明清鐵炮的修復研究與實踐

摘 要：中國人民革命軍事博物館館藏11門明清鋼鐵材質古炮，出現了防護涂層老化、大面積銹蝕、零部件斷裂和文物缺損等病害。在保護性修復的過程中，使用FTIR對防護涂層進行成分分析，確定為酯類氟碳金屬漆；使用XRF、XRD分析銹蝕成分，發現主要成分為β-FeO（OH）。針對這些病害，通過使用去除老舊涂層、除銹、脫鹽、封護、斷裂處粘接和缺損處填充等方法對古炮進行保護性修復。此研究通過對明清古炮進行病害的科技分析和文物的保護修復，用實踐經驗和檢測結果為古炮類文物的保護研究提供了科學依據。

關鍵詞：修復；古炮

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.05.006

0 背景

目前，國內對大型鋼鐵材質古炮文物的修復保護尚有待研究，僅有的一些關于大型鋼鐵文物的研究，也集中于文物的腐蝕機制方面①；而少數關于古炮文物的研究，則主要集中在古炮的鑄造技術②和復制復原③等方面。

中國人民革命軍事博物館館藏11門珍貴的明清鋼鐵材質古炮，這些古炮內外表面有許多孔洞，與中國古代鑄鐵炮因鑄造工藝而出現的特征相符。據此可以判斷，該批古炮全部為鑄鐵材質。長期以來，該批古炮一直未能及時得到有效防護，出現了防護涂層老化、大面積銹蝕、零部件斷裂和文物缺損等病害，亟需進行修復處理。通過對這些古炮進行表面顯微放大及XRF、XRD和FTIR分析，確定了文物表面的病害形式；根據具體病害內容，主要實施了去除老舊涂層、除銹、脫鹽、封護、斷裂處粘接和缺損處填充的操作處理，并對操作的具體內容進行了詳細研究。

考慮到這些古炮上的病害種類繁多，基本囊括了所有古炮類文物可能出現的病害種類，本研究以這些鋼鐵材質古炮的修復為例，系統分析古炮類文物可能存在的病害及其對應的處理辦法，為此類文物的科技研究和保護修復提供依據。

1 古炮現狀分析

這些古炮長期放置于室內環境中，表面交叉出現多種病害（圖1）。11門古炮的表面均出現了不同程度的涂層老化和破損以及大面積銹蝕，多門古炮一側或雙側炮耳缺失，一門古炮炮尾斷裂，一門古炮炮身后方大面積缺損。其中，有些病害為歷史痕跡④，應當予以保留；有些則是由于年代久遠，長期未能得到妥善防護處理的原因所致。

經過對古炮表面金屬元素成分進行XRF分析（表1）可知，其主要金屬元素成分為Fe，占金屬元素總量的98%以上，另有少量的Sn、Ir、Zn、Mn等金屬元素。這些非鐵金屬元素主要來源于冶煉鑄造過程中未能有效去除的鐵礦石中雜質。

在鋼鐵材質的物品中，Fe元素會和C元素形成Fe-C原電池結構。這會使Fe更容易失去電子，從而加快鋼鐵的腐蝕速度。由于鑄鐵中C元素含量較熟鐵和鋼更高，因此易遭受更嚴重的腐蝕。另外，考慮到該批古炮長期放置于室內環境中，空氣濕度一般為40%～60%，在這樣的大氣環境中，鑄鐵表面會產生一層薄液膜。這層薄液膜使鐵質基體極易發生吸氧腐蝕。由于薄液膜運輸腐蝕產物的能力較差，腐蝕產物會聚集在文物表面，有可能會加速進一步腐蝕⑤。

