青銅試片制作陶范性能研究

摘 要：文章嘗試尋找適合鑄造青銅試片的陶范粗陶土摻入紅砂的比例，實驗分為三部分，分別為縮水率測試、耐高溫測試、硬度測試，通過實驗從中選擇最好陶范含沙量的比例，研究結果顯示在運用縮水率測試、耐高溫測試、硬度測試后摻入紅砂為50%的不加溫陶范性能更適用于日后青銅器物與試片的制作與仿制。

關鍵詞：青銅試片；陶范；紅砂

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.22.033

在金屬器物修復領域出現了許多不同的修復材料，但是相比于陶瓷來說金屬器物修復并沒有與其相搭配的金屬試片輔以實驗。為了讓研究科學化、標準化，故進行青銅試片制作研究，在這個過程中發現了以下兩個問題：第一，在制作陶范時，發現陶范在內部結構雕刻完成并燒制后，往往會發生內部變形的問題，影響試片澆筑的效果；第二，陶范往往用一次便會遭到損壞，利用率低、鑄造價格高，且每一次鑄造的范都會有細微偏差。所以需要探討出一個可以循環利用的陶范制作方法，一個好的陶范可以讓后續的實驗更好地進行。

通過閱讀前人文獻發現，曾出現原生土、熟料（經過燒制后的黏土粉末）、木炭灰法這樣的配方，譚德睿先生在《中國青銅時代陶范鑄造技術研究》中追溯古法的部分記述了前人給出的一個較為詳細的比例：原生土∶熟料∶木炭灰配比50∶30∶20，再加入適量的水進行混合。其中熟料的作用為減小其收縮率，木炭灰作為保溫用。

除此辦法外還有加沙陶范法，廉海萍先生在《漢代鑄錢夾砂陶背范的分析研究》中提到漢代對于鑄造銅幣采取的陶范為夾砂的陶范，但是具體的比例并未詳細給出。

為了鑄造出同尺寸、同類型、可循環利用的器物與青銅試片，需要在陶土摻沙的限制下，實驗出性價比低、燒制后使內部形變較弱的陶范摻砂比例，從而降低研究成本。

1 陶范制作

1.1 材料來源

董亞巍先生在《范鑄青銅》中提到砂型鑄造青銅器其耐火材料為型砂。最好的型砂為淺紅色，多產于南京地區，又叫南京紅砂，多用于鑄造錢幣與銅鏡。所以在材料選擇上決定僅選擇粗陶土與紅砂。

1.2 陶范制作步驟（圖1）

首先選取泥料，選擇粗陶土，將配料放入其中，陳腐為練泥后做出漿水。之后對其進行揉干處理，減少內部水分以練成型，最后按照預先設計的陶范進行制作，接著等待其內部水分充分流失，干燥后再進行燒制處理，燒制結束后進行細致的打磨雕刻。

將粗陶土與紅砂按照不同比例混合。圖2為所有試片按自上而下、自左到右的順序排列，在耐高溫試驗中分為兩組對試片進行試驗，單數號試片為不加溫組，雙數試片為加溫組，發現總體規律為顏色由深到暗，但試片13號與試片14號同為摻入30%的紅砂，試片顏色較其左右都更深，為試片19號與試片20號摻入45%的紅砂，試片也出現了此類現象。但在操作中與其他試片流程并無太大出入，所以有待后續研究。

1.3 規格與燒制溫度

本次試片僅為陶范本體長度高度都由長10cm、寬10cm、厚2cm的正方形模具填充后脫落而成。

每次陶范片制作選用細陶土與紅砂進行混合，之后用不同的比例進行測試。從最低為占粗陶土質量的0%到最高為占粗陶土質量的50%，每片試片含砂量從0%到50%，以5%遞增，總計質量為500g。燒制溫度根據銅的熔點設定，制定燒制溫度統一為1250℃。

1.4 實驗方法

1.4.1 收縮率測試

收縮率測試的目的在于探究陶范在干燥后變形的程度，收縮率越高則變形程度越高，收縮率測試步驟如圖3所示。收縮率為燒制完畢正方形試片質量與燒制前正方形試片質量比，使用電子秤進行稱量計算。

1.4.2 表面耐高溫次數測試

表面耐高溫測試的目的在于探究陶范的可循環利用次數，可循環利用次數越多則陶范質量越優秀，在日后制作試片與翻制器物時利用率越高、成本越低。實驗步驟如圖4所示，通過電子秤稱量銅粒，一次一個試片用量為100g，后將銅粒放入熔爐并升溫到指定溫度，將銅粒轉化為銅液；與此同時將加溫組試片放到加熱板進行400℃加溫處理，接著將熔化的銅液取出，將其潑于試片上，等待降溫冷卻并觀察是否出現裂痕，如果出現則試驗結束，如果未出現則如上步驟再次進行實驗，直到五次后完畢。

