北京路县故城遗址东南部出土汉代铁器的科技研究

百科 2024-10-27 16:32 山西

路县故城遗址是北京通州区发现的最早古城，是一处重要的汉代遗址。其东南部出土的大量铁器对了解本地区铁器的技术内涵、钢铁技术的发展历程都具有重要作用。本文对其中的45件两汉时期铁器样品，进行了金相组织观察和夹杂物化学成分分析。结果显示，经分析的铁器样品除2件为块炼渗碳钢外，其余均以生铁为原料制成，并采用了铸造、铸后退火、炒炼脱碳、锻造等原料处理或器物制作技术，其中白口铁9件、麻口铁2件、韧性铸铁5件、铸铁脱碳钢15件、熟铁7件、炒钢5件。由此反映出，路（潞）县地区在两汉时期已围绕生铁冶炼发展出较为成熟的制作体系。

铁器是人类社会发展历程中具有革命性意义的一种金属工具，是继石器和铜器之后人类使用的主要工具。两汉时期，今北京地区作为北部重镇，是连接中原与北方草原及东北地区的重要通道，是考察汉代冶铁生产及技术交流等问题的重要区域。但受限于铁器出土数量，有关铁器科学分析的数据较少，制铁工坊的发现有限，仅在海淀清河、房山窦店等地有零星线索，关于两汉时期北京地区的铁器生产技术尚难形成系统认识。近年来由于考古发掘出土实物资料的增多，相关的研究数据不断积累，为了解本地区冶铁技术的特点提供了有价值的信息。

路县故城遗址是目前北京地区系统开展考古工作的规模最大的汉代遗址，其城址始建年代不早于战国，不晚于西汉中期，是一处以路县城址为核心、由城址本体、城郊遗址区和城外墓葬区等构成的大遗址。城外文化堆积丰富，有道路遗迹、各种手工业作坊及一般平民居住遗址等，反映了城市人口的众多和经济的繁荣，对于了解和研究北京地区汉代文化面貌与社会发展状况具有重要价值。自2016年至今，北京市考古研究院对路县故城遗址进行了大面积发掘，在城址外的东、南、北三面清理了大量的房址、窑址、水井、道路、灰坑等遗迹和近万座墓葬。遗址出土了丰富的陶器、铁器、铜器和瓷器等，其中铁器数量多、种类丰富，是研究汉代冶铁工业的重要实物资料。

本文拟利用冶金考古学的研究方法，对路县故城遗址东南部发掘区出土的两汉时期铁器开展材质、制作工艺以及性能特征等方面的研究，为探讨两汉时期北京地区铁器生产情况提供新资料。

一、材料与方法

2020年路县故城遗址的考古发掘主要位于城址外的东南部（图1）。发掘区北距南城墙的直线距离45—65米。此次发掘主要按照探方法进行，共布设10米×10米探方36个，实际发掘面积3500平方米。据初步统计与判断，共清理西汉至明清时期的遗迹446处。

图1 路县故城遗址东南部发掘区位置示意图

东南部发掘区是路县故城遗址一处重要的文化遗存，本文对地层、道路、水井、灰坑和墓葬中出土的45件两汉时期残破铁器按照最小干预原则进行取样分析。检测的铁器样品分为生产工具、兵器、车马机具、日用器具和度量衡器五类，其中农具、工具最多，日用器具次之，其他类相对较少。大部分铁器能判别出器型，少量铁器（片）因残破而难以确定用途，在分类时单独列出（表1）。铁器样品中西汉时期26件、东汉时期19件。西汉时期铁器以日用器具为主，车马机具为次，工具较少；东汉时期，生产工具数量明显增多，其他类型铁器数量有所下降，反映了本地区冶铁业的时代特征。本研究利用金相显微镜和扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS），对上述铁器样品进行了金相组织鉴定和夹杂物分析，以获取其材质与成型工艺等技术信息。

表1 待检测铁器按用途分类统计

二、材质与工艺判定

根据铁器样品的金相组织鉴定和夹杂物的SEM-EDS成分分析结果，综合判断本次检测的45件铁器样品的制作工艺分为铸造和锻造两大类，按材质可分为生铁铸造制品11件（约占24.4%）、生铁柔化和脱碳制品27件（约占60.0%）、生铁炒炼制品5件（约占11.1%）及块炼渗碳钢制品2件（约占4.4%）。