此次待修復的古炮表面均有大范圍不同程度的銹蝕。從古炮表面銹蝕樣品的XRD譜圖（圖2）中可以看出，樣品中含有正方針鐵礦、方解石、石英、鈉長石等物質（表2）。石英、鈉長石、方解石三種成分不含鐵，主要來源于塵土、泥沙等外界附著物，不屬于銹蝕成分。銹蝕成分主要為正方針鐵礦，即β-FeO（OH）。當出土鐵質文物直接與空氣接觸時，空氣中的水分、O2和Cl-離子就會使文物表面生成β-FeO（OH）。它在鐵質文物腐蝕產物中十分常見，通常被認為是一種對鐵質文物危害極大的有害銹⑥，能夠加快鐵質文物的腐蝕，往往在鐵基體與銹層中間產生，如果不及時清理，就會慢慢繼續侵蝕文物內部直至文物全部損毀。β-FeO（OH）為疏松多孔結構，空氣中的水分和氧氣可以透過其直接接觸浮銹下方的鐵質文物基體，從而使下方基體也產生銹蝕。時間一長，銹蝕就不再只局限于文物表面，還會出現在文物內部。1 mol β-FeO（OH）的體積約為25 cm3，大約是1 mol金屬鐵的3倍，因此β-FeO（OH）的形成過程也是體積劇烈膨脹的過程，給銹層造成壓力，導致銹層出現層狀剝離、裂紋甚至斷裂。在潮濕的大氣環境中，β-FeO（OH）會直接與Fe2+反應生成Fe3O4，繼續參與腐蝕過程。同時，β-FeO（OH）晶體表面還會吸附H+和Cl-，形成的HCl會直接腐蝕鐵質基體。此外，β-FeO（OH）還具有明顯的吸濕性，可顯著降低腐蝕發生所需的相對濕度。因此，在腐蝕過程中，β-FeO（OH）還會起催化劑的作用，加速反應進行⑦。

古炮表面老化的防護涂層為透明硬質薄膜，外觀上比較接近清漆。經傅里葉紅外檢測（圖3），在3650～3580 cm-1間未見明顯吸收峰，說明樣品中沒有O-H鍵；3500 cm-1和3100 cm-1間的寬峰表明樣品中具有N-H鍵；2920 cm-1和2852 cm-1處的吸收峰是C-H鍵的伸縮振動峰；在3100～3000cm-1處有不明顯的一些吸收峰，推測樣品中可能含有不飽和C=C雙鍵；1725 cm-1處的尖銳吸收峰表明樣品中含有C=O雙鍵，無2820 cm-1和2720 cm-1處的雙吸收峰可排除醛，無1830 cm-1和1750 cm-1處的雙吸收峰可排除酸酐，判斷樣品為酮或酯；1600 cm-1、1590 cm-1、1520 cm-1處的3個吸收峰是苯環骨架伸縮振動的特征，表明樣品分子中存在苯環；1470 cm-1和1450 cm-1處的吸收峰分別為亞甲基和甲基的伸縮振動；1220～1100 cm-1間的三個吸收峰說明樣品中含有C-O-C鍵，樣品可能是酯或者醚；1060 cm-1處的吸收峰可能為C-O-C鍵，也可能是C-F鍵；750 cm-1和695 cm-1處的吸收峰，表明樣品可能為單取代苯⑧。考慮到該樣品應為一種常見的金屬防護涂層，經對比數據庫，可確定樣品為氟碳清漆⑨，因此考慮使用市售脫漆劑進行去除。

為了阻止病害的進一步發展，延長文物的壽命，計劃對這些古炮文物采取去除老舊涂層、除銹、脫鹽、粘接斷裂零部件和填充缺損部位的修復操作，最后對文物進行整體封護處理。由于國內對于明清古炮修復方面尚缺乏足夠的先例和經驗，本次修復通過借鑒其他文物的修復方法⑩，對明清古炮的修復操作進行了探索研究，在完成修復的同時，期望能夠得到修復明清古炮的一般性操作方法。

2 病害的去除與文物的封護

2.1 修復前的準備

這些古炮曾長期露天放置，膛內積累大量雜物，且炮膛內壁有銹蝕病害產生，因此專門使用管道內孔打磨機、手電鉆和帶有延長桿的砂輪，除去體積比較大的磚石等雜物以及炮膛內壁的銹蝕痕跡。

另外，這些明清鐵炮大多十分笨重，重量有數百千克以上，形狀多為不規則的圓柱體，且由于炮耳等部位的存在無法使用現有工具順利翻轉。為了滿足修復過程中翻轉的需求，使用了專門設計的炮管移動升降旋轉車。使用該工具，可以很方便、很省力地在原地將古炮沿軸線旋轉任意角度，大大減少了該過程中的人力消耗，同時與古炮的接觸面作為一個整體可以在水平方向自由旋轉，方便從各個角度對古炮進行升降操作，配合底部的萬向輪還能讓古炮在短距離內向任意方向移動。