1.4.3 硬度測試

測試陶范硬度的目的在于測試陶范是否會因為含砂量占比問題導致陶范內部脆性過大，脆性越大陶范使用率便會越低，本次實驗選擇艾德堡儀器有限公司生產的HLX-D邵氏硬度儀進行檢測，將試片放于硬度儀上，進行十次測壓得出數值，最后分析數值得出結論。

2 實驗結果

2.1 收縮率測試

通過兩次測量得出的數據發現試片為含砂量5%～10%的階段縮水后較縮水前的斜率出現明顯不同，此外在20%、25%、30%、35%幾組數據中縮水保持相對穩定，而50%的試片收縮幅度最小，質量測試上變化不大，內部變形較小，適宜制作陶范。

從以上實驗得出的數據可知，10%的試片收縮最嚴重，在制作過程中，盡量不要選擇摻入紅砂含量為10%的陶范，因為收縮幅度大有可能會導致內部結構發生形變，改變預先設計好的內部空間。而此實驗部分證明了含砂量越高收縮率也就會逐漸降低（圖5）。

2.3 耐高溫測試

根據數據我們發現試片含砂量為50%可以使用五次，達到了預期的要求。但是比例相同的22號加溫組試片卻只完成了兩次，而其余試片如含砂量為25%、含砂量45%試片均超過預期表現（圖6）。

在加溫組與不加溫組測試下，0%～10%下試片的測試次數一直處于一次，而后不加溫組開始次數上升，直到25%達到一次小峰值，而后又一次下降，下降到40%后又逐漸攀升并達到數據最高值。加溫組在20%處有一次波動，在30%后逐漸攀升，50%卻急速下降（圖7）。

而這二者中我們發現在25%處有較大差異，加溫組只能做一次便損壞，而不加溫組可以達到三次，除此外，10%～30%不加溫組的耐高溫性要大于加溫組的性能，但30%～45%兩邊進行了反轉，最終50%的含沙量效果下不加溫組的效果遠遠大于加溫組的效果。

2.4 硬度測試

整體呈下降趨勢，在紅砂含量0%～5%時略有上升，紅砂含量25%～30%呈下降趨勢，紅砂含量30%～40%硬度值浮動不大，紅砂含量為50%時較45%更低。我們從圖中發現，最低的硬度值出現在紅砂含量25%與50%時，最高則為5%時。平均值上4號試片硬度最高85.7HD，22號試片硬度為最低79.6HD（圖8）。

3 比較

實驗中因為主要考慮陶范的耐溫性能，耐高溫承受次數越多，可利用可循環次數越多，制作試片時價格更低、更符合標準，所以對三個實驗的評價標準，首先以耐高溫次數為首要出發點，其次觀察收縮率以及硬度。

實驗后發現，試片21號、試片20號及試片11號耐高溫可承受次數多，滿足多次循環利用的陶范。

試片11號與試片12號皆為紅砂含量25%的陶范試片，從圖9中發現試片12號耐溫次數較試片11號少，二者硬度相同，但收縮比例上試片12號較試片11號更大，試片12號內部結構更容易發生改變。試片11號為不加溫組、試片12號為加溫組，二者在耐高溫次數上的區別為試片12號經受過加溫，所以說在試片紅砂含量25%的情況下選擇對試片不進行加溫處理的效果最好。

試片19號與試片20號皆為紅砂含量45%的陶范試片，從圖10中發現，相比于試片20號，試片19號硬度更高、收縮減少比例更高、更容易變形、受不加溫的影響耐溫次數更低。

試片21號與試片22號皆為紅砂含量50%的陶范試片，從圖11中發現二者差異十分大，三項實驗中，試片22號變形程度更大、硬度更低、耐溫次數更低，這證明要想讓性能更優不能僅僅將硬度降低讓其內部軟，不能只靠單一的物理加熱手段輔助，有時候過度操作也會導致試片性能急速下降。

觀察三者我們發現，三者中試片11號收縮減少比例最小、耐久三次硬度平均值處于中位；試片20號的收縮減少比例的數值在三者中處于最高的位置，可耐用的次數為四次，硬度也處于三者中最高的位置；試片21號收縮減少比例處于中位，直到五次測試后仍未損壞，硬度處于中位數。

這三片試片中加溫組出現一片，不加溫組出現了兩片，通過這些我們發現，試片含紅砂量必須達到25%以上時，試片的耐久性才可以逐漸得到質的提升，但是在這之中有時也需要加溫才能保證讓其性能得到一定的增強。

4 結論

①試片21號的紅砂含量為含有50%的陶范，收縮率為4.35%、可以承受耐高溫五次且未損壞、硬度平均值為80.7。②試片21號收縮減少比例相對較低，不易產生形變，且試片耐溫性能較其他優越許多，在硬度方面也中規中矩發揮穩定。

參考文獻

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