提要：位于北京紫禁城外西北角的大高玄殿，是明清两代皇家御用的道教宫殿建筑群。年4月，故宫博物院开始对其进行研究型保护修缮，在修缮过程中提取了９件镊头钉样品并利用金相显微镜和扫描电镜能谱仪对其进行了分析，其中８件材质为纯铁，１件材质为亚共析钢，均锻造成型，夹杂物主要为复相加杂。研究表明这批构件可能具有不同来源或不同年代。这一发现为大高玄殿在历史上曾有多次维修的信息提供了有力佐证，同时也为镊头钉的工艺探究及修缮保护提供了科学依据。对现代镊头钉制作作坊进行调研，知其选用钢筋作为原料，材料质量高于古代材料。
关键词：科技考古大高玄殿明清时期镊头钉材质制作工艺
大高玄殿，又称大高殿或大高元殿，位于紫禁城外西北角、景山西侧。明嘉靖皇帝继皇位后，于嘉靖二十一年（年）敕建大高玄殿。大高玄殿建成之后成为宫中演习科仪、祷祭道场的皇家御用道观场所,不仅在明代众多道观中地位最为尊贵，清代也延续使用[1]。
大高玄殿整体建筑群坐北朝南，共五进院落，后世多有修缮,但整体格局保存基本完整。沿中轴由南往北依次设有南牌楼（复建）、两重绿琉璃仿木结构券洞式山门（即山门和二道门）、大高玄门、正殿、九天应元雷坛（又称九天万法雷坛、下文简称“雷坛”）、乾元阁（坤贞宇）等主体建筑，其左右布置配殿、钟鼓楼等建筑（图1）。
图1大高玄殿外景
年4月，大高玄殿修缮工程作为故宫博物院研究型修缮保护试点工程正式开工。在修缮过程中对大高玄殿使用的金属构件情况进行了现场考察，发现金属构件一般用于各殿座的装饰件、连接件、各种加固件。装饰件有门窗面叶、门钉等,连接件有合页、插销等，加固件包括镊头钉、三角铁、铁箍等。虽然中国古建筑中承担结构作用的大木架主体梁柱衔接用榫卯固定，但在很多隐蔽部位木构件都需要使用金属构件来加强、固定[2]，其中使用最多、数量最大是镊头钉，均为传统打制的方钉，与洋钉（圆钉）不同，方钉不易脱木，摩擦力比洋钉大，可以起到拉结、防震的作用。镊头钉通常使用在古建筑的木基层中，用来固定并防止椽飞、望板向下滑动，但因用于隐蔽部位而常常被忽视。因此，本文选择镊头钉来进行金相组织观察、制作技术的工艺流程还原研究（表1；图1～图6）。
表1大高玄殿镊头钉采集情况
图2镊头钉1；图3镊头钉8；图4镊头钉19；图5镊头钉20；图6镊头钉23
一、样品的制备
本次选取了9件镊头钉样品，取样情况见表1。每个样品取两个样，基本都是方锥的形状，一端为直角捼弯成扁平状，另一端为尖锐状。镊头钉最宽处为头、最窄处为尾。
二、大高玄殿镊头钉样品的金相分析检测结果
将实物制成金相样品，用4%的硝酸酒精溶液进行浸蚀，在金相显微镜下对浸蚀过的样品进行观察与拍照，结果如表2及图7～图14所示。
根据表2，镊头钉样品的金相组织以铁素体为主，晶粒大小不均匀，晶粒等级为4～7级，同一器物的晶粒等级不同，镊头钉帽部晶粒等级小于尖部晶粒等级。样品含碳量大多数为0.1%，样品17-2含碳量稍高，为0.4%；夹杂物沿加工方向取向排列，并呈条状、点状分布，部分样品存在空洞缺陷。对比实物照片可知，晶粒的变形程度和取样位置有关。钉尖、或较窄处变形大，而中心部位变形较小。同一实物的2个样品的组织存在较大差异，如样品17-1与样品17-2。
综合金相组织观察结果可以看出：①镊头钉的材质基本为纯铁和亚共析钢；②镊头钉基体组织以铁素体为主，多数含碳量在0.1%，因此其材质的强度和硬度均较低。硬度为～Hv；③镊头钉样品中存在大量夹杂物，部分样品存在锈蚀和孔洞缺陷；④同一镊头钉不同部位样品的金相组织存在差异；⑤取自不同建筑的镊头钉其金相组织没有明显差异。
图7镊头钉1-1的金相组织图
图8镊头钉3-1的金相组织图
图9镊头钉3-2的金相组织图
图10镊头钉17-1的金相组织图
图11镊头钉17-2的金相组织图
图12镊头钉18-2的金相组织图
