金沙遗址出土铜片的加工工艺研究.pdf

第5 9 卷第1 期 2 0 07 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N O ．1 F e b r u a r y 2007 金沙遗址出土铜片的加工工艺研究 魏国锋h ，毛振伟h ，秦颍h ，王昌燧2 ，龚 明1 b 1 ．中国科学技术大学a 科技史与科技考古系b 力学与机械工程系材料力学行为与设计实验室，合肥2 3 0 0 2 6 ； 2 ．中国科学院研究生院人文学院，北京1 0 0 0 4 9 摘要采用x 射线荧光仪、金相显微镜和扫描电镜等现代检测手段，分析金沙遗址出土铜片的元素成分和金相组织，探讨 其加工工艺。结果表明，铜片为高温热锻成形，其热锻温度范围在5 0 0 ～7 0 0 “ 3 之间，符合现代金属学原理。铜片表面的树形纹饰 是用预先制作的树模在铜片上压印而成。这一研究结果对进一步了解成都平原的青铜加工技术有重要意义。 关键词冶金史；金沙遗址；高锡青铜；热锻；金相分析 中图分类号K 8 5 ；T G l 4 6 ．1 2 ；T G l l 5 ．2 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 1 0 1 1 7 0 4 金沙遗址位于成都市西郊的金沙村、黄忠村一 带，距成都市中心约5 k m ，是成都平原继三星堆遗址 之后又一重大考古发现，出土铜器4 7 0 件以上。金 沙遗址与三星堆遗址相距仅3 8 k i n ，其在时代上晚于 三星堆遗址，约在商代晚期至春秋 前1 2 世纪～前 1 0 世纪 。结合出土遗物，可以初步认定金沙遗址 是三星堆文明衰落之后在成都平原兴起的一个政 治、经济、文化中心，极有可能是古蜀国在商代晚期 至西周时期的都邑所在【l _ 2 I 。 金沙遗址出土铜器残片中，有很多为扁平铜片， 厚度一般在0 ．2 ～0 ．4 m m ，热锻成形旧J 。所测试的 两个铜片，厚度更薄，且表面有树形纹饰。其制作工 艺的研究，对了解当时成都平原的冶金技术水平和 青铜加工工艺有重要意义。 1样品介绍 所用样品为两个残铜片，编号分别为J s t ．1 和 J s t 一2 ，如图1 和图2 所示。两个残片表面均有一薄 层淡绿色铜锈，轻磨后显示基体的颜色为淡黄色。 样品J s t 一1 长度为4 5 m m ，最大宽度1 0 m m ，最小宽度 9 m m ，平均厚度为0 ．1 2 m m 。该铜片上有树形纹饰， 清晰可见。样品J s t 一2 长度为2 5 m m ，最大宽度 7 m m ，最小宽度6 r a m ，平均厚度为0 ．0 9 m m 。该铜 片上无树形纹饰，右端有裂纹。 收稿日期2 0 0 5 1 2 2 3 基金项目国家自然科学基金重点项目 1 0 1 3 5 0 5 0 ；国家社科基金 文博类2 0 0 1 年重点项目 2 0 0 1 0 4 2 作者简介魏国锋 1 9 7 5 一 ，男，陕西高陵县人，博士生，主要从事 冶金考古等方面的研究。 图1 样品J s t ．1 的照片 F i g ．1 P i c t u r eo fs a m p l eJ s t 一1 图2 样品J s t ．2 的照片 F i g ．2 P i c t u r eo fs a m p l eJ s t 一2 2 样品测试方法 将两个铜片的表面局部轻磨，去掉绿锈层，露出 铜本体，以进行成分分析和物相分析。成分分析采 用X R F 一1 8 0 0 型X 射线荧光仪，该仪器配有4 k W 端 窗铑 R h 靶X 光管，管口铍窗厚度为7 5 t t m ，并配以 最大电流1 4 0 m A 的X 射线电源及发生器，高精度 的0 - 2 0 独立驱动系统，双向旋转的1 0 位晶体交换 系统，3 种狭缝可交换，灵敏自动控制系统，为获取 高可靠性的成分数据提供了保证。物相分析采用 万方数据 1 1 8有色金属第5 9 卷 D ／M A X R A 型旋转阳极x 射线衍射仪，工作条件 C u K a 辐射，电压、电流分别为4 0 k V 和1 0 0 m A ；D S ， S S ，R S 依次为1 。，1 0 ，0 ．1 5 m m ；衍射计量范围是2 5 。 ～9 0 。。 将两个样品各剪下一小块，经过镶样、磨光、抛 光，制成金相试样以备用。金相检验采用 X L 3 0 E S E M 扫描电子显微镜和X J L 一0 3 金相显微 镜。扫描电镜工作条件加速电压1 5 k V ，束斑直径 5 n m ，工作距离1 0 n m 。 3 检测结果分析 x 射线荧光分析的结果如表1 所示。从表1 可 以看出，这两个铜片都为高锡青铜，含锡量高达 2 2 ％，含铅量很低。由成分看，这两个铜片应是用同 一种合金材质制作而成。 表1金沙铜片的x 射线荧光分析结果【恍／％ T a b l e1R e s u l t so fX R F a n a l y s i so fc o p p e rs h e e t sf r o mJ i n s h as i t e W ／％ 铸造锡青铜的机械性能随含锡量的增加而发生 变化，见图3 1 3J ，其抗拉强度和延伸率先随含锡量增 加而提高，但当含锡量大于6 ％～7 ％后，由于组织 中出现硬脆6 相，延伸率迅速下降，强度则继续提 高。含锡量超过2 0 ％时，强度与塑性都变得很低， 这是由于组织中出现大量占相造成的。