除了專業的修復工具外，古炮的修復對修復場地和時間也有特殊的要求。為了保證古炮修復的順利進行，準備了滿足了以下條件的修復場地：

①保證古炮間距在1 m以上，為修復工作者留出修復操作的空間。

②場地用水用電條件良好，具有通風避雨的特點。

③場地中設有專門存放文物修復工具材料的儲存區。

另外，在修復場地中，還提前準備高20 cm的木方。修復時，將待修復古炮安置在木方上，以免地面污物干擾修復。

古炮的修復時間需要避開雨季，因為過大的空氣濕度會延長文物封護膜的干燥時間，從而減慢修復進度。考慮到實際情況，本次古炮的修復時間選擇在6月底和7月初。

2.2 老舊涂層的去除

古炮表面涂層老化嚴重，所有古炮表面涂層均出現了不同程度的剝離、起翹、開裂、破碎甚至完全磨損殆盡等老化現象，無法起到完善的防護作用。因此，首要的步驟是去除老舊涂層，也就是將古炮表面老化的防護涂層清理干凈，以便后續的修復操作能夠順利進行。

根據老化涂層的成分，選擇市售中性脫漆劑和沈陽防銹包裝材料有限責任公司研制的專配溶液（用芳香烴、醋酸酯專門配制）作為涂層去除劑，在文物局部以涂刷的方式分別進行試驗。涂刷涂層去除劑后，老舊涂層逐漸破碎，形成許多只有幾個毫米大小的碎片，并且有部分碎片開始從文物基體表面剝離。試驗結果表明，在文物表面涂刷專配溶液能夠更高效、徹底地讓涂層與文物本體分離，比涂刷中性脫漆劑具有更好的涂層去除效果，因此選用專配溶液作為涂層去除劑。去除老舊涂層的具體步驟：先使用軟毛刷將涂層去除劑均勻刷涂在老舊涂層表面，然后等待15 s到1 min，讓涂層去除劑與老舊涂層充分反應后，再使用銅絲刷刷去與文物基體分離的老舊涂層碎片，反復多次直至將文物上的老舊涂層全部去除。

2.3 表面銹蝕的去除

古炮表面有大面積銹蝕需要去除，有些銹蝕甚至深入文物基體內部，比較難以處理。常用的除銹方法可分為物理方法和化學方法兩大類。物理方法的可控性較化學方法強，化學方法一旦控制不好，可能會對鐵器造成不可逆的損害，有些除銹試劑對環境也有損害k。因此采用物理方法，使用鋼刷、銅刷、百潔布、氣磨等工具，主要通過打磨的方式來去掉古炮表面的銹蝕。對于古炮較平整表面上大范圍的銹蝕，使用鋼絲刷通過人工大力刷除的方式去除；縫隙、孔洞等處的銹蝕，則使用小型圓頭鏟刀和直角金屬鉤去除。最后用無水乙醇將文物表面清洗干凈。

除銹完成后，可以看出古炮表面黃褐色的銹蝕已經清除干凈，文物呈現出黑色的鑄鐵基體本色。

2.4 脫鹽

在鐵質文物保護過程中，脫鹽是重要環節。可溶性鹽類尤其是氯化物對鐵質文物危害極大：一方面，隨著環境濕度的變化而進行的溶解-結晶過程具有明顯的體積變化，該過程不斷反復會使銹層出現層狀剝離、裂紋甚至斷裂；另一方面，溶于水后形成的電解質溶解液對腐蝕有促進作用，其中的陰離子本身也會參與腐蝕反應。因此，為了減緩鐵質文物的腐蝕速度，延長文物壽命，必須進行徹底的脫鹽處理。

這批古炮的脫鹽操作采用了敷貼紙漿的方式。將濕潤的紙漿敷貼在鐵質文物表面后，紙漿中的水分能夠滲入基體內部，將基體內部的可溶性鹽類物質遷移至紙漿上。取下干燥后的紙漿，即可帶走文物中的鹽分。反復敷貼可使脫鹽更為徹底。具體做法如下：將排鹽紙漿均勻敷貼在文物整個表面，自然干燥24 h后揭下。使用手持式X射線熒光元素分析儀檢測干燥后的紙漿與文物接觸一側的元素含量變化，如果紙漿中的硫、氯、鉀等元素含量明顯升高，則需要再次重復以上步驟，直至紙漿中硫、氯、鉀等元素含量在使用前后無明顯變化，說明鹽已脫凈（圖4）。

