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0 引言
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与汉代铸钱相关的遗物中,铸钱夹砂陶背范(图1)出土数量最多,多与铸造铸钱金属范的陶范同时出土,如北京怀柔汉代铸钱遗址[1]、陕西西安户县铸钱遗址[2]、相家巷、窝头寨、高低堡、黄堆谭、东柏良村等铸钱遗址[3]、辽宁宁城县黑城古城新朝铸钱遗址[4],说明这些遗址在铸造铸钱金属面范的同时用金属面范与夹砂陶背范合范铸造钱币。铸钱夹砂陶背范和铸造铸钱金属范的陶范是陕西西安的各铸钱遗址中最多的遗存物。铸钱夹砂陶背范是与金属或石质面范组成铸型用于铸造钱币。
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图1 陕西户县铸钱遗址出土的铸钱夹砂陶背范(西安文物保护修复中心藏)
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Fig.1 A clay-gravel mold unearthed at Huxian Site, Shaanxi Province
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窝头寨汉代铸钱遗址是一处西汉时期重要的铸钱遗址。早在1962年陕西省博物馆和文管会考古调查组对陕西西安窝头寨汉代铸钱遗址作了调查,发现五铢阳文陶范和阴刻背范,认为“或许也是属于三官之一的官署所在”[5]。2018年12月在西安召开的“手工业考古·长安论坛——以秦汉钱币铸造业为中心”学术论坛会议上,刘瑞就2012年6月起对窝头寨汉代铸钱遗址的发掘指出“窝头寨遗址是目前第一个四至清晰、布局略明的大型秦汉铸钱遗址,这丰富了我们对秦汉钱币铸造工厂的既有认识,其可能当属汉武帝时专铸五铢的上林三官之一。”社科院考古所徐龙国结合文献与考古发现对上林三官进行探讨,认为窝头寨可能为上林三官之一的“六厩铸钱遗址”[6]。
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钱币学界对钱范的关注重点多在具有钱币正面型腔的面范上,因为这类面范具有标注钱币币值的半两、四铢、五铢或大泉五十等铭文,对铸钱陶背范的关注也是在钱币型腔的尺寸上,目前所见对铸钱夹砂陶背范的研究仅见姜宝莲等[2]对陕西户县钟官铸钱遗址出土的夹砂陶背范的成形、成分及相结构进行了分析。为了揭示铸钱夹砂陶背范的制作工艺并探讨陶范多次使用的可能性及夹砂层的作用,对陕西西安窝头寨汉代铸钱遗址出土的铸钱夹砂陶背范进行了分析和研究。
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1 样品描述
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13件铸钱夹砂陶背范是在陕西省钱币学会常务理事党顺民先生的帮助下采集于陕西西安窝头寨铸钱遗址(其中12件见图2),都是由泥质面层与夹砂背层两层组成(图3)。泥质面层的型腔面上有数量不等的钱币圆形外郭与方形内郭型腔,泥质面层较薄,采用细颗粒的泥料制作,呈土黄色或浅砖红色;夹砂背层较厚,在泥料中掺杂了较多的肉眼可见的粗细不一的砂砾,呈砖红色。面层与背层在组成上存在明显的区别。用数显游标卡尺测量13件铸钱夹砂陶背范的总厚度,在显微镜下放大20倍时测量泥质面层的厚度,总厚度减去泥质面层厚度得到夹砂层的厚度,样品的总厚度、面层与背层的厚度数据及分布曲线见图4。
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图2 陕西西安窝头寨铸钱遗址出土的铸钱夹砂陶背范样品
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由上至下、由左自右样品编号依次为JSCM1~JSCM12
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Fig.2 Clay-gravel molds unearthed from Wotouzhai Site of Xi’an, Shaanxi Province
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图3 陕西西安窝头寨遗址出土的铸钱夹砂陶背范
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Fig.3 Clay-gravel molds unearthed from Wotouzhai Site of Xi’an,Shaanxi Province
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夹砂陶背范型腔面上具有钱币的圆形外郭与方形内郭的型腔,在显微镜下测量型腔的深度,为0.5 mm(508 μm)(图5),为保证背郭型腔的制作和铸造钱币,面层厚度应该至少在1 mm以上。在13件样品中面层厚度在1.3~6.5 mm之间,有7件样品面层的厚度在1.3~2.0 mm之间,占总样品数的54%,能够在1.3~2.0 mm厚度内将数十枚钱币背郭型腔制作在夹砂陶背范上,对面层的平整度要求极高,表明工匠们已具有极高的技术水平。
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图4 铸钱夹砂陶背范总厚度及面层与背层厚度分布曲线
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Fig.4 Distribution curves of total thickness, and the thicknessof the surface and back layer of clay-gravel molds
