秦陵出土的铜兵器和铜车马的制造工艺
袁仲一，程学华
秦代科技发展的情况如何?过去由于资料不足，人们知之甚少。近年来随着考古工作的进展，尤其是秦始皇陵出土的大批实物资料，使我们对这个问题有了进一步的认识。本文拟就秦陵出土的铜兵器和铜车马的制造工艺作点探讨，为秦科技史的研究提供资料。
一 秦俑坑出土的青铜兵器
秦始皇陵兵马俑坑经过局部发掘，目前已出土青铜兵器近四万件，兵器的种类有剑、戈、矛、戟、铍、钺、殳、镞、弩机、弯刀等。这些兵器均系铸造成型，再经过锉磨、抛光，刃锋锐利，技艺精湛。制作工艺的详细情况，以剑、镞、铍等兵器为例分述如下：
秦俑坑共出土青铜剑17柄，剑身呈兰叶形，长83.1—91厘米，最宽处3.65厘米。由剑格处至锋宽度递减，近锋处束腰，锋呈等腰三角形。剑身中部有条纵脊，两纵、两锷。棱脊规整，厚薄相宜，刚柔兼济。经检测其合金的化学成分：铜占76.3％，锡21.38％，铅2.18％，余为微量的稀有金属。这与《考工记》所说的“三分其金而锡居一，谓之大刃之齐(剂)”的合金比基本相符，硬度为HRb106，约相当于中炭钢调质后的硬度。
剑为铸件，再经锉磨、抛光等工艺过程。铸造的性能优良，质地细密，没有砂眼。剑身锉纹垂直于纵轴线，纹理平行没有交错，好象是用简单的机具加工。这在我国的机械研究史上无疑具有重要的意义。剑的表面光洁而泛灰黑色，光洁度∧6—∨8。经激光显微光谱、X光、电子探针、光谱分析等检验，发现表面有一层致密的含铬化合物的氧化层。北京钢铁学院对剑身进行四次电子探针测定，表层铬含量达0.78—2.32％，厚10—15微米。证明剑的表面是进行了铬盐氧化处理，具有防腐抗锈的良好性能。此剑虽埋在地下两千多年，仍然无锈，光亮如新。
秦俑坑出土铜镞的数量很多。铸造的方法是镞首与铤分铸，即铤为预制件，铸镞首时把铤放在模内接铸成一体。镞首多为等腰三角锥形，平底锐角，身下有托作九边形，托下接圆柱体铤，通长14—17厘米。镞首在殷周时代多为中间起脊有两翼的扁平体，至秦代已发展演变成三棱锥体。它具有导向性能好，穿透能力强，加工容易等优点。秦俑坑出土的铜镞经检测，镞首主面轮廓的正投影，与我国现在使用的半自动步枪弹头的纵截面轮廓比较，其头部的曲线形状极为相似。另外，对镞三个面作放大投影，在JTT560型投影仪上，从放大20倍的投影图测得，同一镞各面轮廓不重叠的误差不大于0.15毫米，它的几何尺寸，符合正态分布。
镞首的合金成分；锡占11.1％，铅7.7％，锌0.098％，余量为铜。按《考工记》：“五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐(剂)”的记载，显然锡的含量不及此规定。这里需要指出的是，镞首中铅的含量较大，铅是重金属中最软的金属。它与锡一样，都有降低青铜熔点，增大强度，提高铜液流动性，改善铸造性能的特点。锡和铅含量的总和，虽然仍达不到“五分其金而锡居二”的配料要求。但从镞首的实际情况看，质地细密，布氏硬度在100度以上，仍符合杀矢穿坚达透的要求。
镞首的表面，经电子探针的分析结果，铬含量为0.87—2.23％，厚度约10微米。这说明秦俑坑出土的铜镞和剑一样是经过了铬盐氧化处理。为了防止合金锈蚀，增强抗腐能力，用铬酸盐或重铬酸盐处理合金表面，还是近代才使用的技术。德国人在1937年首先研制成功，接着美国于1950年也掌握了这一工艺，他们均以此为专利。而我国远在两千一百多年前的秦代，已从丰富的实践经验中，发明了对青铜器表面作铬盐氧化处理的技术。河北满城西汉初年的中山靖王刘胜墓出土的青铜镞，和秦俑坑出土的青铜剑及镞一样，表面也有一层致密铬化物。说明这一先进工艺在秦汉两代都在应用，这在世界金属工艺史上不能不说是个奇迹。当时进行铬盐氧化处理的具体方法早已失传，详细工艺流程不知。当然加工手段与近代的方法不同，但其效果一致。这无疑应是我国古代劳动人民在科技史上的卓越贡献，丰富了冶金史的内容。
