福州开元寺铁佛铸造技术特征探讨.pdf
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1、9172023年第7 期/第7 2 卷工艺技术FOUNDRY铸造福州开元寺铁佛铸造技术特征探讨唐电,王欣,陈俊锋(福州大学材料科学与工程学院,福建福州3 50 2 16)摘要:福州开元寺铁佛是国内外现存最大的古代铁佛。论文中详细表征了这尊巨大铁佛的铸体结构、内表面色泽、芯撑及其影响区、网格条纹、化学成分和金相组织。观察表明,在铁佛的主体构件中未见铸接缝存在的迹象。成分测算表明,铁佛的碳当量为4.3%,属于共晶成分。金相分析表明,铁佛的表面为白口铁,基材为麻口铁。论文尝试探讨所观察到的三个重要的技术特征的优势、成因及其所涉及的技术。关键词:福州开元寺;铁佛;铸造;技术;特征福州开元寺始建于梁太清
2、三年(549年),寺中供奉着一尊唐宋年代的大铁佛(见图la)。该铁佛(以下简称开元铁佛)是镇寺之宝。公告指出,福州开元寺为福建省文物保护单位。现存文物:五代后梁贞明四年(10 8 6 年)所铸的干年特大型铁佛一阝-阿弥陀佛,佛身高5.96 m、宽4m、重5万kg以上。开元铁佛重约52 t,是我国现存最大的古代铁佛,也是世界上现存最大的古代铁佛 2 。由于开元铁佛被泥塑+贴金层所覆盖,隐藏了重要的信息和数据。尽管福建省有关部门组织过多次的研讨活动,央视科教频道也组织制作了铁佛之谜的专题节目,仍留下一些干年未解的谜团。习近平同志在福州古厝序中指出 3 ,“大铁佛是我们的先人掌握高超的治铸技术的证明
3、。”先人究竟采用了怎样的高超技术,值得研究。中国是“铸造之乡”,在此领域,我国的先民掌握着许多领先于国外的发明创造 4-5。英国学者考兰特 9 赞誉,“中国是世界上最早铸造重大铁铸件的民族,在制作这些大尺寸的铁器方面,显示出伟大的技巧和能力”。凌业勤总结了我国古代特大铸件的主要工艺技术,介绍了著名的各尊巨大铸像,并以正定大铜佛为例详述了传统的铸造工艺。总览国内外文献可知,被详细研究过的巨大铸件屈指可作者简介:唐电(1955-),男,教授,博士生导师,主要从事材料学、热处理和技术史的研究工作。E-mail:中图分类号:TG24;K 8 7 8文献标识码:A文章编号:10 0 1-497 7(2
4、0 2 3)07-0917-06收稿日期:2022-08-09收到初稿,2022-09-19收到修订稿。(b)(c)S(d)(a)开元铁佛的照片;(b)背视及剖面示意图;(c,d)方柱(F)的上端(S)和下端(X)的图像图1开元铁佛Fig.1 Kaiyuan iron buddhVol.72.No.7 2023918艺技术铸造FOUNDRY数,而巨大铁像铸造技术的报导仍属空白,因此,必然还存在一些高超的技术和伟大的技巧有待后人发掘。对这一具有标志意义的巨大铁佛,福州大学应邀组织团队,主持对其进行全面的研究 7,本文将聚焦于铸造工艺技术。鉴于有关巨大铁像的铸造技术研究报告的匮乏,加上该铁佛又属我
5、国铸造领域的标志性文物,本研究尽可能记录重要的观测和实验数据,并尽量详细地加以分析与讨论,期望能为展示我国巨大铁像铸造的成就补充些许内容。十分令人遗憾,由于无法观察到铸件的外表面,无法全面揭示其铸造工艺,管窥所限,本文只能依据内表面的观测、材料成分和金相组织,结合文献史料,集中探讨所观察到的几个重要的技术特征。借一得之见,抛砖引玉。1实验观测与分析1.1铸体结构开元铁佛为中空铸件,外有泥塑涂层和贴金饰层。通过铁佛后背疏松处开启的小孔进行内窥观察,可见铁佛顶部中心位置存在一圆孔,另于双肩大致的对称部位分布两圆孔,尺寸比顶部的略小,三孔均被砖块填堵,其各自的作用还尚待探讨。当时的工匠留存一个尺寸约