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图5 在显微镜下测量面层与背郭型腔的尺寸(JSCM13)
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Fig.5 Thickness of the surface layer and depth of mold cavity(JSCM13)
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夹砂背层在作为泥质面层的背底外还需要保证一定的力学性能才能满足它与金属面范合范铸钱的使用要求,厚度不足易折断,而厚度太厚重量增加,原材料使用量增加,焙烧时耗能更多,焙烧时间增加,生产效率降低,因此夹砂背层厚度在40~54 mm是工匠们在实践中获得的结果。
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2 实验仪器与方法
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2.1 化学元素组成分析
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采用Bruker Tracer 5i型手持式荧光仪(XRF)分析泥质面层与夹砂背层的10种主元素。测试标准通过GBW系列岩石成分分析标准物质数据建立并校正,测试电压15 kV,电流40 μA,检测时间120 s,真空。
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对样品的泥质面层,用砂纸打磨去表面的附着物后检测表面。对夹砂背层,沿着截面打磨平整,每个样品检测3个部位,然后取3个数据的平均值。
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2.2 物相组成分析
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采用德国布鲁克AXS公司生产的D8型X射线衍射仪(XRD),对一件样品的夹砂背层进行分析,取样后磨碎、压片后进行检测。检测条件:铜靶(CuKα),测试电压40 kV,电流200 mA。
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采用意大利Assing公司Surface Monitor 2.0 XRF-XRD联用测试系统对一件铸钱夹砂陶背范(JSCM5)的泥质面层、夹砂背层中泥质基体、白色砂砾和淡红色砂砾进行物相组成分析,检测参数:电压50 kV,电流75 μA,金靶(Au La),XRD步进角0.1°,XRD测试角度范围20°~70°。光斑直径2 mm。
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采用Renishaw公司的Invia Reflex型显微共聚焦激光拉曼光谱仪(配有Olympus共聚焦显微镜)对一件铸钱夹砂陶背范(JSCM12)夹砂背层中砂砾进行检测,检测参数:激光光源波长532 nm,物镜倍数50,样品表面能量为25 mW,扫描时间5 s,累计次数10次,扫描范围100~1 800 cm-1。理论光斑尺寸865 nm。将样品直接放置于显微镜下进行分析。
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2.3 热分析
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采用耐驰公司生产的高性能热膨胀仪分析了3件铸钱夹砂陶背范和2件相同遗址出土的铸造铸钱金属范的陶范,仪器型号:NETZSCH DIL-402C,检测条件:升温速率5℃/min,空气气氛。
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2.4 显微形貌分析
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采用扫描电子显微镜观察样品的显微形貌,仪器型号:Quanta 3D FEG,检测电压:5 kV,工作距离10 mm。
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3 实验结果与讨论
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3.1 化学元素组成分析
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对13件样品的泥质面层与夹砂背层的10种主元素含量进行检测。泥质面层分析数据见表1。夹砂背层分析数据见表2。对比表1和2,Al2O3、CaO和Fe2O3数据区别较明显,SiO2是组成中的主元素,将数据以箱形图表示(图6),可见夹砂层中Al2O3含量不论是分布范围,还是集中分布区域都明显比泥质面层高,黏土是Al2O3主要来源,夹砂层中黏土的含量较高,这样才能有足够的黏性将砂砾(瘠性材料)粘结成型;CaO和Na2O含量则相反,泥质面层中CaO和Na2O含量分布范围和集中分布区域都明显比夹砂层高。姜宝莲等[2]对汉钟官铸钱遗址出土的陶范和土样进行的XRD检测分析中有2件细面层的分析结果中分别有10%和15%的非晶相。谭德睿先生[7]对商周时期陶范的植物硅酸体分析表明古陶范均含有丰富的植物硅酸体,植物硅酸体属于非晶质,只有在高温和长时间加热时植物硅酸体才能部分转变为结晶态,非晶相的存在表明泥质面层内掺入了植物质,植物灰的加入可以改善陶范的充型能力[7],提高钱币铸造的成品率。
