能。

(4) 鎏焊料的相成分主要是δ、ε和η′相，青銅基體為α和由α、δ兩相交替組成的(α + δ)共析體組織，沒有δ組織。(α + δ)共析體與δ相的組織形態(tài)不同。由物相的不同，可區(qū)分是青銅基體還是鎏焊料。

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Technological study on amalgam coating and brazing of tin-rich copper on surface of bronze wares of ancient China—Part III. Amalgam brazing //

WU Yuan-kang*, CHU Rong-bang

Amalgam brazing is derived from amalgam coating. The definition, characteristics, application, and significance of amalgam brazing were expatiated. A process of amalgam brazing for producing combined bronze wares was developed. The compositions of brazing material and flux were given. The operations of pretreatment, mercury removal by heating, and post-treatment were described. The implementation of amalgam coating and brazing processes was introduced taking the Western Han Dynasty’s bronze cowry container with tribute-paying figures excavated in Yunnan as an example. The method for distinguishing whether an antique bronze ware is produced by cast welding after lost-wax casting or by copper brazing with separated small cast parts was presented.

bronze ware; tin-rich copper; amalgam brazing; cowry container

Institute of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China

TG178; K786.41

B

1004 – 227X (2012) 08 – 0053 – 04

2011–11–14

2011–12–31

吳元康（1937–），男，教授，主要研究方向?yàn)椴牧系臒峤?鋁、鋅及錫)和銅基形狀記憶超塑性合金等，業(yè)余研究古青銅劍和銅鏡。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) njodzp@yahoo.com.cn，(Tel) 025–86272091。

[ 編輯：溫靖邦 ]