江西海昏侯墓主椁室出土青铜器制作工艺初步分析
摘要：利用扫描电镜—能谱（SEM-EDS）及金相显微镜，对江西海昏侯墓主椁室内出土部分青铜器进行了合金成分及金相分析。结果表明，海昏侯墓主椁室内出土的铜器锡含量测量平均值为9.3%，铅含量测量平均值为2.9%，其中青铜容器锡含量测量平均值为10.5%，铅含量测量平均值为3.2%。不同器类器物具有不同的合金配比，反映工匠在制作器物时会考虑器物的使用功能及颜色等性质。铜器的制作工艺包括铸造、铸后受热退火以及铸后热锻。海昏侯墓出土的青铜器的科技分析，丰富了西汉时期铜器科技检测相关分析，对研究西汉铜器生产体系等问题具有重要的意义。
一、引言
青铜器在汉代社会生活中仍然广泛使用，并完成了从礼器到生活用器的转变，但目前汉代铜器无论是传统考古还是科技考古的相关研究数量均不及先秦。通过汉代青铜器的研究对当时社会、技术文化变迁等相关研究具有重要意义。
海昏侯墓位于南昌市新建区大塘坪乡观西村老裘村民小组东北约500米的墎墩山上。2011年起，江西省文物考古研究院对被盗墓葬周围5平方千米区域进行全面系统的考古调查，发现了紫金城遗址、历代海昏侯墓园、贵族和平民墓等遗存，并对海昏侯墓进行重点钻探。2012至2013年开始发掘，至2014年完成主墓（M1）封土和墓室内填土的发掘，2015年对主椁室进行发掘并对遗物开始提取与保护，2016年完成了主墓的一期发掘工程，取得了许多令人瞩目的考古发现，确认墓主为第一代海昏侯刘贺。海昏侯墓共出土青铜器3000余件（套），其中主墓内共出土铜器500余件（套），器类包括食器、酒器、水器、乐器、生活用器、度量衡器、兵器、车马器、工具、杂器配件，大致依功用相应放置于主椁室、车马库及回廊形藏椁的厨具库、酒具库、乐器库、武库、娱乐用器库等位置。海昏侯墓的发掘为研究汉代历史及相关考古研究提供了重要的依据。
目前，西汉帝陵及丛葬坑出土铜器的科技分析包括阳陵丛葬坑出土的一件铜铁复合器与茂陵陪葬坑出土的少量车马器；北京大葆台汉墓、河北满城汉墓、江苏徐州狮子山楚王陵与北洞山楚王墓、山东青州香山汉墓、河南永城梁王墓等诸侯王级大墓出土的部分铜器已经过合金成分分析；列侯级别墓葬出土铜器经过检测分析的较少，其中海昏侯墓椁室外回廊及车马坑出土的部分青铜器有部分数据发表；安徽巢湖汉墓、天长三角圩汉墓、陕西西安龙首原汉墓等高级官吏及中小贵族地主墓葬出土的部分铜器亦有相关分析报道；河南淅川葛家沟墓地、湖北宜城跑马堤墓地出土战国至西汉时期铜器的科技分析检测也已报道，但这些墓群墓主人社会等级较低，可能为平民阶层。在边疆地区，如广东广州南越王墓、广西贵县罗泊湾汉墓、合浦汉墓以及非汉王朝势力控制范围内的诸如贵州赫章可乐、云南晋宁石寨山、江川李家山等墓地出土铜器也已开展相应的工作，旨在讨论中原与边疆、汉室与西南夷之间的关系。
以往研究中虽已积累了部分汉代铜器的科技分析数据，但仍存在一定的问题：例如部分遗址和墓葬数据样本量较少不能代表整体面貌；或是部分遗址分析样品以青铜货币或铜镜为主，对其余器类重视不够；或是由于样品锈蚀严重导致数据不能进行定量讨论；亦或是历时性的分析较为欠缺等。本文拟通过对海昏侯墓主椁室内出土青铜器的制作工艺、合金配比等问题进行探讨，以丰富汉代青铜器科技考古的相关研究。
二、样品制备及测试条件
