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铸造起源 | 为什么是青铜成就了铸造？

时间: 2021-04-18 14:56:38 | 作者：Dr.Gu | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 105次

铸造起源 | 为什么是青铜成就了铸造？

It was casting, the essential foundation of all civilization, that unlocked the future and placed man on the path to conquering his environment.

—— Altan Turkeli

本文根据现有的考古学发现，梳理出了铸造的起源。几乎可以肯定的是，铸造的出现是人类文明发展的必然。在铸造出现以前，人类在打磨石器，采石，冶金，制陶以及凿井等方面的技术积累为铸造最后登上历史舞台铺平了道路。

发现矿石据考古发现，约在250万年前，东非出现了最初的人类。这些人的一大特点是开始制造并使用打制石器，人类也进入了旧石器时代。最早约在10000 BC，人类开始制造并使用磨制石器，并进入了新石器时代。

洞庭湖现十万年前旧石器遗址▼

在石器时代早期，石材的获取都是“就地取材”，附近有什么就用什么。在人类长期使用石器的过程中，也渐渐发现了石材之间的差异。虽然以当时的技术条件无法量化石材的成份，但是在数万年的使用和接触过程中，他们对石料的性质有了相当程度的认知，懂得区分石头的软硬韧脆，能根据需要用不同的石料去制作不同的石器。打制石器需要的石料要硬、脆、质地均匀，如硅质岩和黑曜岩，而磨制石器需要的石料则不需太硬，颗粒不要太粗，要不易脱落，如砂岩【1】。这样一来，“就地取材”就无法满足实际的需求了，渐渐的人类开始了有目的采石活动，即去山里寻找能满足特定石器所要求的石材，而这一活动又带来了另一个意想不到的发现。

用于打制石器的黑曜石▼

用于打制石器的燧石▼

在采石过程中，人类发现了纯的金属。高中化学我们学过金属的活泼性排列表，钾钙钠镁铝，锌铁锡铅氢，铜汞银铂金。从左往右金属的活泼性降低。因为金银铜相对不容易氧化，在自然界可以找到它们的纯的金属形态。人类最早发现和使用的金属可能就是纯金，因为纯金所发出的光泽对于任何时期的人类都有着迷一样的吸引力，与石材一起的纯金不可能不为人所注意。银和铜被认为是其次被认识和利用的金属。对这些金属最初的加工手段主要是锻造，即加热到一定温度使其变软后，通过锤打等方式加工成需要的形状。考古上发现的最早的纯铜锻造件可以追溯到9000BC【2】。前期的锻造品主要以小型装饰品为主，后期随着发现的纯金属增多，也开始锻造一些工具，主要是铜制工具。但在那个时代，石器依然是主导性生产工具，锻造的纯金属工具量非常少。无论如何，锻造自然金属的活动丰富了人类对金属的认识。

与石头一起的纯金很难不被引起注意▼

随着采石活动的继续发展，除了非常容易发现的纯金属外，人类还发现了一些不一样的“石材”。这些“石材”与可以作为石器用的石材在外观上明显不同。例如作为打制石器常用的燧石和黑曜岩其主要成分都是SiO2，燧石多呈灰色，黑曜岩呈黑色。而新发现的“石材”色泽鲜艳亮丽，很适合作为装饰品。现在我们知道这些“石材”其实是一些铜矿，即是铜元素以氧化物、硫化物或盐、碱类化合物的存在状态【3】。例如孔雀石是一种含铜50%以的铜矿石，因为其独特色泽，古人将它作为装饰品使用。除了铜矿外，后来人类还发现了锡矿和铅矿等。正是人类在采石活动中的这一系列发现，甚至有学者认为在人类中诞生的最早的科学实应该是地质学家！

孔雀石矿▼

孔雀石打磨成的饰品▼

陶铸昆吾

陶铸昆吾花开两朵，各表一枝。石器时代的人类除了打磨石器作为工具外，还发展出另外一项技能：制陶。制陶的历史也非常悠久，考古学发现，人类早在旧石器时代就已经开始陶器的制造。伴随着陶器制造产生的陶窑(pottery kilns)，早在6000BC 陶窑就有能力烧到900摄氏度以上的温度【4】。陶窑不仅能实现对高温的控制，经过长期的实践还发现了还原性气氛。因为早期人类使用的燃质主要是木材，而木材经过闷烧处理可以制成碳。碳在不充分氧化的情况下会生成气态的CO。古人对还原性气氛的控制可以通过越晚出现的人类遗址中发现黑陶的比例越高来佐证。因为在陶器烧制过程中，CO可以把黏土中红色的三氧化二铁（Fe2O3）还原成黑色的四氧化三铁（Fe3O4）【5】。