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图6 铸钱夹砂陶背范泥质面层与夹砂背层的化学组成箱形图
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Fig.6 Box plots of composition of the surface layer and back layer of clay-gravel molds
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3.2 X射线衍射仪分析结果
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采用德国布鲁克AXS公司生产的D8型X射线衍射仪对铸钱夹砂陶背范(JSCM13)的夹砂层进行了XRD分析,对衍射图谱的分析可知铸钱夹砂陶背范夹砂层的组成是:SiO2(α-石英)、KAlSi3O8(微斜长石)、CaAl2Si2O8(钙长石)、Fe2O3(磁赤铁矿)、CaSi2O5(硅酸钙)、Ca2Fe3Al2(Si6Al2)O22(OH)2、疑似少量(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8(钠长石)、少量未知物。
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与铸造铸钱金属范陶范的衍射分析结果[8]对比,两者都具有石英、微斜长石、钙长石、磁赤铁矿和硅酸钙。
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3.3 XRF-XRD联用测试系统分析结果
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采用意大利Assing公司Surface Monitor 2.0 XRF-XRD联用测试系统对一件铸钱夹砂陶背范(JSCM5)的泥质面层、夹砂背层中泥质基体与白色砂砾和淡红色砂砾进行物相组成分析,共检测了7个点(图7),但检测点7时电流很快降为0,未获得检测数据。其余6个点的主要物相组成见表3。检测结果表明泥质面层与夹砂背层中的泥质基体主要的物相组成相同,都是微斜长石、石英和赤铁矿,对比2个部位的XRF谱图(图8),铁和钙元素的谱峰高低区别较大,夹砂背层中泥质基体的Fe Kα谱峰高于泥质面层,表明夹砂背层中赤铁矿的含量高于泥质面层,这也是夹砂背层的色泽偏向更红的原因;泥质面层中Ca Kα谱峰比夹砂背层中泥质基体的谱峰高,泥质面层中碳酸钙或长石类的物相组成可能更多。夹砂背层中的砂砾主要物相是石英、微斜长石、钙长石等,砂砾2和砂砾4的区别是微斜长石和石英的比例不同,另外还可能有微量的其他物质,受分辨率所限无法准确判断。
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图7 XRF-XRD联用测试系统对样品(JSCM5)进行分析的位置
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Fig.7 Positions of JSCM5 analyzed by XRF-XRD system
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图8 铸钱夹砂陶背范(JSCM5)泥质面层与夹砂背层中泥质基体的XRF谱图
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Fig.8 XRF spectra of clay in the surface layer and back layer of the clay-gravel mold JSCM5
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3.4 显微共聚焦激光拉曼光谱仪分析结果
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采用Renishaw公司的Invia Reflex型显微共聚焦激光拉曼光谱仪(配有Olympus共聚焦显微镜)对一件铸钱夹砂陶背范(JSCM12)夹砂背层中24颗砂砾进行检测,检测结果见图9,主要是长石和石英颗粒,与XRF-XRD联用测试系统分析结果一致。
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3.5 热分析
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3件铸钱夹砂陶背范(JSCM5,JSCM7和JSCM12)和2件同遗址出土的铸造铸钱金属范陶范(CM1和CM2)的平均热膨胀系数值见表4,可见3件铸钱夹砂陶背范平均热膨胀系数从α30-100到α30-1000数值比较线性,而铸造金属范的陶范1件数值变化较大(CM1),另1件(CM2)受热后反而出现收缩。铸钱夹砂陶背范是与金属面范组成铸型以铸造金属钱币,受热后其具有好的热稳定性,才可以保证陶背范与金属面范组合严密,以免铸钱时液态金属从合范不严密处外溢导致浇注失败。
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3.6 显微形貌观察
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在扫描电子显微镜下观察铸钱夹砂陶背范,泥质面层和夹砂层区别明显(图10a),泥质面层由细小的黏土颗粒组成,有较多的小孔洞存在,有利于铸钱时型腔内气体的排出(图10b);夹砂层则分布着较多的大小不一的岩石颗粒,包裹着岩石颗粒周围的是较致密的黏土(图10c)。
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图9 显微共聚焦激光拉曼光谱仪检测样品(JSCM12)夹砂背层中砂砾及其检测结果
