石范铸铁耕作工艺的调查与分析

石范铸铁耕作工艺的调查与分析

一、石范技术调查的重要性石范是人类在早期的采矿和铸造活动中广泛使用的范铸造技术，已有几千年的历史。据记载,公元前3000年前,人类就已发明了用于铸造工具和武器的石范。1迄今所知,中国最早的石范为甘肃玉门火烧沟四坝文化晚期遗址出土的镞范,年代不晚于公元前1600年。2据不完全统计,截至目前,全国共出土石范480余扇,分布在20多个省、市、自治区和行政特区。除有古代石范出土外,在四川木里县俄亚村、云南曲靖董家村以及云南曲靖会泽县还陆续发现了部分当代石范铸铁作坊,其中会泽县的石范铸铁作坊至今仍在生产。鉴于石范技术在文明进程中的重要影响,以及在现今中国西南部分地区仍被人们所采用,对其进行研究,不仅在考古学上具有学术意义,在民间文化遗产的研究方面也具有现实意义。1983年,王大道《曲靖珠街石范铸造的调查及云南青铜器铸造的几个问题》3发表,这是国内对石范技术进行实地调查研究的最早报道。该文记述了董家村石范铸铁作坊的生产流程,为研究石范铸造技术提供了详实的资料。但其侧重点是石范浇注,而对石范的制作仅作了简单介绍。2005年,北京科技大学李晓岑同日本学者三船温尚等再次对该地进行了调查,已停产的作坊进行了石范制作和浇注铁犁的演示。但据日本学者已发表的相关文章,4其对石范技术的调查仍将浇注作为研究的重点。如果将石范技术作为一个完整的体系加以划分,可暂且将其分为石范制作技术与石范铸造技术两大部分。研究石范铸造技术固然重要,其对研究早期金属铸造及冶金技术起源等问题具有重要意义。但石范制作作为石范铸造的前提和基础,对其进行系统探究,不但能弥补整个石范技术体系的缺失,而且对于一些技术细节的把握,如古代工匠在石材选择方面的判定、型腔的凿刻工艺以及早期制范工具的选用等诸多方面,都有不小的启示。古代石范制作技术,在历代文献资料中都未有记载,留给我们的仅是出土自不晚于夏末至清末的480余扇石范。从这些静态的技术遗存中固然可以提取出古代石范制作技术的部分信息,但通过对现存石范铸铁作坊的调查,无疑是获取研究石范制作技术一手资料的更好途径,在此基础上,也可对古代的制范技术作进一步的推测和判定。为此,笔者于2008年7月赴云南曲靖董家村就石范的制作技术作了调查。二、石范形制及制作董家村位于云南曲靖市珠街乡(图一)。此次调查的对象是石范铸铁作坊主人袁德成的儿子袁富强。据称,用石范铸造铁犁已在袁家传承了十多代,他本人随父从事石范技艺10余年。但遗憾的是,随着其父的离世及诸多原因,作坊在1980年代末停止生产,关于石范技术在袁家的传承谱系也已无从考证。袁富强向我们演示了石质犁铧范制作的全过程,笔者对此进行了文字、图像和影像记录,在此基础上,结合李晓岑提供其2005年调查所得资料,以期对董家村的石范制作技术作较系统的研究。袁氏作坊的石范形制大体分为两类,犁铧范和犁镜范;型号分为小号和大号。小号犁范浇注出的铁犁适用于山区耕作,因为山区土质坚硬,使用小犁,犁地阻力小;而水田较多的地区一般使用大犁,由于土质松软,使用大犁可提高耕作效率。该作坊现有可用石范:犁铧范6副,犁镜范3副。以大号犁铧范和犁镜范为例,其上扇范、下扇范及犁铧范型芯的具体尺寸见表一及图二～五。三、青砂岩原石的开采石料的选择对石范的制作、浇注以及使用寿命至关重要。据袁富强讲,一般要选择内部纹理较少、石质细腻、耐火度较强的砂岩作为制范的主要材料。红砂岩和白砂岩由于粗糙、易碎不适合凿刻,制范最好选用青砂岩。但风吹日晒下的青砂岩在风化后易开裂,故要选用阴暗处的。过去由于交通不便,袁氏作坊通常需自己赶牛车到沾益与宣威交界的沈家村开采青砂岩原石,用此处石料制作的石范其平均使用寿命约10年。首先,需将开采出的大块原石破解为大小不等的毛料。