熔炼与铸锭技术-绪论

熔炼与铸锭技术

（24 学时）

刘会群

liuhuiqun@

材料科学与工程学院

第一讲绪论

1.1 金属熔炼与铸造的历史1.2 什么是熔炼1.3 什么是铸造1.4 熔炼与铸造过程中涉及的主要问题1.5 本课程的主要内容

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1.1 金属熔炼与铸造的历史

人类文明史就是人类使用材料的发展历程，其中熔炼与铸造技术也不断进步。

旧石器时代：几十万年至大约1万年前

新石器时代：1万年至6000年前

青铜时代：公元前3-4千年至公元前1千多年

铁器时代：公元前1000多年-20世纪

多元材料时代：自20世纪下半叶起

金属与埃及古代文明

公元前三千至四千年，居住在两河流域的苏美尔人已用金制造工具。

新石器时代末埃及人开始进行金的加工。公元前2900年，古埃及国家的创始者麦涅斯决定以14克重的黄金来计量价格。早在4000多年以前，埃及金属加工工艺已达到相当高的水平。在古埃及第四王朝（公元前2613年至前2494年）麦列鲁布法老的陵墓中，曾发现有一套金匠制作金器的雕画，这些雕画展示了4000多年前古埃及人进行黄金加工的情景。而最为人所知的，同时也是世界上最精美的金器则是目前保存在大英博物馆的埃及第十八王朝国王图坦卡蒙（约公元前1360年）的黄金面具、黄金座椅等黄金器物。

右图展示一个用110 多公斤的黄金铸成的图坦哈蒙纳法老的金石椁，(公元前1350 年），加工十分精致。

埃及人制取青铜铸件图（大约公元前1450年)

中国古代的青铜器冶铸技术

青铜，是指红铜与锡、铅等其它化学元素组成的合金，因颜色呈青灰色而得名。青铜器在中国原始社会末期已经被制造出来，之后中国经历了长达十六个世纪的青铜时代，创造了辉煌灿烂的文明。目前已知最早的青铜制品是在甘肃东乡林家马家窑文化遗址中出土的一件单范铸造的青铜刀，装饰较少，反映出远古先民纯朴的审美意识。

夏代（21世纪B.C～16世纪B.C）的青铜器中已经有了象征身份等级的礼器，与礼制的政治制度相呼应。商代（16世纪B.C～11世纪B.C）青铜器发展到鼎盛，大型器物迭见，花纹繁缛精致，并有一些神秘主义的色彩。

西周时期（11 世纪B.C ～776B.C ）青铜器与礼制的结合更加紧密，冶铸技术日趋成熟，出现了长篇铭文，成为珍贵的历史资料。春秋战国（776B.C～221B.C）时青铜器一改过去的设计，风格纤巧、清新，普遍采用更高水平的制作工艺，极富地方性和生活色彩。秦代以后（221B.C～1840A.D），礼器比重大减，钱币、度量衡和铜镜经过更新、创制，成为中国封建社会青铜器的主流，在漫长的时间里，中国的青铜器铸造技艺一直保持着其他国家望尘莫及的水平。青铜器，集造型、雕塑、绘画等多种艺术之成，具有极高的实用价值和艺术审美价值，是中国文物艺术中的瑰宝，也是世界美术史上的精华，是中国金属材料科学技术的骄傲。

殷商时期

殷商时期是我国青铜文化繁荣、昌盛的时期。这个时期内创造出大量造型艺术和工艺技术上都十分精湛的青铜器。年代最早的殷商青铜器是在河南偃师二里头出土的一件铜爵，其化学成分分析发现含铜92%，锡7 %，是铜锡合金。二里头遗址出土的青铜器已表现出一定的铸造水平，因此，推测在商代以前，即夏代，已经有了青铜器。

殷商中期的青铜器比早期有较大的发展，种类更多，金容器就有鼎、鬲、爵、卣(you)、觚、盘等十多种。这个时期的青铜器大多是采用多块陶范组成器型一次浇注而成，化学成分为：铜约81-88% ，锡和铅分别5-8%和16%。殷商晚期使我国青铜文化的鼎盛时期，1959年在安阳殷墟遗址发掘到具有相当规模的铸铜作坊遗址，获得数以千计的各类陶范及大量的坩埚残片。

司母戊鼎（商代）

通高133厘米，重875 公斤，1939年河南省安阳殷墟出土，现藏中国历史博物馆司母戊鼎因其腹内壁上有铭文“司母戊”三字而得名，是商王祭祀其母（名戊）的纪念器物。