1. 生铁铸造制品

金相组织鉴定结果显示，本次分析的铁器样品中有11件显示为生铁铸造组织，未见后续柔化退火处理的迹象，且根据碳在铸铁中的存在形式分为白口铁和麻口铁两大类。白口铁是中国古代使用最早、最广泛的铸铁材质，白口铁中的碳处于化合状态，以渗碳体形式存在，其性能特征是硬且脆，具有很好的耐磨性，适宜制作犁铧等农具。经分析鉴定为白口铁的9件样品除用途不明的铁器（片）外，包含了锛、铲、棘轮和三足架等。结合器物的使用特点，采用白口铁基本可以满足使用要求。麻口铁中的碳元素既以渗碳体形式存在又以石墨的状态存在，金相组织显示为莱氏体和一次渗碳体组成的过共晶白口铁组织，以及珠光体和大量菊花状、片状石墨组成的灰口铁组织。2件铁棘轮属于该类材质，推测很可能是在预热的铁范中铸成，冷却速度较大的表层是白口铁，硬度高，耐磨性好；而远离表层的部位因冷却速度缓慢，奥氏体逐步析出石墨，并最终变为珠光体，使得材质保持一定的韧性。

2. 生铁柔化和脱碳制品

根据铁器样品的基体组织和夹杂物分布状况，本次分析的样品中有27件判断为生铁铸造后经退火工艺进行柔化或脱碳处理的产品。春秋战国之际，中原地区最早对生铁进行铸后处理。其基本方法为在退火炉内将白口铁铸件进行加热并保温，促进渗碳体分解。本次分析的生铁柔化及脱碳制品包括5件韧性铸铁、15件铸铁脱碳钢和7件熟铁制品。

韧性铸铁又称为可锻铸铁，由白口铁在中性或还原气氛下完全退火柔化处理形成，其基体内的渗碳体完全分解并形成石墨，析出的石墨一般为团絮状，组织表现为退火石墨分布于铁素体/珠光体基体之上，这种材质的机械性能介于钢和生铁之间，具有耐冲击性、韧性好的特点。经鉴定的韧性铸铁共有5件，4件均为生产工具。

铸铁脱碳钢/熟铁是白口铁在氧化气氛下退火并脱碳形成，组织中夹杂物极少，质地纯净，基本上不析出石墨。此类材质的样品共22件，其中15件铸铁脱碳钢除1件横銎斧为共析钢外，其余均为亚共析钢，金相组织为铁素体和珠光体。个别样品内还出现了魏氏组织，空首斧中出现的魏氏组织为铁素体魏氏组织，是亚共析钢中先共析铁素体沿奥氏体晶界向晶内生产，构成晶内针状或片状铁素体和珠光体的一种复相组织，推测为器物退火处理时温度过高形成的过热组织。在魏氏组织中珠光体基体上分布的针状铁素体，割裂了基体组织，容易造成应力集中，形成裂纹，从而使空首斧的塑形和冲击韧性降低，影响其质量。铸铁脱碳钢广泛用于汉代路县工具和生活用具的制作，进一步扩大了生铁的使用范围，增加了优质钢材的来源。铁钉和铁钩等还使用了冷加工工艺以达到使用性能的要求。7件样品为熟铁材质，其金相组织为纯铁素体，器型包括横銎镢、空首斧、带扣、钩及用途不明的铁器（片）。在22件铸铁脱碳钢/熟铁样品中，有5件样品的组织中可见极少量黑细石墨，这是生铁在脱碳过程中，由于脱碳温度较低而析出的。这种退火不完全的情况，会使得铸件的耐冲击能力降低，但对于农具的影响不大。

