黑陶渗碳工艺研究

2020-06-29李闻雷魏春霞

山东陶瓷 2020年2期

李闻雷魏春霞

（齐河东夷黑陶文化研究中心，齐河 250000）

1 引言

经渗碳而成的黑陶，在贾湖文化、裴李岗文化中最早发现，但是数量不多，在大溪文化、良渚文化、大汶口文化等文化中普及，在龙山文化中达到高峰。我国对黑陶工艺的研究始于50年代末 ,特别是最近十几年随着社会经济的发展，文化事业也空前繁荣，对黑陶文化的关注和研究也越来越多了起来。但大多数的研究是围绕黑陶文化的历史和黑陶器型及装饰展开的，而对黑陶烧制工艺和渗碳技术这方面的研究则不多见。龙山文化的黑陶集史前制陶技艺之大成，达到史前制陶术的巅峰。我们应该从多角度、多层面去考察研究。笔者根据相关资料和亲身实践经验，以黑陶渗碳工艺为主题进行探索，研究总结黑陶渗碳工艺的技术价值和艺术价值，期望对现代黑陶的发展提供参考依据，对龙山文化的研究也很有意义。

2 陶器的颜色和陶器质量的关系

陶器的发明，是人类文明发展的重要标志，是人类第一次利用天然物，按照自己的意志，创造出来的一种崭新的东西。它揭开了人类利用自然、改造自然的新篇章，具有重大的划时代的意义。陶器的出现，标志着新石器时代的开端。陶器的发明，也大大改善了人类的生活条件。随着社会的发展，制陶术在实践过程中不断地进行总结和改进，从原料的选择到窑炉技术的逐渐成熟，经历了红陶、灰陶、黑陶等颜色改变的过程。这个颜色改变的过程也是窑炉工艺发展进步的过程。所使用的陶泥原料在化学组成上没有多大差别，都是用普通易溶黏土制成的，但颜色的差异是在烧制过程中采用不同的烧制气氛和方法导致的。

图1 蛋壳黑陶杯

一般的陶泥中都含有一定量的氧化铁、氧化锰等成分，在不同的烧制气氛中会呈现不同的颜色。窑炉内的气氛有氧化和还原之分，早期的制陶工艺比较原始，一般只能用氧化焰烧制，在氧化气氛中陶坯内所含的铁质变成红色的氧化铁,致使陶坯呈现红色，由于陶坯内铁的含量不同，也存在一定的色差，如土红、橙黄、土黄等颜色，我们统称红陶。在还原气氛中，陶坯内所含的铁质，由红色的氧化铁还原成灰色的氧化亚铁，由高价铁变成低价铁，从而致使陶坯变成灰色，还原气氛的强弱不同，灰陶的颜色也有深灰、浅灰之别，我们统称灰陶。在与红陶相同温度下，灰陶具有更高的机械强度，并且具有较强的耐酸碱、耐腐蚀性，因为还原气氛的烧成工艺，不只是改变了陶器的颜色，还有更重要的意义，因为经还原的低价铁能在相同温度下形成更多的玻璃相，从而促进了坯体的烧结度，增加了致密度，对提高陶器质量起着关键的作用。因此灰陶比红陶更加结实耐用。历史上颇负盛名的秦代砖瓦，就是以颜色青灰、质地坚硬、制作规整、浑厚朴实而著称于世，有“敲之有声，断之无孔”的评价，也有人称之为铅砖，都是形容其质量之高，这都是还原气氛的功劳。

3 黑陶渗碳工艺原理

黑陶的烧制比较特殊，前期用氧化焰升温，中期保温用还原焰，后期采用封窑渗碳法。一般是在达到预定温度后，投入大量松枝（也有的用废弃的橡胶制品）然后密闭窑炉使之缺氧产生黑烟，黑烟就是呈游离状态的细小碳颗粒，由于在高温状态下坯体内的气体、自然水因受热膨胀而排出，有机质和结晶水也分解或挥发，坯体在持续升温的情况下气孔率逐渐增大。弥漫在窑炉内的碳颗粒正好涌入气孔，渗透到陶坯的里面。由于窑炉封闭缺氧形成一定的压力，碳颗粒逐渐向坯体内部深处渗透，弥补和填充了陶坯的全部孔隙，随着温度的降低气孔逐渐收缩，碳颗粒就被封闭在里面和陶坯融为一体，从而完成了渗碳和变黑的整个过程。渗碳工艺在还原烧成的基础上又进了一步，碳分子的渗入增加了坯体的致密度和硬度，令黑陶具有坚固耐用不渗不漏的优良品质。