秦俑坑出土的青铜铍。形似短剑，长35.2厘米。其制造工艺和青铜剑基本相同。但有一点特别引人瞩目，在许多青铜铍的表面布满了不规则的云气状花纹，异常美观。举世闻名的湖北望山一号楚墓出土的越王勾践铜剑，其表面有规整的斜方格组成的菱花图案，据说花纹的化学成分为硫化物。秦俑坑出土的铜铍的纹饰虽然与勾践剑不同，但加工处理的工艺应与之近似。按照时代顺序，它可能是在越王勾践剑表面花纹图案作法基础上的继承和发展。这种工艺的具体作法虽有待于进一步探讨，但在古代科技史上却是个光辉成就，闪耀着劳动人民智慧的光芒。
二 秦陵二号铜车马
1980年12月，在秦始皇陵西侧的一座陪葬坑内，发掘清理出了两乘大型彩绘铜车马。一号铜车马尚未修复，二号铜车马已经修复，恢复了原貌。二号车为双轮、单辕，前驾四匹铜马。车舆的外形好象后世的轿车，平面呈凸字形，分为前后两室。前室是御手居处，内有跪坐的铜御官俑一件，后室四周立有厢板，前有轼，后边留门，左右两侧及前边各有一窗，顶部有龟盖状的拱形篷盖，把前后两室均罩于篷盖之下，二号铜车马通长317厘米，高106.2厘米，车马的大小约相当真车、真马的二分之一，车上绘着精致的彩色花纹，并以大量的金银作为装饰，显得华贵堂皇。这种车子古代叫作安车。车上有门窗，开窗则凉爽，闭窗则温暖。俗名又称辒辌车。秦始皇生前出游时坐的就是这种车。
二号铜车马总重量为1241公斤，由3462个零件部件组成。其中铜铸件1742件，金制件737件，银制件983件。二号铜车马的制作工艺复杂，技术精湛，是研究我国古代科技史的典型资料。
(一)铸造工艺
二号车上的铜马、铜俑及车上众多的零件都是铸造成型，
铜马身长110—114.8厘米，高90.2—93.2厘米，重177—212.97公斤。马体造型准确，比例合宜，神态生动。其合金成分：铜约占90％，锡6—9％，铅0.7—1％，另有微量的稀有金属。马体中空，体腔和腿腔内遗存着泥质范芯，说明是采用不取出范芯的填范法成型。马的四条腿及双耳为预制件，在铸造马的躯干时，把预制件嵌于范模内接铸成一体。从已断折的马腿观察，接茬清晰。而体长1米余，且多曲线，一定是采用多合范法铸成。当时所用外范片数的多少已不可知。内范为泥范，泥质较细，内含细小砂粒，并杂有植物纤维及谷壳等物，以增强铸造时的透气性和机械强度。为了使内外范间保持一定的空腔，采用铜钉支撑。有的支钉的外端在胎壁外清晰可辨。马体铸成后，再加工锉磨，使表面光滑平整。马体的一些细部，如鬃花、鬃毛等采用錾凿雕刻。立鬃的顶部有密集的径约1毫米的圆环纹，是用空心冲冲凿而成。秦陵铜马的生动造型和娴熟的技艺，在我国金属铸造的动物形象中形体最大，是比较成功的佳作。
二号铜车内出土的铜俑，高51厘米，重51.95公斤。俑的姿态作跪坐形。它身穿长襦，头戴冠，腰际束带佩剑，双臂前举，双手握执马缰，是个驾车的高级御官，俑的造型准确，形象逼真，气韵生动。铸造方法，俑的躯干呈多层曲面，采用多合范法铸成。俑头和手是分别单独铸造的预制件，再接铸于俑的体腔和袖管内。俑头上戴的冠呈双卷尾形，比较复杂，当是用不平的分型范巧妙地分铸后，再接铸于俑头上。俑头上的细部纹样，如上嘴唇浮雕式的两片八字形胡须，镌刻出了缕缕的胡丝。羽状的双眉的眉丝，用錾凿法刻成。发丝的纹路清晰，富有质感，是采用传统的技法铸出。双手的造型特别精致，指节的长短，肌肉的厚薄都合理合度。指甲和指节上的折纹经过刀的整修和刻划，形象真切。
