古代鐵質刀劍、剪刀文物受腐蝕機制及保護對策探究

張璐　黃琦　樊孝林

摘 要：在文物保護修復領域，古代鐵質文物因金屬鐵的化學性質活潑，所以在出土、流傳以及保存過程中易受各類致腐蝕因素的侵蝕。鐵質刀劍、剪刀文物因形制、工藝方面的特點，往往是鐵質文物中受腐蝕程度最深的一類，保存狀態普遍極不理想。文章以中國刀剪劍博物館館藏中比較典型的此類文物為研究對象，通過有針對性的檢測分析及保護修復，采集相關數據，對鐵質刀劍、剪刀文物的受腐蝕機制進行了對照分析，總結腐蝕過程與文物形制、工藝方面的聯系，并結合實踐經驗，提出了不同空間條件下該類文物保存與展示的保護對策。

關鍵詞：鐵質刀劍文物;鐵質剪刀文物;腐蝕機制;保護對策

鐵是中國先民很早就開始掌握并利用的金屬材料，它具有相對豐富的礦藏和良好的冶鑄性能，在生產生活各領域都有廣泛應用。刀劍作為刃具，在經歷了石器、青銅時代之后，伴隨春秋時期中國冶鐵技術的發端，進入以鐵及鋼鐵復合材料為主材質的階段。剪刀則被認為是刀具發展的一個分支，其原型是青銅削刀，目前中國境內發現的年代最早的剪刀是廣州淘金坑出土的西漢前期鐵剪①，形制為交股屈環形。亦即中國剪刀的歷史是從鐵質剪刀開始的。在對古代鐵質文物的保護修復中，刀劍、剪刀是相對特殊的類型，刀劍形態扁薄狹長，剪刀體積較小且有環狀部分，部分受到腐蝕之后，極易蔓延至文物整體，尤其是極薄或承受應力部位（如刃部、剪環）往往產生嚴重裂缺，進而極大地影響文物的存續狀況。

2019年，中國刀剪劍博物館針對一批具有代表性的館藏鐵質刀劍、剪刀文物，進行了取樣檢測分析以及保護修復處理。樣品文物年代集中在戰國至宋遼，均銹蝕嚴重，伴有不同程度的表面硬結物、變形、裂隙、層狀剝離、層狀堆積等病害現象。而在2017-2018年，首都博物館曾對該館80件腐蝕較嚴重的鐵質文物進行保護修復，其中包括鐵劍等兵器20件。經檢測分析，在80件各類鐵質文物中，以兵器類的保存狀態最差，個別兵器大面積嚴重腐蝕，基本完全礦化，幾乎不存在鐵芯。②這與中國刀剪劍博物館所選鐵質文物構成了參證對照，表明此類文物的受腐蝕機理及保護對策值得重點關注和具體分析，以利于該類文物可持續地發揮其歷史文化價值。

1 鐵質刀劍、剪刀文物受腐蝕因素

以往有關研究將鐵質文物受腐蝕的外部因素歸結為大氣腐蝕、土壤腐蝕和海水腐蝕三類，其作用原理是來自這三類介質中的水、氧、硫、氮、氯等因子，在一定條件下與鐵發生化學反應，從而形成銹蝕現象。鐵銹可分為有害銹和無害銹兩大類。有害銹是鐵在潮濕環境中受腐蝕而產生的，它的體積比基體大，顆粒細且疏松，易使氧氣和水侵入，使腐蝕繼續發生。如γ-FeOOH，它的立方晶格結構不能形成附著力強、致密的保護膜，隨著水分和氧氣的持續進入，又會產生新的γ-FeOOH，從而使銹層繼續增厚，直到它進一步反應轉化為具有六方晶格結構的α-FeOOH，才能形成穩定的保護膜，阻止活性物質進一步反應。但在常溫條件下，這一鈍化過程是非常緩慢的。其他如鐵與氯離子反應生成的FeCl3、與硫酸（硫氧化物轉化生成）反應生成的FeSO4等，都是通過循環反應促使新的不穩定化合物產生的物質，皆屬有害銹之列。相比之下，在干燥的環境中，生成的鐵銹主要由鐵的氧化物組成，它們與鐵一樣，都具有立方體結構，根據晶體結構相似即會導致連生的理論，這些鐵的氧化物能夠形成連續性和致密性良好的氧化物膜，從而對鐵質文物基體起到保護作用。這一系列反應過程的最終產物是α-Fe2O3，它的化學性質相對穩定，能夠在一定程度上阻隔活性介質的侵入，是典型的無害銹。

