湖北宜城跑马堤墓地出土铜器的科学分析研究

刘建宇，肖梦娅， 王 璐， 王颖琛，刘 煜

(1. 故宫博物院，北京 100009； 2． 北京科技大学科技史与文化遗产研究院，北京 100083；3． 中国社会科学院考古研究所，北京 100710)

0 引 言

跑马堤墓地是位于湖北省宜城市郑集镇的一处战国至汉代墓地。该墓地出土了大量青铜器，器类丰富，包括容器、兵器、车马器、日常用器等，其中尤以汉代铜器居多。以往青铜器技术研究的关注点多集中在先秦时期，对汉代及以后的青铜器则不大重视。这使得对汉代以后青铜器的技术特征知之甚少，尤其对于在青铜器的功能随着时代的变迁而发生改变的历史过程中，青铜器制作技术的发展演变规律的认知是不够全面的，进而使得对于中国古代青铜器制作技术发展演变史的构建存在缺环。而湖北宜城跑马堤墓地出土的大量青铜器则为研究从战国到汉代青铜器的制作技术变迁提供了系统性的资料。为此，在湖北省宜城市博物馆的大力支持下，本研究专门选取了跑马堤墓地出土的部分有代表性的铜器，进行科学检测分析，以期为这一阶段的考古学和金属技术史研究提供资料，并为中国古代金属技术史演进序列的补充完善提供科学数据。

1 实验样品和方法

本研究共对跑马堤墓地出土的32件铜器进行了取样分析，共取得金属样品41件。取样工作严格按照既尽量避免对器物整体形貌产生影响，又能满足分析需要的原则进行。取样器物均为残损器物，样品尽可能小，取样部位均在器物的残损处，并拍照记录。经取样的铜器分别来自于11座墓葬，其中包括M1、M16、M45等三座战国晚期墓葬，以及M4、M13、M24、M26、M35、M39、M49、M54等八座西汉墓葬。经取样的铜器有鼎、钫、壶、釜、甑、鍪、盆、匜等容器15件，钺、剑、矛、戈、镞等兵器8件，马衔、盖弓帽等车马器3件，镜、合页、刻刀等其他日用类器物6件，基本上涵盖了该墓地出土的常见器类。取样器物名称及出土编号、墓葬年代、取样部位和样品编号详见表1。

综合考虑器物类型及取样部位等因素，选定合适的分析截面按标准程序制备金相样品，而后使用浓度为3%的三氯化铁盐酸乙醇溶液进行浸蚀。采用Leica DM4000M金相显微镜对浸蚀后的金相样品进行显微组织观察并拍摄金相照片。观察后的样品需重新抛光，并进行表面喷碳处理。而后置入配置有能谱仪的扫描电子显微镜中，进行观察和微区化学成分分析。成分分析所用仪器为ZEISS EVO18扫描电镜及其配置Bruker X Flash Detector 5010能谱分析仪，能谱分析采用无标样定量成分测定方法，分析条件设定为加速电压20kV，工作距离10mm，激发时间≥60s。考虑到铜器样品存在成分偏析和锈蚀等因素，分析时尽量选取锈蚀较少的不同部位进行多次分析，而后取平均值代表该样品的成分组成，金相观察及成分分析结果详见表2和图1～14。

表1 跑马堤墓地出土铜器取样统计表

表2 跑马堤墓地出土铜器样品的元素成分分析和金相组织鉴定结果

(续表2)

(续表2)

图1 钺(M1：34)銎口样品金相组织

图2 合页(M1：36)兽形叶片样品金相组织

图3 刻刀(M16：33)器身样品金相组织

图4 剑(M16：31)刃部样品金相组织

图5 戈(M16：28)器身样品金相组织

图6 镞(M16：35)刃部样品金相组织

图7 镜(M16：18)镜扣样品金相组织

图8 镜(M16：18)镜面样品金相组织

图9 镜(M24：12)镜面样品金相组织

图10 镜(M49：11)镜缘样品金相组织

图11 匜(M39：6)口沿样品金相组织

图12 盆(M39：20)器壁样品金相组织

图13 炉(M39：7)腹部样品金相组织

图14 钫(M39：8)腹部样品金相组织

3 分析结果

金相分析结果显示，经分析的41件铜器样品中有35件为铸造组织，2件为铸后受热组织，3件为热锻组织，1件为热锻冷加工组织。其中21件战国晚期铜器样品中，M1：34钺銎口样品显示为热锻冷加工组织，其余皆为铸造组织。20件西汉铜器样品中，M4：2蒜头壶腹部样品、M39：8钫腹部样品显示有铸后受热现象，M39：6匜口沿样品、M39：20盆器壁样品、M39：7炉腹部样品显示为热锻组织，其余皆为典型的铸造组织。