本文对主椁室内38件铜器所取44件样品进行检测分析，取样时遵循最小干预原则，尽量从器物残缺处取样（图一）。
对采集的样品进行镶嵌、打磨、抛光至无划痕后，利用北京大学考古文博学院科技考古实验室的Hitachi-TM3030超景深台式电子显微镜及EDS能谱仪进行背散射成像观察及化学成分测试。SEM测试模式选择低真空条件，扫描电压为15kV，测试时间以能谱成分显示稳定为依据，通常控制在90~120秒。考虑到样品组织结构的差异，部分样品选择不同区域进行多次扫描，扫描时应避开锈蚀区域，并尽量增大测试面积以使结果反映样品的平均成分。
随后使用3%氯化铁—盐酸—酒精溶液对已抛光的金属样品进行浸蚀，并使用北京大学冶金考古实验室LEICADM4500M金相显微镜进行金相观察，照相。
三、结果分析
1.海昏侯墓主椁室出土青铜器的合金成分
海昏侯墓主椁室中出土青铜器的合金成分见表一。
根据EDS的结果，剔除垫片以及氧含量高于2%的数据后，青铜器基体的锡含量测量值在1.6％~27.6%之间，平均值为9.3%，铅含量测量平均值为2.9%，最高值为7.6%。根据海昏侯墓器物分类情况，食器（主要为铜鼎及其配套鼎盖）锡含量大多高于10%，日用器类（主要为灯、博山炉）、杂器（如铜镦、挂钩等）锡含量大多低于10%，酒器（铜壶）与水器（铜匜、铜洗）的锡含量均在10%左右，而铜镜的含锡量则接近28%（图二）。铜器中的含有一定量的夹杂物，经EDS分析，夹杂物成分中以铜、硫为主，为硫化亚铜夹杂，系冶炼时使用的矿石带入。
2.金相分析
本次共对海昏侯主椁室内19件器物的19个样品进行了金相分析，器类涵盖食器、酒器、水器、生活用器及杂器五类。各样品金相组织描述见表二。
海昏侯墓主椁室出土的青铜器制作工艺多样，包括铸造、铸后受热退火、铸后热加工（热锻）等多种。不同器类有不同的制作方式，其中食器（鼎及鼎盖）多经过受热，可能均为实用器；日用器具，如博山炉、铜灯，则多为直接铸造成型，制作工艺较为简单；水器（如匜、洗）则使用直接铸造以及铸后热加工的不同制作工艺。
四、讨论
1.海昏侯墓主椁室出土青铜容器的合金配比
青铜器的合金成分与其物理性能有一定的关联：对于有力学性能需求的兵器或需要保证加工性能的饰片，制作时往往加入足量的锡以保证器物的机械性能；而对力学性能要求不高的青铜容器，合金配比可一定程度上反映墓主人生活时代以及身份等级特征。海昏侯墓主椁室出土的青铜容器锡含量测量平均值为10.5%，铅含量测量平均值为3.2%，总体偏低。对比西汉中期其余高等级贵族墓出土青铜器的情况：如满城汉墓出土青铜容器锡含量测量平均值为9.6%，南越王墓出土青铜容器锡含量测量平均值为9.4%，与海昏侯墓主椁室出土青铜容器的锡含量配比基本一致，均在10%左右，一定程度上反映了西汉中期铜器的生产面貌。
与锡含量不同，青铜器中铅含量的测量值数据波动较大，无明显的规律。这可能是由于铅本身不溶于铜锡固溶体，以铅颗粒的形式存在于基体中，且铅存在比重偏析，同一件器物不同区域铅含量也会存在差异，均一性不如锡。
西汉中期，由于生产管控方式的转变，诸侯王的势力被压制，私人工商业的根基亦被削弱，铜矿的开采及铜器的生产均由中央政府及郡县工官控制。在这一时代背景下，铜器生产技术体系在西汉早期各地区独立生产的基础上得到了进一步的规范，使得这一时期青铜容器合金配比情况基本趋同。
