铁器文物锈蚀分析及保护的研究综述

赵倩卉

摘 要：中国是一个历史悠久的国度，有着璀璨的文明。铁器继青铜器之后出现，它的出现标志着人类社会生产力的发展和进步，在一定程度上见证了中华民族几千年的文明。一些铁器在出土时锈蚀严重、器物极易破碎，特别是铁器锈蚀的形成和延展是鐵器文物寿命的最大威胁。这个问题非常严峻，铁器文物的一些锈蚀能够使铁器文物质地改变、比重减轻、结构疏松、失去原有韧性和硬度，严重时会发生酥解，其蔓延的趋势很难控制，这样会使铁器文物彻底毁灭和消失。为了控制或根治铁器文物锈蚀这一顽症，国内外学者进行了广泛的研究。因此，弄清其生成机理对文物保护工作有着重要意义。当然，如何保护铁器不受有害锈的危害或减缓有害锈的侵蚀也是文物保护工作中的重要内容之一，本文致力于对前人的研究成果加以综合性概述。

关键词：铁器;锈蚀;腐蚀;保护;环境

铁器的出现是人类历史上划时代的进步。中国目前已知的最早冶炼铁器为三门峡地区出土的虢国玉柄铁剑，年代为公元前800年。从发现之时，研究和保护工作随即展开。

铁器的保护主要是维持器物原型和确保铁质的稳定性。铁器文物表面出现的锈蚀是铁器文物受到不同程度腐蚀破坏而形成的产物。有的器物锈蚀严重，表面布满粉状锈或黄色、土色、褐色、黄褐色锈蚀物，器物表面出现密集度不同的锈坑和锈块，锈层脱落现象比较严重;有的锈蚀可以增加铁器文物的艺术价值，但是有些覆盖在器物表面的锈蚀会掩盖了铁器的纹饰、颜色等，甚至有的锈蚀能够使铁器文物酥粉，从而使其寿命缩短。这样会严重影响器物的重量、器型、质地及纹饰、铭文等;有的锈蚀还会造成器物的粘连，如三门峡渑池火车站出土的窖藏铁器中，有1100多件犁铧冠，由于锈蚀严重，出现了有两三件粘连在一起，最多有6件犁铧冠粘连在一起的情况，这样不能准确测量每件器物的重量、銎口深、插口宽及刃角度等数据，不利于专家学者对器物的进一步研究;有的器物出土时锈蚀严重，器形变形，无法判断，或者铭文模糊不清，无法判断是正写铭文还是反写铭文、铭文属于铸印文还是刻画文，或者器物范线不明显，无法根据现有器物判断出器物冶炼铸造时的场景。

例如，是二分范还是三分范、浇注口位于何处。这些问题都需要我们认真分析铁器锈蚀的生成机理，为器物清理除锈，尽可能还原器物的本来面貌，从而有利于以后研究工作的开展。

一、铁器锈蚀生成机理

铁器作为继青铜器之后在社会上广泛应用的器物，它的出现代表着我国古代社会生产力的巨大飞跃，有着划时代的进步意义。腐蚀铁器菌类有很多，主要是铁细菌（纤毛菌）、硫氧化细菌（氧化亚铁硫杆菌）和硫酸盐还原菌等。铁器的腐蚀机理包括化学腐蚀、电化学腐蚀（铁的电化学腐蚀、铁的氯化腐蚀和铁的硫化腐蚀）以及微生物腐蚀。探讨铁器锈蚀的生成机理，需要考虑其质地和存在的环境两方面因素。

1.铁器的组成成分对腐蚀的影响

铁是比较活泼的金属，化学性质比较活泼，是一种良好的还原剂，熔点为1537℃，在自然界不以单质存在。单质铁的制备一般采取冶炼法，主要铁矿有赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿四类。铁器文物的组织结构包括渗碳体（铁和碳组成的化合物）、铁素体、奥氏体和珠光体。铁器的腐蚀是指铁器跟环境二者之间发生化学、电化学反应而导致的器物损坏和质地材料失效的现象。导致铁器腐蚀的原因很多，主要包括氧化气氛、潮湿环境、酸性环境、可溶性盐和可溶性氯离子。经过专家的多次研究认为铁器文物的腐蚀与其组成的金属元素有关。

2011年8月卢燕玲所著的《铁器文物保护方法综述》发表在《丝绸之路》杂志上，文章中对铁器文物腐蚀因素进行了分析，把铁器文物产生锈蚀的主要原因概括为以下几方面：除了铁器本身的结构缺陷，还包括氧化气氛、潮湿环境、埋藏环境中的可溶性盐、土壤的pH值等，土壤的pH值通常为6～7.5，一般认为在pH值较低的土壤中（pH<4）可以进行析氢的阴极反应结果。所以，酸性土壤的腐蚀性较大。

