完全矿化铁器的金相学研究——以汉阳陵陵邑出土铁器为例

张昕瑞

(西北大学 文化遗产学院，西安 710069)

铁器时代的出现和冶铁技术的进步，无疑是中国历史上科技发展的重要标志.而要研究铁器的材质及制作工艺，就要对铁器取样，从而进行金相分析.金相分析等材料微观结构分析方法无疑是研究铁质文物材质及制作工艺最直观、最准确的方法，但是这些研究手段需要在文物本体上取样以制备成适合仪器设备观察的试样，这就会对文物造成不可逆的破坏.特别是由于埋藏时间以及埋藏环境等因素，铁器往往得不到较好的保存，针对矿化程度极高以及完全矿化的脆弱铁质文物，其中的金属本体部分本就保留极少甚至完全矿化了，更加不适合对其破坏取样.因此，对完全矿化铁器的分析研究就尤为重要.

1 汉阳陵陵邑区出土铁器矿化样品分析

1.1 样品采集与实验方法

根据器物类别和保存情况，在汉阳陵陵邑区出土的铁器中选择了4件分别取样，其种类包括兵器、工具、生活用具等，所取样品均为铁器外表面脱落或疏松剥落下来的残块，具体的样品信息如表1所示.

由于所取样品残块本就是器物表面疏松剥落下来的，因此残块的组织比较疏松.经过清理之后，选取样品相对较厚、组织相对较为致密的部位进行截面的切割.由于残块尺寸太小，所以需要对其进行封样.封样所选用的材料为自凝型牙托粉和自凝形牙托水.封样之后依次对样品进行预磨和抛光处理，用4%的硝酸酒精溶液对金相试样进行腐蚀，置于超景深显微镜下观察.之后对样品截面的不同矿化层进行X射线衍射微区分析.再经过重新抛光和喷碳处理，置于扫描电镜下观察，并用能谱仪对夹杂物进行分析.

表1 样品信息

采用的显微镜是由日本浩视公司生产的KH-7700型超景深三维视频显微系统.X射线衍射微区实验所用衍射仪为日本理学株式会社生产的理学SmartLAB型X射线衍射仪，用SC检测器进行微区检测实验，选用的靶材为Cu靶.扫描电镜是捷克TESCAN公司生产的VEGA 3 XM 钨灯丝型扫描电子显微镜，能谱仪是美国EDAX公司生产的X射线能谱仪.

1.2 实验结果

通过超景深显微镜的观察，仅发现铁釜样品中存在极微量的残留金属，其余所有样品都已经矿化完全，均未发现残留金属，因此无法通过超景深显微镜观察到金属的金相组织.

根据扫描电镜的观察结果，发现在样品完全矿化的情况下，样品中依然残存着部分金相组织矿化痕迹和少量夹杂物.对样品内残存的部分金相组织矿化痕迹及夹杂物形貌进行观察，其分析结果如表2所示.对样品中的夹杂物进行成分分析，结果如表3所示.

表2 铁器样品扫描电镜观察结果

表3 铁器样品夹杂物成分分析结果 (WT%)

1.3 铁器的制作技术

由于所取样品均为铁器外表面脱落或疏松剥落下来的残块，因此样品均锈蚀严重，几乎都已全部矿化，此时需结合样品锈蚀中的残余组织对器物材质及工艺进行判断.

图1 铁矛样品中的夹杂物

铁矛样品已经完全矿化，对样品横截面进行X射线衍射分析，结果显示样品内部组成为Fe3O4，完全锈蚀.样品的扫描电镜照片中发现了大量的密集硅酸盐颗粒，颗粒棱角分明，又在最靠近样品外层的部位，因此推测为矿化过程中铁器外层融合的长石类土壤颗粒.电镜照片中还发现了少量的夹杂物残留(图1)，但由于矿化太严重，残留的夹杂物变形不明显，因此无法判断该器物是否经过锻打.对夹杂物的成分进行分析，结果显示，夹杂物中存在着Si、Al、Na、K、Ca、Mg等元素.样品中并未发现残留的铁素体和珠光体矿化痕迹，因此仅能初步判断该器物为块炼铁制品.

铁釜样品基本矿化完全，通过图2的显微照片能看到有明显区分的不同锈蚀层.对样品截面进行X射线衍射分析，结果呈现如图3所示的衍射图谱，样品内部组成为针铁矿和氧化铁，锈蚀严重.但在样品的扫描电镜照片中发现了明显的片状石墨，以及残留的莱氏体组织痕迹，如图4和图5所示，并且在莱氏体组织中还存在着珠光体的优先腐蚀.通过对样品夹杂物成分的分析，还发现了样品夹杂物中存在着P偏析.因此可根据以上信息推断该铁釜为麻口铁铸造制品.

图2 铁釜样品100倍显微观察照片

图3 铁釜样品的XRD图谱

铁凿样品已经完全矿化，对样品横截面进行X射线衍射分析，结果显示样品的组织结构为氧化铁，已经完全锈透.但在样品的扫描电镜照片中发现了残留的珠光体和铁素体组织矿化痕迹，并且如图6所示，样品中可见氧化亚铁-铁橄榄石共晶夹杂，夹杂物沿加工方向拉伸变形.因此可根据以上信息判断该铁凿为块炼铁制品，且经过锻打加工处理.

图4 铁釜样品中析出的片状石墨

图5 铁釜样品中残留的莱氏体组织痕迹

图6 铁凿样品中的夹杂物

铁斧样品已经完全矿化，对样品横截面进行X射线衍射分析，可知样品的组织结构为针铁矿，完全锈蚀.从图7的扫描电镜照片中发现了未变形的颗粒状氧化亚铁夹杂物，并且周围伴有铁的硅酸盐，由此可判断该器物未经锻打.在样品中还发现有含碳不均的分层现象(图8)，以及残留的珠光体和铁素体组织的矿化痕迹.对样品夹杂物的成分进行分析，结果显示，夹杂物中存在Al、Si、P、S、K、Ca、Cl、Br等元素.因此可根据以上信息判断该铁斧为块炼渗碳钢制品.

