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銅范和鐵范分別采用銅和鐵制作鑄型,即現(xiàn)在的金屬型壓鑄鑄造。其設(shè)計方法也與現(xiàn)代壓鑄鑄造技術(shù)無異,需要設(shè)計合理的分型面和澆鑄系統(tǒng)。
銅范和鐵范具有可重復(fù)使用的特點,并利于降低鑄件的表面粗糙度,因此被廣泛用于批量的產(chǎn)品壓鑄鑄造,如錢幣等。所示為我國古代兩種錢范的結(jié)構(gòu)。
可以看出,兩種錢范均采用了組合型,一次可以澆鑄多個鑄件。根據(jù)其澆鑄系統(tǒng)可以看出,a中的錢范是垂直澆鑄的,并采用了垂直分型的結(jié)構(gòu);b所采用的是水平澆鑄,并采用水平分型的結(jié)構(gòu)。
失蠟壓鑄鑄造即現(xiàn)在的熔模精鑄。古代的蠟?zāi)J且苑湎灋橹饕吓渲频?。采用蠟料制模,然后用泥漿或陶瓷漿料制范。最后通過加熱使蠟料熔化、流出,獲得鑄型,即范。所示的戰(zhàn)國時期河南淅川出土的“云紋銅禁”和湖北曾侯乙墓出土的“曾侯乙尊”被認為是我國最早的失蠟壓鑄鑄造精品。
青銅器的應(yīng)用主要包括以下幾個方面。
1、日用器
這些鑄件包括炊煮器、食器、酒器、盥洗器等。其中鼎是各種器具中尺寸最大的鑄件,是權(quán)力與財富的象征。
這些鑄件的特點和難點是:
①主體部分作為容器,具有大型薄壁結(jié)構(gòu)特點,其充型的完整性和凝固組織的致密性控制均具有相當(dāng)大的難度;
②在鑄件的主體結(jié)構(gòu)上附帶有“足”、手柄等結(jié)構(gòu),因此,對澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計具有較高的要求;
③在表面以及各種附加結(jié)構(gòu)中設(shè)計有復(fù)雜的裝飾結(jié)構(gòu)和表面紋飾,需要進行精細的造型和充型控制。所示的青銅鼎可以看出,早在3000多年前的商代,這一技術(shù)已經(jīng)達到很高水平。
日用器的另一壓鑄鑄造技術(shù)精品是銅鏡。漢代銅鏡出現(xiàn)一種“透光”現(xiàn)象,當(dāng)鏡面在陽光照射下,鏡背銘文可清晰反射到墻上。
后人對此解釋為,銅鏡在壓鑄鑄造時因鏡體厚薄不一,鏡背圖紋凹凸處在凝固時產(chǎn)生壓鑄鑄造殘余應(yīng)力,這樣就形成了與鏡背圖紋相對應(yīng)的,但肉眼看不見的鏡面曲率變化,被陽光照射并反射時,波紋卻能清晰地顯示出來。
壓鑄鑄造殘余應(yīng)力在銅鏡鑄好后還不足以使鏡體產(chǎn)生明顯的形變。只有當(dāng)銅鏡被逐漸磨薄,鏡體剛度不斷下降時,壓鑄鑄造殘余應(yīng)力才使得鏡體表面發(fā)生局域性形變,使鏡面的曲率變化與鏡背紋飾一一對應(yīng)。雖然古人未必對此有合理的解釋,但卻利用了相關(guān)的規(guī)律。
2、樂器
古代青銅器樂器壓鑄鑄造的典型代表是編鐘。黃帝時期曾命人“鑄鐘12口,以和五音”,但早期的編鐘為陶器。青銅器壓鑄鑄造編鐘成為春秋晚期到戰(zhàn)國時期的樂器精品。
其中編鐘的頂峰之作是戰(zhàn)國初期的曾侯乙編鐘,其規(guī)模達到一套8組65件之多,其中甬鐘45件,紐鐘19件,镩1件。最大的一件甬鐘高152cm,重達203kg,整架編鐘重達4.5t。
據(jù)考證,編鐘是用陶范壓鑄鑄造的。為了獲得精準(zhǔn)的音質(zhì),不僅需要精確的鑄件形狀、尺寸、壁厚等結(jié)構(gòu)設(shè)計,還需要對合金成分和鑄件的冶金質(zhì)量進行嚴(yán)格控制。
壓鑄鑄造缺陷和合金成分的偏差均會對其音質(zhì)產(chǎn)生影響。經(jīng)現(xiàn)代科研人員的分析和多次實驗,編鐘的合金成分為銅錫合金。當(dāng)含錫量低于13%時,音色單調(diào)、刺耳;含錫量在13%----16%時,音色豐滿、悅耳。