屈服强度 在0 ．5 ％延伸率的压力下 在1 7 ％～2 0 ％锡含量时 增至最大值1 9 ～2 0 t ／i n 2 。布氏硬度随锡含量增加 而增加，至2 5 ％锡含量时达到3 0 0 。因此，现代工业 上，含锡量小于5 ％的锡青铜一般用于变形锡青铜， 含锡大于1 0 ％的锡青铜，适于铸造用[ 4 l 。 冰 婚 曼 制 图3 铸造锡青铜的机械性能 F i g ．3 M e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc a s t i n gt i nb r o n z e s 这两个铜片的厚度分别为0 ．1 2 m m 和 0 ．0 9 m m ，很难铸造成形。应该是先铸成一定厚度 的铜件，再经过锻打而成。根据铜一锡合金平衡相 图【5J ，含锡量为2 2 ％的铸造青铜室温下的金相组织 为a 8 。艿相的特点是硬而脆，不易进行锻造。由 图3 可以看出，含锡量为2 0 ％的锡青铜，其硬度接 近2 5 0 ，延伸率几乎为零，冷加工变形时易打成碎 片。因此，含锡量为2 0 ％的铸造青铜不可能通过冷 加工变形制作成如此薄的铜片。 R ．C h a d w i c k [ 6 】曾对含锡量为5 ％～3 0 ％的青铜 进行锻造试验后指出，铜锡二元合金有两个韧性锻 区含锡量1 8 ％以下的青铜在2 0 0 ～3 0 0 ℃范围内； 含锡2 0 ％～3 0 ％的青铜在5 0 0 - - 7 0 0 ℃温度范围内。 前者的合金组织主要为口相，后者主要是由y 或口 相组成。口，卢和y 相在高温下都具有足够的塑性， 可以进行热加工。这两个铜片的含锡量都为2 2 ％， 如果将之加热至5 2 0 ～5 8 6 ℃或5 8 6 ～7 9 8 ℃时，青铜 处于口 7 或口 卢相区，在青铜的第二个韧性锻区 内，有一定的延展性，可以承受适当的热加工。 _ 蚤 菊孳广1 矿磊菌r 1 F 葫1 r 1 矿秀茼广弋} 一亩 图4 样品J s t ．1 的X R D 谱图 F i g ．4X R Dp a t t e r no fs a m p l eJ s t 一1 两件样品的x 射线衍射结果表明其主要物相 相同。图4 为样品J s t ．1 的X 射线衍射图。将衍射 分析结果与J C P D S 标准数据对照，可以确定铜片的 主要组织为a 固溶体。由于X 射线衍射方法的灵 敏性有一定的限制，并且一组衍射数据不可能包含 所有相的信息，所以常常把它所分析的数据与金相 显微镜分析结果结合起来，才能更好的说明问题。 把准备的金相试样用5 ％的三氯化铁盐酸酒精 溶液浸蚀后，在金相显微镜下观察其金相组织，配合 使用扫描电镜进行微区组织观察，结果显示两个样 品均为热冷加工组织。图5 和图6 是样品J s t ．1 的 0 司 4 3 2 l O 万方数据 第1 期魏国锋等金沙遗址出土铜片的加工工艺研究1 1 9 金相照片和扫描电镜照片。图5 显示样品J s t ．1 的 金相组织为再结晶的d 等轴晶及孪晶，晶粒破碎，铜 片的形变量很大，基体上白色内有斑纹的不规则块 状为 a 艿 共析体。同时，在a 等轴晶粒内存在大 量滑移线。扫描电镜的观察结果 图6 与金相显微 镜的相一致，滑移线更为清楚。这些组织特征表明 铜片在经过高温锻打后，又在再结晶温度以下进行 了冷加工处理。 图5 样品J s t ．1 的金相组织 4 0 0 x F i g ．5M e t a U o g r a p h i c a lp i c t u r eo fs a m p l eJ s t 一1 4 0 0 迹，背面相应部位也稍有凸起。据此，可推测在加工 此树形纹饰时，先制作一个树形的模子，将之放在锻 打成的铜片上压印而成。 金沙遗址出土的铜箔状小戈形器、片状长条的 条形饰、圆角长方形板状器、眼睛形器、菱形器等一 些器物，经热锻加工成扁平状[ 2 ，7 | 。此铜片的用途 是否与制作这些器物有关，尚待进一步讨论。 综上分析，确定这两个铜片的可能制作工艺如 下先用高锡合金铸成一定厚度的铜材，然后将其加 热到5 2 0 ～5 8 6 ℃或5 8 6 ～7 9 8 ℃温度范围内进行锻 打成形。此温度下，青铜处于O t 7 或口 口相区， 易于锻造。随着锻造过程的进行，温度下降，当温底 下降到5 2 0 ℃以下时，进人a 艿相区，由于占相的 脆性，此时不能进行锻打，锻造即结束。在金沙遗 址，就曾发现厚度约为0 ．6 ～0 ．7 m m 的扁平铜 片[ 2 l ，为铸造成形。如将其进一步锻打，完全有可 能加工成厚约0 ．I m m 左右的铜片的。样品J s t 一1 表 面的树形纹饰应是用预先制作的树模，在铜片表面 压印而成。古代工匠凭借经验判断加热及锻造温度 范围，制定了5 0 0 ～7 0 0 ℃的工艺标准符合该金属的 塑性最佳区，避开了带有脆性的艿相，而使合金处于a ，或吐十J 9 相区进行加工，是一项了不起的成就。 4结论 通过研究，可以看出当时金沙遗址居民的冶金 技术和青铜力n - r z 艺已达到了很高的水平，对锡青 铜的机械性能已有了充分认识。在长期的实践中， 当时的工匠已掌握了高锡青铜的热锻技术，所制定 图6 样品J s t ．1 的扫描电镜照片 8 0 0 的热锻温度范围符合现代金属学原理，避开了带有 F i g ．6 P i c t u r eo fS E Mo fs a m p l eJ s t 一1 8 0 0 x 脆性的艿相，使合金处于最佳塑性区。 