但在現實中，鐵質文物上鐵銹的成分往往是復雜的，在出土前后以及流傳過程中，它們不可避免地會受到多種致腐蝕因素的綜合影響。特別是在潮濕的地區，水分使不穩定銹形成的概率大大增加，提高了處理難度。中國刀剪劍博物館地處浙江省杭州市，所選修復的鐵質刀劍、剪刀來源均為征集，流傳經歷不一，在入藏時已存在嚴重銹蝕現象。其中部分通體礦化，有的還有殘存的腐爛木質劍鞘與礦化嚴重的劍身表面相粘連，已經失去原有的基本形態。

中國刀剪劍博物館取用文物殘片進行了檢測分析：采用X射線熒光（XRF）和掃描電鏡及能譜（SEM-EDS）進行元素成分的定性、定量分析，采用X射線衍射（XRD）和拉曼光譜對銹蝕物的化合成分進行分析，以了解銹蝕物的種類。相關分析內容見表1、表2。

以上檢測分析的結果顯示，作為研究對象的中國刀剪劍博物館藏15件（套）鐵質刀劍、剪刀文物，其病害類型、主要元素成分及原子百分比、銹蝕物主要化合成分存在較高相似性。就主要元素成分而言，原子百分比占比最大的前三位基本為氧、鐵、碳，平均比例分別為60.31%、20.64%、13.69%。正常情況下的鐵質刀劍、剪刀應為鐵碳合金，而這批文物元素成分中的氧卻普遍在60%上下，進一步說明鐵碳合金的本體已通過由氧參與的一系列反應大量置換為含氧化合物。從銹蝕物主要化合成分來看，平均的銹蝕物種類為四五種，主要為磁鐵礦（Fe3O4）、針鐵礦[α-FeOOH/FeO（OH）]、四方纖鐵礦[β-FeOOH/Fe+3O（OH，Cl）]、纖鐵礦[γ-FeOOH/Fe+3O（OH）]和羥基氧化鐵（FeOOH）。這與首都博物館2017—2018年修復的20件古兵器文物主要腐蝕產物為赤鐵礦、褐鐵礦（針鐵礦、纖鐵礦）、磁鐵礦的情況存在重合性。與陜西出土的秦代鐵戟（針鐵礦、纖鐵礦、四方纖鐵礦、磁鐵礦）、西漢鐵劍（針鐵礦、纖鐵礦、磁鐵礦）銹蝕產物亦基本一致。①

此外，文物專家王蕙貞教授曾組織對陜西、四川、湖北出土的秦至清代多件不同類型鐵器進行了科學分析，種類包括兵器、農具、炊具、錢幣、葬具（棺釘）、家具及其他生活用具。結果顯示，除兵器和具有弧形刃的西漢鐵鍤以外，其他大部分類型的銹蝕產物中，相對穩定的針鐵礦和磁鐵礦含量比例居高，而兵器銹蝕產物中不穩定的纖鐵礦及四方纖鐵礦卻占到了總量的40%～50%，結合首都博物館80件鐵質文物的狀態對比，表明在古代鐵質文物中，鐵質刃具受腐蝕后往往劣化程度最為嚴重。除去鐵質文物受腐蝕的一般因素以外，以鐵質刀劍、剪刀為代表的刃具所具有的一些工藝形態特性，也對腐蝕發展程度有著重要影響。

在戰國至西漢中期之前中國古代冶鐵發展出折疊鍛打的“百煉鋼”技術，也就是將塊煉鐵反復加熱錘鍛滲碳，去除夾雜物，取得組織致密、碳分均勻的鋼鐵材料。《天工開物·錘鍛》中講道：“凡鐵性逐節粘合，涂上黃泥于接口之上，入火揮槌，泥滓成枵而去，取其神氣為媒合。膠結之后，非灼紅斧斬，永不可斷也。”這在原始冶鐵業中是一個重要進步。百煉鋼在當時的同類冶鐵產品中具有高強度的特點，因此往往被用于制作刃具，尤其是刀劍類。1965年在河北易縣燕下都遺址中出土的戰國鐵兵器中，就發現有的鐵劍已是用塊煉鐵多層折疊鍛打制成的低碳鋼件。②而這種技術在漢代的環首刀上有更為純熟的應用。典型代表如山東蒼山發現的一把有紀年銘的長刀，全長111.5厘米，刀身飾錯金火焰紋，并有18字錯金隸書刀銘“永初六年五月丙午造卅湅大刀吉羊宜子孫”。“永初”為東漢安帝年號，紀年表明這把刀是公元112年制造，而銘文中的“卅湅”即“三十煉”，應代表相應的錘鍛工藝。經顯微觀察，刀身上有約30層鍛層，正可對應“卅湅”的銘文勒記。③百煉鋼技術也成為后世中國鐵質刀劍制造的主流。

