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汉代环首刀的国内首次研磨研究报告

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翰龙商家

发表于 2008-2-29 21:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
汉代环首刀的国内首次研磨研究报告
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翰龙商家

 楼主| 发表于 2008-2-29 21:36 | 显示全部楼层
此环首刀,为广西省水坑器物。由山西省古代刀剑文化艺术保护协会理事冯葵收藏。初看锈蚀不深,除刀身表面有锈蚀砂土外,器型状态基本完好无损。环首刀全长1210毫米;刃长1010毫米;茎长:200毫米;上部厚6毫米;下部厚9毫米;上部宽20.2毫米;下部宽28毫米;内弧弯度4毫米;重1000克。此刀重心位于环首向前530毫米处,单手持握有前倾的感觉,使用起来并不是想象的那么自如,此刀的持有者应是一位身强体壮的武士。
此环首刀经山西省古代刀剑文化艺术保护协会专家理事们的多方考证、查阅资料、对比相关器型,初步判定此器物为东汉中期环首刀。经过商讨,此刀可做技术性研磨处理,通过研磨来探究其当年的锻造工艺,恢复她初始的钢铁容貌,向世人展示她的千年风采,并在此过程中留取研磨资料,弥补国内古刀剑研究空白。为此冯葵先生于200079月无偿提供此物,供协会做学术研究。


一、环首刀的研磨保护处理

(一)环首刀修复保护方案的制定
经过长时间的揣摩和研究,为了能让这把环首刀通过研磨技艺恢复初始的钢铁容貌,又能保存下来她历经千年沧桑的外表,也有利于后人的继续研究和考证。为此,我们采取对环首刀单面研磨的保护方案。即对刀的一面进行研磨修复,而对未经研磨的另一面则采用去除砂土锈蚀、消除腐蚀因素、锈蚀表面缓蚀处理等方法加以保护。因环首刀的表面被一些锈蚀和砂土覆盖,给型制的确定带来一定的难度,目前也只能从外观确定此刀的型制是个通体平身、带有切刃角度、弧度略向内收且刀柄与刀身无明显分界。更多型制信息有待对环首刀的锈蚀清除后进一步获得。
(二)环首刀修复保护前的留档与检测分析
为了能更好的保留原始信息,此环首刀在进行研磨保护工作以前做了大量的资料留档。精确测量器物尺寸,专业图片摄影以及动态视频资料留档。
器物在修复保护处理前,必须要知道器物外表与器物本身的科技信息,这就要求我们对保护修复的器物进行检测分析。我们为环首刀做的前期检测有:X光透视检测与超声波透视检测,主要是检测器物锈蚀下层是否掩盖着镶嵌、错金银以及其他不可见的特殊结构。经两项透视检测,均未发现此环首刀的刀身,柄环部位有铭文、错金银等特殊结构,这也就为我们后续的单面研磨保护工作提供了可行的科学依据。
(三)环首刀表面的锈蚀清除
此环首刀虽通体锈蚀,但只有刀尖,刀柄处有大量泥土、沙石与锈蚀的混合物。通过显微镜观察,刀体表层锈蚀孔隙多且比较疏松,机械强度低,但表层深处的锈蚀物却比较紧密、坚硬,这有可能是在埋藏环境中遇到了一些特殊的条件,或者在完全密闭的地下环境中隔绝了与外界物质的交换所形成的。这层紧密、坚硬的物质为环首刀能在地下埋藏千年,且没有锈蚀殆尽起着不可忽视的保护作用,但这层物质在离开它的特殊环境后,反而会对器物造成更深层的锈蚀损伤,所以器物在离开埋藏环境后应尽快做必要的保护性处理。
因为这把环首刀的整体强度非常好,所以我们采用了手工除锈的方法。经多道工序,利用刀、钻、凿子、锤子、剔针、钢刷等各种金属工具对环首刀的表面锈层、锈块进行清理。清理完毕后的刀背有很明显的锻造层,肉眼分辨大约有20几层,环首位置也可清晰的看到锻造层,这充分证明此刀为折叠锻造而成。

