殷墟青铜礼器的合金配制优化方案

（一）与晚商传世青铜礼器合金成分的比较

如上所述，殷墟出土青铜礼器的化学分析表明，其合金配制的特色是以高锡的ⅡH和Ⅳs为主的，但是由于出土样品本身分布的不均衡性——殷墟二期样本占样本总数的2/3，而35%的样本出自同一个墓葬（妇好墓），使得这一结果具有局限性。

国外一些博物馆藏有大量中国商周时期的青铜器，其中有不少是属于商代的，对这些铜器的成分检测结果进行统计，可以更充分的了解晚商时期合金配制的情况。我们所用的数据来自盖顿斯和梅耶分析的馆藏青铜器，由苏荣誉汇总和分类^[16]，由于篇幅所限，此处不再转引。这些传世的商代青铜礼器各合金类型所占的比例如图8-3所示。对于那些带盖的器物，按两件计算。

图8-3　传世商代青铜礼器合金类型分布

由图8-3可见，这些传世商代青铜礼器的合金化程度很高，96.5%的青铜器属于高合金配比的类型，特别是高锡、中等含铅的Ⅳh类型占近半数，高锡青铜Ⅱs次之，占20.5%，高铅青铜Ⅳp和高锡高铅的Ⅳb类型也占有相当高的比例。除了个别附件以及补铸块而外，完全没有二元铅青铜类型。高锡含量的合金类型占4/5，与殷墟青铜礼器的情况类似。有些铸接的部位或补铸块使用高铅的Ⅳp类型，看来是因为高铅青铜流动性好，便于操作。同时，这些部位多半不在明显可见的位置，所以使用高铅青铜不会影响器物的美观。

（二）殷墟青铜礼器合金配比的技术成熟度

运用数理统计分析能够更明晰地揭示殷墟青铜礼器合金配制的技术成熟度。如前所述，殷墟青铜礼器成分包括九种不同类型的合金，可以从概率统计的角度将其铜、锡、铅的含量视为随机取样的样本值，对样本数较多的（10件以上）合金类型，采用数理统计求得均值X、方差（S2）、正态分布统计量，看是否符合（X，S2）的正态分布；对样本数较少的合金类型，求出均值和最大偏差值S’，所得结果见表8-4。

表8-4　殷墟青铜容器合金类型的分布和数理统计

以上结果表明，Ⅱh和Ⅳs合金类型中的铜、锡均符合正态分布。以高锡青铜Ⅱh为例，殷墟与同时代其他地区出土的青铜礼器比较，前者锡含量的标准偏差（S）为2.70，而后者为3.75，后者的合金配制的技术水平低于前者^[17]，见表8-5。

表8-5　晚商青铜容器合金成分的分布与数理统计

图8-4到图8-6是殷墟青铜礼器中高锡青铜的铜、锡、铅含量的分布。

图8-4　高锡青铜容器的铜含量

图8-5　高锡青铜容器的锡含量

图8-6　高锡青铜容器中的铅含量

由图可见，高锡青铜容器的铜、锡含量基本符合正态分布，集合度达到80%～85%。铜含量主要集中在76%～86%的范围内，而锡含量主要集中在14%～20%的范围内，而铅的样本值不符合正态分布，接近于指数分布。可见，铜和锡的选材与工艺控制相当严格，铅控制在相当低的范围内，但分布离散，表明铅可能是从铜、锡矿原料混入，而非有意加入的。

图8-7到图8-9是高锡的锡铅青铜的铜、锡、铅含量分布。

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图8-7　高锡铅锡青铜容器的铜含量

图8-8　高锡铅锡青铜容器的锡含量

图8-9　高锡铅锡青铜容器中的铅含量

从图中可以看出，高锡锡铅青铜中的铜、锡含量也基本符合正态分布。除少数低铜含量的数据而外，集中度高达85%，大部分铜的样本值都集中在74～84%之间，比高锡青铜合金中的铜要低；锡含量集中在14～20%，集中度达75%，比高锡青铜锡含量集中度略低。铅含量集中在2～7%，但分布无规律，铅含量低于5%的样品占到半数以上。

按照概率统计的要求，现代批量生产的产品在随机取样的情况下，若92件样本中有77件在预定质量控制范围内，即可视为合格。殷墟青铜礼器中，妇好墓铜器的ⅡH类合金中铜锡比达到这一标准，说明其技术成熟度是相当高的^[18]。