秦始皇陵出土了许多神韵生动的陶俑，铜俑的形象可与之媲美。它面庞圆润，五官清秀，全神贯注地双手紧握马缰，面颊上流露着喜悦的笑容。把一个忠于职守的高级御官的心情境界，刻划得维妙维肖。表现了当时金属造型技艺水平的高超。
看到铜俑，使人们自然地联想到秦王朝时的12金人。据史书记载，秦始皇统一全国后，收天下的铜兵器销毁后铸成12个金人，重各34万斤。后来金人被毁，现已不存。秦陵出土的铜俑和当时12金人铸造，表明秦代是一个金属冶铸工艺发展的辉煌时代，是中国古代造型艺术史上的一个奇峰。
关于车舆的铸造，由于其构件种类繁多，大小不一，形式各异，因而各零部件的材质成分和铸造方法也就各不相同。下面就这两个问题分别略作说明如次：
铜车舆的材质成分：对铜车的主要构件分别取样，送有关单位进行光谱分析和化学分析。分析结果表明，其主要成分为铜、锡、铅，还有微量的其他元素，如表所示。
根据表中所列铜车各构件的主要成分含量，可以看出铸造时是根据不同铸件的各自性能，采用了不同的合金比例，锡青铜的基本特征，含锡量增高，则熔点降低，铸性好，质地细化，气孔减少，硬度增强。反之，则熔点降高，铸器相对变粗，但富有延展性，即韧性增强。再者，还应提到的是铅，它和锡一样具有上述性能；不过熔点更低，更利于铸造液的流动成型，例如表中所列车撑的含锡量最高，因为它要起着承托车身的作用，必然要求要有良好的机械性能，以便能够承重抗压。再如承托车舆篷盖的支架上的弓和榑，为圆柱体呈弧形，弓径0.7—0.9厘米，长55.7—84.5厘米；榑径0.5—0.7厘米，长约5米。如此细长又有一定的曲度的铸件，铸造时铜液流动成型需要的时间较长，也就是说，铜液的流程长。因此，它必须具有良好的铸造性能，同时也要有一定的强度，不然在篷盖的压力下就会弯曲变形。所以在合金配比上：弓含锡6.47—11.68％，铅1.5—3.76％；榑含锡8.6％；铅2.8％。和车撑的合金成分比较，则锡的含量低得多，铅的含量略有增加，这种配比相对说来是适宜的，因此弓和榑铸件成型较好。其他例证不再一一列举。总之，铜车马各种构件材质化学成分含量的比例关系，充分显示了当时人们已比较熟练地掌握了铜、锡、铅等金属的性能；能够根据铸件不同的形体结构和不同用途等特点，而采用不同的合金配比，铸出不同性能的锡青铜铸件。质软富有延展性的锡青铜，多为质地较细，几何样面较规整类的构件；硬度较高的锡青铜，多为宜于抗压；抗弯部位的构件。仅用单一的合金配比是达不到上述要求的。远在秦王朝以前，我国劳动人民在铸造铜器的长期实践中，已总结出一套比较科学的锡青铜合金配比的经验。据成书于战国时的《考工记》记载：“金有六齐，六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；叁分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐”。秦代是继承了“六齐”之法，并有较大的发展。秦代虽然没有留下关于这方面的文字资料，但出土的大批兵器和铜车马等实物，弥补了不足，是研究冶金史十分珍贵的资料。
车舆的铸造工艺：二号铜车由许多零部件组成，零部件有大有小，有的长达246厘米，有的长不足1厘米；有的面积达2平方米余，有的不足1平方厘米；厚薄不一，形状各异。这样众多、复杂构件的制造工艺，经初步观察，它是按照铸件不同的形制和结构特点，分别采用不同的铸法。实心体采用外范合模法，空心体，采用外范合模加芯(即内范)法：复杂构件多采用嵌铸法；有的是上述方法的结合使用。例如：车衡，长79厘米，径2—3厘米，为实心体，是采用外范合模法，即双合范铸成。