样品J s t 一1 的表面有树形纹饰，在表面形成向下 凹陷的印痕 图1 ，印痕内很粗糙，没有刀刻的痕 参考文献 [ 1 ] 朱章义，张擎，王方．成都金沙遗址的发现、发掘 与意义[ J ] ．四川文物，2 0 0 2 ， 2 3 1 0 ． [ 2 ] 肖磷，杨军昌，韩汝玢．成都金沙遗址出土金属器的实验分析与研究[ J ] ．文物，2 0 0 4 ， 4 7 8 8 8 ． [ 3 ] H a n s o nD ，D e l l ．W a l p o l eWT ．C h i l l ．C a s tT i nB r o n z e s [ M ] ．L o n d o n E d w a r dA r n o l d C o ．，1 9 5 1 2 4 2 2 4 3 ． [ 4 ] 陆景贤．金属学[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 4 2 3 0 2 3 1 ． [ 5 ] 洛阳铜加工厂中心试验室金相组．铜及铜合金金相图谱[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 3 7 0 7 1 ． [ 6 ] 孙淑云，王克智．中国响铜器的实验研究[ C ] I I ] k 京科技大学．中国冶金史论文集 二 ．北京人民教育出版社，1 9 9 4 7 9 9 3 ． [ 7 ] 金正耀，朱炳泉，常向阳．成都金沙遗址铜器研究[ J ] ．文物，2 0 0 4 ， 7 7 6 8 8 ． 万方数据 1 2 0有色金属第5 9 卷 I n v e s t i g a t i o no nP r o c e s s i n gT e c h n o l o g yo fC o p p e rS h e e t sU n e a r t h e df r o mJ i n s h aS i t e W E IC , u o - f e n 9 1 8 ，M A OZ h e n w e i l 4 ，Q I NY i n 9 14 ，W A N GC h a n g - s u i 2 ，G O N GM i n 9 1 6 1 ．口D e p a r t m e n to fS c i e n t i f i cH i s t o r ya n dA r c h a e o l o g y ，bK e yL a b o r a t o r yf o rM a t e r i a l sB e h a v i o ra n dD e s 留n o fC A S ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a ，H e f e i2 3 0 0 2 6 ，C h i n a ；2 ．C o l l e g eo fH u m a n i t i e s a n dS o c i a lS c i e n c e ，G r a d u a t eS c h o o lo ft h eC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，B e i j i n g1 0 0 0 4 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o m p o n e n ta n a l y s i sa n dm e t a l l o g r a p h i co b s e r v a t i o no nt h 宅c o p p e rs h e e tu n e a r t h e df r o mJ i n s h as i t es i t u a t e di nt h es u b u r bo fC h e n g d o uc i t ya r ec o n d u c t e db yX r a yf l u o r e s c e n c es p e c t r o m e t r y X R F ，m e t a l l o g r a p h i c m i c r o s c o p ya n ds c a n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y S E M ，r e s p e c t i v e l y ．A n dt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d ． T h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h ec o p p e rs h e e t sa r em a n u f a c t u r e db yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fh o t f o r g i n g ，a n dt e m p e r a t u r er a n g eo fh o t f o r g i n gi s5 0 0 ～7 0 0 ℃．T h ew o r k i n gp r o c e s si sc o n s o n a n tw i t ht h em o d e r nm e t a l l u r g i c a lp r i n c i p l e ．