2.5 文物的封護

封護是文物保護措施最為關鍵的步驟之一。封護的主要作用是隔絕文物本體與空氣，從而大大減緩文物的腐蝕速度并延長文物壽命。這次古炮封護使用的材料為以50A丙烯酸酯為主要成分的流體氣相膜防護材料。封護前用無水乙醇將鐵器文物表面清洗干凈。使用軟毛刷將封護材料均勻刷涂在文物表面，遇到深度大于3 mm的凹坑應反復涂刷直至凹坑內部覆蓋均勻。每刷涂一遍后自然干燥24 h，總共刷涂3遍。第三遍刷涂時，在封護材料中額外加入5wt.%的二氧化硅作為消光劑。預計對文物的有效防護效果可以持續數年時間（圖5）。

2.6 斷裂部位的粘接

11門古炮中有一門古炮的炮尾發生斷裂，與炮身主體分離。為了使文物恢復原貌，需要將炮尾固定回原位。固定材料選用容易去除的強力金屬膠和鋼筋。

在固定炮尾前，首先完成斷裂處的去除老舊涂層、除銹操作以去除文物基體表面的附著物，防止附著物導致粘接強度下降。

固定時，先將炮尾和炮身兩處斷裂的缺口對齊，并做好相應的位置標記，然后移除炮尾。考慮到炮尾比較重，只用強力金屬膠固定，后期會因受力不均有可能再次斷裂，從而使文物受到二次損害，為了保證文物修復效果，讓炮尾能夠長期穩定地保持粘接，在斷裂的兩節文物間額外使用工字形鋼筋進行了加固：用強力金屬膠將工字形鋼筋半埋在炮身內部（圖6）；使用金屬膠將炮尾固定在工字形鋼筋的另一端，同時，在炮身和炮尾內部分別填充足量的強力金屬膠，并按照已經標記的位置將斷裂的缺口對齊。最后，用金屬膠徹底填滿炮尾和炮身的接縫；自然干燥72 h后，金屬膠完全干透；用礦物顏料上色，使膠與文物表面的顏色相近，達到一種“遠看都一樣，近看有區別”的效果。

待顏料徹底干燥后，對粘接處進行封護，刷涂防護膜以防止顏料掉落。

2.7 缺損部位的填充

缺損部位是一門古炮的炮身后部，因銹蝕導致文物表層與內部基體剝離且出現大面積脫落，需要進行修補。采用的主要填充材料為石膏粉和樹脂膠，填充材料與文物基體間使用B72防護膜進行隔離。

①先清理缺損處的銹跡。明面上大面積的銹跡，采用小型鋼絲刷進行清理；對于文物夾層和縫隙中的銹跡，采用圓頭小鏟、直角金屬鉤、氣泵等工具進行清理。清理完成后使用無水乙醇沖洗干凈。

②將B72溶解在少量丙酮中，配制質量濃度約為5%的溶液。將溶解后的溶液均勻傾倒在缺損處，稍等片刻待丙酮自然揮發，在缺損處表面均勻敷設一層B72防護膜。

③用石膏粉和樹脂膠調成糊狀，填充在文物的缺損處，自然干燥2 h后，按照文物本自身形狀和紋理對填充材料進行塑形，繼續干燥48 h至填充物徹底硬化。

④使用毛筆和礦物顏料給填充物上色，使修補處與文物本身的顏色達到一種“遠看都一樣，近看有區別”的狀態（圖7）。上色結束后讓顏料自然干燥，最后刷涂防護膜以防止顏料掉落。

3 結論

通過對明清古炮表面病害和基體材質進行科學分析，探索了明清古炮的材質、銹蝕成分和腐蝕機理；通過對明清古炮進行修復保護的實際操作，得到了古炮文物修復的一些經驗教訓，總結出了古炮文物修復的一般步驟。具體結論如下：

①這批明清古炮為鑄鐵材質，主要金屬元素成分為Fe，占金屬元素總量的98%以上，另有少量的Sn、Ir、Zn、Mn等金屬元素，比鋼和熟鐵等材質更易遭受腐蝕，腐蝕現象也更為嚴重，需要特別注意加以保護。

