从侯马陶范和兴隆铁范看战国时代的冶铸技术
张子高 杨 根
文物 1973-06-30
早在三千多年以前的商代奴隶社会，我国劳动人民就已经创造出灿烂的青铜文化，到了东周时期，冶铸生铁技术也逐渐发展起来。那些时候遗留下来的许多精美铸件和大量俦范，为我们探讨当时的冶铸技术提供了重要的资料。
(一)
1960年一1961年，山西侯马牛村古城南东周遗址出土陶范共有三万余块，其中有花纹的约一万块，能辨识器形的约一千块，可以配套又能复原器形的约一百件。这批陶范中包括内范(芯)、外范、母范(模)以及其它有关铸造的器件。有一部分内、外范合在一起，成套出现。造型优美，花纹精致①②(图一、二)。
按照现代铸造工艺来说，“范”和“型”是一个意思。陶范是用泥制成坯后焙烧成的，所以陶范也可称做泥型。从制范本身的材料来说，陶范的技术条件较金属范为低，金属范是陶范发展到一定阶段的产物，我国商代的大量青铜器就是用陶范铸的。最原始的陶范是单面的，用于铸造平刀一类的简单用具。(据说有的地方还发现有石范，即在平面的石板上刻成简单的用具形状，然后注入铜液成型。)稍复杂一些的是双合的陶范，两块陶范合在一起进行浇铸，铸件成立体型，如这次出国展出的一套虎范(图三)即是。复杂的陶范是多合的，空心的器件还要使用内范(即芯子),其块数视器物的大小和造型的复杂程度而定。
安阳大司空村出土的司母戊大方鼎就是用陶范铸造的一个典型实例③,其外范(不连鼎足)至少要由十多块拼成，每一块范都相当大。中国历史博物馆的同志，用上述侯马出土的一套虎范、用低熔合金重新浇铸了一个铸件，虎的造型十分生动精美，这次连同虎范一齐出国展出。
由于陶范要经受在浇铸时因1000°℃以上的高温而引起的热膨胀，必须具有较高的机械强度，因此制范要求用较细的泥土，甚至要经过筛选、沟洗，掺入砂子。后来，由于生产力发展的要求，一范要能连续多次使用，对范的强度就提出更高的要求。制范时，在泥土中还要加稻芒、糠皮等做为填加剂，有的还加入缸瓦屑和炉渣等。
侯马出土的部分陶范，经山西省博物馆同志的实验考察，得知④:
(1)制范的原料为细砂和粘土，并掺了草秸和麦秸。
(2)外范、内范和母范中泥、砂的比例均不相同，外范中砂占83%,内范中砂占74%,母范中砂占60%(其余皆为粘土)。
(3)母范及外范的土质非常细腻，可能经过淘洗，砂粒多呈圆形，细小而均匀，烘烤的温度较高，有的表面发白，估计温度在800°C左右。
可以看出，当时对于制作陶范已经有了一定的认识和经验。对于外范、内范、母范在铸造过程中起的作用不同，经受的温度不同，因此，在造型材料上也有所区别。
从陶范的结构上讲，不少地方是很科学的：
(1)对于一些空心的铸件如钟、鼎、壶之类，要使用内范(即芯),但在浇铸时如何使内范固定住，在当时是一个问题，尤其是器型较复杂时更要困难一些。侯马的陶范中有一套完整的车喜范，外范(共两块)、内范都很完整。外范全长9.5厘米，铸件长8厘米。在范的较细一端有一个“泥芯头”,长1.5厘米、直径3.5厘米。“泥芯头”上有三个不对称的榫，外范相应的一端有“泥芯座”,座的直径为3.6厘米，略大于泥头。车喜的另一端有两个辖洞，在外范上做成卯，内范上做成榫，也起固定内范的作用⑤。
浇铸以后，打掉泥头取出内范。这种固定内范的方法，不仅比较原始，而且一个内范只能用一次。但在商、周时期的大型铸件，大多用类似的方法固定内芯，结构上还算是巧妙的。
(2)铸造过程中需要一套比较合理的浇铸系统，使金属溶液能够连续、均匀而又较快地流入型腔的每一个部位，因此要考虑到浇口的位置，使它起到类似漏斗的作用。同时还要考虑到金属溶液能够及时流入型腔各部，由于高温而产生的热气要及时排出腔外，以免将范胀裂，因此还要有起排气作用的冒口。但一些器形简单的铸件可以无须冒口，浇口可同时起冒口作用。侯马遗址中的“浇口杯”和漏斗式的模型浇口都起了导流的作用⑥。
(3)在由模制范的过程中，为了使制成的范便于取下，不使模和范粘在一起，往往要加入一些脱模的材料，在侯马的一些残碎陶范上还有痕迹可寻。根据我们的观察，这种脱模材料用的是草灰或是稻糠灰，现在有些小型翻砂单位仍然用这类物质分型。
(二)
大批铁工具范是1953年在河北省兴隆县寿王坟村战国冶炼遗址中发现的⑦,共四十付八十七件，总重190余公斤。这是迄今为止所发现的最重要的金属范，是当时铸造农具与工具用的。它强有力地反映出当时的生产力已经达到较高的水平，说明我国在战国时期已经能够冶炼出大量的生铁(封底里：1、2、3)。这批铁范中以农具范占多数：有一付锄范共三件组成，上、下两半双合，上半是平板，下半是锄的形状，还有一条四角椎形的铁内芯。范的边缘有三枚子母样，可使上下扣合。范的背后有带弓形的把手。浇口在上端，通长18.6厘米，上宽6.9、下宽23、腰宽20.5厘米，把手高4厘米、宽5厘米。