成分分析结果显示，所分析的41件铜器样品中，9件为铜锡二元合金，32件为铜锡铅三元合金。其中，战国晚期铜器样品有8件铜锡二元合金，13件铜锡铅三元合金；西汉铜器样品有1件铜锡二元合金，19件铜锡铅三元合金。除去部分样品因锈蚀严重导致显示锡铅含量较高以外，战国晚期铜器样品的锡含量基本在15%左右。另外，M16：18铜镜、M16：33刻刀、M16：29矛的锡含量都大于20%，属于超高锡青铜；铅含量则大多小于10%，仅有M1：30构件、M16：22盖弓帽、M16：8鼎等3件器物样品的铅含量大于10%，其中M16：8鼎盖口沿样品的铅含量高达25.7%。西汉铜器样品的锡铅含量变化范围较大，M39：6匜、M39：20盆、M39：7炉等3件铜器样品因锈蚀严重，锡含量显示较高，而M24：12铜镜、M49：11铜镜则属于超高锡青铜，锡含量在20%以上。此外，其余铜器样品的锡含量在2.6%～13.8%之间，铅含量在2.5%～19.3%之间。另外，部分样品的平均成分中还可见少量的硫和铁。

4 讨 论

4.1 战国晚期铜器的技术特征

本次共分析了17件战国晚期铜器，包括3件容器、7件兵器、3件车马器及其他杂类器物4件。

显微组织特征方面，仅有一件铜钺的銎口样品显示为热锻冷加工组织，其余皆为典型的铸造组织。材质类型方面，有锡青铜8件，铅锡青铜9件。其中3件容器均为铅锡青铜。7件兵器中有6件锡青铜，1件铅锡青铜；其中M16：31剑的材质虽属于铅锡青铜，但铅含量较低，仅有3.1%。3件车马器皆为铅锡青铜。其他器物中M1：36合页和M1：30构件为铅锡青铜，M16：33刻刀为锡青铜，M16：18铜镜镜扣为铅锡青铜，镜面部分为锡青铜。其中兵器几乎都是锡青铜，锡含量在15%左右；另外，刻刀和铜镜镜面也是锡青铜，锡含量高达27%。锡的加入可以降低铜合金的熔点，拓宽结晶温度范围，并且随着锡含量的提高，铜合金的机械性能也相应提高，而且还可使铜合金获得银白色的光泽。因而铜锡二元合金适于制作对机械性能有较高要求的兵器和工具以及要求有较高光泽度的铜镜。而铅加入铜锡合金会降低青铜合金的机械性能，但可以增加合金的流动性，提高铜液的充型能力，更适于用来制作青铜容器。从分析结果来看，跑马堤战国晚期铜器的器物类型与合金材质之间有较明确的对应关系，表明该批铜器的制作技术达到了较高的水平。

4.2 西汉铜器的技术特征

本次分析的15件西汉铜器，包括12件容器，1件兵器，2件铜镜。该批铜器的成型工艺仍是以铸造为主，其中M4：2蒜头壶腹部样品、M39：8钫腹部样品显示有铸后受热现象，但受热温度不高。其中M39：8钫盖立耳样品则是典型铸造组织，受热组织或许是在使用或埋藏过程中偶然形成的。另外，值得注意的是，该批汉代青铜容器中M39：6匜、M39：20盆、M39：7炉等三件容器样品的金相组织都显示为α等轴晶和孪晶组织，为热锻加工制成。

材质类型方面，该批西汉铜器以铅锡青铜为主，仅有1件铜镜为锡青铜。除去3件锈蚀严重的样品以及2件锡含量较高的铜镜外，其余铜器样品的锡含量在2.6%～13.8%之间，且大多在10%以下，铅含量则在2.5%～19.3%之间。与该墓地出土的战国晚期青铜器比起来，西汉铜器的合金元素含量总体较低，而且变化范围较大，部分铜器中铅含量还高于锡含量。

4.3 热锻技术

本次分析的12件汉代容器的成形工艺是铸造与锻造并存。其中，鼎、钫、壶、鍪等器型相对较复杂的或束颈小口的器物都是铸造而成，而匜、盆、炉等敞口器物则采用了热锻工艺。热锻是指青铜器物在再结晶温度以上加工成需要的器型的工艺。铸造青铜合金经过热锻不但可以减薄器壁，节省青铜原料，而且可以使成分有一定的均匀化，并可以消除铸造缺陷。宜城跑马堤墓地的这三件铜器均为铅锡青铜，高锡(大于20%)，且含6%～7%的铅。通常认为，铅会破坏金属基体的连续，在锻打时易造成断裂。因此，用锻造方式成型的青铜器是不宜含铅的[1]。但实际上，甘肃崇信于家湾西周墓[2]、湖北郧县乔家院墓地[3-4]、四川宣汉罗家坝战国遗址[5]以及贵州可乐战国西汉墓地[6]等均出土了含铅的薄壁铜器。

我国古代青铜器的成形工艺以铸造为主，尤其在先秦时期。而锻打技术的使用一般是为了提高器物的机械性能，且主要应用于小件的武器或工具。本次考察的兵器中有一件钺使用了热锻工艺，并有冷加工的痕迹，其他兵器则还是以铸造为主。