王蕙贞、朱虹等老师也有此相似观点。他们认为这些因素造成了铁器文物的腐蚀，要对铁器进行封护，使铁器表面形成无炫的致密保护膜，使铁器处于一个干燥无水、无氯、无盐、无有害气体的最佳保护状态。

同时，氯化物是铁器锈蚀的主要因素之一。地下土壤中含有大量的致使铁器腐蚀氯离子，由于自身特性不能形成致密的铁的氧化保护膜，只能形成疏松的腐蚀保护，具有蓄水性。它的存在会大大加速铁器的腐蚀过程。

在pH值较低的环境中，铁器锈蚀生成趋势较强，速度较快。随着局部潮湿环境中碱性基团[OH-]的被消耗，锈化过程更易于进行，使锈蚀呈恶性循环发展。

由于锈体的密度远小于原合金基体，因而锈体形成后，沿着晶间腐蚀沟槽膨胀而出，使铁器变得疏松。此时，外界的Cl-及溶解氧更容易沿晶间进一步深入基体，形成另一个恶性循环。

综合以上的观点，我们可以总结出铁器上生成锈蚀需具备三个基本条件：（1）氧化气氛;（2）潮湿环境;（3）水溶性氯化物。

铁器锈蚀的分析和研究需要通过一些方法进行，主要有：（1）X射线法，可以了解锈蚀分布与范围;（2）探针法，可以判断铁器锈蚀厚度、芯部牢靠程度、锈层下面是否有纹饰;（3）磁性测量法，判断腐蚀程度与分布;（4）密度测定，可以判定锈层厚薄与腐蚀程度。

2.铁器文物的保存环境条件对其腐蚀的影响

除了铁器本身的因素外，所处环境也是令其腐蚀的一个因素。铁器文物的腐蚀机理为包括化学腐蚀、电化学腐蚀（铁的电化学腐蚀、铁的氯化腐蚀和铁的硫化腐蚀）和微生物腐蚀。环境中的氧气、氯离子、水分与铁器表面发生电化学反应而引起的锈蚀。有的锈蚀能够使铁器文物溃烂、穿孔，从而发生酥解。

近年来，由于生产和生活中产生的工业废气、生活燃煤、汽车尾气等污染，空气质量日趋下降，严重危害人们的生存和健康。随着大气中的氮氧化物、硫氧化物、二氧化碳、氯化氢等有害气体的含量越来越多，严重危害人类健康、引起生态失衡的同时，也给博物馆收藏和保护的有形历史文化遗产带来严重威胁。

空气污染物是文物保存使用过程中质地发生改变的最重要的外部因素，目前大气污染物给文物带来的严重影响已经引起各个国家的关注。在外部环境日益恶化的情况下，博物馆藏品受到损害的现象越来越多，呈明显加剧的趋势。在实地调研中发现，由于南北方气候的不同，北方城市大气污染仍是传统的煤煙型污染占主导地位，北方在冬季气温较低、天气寒冷时，人们主要取暖方式仍以煤炭为主，而煤炭的燃烧会对空气造成污染，尤其是煤炭燃烧不充分会产生空气污染物。大量的烟尘包围着库房，空气中二氧化硫浓度高。二氧化硫对金属文物的危害非常严重，它会加速金属的腐蚀过程。与此同时，二氧化硫和烟尘二者并存时，其危害程度会增加3～4倍，因此对文物危害极大。

生物因素也会促进铁器文物腐蚀。微生物对铁器文物腐蚀作用的影响因素是金属文物本身、微生物种类和铁器所处环境。腐蚀铁器的主要菌类有铁细菌、氧化亚铁硫杆菌和硫酸盐还原菌等。微生物以铁质为营养，它能产生有机酸，也能产生有害气体。其中，单质硫和硫化氢都对铁具有强腐蚀作用。因此，在铁器腐蚀过程中，可能存在生物的促进作用。

例如，1974年4月，三门峡渑池县发现的古代窖藏铁器，它位于渑池火车站东南方向，共出土60多种器形的4000多件铁器，总重达3500公斤。它的铸造时间前后相距可能较大，在陇海铁路南的断崖上可见东汉至北朝的文化层。炼渣屑和灰土覆盖窖口，厚度有20厘米。由于封闭性比较好，窖藏铁器保存状况比较良好。因此，保存环境的好坏也会影响铁器文物的腐蚀情况。

二、铁器的保护

1.古代的铁器文物的保护方法

最早记录下来的铁器文物的保护方法是用沥青、树脂、石灰和铅白的混合物来防止铁器文物生锈，在罗马学者和博物馆学家老普林尼的记载中有此方法。在19世纪末期，Rathgen首次提出了只有在保护领域采取研究保护方法才能使文物保护得以更好地发展，他归纳出了一些传统的保护方法，如采用虫漆、亚麻籽油、脂肪和橡胶等对铁器残片进行加固，在铁制文物表面形成涂层，从而有效避免铁器受到损坏。这一发现对于铁器文物保护具有非常深刻的意义。

