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黄铜成分变化趋势:古代金属建筑研究

【摘要】:单相α黄铜的强度和塑性都比纯铜高,在较宽的成分范围内,其塑性和强度随含锌量的提高而提高。何堂坤指出,明代的黄铜钱大体处于塑性较好的成分范围[32]。而从宝云阁平均25%左右的含锌量来看,其材料的塑性接近最大值,强度处于上升区域,其塑性与强度的平衡总体处于较好的区间范围内,比较合理。

从本节所列各案例可以看出:从明万历中后期(公元1600年前后)以来,直到清乾隆年间,除了峨眉山的两个铜塔仍是青铜铸造的外,其余各个铜殿、铜塔都已经开始使用黄铜铸造,而且锌含量总体呈提高的趋势。这与万历以来铸钱业的发展态势是一致的——黄铜钱中的锌含量越来越高,锡含量保持在较低的水平上,且有越来越低的趋势(图10-17)。

冶金史研究表明:锌在明代中后期开始在黄铜钱中的含量不断提高,这既与炼锌技术的发展(掌握了单质锌提炼技术)使锌的成本降低有关,也与黄铜配制技术和认识水平的提高有关。以现代科学技术原理来看,锌在铜中的溶解度较大,对基体有明显的强化作用。单相α黄铜的强度和塑性都比纯铜高,在较宽的成分范围内,其塑性和强度随含锌量的提高而提高。如图10-18所示,含锌量为30%~32%时,塑性达到最大值,但此后急剧下降;含锌量达45%~47%时,强度达到最大值,但此时塑性已极低,已无实用价值。何堂坤指出,明代的黄铜钱大体处于塑性较好的成分范围[32]。而从宝云阁平均25%左右的含锌量来看,其材料的塑性接近最大值,强度处于上升区域,其塑性与强度的平衡总体处于较好的区间范围内,比较合理。

图10-17 明、清黄铜钱与铜殿铜塔锌含量走势图

(www.chuimin.cn)

图10-18 黄铜机械性能与锌含量曲线图

以现代科学技术来看,锡在铜中的溶解度随含锌量的提高而降低。加锡超过溶解度时,会形成锡的脆性化合物。现代铸造黄铜的加锡量较低,常控制在1%以下,甚至不加。因此,明人在黄铜钱中少加或不加锡,与现代技术原理基本相符[33]。同样,使用黄铜的铜殿和铜塔中少锡或无锡也是这个道理。

与锡不同的是,铅不溶解于纯铜和黄铜,而以软夹杂的形式存在于金属基体中,对金属基体起到切割作用。对于α态黄铜来说,加入适量的铅,可以改善材料的切削加工性能[34]。因此,黄铜钱中的平均含铅量始终高于含锡量[35]。铸钱中的这些认识,也都反映在黄铜铸造的铜殿和铜塔中。

综上所述,明中后期开始,黄铜取代青铜,成为铸币的主要铜合金。人们不仅已经开始熟悉锌含量对黄铜机械性能的影响,而且也已经能够比较清晰地区分在黄铜中起不同作用的铅、锡两种金属,及其对铜合金机械性能的影响。黄铜铸造的铜殿、铜塔的材料分析数据,反映了当时的这些认识和技术经验。