图13镊头钉23-1的金相组织图
图14镊头钉23-2的金相组织图
三、大高玄殿镊头钉样品的扫描电镜能谱分析结果
铁中夹杂物的形成原因和来源非常复杂，一方面夹杂物的形成与冶炼技术和加工工艺有关，不同的技术和工艺的夹杂物的形貌、成分各不相同；另一方面夹杂物的成分又与冶炼中使用的矿石、炉料、燃料等物质的化学成分有关，其中铁、锰、钛、磷、铜、硫多由矿石引入，硅、铝、镁、钾、钙多由炉料和添加剂引入，一般认为通过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[3]。
利用扫描电镜能谱仪对镊头钉样品的夹杂物进行成分分析。实验仪器为金相显微镜LEICADMOM、扫描电镜ZEISSEVO1及配备的能谱仪BrukerNanoXFlashDetector；测量条件：激发电压20kV，扫描时间60s。每个样品选取12～15个夹杂物进行检测。夹杂物形貌及检测结果如图15～图18及表3所示。
图15镊头钉2-2的扫描电镜背散射图；图16镊头钉8-1的扫描电镜背散射图；
图17镊头钉18-2的扫描电镜背散射图；图18镊头钉19-1的扫描电镜背散射图
表3镊头钉样品部分扫描电镜能谱分析结果
根据表3的分析结果，将镊头钉样品夹杂物进行分类和比较。
1.同一样品不同取样位置的比较
由分析数据可以看出：样品2-1和2-2的AI、Fe元素含量差异较大；样品19-1与19-2、样品23-1与23-2的元素种类及含量均存在差异。
2.不同取样地点之间的比较
镊头钉取样地分为三处，分别是后殿（1、2、3、8）、大高玄殿（门上）（17、18、19、20）、大高玄门（23）。
后殿的样品（1、2、3、8）的金相组织均为铁素体，无珠光体,无浮凸组织，含碳量低,为0.1%，晶粒不均匀,夹杂物多且沿加工方向取向排列。样品2-2的AI、Fe含量与其他样品相差较大，其余样品的元素含量数值浮动不大。
大高玄殿（门上）样品（17、18、19、20）的金相组织含碳量不均匀,含碳量最高为0.4%（17-2），其余样品含碳量均为0.1%。样品的基体组织有差别，且有空洞缺陷存在。样品含有的元素种类及含量存在差异。
大高玄门样品的金相组织为：基体为铁素体，组织有分层现象，晶粒大小不均匀，23-1与23-2有浮凸组织和分层现象，夹杂物取向排列，材质成分差异不大。
将三个取样地点进行比较，可以发现：后殿和大高玄门的样品基体为铁素体，大高玄殿（门上）的样品17-2基体为铁素体和珠光体；大高玄殿（门上）的样品和大高玄门的样品存在浮凸组织。三处样品的元素种类相同但元素含量存在差异。
3.以尺寸大小分类再比较
将镊头钉分为10厘米以上和10厘米以下两个类别。10厘米以上的有镊头钉1、2、3、17、18；10厘米以下的有镊头钉8、19、20、23。
大于10厘米的镊头钉（1、2、3、17、18）基体多为铁素体，17-2基体为铁素体和珠光体，18～2有浮凸组织。
小于10厘米的镊头钉（8、19、20、23）基体均为铁素体，夹杂物为条状、块状、点状，19-1和23有浮凸组织。样品19-1不含Zr，其他样品Zr含量为0.01%～1.79%，8-1含0.06%的Sb，19-1含Cr1.60%，19-2还有0.61%的Cl。
综合两类不同尺寸的样品来看，两类样品的金相组织有相同的组织和形貌，没有明显规律；两组样品元素含量存在一定差异，小于10cm的样品Si、Mn含量偏高。
值得注意的是镊头钉的S、P数据，样品1-2、2-2、20的S含量普遍较高，高于1%；样品1-1、3-1、8-1、17、18、23的S、P元素含量均较高，S含量在1%至4.33%之间，P含量在1%至3.83%之间。
[1]秦国经，高换婷：《明清大高玄殿的始建维修与使用——一组辉煌宏大的皇家道观建筑群》。