车的辕和轴等一些粗大的构件及局部过厚的构件，为空心体或局部空心体。是采用了内外范，内范不取出包裹在铸体内，即所谓填范法铸成空心体。从辕、轴的断折处观察，内范为泥质，泥质较细，内含麦草似的炭迹。辕和轴的外表经过锉磨，原来的铸痕已不存在，因而外范的情况不详。嵌铸法(又叫接铸法)在秦陵二号铜车马的制造过程中，是用得较多的方法。如车轮，由牙、毂和三十根辐条先分别做成预制件。然后把三十根辐条的一端的榫头分别插进车毂周围相应的卯口内；辐条另一端置于车牙的范模内；最后用铜液浇铸车牙。这样就把牙、辐、毂三者嵌铸成一体。特别引人注意的是辐条一端的榫头大，而相应的卯口小，它是怎样插进卯口中的?以理推之，必然要先把车毂加热。根据热胀冷缩的原理，把辐条插入因遇热膨胀变大的车毂的卯口内，冷缩后即把辐牢牢地固着于卯口中。这种插接方法叫作“过盈配合”。目前在中外的金属加工业中仍被广泛地使用。
秦陵二号铜车的制作，有几个构件的铸造难度较大，即车厢、车篷盖和车板。车厢，由舆底、两輢、车耳、车轓、前后栏板、腰簷围板等部分，浑铸成一体，铸造面积达2.5平方米。它分为上下两层。有直线、平面，还有众多的弧线、曲面；有的为实体，有的部分为空心体。如此巨大、复杂的铸件，要采用多合范，外范合模、外范合模加芯(即内范)等多种手法。这不仅要求范的分型正确，而且要浇口、冒口设置合宜，铜液流动畅达，才能铸出如此完美的铸件。
车的篷盖呈椭圆状的拱形，长178厘米，最宽处129.5厘米，厚0.1—0.4厘米。如此薄而面积大的拱形体，不是用锻打的方法成型，而是铸成。经仔细观察，没有孔洞，说明铸造是非常成功的。如果制范稍有疏误，浇口、冒口设置不当，铸后必然出现千疮百孔。车窗板有大小两种，一为42X10.1(厘米)，一为20X 9(厘米)，厚0.12—0.2厘米，镂空成菱花纹图案，状似纱窗。它是用双合范铸成。在一片范的内侧雕出凸起的菱花部位；支钉的数量要多，否则，就不易保持两片模片之间的狭小间距。另外，铜液的温度和流速要控制得当。温度过高流速过快易把模冲毁；温度过低又会造成铜液流动不畅，容易出现孔洞。二号铜车的窗板形体完整，花纹清晰，说明在制范和控制铜液温度方面有一套熟练的技术。正如荀子《强国篇》中所说：“刑(型)范正，金锡柔，工冶巧，火齐得……”。
远在商周时代，我国的青铜冶铸工艺水平已达到相当高的程度。秦始皇陵出土的铜车、铜马和铜俑的铸造，一方面继承了前代的技术，并加以新的发展，使我国的青铜铸造工艺提高到新的阶段。
(二)二号铜车马的组装工艺
秦陵二号铜车马共有3462个零部件；接口计3780个，其中活性接口3171个，焊接口609个，带纹接口182个。连接组合的方法，采用了焊接、铸接、镶嵌、子母扣接、转轴连接、插接、套接、销钉固定等多种工艺，把众多的零部件组装成一体。
焊接：如车轼与车厢板的连接。轼长72厘米，宽13.5厘米，轼与厢板之间有一条长72厘米的焊接缝，出土时已从焊缝处裂开。轼的背面沿合缝线附粘着一条不规则的铜液流块，说明是以钢液焊接，在焊接前仍应进行预热，并沿焊缝两侧造型，再浇注铜液才会达到理想的焊接效果。再者，骑着合缝线卡有八枚小铜栓，用以增强轼与厢板之间的拉力，另外，二号铜车马上有一些用铜丝环不与环相套组成的链条，铜丝径0.05—0.1厘米。一个个的链环是由铜丝的两端对接焊成，焊缝不太清晰。这样纤细的铜丝必然要用低温焊接法。但具体工艺及采用什么样的焊剂不明。
接铸法：二号铜车的辕与衡，衡与轭，辕与轴，辕、轴与车舆等，彼此之间的连接，都是采用接铸法使其连接成为一体。例如辕与衡，是先把衡铸成，再把衡置于辕的范模内，浇铸辕时使二者固接成一体。其他象辕与轴，辕轴与舆等的接铸，都是采用类似的工艺过程。除此以外，还有不同金属件之间的接铸，如马络头上的金当卢、金泡、银泡等构件，下面都有铜托，二者铸接一起。由于二者彼此的熔点不同，接铸起来与同种金属间的接铸相比，要困难一些。