3. 生铁炒炼制品

炒钢技术是继生铁冶炼、铸造脱碳钢之后，中国古代钢铁技术史上又一重大发明。炒钢是在半熔融状态下将生铁炒炼脱碳成钢的新工艺。此次检测的样品中有7件铁器的基体组织以熟铁或钢为主，并存在大量各类形态的夹杂物。一般认为分析夹杂物的形貌特征和元素成分可以帮助判断铁器的制作工艺。通过对夹杂物进行成分测量及数据分析，发现其中5件样品的夹杂物以氧化亚铁与玻璃相基体组成的铁高硅低的亚复相夹杂为主，少量为含有氧化亚铁晶体的复相夹杂物。夹杂物的成分铁高硅低，含有少量铝、镁、钾，基体中磷钙比例高且波动较大。综合现有相关研究成果，将上述5件样品判断为炒炼制品，包括凿2件、板状斧1件、铁钩1件和铁钉1件。另2件样品判断为块炼渗碳钢制品。

钉和凿的金相组织均为全铁素体组织，晶粒大小不均匀。钩的金相组织分为两种，一种为铁素体和少量珠光体组织，一种为铁素体组织，晶粒度大小不均，大量块状夹杂物沿加工方向分布，为两种原料的炒钢平行叠加锻打成型。凿的金相组织中芯部和表面含碳量的不同说明了处理方式的差异。板状斧的基体组织可观察到因含碳量不同导致的分层现象，高低碳层使得能够同时兼顾铁器的强度和韧性，提高使用效果，说明当时工匠对钢铁制品的认识达到了较高水平。

4. 块炼渗碳钢制品

块炼铁技术是以富铁矿砂为原料，木炭为还原剂，使得铁矿砂在800—1000℃下还原得到铁。块炼铁含碳极低，质地柔软，适于锻造成形。但由于其质软、夹杂多，使用性能不好，在块炼铁出现不久就有了使其表面钢化而提高强度的技术。块炼铁在加热锻造过程中与炭火接触，碳渗入铁使得其含碳量增加成为块炼渗碳钢。块炼渗碳钢性能可以媲美青铜，用于制作兵器、工具。战国中期以后的块炼铁和块炼渗碳钢制品数量增多。

此次检测的块炼渗碳钢制品包括西汉样品钩和东汉样品环首刀。钩的金相组织为纯铁素体组织，环首刀的金相组织为珠光体和铁素体组织，存在明显分层现象。这两件样品的夹杂物中硅、锰、铝、钙元素含量普遍较高，几乎不含磷元素，夹杂物以铁橄榄石、氧化锰、氧化铝、氧化钙等金属氧化物为主。

三、铁器材质与器物功用

路县故城遗址东南部出土的铁器年代以两汉时期为主，共计45件，另有少量为魏晋北朝及辽金时期，材质及制作技术与两汉时期大体相同。这批铁器根据实际用途，可分为加工工具、土作农耕器具、兵器、车马机具、日用器具和度量衡器等。出土铁器中生产工具所占比重最大，生产工具中又以农耕器具为主，包括斧、锛、镢、铲、锸、锄、镰等。可见农业生产的主要环节，如翻土、整地、中耕、除草、收割等，都已使用了铁器。农具的材质有白口铁、韧性铸铁、铸铁脱碳钢和炒钢等，检测的12件农具除1件为炒钢外，其余均由生铁铸造而成，并对铸后的器物进行了退火处理以改善白口铁的性能。

生产工具中除农具外还有两种加工工具，锤和凿，共6件。检测的1件铁锤属于一种成熟的开矿或锻打工具，材质为韧性铸铁。凿为凿孔或挖槽用的工具，形式多样。铁凿的材质为铸铁脱碳钢和炒钢。锤和凿材质的不同，表明工匠已注意根据工具的不同用途和形制选用不同的材质。

车马机具中仅有棘轮一类，共出土5件，均为西汉时期。这5件棘轮齿面呈风车状，方贯轴孔，除1件因锈蚀齿型不明显外，其余均有16个齿牙，向一方倾斜，且大小形制基本相同，均为生铁铸造而成。其中3件棘轮出自水井，并伴有铁钩，铁钩材质均为钢材。由此推测这几件棘轮和铁钩为提水装置。当井比较深，提取井内物体的距离增加时，棘轮装置可以弥补辘轳作为提取工具的不足。棘轮绕一个方向旋转，止逆爪控制其不能回转，一旦失去人力牵引，物体也不会落回井里，人可以暂时休息，恢复体力，也更为安全。

