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子禾子青銅釜文物復制中熔模精密鑄造工藝的運用

來源:中國鑄造裝備與技術 作者:晏德付
發布于:2021-03-23 共7511字

  摘要:熔模精密鑄造源于古代的失蠟鑄造工藝,廣泛應用于現代工業生產。子禾子青銅釜——齊國量具,現藏中國國家博物館,是研究戰國時期度量衡制度及“田氏伐齊”這一重大歷史事件的重要物證。現因異地展陳需要,需對銅斧進行復制。根據器物特征及復制要求,我們以硅橡膠為材料翻制模具,運用熔模精密鑄造工藝制作完成復制品,效果較好。

  關鍵詞:熔模精密鑄造; 子禾子青銅釜; 文物復制; 硅橡膠;

  Application of investment casting in the Replication of bronze cultural relics

  YAN Defu

  Key Scientific Research Base of the State Administration of Cultural Relics for the Protection of Metal Cultural Relics,National Museum of China

  Abstract:Investment casting originates from the ancient lost wax technique and is widely used in modern industry. As the official measuring cauldron of the State of Qi, "Zi Hezi" bronze fu-cauldron is important for understanding the ancient measurement system as well as the witness of Tians' usurping upon the State of Qi. Now we need to replicate the bronze for exhibition. Considering the characteristic of cultural relic and the replication requirement, the silicon rubber has been taken as the mold material,the bronze fu-cauldron has been replicated successfully by use of investment casting process in good effect.

  現代熔模精密鑄造使用可融性材料做成表面光潔和尺寸精準的模樣,表面涂覆耐火材料,干燥硬化后經加溫脫蠟形成型殼,澆注金屬液體得到鑄件。用這種工藝可以制作復雜、精密且接近最終的零件形態,是一種近凈成型的工藝[1],廣泛應用于電動工具、汽車、航空航天等領域零部件的生產[2]。

  中國古代青銅器不論從技術還是藝術角度,都達到了一個高峰,是勞動人民在長期的生產實踐中的偉大發明和創造。其豐富的器物類型、獨特的造型、精美的紋飾,無不閃爍著古人智慧的光芒,是世界文化遺產寶庫中極為珍貴的組成部分。但館藏珍貴青銅文物的資源是有限的,為使有限的文物資源發揮最大化的社會效益以滿足日益擴大的文化需求,制作文物復制品用于展陳和研究是一條可行之路。

  此次因青島市黃島區博物館展陳需求,經國家文物局批準,中國國家博物館為其復制一件子禾子青銅釜用于異地展出。我們綜合文物器型結構及復制要求,采用硅橡膠翻模制作模具,結合熔模精密鑄造的工藝制作復制品,效果較好。

  1 文物基本情況

  子禾子青銅釜(見圖1),戰國早期齊國量器,中國國家博物館藏品,現陳列于古代中國展廳。銅釜上世紀五十年代出土于山東省膠縣,整體造型簡單,侈口短頸深腹平底,腹部兩側雙耳。高385mm,口徑223mm,腹徑318mm,實測容積20460m L。

  

  圖1 子禾子青銅釜   

  器物腹部有銘文九行(見圖2),因銹蝕嚴重,能辨清的大約有九十個字。大意是子禾子命人告訴陳得,左關釜的量值以倉廩之釜為標準,左關釜以廩升為標準。若關吏不執行此命,則要按其犯事的輕重施以刑罰,一般要罰十五斤青銅[3]。反映出戰國初年齊國已經具備了嚴格的量制管理制度。

 

  圖2 銅釜銘文   

  2 文物價值分析

  度量衡是我國古代計量物體長短、容積、輕重的物體的統稱,其中測定計算容積的器皿稱為量。周代以前,人們沒有計量工具,只好用身體當“量具”。《小雅廣量》記載:“掬四謂之豆。”兩只手合起來盛東西即為“掬”,顯而易見,這非常不準。為了增加公平性,逐漸利用統一的器皿來測定計算容積,“量”就出現了。《左傳》《周禮》《儀禮》《爾雅》等經典著作中都有關于容量單位的記載,其專用名稱有升、斗、斛、豆、區、釜、鐘等。春秋戰國時,商業繁榮,賦稅制逐漸健全,諸侯國紛紛建立自己的度量衡制度,作為本國的公量,一些實力強大的士大夫甚至還建立了家量,而這件子禾子青銅釜是戰國時期具有代表性的齊國量器之一。