古代陶窑示意图▼

红陶▼

黑陶▼

CO是还原性非常强的气体，还原能力甚至超过氢气。古人应该是无意中发现如果把某些石头放入有还原性气氛的高温陶窑中，可以“变”出纯金属，这样冶金技术就出现了。当然实际的冶金是个更复杂的过程，在还原反应之前，有些还需要加热分解。例如从孔雀石中冶铜，需要先把孔雀石加热让其从Cu2(CO3)(OH)2 分解成CuO，然后再进行还原反应【3】。冶金的发现是一个很漫长的过程，人类从利用矿石作装饰品到冶炼出第一粒铜可能至少用了五六千年。考古学上认为人类最早的冶金开始于约6500BC【6】。这项“点石成金”的技术简直太有用了，因为在自然界中含有金属化合物矿的存量比纯金属要大的多。冶金技术的发展极大的提高了人类可以使用的纯金属的量。

而且古人在这个时候因为饮用地下水的需要，已经发展出了凿井技术【7】。矿作为石材，一般主要可以在两种地方找到，石质山以及地下岩。而凿井技术赋予了人类开采地下矿产的能力。冶金技术的发展也极大的提高了人类上山下地找矿的热情。

制陶技术对铸造的贡献不仅仅在于发展出了冶金技术。对于塑造陶器胎壁，古代制陶主要使用的是泥条盘筑法和模制法，现代常用的轮制法是后来才发展出来的。模制法是铸造早期铸范（铸造用的模具）主要参考使用的方法。为什么这么说呢？因为早期的铸件的形状和陶器几乎是一样的，也就是说最早使用的铸范就是模制法制陶的模具【4】。当然后来随着铸造技术的进一步发展和成熟，铸造也开始用于各种工具的制造。

此外陶窑的高温控制也是铸造工艺中熔化合金的必要条件。图1是作者整理的铸造相关的技术演进发展路线图。由此我们可以看到制陶技术对发明铸造的影响之大。正是因为在早期制陶和铸造如此紧密，在中国，有时陶铸被归为是同一项生产活动。例如在《墨子 • 耕柱》就有“昔者夏后开使蜚廉折金于山川，而陶铸之于昆吾”。意思是说，从前夏启派蜚廉到山川采金，在昆吾铸了鼎。在中国的古代神话中，昆吾被认为是陶神【8】。

铸造技术起源图▼

青铜铸造

青铜铸造铸造的本质是将金属加热熔化并浇注模具固化成所要的结构，这不是一种很难被发现的现象。铸造产生的所需要的三大要素：金属（如天然发现或者冶炼得到铜），熔化金属的高温（陶窑）和铸范（模制法所使用的模具），至此都已经出现了。一些考古学遗迹中也有发现一些纯铜铸造的物品。目前人类发现的最早的铸件是一只3200BC铜铸蛙，发现于美索不达米亚平原。但是纯铜作为生产工具的铸造材料存在两大问题。一，铜的熔点为1085度，在铸造中，为了提高熔化金属的流动性和可铸性，实际的加热的温度一般要比熔点高出不少，以当时陶窑的条件实现起来会比较困难，二，纯铜的硬度还是偏低，作为工具材料实用性不强。直到青铜的发明，才成就了铸造技术的大规模普及应用。

目前发现最早铸件：铜铸蛙（网上唯一能找到的图片）▼

青铜主要是铜锡（也可以含铅）的合金。上面讲到人类很早就开始使用自然铜，后来也渐渐学会了冶炼铜，那为什么青铜出现要晚很多呢？这是因为作为青铜主要成分的金属锡发现的比较晚。这也有多方面的原因。一方面，从已经探明的地球各元素的丰度来看，锡的含量约只有铜的几十分之一。因其活泼性的关系，在自然界纯锡金属几乎不存在，地球母亲生成的主要的含锡的石料是锡黄铁矿(Cu2FeSnS4)。锡黄铁矿一般深埋在地下，只有当它被地质运动带到地面，并且氧化成锡石(SnO2)后，才成为人类想要的锡矿。这就造成锡矿不像铜矿这么多，而且也很分散。更棘手的是，这些锡石很多是嵌在坚硬的大理石里面，开采难度极大。另一方面，锡石也很难被发现。作为锡矿主要原料的锡石不像铜矿的石材这样颜色鲜艳夺目，因此很难被注意到【3】。正是因为这些原因，人类对锡的认识和利用相较铜要晚很多。