具体方法是先用钢钻在原石上钻洞,后在孔洞内插入铁楔用锤击打,根据所制石范的形制、大小,将原石大体分解为横截面呈长方形、正方形、多边形等形状不同的毛料。其次,对毛料整形。使用的工具有:锤、尖钻、平钻、刮刀(图六)。先用金属尖状物或粉笔在毛料上划(画)出所刻范形的大致轮廓,后依照轮廓用尖钻剔除多余石料。具体步骤为,先自上而下凿刻石料左右两端,使之横截面呈梯形;再凿刻石料背端与左右两端边缘,使纵截面呈半圆形;后用平钻和刮刀修整局部,最终将毛料大致修整为长、宽、高符合犁范形制的上大下小的半圆柱状范坯(图七)。初步整形后,为制作和浇注石范时方便搬运,通常要在犁铧范和犁镜范的上扇上下两端分别凿出长、宽、深为5.5×3×3厘米的槽口作为扣抬孔。四、布拉格的风格和起源(一)确定并进行刮刮加“水平面”技术制作上扇犁铧范最重要的一道工序就是刨面。因董家村的犁铧底部为平面,因此,在刨面时只需保证上扇范面为水平面即可,具体方法如下:将犁铧范上扇范坯水平置于地面,用刮刀将横截面呈梯形的面铲刮平整。后用下扇范坯的范面与上扇面相对,互相摩擦,直至两扇范面完全闭合。由于犁铧范上扇无需刻制型腔,因此,只需保证范面平滑,边缘平整即可。(二)中小型型腔的制作要点三由于要制作型腔,相对于上扇范,下扇范的制作工序略为复杂。下扇范型腔的基本形制为一个下凹的底部呈U形,深约3厘米,周边由斜坡与下扇范范面相连的腔体(图八)。具体制作工序如下:1.选一个规则的铁犁作参照,将三角形犁底水平放置于经过刨面的下扇范范面上,用金属尖状物或粉笔划(画)出犁底的轮廓。如果技术娴熟,可直接用笔在范面上勾勒出型腔的大致轮廓,以供凿刻时参照(图九)。2.刻型腔。用尖钻从范坯较宽一端中部凿起,以舌形状向较窄一端推进,凿至范面所划(画)犁形约3/4处暂停,后反方向由窄端犁尖部向宽端凿刻,去除剩余1/4石料。凿刻剩余部分时,需将铁钻尽量放平,使凿刻出的型腔犁尖部位平缓延伸至犁形3/4处。此法是为了避免一味由宽端向窄端推进,易使型腔犁尖边缘出现大的破损。此外,在型腔制作过程中,需将腔体深度控制在3厘米左右(图一〇)。通过前期使用尖钻凿刻,型腔整体逐渐呈大U形。后需换用平钻修整型腔两侧斜坡。平钻分为大、小两种型号,开始需使用小号平钻,后使用钻头较宽的大号。局部修整的方向是自上而下,整体修整方向是由范体宽端顺沿坡面向窄端推进。在修整过程中要保持斜坡两侧坡度完全对称,这就要求凿刻时需格外小心,两侧对应凿刻,推进速度保持一致。若斜坡一侧凿刻过多,会改变石范的整体构架,致使型芯与型腔无法契合(图一一)。修整斜坡的同时,也要交替使用尖钻和平钻修整型腔底部。用平钻将底部凿刻平整,用尖钻修整底部与坡度交接处,使底部也呈现出一个近似于U形的面。当型腔基本成形后,为了把握进一步凿刻的尺度,需以使用过的型芯作参照,将其置于尚待修整的型腔中(图一二)。由于型芯表面涂有石墨粉和焦炭粉制成的涂料,因此,在与青砂岩接触后,会在型腔壁尚需修整的部位留下黑痕。去除黑痕处的多余石料,如此反复数次,直至二者完全吻合,至此,犁铧范下扇大体制作完成。3.修型腔。使用大号平钻或锋利的金属片状物,将型腔底部及周边斜坡等凿刻过的部位仔细铲刮平整(图一三)。此后需将下扇范与上扇范对合、反复摩擦,直至二者完全闭合,这样能保证合范时上下两扇闭合紧密,防止浇注时铁液外溢。4.补破损及刷范。凿刻时难免会在局部留有细微破损,在制作完毕后,需用焦炭粉和酸性胶泥和制的泥料将破损处补平。后将焦炭粉和石墨粉以1∶1比例配置的涂料刷制于上下范面,以增加范面的光滑度和耐火度,使得浇注时铁液能顺畅注入,浇注后便于铸件分离。涂料配置所使用的石墨粉和焦炭粉要用筛子精心筛选,保证颗粒足够细小,颗粒越细,刷制后的范面越光滑。刷范后,将石范架于柴火上经半小时烘烤后即可使用。至此,犁铧范的上下扇全部制作完工。