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Fig.9 Analysis locations and their results of JSCM12 using micro confocal laser Raman spectrometer
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图10 铸钱夹砂陶背范(JSCM12)在扫描电镜下的形貌
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Fig.10 SEM images of JSCM12
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4 讨论
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4.1 铸钱夹砂陶背范的制作过程
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样品(JSCM6)有部分表面细泥层剥落,露出了夹砂层上薄薄的一层细泥层,其上有沿一个方向的平行条纹,表明在制作细泥层前是先在夹砂背层上刷上一层薄泥,薄泥层中具有一定的含水量,才能用刮板刮平,刮板在泥层上留下了纹路,然后再将所需厚度的表面细泥层敷在其上。这层泥起到了增加表面细泥层与夹砂背层的结合力,确保面层与背层不脱离。
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夹砂陶背范的制作过程:按一定的比例配置泥、熟料和大量的砂;经练泥和陈腐后,制作长方形平板范;入炉焙烧;在焙烧后的夹砂层上涂敷一层细泥浆(图11),以增加表面细泥层与夹砂层的结合力,然后覆上一层细泥料,在泥层的表面制作钱币的背郭,焙烧,完成夹砂陶背范的制作。
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图11 西安窝头寨遗址出土的铸钱陶背范(JSCM6)
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Fig.11 JSCM6 unearthed from Wotouzhai Site in Xi’an
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4.2 铸钱夹砂陶背范重复使用的可能性
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商周时期的铸铜遗址出土了大量陶范[9-11],用于铸造青铜礼器、乐器和车马器等,在铸造青铜器后需敲碎才能取出青铜器,因而大多较残破,是一次性使用的陶范。但对于器型简单的铜镜、钱币和工具等,陶范是否能够重复使用,一直是学术界关注的问题。杨勇和白云翔先生在对临淄齐故城出土镜范的研究中指出:现在基本可以确定,这些镜范是可以多次浇铸使用的,而且当时的铸镜工匠也是这样使用镜范的[12]。证明了铸造铜镜的陶范可以重复使用。姜宝莲等[2]对钟官铸钱遗址的研究中指出“使用金属面范铸币,面范可以反复利用,而陶背范则只能使用一次,即告损毁。因此在钱币铸造过程中就需要消耗大量的陶背范与金属面范配合使用”。在现代铸造工业中,金属范可以使用数百至上千次,又被称为永久型铸型。如果铸钱时金属范可以反复使用而陶背范只能使用一次,铸钱的生产效率会被减低很多,无法实现大批量高效率的钱币铸造。
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在窝头寨铸钱遗址中发现了一块铸钱夹砂陶背范(图12),在该残范夹砂层上是一层泥质面层,残存7个钱币的背郭型腔,而在这层型腔面的左上角还残存着另外一层半个五铢钱的背郭型腔,从断口处看,上下二层的方形内郭与圆形外郭的型腔完全重合。这件夹砂陶背范在铸造过钱币后直接在细泥层表面上另加一层泥料重新制作新的背郭型腔,且两层内郭与外郭的线条完全重合,要保证上下两层型腔在相同位置,只有使用同一个印模,且在严格的模板定位技术的保证下才能实现,这表明了在用夹砂陶范进行钱币的铸造时,可以直接在细泥层上另加一层细泥层重新制作钱币的背郭型腔,再次进行钱币的铸造,这也是部分夹砂陶背范表面细泥层厚度较厚的原因。当夹砂陶背范再次使用时,可以去除表面的细泥层或直接在原型腔面上另加一层细泥层重新制作钱币的背郭型腔,与金属范合范再次进行钱币的铸造,这样夹砂层可以一直被使用到损坏为止。因此,夹砂陶背范是可以重复使用的,只要重新制作表面细泥层即可,这样极大地提高了铸钱效率。
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因此,不仅在汉代铜镜的铸造上镜范可以重复使用,而且在汉代钱币的铸造上夹砂陶背范也可以重复使用。
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4.3 砂砾在夹砂陶背范中的作用
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石英和长石是夹砂层中砂砾的主要相组成,在陶范焙烧前,石英和长石能起瘠性原料的作用,减少陶范在干燥过程中的收缩和变形;在陶范焙烧过程中,由于石英的加热膨胀,可以部分补偿坯体的收缩,在高温中一部分石英与黏土的分解物Al2O3反应,生成莫来石(3Al2O3·2SiO2),一部分溶解于液相(长石玻璃)中,增加熔体的黏度,增进抵抗变形的能力[13]。
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图12 陕西西安窝头寨铸钱遗址出土的铸钱夹砂陶背范
