一批长安汉镜的金属技术研究
发布时间：2019-10-12
摘要：分析了一批长安(今西安)地区西汉至魏晋时期铜镜的合金成分和金相组织。结果显示，这些铜镜全部为含铅高锡青铜材质，其合金成分符合典型的汉镜合金配比。不同时期铜镜的成分较一致，反映了合金技术的稳定性。这种成熟的汉镜合金配比应形成于西汉中期，并为后世所继承。这批铜镜均为铸造成型，未受到淬火处理。结合历史信息和现代地质研究，对长安铸镜业使用锡料的来源进行了讨论。
关键词：长安;汉代;铜镜;合金成分;金相组织
铜镜是中国古代社会常见的生活用品，我国生产和使用铜镜的历史十分悠久，自新石器时代末期一直延续到清代。中国铜镜的生产在汉代达到了高峰，在黄河和长江流域都出土了大量汉代铜镜[1](简称汉镜)。汉镜以繁多复杂的镜背纹饰著称于世，反映了当时的历史文化、审美情趣、宗教思想等，成为考古断代的“标准器”。随着汉文化的传播，汉镜广泛流行于欧亚大陆，在东欧、中亚、北亚、东北亚和东南亚均有出土[2]，见证了古代中国的对外交流。另一方面，由于铜镜的主要功能是映照成像，其制作不同于一般的青铜器，具有复杂的制作流程和较高的工艺要求。汉代能工巧匠们奇思妙想，创造出质量优良、造型精美的铜镜，展现了高超的青铜技艺，为研究汉代冶金史提供了难得的研究素材。
陕西历史博物馆馆藏一批长安(今西安)及附近地区出土和征集的汉代铜镜。其数量之多、种类之丰富、纹饰之精美在全国文博机构中首屈一指，反映了都城地区使用铜镜的基本面貌。本 文 选 取 了34面馆藏汉代 铜 镜，利 用 X 射 线 荧 光(XRF)，扫描 电镜能谱(SEM-EDS)和金 相 显 微 镜(OM)分析 了 铜镜的合金成分和金相组织，讨论了汉镜的合金技术和制作工艺，并对相关问题进行了探讨。
1 样品与分析方法
1.1 铜镜类型和时代
由于汉代墓葬和铜镜的资料多，学界对汉墓的考古分期也较明确，关于汉镜的类型和年代已有坚实的研究基础。参照已发表的相关资 料[1，3]，我们梳理了这34面汉镜的类型和年代，结果见 表1，部分铜镜照片见图1。
这些铜镜的年代大致可划分为西汉、新莽前后，以及东汉三国魏晋三个时期，构成了完整的年代序列。依据纹饰 归纳为8大 类 型，分别是星云纹镜、四乳四虺镜、铭文镜、博局镜、连弧纹镜、夔凤镜、四兽镜和神兽镜。其中神兽镜又可细分为两种：第一种较为常见，神人和神兽围绕镜钮做环绕或向心式构图，外有半圆方枚带，例如 ZY-XA033(图1c)。从出土资料来看，西汉时期全国流行铜镜的类型和纹饰大致相同，东汉中期以后情况有所改变，第一种神兽镜开始大量流行于长江中下游地区，而鲜少出现于黄河流域[1]，长安出土的这类铜镜应是从南方传过 来 的[4-5]。 第 二 种 过 去 曾 被 称 为 “重 列 神 兽镜”[6]，如ZY-XA034(图1d)，与第一种神兽镜的纹饰主题相近，即以高浮雕的手法表现神仙、神兽等，但构图截然不同，以两组横线将镜背纹饰分为平行的三组，因此又被称为“三段式神仙镜”。这种铜镜流行于魏晋时期，非常少见，目前只发现20多面，具有明确出土信息者多见于西安，四川省绵阳市和日本各有一面出土[7]。
1.2 分析方法
鉴于文物样品的珍贵性，我们首先采用大样品室荧光能谱元素分析系统对全部铜镜进行了XRF无损半定量成分分析，以了解这些铜镜的合金类型。对15面已经破损的铜镜，取约10mm3的金属本体样品，依据金相样品标准制作流程进行镶嵌、研磨和抛光，在未腐蚀的样品表面镀碳后采用扫描电镜能谱进行成分分析，以得到镜体的合金成分数据。所用 仪 器 为 JSM-5910 扫 描 电 镜 及 OxfordInstru-ments能谱仪配INCA 分析软件。每件样品至少分析7个微区，取平均值作为最终结果。将样品重新抛光，使用3%三氯化铁盐酸酒精溶液侵蚀后，利用蔡司研究级金相显微镜进行金相组织观察，结合扫描电镜能谱数据解读金相组织。