这付锄范非常重要，不但完整而且形制美观，结构科学。使用这付锄范浇铸出来的铸件呈板状锄体，近背部有装木柄用的横方孔，通高11.5厘米，刃宽20厘米、体厚0.5厘米(图四)。
我们曾取一付残的锄范的内范进行金相考察，从残缺的断面上可大致看出金属组织的结晶情况，有明显的气孔和缩孔。为了观察它的内部组织，打断一小块，在新的断面上看出明显的方向性结晶，间有大小不等的气孔，断面甚亮，全是白口组织，上有夹杂物数块，最大直径约3毫米⑧。
铁范的含炭量经分析高达4.45%。这是木炭生铁的象征，从金相组织可以看出它是典型的白口生铁@。
这批铁范的结构表明，当时的铸造技术已逐渐成熟起来。从每付两件或单件的铁范来看，范的形状与铸件的外貌基本一致，这不仅可以降低铸范用铁的消耗，也减轻了范的重量，操作方便，而且可以使铸范的每一部分冷却速度均匀，对铸件质量和铸范寿命都可保证。
另外，从铁芯的使用上也可看出当时技术成熟的程度。在上述的宽面锄铁范中，使用了铁内芯来形成锄柄孔，即通过锄范壁插入一根铁芯子，这是在现代用金属型铸造薄壁零件时较难克服的困难，因为浇铸薄壁铸件如不及时取出铁芯，将会导致裂纹和裂口的产生。这也说明当时的劳动人民已经掌握了相当成熟的技术@。
最近，据河北省博物馆同志介绍：1960年在河北省磁县柏阳城发现有战国时期铲范和镘范，均为铁制(尚未发表正式报告，实物现在河北省博物馆)。这一发现证明兴隆铁范不是偶然出现的，也不是个别的。兴隆和磁县在战国时是燕、赵地区，这一地区内曾发现多处战国冶铁遗址，冶铁技术已达到较成熟的地步。
(三)
侯马出土的陶范和兴隆出土的铁范，在时代上是相近的，都反映着早在纪元前四百多年时的我国冶铸技术水平。
每一项科学技术的出现都有一个历史过程，决不可能一下子就达到成熟的地步。在战国以前，我国在青铜的冶铸方面，已经积累了丰富的实践经验。我国考古工作者曾陆续发现战国以前的冶炼遗址和大量铸范。解放以前，安阳小屯殷墟的发掘提供了殷代铸铜的技术资料。解放以后，在安阳大司空村的商殷晚期遗址和郑州的商代遗址，都发现了大量的碎陶范，包括外范、内范共达三千八百多块，其中有一件方形大陶范长达1.2米。大的炼锅直径达83厘米，这样大容积的炼锅，完全可以适应铸造像司母戊大方鼎那样大型铸件的需要。在张家坡西周早期居住遗址中发现了四件车马饰的外范和内范模，在客省庄附近的马王村也发现有铸造青铜容器的铸范。战国时期的铸铜遗址：1959年在侯马晋一魏城郊发掘出了四座熔炉和许多陶范，1954年洛阳中州路的发掘凹，都提供了重要资料。
这些资料都反映着我国冶铸技术的发展过程，在不断发展不断进步。我国古代奴隶社会与封建社会的交替，是在春秋与战国之交。侯马陶范和兴隆铁范的发现，表明了战国时期在冶铸技术上有了大幅度的提高，特别是铁器在农业生产上代替了木、石农具被广泛使用，也说明随着当时生产关系的变革，社会生产力的发展也出现了一定程度的飞跃。
铁范本身是生铁铸的，这是迄今为止发现的我国最早的生铁实物。要冶炼出生铁进行浇铸，必须能够掌握生铁熔化的温度约1350℃,这是当时冶铸技术水平的一个重要标志。要达到这样高的温度，必须具备一定的技术条件：
(1)充足的燃料：商殷时期的冶铜遗址发现有木炭。从铁范的高炭成分也说明是木炭炼成的，至于战国时期炼铁是否已用石炭或煤做燃料，迄今还没有确切的材料证实。大量的木炭供应炼铁是不成问题的。
(2)炼炉：战国时期的炼铁炉迄今没有发现完整的，无从知道它的全貌。但是，从早期的陶窑形制以及有关商股冶铜遗址的资料，可以大体推测它的形制：炉膛宽大，有较高的通风口等。否则炉温无法提高到1000℃以上。
(3)鼓风设备：战国时期冶炼用的鼓风设备是较大的皮囊，西汉初已有较为详细的资料。
具备了以上的条件，可以得到使生铁熔化的高温，这是我国古代劳动人民在长期的劳动实践过程中逐步掌握的。某些西方学者认为中国的生铁所以出现得早，是由于铁矿中含有较多的磷质，因而降低了铁的熔化温度，这只是一种臆测。像兴隆铁范的化学成分中，含磷就不高。在我们分析过的一些战国、两汉的铁器中，也没发现有含磷质高的。
从铸造技术的发展过程来说，由陶范到金属范又是一个很大的进步。陶范一般只能铸一次就要损坏了，每浇铸一次，都要重新制范，实在妨碍生产力的提高。金属范就不同了，它可连续多次使用，大大提高了生产效率，而且成本低、质量好。清人龚振麟在《铸炮铁模图说》一文中就列举出铁模铸造的七个优点，对金属范的优越性有相当全面的理解②。
有的外国学者认为：中国“用铁制的金属铸型是明末清初西洋技术传入后才开始使用的"⑩。这是不符合实际的。兴隆铁范的发现就是一个有力的说明。
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