由于作坊中会有多套石范同时用于浇注,为了避免合范时发生混淆,董家村的犁铧范上下扇的范体上都刻有标记(图一四),这种标记通常为同为一套的上下两扇范刻有相同的字母。(三)铁骨的注意事项型芯的使用是为了在浇注后形成犁铧的銎。董家村石范铸犁所用的型芯由铁骨及附着在其上的焦炭粉和酸性胶泥组成的混合泥料制成,整体呈三角形,尖部较钝(图一五)。首先就铁骨而言,骨身呈三角形,两侧带有锯齿,底部有一短柄,用于连接圆环状手柄(圆环作为撬孔,在浇注后用于松动型芯),铁骨一面为平面,另一面为凸面。据袁富强介绍,铁骨系浇注而成,最初用双面范浇注,即石范的上下扇范面都要凿刻出铁骨型腔,浇注成形的铁骨正反两面都为凸面,目的是为了制作型芯时,让骨身和泥料间的附着力更大。后经多次实践,单面范浇注出的铁骨具有同样好的附着力,于是,逐渐演化为现今的形制(图一六)。现今铁骨的使用有两个优点,其一,使用单面范浇注铁骨,相对于双面范,节省了石范制作工时;其二,单面范在浇注时节省了铁料,且减轻了型芯自重,使合范、竖范及撤范取件等工序更易操作。除铁骨外,制作型芯必不可少的还有附着在骨上的泥料。泥料包括焦炭粉和酸性胶泥,其中焦炭粉由熟焦炭打碎经筛子过滤后得到,其作用是耐高温;酸性胶泥是用董家村当地胶泥经晒干后加适量水搅拌而成(如果胶泥不经晾晒这道工序,因其粘性过大,凝结成团而无法和焦炭粉混合),其作用是将焦炭粉牢固地粘合到铁骨上。将备好的焦炭粉和酸性胶泥以4∶1的比例加适量的水和制后就得到了制作型芯的泥料。具体制作步骤如下(图一七):1.将一块平整的木板水平置于地面,用事先备好的泥料,以舌形状糊置于木板表面,制作出厚度约1.5厘米的泥胎。2.后将铁骨水平安放到糊好一半的泥胎上,注意三角形骨身要放置于舌形泥胎正中,将短柄和圆环手柄露于泥胎之外。3.将铁骨的上半部分以同样的形状用泥料包裹补齐,厚度同下半部分相同。4.初步完工的型芯要置于日光下晾晒,后将泥料去除毛边,修整成形。型芯的舌形部位底部要平,需同下扇范型腔底部相吻合,但舌尖部略微上翘,以保证浇注后能形成铁犁的銎。每次使用前,需在型芯表面刷制用石墨粉和焦炭粉配置的涂料,以增加平滑度。之后正反两面需经高温烘烤,若用大火,10～20分钟即可烤透,如用小火约需半小时。注意需在型芯底部留有孔洞,利于烘烤时析出水分(图一八)。型芯背部同样刻有标记,表明该型芯与另外的上下扇范同属一套(图一九)。五、范下扇的制作工序与犁铧范相比,制作犁镜范所需石料是前者的一倍,这是由犁镜形制决定的。董家村犁镜的弧面大,整体形状较扭曲,这就要求犁镜范上下扇范面需凿刻出足够的弧度,方可达到实际浇注所需,弧度越大,所需范坯越厚,所用石料越多(图二〇)。由于缺少石料,袁富强未能现场演示犁镜范的制作。但通过其讲解,可大致将其制作步骤整理如下:首先需找形制规则的犁镜,将犁镜的侧边与范坯侧面相对,根据犁镜的侧边尺寸、弧度,用笔或金属尖状物在范坯侧面画(划)出弧线,作为凿刻的参照。下扇范范坯所画(划)的弧线应该是向下凹,上扇范范坯则与之相反。除了要凿刻出一个难度较大的弧面外,犁镜范上扇与犁铧范上扇的制作工序大致相同,同样用尖钻去除多余石料,用平钻、刮刀修整范面,在此过程中要不断将旧犁镜放置于范面作参照,看犁镜和范面之间是否有空隙,以判断所需弧度是否取够。后将修整后的上下范面相对摩擦,直至二者完全闭合。之后要在下扇范弧面上制作型腔,除型腔形状不同且要在型腔底部凿刻出孔洞以使得浇注后形成犁镜背部的钮孔和凸钉(以便于将犁镜固定于犁架)外,犁镜范下扇的制作工序与前述犁铧范的制作大致相同,在此不再赘述。值得一提的是,董家村犁镜范型腔底面,在位于放置泥芯的孔洞和形成凸钉的孔洞之间刻有两条弧线,这样在浇注后会在犁镜背部形成同样的图案,为农具增添了几分美感(图二一)。总而言之,制作犁镜范除注意上述对于弧面的把握外,整体形制要保证“两薄两厚”,即指上扇或下扇范体的四个角呈对角方向的两端的薄厚是一致的,合范后上下扇范四角要薄厚相对(图二二)。