经检验的铁制兵器仅有2件环首刀和2件箭镞。环首刀分别为块炼渗碳钢和铸铁脱碳钢。两件箭镞均为铸铁脱碳钢，使用铸铁脱碳钢来制作易消耗的箭镞，说明当时这种制钢工艺已较为普遍。检测的器物中还有1件衡器铁权。高4.5厘米，底径5.3厘米，重340克，是秦汉时期常见的形制，由白口铁铸造而成。

汉代冶铁业已有较为完整的管理机构，中央设大司农，下设铁市长丞，郡设铁官，以下分治作坊。两汉时期，渔阳郡渔阳县设置有铁官，对铁器生产经营实行管理。2019年，在路县故城城外西南部还集中出土了一定数量的炼渣、炉壁残块、陶范残块等冶铸相关遗物，结合路县故城出土铁器的数量和质量，推测这些铁器很可能为本地产品，说明两汉时期路（潞）县地区已有属于自己的铁器手工业作坊。

四、北京地区两汉时期钢铁技术特点

中国古代有两种冶铁技术体系：一种是块炼铁和块炼渗碳钢体系，一种是生铁和生铁制钢体系。战国中期以后，块炼铁和块炼渗碳钢制品数量增多，直至汉代仍普遍存在，后随着炒钢技术的发展而逐渐衰落。至迟公元前5世纪起，中原地区开始广泛采用生铁冶炼技术。生铁冶炼是中国古代最具特色的冶金技术，但生铁较为脆硬，为了降低其含碳量改善脆性，至迟在战国早期，基于生铁退火的脱碳技术得以应用。随着技术的发展，炒炼液态生铁进行脱碳的技术开始出现。炒钢技术的发明使得较大规模获取熟铁制品成为可能，是中国古代钢铁技术体系中极为重要的组成部分。

中国古代冶铁技术的发展历程中，两汉时期是重要的发展阶段，不仅生铁得到了大量使用，炒钢技术也得到了大规模的应用和推广。作为核心区的中原地区已经掌握了先进的冶铸技术、生铁技术、退火技术、铸铁脱碳技术、生铁柔化及炒钢技术，其钢铁技术的发展已相当成熟。与之相比，北京地区远离政治中心，是汉王朝与东北亚地区进行文化交流的前沿基地。通过本文的检测分析，再结合已有的成果，可知北京地区两汉时期的冶铁技术以生铁和生铁制钢技术为主，同时存在少量的块炼铁或块炼渗碳钢制品，炒钢技术和淬火工艺也得到应用，其冶铁技术已达较高水平，与中原地区的制作技术并无二致，为同一技术传统，也从一个侧面反映出当时中原地区发达的钢铁冶铸和锻造技术对北方地区文化的影响。

本文对路县故城遗址东南部出土的45件两汉时期铁器样品进行了科学分析检测。结果显示，除2件为块炼渗碳钢外，其余均以生铁为原料制成，采用了铸造、铸后退火、炒炼脱碳、锻造等原料处理或器物制作技术，个别器物还经过了冷加工处理，其中白口铁9件、麻口铁2件、韧性铸铁5件、铸铁脱碳钢15件、熟铁7件、炒钢5件。生铁铸造制品主要用于制作锤、棘轮、三足架、权等器具，并使用了通过控制冷却速度获取麻口铁的技术。生铁柔化和脱碳技术广泛应用，其中韧性铸铁多铸造成农具，铸铁脱碳钢/熟铁原料则多经锻打成工具、农具、兵器和日用器具等。不同的铁器产品，据其不同的用途而采取不同的柔化处理技术，说明当时的铁器生产已积累了丰富的经验。炒钢制品在不同时期皆有发现，所涉及器物类型包括工具、兵器和日用器具等。除此而外，还有1件环首刀和1件铁钩为块炼渗碳钢锻打而成。综合以上分析结果，并结合已发现的冶铸遗物等情况，推测这批铁器很可能为本地制造，两汉时期路（潞）县地区已有属于自己的铁器手工业作坊，且围绕生铁冶炼发展出较为成熟的铁器生产制作体系。

本文改编自《北京路县故城遗址东南部出土汉代铁器的科技研究》，原文刊载于《博物院》2024年第2期（总第44期）。作者：杨菊李伟敏，北京市考古研究院（北京市文化遗产研究院）。

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