标准黑陶的渗碳过程必须具备以下四个条件：（1）温度：在高温状态下坯体分子松散，有机质分解，结晶水排出，会产生大量的气孔，为碳颗粒的渗入提供了条件。（2）碳量：要想坯体足够黑、渗入足够透的话，没有充足的碳颗粒是不可能实现的。（3）时间：渗碳过程需要一定的持续时间和持续的温度支持。（4）密闭：窑炉要有一定的密封性，在高温状态下碳分子持续产生而膨胀，在密闭的环境里形成压力，有利于碳分子的渗透。

图2 大溪文化陶器

早期还有一种窑外渗碳法，在陶坯高温红热状态下迅速夹出，用锯末、木屑、谷康等易燃物掩埋，红热的陶坯所传出的热量使易燃物闷燃产生碳黑渗入坯体，这种渗碳法渗碳层很浅，仅仅表皮呈黑色，有的仅局部呈现黑色。比如大溪文化中的黑陶就是用窑外渗碳法烧成的，有的局部黑，有的上红下黑，有的外红内黑。但渗碳的效果显而易见，像外红内黑的陶碗，碗身内经过渗碳,保存完好,外表和圈足未经渗碳,几乎全部剥落,形成鲜明的对照（图2，大溪文化陶器）。由此可见,渗碳的确具有加固器壁的作用。

4 制作过程对渗碳工艺的影响

4.1 原料

“水火既济而土合”是宋应星在其所著《天工开物·陶诞》篇中对陶器工艺基础的高度科学概括。土无水则无粘性和可塑性,不能成形为器物。器物不经火烧,则不能成为陶器。制作黑陶的原料从质地上大致可分为泥质黑陶和夹砂黑陶，根据器物要求选择适合的原料。从诸多史前文化中都能发现黑陶的踪迹，可见陶泥原材料对黑陶的渗碳影响不大。但是原料颗粒的粗细度会影响黑陶的致密度和光泽度。像制作蛋壳陶的原料肯定是用筛选过的细陶泥，不然很难达到那种薄如蛋壳、细腻光亮的效果。

4.2 塑型

塑型成坯的方法有多种，像快轮拉坯、泥条盘筑、手捏成型、模具注浆成型等等，塑型的方式决定了胎体的密度，像拉坯过程中反复的旋转提拉，陶坯因受力而密度会有所增加。注浆成型的产品不受外力作用的约束，陶泥颗粒自由排列，致密度就比较松散。在实验中发现注浆成型的坯体要比通过可塑成型的坯体的渗碳量要高，我们分析这主要是因为成型压力不同而使坯体具有不同气孔率，也可能是由于通过注浆成型的坯体具有高的含水率，水份蒸发后坯体留下大量的气孔，从而有利于渗碳。但是整体来看成型方式对渗碳的影响并不大。

4.3 窑炉

伴随着制陶工艺的发展，窑炉结构也在不断地发生着改变和进化，从陶器的局部黑、外红内黑、黑皮陶、到内外全黑的现象可以看出，黑陶的渗碳工艺是伴随着窑炉技术发展而共同进步的，陶器质量和颜色的变化跟窑炉的结构有着极其密切的关系。龙山文化高品质黑陶的产生得益于窑炉结构的先进和烧制技术的娴熟。黑陶的烧制工艺主要表现在这三个方面：温度控制、气氛控制和渗碳操作。只要有足够的温度和一定密封度的窑炉都可以满足这三个条件。目前烧制黑陶的窑炉有三种，（1）馒头窑，是一种比较传统的倒焰窑，用耐火砖或普通红砖砌成，外形像个馒头故而得名，主要以煤炭燃料，这种窑炉相对原始但普遍存在。优点是：成本低，基建投资少，空间大，可以烧制大件器物。缺点是：温度不均匀，污染环境，劳动强度大。（2）电窑，体积小操作简单，上手容易，比较环保，是黑陶发展的趋势。（3）气窑，以液化气或天然气为燃料，可以灵活掌握烧成气氛，也可以运用匣钵渗碳。