  子禾子是《史記》“田氏代齊”事件的主角田和,子禾子是其做大夫時的稱呼。田和在周安王十六年(公元前386年)被列為諸侯,此器是田和未立諸侯時所作,其年代當在公元前404~前385年之間。田和的曾祖父田常擔任齊國國相時,為了收買人心,開始在量器上做文章。齊國的舊量有豆、區、釜三種,四升為豆,四豆為區,四區為釜。田氏將家量改為五進制,即五升為豆,五豆為區,五區為釜,十釜為鐘,并用大于公量的田氏家量出貸糧食,用公量收。就這樣,田氏在齊國廣得民心,齊國百姓“愛之如父母,歸之如流水”。春秋時期齊國政治家晏嬰預言“齊政卒歸田氏。田氏雖無大德,以公權私,有德于民,民愛之。”經田氏數代苦心經營,至公元前391年,田和廢齊康公。公元前379年齊康公死,田氏取而代之,仍以“齊”作為國號,史稱“田氏代齊”。子禾子青銅釜與上海博物館收藏的“左關”青銅鉌、“陳純”青銅釜共稱“陳氏三量”。這三件計量工具是齊國中央政權在左關安陵地區征收稅賦的專用標準量器范具,是“齊政卒歸田氏”這一重大歷史事件的重要見證者。

  3 銘文拓片的制作

  由于銘文重要歷史價值,為了更完整地保留資料,以方便研究,我們對其進行拓印(見圖3)。傳統拓片的制作技術分為以下幾個步驟[4]。

 

  圖3 拓片的制作   

  上紙:用白芨水涂抹于銘文表面,然后上紙,用干凈的濕毛巾輕輕按壓,使紙張逐漸舒展,滲入到銘文縫隙中。用小棕刷刷平后輕輕打刷,使其完全貼合。最后用干的宣紙貼上撤去水分。

  上墨:待紙干燥至七八成后,用自制拓包蘸墨,輕輕拓印反復多次直至銘文清晰可見。

  揭取:待紙張干燥后,用小棕刷輕輕排刷兩遍,隨后從一角開始,輕輕揭取,力道要柔和以防止紙張破損。

  至此拓片制作完成,可做資料留存及研究之用。

  4 青銅器仿制及復制技術

  青銅器的仿制及復制技術可以說源遠流長,早在春秋時期,已有青銅器的仿造見于文獻。《呂氏春秋·審已篇》《韓非子說林》都記載有贗鼎的故事。北宋時期,“金石學”興起,復古之風盛行,“上既仿制以崇古,下便偽造以圖利”,社會上出現了大量的仿古青銅器[5,6]。建國以前青銅仿制多以蠟為模,南宋趙希鵠《洞天清祿集》記載:“古者鑄器,必先用蠟為模。”元代官辦有“出蠟局”,民間亦有手工業工作坊仿制青銅器。清代形成了工藝更為完善的“撥蠟”及“剝蠟”技法用于仿古銅器的制作[7]。這一傳統技法的傳承延續為建國后文博修復行業奠定了人才和技術基礎。

  新中國成立后,文物保護受到國家重視,為了搶救和保護流散在社會上及發掘出土破損的文物,原先社會上從事仿古修復的手工藝人被征調到各省市文物系統,成為最早一批的文物修復工作者。中國古代青銅器的制作主要以范鑄工藝和失蠟工藝兩種為主[8],借鑒這兩種工藝模式,目前博物館中對青銅文物的復制常用的方法有石膏翻模復制法及硅橡膠翻模結合熔模精密鑄造[9,10]。同時近些年3D打印技術快速發展,也逐漸探索將其運用于文物復制應用當中[11]。