六、砂体材料的选择从石料的选择、范坯的制作以及在此基础上制作出上扇范、下扇范和型芯,董家村的石范制作表现出了工匠的智慧和技术的巧妙,而这些又是长期生产经验积累的结果。(一)从石料的选择来看,董家村选用了沾益与宣威交界处沈家村出产的青砂岩,这类砂岩石质细腻、内部纹理较少、耐火度较强,能满足制范及浇注所需,且使用青砂岩制作的石范平均使用寿命约10年,这也大大节省了石范修复和重新制作的成本。根据笔者对中国在不同时期、不同地域出土古代石范资料的整理来看,在使用石范的近2000年的技术历程中,北方最初制范材料多选用砂岩、石灰岩、片麻岩、千枚岩、页岩和滑石等,但到后期所出土的石范基本都由滑石制成;而南方自始自终都以砂岩作为其制范的唯一原料,由此不难看出滑石和砂岩是古代工匠最常用的两种制范材料。而董家村石范作坊地处中国西南,尽管目前尚无法探明其技术是否源于古代中国南方使用砂岩制范这一技术传统,但至少在石料的选取上,二者具有相似性。砂岩之所以备受古今南方制范工匠的青睐,从岩石学角度看,原因如下:1.砂岩属沉积岩,通常将沉积岩中由2～0.05毫米碎屑(含量大于50%)胶结而成的岩石统称为砂岩。5根据粒级大小,可具体分为:极粗砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩和极细砂岩。6由于用砂岩制作石范,需凿刻型腔,为保证浇注后的器物表面平滑、减少砂眼,故需选用粒径较小者,但如粒径过小又会产生另一问题,即石料密度大、强度高、硬度大,从而导致凿刻困难。所以,选用砂岩需尽量选用中砂岩或细砂岩,这样既能保证易于刻制,又能保证铸件质量。2.普氏硬度是表示岩石坚固性的量化指标。由普氏硬度对岩石分级可知,普通砂岩属中等坚固岩石,普氏硬度系数f值为4～6,7此外,加之前述砂岩的属性,颗粒均匀、质地细腻,因此,较适合用砂岩凿刻型腔。3.砂岩的耐火度为1650～1730℃,比滑石耐火度还高,用砂岩质石范浇注铁器、铜器和青铜器等金属器物,范体足以抵挡金属溶液的高温冲击而保证顺利浇注。此外,砂岩的透气性好,利于浇注后铸件的快速定型和范体的散热。4.在大陆沉积地层中,砂岩体积大约占25%,是最重要的沉积岩类之一。砂岩在地表分布广泛、储量巨大,其在中国南方分布区域相对更广,局部地区分布密集度高,如云南、广西、广东、江西等地都有多处砂岩矿产。综上所述,砂岩储量大、地表分布广泛、易于采集,南方出产尤多,加之岩质细腻、硬度较低、耐火度高、透气性好,这些因素都使得砂岩在古今南方地区更易成为制作石范、浇注器物的重要原料。(二)从石范的制作技术来看,历经十多代的技艺传承,董家村的石范技术已相当成熟。例如,其在制作带有型腔的下扇范时,为保证型腔尺寸准确无误,巧妙利用业已制好的型芯作参照。此外,制作型芯铁骨时,骨身形状由正反面均为凸面到一面为平面一面为凸面的转变,不仅简化了铁骨制作工序,而且节省了制作骨身的铁料。另外,其利用酸性胶泥较强的粘合性和焦炭粉良好的耐高温性,将二者以精准的比例加以配制作为型芯骨身的附着材料,这些无一不体现出制范工匠的聪明才智。精湛的制范技术除了工匠的高超技艺外,与其使用的优良工具也是密不可分的。董家村的石范作坊使用的工具有锤、尖钻、平钻、刮刀等,这些都是用现代机械加工而成的金属工具。正是将这些用途各异的工具加以巧妙组合利用,才制作出了符合浇注所需的犁范。制范工具在当代作坊中的重要性,让我们不得不思考一个问题,在早期石范制作中,古代工匠究竟采用何种工具加以凿刻?但遗憾的是迄今为止,尽管出土过不少古代石范,但尚未见有制范工具出土。前述出土古代石范多由滑石和砂岩所制,而这两种石料的一个共性就是硬度较低,由此可作简单推测,凿刻此类石料所用工具,其硬度必然要大于该石料