4.4 温度

各地的陶泥原料不同，烧成温度也有所不同。但是在不同的温度条件下有不同的渗碳效果，这是由陶泥原料的承受温度和碳的特性所决定的。经实验表明，陶坯在制作过程中经压光打磨形成的光泽度，在烧成温度大于630℃后,表面光亮度均有减弱,在1000℃左右消失,而温度低于630℃时，才能保留原来抛光时的亮度。笔者用不同的陶泥做过试验，从800℃到1250℃都能渗碳烧成，黑度依然存在，只是“明如镜”的光泽度难以保留，但是哑光之黑也别有一番滋味（图3，《共生》黑陶1230℃李闻雷第十一届中国陶瓷艺术大展金奖）。

图3 《共生》1230℃（黑陶李闻雷第十一届中国陶瓷艺术大展金奖）

4.5 气氛

气氛的控制决定陶器的颜色，强还原气氛下陶坯内的铁元素发生还原反应后呈深灰色或黑灰色，所以经还原气氛烧制再渗碳而成的黑陶颜色更黑更纯正，经氧化气氛烧制再渗碳而成的容易产生夹心，就是胎体内心呈灰色或砖红色。从烧制气氛上来看，黑陶与灰陶是还原程度和渗碳程度不同而形成的，灰陶的颜色有深有浅，有的呈灰褐色，有的呈青灰色。同样，黑陶的颜色也有差异，有的漆黑如墨，有的则呈黑褐色或黑灰色，近乎于灰陶，从烧造工艺上来看，灰陶是没有烧黑的黑陶，黑陶是烧黑了的灰陶。

5 渗碳工艺大观

5.1 荥经砂器的窑外“渗碳”

图4 荥经黑砂陶烧制技艺

四川荥经的黑砂陶器历史悠久，属于夹砂黑陶，是一种工艺独特的黑砂陶制品，这种陶器耐急热变性能好，一般常用来烹煮食物，可以直接放在火上使用，由于其制作工艺简单，价格相对低廉，有一定市场需求，在边远地区一直流通使用。原料采用当地的一种沉积黏土，将这种黏土堆放于露天场地，贮存一段时间，再粉碎研细（精品砂器要研成极细的粉末状过细筛），把荥经当地出产的优质无烟煤和煤燃烧过的灰渣用同样方法研细，按一定比例混合均匀，反复搅拌制成陶器用泥。当地大部分作坊用石膏模具印坯，也有手拉坯成型。制成的陶坯自然晾干后，在一个圆形的火塘内铺上无烟煤块，把晾干的坯胎均匀地码放在上面，用一黏土做的大锅盖罩上，然后点火焙烧（有的称之为陶罩式地炉烧成法），通过特制的管道不断鼓风迅速提温，烧成温度在1000℃ 左右（图4，荥经黑砂陶烧制）。待陶坯充分烧透通红透亮后，打开锅罩，用顶端带铁钩的长竿逐个挑出放入一个有杉树枝或麦秸、锯末的窑坑内，此时高温的陶坯把窑坑内的易燃物迅速引燃，熊熊大火腾空而起三四米高，场面十分壮观，烟火映照下的窑工手持长杆似乎在跟火神对峙。待全部入坑之后再覆盖上几簸箕锯末，然后密闭坑口，让高温的坯胎与易燃的锯末等有机物混合，产生“闷燃”。这就是荥经砂器独特的“窑外渗碳”工艺。自然冷却从地坑内取出，器物表层呈现出深黑和闪着银光的金属光泽。据史料记载，在三千多年前春秋时期就开始烧造的民间日用工艺品，历经汉、唐、宋、元、明、清的兴衰，不但未曾消亡，反而在民间悄然发展传承至今。2008年，荥经砂器已被列入国家级非物质文化遗产保护名录。此类黑砂陶器在我国很多省份都曾有烧造，工艺流程大同小异，都属于夹砂陶窑外渗碳，由于市场销量不佳和日益严格的环保要求而逐渐退出历史舞台。

