青铜冶炼
青铜冶炼
我国古代劳动人民在从事农业、畜牧业、手工业生产中，陆续发现和使用了石、陶、木、骨器。在长期生产实践中，又逐渐认识到自然界中存在金属铜块，于是开始采集和使用它。
早在新石器时代，中国人就已经会使用“火攻法”采集矿石。位于广州市郊区西南樵山的新石器时代制石工场遗址是我国目前发现的最早的古代采矿遗址。在遗址的矿坑内壁上有火烧痕迹，巷道地面堆积了很厚一层经过火烧的磷石块和碳屑，说明早在5000多年前，我国的劳动人民就已经懂得利用热胀冷缩的原理来开采矿石，这是世界采矿史上的一个奇迹。
中国古代的采矿技术在商周时期已经达到很高的水平。1988年，在江西瑞昌夏畈镇的幕阜山东北角，发现了一处商周时期的铜矿采矿遗址。铜矿遗址的开采方法既有露天开采，又有地下开采，以地下开采为主。当时矿工能将开拓系统延伸到数十米深的富矿带，利用木立框支撑在地层深部构筑了庞大的地下采场。地下开采时利用井口高低不同所产生的气压差形成自然风流解决了通风问题。遗址出土的开采工具青铜斧、钺、凿，翻土工具木锨、木铲，装载工具竹筐、竹畚箕，提升工具木辘轳，木钩等说明古铜矿井有效解决了安全、通风、排水、提升等一系列技术问题，展示了中国早期辉煌的采矿技术的成就。采矿区还发现了大型选矿场，出土了选矿器具木溜槽，它可以利用矿粒在斜向水流中运动状态的差异进行物料选别。矿粒在重力、磨擦力、水流的压力、剪切力及档条阻力等联合作用下，松散、分层，这是达到按比重分离的重力选矿法之一。铜岭选矿槽的出土是世界选矿史上的重要发现。
现存湖北大冶的铜绿山古矿井遗址是我国春秋战国时期的古矿井遗址。该遗址采矿技术最显著的特点是采用竖井、斜井、盲井、平巷联合开拓法进行深井开采。最大井深达六十余米，低于地下水位二十余米。
春秋时期。长28.3厘米，宽10厘米，高3.8厘米，用于分析铜矿品位，确定开采方向。
西周至春秋。通长37厘米，宽32厘米，厚9.5厘米，重11千克，系采掘工具。
瑞昌铜岭采矿遗址和大冶铜绿山古矿井遗址证明，我国早在商、周时期不仅能找到富矿、大矿，而且已能开掘深矿井，这在当时世界上是极为先进的。
我国在新石器晚期，就进入了铜石并用时代。古人最初采集铜矿石，是用于提炼纯铜。纯铜因为是红色的，所以叫红铜。红铜虽然可锻并能熔铸工具，但质地不如石器坚硬和锋利，制作出来的工具刀口容易钝。同时，由于红铜溶液粘稠，流动性差，所以难以浇铸出造型复杂的大件容器。古人在提炼及使用红铜工具过程中，发现将红铜与锡、铅等金属熔融在一起，就能克服以上这些弱点，于是开始在红铜中掺进定量的锡、铅，炼制出一种青灰色的合金，这就是青铜。与红铜相比，青铜有熔点低，易于铸造；硬度大；融化后流动性好，少气泡等优点，适于铸造锋利的刀刃和细密的纹饰。
青铜文化的出现和发展是建立在冶金设备的发展和完善基础上的。先进的炼铜竖炉是青铜冶铸业兴起的基础之一。从湖北大冶铜绿山发现的春秋时期的炼铜竖炉看，当时的竖炉由炉基、炉缸和炉身组成，在炉的前壁下部设有金门和出渣、出铜的孔洞，炉侧还设有鼓风口，整体结构已相当先进。
春秋时期的青铜炼炉，长26.5厘米，宽10—14厘米，呈不规则形状，厚约5—8厘米，竖炉用于炼铜。主要成分：红色粘土、高岭土、铁矿粉。西周到汉朝，炼铜后的残留物。主要成分：FeO、Fe2O3、SiO2。炉渣铜含量仅0.7%，从其形态分析，流动性很好，说明当时的铜铁分离及整个冶炼技术已达到很高水平。
在冶炼青铜的过程中，我国古代劳动人民还逐步发现了铜与锡、铜与铅的配比的改变，能够使炼制出来的青铜的属性发生变化。青铜熔点低，加进的锡越多，熔点越低。同时随着加锡量的增多，硬度也随之增高，远远超过了红铜的硬度。但是当加锡过多时，青铜反而变脆，容易断裂。后来，人们又发现在青铜中加入定量的铅，就能克服青铜较脆的弱点。通过反复的实践，到春秋战国时期，古人已经总结出配制青铜的合金规律。