锡黄铁矿▼

很不起眼的锡石▼

据考证青铜最早是由苏美尔人发现的。在5500~4000BC期间，被认为是最早的人类文明的苏美尔(Sumer)文明崛起于美索不达米亚平原。虽然史学还未能弄明白苏美尔文明具体如何发源的，但肯定和人类约7000BC在该地区最早开始了驯化动植物，生活方式从狩猎采集向农业生产过渡并伴随大规模的定居有关。苏美尔人的的科技水平远远领先于同时代的其它任何人群，就像黑夜里的一支火炬，照亮了人类文明的起源【10】。苏美尔人发明了许多技术，像车轮，玻璃，面包，酿酒等，而青铜也是他们对全人类的重要贡献之一。苏美尔人可能是最先发明了金属锡的冶炼。约在4000BC中叶，苏美尔人somehow发现在纯铜中掺入一些锡后，合金的熔点可以降到800度，这样用成熟的陶窑就很容易的熔化青铜用于浇铸。上面提到目前发现的最早的铜锻造件是9000BC的，从铜到青铜发展了近5000多年，可见是有多么不容易。对于青铜在中国起源目前学界还未有确切的结论，但倾向于由美索不达亚平原经过后来的“丝绸之路”传入中国的学者更多一些【5】。

苏美尔人的青铜器▼

为什么是青铜成就了铸造？

原因有多个方面：一、青铜合金的主要材料是铜，铜是人类除了金和银之外第三种开始使用的金属。青铜是在铜中加入一定量的锡得到的，这种在原材料基础改进的渐近式创新，比完全使用新金属材料的颠覆式创新更容易实现。二、青铜的熔点可以降到800度左右，这样用成熟的陶窑就很容易熔化青铜。三、青铜的固化收缩率较小。熔化的金属在固化过程中因为相变，体积都会有变化。大部分金属在固化过程中体积会收缩，例如现代铸造常用的锌材料固化收缩率>4%，而铝更是>7%。固化收缩越厉害，铸件越容易产生缺陷。而铜锡合金在固化时体积收缩很小，线收缩率只有1.45%～1.5%，易制得尺寸要求准确的复杂铸件和花纹清晰的工艺品【11】。四、青铜化学性质稳定且耐磨，根据含锡量的不同，青铜的硬度比纯铜高出数倍，从而达到了作为工具材料的硬度要求。另外可以插一句，之所以只有石器时代，青铜时代和铁器时代而没有陶瓷时代，是因为时代是以生产工具的材质来作为判断标准的。陶器在历史上一直只是做为容器存在【5】。五、青铜的本色并不是现在看到的氧化后的青色，而是金黄色的，在视觉上很“富有”。

在一个电闪雷鸣风雨交加的夜晚，青铜和铸造相遇了。正可谓“青铜铸造一相逢，便胜却石器无数”。石器瞬间不香了，因为无论是从可制造性，易制造性，材料韧性和可加工结构这几个方面，铸造青铜都完胜打磨石器。由冶金技术对青铜材料的大规模供应的保驾护航，铸造技术自此登上历史舞台，也拉开了人类青铜时代的序幕。

Resource:

【1】《地质学始于旧石器时代》@知乎【2】《History of metal casting》by Prof. Dr. Altan Turkeli【3】《Early metal technology》 by Helmut Föll

【4】《论“模制法”对青铜器铸造技术的影响》by 倪玉湛【5】《论中国冶铜术的起源及早期冶铜术》 by 苏荣誉【6】《Occurrence and Properties of Metals》【7】《Well》@wikipedia【8】《昆吾》@维基百科【9】《Pottery》@wikipedia【10】欧亚世界简史》@知乎【11】铸造青铜》@百度百科

文章标题: 铸造起源 | 为什么是青铜成就了铸造？
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文章标签：考古  旧石器时代  铸造
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