朱诚如：《中国紫禁城学会论文集》〔第四辑〕，北京：紫禁城出版社，年，第-页。
[2]陶磊：《中国传统建筑营造技术中金属材料的应用探析——以山西为例》，太原：太原理工大学，年。
[3]刘海峰，陈建立，梅建军：《河北徐水东黑山遗址出土铁器的实验研究》，《南方文物》，年，第1期，第-页。
摘自：《中国文物科学研究》，年，第3期，第43-53页。
故宫大高玄殿镊头钉的初步分析和工艺探究（二）四、讨论
大高玄殿从建造之初到现在，几经修缮，其修缮的历史状况可以从一些文献上看到有关的记载[1-4]。
1.大高玄殿镊头钉的材质、制作技术
关于古代钢铁制品材质的判定鉴定标准工作，国内外学者都进行了相关研究。英国学者劳斯特克（W.Rostoker）和德伏莱克（J.Dvorak）[5]、波兰冶金史专家皮亚斯科夫斯基（J.Piaskowski）[6]都提及古代钢铁制品材质的判定标准，分别指出古代钢铁制品里夹杂物中硅、铁比例以及锰的存在可用以鉴定其制造工艺过程。我国学者陈建立等也对古代钢铁材质的判定标准进行了归纳总结，指出钢铁制品的判定需从元素组成、金相组成、夹杂物形貌分布和成分等多方面入手[7]。
在中国古代获得熟铁的方法有三种。一是使用块炼铁冶炼技术直接获得熟铁即块炼铁,然后经过锻打成形，其成品中有数量较多的因锻造而变形的块炼铁炉渣夹杂。二是用生铁铸造成形再固态脱碳获得，其成品中留有铸造形成的夹杂物且夹杂物的成分与铸铁夹杂物相同；也可用生铁先行铸成板材固体脱碳成熟铁，再锻造成器，其成品中的夹杂物也因锻造而变形，夹杂物中保留有原铸铁夹杂物成分。三是以铸铁为原料炒炼获得，经锻造成形，有数量较多的炒炼过程形成的夹杂物并有因锻造而产生的变形。因此，可根据夹杂物成分、数量、形貌来判定熟铁制品是经过哪种途径获得的[8]。
目前研究中被判断为炒钢制品的夹杂物有两类，一类为复相夹杂，表现为浮氏体颗粒分布于硅酸盐基体上，形态及成分与块炼铁中的复相夹杂相似,其成因有学者解释为是由于炒钢过程中没有足够的硅与氧化亚铁形成铁橄榄石而形成[9]。另一类为单相硅酸盐夹杂，可能由生铁原料带入。此外有还有学者将两相之间分界不明显的复相夹杂称为“亚复相”夹杂，作为另一类炒钢夹杂物[10]。元素成分方面，由于生铁中的磷元素会在炒炼过程中被氧化，与铁、钙氧化物形成磷酸盐进入炉渣中，后期锻打也难以排出，因此炒钢夹杂物通常会含有磷,但成分上表现得不稳定均一[11]。如果生铁中含有锰元素，炒炼过程中也会被氧化而进入夹杂物中，作为判断炒钢工艺的一项标准。
通过对大高玄殿9个镊头钉18件样品的金相组织观察与扫描电镜能谱分析结果，可判断各类镊头钉的材质基本为纯铁，仅有一件为亚共析钢，含碳量低。夹杂物多为复相加杂，并因锻造而变形，推测这些镊头钉的原材料应为炒钢。
通过科学分析的结果及讨论可以看出，大高玄殿的镊头钉的制作体系较为简单。晶粒大小对金属的力学性能有很大影响，常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性和韧性也越好[12]。大高玄殿的铁器由于是加固用，并没有过多种类的材质，材质综合机械性能不高，表明铁器制作者对这类加固件的质量要求一般，满足木建的加固需求即可，说明大高玄殿铁器在满足使用的前提下，采用了最节省时间、人力以及物力的生产方式，这应当是明清营造技艺程式化的特征之一。由于大高玄殿进行了多次修缮，样品的具体年代尚有疑问，检测结果不能完全反映当时的冶金与金属加工技术的真实水平。
2.用煤炼铁及其影响
古代生铁中的硫主要有两个来源：一是来自矿石，有的磁铁矿常与黄铁矿（FeS?）共生，在冶炼时以FeS形式进入生铁；二是来自燃料，使用煤取代木炭炼铁，煤中含有有机硫化物及无机硫化物，使炉料中的硫含量成倍增加，由于炉渣的脱硫能力不高，因此有较多的硫进入铁中。文献研究和考古发掘的材料表明，宋代以前我国冶铁使用的燃料是木炭，用木炭炼铁时，铁中的硫主要来自矿石[13]。宋代用煤取代木炭炼铁解除了燃料短缺之忧，降低了成本，但铁中的硫含量有了大幅增加。