根据现有的材料，最早的锻打容器是甘肃崇信于家湾西周墓出土的4件铜盆。但在中原地区，是从春秋中晚期才开始逐渐使用锻打技术制作薄壁铜器[7]。战国晚期至秦汉时期，锻造成型的容器逐渐增多，而且以低锡铜器在200～300℃进行热锻处理为主[8]。这些铜容器很多都出在楚墓，比如湖北包山楚墓[9]、湖北襄阳陈坡M10[10]、荆门左塚楚墓群[11]、随州文峰塔M1、M2[12]等。此外，还包括西安北郊战国晚期至西汉中期墓葬[13-14]、江苏淮阴高庄战国墓[15]、安徽南陵[16]、广州南越王墓[17]、安徽天长三角圩西汉墓[18]等出土的青铜器以及陕北地区出土汉代铜器[19]、北京延庆西屯墓地出土汉代铜器[20]等。

4.4 超高锡青铜的制作工艺

根据锡含量的不同，可初步将锡青铜分为低锡、中锡、高锡、超高锡四类，分别对应含锡量为2%～8%、8%～14%、14%～20%、20%以上的青铜器[21]。如果按照这个分类标准，刻刀和铜镜都是用超高锡青铜制作的。

《考工记·六齐》提到：“五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。”《考工记》这本书被普遍认为是春秋战国时齐国的官书。“六齐”反映了这一地区人们对铜器合金配比和器类之间关系的认识，虽然并不能涵盖所有商周时期使用的铜器合金类型，但在大的趋势上其认识有科学性[22-23]。按照有些学者的推算，削杀矢是指一种工具，含锡量达到28.6%，而铜镜的含锡量达到33.3%[24]。尽管本次测量的削刀和铜镜的含锡量略低于上述数据，但也都达到了20%以上。当然，“削杀矢之齐”的提法可能有误，因为《考工记》里有“筑氏为削”、“冶氏为杀矢”，显然它们并不是一类。“杀矢”是箭镞，显然不需要用超高锡青铜来制作，而应归入“戈戟之齐”里面。

使用高锡青铜制作铜镜，可能有两方面的考虑，一是高锡青铜颜色白亮，比较美观；一是高锡青铜强度和硬度都较高，易于磨拭[25]。

通常认为，锡含量达到18%以上，硬度达到最大值，延展性则急剧下降，需要采用热处理来改善性能。高锡青铜常常采用热锻淬火的工艺。关于高锡青铜淬火工艺，中国古代文献中曾有零星记载。宋苏轼《物类相感志·杂著》记有： “锡铜相合，硬且脆，水淬之极硬”。明李时珍在《本草纲目》“金石·锡铜镜鼻”中记有：“铜锡相和，用水浇之极硬”。但铜镜是否经过淬火处理，存在争论。何堂坤认为从战国到五代，大部分铜镜都经淬火[26]，但孙淑云等经检测和模拟实验，认为铜镜都是高锡青铜铸造而成[27]。经检测宜城跑马堤墓地出土的几面铜镜，无论是战国的还是西汉的，均是高锡青铜的铸态组织，未经热处理。

但是很多工具刃具类的器物，采用这类高锡甚至超高锡青铜制作，仅在刃部进行淬火、回火等处理，其余部分仍是铸态组织。比如云南个旧石榴坝出土的战国铜刻刀，含锡30.1%，为铸造组织[28]；河南叶县许灵公墓出土的刮削器，含锡量高达33.7%，该器的金相组织为α+δ，有明显的针状析出物，与广东罗定出土的含锡19.5%的篾刀的金相组织非常接近，后者被认为具有激冷处理的特征[29-30]；此次分析的跑马堤战国墓出土的M16：33刻刀亦有类似的组织特征。比如江西新干商代大墓出土的青铜刻刀是δ相，有可能经过退火处理，但仍是铸态组织[31]。

5 结 语

本项工作共对宜城跑马堤墓地出土的17件战国晚期铜器以及15件西汉铜器进行了元素成分分析和金相组织观察，分析结果显示：

战国晚期铜器的材质以铅锡青铜和锡青铜为主，其中兵器和工具的材质主要是锡青铜，而容器和车马器则全部是铅锡青铜。或许可以表明该批铜器的制作者能够根据不同的器物类型对合金材质有意识地进行不同的选择；西汉铜器的材质以铅锡青铜为主，合金元素总量相对于战国晚期铜器要低，而且变化范围较大。

战国晚期铜器和西汉铜器都是以铸造为主。值得注意的是，此次分析发现3件汉代青铜容器为锻造而成，锻造容器最早见于西周，至战国及汉较多出现。研究显示，锻造容器大多是盆、盘、釜、甑、匜等敞口器物，而且器壁都较薄。

致谢： 本研究的现场考察和取样工作得到了武汉大学张昌平教授、湖北宜城博物馆各位领导及同仁的关心与支持，实验分析工作得到了英国剑桥李约瑟研究所梅建军教授、北京科技大学陈坤龙副教授、北京大学陈建立教授的支持与指导，中国社会科学院考古研究所常怀颖博士在取样过程中给予了帮助，谨此一并致以衷心感谢。