6、为0.6 m1.2m的门洞(图1d),以便观察和清理内腔。铁佛外观大致左右对称,内部结构却不对称(图1d)。经仔细观测,可见其右侧处存在一突出的方柱,见图1b。图1c,d 为该方柱上下端的实际样貌。本团队 7 曾对此方柱的设置原因进行了讨论,此不累述。1.2内铸面观测1.2.1内铸面状况纵向观察,铁佛内铸面的色泽从上至下大致有序过渡。头、肩部的大部分区域呈土灰色,是干泥浆的颜色。从肩部往下,干泥覆盖区域逐渐收缩,接近地面,干泥痕迹仍斑驳可见。干泥失落部分,可见氧化铁,呈棕红或红褐色,是所谓铁红的颜色(见图2 a,b),从上到下,颜色稍暗。横向观察,铁佛内铸面沿下部上部(a)上部(b)下部图2
7、内壁表面的图像Fig.2 Pictures of the inner surfaces水平方向的色泽基本一致,仅有右壁的方柱区域的色泽较暗。纵向观察,铁佛大部分表面均未遭受明显腐蚀,这一情况与其同时代的巨大铸件,如沧州铁狮子 8 相比,形成鲜明对照。在靠近上部的区域,铁红色区域表面完整,直至接近地面,表面才稍显粗糙(见图2a,b)。从横向观察,铁佛内铸面的粗糙情况基本相似,仅有右壁的方柱区域出现异常。即方柱与体围铸面色泽不同,表面腐蚀严重,且其上未见任何干泥痕迹。很明显,该方柱由废铁预先铸成,待主体结构浇注时与体围相铸接 7 1.2.2芯撑及其影响区铁佛的内部有许多断面接近方型的芯撑,如图3
8、a(a)芯撑(如箭头所示)(b,c)影响区(如虚线所示)图3 芯撑及其影响区的图像Fig.3 Picture of the chaplets shown by arrow and affected zone indicated by dotted line9192023年第7 期/第7 2 卷工艺技术FOUNDRY铸造中的箭头所示。芯撑在铸面上的露头不规整,或为平面,或为单斜面,或为多斜面,应为研断芯撑所留存的切面。可见芯撑材料较柔韧,材质应属低中碳钢,便于凿切加工。仔细观察可见,每个芯撑的周边都存在大致环形的色泽不同的区域,本文将其称为芯撑影响区。从芯撑开始,色泽沿辐射方向变化,直至与周边的
9、铸面一致。芯撑影响区的存在源于芯撑与周遭的成分的不同,加上浇注时的温度梯度,导致凝固后的组织和成分沿辐射方向变化,以至于最终影响了氧化腐蚀过州铁狮子是分层铸接而成,狮身内外均有水平的冷隔线,其上可见熔渣和杂质 8 。对于开元铁佛颈部的横纹,因其位置较高,如果是铸接缝,则必然存在更多的浮渣,我们仔细观察也未见到冷隔线或夹渣的痕迹。在铁佛体内仔细搜寻,也未见任何因铸接留下的裂隙或疤坑。所以我们只能注目于其他的横向网格条纹,十分注意寻找各类铸造缺陷。然而,经详细观察可知,除颈部的一道横纹以外,其他的横向网格条纹不但不水平排列,且大多都存在弯曲现象,不存在作为铸接缝的基本表象;在网格条纹的狭窄宽度HH
10、图4网格条纹的图像,横纹(H)、纵纹(V)Fig.4 Pictures of the horizontal and vertical stripes indicated by H and V,respectively程。不同芯撑的影响区大小并不固定,最小的和最大的直径相差超过一倍,如图3 b所示。大小悬殊的影响区极有可能标志着在相应位置上铸肉厚度的不同。芯撑影响区反映了氧化腐蚀对组织成分的敏感性,因此,可借助表面的色泽变化来判断组织成分的异同,协助查找出现组织成分迥异的部位,特别是用于识别芯撑,十分奏效。图3 c中虚线标示的一个椭圆型的影响区,其中实际上有两个芯撑,位于右上方的芯撑明显可辨,但