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Fig.12 A clay-gravel mold found at Wotouzhai Site in Xi’an, Shaanxi Province
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加粗砂的背层,可以提高陶背范的强度、硬度、耐火度和抗变形的能力。表面细泥层可以提高所铸造钱币的表面质量。
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5 结论
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1)铸钱夹砂陶背范与金属面范组成铸型以铸造金属钱币,受热后具有良好的热稳定性可以保证陶背范与金属面范组合严密,避免液态金属从合范不严处流出导致铸钱过程失败。
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2)铸钱夹砂陶背范是由泥质面层与夹砂背层组成。泥质面层采用细泥料制作,其作用是保证所铸造的金属钱币具有优良的表面质量;夹砂背层是在制范泥料中掺杂了较多的肉眼可见的砂砾,其作用是提高陶范的机械性能,减小陶范受热后的变形,有利于与金属范合范铸钱。
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3)铸钱夹砂陶背范的制作过程是:先制作夹砂层,然后在夹砂层上制作细泥层,在细泥层上印制钱币的背郭型腔,进行钱币的铸造;再次使用时,可以去除表面的细泥层重新制作表面细泥层,或直接在原型腔面上另加一层细泥层重新制作背郭型腔,再次进行钱币的铸造。夹砂层可以一直被使用到损坏为止。铸钱夹砂陶背范可以多次使用。
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4)夹砂陶背范背郭型腔的制作使用了模板,并配以严格的定位技术。
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致谢:感谢陕西省钱币学会党顺民先生对本工作的帮助和支持!XRF-XRD联用测试系统和显微共聚焦激光拉曼光谱仪分析工作分别由上海博物馆沈敬一和裔传臻完成,一并致谢!
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参考文献
摘要
与汉代铸钱相关的遗物中,铸钱夹砂陶背范出土数量最多,是由泥质面层与夹砂背层组成。为了揭示铸钱夹砂陶背范的制作工艺并探讨陶范多次使用的可能性及夹砂层的作用,对陕西西安窝头寨汉代铸钱遗址出土的铸钱夹砂陶背范进行分析研究。结果表明,泥质面层采用细泥料制作,其作用是保证所铸造的金属钱币具有优良的表面质量;夹砂背层是在制范泥料中掺杂了较多的肉眼可见的砂砾,其作用是提高陶范的机械性能,减小陶范受热后的变形,有利于它与金属范合范铸钱。铸钱夹砂陶背范的制作过程是:先制作夹砂层,然后在夹砂层上制作细泥层,在细泥层上印制钱币的背郭型腔,与金属范组成铸型铸造钱币。证实夹砂层可以重复使用,当泥质面层损坏后可以除掉表面的细泥层或直接在原型腔面上另加一层细泥重新制作背郭型腔,再次进行钱币的铸造,夹砂层可以一直使用到被损坏为止,从而极大地提高了铸钱效率。
Abstract
Among the relics related to the coin casting of the Han Dynasty, the quantity of the clay-gravel molds is the largest. These consist of a clay surface layer and a clay backing layer mixed with much gravel. The surface layer was made from clay and plant ash to improve the quality of coins. The backing layer was made of clay and gravel to improve its mechanical properties and decrease the deformation of mold after firing. The production process was as follows: first, a backing layer was made of clay and gravel; second, a thin fine clay layer was made on the back as a surface layer; then the back pattern cavities of coins were made on the fine clay layer using a model.After being used for casting metal coins, the surface layer would be damaged by molten metal. A new thin layer could be made directly on the underlying surface or after the removal of the previous surface layer. The backing layer could be used many times until it broke. As a result, the production efficiency for casting bronze coins was improved.
Keywords
Han Dynasty ； Wotouzhai Site ； Coin-minting technique ； Clay-gravel mold ； Reuse