2.海昏侯墓主椁室出土的红铜器与高锡青铜器
战国以来，青铜器的合金配比趋于标准稳定化，西汉时期青铜容器锡含量已基本稳定在10%左右的区间。不过，海昏侯墓主椁室中出土了多件博山炉（M1:1552、M1:1642），铅、锡含量均较低，接近红铜材质，此外还有两件铜镦（M1:1791、M1:1792）也为红铜材质。与青铜相比，红铜熔点高、硬度低、质软，实用性能相对较差。因此，制作者在青铜生产已稳定成熟的时代，选择以红铜材质作器应有其他方面的考量。
青铜器锡含量高低，除了与力学性能相关外，还会影响铜器基体的颜色：锡含量越低，青铜基体越接近红铜的红色，随着锡含量的上升，青铜基体的颜色逐渐变为金黄色，锡含量至20%时金属基体呈银白色。铜器表面的装饰工艺，诸如铸镶红铜、错金银、鎏金等至战国时已趋于成熟，从设计角度考虑，由于装饰工艺中所使用的金、银、铜、锡以及矿石均有一定的特征颜色，若铜合金基体的颜色与表面装饰材料一致，从视觉效果上两者便没有明显的差异，无法凸显出装饰材料。因此，类似于铜器主纹与地纹，铜合金基体需要衬托出装饰材料的颜色，在锡资源充足的情况下，选用低锡青铜，可能是基于选择了低锡青铜颜色接近红铜，能与金、银等贵金属进行区分，以起到衬色功能（表三）。
海昏侯墓主椁室内出土部分博山炉与铜镦在应急处理后发现表面部分区域有鎏金现象，而在车马坑内出土青铜器表面鎏金、鎏金银、错金银等装饰工艺更为普遍。表面装饰工艺又可分为两类：第一类为对表面局部区域进行装饰，包括局部区域鎏金、错金银等，如在主墓北回廊乐器库内出土的鎏金编钟（M1:164-1A等）、车马坑中出土的鎏金马镳（K1:167）、错金银当卢（K1:286）等。汪淼分析了海昏侯墓出土的3件鎏金甬钟的制作工艺，结果表明其锡含量在17.2%~20.6%区间内。叶学贤先生等通过研究认为编钟理想的含锡量在14%左右，铅含量应低于3%，此时金属基体多呈金黄色，而海昏侯墓出土甬钟基体选择较高的锡含量，可能是为了与器表局部鎏金区域颜色产生反差而特意提高了锡含量有关。杨小林等在研究错金银当卢时发现基体已完全矿化，仅可确认其为铜锡铅三元合金，蔡毓真等在分析海昏侯墓部分当卢时确认当卢大多为锡含量7%左右的低锡青铜，此时青铜基体颜色偏橙色，仍与金层存在有一定的颜色差异形成视觉反差。因此，表面局部装饰器物选择高锡或低锡青铜（甚至红铜）基体可能与通过鎏金、错金银等纹饰区域与器物基体颜色形成反差相关。第二类为通体鎏金，如车马坑出土当卢（K1:400）、轭饰（K1:401）等，在主墓中部分器物亦存在部分器物通体鎏金，如铜鋞（M1:397，M1:425）。此时，鎏金层下的青铜基体虽可调控合金配比以选择一定的基体底色，但鎏金层的金黄色将大面积掩盖基体颜色，底色是否合理可能并不重要，此时鎏金青铜器更多是墓主人生前身份等级的象征。
海昏侯墓主椁室出土铜镜的锡含量为27.7%，属于高锡青铜。从春秋晚期至汉唐时期的铜镜含锡量在20％~26%之间，海昏侯墓出土铜镜合金配比与大量统计值基本一致。早年对铜镜制作中是否经过淬火过程存在争议，但根据海昏侯墓出土铜镜及其他战国秦汉时期出土的铜镜的金相组织来看，铜镜应为直接铸造成型。铜镜通常使用高锡青铜制作，何堂坤先生认为高锡青铜颜色白亮，比较美观，且高锡青铜强度和硬度都比较高，易于磨拭。
3.薄壁青铜器的制作工艺