2 试验结果与讨论
2.1 合金成分
XRF成分分析结果显示所有铜镜均为铜锡铅三元合金，属于中国古代传统的青铜合金技术体系，但是锡的含量比较高。采样铜镜的 SEM-EDS分析数据见表2，结果显示，除 ZY-XA035锈蚀 严 重 外，其余14面铜 镜 保 存 较 好，都 属 于 高 锡 含 铅 青 铜 材质，且成分十分相近：铜 67.93% ～70.47%、锡23.71%～26.63%、铅2.60%～4.23%。这批铜镜的年代虽不同，但合金成分较一致，表明其合金技术具有相当的稳定性。
2.2 金相组织
采样 分 析 的 铜 镜 中，除 ZY-XA035 因 锈 蚀 严重，金相组织不清外，其余14面铜镜的金相组织均较相似。ZY-XA001(图2a)金相组织基体为(α+δ)共析体，α 相呈 针 状、两端尖锐的长条状或不规则状，铅颗粒 均 匀 散 布 在 基 质 中。ZY-XA002与 ZY-XA001近似。ZY-XA003，少量 α相 呈 针 状、条 状、或不规则状 分 布 在 连 成 一 片 的(α+δ)共析 体 基 体中，由于锡含 量 较 ZY-XA001更高，α相更 为 细 小，铅颗粒均匀夹杂。ZY-XA005(图2b)与 ZY-XA003近似，但 较 之α 相 略 粗 大。ZY-XA012(图 2c)与ZY-XA001近似，但α 相数 量 更 多，铅 颗 粒 密 集 分布，有硫化物夹 杂，扫描电镜打点分析结果(图2d)为：a 点 1.93% O、81.67% Cu、16.02% Sn;b 点1.58% O、81.89% Cu、16.10% Sn;c点1.37% O、71.98% Cu、27.83% Sn;d 点 3.24% O、16.20%S、3.24% Fe、65.12% Cu、10.00% Sn、1.15% Pb。
其余铜镜样品的金相组织均为(α+δ)共析体连成一片呈基体状，α相呈针状、条状、或不规则状，铅颗粒独立均匀分布。只是由于铜和锡的含量略有高低不同，α相的 数 量 和 形 态 随 之 稍 有 变 化。金 相 分析显示，这批铜镜的金相组织均为高锡含铅青铜铸造组织，制作工艺为铸造成型。
2.3 讨论
1)中外学 者 已 分 析 过 百 余 面 汉 镜[8-11]，数据 表明，虽然西汉至魏晋长达六个世纪，但汉镜的合金成分始终较一致，合金配比也比较固定。高含量的锡使合金偏向银白色，易于获得清晰的映像。适量的铅可以增加铜液的流动性，利于铸造出精细的花纹。本文的分析结果也与前人的研究相一致，这批铜镜合金配比合理、稳定，体现出汉代铸镜工匠的高超技艺，这种成熟的合金配比应是在长期的生产实践中形成的。
先秦时期的文献《考工记》记录了最早的青铜合金配方“六齐”，其中有“金锡半，谓之鉴燧之齐”的记载。这种说法虽不甚正确，但表明当时古人已认识到铜镜、阳燧一类的器物应使用高锡青铜。我国目前发现的年代最早的铜镜，是出土于青海贵南尕马台遗址的七角星纹镜，属齐家文化，年代大约在公元前2000年，经分 析 含 Cu91.24%、Sn8.76%[12]。自齐家文化至西周晚期，铜镜的铜、锡、铅含量多不稳定，锡的含量也不高，直至战国时期，才逐渐以含铅的高锡青铜为主要材质[8]。为进一步探究典型汉镜合金配比形成的具体时间，我们根据已发表的战国至六朝时期200余组铜镜的成分数据绘制成散点图(图3)。如图3所示，不同时期铜镜的合金成 分有一定的波动：绝大多数西汉中晚期、新莽至东汉时期，以及六朝时期铜镜的数据重叠在一起，落在椭圆区域内，铜锡铅 的 配 比 大 致 在70%∶25%∶5%左右，即为典型的汉镜合金配比。战国、秦时期铜镜的数据却十分离散，大部分落在椭圆区域之外。西汉早期铜镜的数据较少，与战国秦镜相比大为集中，但仍有一些数据较离散。由此可见，汉代以前铜镜的合金技术还极不稳定，西汉早期开始出现统一的趋势，至西汉中期形成了典型的合金配比，并为后世所继承。此后，汉镜稳定而成熟的合金配比技术一直延用到唐五代，直至宋代铜镜的成分又发生了巨大变化，锡 含 量 明 显 降 低，铅、锌 的 含 量 则 大 幅 度升高[8]。