（三）殷墟青铜礼器合金配制的特点

纯铜质软，为单一的α相组织，强度低，但延展性极好，通常在金属技术发展的早期出现，多为锻打成形的小件工具或装饰品。但是，纯铜的铸造性能差，难以成形。殷墟二期过度用锡的倾向在殷墟三期以后逐渐得到抑制，高锡青铜减少，而从商中期就存在的铜锡铅三元合金的使用大为增加。高铅青铜的使用甚至成为殷墟四期青铜器最突出的特点之一，这可能与锡矿资源的匮乏有关。另外，高铅青铜甚至铅器的使用，是与随葬铜器的明器化和明器化铜器的高阶化相关联的。殷墟青铜礼器中，纯铜器物仅有5件，其中，M18所出的鼎及M160所出的一对甗和方形器，均是较大的器物，使用红铜铸造，当有相当的难度。方形器的器形非常特殊，不能排除其为外来之物的可能性。这些铜器的原料不是天然铜，而是冶炼出来的纯铜，杂质含量较低。

早在青铜时代的形成期，铜-锡合金和铜-锡-铅三元合金就开始使用，比如二里头的青铜容器，多为低合金成分的锡青铜或者铅锡青铜^[19]。

锡的加入，可以大幅度降低合金的熔点。通常锡含量高于6%，即有δ相析出，形成α+（α+δ）组织，这也是殷墟青铜礼器最常见的金相组织形态。如图8-10所示，盂M54∶169含锡16.57%，为铸造形成的粗大的枝晶组织，（α+δ）相多已被锈蚀，晶界上夹杂少量硫化铜。

图8-10　盂（M54∶169）金相组织（100×）

锡含量在5%～15%时，合金的充型性能较佳，出现浇不足缺陷的可能性较小，这一点对于礼器尤为重要。锡还可以降低青铜的吸气性，使器物较少产生铸造气孔，也使青铜凝固时的收缩率变小，在铸件凝固时不易开裂，有助于弥补泥型退让性差的缺陷。但是，当合金的含锡量超过6%时，其延展性开始下降。当含锡量超过18%～20%时，合金的强度急剧下降，使铸件的机械性能变差。

铅的熔点较低，为327.4℃，是人类最早认识和利用的金属之一。早在新石器时代，甘肃永靖大河家遗址出土的铜环中含铅量就达5%^[20]。二里头和二里冈时期的青铜器含铅已经较为普遍。铅在铜中的溶解度很低，二者几乎不形成固溶体或者电子化合物，而是相互分离的，铅以游离态分布于铜的α相晶界（图8-11）。

图8-11　鼎（M54∶224）金相组织（100×）

铅的加入，不仅可以降低熔点，而且可以有效地避免高锡青铜韧性下降的缺点。由于铅在铜中呈游离态，它本身的熔点又很低，强烈地割裂了铜的组织结构，使其流动性和充型能力大大提高，显著降低生成浇不足缺陷的倾向，特别有助于铸造纹饰细致复杂的礼器，二里头时期及商前期铜器的壁厚较薄，也端赖于此。但是铅会降低合金的强度和硬度，有研究表明，含铅量小于2%，锡含量在10%至20%之间的铜器，硬度在100～200之间；铅含量在2%至7%之间，锡含量在10%至20%之间的铜器，硬度在90～120之间^[21]。

殷墟青铜礼器大部分体形较大，要求有较高的强度和硬度，使用高锡的青铜合金较为适宜。同时，这种高锡青铜具有良好的色泽。齐斯指出，高锡青铜呈金黄色至银白色（Sn高于26%时），铅的加入会增加灰色调，降低颜色的亮度^[22]。但是，高锡青铜的延展性和流动性较差，较脆，因此器壁不能过薄，以免产生缺陷，这也是殷墟青铜礼器大多壁较厚的原因。特大型礼器的含锡量略低于平均的锡含量，多在12%至15%之间。这是因为含锡量在这个范围之内时，合金拥有较好的铸造性能，也能节约一部分锡料。少量铅的加入，是为了改进合金的流动性能，通常用来铸造那些纹饰较为细致复杂的铜器，比如妇好墓的虎纹觚以及HDM54的方尊等。

妇好墓的青铜器中，有“好”、“妇好”、“司母辛”、“司母”铭文的铜器多使用高锡青铜制作，而铭文是“束泉”、“子束泉”的器物多使用高锡的铅锡青铜制作，后一组铜器的规格低于前者^[23]，这有可能表明当时高锡青铜更为贵重。

在同一墓葬内出土的同铭、成对、成套器物的合金成分十分近似，比如86ASNM29墓中的两件同铭爵、铭文为“妇好”的一组中型圆鼎、铭文为“亚址”的鼎M160∶62和方斝M160∶111，铭文为“亚止”的鼎M160∶123及斝M160∶174等，表明这些器物可能是同一批浇注的^[24]。

殷墟三期以后，合金中铅含量增加，高锡、高铅和锡铅含量均高的三元合金开始较多地使用。其中，高铅铅锡青铜在殷墟以后很少被使用，另外两种三元合金成为青铜礼器的主要原料^[25]。