T r e e s h a p ed e c o r a t i o no nt h es u r f a c eo ft h ec o p p e rs h e e ti si m p r e s s e du s i n gt h et r e e s h a p em o u l d ．T h i sr e s e a r c h i n ga c h i e v e m e n ti ss i g n i f i c a n tt op r o b i n gi n t ob r o n z ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi na n c i e n tC h e n g d uf l a t l a n d s ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lh i s t o r y ；J i n s h as i t e ；h i g h t i nb r o n z e ；h o t f o r g i n g ；m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s 上接第1 1 3 页，c o n t i n u e df r o mP ．1 1 3 常不断地更新和补充作者队伍。 的时代、信息的社会，知识更新的速度加快，并极大 4 为使作者库具有可持续性，还要注意库中作 地改变着人们的生活。在此时代，谁拥有高质量的 者的层次结构和知识结构的合理性。层次结构主要 优质信息，拥有信息控制的优势，谁就能在竞争中取 指不同职业、资历、年龄、学术水平等；知识结构指行 胜。行业科技期刊也不例外，它的稿件所含信息质 业相关学科的不同学派、专业深度、专业分支等。只 量高，那它就能赢得读者，跨入核心期刊的行列，并 有不同层次结构和知识结构的合理组合，才能在优 产生较好的社会效益。因此，作者库不能一成不变， 化选题、优化信息时作到优选作者。 应该在基本稳定的基础上，瞄准科研发展的前沿，经 C o n t r i b u t o rG r o u pF o u n d a t i o nf o rM a g a z i n eF o c u so nS p e c i f i cI n d u s t r i a lA r e a z H o N GH u a J i a n g x iC o p p e rC o r p o r a t i o n ，G u i x i3 3 5 4 2 4 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t T h ea r t i c l er e s o u r c ei st h en e c e s s a r i l yb a s i cc o n d i t i o nf o ram a g a z i n eo ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fs o m ei n d u s t r i a la r e a ，o n l yt h ea r t i c l er e s o u r c ei sa b u n d a n t ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ep e r i o d i c a li sr e l i a b l e ．H o w e v e r ，t h e e s s a yi sw r i t t e nb yt h ea u t h o r ，t h ee x t e n s i o no ft h ea r t i c l er e s o u r c ei sr e a l l yt of i n dt h ec o n t r i b u t o r s ．T h es i x m e a s u r e so nc o n t r i b u t o rg r o u pf o u n d a t i o ne n h a n c e m e n ta n dq u a l i t yi n t e g r a l l yu p d a t i n ga r ep r o p o s e db yo b j e c t i v e l ya n a l y s i so ft h ep e r i o d i c a l ss t a t u sa n dt h ep r a c t i c eo ft h em a g a z i n ee x e c u t i o n ． K e y w o r d s p e r i o d i c a lo ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ；c o n t r i b u t o rg r o u pf o u n d a t i o n ；m a n u s c r i p t ；a r t i c l e r e s o u r c e ；e d i t i o na n dp u b l i c a t i o n 万方数据