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翰龙商家

 楼主| 发表于 2008-2-29 21:38 | 显示全部楼层
在对环首刀锈蚀清理后我们发现,刀刃边缘与刀尖边缘形成一个大约135度的钝角,且顶点尖锐,已不是原锈蚀状态下的“圆角”。根据研磨师多年的工作经验,推测这把刀的“圆角”应是在锈蚀过程中所造成的,而不是真正的初始形制,其原始刀尖应为“直边斜直状态”,而且我们在后面的整形研磨中也得到了进一步的证实。
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发表于 2008-2-29 21:39 | 显示全部楼层
期待下文,好
     

翰龙商家

 楼主| 发表于 2008-2-29 21:40 | 显示全部楼层
(四)环首刀腐蚀因素的消除处理
对于大多数出土铁器来说,认为不加何处理而能长期保存下来的侥幸想法是危险的。对环首刀表面进行去锈处理,不能从根本上抑制锈蚀的继续。所以要对环首刀的腐蚀因素进行消除处理。
首先是消除器物从地下带来的各种腐蚀活跃因素,而后再进行切实有效的防腐蚀保护处理。在彻底清除器物的腐蚀因素之前,必须分析清楚导致器物腐蚀的原因。环首刀的表面孔隙和锈层里都包含着从地下带来的可溶性、吸湿性盐类,这些是铁器锈蚀的重要因素,必须加以清除。
方法是将器物在弱碱性缓冲溶液中进行提取和置换,这样可以将器物上可溶性、吸湿性盐类从残余锈层中提取出来。因环首刀长度较大,没有合适的容器,我们则采用溶液刷淋的办法,每次刷淋后的提取液都用硝酸银检测方法进行检测,直至提取液中检测不出有可溶性、吸湿性盐类为止。这样器物上的腐蚀活泼性因素就基本上消除了,最后用蒸馏水洗去残留在器物上的提取液。
(五)选择环首刀单面,进行研磨
1、调直整形:
器物在地下埋藏时,可能会因为墓穴塌陷、地层变化或运输辗转等因素造成器物变形,因此就需要对环首刀进行调直整形。此环首刀从侧面观看刃体不在一条直线上呈现弯曲状态,说明刀体已变形,这对研磨来说是比较严重的问题。因此我们需要用木榔头或专用调直工具把刀体调直、整平。此项工作需要丰富的经验,一不小心就有可能导致刀体断裂,造成无法挽回的损坏。
因为不知道环首刀现今弹性状态如何,而专用工具施力又较重,易对器物造成损伤,因此我们在初始调直时先用手按压刀体轻微用力调整。经过数日多次的手工调整后发现此刀弹性非常好,甚至优于明清刀剑的弹性,最后选择使用专用工具调直。
2、整形研磨:
经过多方面分析商讨,研磨面选择为:以刀尖向上,刃部向前持握的左侧为研磨面,另一侧为原始面。
第一步是将环首刀的研磨面在细度120700目的四块砥石上进行去锈粗磨整形。目的是去除研磨面表层的锈蚀并且对环首刀研磨面各个位置的定形。在去锈整形过程中我们依照环首刀的原始状态,确定刀体的切刃面宽度为7毫米,切刃角度为23度。
环首刀经过去锈粗磨,发现锈蚀层分为三层:
第一层,红色锈蚀。石子与沙土混合物,质地较松散。
第二层,黑色锈蚀(俗称的“黑色皮壳”)。非常坚硬,密度较大,耗费砥石。
第三层,红色锈蚀。顺着锻造纹理向下腐蚀,而且腐蚀程度很深。此红色锈蚀层的出现也证实了,表面上被 “黑色皮壳”包裹的器物,其下层仍存有锈蚀因素,它并不代表器物就处于稳定状态,只是这些锈蚀因素暂时没有显现在器物表面而已,如不进行科学的防腐处理,更深层的锈蚀还会在进行。
在刀身粗磨后我们发现,刃的切刃面与刀尖的切刃面交会处有一条凸起的筋线,且与两条切刃筋线形成的夹角汇聚在一点上,切刃筋线形成的夹角也为135度,这也充分证明了我们前期判断的正确性。
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翰龙商家

 楼主| 发表于 2008-2-29 21:41 | 显示全部楼层
另据杨泓著《中国古兵器》一书中对环首刀的形容:“形制简约,直身,一侧开锋利刃口,另一侧为厚重的刀背,刀尖斜直,刀身与刀柄无明显界限,柄端连铸一铁环,固有环首刀之称。”此书中并插有
“东汉持环首刀武士画像石”图,图中可清晰看到环首刀刀尖为135度斜直状态。
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翰龙商家