海昏侯墓主椁室中出土的青铜器壁厚不一：厚壁的铜器，如铜壶、铜灯、铜熏炉、铜镜等，器壁厚度可达1至2毫米（图一一），而薄壁的铜器，如铜鼎及其鼎盖、铜镦、铜钩、铜洗、铜环等，厚度在0.5毫米左右（图一二）。
金属器物减薄处理除了可以在铸形设计时减少铜液流动的空间外，也可以利用金属具有的延展性，通过锻打的方式将器壁厚度减薄，以获得薄壁的金属器。通过金相分析，可以发现海昏侯墓主椁室出土的薄壁青铜器有不同的制作工艺。铜鼎及其鼎盖（如M1:1756、M1:1760等）等大部分薄壁青铜器，金相组织中多以α固溶体再结晶等轴晶组织为主，反映其经过热处理，但几乎未见铸后热加工所形成的孪晶组织或是冷加工后形成的滑移线及晶粒变形现象，据此可判断这批铜鼎及鼎盖未经过锻打加工处理，为直接铸造成型，体现了较为高超的设计理念与制作工艺；而龙首匜（M1:1741）的金相组织中出现了α再结晶等轴晶及孪晶，反映了其制作过程中使用了铸后热锻的工艺。李洋统计了先秦两汉时期的热锻薄壁青铜器，总结了热锻薄壁青铜器包括低锡热锻（锡含量低于17%，热锻温度在200~300℃）与高锡热锻（锡含量高于17%，热锻温度在500~700℃）两大类，其中绝大多数器物均为低锡热锻成型。张吉通过模拟实验发现易于加工的锡青铜锡含量不超过15%，含15%~18%的锡青铜咋较高温度下仍可进行一定程度的加工，而锡含量高于18%以上的锡青铜基本没有锻打价值。海昏侯墓主椁室龙首匜的锡含量为13.1%，介于9%~15.8%（固溶上限）之间，坯材软硬适中，铅含量为4.1%，脆性适宜，这一合金配比符合可锻性条件。
锻造技术自晚商时就已应用于各类薄壁饰物的制作，如殷墟花园庄东地M54所出圆形器，崇信于家湾出土的铜钖等。自春秋中晚期以来，锻制容器开始流行，多个墓地出土了锻制而成的青铜容器，其中以盘、匜居多，如蚌埠双墩钟离君柏墓、郧县乔家院M5、M6等。锻制铜容器在春秋中晚期的流行与范铸工艺的简化、铸后装饰的流行、以及锡资源的充裕密切相关。至战国时期，锻制匜分布范围已从汉淮及至全国各地，如定襄中霍、建昌东大杖子、淮阴高庄、荆门左冢等墓地均有出土；西汉时期，天长三角圩汉墓中出土的洗、釜以及匜仍为锻制品，延庆西屯墓地出土的盆、洗亦经过锻制加工，可见西汉时期锻制工艺在制作洗、匜等薄壁水器时仍为主流的技术选择。
五、结论
海昏侯墓主椁室出土青铜器的合金成分不一，锡含量测量值在1.6%~27.6%之间，平均值为9.3%，铅含量测量值在0.4%~7.6%之间，平均值为2.9%，其中青铜容器锡含量测量平均值为10.5%，铅含量测量平均值为3.2%。锡含量与西汉中期早年发掘的高等级墓出土青铜容器相接近。部分器物有不同的合金配比，反映工匠在制作器物时会根据器物的使用功能及颜色等性质配制合金原料。铜器的加工制作工艺包括铸造、铸后受热退火以及铸后热加工（热锻）。海昏侯墓出土青铜器壁厚不同，其中薄壁青铜器有着不同的制作工艺，铜鼎及鼎盖多为直接铸成，而部分水器则使用了铸后热锻技术制成。
海昏侯墓出土的青铜器的科技分析，丰富了西汉时期铜器科技检测的分析，在研究西汉铜器生产规模、技术特征等方面具有重要的意义。
附记：北京科技大学科技史与文化遗产研究院博士研究生韩化蕊在取样时提供了帮助；北京大学考古文博学院陈建立教授与张吉博士后在本文写作与修改中提供了宝贵的意见，在此致以诚挚的感谢。