②古炮表面銹蝕成分以β-FeO（OH）為主，兼有α-FeO（OH）、α-Fe2O3、γ-FeO（OH）、FeCO3、Fe3O4等其他成分。大量β-FeO（OH）的存在令腐蝕更容易，對文物本身的長久保存十分不利。

③確認這批古炮文物表面的老舊涂層為氟碳清漆，可使用市售中性脫漆劑或根據老化涂層的成分以芳香烴和醋酸酯專門配置的溶液去除，使用反復多次刷涂的方式可提高去除效果，專門配置的溶液更有效。

④修復前最好能夠針對文物特點制作專業的修復工具。本次修復中，炮管移動升降旋轉車這一專業的修復工具對整個修復過程有極大的助力。它能夠實現古炮的升降、旋轉、俯仰調整和短距離轉移等操作，在各個步驟中都起到了重要的作用。在準備修復場地的過程中，依靠炮管移動升降旋轉車的短距離轉移和升降古炮的功能，可以很方便地將古炮放置在事先安放好的木方上。在接下來的去除老化涂層、除銹、涂膜封護等過程中，炮管移動升降旋轉車也起到了很大的作用，極大減輕了修復過程中的人力負擔，加快了修復的速度。

⑤修復過程使用物理方式去除表面的銹蝕；然后使用排鹽紙漿進行脫鹽處理；針對文物的斷裂處，根據斷裂零部件的形狀，拼合復位后使用強力金屬膠進行粘接固定，在內部使用鋼筋進行加固；針對文物的缺損處，先清理缺損處的銹蝕痕跡，再使用B-72樹脂隔離，使用石膏粉和樹脂膠進行填充，之后按照文物本自身形貌對填充材料進行塑形和上色；最后用流體氣相膜防護材料對文物再次進行封護，滿足了去除文物病害、延長文物壽命的需求。

⑥修復場地應滿足古炮修復操作的需要，其使用的空間大小由古炮的尺寸、質量、數量確定，保證古炮間距在1 m以上以留出修復操作空間，通風換氣情況應滿足涂刷材料的需求，場地內用水用電方便，設有專門存放文物修復工具材料的儲存區和置于文物下方的軟墊或木方，室外場地還應具備頂棚等防降水設施。修復時間盡量避開雨季，雨季空氣濕度大會降低文物的封護膜干燥速度，從而減慢修復進度。

此次對這批明清古炮的修復研究與實踐，分析了明清古炮的材質、銹蝕成分和腐蝕機理，初步探索了古炮類文物的修復技術，對古炮類文物的修復流程進行了行之有效的嘗試，達到了去除文物病害、延長文物壽命的目的，取得了良好的效果。■

注釋

①吳磊，周和榮，呂良興，等.鎮安寺鐵牛腐蝕產物及腐蝕機制研究[J].文物保護與考古科學，2021，33（2）：84-91.

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③張鴻栓，劉烜赫，孫慶連.中國古炮赫然重生于北京德勝門[J].模型世界，2011（2）：6-13.

④劉鴻亮.晚清龔振麟鐵模鑄炮技術優劣的縱橫史探究[J].鑄造工程，2021（3）：61-66；劉鴻亮.兩次鴉片戰爭前后清朝制炮技術研究[J].社會科學，2011（7）：154-164；胡建中.清代火炮[J].故宮博物院院刊，1986（2）：49-57.

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⑧王克青，楊琴，張然，等.紅外光譜和氣質聯用在鐵質文物保護修復材料評價中的應用[J].光散射學報，2023，35（3）：303-310.

⑨張化冰，王小偉，蘇伯民，等.傳統西藏壁畫表面涂層材質與工藝研究[J].文物保護與考古科學，2020，32（4）：1-7.

⑩詹長法，張曉彤.金屬文物的保護和修復：從意大利大型青銅雕像的保護窺探現代修復技術的發展[J].文物科技研究，2004，2（00）：9-20；成帥.近代歷史性建筑維護與維修的技術支撐[D].天津：天津大學，2011；王紫色.鐵質文物的土壤腐蝕機理與保護方法研究[D].北京：北京化工大學，2008.

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