2.近现代的铁器文物的保护方法

（1）锈蚀的清除

一是机械除锈。机械除锈一般使用各种金属工具或牙科工具，外力手段除去附着在器物表面的锈蚀，适用于锈层较厚或者出现锈块的情形。其他国家发明了机械除锈的工具，推动了这种方法的推广与普及。二是试剂除锈。试剂除锈主要是利用一些化学试剂进行去锈。主要包括弱酸溶液除锈、碱性溶液除锈和水洗法（冷热水交替）除锈。除锈环节进行之后取出器物，大量清水洗净滤纸吸干。除此之外，还有等离子体除锈法、电化学除锈法和激光除锈法。

（2）铁器的缓蚀

铁器缓蚀是指通过化学方法在铁器表面形成一层致密的保护膜，同时不影响文物质感和外观。为了减缓铁器文物的腐蚀速度，需要选择合适的金属缓冲剂。铁器缓冲剂要求无色透明、常温下干燥并且涂层薄、耐气候性。铁器缓冲剂保护法主要有复方缓冲剂保护法、磷酸盐保护法、鞣酸盐保护法和硅酸盐保护法。硅酸盐是一种环保型缓冲剂，硅酸盐保护法是铁器缓蚀常用的一种保护方法，可以有效地去除器物表面的锈蚀。

（3）封护

采用一些特殊的化学试剂使铁器锈蚀区域表面形成一层保护膜，阻止铁体进一步腐蚀，称为封护。表面封护是在铁器表面形成较强的高分子膜。有机硅藻类物质是比较好的材质，但由于费用较高，且封护后器物表面颜色会稍微加深所以常用三氯甲烷或乙酸丁酯溶液在锈蚀上形成一层保护膜。具体为浓度1﹪～5﹪，用软毛刷涂在器物表面，待自然干燥后取出。

（4）器物保存环境的影响

铁器存放环境与腐蚀关系密切，一些墓室密封造成缺氧少水的良好存放环境，出土后馆藏环境好坏也会影响其腐蚀。温度、湿度、空气污染物都对铁器锈蚀的形成产生一定的影响。

第一，温度。环境温度与相对湿度关联，干燥的环境（沙漠）下，气温再高金属也不容易锈蚀。当相对湿度达到临界值时，温度的影响明显加剧，温度每增加10℃，锈蚀速度提高2倍。因此，在湿热带或雨季，气温越高，锈蚀越严重。因此，在铁器文物保存过程中，库房要求低温恒定，温度需要每天24小时保持在20℃左右，以满足保护条件。

第二，湿度。相对湿度对铁器文物腐蚀产生影响，空气中相对湿度越高，金属表面水膜越厚，空气中的氧透过水膜到金属表面作用。相对湿度达到一定数值时，腐蚀速度大幅上升，这个数值称为临界相对湿度。参考国内外学者的研究成果，在库房中铁器文物的保存相对湿度应低于40﹪。

第三，空气污染物。大气中有一些有害气体也会加快器物的腐蚀进程，因此我们要对空气加强监测和预防，减轻有害气体对器物的危害。

总之，铁器存放环境与腐蚀关系密切，一些墓室密封造成缺氧少水的良好存放环境，出土后馆藏环境好坏影响其腐蚀。铁器的存放与保管需要做到以下几点：

第一，防止有害气体、灰尘的侵蚀，采用保护罩。

第二，库房要求干燥，温度20℃左右，湿度40～50﹪（相对湿度低于35﹪更好）、清洁，对已经滋生有害锈的要隔离存放，以防蔓延。

第三，清扫地面和柜架灰尘最好用吸尘器不用扫帚毛掸避免灰尘飞扬。这样才能给铁器文物提供一个相对科学、合理的存放环境，最大限度地减轻锈蚀的出现和危害。

三、结语

综上所述，减轻或者延缓器物锈蚀的发生与蔓延，是文物保护工作者今后工作的方向。不断研究腐蚀物生成的条件和因素，对其加以控制，可以为文物保护工作提供良好的条件。在铁器文物腐蚀研究和保护过程中，要不断研究锈蚀的成分，判断有害锈的性质，其实所谓的有害锈只是暂时还没有发现保护的手段的材料。铁器文物锈蚀分析及保护工作有了长足的发展，取得了很大的成就，但是仍有不足之处，如对埋藏环境的区域性特点和锈蚀产物的区域性特点认识不足，各地采用的保护技术手段基本雷同，缺乏保护的针对性，导致保护效果参差不齐，甚至造成不必要的保护性破坏。

铁器文物的锈蚀分析和保护是一个比较复杂的问题，这需要多学科、多方面的专家、学者进一步的研究和共同努力，从而使文物保护工作取得较大的进展。

参考文献：

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（作者单位：开封市博物馆）