铁器中硫含量较高是采用煤炼铁的证据。因此S含量较高的样品是采用了煤炼铁。多数样品S含量普遍较高，最高可达4.33%，但样品1-2、2-1、3-2、8-2和器物19的S含量较低，表明同一镊头钉不同样品的硫的含量不同，这说明镊头钉的原材料不同,其燃料可能采用了木炭与煤。明代有文献记载炼铁用焦（礁）木炭炼铁与焦炭炼铁的含硫量存在什么关系，未有人做过研究，因此无法确切判定大高玄殿的铁器是用木炭炼铁还是焦炭炼铁。
3.部分铁器中的浮凸组织
在检测的古代钢铁制品中发现一些比较特殊的金相组织,浮凸组织（ghostingstructure）是其中的一种。所谓浮凸组织是样品在4%硝酸酒精浸蚀后，在金相显微镜下观察铁素体基体上出现不在同一平面上的浮雕状组织。浮凸组织大部分出现于含碳较低的铁素体组织中，并且全部为锻造制品。
铁矿石常含有磷，生铁冶炼过程中加入的石灰熔剂也常伴生有磷酸钙，因此，块炼铁或生铁，会含有一定量的磷。在古代钢铁制品中，随着含量的增加，磷以与铁形成固溶体、出现磷共晶等形式存在于基体组织中，产生磷偏析，出现浮凸现象[14]。
本文的样品中有一部分样品中有浮凸组织，同一样品Р含量不均匀，如器物19（图19、图20），19-1的局部区域明显出现浮凸组织，但19-2中并无浮凸组织。且不同样品之间P含量有差距，但无明显规律。镊头钉的夹杂物成分分析显示出两个特点：一是夹杂物种类和形貌基本一致；二是有的样品夹杂物中的S、P含量较高，表明这批铁器可能具有不同来源。大高玄殿和大高玄门样品的S、P含量高于后殿样品，推测取自这两类地点的镊头钉具有不同的原材料来源。
图19镊头钉19-1的金相组织图
图20镊头钉19-2的金相组织图
五、现代镊头钉制作工艺流程
根据以上检测结果，对为大高玄殿修缮项目新制传统镊头钉的生产作坊进行了工艺流程的考察，其生产作坊位于北京顺义区。为方便快捷制作镊头钉，生产作坊选用圆钢筋作为原材料，制作工艺采用传统手工锻打。目前市场上生产的镊头钉可根据粗细分为7、9、13、17.5、23、26厘米等规格，按钉头又可分为捼弯的（直角弯）、打帽的两种样式，也可以根据需求定制。此次定制的镊头钉全部按照大高玄殿原有镊头钉的样式，做成直角弯扁平状的一端。其制作过程如下图。
1.备料、抹炉、生火
首先根据加工的对象选择合适规格的铁料——钢筋，挑直并按照尺寸划料截断，用工具从钢筋横截面两侧向内各截1/3，再手动掰断剩余的1/3，这样能防止崩断时伤人（图21）。由于使用传统的炉灶进行打制，且炉面用一天会产生裂缝，故要提前进行抹炉，即在打制的前一天要用防火的灰料将炉膛内修抹一遍，并将炉条顺一遍。
传统锻打的火候完全靠经验掌控。生火到合适火候时，即将截断好的铁料放入炉中加热。加热过程中，使用炉灶的火门（亦称风门）来观察、控制火力大小。火门敞开越大，进风大，火力越旺。此时炉体温度一般控制在℃以上，但锻打各阶段火力控制不一样，且各种尺寸的镊头钉需要的火力不一样，一般大钉用大火，小钉用小火。如果火候控制不好如过旺，钉尖部容易熔化。
图21截料
2.烧料、锻打、定型
炉温达到条件后，先将铁料煅烧直至发红（图22）。然后取出放在铁砧上，举锤敲打定型，待其颜色变化和温度降低后，再放入炉中加热，这个过程称为打冷锤。一般先从下1/3处开始打一遍，用冷锤锤一遍搁回炉中后取出；再从上1/3处打一遍，使钉尖成型；接着再打剩下1/3的方棱，再打一遍冷锤放回炉中（图23）；烧红之后最后矮弯打扁，如此重复打四遍，直到打出镊头钉的四条棱和钉尖。大钉子一般最后打矮弯的部分，小钉子先用钳子持住打弯，再打其他各段（图24）。
图22烧料
