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奇特的金属表面处理技术 马执斌 镜子是人们日常生活中的必用品。在中国古代，人们一般是使用铜镜来照脸梳妆打扮的。考古发掘材料表明，早在4000多年以前，中国就有铜镜子了。从那时候起直到清代中期，铜镜作为一种生活日用品得到广泛的使用。清代乾隆以后，铜镜才逐渐被玻璃镜所代替。 在中国古代铜镜中，有一种被古董商人称为“水银包浆”的镜子，镜子表面好象包裹着一层水银，白亮白亮的，能够照出人的发毛，更令人惊异的是，这种铜镜耐腐蚀性很强，在地下埋藏上千年居然不锈，发掘出土的时候仍旧光亮照人，鉴人发毛。 减缓金属材料的腐蚀，是古今中外材料科学中的一大课题。中国古代“水银包浆”铜镜千古不锈的奇特现象，自然会引起国内外科学工作者的注意。对于“水银包浆”铜镜的本质、形成原因及其制作工艺，古今中外的研究者众说纷纭。 明代科学家宋应星在《天工开物》中说：“凡铸镜……开面成光，则水银附体而成，非铜有光明如许也。”这就是说，铜镜镜面光洁白亮是附上水银的结果。他的这种看法，在现代中、日学者里有不少支持者。 还有人认为，铜镜铸成后，先磨光，再上银，才使得镜面光洁白亮。 西汉淮南王刘安主持编纂的《淮南子》上记载：“明镜之始下型，朦然未见形容。及其粉以玄锡、摩以白旃、鬓眉微毫，可得而察。”这是关于运用表面处理技术使铜镜光洁白亮的最早记载。“粉以玄锡，摩以白旃”，是造成镜面白亮的主要措施。“白旃”，就是白色毛毡，处理镜面要用白色毛毡摩擦。而“玄锡”是什么东西呢？“玄”者，黑也，然而锡的颜色却不黑。因此，一些学者又对“玄锡”的解释产生分歧。有人认为是“铅粉”，有人认为是“铅汞剂”，也有人认为是“锡石”，还有人认为是不纯净的“二氧化锡”。 清代物理学家郑复光在《镜镜冷痴》一书里说：“铜色本黄，杂锡则青。青近白，故宜于镜。磨擦药亦汞锡为之。”他又提出镜面是靠“汞锡”磨擦而产生青白亮光的。 上海博物馆和上海材料研究所的科研人员运用现代科学仪器和试验设备，对东汉“水银包浆”铜镜残片进行了大量的分析测试，并结合对古人、前人和今人著述的分析，进行了各种模拟试验，终于揭开了“水银包浆”铜镜千古不锈的奥秘。“ 上海科研工作者首先运用现代先进的电子光学能谱分析等手段，对“水银包浆”铜镜进行了由表及里的系统检测，结果发现：第一，东汉“冰银包浆”铜镜镜体是铜、锡、铅三元合金，跟一般铜镜镜体的成份基本相同。第二，东汉“水银包浆”铜镜的镜面既没有水银渗出，也不富集银和铅。第三，东汉“水银包浆”，铜镜镜面有一层富锡层，含锡量达60％左右，高出镜体一倍多。第四，富锡层极薄，仅几十至几百纳米厚（1纳米＝千万分之一厘米）。第五，东汉“水银包浆”铜镜镜面除富锡层外，，还含有比镜体多或镜体没有的铝、钙、钾等元素。第六，极薄的富锡层表面还有一层透明膜。科研人员采取特殊方法揭下了这层薄膜，在透射电镜下观察，发现它是一层微晶态的、致密的薄膜，其主要成份是二氧化锡。 富锡层和透明薄膜的发现，使科研人员认识到，郑复光关于铜中加锡变成青白色的说法是正确的。东汉“水银包浆”铜镜镜面含锡高达60％，所以变成青白色。镜面呈这种颜色，反射率就高了，用来照人，当然“鬓眉微毫，可得而察”。富锡层在空气中逐渐氧化，表面就会生成致密的微晶态的二氧化锡薄膜。二氧化锡薄膜耐腐蚀的性能非常优良，只要它不受到破坏，就可以保护铜镜镜体不被腐蚀。这就是东汉“水银包浆”铜镜埋藏地下历千年不生锈的奥秘所在。 但是，镜面的富锡层是用什么材料、什么方法形成的呢？专家们又各有见解：有人认为，镜面富锡层是应用古代“鋈锡”工艺制成的。有人认为，镜面富锡，是锡青铜固有的凝固特性形成的“反偏析层”；还有人认为，青铜镜淬火后硬度加强，便于磨光，可使镜面变白。对于上述各种说法，科研人员一一进行了模拟实验和理论分析，结论都是否定的。最后，只剩下《淮南子》中“粉以玄锡，摩以白旃”没有试验了。科研人员根据古代文献上有专司磨镜之职的磨镜工和“磨镜药”的记载，对中国历史博物馆收藏的一幅清代《磨镜图》所描绘的场面作了分析：画的右下方，一个老翁双手紧握毡团，正骑在一条板凳上专心致志地磨铜镜。板凳旁边放着一个瓶罐，里面装的大概就是磨镜药。画的左边，是几个围观磨镜的妇女，其中一人正用刚磨好的铜镜照脸，镜子里这位妇女的容颜清晰可辨。科研人员根据《磨镜图》描绘的磨镜场面，弄清了“摩以白旃”中的“摩”字是动词，按照古人修辞的习惯，“粉以玄锡”的“粉”字也应该是动词。那么，“玄锡”一定是粉状物质。科研人员联想到郑复光所说“磨镜药亦汞锡为之”和镜面除富锡外，还含有铜、铅、铝、钾等元素的化验结果，试着配制了一种包括上述诸元素的磨镜药，果然成粉状，颜色是灰白的。他们用毡团沾取磨镜药磨擦复制铜镜，镜面居然白亮如银了。经磨镜药处理过的复制铜镜，用电子光学能谱仪器分析，其表面的化学成份、富锡层的薄厚程度，都跟东汉“水银包浆”铜镜相似，再对镜面作颜色性能和耐腐蚀性能的检验，也跟东汉“冰银包浆”铜镜相接近。这面复制的铜镜经过一段时间后，表面也产生了透明的二氧化锡为主的薄膜。通过实验，科研人员也解开了“玄锡”之谜。原来，磨镜药只要使用一次，就由灰白色变成黑色，而这种变黑了的粉料，还可以重复使用。古代文人观看磨镜操作时，见到的是已经使用过的变黑了的磨镜药，所以才称之为“玄锡”。 上海科技人员经两年多的努力，终于揭开了东汉“水银包浆”铜镜千古不锈的奥秘，并发掘出湮灭已久的古代磨镜技术。这项科研成果，不仅在考古学和科技史研究领域中有重要的学术价值，而且可以为现代金属表面处理提供有用的借鉴。科研人员曾用磨镜药和磨镜技术去处理现代工业用的黄铜，获得了奇异的效果，黄铜表面白亮如银，而且表面还转变成为锡青铜，使得黄铜构件表面的装饰性和耐腐蚀性得到显著改善。它预示着，中国古代奇特的金属表面处理技术，将在社会主义四个现代化建设事业中发挥作用。难怪这项科研成果的消息一发表，立刻引起了国内外金属学界和工业界的关注，有的要求转让技术，有的要求代替加工金属部件，有的询问何时发表专利。上海科研人员的这项科研成果，荣获了文化部1985年度文化科技成果一等奖。它还说明，中国古代工艺技术是一座宝库。通过文物的科学研究去发掘这座宝库，是大有作为的。 (责任编辑：admin) |