  傳統范鑄工藝大致工序有制模、制范、制芯、紋飾及銘文的制作、澆鑄等幾個主要步驟[12],其核心工藝思路即通過塊范組合來實現器物成型(見圖4)。石膏翻模借鑒此工藝原理,根據文物結構特點,確定分型面,翻制石膏外范及內芯,通過范芯組合形成空腔,進而澆注金屬液體制作復制品。此方法的優點是翻模材料便宜易得,對實驗條件要求不高,且鑄件質感較好。缺點是對器型復雜的文物分型較為講究,分型面要考慮拔模斜度,一旦設計不合理易造成卡模,往往需要多塊范組合,技術要求較高。同時石膏易殘留于文物表面,對于精細紋飾的表現不太理想。且由于石膏材質特性,無法直接澆注銅水(1000℃以上),往往澆注低溫錫鉛合金或者樹脂類材料。

  

  圖4 殷商時期三柱足圓鼎塊范組合示意圖   

  由于石膏翻模存在種種缺陷,上世紀八十年代開始,一些學者就在探索嘗試新型翻模材料,一種新型室溫硫化硅橡膠逐漸應用于文物復制中[13]。硅橡膠翻模結合熔模精密鑄造法借鑒了傳統失蠟法工藝原理,通過硅橡膠模-石膏靠模-熔模精密鑄造-做舊等步驟實現復制品的制作。硅橡膠具有很好的柔韌性,可切割,用它來制作模具時,可不考慮拔模斜度,易脫模。因此相對于石膏翻模嚴格的塊范組合,硅橡膠翻模技術難度要小得多,尤其針對器型復雜的文物翻模可極大簡化翻模步驟。此外硅橡膠流動性較好,鑄件表面的紋飾較清晰。制作好的硅橡膠模具可長期保存,反復使用,避免重復翻模對文物的損傷。采用這種工藝,目前已成功完成曾侯乙編鐘[14,15]、大盂鼎[16]、江蘇盱眙大云山1號漢墓出土編鐘[17]等文物的復制工作。

  無論石膏翻模還是硅橡膠翻模,難以避免會在文物表面殘留些許翻模材料而造成污染,因而尋找更為安全有效的復制技術也是業界努力探索的方向,目前應用較多的是3D打印技術。3D打印快速成型是利用激光三維掃描儀對原件進行掃描,獲取三維數據,建立器物的三維模型,再利用3D打印機打印出器物。由于打印材料的不同,后續的復制處理工藝也會有所區別,目前較成熟的工藝可細分為三種。一種是打印高分子樹脂材料,打印出的器物明顯比原件輕,質感稍差,有時需要在打印的器物上再進行傳統的翻模鑄造;第二種是直接打印鑄造蠟胎或者蠟胎模具,再進行熔模精密鑄造[18];第三種直接打印金屬材質。目前博物館復制工作用的比較多的是第一種工藝,后兩種技術尚待開發。3D打印快速成型復制文物最大的優點是在不接觸文物的情況下就可以完成文物的復制,特別是針對表面銹蝕復雜、帶有鑲嵌或者比較脆弱的文物,表面不會殘留翻模材料,不會對文物造成損傷。但三維數據采集及處理技術要求較高,往往需修復人員和數據處理人員合作,數據的安全也是問題。同時打印成本較高,特別對于體型較大的文物,價格不菲。目前3D打印技術在博物館陶瓷[19,20,21]、青銅[22]、象牙[23]等文物的修復及復制中進行了探索應用。

  5 銅釜的復制流程

  由于銅釜表面有精細的刻劃銘文,石膏翻模效果不理想,因此我們選擇流動性更好的硅橡膠作為翻模材料。同時為了復制品從材質、質感上盡可能接近原文物,就需要我們澆注銅水。因此最后我們制定以硅橡膠為翻模材料,制作蠟胎和型殼,采取現代熔模精密鑄造的工藝思路來復制這件器物。

  5.1 制作硅橡膠成型模

  確定分型面:其原則一是塊數盡量少,操作簡便易行;二是脫模順暢;三是盡量在紋飾較少且較為隱蔽的部位。分型時可參考器物原鑄造分型結構,這里我們以器物雙耳中線為分型面,這樣只需翻制兩面即可(見圖5)。