5.2 藏族制陶的“平地堆烧”

窑外渗碳的方法在少数民族制陶中仍能看到（图5，藏族制陶“平地堆烧”），像西藏墨竹工卡县的藏族制陶就是露天堆烧，墨竹工卡县地处高原地区，空气稀薄气候干燥，树木稀少，缺少木柴燃料，老百姓烧水做饭都离不开牛粪。烧陶时人们多用牛粪和挖取多年生的草皮晒干作燃料，在烧制时，先在平地上堆一层木柴，然后把制好的陶坯和干草皮、干牛粪等穿插着堆到一起，外面再覆盖一层较厚的草皮和干牛粪，四周用石板围护用于保温，然后用火引燃，依靠自然风助燃，烧制过程中随时调整和添加燃料，以保证火力均匀，经过七八个小时的燃烧，草皮和干牛粪化为灰烬，冷却几个小时后，灰烬塌陷裸露出来的呈红褐色，埋在灰烬里面的就变成黑色。在高原地区植被生长的速度极慢，所以不宜使用草皮，由此带来的生态破坏是巨大的。

图5 藏族制陶“平地堆烧”

平地堆烧本身没有窑，工艺相当原始，这种烧制方法在我国的云南少数民族地区和海南黎族制陶也一直存在和使用，像云南有的地方平地堆烧时，底下铺上较粗的木柴，把陶坯放在木柴之上，然后用柴草掩埋引燃，在柴草快要燃尽之际，将事先准备好的木屑洒在烧红的陶坯上面，形成闷燃造成缺氧，形成还原气氛和渗碳过程，会产生斑驳的黑陶效果。

5.3 关于“乐烧”

乐烧的说法相传来自于朝鲜和日本，其工艺形式也类似于窑外渗碳的一种，和四川荥经砂器的烧造工艺如出一辙，操作过程具有很强的表演性或是观赏性（见图6，乐烧）。工艺过程是：先将塑形完毕的陶坯，放到电窑或是气窑内素烧至800℃左右，然后打开窑门，用铁钳将火红的坯体挟住取出，迅速放到一个装有锯末或树叶的铁桶内，桶内锯末或树叶顿时被点燃，喷出熊熊大火，像是浴火重生一般，场面甚是壮观，有的还要用木屑或是枯叶等材料掩埋以追求一种特殊效果，稍待片刻盖上桶盖，此时由于空气被阻绝，火焰随即消失，继而被浓烟所取代，呈闷烧的还原状态。大约经过十几分钟的闷烧，再打开盖子挟出陶坯丢入水中，在水中冷却到不烫手的程度，即可取出，用布将表面所粘附碳屑及游离的碳素刷除掉，再用水洗净，乐烧完成。闷烧的过程使坯体吸附碳素，呈现浓淡不一、斑驳渐变的黑色色调。也有的施釉之后再闷烧，让施釉的表面出现大量的气泡，呈现出岩石般的质感，刻意追求一种肌理效果。

图6 乐烧

5.4 紫砂“焐灰”

焐灰是紫砂壶改变颜色的方法之一。将烧花或颜色不匀需要改色的茶壶，装入匣钵用柴草灰或木炭粉等物来填充掩埋，放入窑中在低温缺氧状态下复烧一次。由于焐灰后的茶壶色泽黑润而不闷，呈乌金色，泡养后非常漂亮，有“温润如墨玉，坚质似铁石”之美誉。焐灰在古代是一种掩盖颜色不匀的手法，随着技术的日益成熟，现在也经常被当作一种装饰运用。