战国时代的《周礼·考工记》里对于铸造各种青铜器物的合金配比，就有比较明确的记载：“金有六齐，六分其金而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居其一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。”这里的“金”是指青铜，“齐”是剂量的意思。这段话向人们指出了合金性能和合金成分之间的关系，说明当时的人们已经完全懂得了采用不同的铜、锡配方，来改变青铜的硬度、韧性、声学性能以及磨光性能，制作不同用途的青铜器。近年来，有关人员检验了600多件古代青铜器，成分都很合理。古代没有任何分析手段，却能将青铜器的成分掌握如此精确，让人惊奇。
铸造业在我国古代的金属加工工艺中占有突出的地位，并产生过巨大的社会影响。今天我们在生活中还经常使用的“模范”、“熔铸”、“就范”等词汇，就来源于古代铸造业的术语。我国古代劳动人民在长期的生产实践中，创造了陶范法、失腊法两大传统铸造工艺。
最初的铸造技术是使用石范。由于石料不容易加工，又不耐高温，随着制陶业的发展，很快就改用泥范。在近代砂型铸造之前的三千多年时间里，泥范铸造一直是最主要的铸造方法之一。
泥范铸造的工艺是：（1）制模。用泥土按照器物原型雕刻成泥模；（2）翻外范。将调和均匀的泥土拍打成平泥片，按在泥模的外面，用力拍压，使泥模上的纹饰反印在泥片上。等泥片半干后，按照器物的耳、足、鋬、底、边、角或器物的对称点，用刀划成若干块范，然后将相邻的两泥范做好相拼接的三角形榫卯，而后晾干，或用微火烘烤，修整剔补范内面的花纹，这就成了铸造所用的外范；（3）制内范。将制外范使用过的泥模，趁湿刮去一薄层，再用火烤干，制成内范。刮去的厚度就是所铸铜器的厚度；（4）合范。将内范倒置于底座上，再将外范块置于内范周围。外范合拢后，上面有封闭的范盖，范盖上至少留下一个浇注孔；（5）浇铸。将融化的青铜溶液沿浇注孔注入，等铜液冷却后，打碎外范，掏出内范，将所铸的铜器取出，经过打磨修整，一件精美的青铜器就制作完成了。
在制作复杂造型的青铜器时，古人还采用了分铸法作为基本工艺原则。或者先铸器身，再在上合范浇注附件（如兽头、柱等）；或者先铸得附件（如鼎的耳、足等），再在浇注器身的时候铸界成一体。
我国在商代早期就有了泥范铸造，商代中期达到鼎盛时期。用这种方法，古代工匠们创造出了像司母戊鼎、四羊方尊这样的旷世珍品。
我国古代泥范铸造的又一个杰出成就，是叠铸法的早期出现和广泛应用。所谓叠铸是把许多个范块或成对范片叠合装配，由一个共用的浇道进行浇注，一次得到几十甚至上百个铸件。我国最早的叠铸件是战国时期的齐刀币。这种方法由于其生产率高，成本比较低至今仍在广泛使用。
熔模铸造又称失腊法。失腊法是用腊制作所要铸成器物的模子，然后在腊模上涂以泥浆，这就是泥模。泥模晾干后，在焙烧成陶模。一经焙烧，腊模全部熔化流失，只剩陶模。一般制泥模时就留下了浇注口，再从浇注口灌入铜液，冷却后，所需的器物就制成了。
我国的失腊法最迟起源于春秋时期。河南淅川下寺2号楚墓出土的春秋时代的铜禁是迄今所知的最早的失腊法铸件。此铜禁四边及侧面均饰透雕云纹，四周有十二个立雕伏兽，体下共有十个立雕状的兽足。透雕纹饰繁复多变，外形华丽而庄重，反映出春秋中期我国的失腊法已经比较成熟。战国、秦汉以后，失腊法更为流行，尤其是隋唐至明、清期间，铸造青铜器采用的多是失腊法。
失腊法一般用于制作小型铸件。用这种方法铸出的铜器既无范痕，又无垫片的痕迹，用它铸造镂空的器物更佳。中国传统的熔模铸造技术对世界的冶金发展有很大的影响。现代工业的熔模精密铸造，就是从传统的失腊法发展而来的。虽然无论在所用腊料、制模、造型材料、工艺方法等方面，它们都有很大的不同，但是它们的工艺原理是一致的。20世纪40年代中期，美国工程师奥斯汀创立以他命名的现代熔模精密铸造技术时，曾从中国传统失蜡法得到启示。1955年奥斯汀实验室提出首创失蜡法的呈请，日本学者鹿取一男根据中国和日本历史上使用失蜡法的事实表示异议，最后取得了胜诉。