  圖5 硅橡膠翻模

  制作硅橡膠模:翻模前,在文物表面先刷軟皂做脫模劑,起到隔絕翻模材料和器物的作用,方便后期脫模。首先圈好油泥作圍擋,再上硅橡膠。刷涂第一遍尤其重要,需不斷趕壓,防止硅膠起泡,確保精密紋飾和銘文能夠出來。為了增加硅膠的強度和韌性,減少收縮,通常還需要添加紗布以提高硅膠的抗撕裂強度。

  制作石膏靠模:硅橡膠較軟,為了控制硅橡膠模在灌注蠟料時的彈性變形,必須在硅橡膠模外側填充一定厚度的石膏,制成石膏靠模,起支撐和固定作用,最后將硅橡膠模和石膏靠模組合即制作完成硅橡膠成型模。通常為了使翻制的兩面模具更好地組合,會在硅橡膠和石膏的對合面制作定位榫卯,確保最終合范時能嚴絲合縫。

  清洗:硅橡膠往往帶有油性物質,因此翻模完成后要及時對文物表面進行清洗,減少翻模材料的殘留。

  5.2 制作蠟胎

  涮蠟胎:將熔化狀態的模料(石蠟-硬脂酸)澆入硅橡膠成型模內,不斷均勻搖動,確保每一處細節都充填到位,將剩余模料倒出。第一遍稱之為燙蠟,需要用稍高溫度的蠟液(約70~80℃)進行反復涮,以保證紋飾銘文的精細及器物結構的精準。第二遍開始用溫度稍低的蠟液進行掛蠟,掛蠟分多次完成,次數越多蠟胎越厚,蠟胎厚度取決于器物厚度。待蠟胎冷卻后,去掉石膏靠模及硅橡膠模,得到蠟胎。

  修蠟胎:將蠟胎上的氣泡、缺失、蠟珠、接縫、多余部分等進行處理,確保蠟胎與實物完全一致,然后焊上合理的澆注系統,蠟胎即制作完成。

  清洗脫脂:由于蠟胎所用的模料以石蠟等含油脂的原材料為主,而且翻模時刷涂的脫模劑也可能粘附在蠟胎表面上,它們都具有憎水性,影響后續漿料對蠟胎的潤濕性和涂掛性,因此需要將蠟胎用中性肥皂水、表面活性劑或乙醇洗滌,沖洗干凈。

  5.3 型殼的制作

  蠟胎表面要進行掛砂以制作型殼,掛砂分為上漿料、撒砂和硬化三步。漿料是耐火材料(常用莫來石)和粘結劑(常用水玻璃)按照一定比例配制而成。按照掛砂先后順序漿料分面層漿料和背層漿料,面層漿料要保證鑄件表面結構精細光滑,因此耐火材料較細,粘度較低。背層漿料起到加固作用,因而耐火材料較粗,粘度也更大。

  將蠟胎放在面層漿料中浸泡,適當用毛刷趕壓防止有氣泡,取出撒砂(即在漿料上粘一層耐火材料,目的是使砂粒成為型殼的骨架而使型殼增厚),然后放入硬化劑中浸泡(氨水或氯化鋁水溶液),硬化劑的作用是水玻璃發生硬化將石英砂牢固地粘接在一起而獲得強固的模殼,起后吹干,即完成一遍掛砂。每次掛砂后需充分干燥硬化方可進行下一遍操作,這樣反復多次直至我們需要的型殼厚度。

  5.4 脫蠟、澆鑄

  將制作完成的型殼加溫,蠟胎受熱熔化后流出形成空腔。型殼經焙燒,除去水分、殘留蠟料和有機物,并通過燒結作用,使型殼具有可靠的強度和較好的透氣性。但溫度不能過高,否則型殼強度會下降[24]。

  將型殼埋入沙土中夯實,露出澆冒口,保證受熱均勻,即可澆注銅水(見圖6)。澆注一般在焙燒后進行,型殼保持一定溫度有利于銅水充填型腔,使得鑄件紋飾精細,尺寸精準。

 