司母戊大方鼎的铸造

司马戊大方鼎是殷商青铜器的第一重器，它集中地显示了殷商晚期冶铸业的技术水平和生产能力。这件鼎的鼎身和鼎足是整体铸造的，鼎耳是在鼎身铸好后再在其上安模、翻范、浇注成型的。鼎身是由四块腹范、一块底范、一块芯座、另加四块浇口范组成。浇铸这件鼎所需的金属料在1000公斤以上。铸造是需要专门的化铜炉熔化铜和其他金属，浇铸时可能采用槽铸的方式。司马戊大方鼎的化学成分是：铜84.77%、锡11.64%、铅2.79%，合乎所谓的钟鼎之齐六分其金而锡分其一。

四羊方尊（商代）

通高58.3 厘米，1938 年湖南省宁乡县出土，现藏中国历史博物馆在中国古代青铜器中，有不少器物以其独特的造型而引人注目，四羊方尊便是其中一例。它的造型动静结合，寓雄奇于秀美之间，可谓巧夺天工。

四羊方尊的造型和铸造技术特点

尊的四肩、腹部及圈足设计成四个大卷角羊，增加了变化，在宁静中突出威严的感觉。方尊的边角及每一面的中心线的合范处都是长棱脊，其作用是以此来掩盖合范时可能产生的对合不正的纹饰。同时也用以改善器物边角的单调感，增强了造型的气势。羊角是事先铸成后配置在羊头的陶范内，再合范浇铸的，因为技艺高明，才使全器有浑然一体的感觉。铜

尊盛行于商代和西周时期，是一种饮酒用具。这件四羊方尊是我国现存商代青铜方尊中最大的一件，是商代方尊的代表，重达34公斤，加上它独一无二的造型，理当进入文物精品之宝库。

失蜡法的起源与发展

失蜡法是冶铸史上的一项重大发明。失蜡法利用室温以固态存在，温度较高时熔化的物质（如蜡、动物油脂等）作模具，铸造过程是：用粘土制作模芯，干燥后，在模芯上涂上蜡和油脂（可厚至数寸），油脂和蜡硬化后，在其上面造型，雕刻文字和图像，再将细沙土调和为泥复于蜡上，内外干透后，外施火力将油蜡溶化并从留下的口子流掉，留下一内空的型腔，将熔化的金属液倒入其中，模具被熔烧掉，得到复杂形状的整体铸件。一般认为：西亚和印度等地区于公元前第三千年中晚期就使用了失蜡法铸造小型物品。根据考古的发现，失蜡法在中国的起始年代为公元前七世纪的春秋中期或更早。中国失蜡法虽然比较后起，但由于青铜冶铸业高度发达，这一技术很快处于世界前列。

铁的发现和利用

人类最早使用的铁来自宇宙。平均每天坠落到地球上的物质-陨石或者尘埃有六吨左右。陨石的组成元素主要是铁，其次是镍和钴。美国的亚里桑纳州的魔鬼山谷，陷口直径1200米，深度约为200米，史前时期，在此落过一枚陨石，估计重1千万吨。爱斯基摩人的铁陨石，重34吨，现藏纽约自然历史博物馆。

在公元2000年以前，铁远比铜贵重，国王把铁块作为珍贵的金属珍藏在自己的宝库里。现在仍难以确切给出世界各地进入铁器时代的时间表。

生吹炼铁法

生吹炼铁法是一种古老的炼铁技术。这种技术的要点是借助于矿石的直接还原制取可锻海绵铁。十八世纪，这种技术在西方国家得到广泛使用。在欧洲，这种技术一直使用到1850年，在北美甚至延用到1890年。

在用生吹炼铁法制铁的过程中，工人把木炭和粉碎的矿石分层装入炉膛，炉前工操纵鼓风设备，炉渣从炉内侧孔道流出。经过4-8小时后，炉工用铁棒从炉中取出带夹渣的铁粒粘团海绵料-熟铁块，由两个工人反复锤打该铁块，至所需形状。

十五世纪，奥地利的冶金工匠使用的生吹炉平均容量为1.1-1.7立方米，一昼夜可熔化金属1200-1300公斤。

中国古代钢铁技术

早在公元前13-14世纪，中国人就已识别和使用了铁。

目前所知的我国最早经人工冶炼的铁是江苏六合出土的春秋晚期铁条和铁块。

战国中期以后，铁器取代铜器和木、石、骨器成为主要的生产工具。

西汉三大手工业，冶铁业是最重要的。全国设有49处铁官，铁的年产量已相当可观。

从西汉后期进入完全的铁器时代到魏晋南北朝时中国制钢术大发展的时期。

从唐宋到明中叶使我国古代钢铁技术全面发展和趋于稳定的时期。

明中叶到鸦片战争，由于帝国主义侵略，中国的钢铁技术发展缓慢，未能实现向现代钢铁技术转化。

《天工开物》生熟炼铁炉图