TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM ĐỒNG CỦA CÁC DI VẬT VĂN HÓA VIỆT NAM

Sơ lược kỹ thuật luyện kim, chế tác hiện vật văn hóa chất liệu đồng và hợp kim đồng

Trước khi nghiên cứu kỹ thuật luyện kim, xin lược qua các mốc lịch sử kỹ thuật, vừa là nhân tố cơ bản làm chuyển biến xã hội, vừa là thành tựu đạt được dựa trên môi trường xã hội đó.

Thời đại kim khí ở Bắc Việt Nam bắt đầu từ Văn Hóa Phùng Nguyên cách nay khoảng 4000 năm. Trải qua các giai đoạn Phùng Nguyên (4000 – 3500 BP), Đồng Đậu (3500-3200 PB), Gò Mun (3200-2700 BP), Đông Sơn 2700 PB – 300 AD). Trong đó giai đoạn rực rỡ nhất là Văn hóa Đông Sơn, đã tạo ra các vật phẩm văn hóa trừu tượng về tư duy, tinh xảo về mỹ thuật, điêu luyện về kỹ thuật thể hiện trên các chiếc trống đồng, thạp đồng mà cho đến nay vẫn còn nhiều nghiên cứu, thực nghiệm cả về khoa học nhân văn và khoa học kỹ thuật nhưng cũng chưa giải hết.

Tiếp sau là thời kỳ Bắc thuộc kéo dài từ TK 1 đến cuối TK 9, thời kỳ đen tối này hầu như không để lại thành tựu nào về kỹ thuật. Ngoại trừ chút ít loại gốm tráng men thường không trang trí hoa văn, chất liệu kém, xương gốm xốp là nhân tối mới, còn lại tất cả các kỹ thuật khác như luyện kim, mỹ thuật đều giảm sút nghiêm trọng. Tuy nhiên trong giao thương cũng có nét tiến bộ hơn đó là việc sử dụng tiền kim loại để trao đổi mua bán hàng hóa thay cho hình thức hàng đổi hàng trước đây.

Giai đoạn tự chủ bắt đầu từ Nhà Đinh thế kỷ 10 đến cuối nhà Nguyễn (1945) trong đó yếu tố mới về kỹ thuật luyện kim bắt đầu xuất hiện khi giao lưu với phương Tây. Đinh Tiên Hoàng (968-980) là triều đại đầu tiên cho đúc tiền Việt Nam với loại tiền Thái Bình Hưng Bảo. Khởi đầu của giai đoạn tự chủ thời Lý, Trần mỹ thuật, kỹ thuật được phục hưng. Cùng với các vật liệu kiến trúc, điêu khắc, gốm sứ, các vật phẩm bằng hợp kim đồng cũng xuất hiện trở lại. Tiêu biểu là nhóm trống Hòa Bình, đồ thờ cúng như chuông, khánh, lưu hương, đỉnh đồng và ấm đồng. Nếu coi Chăm Pa trong Việt Nam thống nhất thì không thể không nhắc đến nhóm tượng đồng thờ các vị thần, các linh thú...

Sang thời Lê, Nguyễn các vật phẩm đồng to và hoành tráng hơn như súng thần công, chuông, khánh, cửu đỉnh trong cung đình Huế hay tượng phật ở đền Quán Thánh, Hà Nội. Dưới góc độ luyện kim thì nhân tố mới xuất hiện đó là hệ thống tiền kẽm bắt đầu từ nhà Trịnh kéo dài đến tận cuối nhà Nguyễn. Việc sử dụng hợp kim đồng kẽm là một nhân tố mới trong lịch sử luyện kim đồng. Ngoài ra loại di vật “tam khí” như kiếm đồng cẩn vàng, bạc, đá quý, hay đồ cốt đồng tráng men trang trí ở loại hình lọ hoa cũng là những nét mới.