2)关于铜镜的制作工艺，长期以来存在较大的争论，其焦点主要在于中国古代铜镜在铸造成型后是否受到淬 火 处 理[13]。淬火是我国古代一项重要的青铜加工技术，主要用于高锡青铜兵器、响铜乐器和一些日用品，以提高青铜的抗拉强度和延伸率，优化机械性能[14]。关于中国古代铜镜是否淬火，主要有以下两种意见：一种以北京科技大学孙淑云教授为代表，认为 铜 镜 铸 后 未 受 到 淬 火 等 热 处 理[15];另一种意见以中科院自然科学史研究所何堂坤研究员为代表，他们在仔细分析了百余枚铜镜和古代文献记载后提出：从战国到唐代的大部分铜镜铸后经过了淬火 和 回 火 处 理[8]。双方 都 分 析 了 大 量 考 古 样品，并且都进行了模拟试验，但是对铜镜显微组织中是否存在热处理组织有不同的看法。
从本文的试验结果来看，这批长安汉镜的金相组织中并不 存 在β′马氏 体 等 高 锡 青 铜 淬 火 显 微 组织，应未受到淬火处理，为铸造而成。同时代的罗马高锡青铜镜一般含有20%～25%的锡，与中国汉代铜镜成分相近，据研究，这种高锡合金配比可能是通过与中国的贸易传到罗马的[16]，其他国家和地区也有使用高锡青铜制作铜镜的传统。相较而言，本文分析长安汉 镜 的 显 微 组 织 结 构 与 罗 马 铸 造 铜 镜[17]几乎完全相同(图4a)，而明显不同于爪哇岛公元前淬火铜镜(锡 含 量22%)(图4b)[18]。实际 上，除 铜镜之外，具有相近锡含量的铸造青铜器中常见到类似的金相组织，例如湖南出土周代越人铜刮刀的金相组织[19]就与本文分析的铜镜十分类似，只是刮刀不含铅。
3)虽然目前在长安地区未发现铸镜作坊遗址，但是已出土了大量汉镜。《小校经阁金文拓本》曾记载一铸镜石范，据说出自关中地区。作为西汉王朝的首都，不少学者推测西安地区是当时的铜镜生产中心之一[3，20]。本文分析的这些铜镜，应有 相 当 一部分为长安本地铸造。经现代地质矿产调查，就近的金属原料主要蕴藏于秦岭山脉，且只有铜铅而无锡[21-22]，因此长安铸镜使用的大量锡金属资源必定来自于外地。现代地质调查发现，我国的锡矿95%以上位于华南地区[23]。据田建花等[24]学者的综 合研究，先秦时期青铜生产使用的锡料可能来自于江南和西南地区，以及晋南、豫西南、鄂西北、江西、湖南和燕辽等地，其中一些产地一直延用至汉代，例如著名的锡都云南个旧。西汉时期实行盐铁专营，对青铜资源可能也采取类似的做法，《汉书·地理志》记载政府曾在丹阳郡设置铜官，汉镜中有“汉(新)有善铜出丹阳”的铭文，对更加稀有的锡金属很可能也是如此，这种专门的管理制度很可能是长安地区铸镜业充足锡料来源的保障。
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3、结论
1)所有34面长安汉镜均为铜锡铅三元合金，14面采样分析的铜镜均属含铅高锡青铜材质，符合典型的汉镜合金配比。虽然铜镜的具体年代不同，但合金成分较为一致，显示了合金技术的稳定性。通过与前代铜镜的成分数据进行对比，我们认为这种典型的汉镜合金配比应形成于西汉中期，并为后世所继承。
2)14面铜镜的金相组织也较为相似，均为含铅高锡青铜铸造组织，制作工艺为铸造成型，未受到淬火等热处理。
3)铜镜中含有超过20%的锡，说明长安铸镜业使用的锡料来源充足。然而长安附近未发现锡矿，锡料应来自于外地。西汉政府可能对青铜资源有着专门的管理制度，保障了都城地区铸镜业对锡料的需求。参