這種對鋼鐵件的處理方式雖然提高了刀劍刃具的強度，但因為其層理狀的結構特點，也為腐蝕因子提供了侵入反應的“窗口”。百煉鋼所制的刀劍表面形成多層紋理，層與層之間的細微孔隙就成為水分、氧氣以及溶鹽類進入的路徑，從而使腐蝕的過程在各層接觸面展開，其劣化的劇烈程度要超過未經鍛打的鑄造鐵器。尤其是出土的鐵質刀劍等刃具文物，由于“出土后環境突變，受水分子蒸發時物理作用的結果，在鐵器表面無任何保護膜的情況下，會發生一系列復雜反應，導致腐蝕層開裂，層狀結構成片狀脫落”④。

這種現象在中國刀剪劍博物館所選的幾件鐵刀文物上有明顯體現。如漢代鐵刀、宋代儀仗龍吞口偃月雙刀，都存在整體性的銹蝕分層狀況。其中的漢代鐵刀包括環首部位也都分離成若干層，屬典型的漢代百煉鋼制環首鐵刀受腐蝕后循原有錘鍛紋理分層現象;而宋代儀仗龍吞口偃月雙刀鐵質刀身部分分開為三層，修復前兩刀向下放置的刀身一面銹層皆已與基體完全脫離，且脫離下來的銹層都保持了相對完整的刀身形狀，應為夾鋼工藝中“芯鐵”與“皮鐵”受腐蝕后分離的現象。所謂夾鋼工藝，即以一枚含碳量較高的鋼鐵件做芯，兩枚含碳量較低的鐵件為皮，通過鍛打，用皮鐵包住芯鐵，這樣制作的刀劍既能達到所需的強度，而且能借由硬度低但韌度較好的皮鐵緩沖外力的作用，使刀劍不易折斷。此外皮鐵還可以在一定程度上起到保護刃部的作用。這種工藝具體始自何時目前尚未見確切記載，但結合古代鐵質刀劍實物資料，推測應在唐宋之際，這種工藝就已經成熟，后廣泛用于中國古代鐵質刀劍兵器制造。

夾鋼工藝與百煉鋼工藝都采用多層鋼鐵件復合鍛打方式，所以會產生原理相同的受腐蝕后分層現象。這是鐵質刀劍文物更易發生劣化毀損的一個重要原因。

而作為另一種普遍使用的刃具，古代鐵剪文物則主要采用鑄鐵工藝，有的或為炒鋼鍛打。鑄鐵由于沒有層理結構，理論上受腐蝕的程度相對和緩，往往會以點蝕的情況出現。但在實際中，古代鐵剪在未經保護性修復處理的情況下，亦常處于銹蝕危重的狀態。如中國刀剪劍博物館所選的數件漢代、唐代鐵剪，表面銹蝕物呈塊狀、片狀剝離，有的在環部斷裂，有的剪刀頭爿幾乎斷裂或已經佚失。這種現象一方面或源于出土時文物環境驟然改變，水分蒸發加劇了其內的腐蝕反應，另一方面則是由于鐵剪文物的形態進一步放大了腐蝕的效應。

中國古代剪刀大致分為兩種類型，即交股屈環形和支軸式。前者應用時期為西漢至宋，此后逐漸被支軸式剪所取代。交股屈環剪是將一根鐵條的兩端制成刀形，然后將鐵條扭轉，使兩刀相對而成剪，又可具體分為γ形和8字形。使用時雙手按壓剪背，利用鑄鐵的彈性實行剪切。支軸式剪即現代常用的剪刀形態，也就是將兩個分開的剪爿通過銷釘連接，利用杠桿原理進行剪切。相比之下，交股屈環剪年代更為久遠，且形態方面的穩定性不及支軸剪，此次中國刀剪劍博物館所選取的剪刀文物修復研究對象全部為交股屈環剪。在受腐蝕傾向性上，這類型的鐵剪在形態結構上存在3個不利因素：一是這類鐵剪的使用方式易造成金屬疲勞，增加剪刀頭爿斷裂風險;二是鐵條經扭轉后產生的應力，易使剪環在受腐蝕后迅速薄弱化，以致發生斷裂;三是這類鐵剪在弛態時兩剪刀頭爿之間幾乎完全分開，與外環境接觸的表面積更大，相應與水、氧等腐蝕因子接觸反應概率更高。所以盡管古代鐵剪文物基本沒有層理問題，但這些形態特點亦使其成為保存難度最大的鐵質文物之一，在檢測分析的數據表現上與鐵質刀劍具有高度的相似性。

2 鐵質刀劍、剪刀文物保護對策

鑒于鐵質刀劍、剪刀文物的特性，其保護對策應從主客體兩個方面入手。

首先從文物本體出發，應及時進行科學的保護修復處理。中國刀剪劍博物館對所選刀劍、剪刀文物，采用了相對比較成熟的鐵質文物保護修復手段。具體步驟包括：資料采集，檢測分析，清洗，脫鹽，緩蝕，粘接，殘缺部位修補、表面封護，做色。