  圖6 澆注   

  5.5 修胎

  澆鑄完成后,通過切割、打磨去掉型殼、氧化物質及澆口得鑄件。鑄件表面進行精加工處理,鑄造缺陷要補平,不清晰的地方要雕刻修飾,最后整體打磨光滑。

  5.6 作舊

  作舊是文物復制最后一步,也是技術含量非常高的一個環節,直接影響復制品的效果好壞。通過對銅釜的銹蝕特點觀察,我們分步驟對鑄件表面進行著色,以達到逼真效果。

  化學咬舊:在鑄件表面刷涂化學試劑(130B仿古銅發黑劑),將光亮的金屬表面氧化腐蝕,去除光澤,呈現古舊觀感,方便后續做舊(圖7)。咬舊后化學試劑需清洗干凈。

 

  圖7 化學咬舊   

  做底色:做舊有點像化妝,先需要打粉底,再進行上色。打底前需要在表面上一層蟲膠漆片,目的是增加顏料與表面的附著力。將蟲膠漆調礦物顏料至合適的色澤(顏色可較文物色澤略淺),用噴槍連接氣泵,對表面進行噴涂,盡量均勻(圖8)。接著用細砂紙不斷對表面打磨,以達到光滑均勻的效果,這樣反復多次,直達到較為理想的效果。如果打磨過程中露出銅基體,可用化學試劑將表面氧化再進行上色。

  

  圖8 做底色   

  上層次色:作舊一般選擇光線較好的晴天進行,這樣可減小色差,按照原有的銹蝕布局,用礦物顏料調蟲膠漆,采用噴涂、彈撥、拓印等多種處理手法,顏色層層疊壓,直達到與原有銹蝕相同的效果。作舊的過程中需注意點到為止見好就收,一旦做過往往需要打磨掉從頭再來。添加顏料時如出現顏料斑點明顯,還需對斑點進行著色掩蓋,讓其更加自然。最后調較稀的漆片噴在表面,然后用紗布反復揉搓拓蹭,可形成光亮效果。作舊通常遵循“內外有別”的原則[25],即在文物展示的一面做到與周邊顏色渾然一體,看不出破綻,又在觀眾看不到的內側部位也大體做上顏色,但經仔細觀察,還是能夠區分出此部分是補配的。這種處理既不影響展陳效果,又不會造成誤導,是中國傳統修復理念與西方現代修復理念相互融合的結果。

  6 結語

  此次我們借鑒了古代青銅失蠟法鑄造工藝,采用硅橡膠翻模結合熔模精密鑄造這一工藝路線復制子禾子青銅釜,制作完成的復制品重13.06kg,高385mm,口徑217mm,底徑200mm,與原件相差無幾,經驗收合格后,移交給申請單位用于陳列研究。

  實踐證明此方法簡化了傳統石膏翻模的操作流程,鑄件紋飾銘文較為清晰,經著色后可達逼真的效果。硅橡膠翻模結合熔模精密鑄造應用于青銅文物的復制工作是切實可行的,為以后我們復制青銅器積累了經驗。

  但同時我們也注意到此種工藝存在一些不足之處。整個復制過程,硅橡膠模具、蠟胎及鑄件會經歷三次收縮,因此最終的復制品較原文物尺寸上會有偏差。此外,硅橡膠中所含油性物質難以避免會在文物表面殘留,造成污染,因此采用此種方法操作之前還需要對器物的狀態有一個綜合評估,是否含有彩繪等附著物,破損是否嚴重,進而判斷此種工藝是否合適。在越來越重視文物安全的今天,如何最大限度地降低復制工作對文物的影響的同時,保證復制品的精準性,還需要對工藝進行不斷摸索和完善。同時伴隨3D打印等現代新技術的快速發展,如何將其有效應用于文物復制也是今后努力探索的方向。

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作者單位:金屬文物保護國家文物局重點科研基地中國國家博物館
原文出處:晏德付.熔模精密鑄造在青銅文物復制中的應用[J].中國鑄造裝備與技術,2021,56(01):46-52.
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