镶嵌法：二号铜车与车舆的两侧各有一窗，窗上装有活动的窗板。窗一侧的车板为空腹，开窗时，即把窗板推进腹腔内；闭窗时，再把窗板从腹腔中抽出。设计巧妙，开合自如。从破裂处观察，空腹车厢板的做法是：腹腔的内层板是与车一次铸成。腹腔的外层板另外单铸，在外层板的上下两侧各有两个榫头，在与其相应的车厢处各有凹槽。把外层板的榫头镶嵌在凹槽内，严密合缝，组成空腹的夹壁。
二号铜车的舆底呈上下两层，两层之间中空，其下层是和车舆一次铸成，上层另外单独制作。上层是一块近似正方盘状的大铜板，长85厘米，宽76厘米，四周的折沿高3厘米。将此大铜板反扣嵌入四周的车厢板之间，形成中空的舆底。空腔的四角及中间部位用铜钉支撑，以增强承受力量。
子母扣连接法：这是用得最广泛的连接方法。如二号铜车上的靷、辔以及马韁等，都是由许多节节组成的链条。相邻的两个节节之间，一作出榫头，一作出卯口。榫头套在卯口内，再贯一活轴使二者连接起来。如此一节一节的都利用这种子母相合的扣接法组成链条。由于榫头和卯口的形状不同，而组成的链条也就各异。有的链条只能上下活动，而不能左右活动；有的链条只能左右活动，而不能上下活动；有的链条可以上下左右自由活动，非常灵活。这是根据链条不同的作用，进行了巧妙地设计和扣接。
纽环扣接法：如左右骖马的缰索，长204厘米，由三段宽窄不同的链条组成。第一段长67厘米，由30个上面缀着金银泡钉的扁平铜节组成。第二段长36厘米，由30个扁平的金节和银节组成。第三段长101厘米，由80个金银管和一个铜节约组成。第一、二段各个节节之间采用子母扣法连接’第三段是用银质的纽环组成的链条串连。
活铰连接：二号铜车的后边留门，门上装有门板。门板与门框之间用活铰连接。活铰的形制和今日门窗上安装的活铰(俗名活页)完全相同。借助活铰上转轴的转动，车门可以自由开合。二号铜车前边的一扇窗板和窗楣之间，也用同样的双向活铰连接。秦陵二号兵马俑坑和秦都咸阳宫殿遗址内，除出土有双向活铰外，还有三向活铰。这说明活铰在秦代已得到广泛运用，且有不同的规格。
插接、套接、铆接等方法，是种简单的机械连接法。例如，车轴插入双轮的毂孔内。为了防止车轮外移从轴上滑脱，在轴端套接上车軎(俗名车挡)。为了防止车軎从轴端滑脱，軎和轴上都有銎，把车辖插入銎内，使軎固着于轴上。插接和套接都有两种，一种是作松动性的配合，如軎套在轴上，辖插在軎的辖銎内等，都是活动的，可以随意取下。另一种插接和套接是把两个构件固定得牢牢的，不能随意活动，如车弓的一端插入盖弓帽内再用销钉固定，车舆前室有一角柱，柱端套一银帽，这些都不是松动性的连接。关于铆接，也是应用得比较广泛的连接方法。例如铜马的肚带上钉有许多金泡钉，泡钉的一端穿过肚带，在肚带的背面用钉端铆住，使其牢固。
总之，秦始皇陵出土的二号铜车各种构件的连接方法是多种多样的。把3400多个零部件巧妙地组装成一体，形象逼真，和真车无异。《考工记》说：“一器而工聚焉者，车为多”。相对说来，车的形体结构复杂，制作时难度较大。二号铜车可以说是当时冶金和金属制造的各种各样工艺的综合体，是研究我国古代金属制造史典型的范例。
秦俑坑出土的大批铜兵器和秦陵二号铜车马精湛的制造工艺，是中国和世界古代文化的宝贵财富。认真地进行研究和总结，对今天的“四化”建设无疑具有重要的意义。
(原载《陕西省科学技术史学会论文集》西安交大出版社1986年版)
秦俑学研究/秦始皇兵马俑博物馆编．—西安：陕西人民教育出版社，1996.8