5.5 钢铁渗碳

渗碳是金属表面热处理工艺的一种,是一项十分古老的工艺，在中国可以上溯到2000年以前。简单来说金属渗碳热加工是指使碳原子渗入到钢表层的过程。渗碳工艺是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，目的是增加金属的硬度和耐磨性。比如轴承、链条、车轴等等磨损较大的零部件。

5.6 轮胎橡胶工业中“碳的运用”

早期的汽车轮胎是白色的，因为天然橡胶的颜色是白色的。后来人们发现在橡胶中加入炭黑，能够使轮胎的耐磨性及使用寿命大幅提高。1917年米其林推出他们的第一款黑色轮胎，从此让轮胎变成黑色大行其道，直到现在。

6 “渗碳”工艺的实验

6.1 电窑炉匣钵渗碳

陶泥原料为经过滤陈腐好的黄河胶泥，采用拉坯成型，晾至六、七成干，进行修坯压光，打磨出细腻的光泽，上坯架晾干待烧。所用匣钵采购于山东博山匣钵厂，匣钵为圆形，高22cm，直径35cm（见图7，匣钵渗碳）。匣钵底部铺一层约两公分厚锯末，把晾干好的陶坯摆满匣钵，然后再撒上锯末覆盖，陶坯之间都用锯末填满、填实，让整个陶坯全部埋没在锯末中，把装好的匣钵放入窑中盖上棚板。然后关上窑门开始烧制，试验用窑为硅碳棒加热的电窑炉，窑门有三个观察孔皆敞开，启动电源。调节电流缓慢升温，温度升至280℃时开始有烟冒出，550℃左右时烟雾逐渐散尽，烧至900℃时窑内已经通红发亮，这时调低电流开始保温30min后关闭电源熄火。第二天打开窑门，取出匣钵打开棚板，锯末已经萎缩呈黑炭状，陶坯乌黑发亮，漏在炭火外面的局部颜色不匀呈深灰色，扣之清脆悦耳。

图7 匣钵渗碳

6.2 煤炉渗碳

实验所用炉具为装四个蜂窝煤的普通家用煤炉，外壁有白铁包裹密封性比较好，下面有进气闸门，上面有生铁的盖子，还有个提梁，便于移动，夹蜂窝煤的夹子也派上了用场。用蜂窝煤炉模拟窑炉气氛，简便安全、成本低、易操作，能基本满足渗碳试验的主要条件，实验过程分两部分：炉内渗碳和炉外渗碳。

6.2.1 窑内渗碳

把蜂窝煤炉放置到院子里开阔地，把正在燃烧的四个蜂窝煤依次取出，把最底下两个燃烧殆尽的淘汰掉，把两个火力正旺的放入炉中，把蜂窝煤炉的进气闸门关闭，然后再放一块新煤进去，把待烧的陶坯一只斗笠盏放在新煤上面，由于刚放进去的新煤和杯子温度一致，这样缓慢升温，陶坯才不会炸裂，把进气闸门由小到大逐渐打开，约半小时后，陶坯慢慢变红，这时把进气闸门关闭，再等待十几分钟让陶坯充分红透，把事先用铁丝捆扎成球形的细松枝投到炉中，燃烧七八秒钟，然后把蜂窝煤炉的盖子盖上，稍等片刻后把准备好的一铁锹湿土盖在炉子上拍实，一会功夫在炉子底下和周边的缝隙处冒出一缕缕白烟，盖在上面的湿土也开始冒热气。第二天早上打开封土清理掉炉灰，一只黑陶杯子呈现在眼前，局部闪烁着斑驳的银光，温度大约在800～900℃之间，通体乌黑。

6.2.2 窑外渗碳

把蜂窝煤炉放置到院子里开阔地，按顺序换新煤，把待烧的杯子放到炉中缓慢升温，待陶坯充分红透，这时用铁钳夹子迅速夹出放到一小堆锯末上，一会功夫锯末浓烟滚滚，冷却之后外面和锯末接触的部分形成黑色而里面依然是红陶色，形成了内红外黑的现象。