 楼主| 发表于 2008-2-29 21:44 | 显示全部楼层
3、精细研磨:
精细研磨分为8006000目五块研磨石,其主要工作是在保持姿形不变的前提下,消除整形和粗磨时残留在刀体表面的研磨痕迹。
4、擦拭研磨:
明代曹昭在《格古要论》中说“凡刀剑打磨光净,用金丝矾矾之,其花则见。”明代唐顺之《武编》和茅元仪《武备志》所载:“刀花,羊角煅灰,粉心水提过酸,酸草烧灰,硝酱”。可见,研磨刀剑首先是把刀剑的表面研磨平整光亮,最后用金丝矾、羊角灰、草木灰等天然物质对刀剑表面进行擦拭,擦拭过后的刀剑表面可显现出细腻的锻打花纹。此环首刀经过擦拭后,刀身泛着湛青的光泽,锻造纹理为流水纹且中间夹有椭圆状团打纹,细腻非常,可以想象此刀初始状态时是多么的完美漂亮
(六)环首刀的缓蚀、封护处理
刀体单面研磨结束后,就应该对未做研磨的表面做缓蚀和封护处理了。缓蚀和封护处理可以使刀体不再被外界环境因素所腐蚀。
在进行缓蚀和封护前,应对环首刀进行一次强制干燥处理。理论上应采取恒温干燥箱在105℃条件下干燥2小时或用紫外灯控温在105℃干燥,但在实际工作中一般无法如此操作,应根据实际情况选择合适的干燥方法。由于我们无法找到一个与这把环首刀相匹配的恒温干燥箱,故我们用电热吹风代替,对环首刀实行热微风干燥。
干燥完毕后,我们选择使用了金属缓蚀剂,对未做研磨的刀体表面进行缓蚀处理。BTA是在我国文物界常用的金属缓蚀剂。因此,我们使用BTA溶液刷淋、涂抹在未做研磨的刀体表面上进行缓蚀处理。由于BTA易挥发,所起作用难以持久,所以需要进行阻止刀体与大气介质的直接接触的钝化封闭处理,经过钝化封闭处理后可以更有效地抑制腐蚀。研磨面则可采取每月打油保养来防止其锈蚀。
至此,环首刀的研磨保护工作完毕。
注:铁器的保存环境应在温度:1420℃,相对湿度<50%,最好在20%30%之间。若条件允许,最好在铁器陈列时采取密封充N2等技术。
(七)研磨小结
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翰龙商家

 楼主| 发表于 2008-2-29 21:47 | 显示全部楼层
环首刀研磨后的尺寸
全长:1207mm
刃长:1007mm
茎长:200mm
上部幅厚:5mm
上部幅宽:19.2mm
下部幅厚:8.8mm
下部幅宽:27.5mm
内弧弯度:4mm
重:925
在研磨过程中最值得提出的是此环首刀从未出现锻打瑕疵(加灰)现象,可见当时锻造工艺是如何的高超与精湛,这充分显示了千年前我国劳动人民在冶炼、锻造技术上的卓越成就。
另外,我们在研磨过程中发现了几个很有意思的现象:
A、在研磨了几道砥石后,我们发现环首刀的弹性有所下降,这种现象的出现是否表明着此环首刀是包钢复合工艺,也就是钢在外铁在内,表面钢铁削减所造成的呢?
B、平时在研磨过程中刀剑要与水接触自然会产生一些铁器锈渍,为了防止产生锈渍,在研磨刀剑使用的水中都会加入适量的防锈剂。而我们在研磨这把环首刀的时候出现一个奇怪的现象,在研磨用水未加任何防锈剂的情况下,整个研磨过程中未产生任何肉眼可见的氧化现象,钢铁青黑,没有锈渍,遇到这种现象还实属首例。
C、此刀有三段不同的硬度,刀尖向环手位置480毫米处为前段,480600毫米处为中段,6001000毫米处为后段。环首刀中段硬度最高—HRC58;前段的硬度次之—HRC55,后段部位的硬度最小—HRC50。这些是自然形成还是工艺所至呢?如果是特殊工艺,那又出于什么原因呢?
D、这把环首刀始终没有出现烧刃,是因为技术?还是因为战火(火烧造成退火现象导致刃部淬火纹路消失)?还是因为本身烧刃幅度较窄,加上年代久远腐蚀严重,导致刃部残缺,烧刃尽失呢?
E、此环首刀刀尖锻打纹理不同于后期的明清刀剑,此刀刀尖前段纹理没有折回,成为切断式纹理,是否当时还没有产生折回的锻造技术?这与研磨师在2005年研磨的一把宋代削刀有所类似。