图7 铁斧样品中的夹杂物

图8 铁斧样品中的含碳不均分层现象

本文选取的4件汉阳陵陵邑出土铁器，在样品完全矿化的情况下，综合以上观察结果并结合X射线衍射图谱和夹杂物的成分分析，得出这4件铁器是采用块炼铁、块炼铁锻打、块炼渗碳钢、麻口铁铸造的工艺制作而成.

2 完全矿化铁器的金相学分析讨论

在对铁质文物材质及制作工艺的研究中，大多都需要依照金相学分析进行判断.但铁的活泼性很高，因此在漫长的土壤埋藏环境中，绝大多数的铁质文物都得不到较好的保存，使得矿化程度严重，甚至部分铁器已经完全矿化.显然，研究如何从矿化的样品中提取信息来判断铁器的材质及工艺就很重要了.

陕西黄陵寨头河战国墓地[1]出土了9件铁器，对其中的每一件都进行横纵两个断面的切割取样.在18个样品中，6个样品完全矿化，没有金属本体，其中标本11和13的样品两个截面均没有金属本体.但通过对矿化样品的分析，发现标本11内侧有莱氏体组织残存，标本13内侧有较多莱氏体组织残存，结果推测两件器物均为亚共晶白口铁.

对徐州狮子山西汉楚王陵[2]出土的21件铁器进行了切割取样，其中有1个样品完全矿化，7个样品矿化严重仅残存少量金属.但通过对完全矿化样品的分析，2433号铁釜中依然发现清晰可见的莱氏体残留组织，还发现有长条状及不规则状的渗碳体，结果判断为白口铸铁.

几件大型室外铁质文物的分析中，也存在完全矿化样品的分析.云南南诏铁柱[3]样品的分析中，2个样品均为切割取样，其中1个样品完全矿化.但通过对完全矿化样品的分析，还是发现了样品中残存的较多石墨条，推断为灰口铁.天津大沽口炮台[3]样品的分析中，10个样品里有4个样品完全矿化，但通过分析，发现了样品中残存的石墨条、珠光体组织痕迹、脱碳现象等信息，推测材质为灰口铁和脱碳铸铁.

新疆巴里坤东黑沟遗址[4]出土了10件铁器，全部进行切割取样.结果发现，10件样品均完全矿化，无金属残余，但依然能够发现矿化样品中的残存信息.8件样品中均发现铁橄榄石+氧化亚铁共晶夹杂变形拉长，其他2件样品中分别发现球状硅酸盐单相夹杂、残余的析出碳化物以及铁素体珠光体残余、少量单相夹杂，最终判断材质工艺为8件块炼铁锻打、2件铸铁脱碳钢锻打.

邰城铸铁作坊[5]出土了大量铁器，其中较多保存状况都很差.在列举出的14件样品分析结果中，有一件样品样品完全矿化，不存在金属本体.但通过对矿化样品的分析，仍然发现组织中保存着较多的块状夹杂物和其中的氧化亚铁晶体痕迹，结果判断原来很可能是炒钢制品.

这些已有研究全部是在器物上进行切割来获取分析样品，得到的样品完全矿化，不过其中仍然存在残留信息，能够推断或者判断铁器的材质及制作工艺.本文的研究是专门针对完全矿化的铁器进行取样分析，所取的样品也均为铁器表面脱落或疏松剥落的样块，并没有对器物进行破坏切割取样，在这些样品中也能够寻找到矿化后的组织残留信息以及夹杂物的信息，并且能够对铁器的材质及工艺进行初步判断.完全矿化的铁器或是矿化程度很高的铁器，它们的组织多数已经比较疏松，器物整体已经较为脆弱.针对这类铁器，在分析研究的过程中完全可以先不对其进行破坏切割取样，从表面脱落或疏松剥落的残块上进行取样分析，既能够不破坏铁器，也能够研究其材质及制作工艺.

3 结论

本文对汉阳陵陵邑区出土的4件铁器进行分析研究，所取样品均为铁器表面脱落或疏松剥落的矿化样品.利用扫描电镜显微观察等方法，并结合样品夹杂物的形貌及成分分析，发现完全矿化的样品中残存的金相组织矿化痕迹和夹杂物的矿化痕迹，并且依据这些矿化信息，初步推断出了几件铁器的材质及制作工艺.其中，推断铁矛样品为块炼铁制品，铁釜样品为麻口铁制品，并且为铸造工艺，铁凿样品为块炼铁制品，且经过了锻打工艺，铁斧样品为块炼渗碳钢.

[1] 郭美玲,陈坤龙,梅建军,等.陕西黄陵寨头河战国墓地出土铁器的初步科学分析研究[J].考古与文物,2014(2):114-120.

[2] 陈建立,韩汝玢.徐州狮子山西汉楚王陵出土铁器的金相实验研究[J].文物,1999(7):84-91.

[3] 马清林,沈大娲,永昕群.铁质文物保护技术[M].北京:科学出版社,2011.

[4] 陈建立,梅建军,王建新,等.新疆巴里坤东黑沟遗址出土铁器研究[J].文物,2013(10):77-84.

[5] 林永昌,陈建立,种建荣,等.试论汉代关中地区铁器生产原料的来源与流通——邰城铸铁作坊出土铁遗物的冶金分析[J].考古与文物,2015(6):95-109,125.