11、左下方的芯撑并不易辨认,正是由于椭圆型的过渡区才得以确认。借助与周边有明显色差的影响区,我们识别出许多个未明显露头的芯撑,1.2.3网格条纹在铁佛的主体结构中可观察到纵横交错的网格条纹,如图4a,b 所示。颈部有一道横纹,胸腹区计有六道横纹;从颈肩部发出的纵纹共十一道,前部有七道,后部有四道。这些网格条纹大致均匀排布。网格条纹本身宽2 5cm左右,大部分网格条纹突出于铸面(见图4b),突出高度可达3 cm左右。网格条纹的存在可以提高铁佛的结构强度,因此不排除这些网格条纹是用作为加强筋的可能性。纵纹多于横纹,对支承硕大的头颅明显有益。研究报导 8,沧州铁狮子为了支承狮头的需要,专门设置了突出于铸
12、面的加强筋。对于特大铁铸件,传统上采用“数接为之”9 的方法。铸接工艺往往会招致铸接面未予熔接以及铸块间成分不均的缺陷,这也得到了考古的证实。如:沧中,未找到冷隔线或夹渣物的痕迹;各道横纹相邻的裸露铸面,跨越条纹色泽连贯过渡,说明相邻铸面的组织成分并无明显不同。1.3金相组织与化学成分在铁佛的后背门洞处切取样品,一个近表层,另一个近心部,取样位置和制样过程可参见前文 10 。利用金相显微镜观察分析。图5为近表层样品的金相图像,其中可见白色的连续或呈网络状分布的渗碳体区,以及散布于其间的暗黑色的点状和条状的奥氏体转变区,具有共晶莱氏体形态的鲜明特征。图6 为近心部样品的金相图像,照片中除了白色的
13、共晶渗碳体、奥氏体转变区外,还存在一些片状的石墨。所以可确认,开元铁佛的材质总体上属于麻口铁,只是在表面存在着一层白口层,与本团队1 XPS分析的结果um图5近表层区域的金相图像Fig.5 Metallographic photo from the region near surfaceVol.72No.72023920二艺技术铸造FOUNDRY相一致。在两幅金相图像上,还分别存在未被磨削掉的散布氧化腐蚀坑(图5)和连续的氧化物腐蚀带(图6。DDAA10um图6 近心部区域的金相图像Fig.6 Metallographic photo from the region near core对近表层
14、的样品进行成分分析,其含铁95.54%、碳4.2 0%、硅0.0 3%、锰0.0 3%、磷0.18%、硫0.0 2%。开元铁佛的含碳量略偏离共晶点,金相观察却为典型的共晶莱氏体组织。因生铁中还有其他元素,要了解其合金成分偏离共晶点的程度,必须计算碳当量。采用美国金属学会推荐的碳当量的计算公式(C=%C+(%Si+%P)/3),计算得出,碳当量为4.3%。所以,开元铁佛的碳当量恰好是共晶成分,与共晶莱氏体组织完全对应。大量研究表明,样品中硅的含量低,说明该生铁的熔炼温度很低。锰的含量低也是熔炼温度低所致。生铁中含磷略高,主要是矿石中带入的。生铁中硫含量低,说明当时采用的燃料是木炭2讨论通过仔细观
15、测和分析,对比有关巨大铸件的同类研究,我们吃惊地注意到,该铁佛存在一些同类研究未报导的实验现象及不同的技术特征。为此,我们重点集中分析所观测到的这些技术特征,讨论它们的优势、成因、相关的技术背景,以及偶然所得的可能性。2.1无铸接缝的主体构件众所周知,重量大于10 t的古代铸铁件为特大铸件 12 。考古学界常用“巨”来表示更大的铸件,40 t以上规模的铸铁件属于巨大铸件。值得注意的是,开元铁佛的主体结构体量大于45t(如果包括头部,其体量甚至接近50 t),属于巨大铁铸件。国内外被详细研究的古代巨大铸件,它们的铸造基本上都采用“数接为之”9方式。这种方式铸造相对容易,我国古代特大铸件通常采用这
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