清洗方式有機械清洗和化學清洗兩種。前者主要包括手工使用手術刀、牙鉆等工具直接剔除和機械振動去除。后者包括化學試劑清洗和電化學清洗。此次修復根據不同文物銹蝕情況施用機械清洗與有機溶劑清洗相結合的方式。如對部分表面包裹有結實硬結物的銹蝕鐵剪，先以毛刷、銅刷、手術刀清除外部浮土，再用手術刀、超聲波潔牙機、超聲波發生器等工具，除去硬結物及有害銹，輔助清洗液為去離子水，對局部難以去除的附著物則使用10%六偏磷酸鈉溶液多層紙張貼敷軟化，最后用手術刀輕輕剔除。對部分硬結物與有害銹情況較復雜的鐵刀文物，在完成以上程序后，再使用5%檸檬酸除銹，最后用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液中和，并用蒸餾水清洗。

脫鹽步驟亦視不同的刀劍、剪刀文物狀況而定。對于整體狀態適于脫鹽的文物，選用置換法：用5%倍半碳酸鈉溶液浸泡，定時定期更換溶液。使用硝酸銀滴定檢測，當連續幾周內氯化物含量恒定低于5mg/L時，浸泡可以結束。結束后再用去離子水清洗。

緩蝕采用單寧酸復配鐵質文物緩蝕劑。粘接補配的重要原料是以銅粉配制的原子灰，使用錫焊工藝與鐵質文物原有基體進行熔接。錫的熔點低于鐵，且在常溫下不易被氧化，所以是鐵質文物修復中常用的補配材料。經反復實踐證明，對鐵質文物封護效果良好的是B-72丙酮溶液。做色選用礦物顏料加蟲膠漆片浸泡的無水乙醇，在無損修復效果的前提下達到“修舊如舊”的目的。

在完成了基本的保護修復處理任務后，接下來的重要目標就是對保存環境的改善和控制。對鐵質刀劍、剪刀文物的保存，遵循鐵質文物大類的一般規則，環境濕度要求控制在40%以下，并將環境中的有害氣體降低到標準以下。對文物的保管置放建議使用無酸囊盒，有條件時，可使用RP材料封裝，以調節文物保存微環境的平衡。目前有博物館在實踐中探索出以保鮮盒加除濕劑的方式保管鐵質文物，經觀察，具有良好的效果，對于體量不大的鐵剪文物來說，不失為一種性價比較高的保管辦法。

此外，近年來隨著國家對博物館事業的關注度不斷提升，博物館文化輸出的職能日益凸顯，博物館館藏用于展示和宣教活動的頻次因之提高。所以相關文物保護對策的視域還應擴展到展廳等庫房以外的空間環境。對于鐵質刀劍、剪刀文物的保護，還應充分重視以展廳為代表的庫房外保存環境。通過中國刀剪劍博物館的長期實踐，建議從以下幾方面增強對展示過程中鐵質刀劍、剪刀文物的保護。

2.1 控制展廳空間的溫濕度

因鐵質文物對環境因素的敏感性，應盡量避免在開放或半開放的空間中進行展示。在相對封閉的展廳內首選恒溫恒濕系統調節展廳整體情況，如條件限制，則應盡可能使用恒溫恒濕展柜，保證文物所處環境溫濕度情況的穩定性。

2.2 控制展廳及展柜內的有害氣體

在鐵質文物致腐蝕的諸種因素中，有害氣體是一個主要方面。在展陳施工、安裝過程中，裝飾材料易產生各類有害氣體，它們與空氣中的水、氧及其他物質經過一系列反應，成為鐵質文物劣化的誘因。建議在展陳設計施工中以“輕裝飾”為思路，少用裝飾材料，使用環保材料，并配置大型空氣凈化設備，將環境中的有害氣體控制在無損范圍內。

2.3 采用安全性高的展具和展示方式

一是對文物的物理支撐，宜擴大承托物與文物接觸面的表面積。尤其是刀劍文物，形制一般為狹長形，各部分結構并不均一，即使經過保護修復處理，若受力方式不當，仍有斷裂、脫落等風險，所以應盡量避免傾斜、懸吊、過少的點支撐等危險展示方式，以平放展示、展具全接觸承托展示為考量，并應使承托面的長度、寬度超過受托文物一定范圍，以防止展柜受碰撞、震動時文物從展具上掉落。二是對展具材料的選擇。鐵質刀劍、剪刀文物常用展具包括積木、劍架等，應充分考慮相應材質的安全性，比如積木包布以及木質劍架表面的漆層，考慮是否會在接觸過程中，將致腐蝕因子遷移到鐵質文物上造成損害。所以建議從鐵質刀劍、剪刀文物的形制特點出發，制作適合此類文物展示、材料和形式皆安全穩妥的專用展具。

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