图23锻打成型
图24打弯
3.冷却、定型
镊头钉打完之后需自然冷却，不能用水淬火。凡经淬火的铁件虽然硬度提高，但脆性变大，使用时容易崩坏。冷却后再打一遍冷锤并再轻打一遍，因为铁件冷却时，容易变形，此时打冷锤起着调直的作用，使其不易弯（图25）。
单个镊头钉，从入炉至打直角弯头，平均一个钉子制作耗时5至6分钟；若加上冷锤时间，平均一个需10分钟左右；若从一开始下料时间开始算起则更长（图26）。
根据国家标准（GB-），普通碳素钢钢筋分为低碳钢钢筋（含碳量低于0.25%），中碳钢钢筋（含碳量0.25%～0.7%）等。碳素钢中除含有铁和碳元素外，还带有硅、锰、磷、硫等元素。原材料经过加热锻打，其含碳量会有所下降，但仍会高于古代样品0.1%含碳量。同时因现代钢铁冶炼技术的进步,钢筋中磷、硫元素的含量低于0.%，所以现代镊头钉中的磷、硫元素的含量低于古代样品，现代制作镊头钉的原材料质量更好。
图25打冷锤调直
图26成品镊头钉
六、结论
通过对大高玄殿镊头钉样品的金相组织观察与扫描电镜能谱分析结果可以看出，镊头钉的材质质量不高，其综合机械性能较低。由于使用镊头钉的部位比较隐蔽，对钢性的要求较低，所以它们能够满足使用要求。镊头钉不同位置的样品形貌成分有差异，制作工艺均为锻打。制作镊头钉的原料为炒钢，并且具有不同来源。由于大高玄殿进行过多次修缮，所取样品可能分属不同的修缮年代，因此镊头钉所反映的不同时期的冶炼与金属加工技术需要进一步分析和研究。现代镊头钉生产作坊选用钢筋作为原料，材料质量高于古代材料。
[1]杨新成：《大高玄殿建筑群变迁考略》，《故宫博物院院刊》，年，第2期，第89-页。
[2]杨新成：《明清大高玄殿建筑史料表》，《紫禁城》，年，第1期，第35-41页。
[3]王建涛：《大高玄殿的沧桑岁月(下)》，《紫禁城》，，第8期，第20-27页。
[4]高换婷：《清代大高殿维修与使用的文献记载》，《故官博物院院刊》，年，第4期，第85-91页。
[5]RostokerW,DvorakJ.Wroughtlrons:DistinguishingBetweenProcesses,Archaeomaterials,,vol.4,pp.-.
[6]PiaskowskiJ.:DistinguishingbetweenDirectlyandIndirectlySmeltedlronandSteel,Archaeomaterials,,vol.6,pp.-.
[7]陈建立，韩汝吩：《汉晋中原及北方地区钢铁技术研究》，北京：北京大学出版社，年，第32-34页。
[8]杨菊，李延祥，于璞：《北京延庆胡家营遗址出土铁器的科学分析》，《广西民族大学学报》（自然科学版），年，第20卷，第1期，第37-43页。
[9]黄全胜：《广西贵港地区古代冶铁遗址调查及炉渣研究》，广西：漓江出版社，年。
[10]陈建立，韩汝吩：《汉晋中原及北方地区钢铁技术研究》，北京：北京大学出版社，年，第32-34页。
[11]杨菊，李延祥，赵福生等：《北京昌平马刨泉长城戍所遗址出土铁器的实验研究——兼论炒钢工艺的一种判据》，《中国科技史杂志》，年，第35卷，第2期，第-页。
[12]崔忠折，覃耀春：《金属学与热处理》，北京：机械工业出版社，年，第52-53页。
[13]李秀辉，刘建华，姚建芳，韩汝珊：《北京金陵遗址出土铁器的金相学分析》，北京：文物出版社，年。
[14]陈建立，韩汝玢，今村峰雄：《古代钢铁制品中的浮凸组织》，《文物保护与考古科学》，年，第11期，第11-17页。
摘自：《中国文物科学研究》，年，第3期，第43-53页。
采稿：万小方
一校：彭金荣
二校：唐奕文
编辑：石川
审核：安瑞军
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