环首刀纹理图

环首刀纹理图

明清刀剑纹理图

明清刀剑纹理图
     

翰龙商家

 楼主| 发表于 2008-2-29 21:48 | 显示全部楼层
以上五种现象还有待进一步研究证实。

二、环首钢铁刀单面修复后的科学检测分析

在环首刀做完研磨保护工作后,我们于2007年年底首先委托钢厂钢铁化验室、河北省师范大学物理实验室进行金相显微镜、光谱分析仪、XRD(X射线衍射)分析仪和红外光谱分析仪四项设备的无损检测,综合检测结果如下:
刀体材质比较纯净,未发现有盐类与硫化物的存在,XRD设备自动检测该器物材质为“不锈钢”。器物含有:Fe()Cr()V()Ru()Pt()Pd()Ti(),以上元素均以合金形式存在,其中Cr()的含有量较大。器物中不含有Al()Au()Co()Ge()Ni()的成分。
此次检测也让我们解开了上面所说“在研磨过程中不产生氧化”现象的原因,Cr()的大量加入使钢铁产生了抗氧化能力。但关于环首刀的其他现象还有待我们研究。下一步我们要把此环首刀送交到北京科技大学冶金与材料史研究所进行全方面的检测和鉴定,根据检测和鉴定的结果进行研讨和研究,最后解开这把环首刀之谜。

[ 本帖最后由 刀匠 于 2008-3-4 12:14 编辑 ]
锈蚀320X-01.JPG
锈蚀320X-02.JPG
锈蚀320X-03.JPG
320X-01.JPG
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XRD-04.JPG
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红外光谱-01.JPG
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翰龙商家

 楼主| 发表于 2008-2-29 21:52 | 显示全部楼层
有关汉代环首刀研究的相关资料和文献附属


“百炼钢”——以炒铁为原料,以反复叠打和控制碳分为其工艺特征。它在东汉已广泛使用,到三国时期高度成熟,从此为历代所沿用,成为人们所推崇的制钢技术和优良钢种。(出自《中国古代金属技术——铜和铁造就的文明》)


1、1968年河北满城汉墓出土中山靖王刘胜佩剑和错金书刀,其制作工艺是经反复折叠锻打并施以淬火工艺,其刘胜佩剑的低碳层厚仅0.050.1毫米,维式硬度900公斤/平方毫米,经鉴定为块炼渗碳钢(百炼钢雏形)。

2、1974年山东苍山出土一把东汉环首钢刀,通长112厘米,刀身宽3厘米,刀背厚1厘米,环首呈椭圆形,环内径23.5厘米,刀身有“永初六年五月丙午造卅湅大刀吉羊(祥)宜子孙”铭文。经鉴定含碳量在0.6%0.7%,炒钢锻制(百炼钢)。


3、1978年徐州铜驼山东汉墓出土一柄钢剑,通长109厘米,身长88.5厘米,宽1.13.1厘米,脊厚0.30.8厘米,剑把正面有错金铭文:“建初二年(公元77年)蜀郡西工官王愔造五十湅□□□孙剑□”,内侧上阴刻铭文“直千五百”四字。“西工官”是蜀郡的工官,王愔是工官姓名。铭文说明这把钢剑是蜀郡工官用“五十湅”工艺制成的。经鉴定含碳量最高0.7%,最低0.4%,炒钢锻制(百炼钢)。

4、日本熊本县玉名郡江田村船山古坟出土错银马纹钢刀,铭文有“八十湅”字样,并记有书者张安之名,此刀制作于公元5世纪前期。


5、1961年日本奈良县古墓出土一把钢刀,上有错金铭文:“中平□(年)五月丙午,制作(支刀),百湅清(钢),上应星宿,(下)辟(不祥)”。中平是公元184189年东汉灵帝年号。铭文说明这把钢刀用“百炼”工艺制成的。

日本石上神宫藏有来自百济的钢刀,铭文为“泰□四年六月十一日丙午正阳,造百湅七支刀”,此刀制作于公元4世纪后期。
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