Trong giai đoạn kim khí trên đất nước ta có 2 vùng có kỹ thuật luyện kim phát triển. Vùng sớm hơn ở phía bắc thuộc hệ thống văn hóa Phùng Nguyên – Đồng Đậu- Gò Mun- Đông Sơn có quan hệ mật thiết với Vân Nam, Lĩnh Nam (nam Trung Quốc) theo hệ thống sông Hồng, sông Đà và tương đồng về niên đại. Những tài liệu khảo cổ học hiện nay cho thấy cho tới giai đoạn trung kỳ hay hậu kỳ của thời Tây Chu, hiện vật đồng tìm thấy rải rác ở miền Trung và miền Tây Quảng Đông, miền Đông Quảng Tây (Linduff và tập thể 2000: 166-167). Mặt khác, những địa điểm nơi có hiện vật đồng nằm trong khung thời gian từ 3000 đến 1500 năm trước công nguyên tập trung ở miền bắc, đông bắc và tây bắc Trung Hoa. Như vậy, có thể thấy rằng đồ đồng miền Bắc Việt Nam muộn hơn đồ đồng bắc Trung Hoa song sớm hơn đồ đồng tây nam Trung Hoa và tương đương với đồ đồng đông nam Trung Hoa.  Luyện kim Băc Trung Hoa sớm nhất từ thế kỷ 28 đến thế kỷ 21 trước công nguyên. Phần lớn là những hiện vật nhỏ làm bằng hợp kim đồng thiếc, đồng axenic trong những khu vực hạn chế, nơi có quặng đồng hay dọc theo dải quặng đồng.

Hệ thống văn hóa Đồng Nai với những chứng tích tìm được khuôn đúc đồng hai mang bằng sa thạch tại Bưng Bạc, Dốc Chùa, Hàng Gòn, Cù Lao Rùa...Thành phần hợp kim ở đây thuộc loại 3 thành phần Cu-Pb-Sn và Cu-Sn-Pb. Theo so sánh loại hình rìu cho thấy hệ thống luyện kim Đồng Nai có quan hệ về kỹ thuật luyện kim với đông bắc Thái Lan theo hệ thống sông Mê Kông. Cho đến nay, vấn đề nguồn gốc quặng để luyện đồng ở Việt Nam vào giai đoạn kim khí vẫn còn chưa được biết rõ. Việc nghiên cứu kỹ thuật luyện từ quặng ra đồng đồng nguyên liệu chưa được hiểu rõ. Trong tất cả các nước ở Đông Nam Á, mới chỉ có Thái Lan là nơi phát hiện được những vết tích của hoạt động khai khoáng đồng có niên đại khoảng 3000 năm cách ngày nay tại địa điểm Non Nok Tha và Bản Chiềng (đông bắc Thái Lan).

Kết quả phân tích thành phần hóa học của các hiện vật đồng cổ cho thấy hầu hết đều có kim loại quý như Au, Ag vẫn nằm trong hợp kim chưa được tách ra. Các kim loại Cr, Ni có hàm lượng vết, rất ít. Người ta vẫn chưa biết liệu vào giai đoạn kim khí ở Việt Nam đã biết luyện quặng chưa hay chỉ thông qua trao đổi các đồ đồng cũ hay đồng nguyên liệu và rồi chỉ tham gia vào công đoạn đúc, chế tác sản phẩm. Trong Bản quốc sản xứ ký (dẫn trong Dư địa chí của Nguyễn Trãi) và Lịch chiều hiến chương loại chí của Phan Huy Chú cho biêt hàng chục tên mỏ đã được khai thác ở Thanh hóa, Thái Nguyên, Tuyên Quang, Lạng Sơn, các mỏ có trữ lượng nhỏ, nông hoặc lộ thiên [17]. Hiện nay vấn đề nghiên cứu nguồn gốc quặng đồng vẫn đang được tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu về thành phần đồng vị Pb tại các mỏ quặng cũng như trên hiện vật để có dữ liệu đối sánh.

Đồng và hợp kim đồng

Theo tiêu chí phân loại các thành phần nào có hàm lượng từ 1% trở nên được coi là yếu tố nhân tạo, được con người phối trộn vào tạo thành hợp kim. những thành phần có hàm lượng nhỏ hơn được cho là tạp chất. Dựa vào hàm lượng thành phần người ta viết hợp kim theo thứ tự từ nguyên tố nhiều nhất đến nguyên tố thấp nhất.

Theo phân loại hợp kim đồng  hiện đại được phân ra làm 3 loại cơ bản:

- Đồng đỏ (copper) là đồng nguyên chất có hàm lượng 99% trở nên.

- Đồng thanh (bronze) là hợp kim đồng thiếc Cu –Sn.

- Đồng thau (brass) là hợp kim đồng kẽm Cu –Zn

Tuy nhiên ngoài những hơp kim trên, trong các hợp kim cổ có tới khoảng hơn 10 loại hợp kim, với thành phần có thể lên đến 4-5 thành phần.

Trong lịch sử giai đoạn kim khí thì những văn hóa phát triển sớm như vùng Cận Đông, Lưỡng Hà như Xiri, Ai Cập, Palextin, bán đảo Crit bắt đầu từ giai đoạn đồng đỏ và phần lớn Cu-Sn thay thế Cu-As. Ở Anatoni Cu-As xuất hiện vào thiên niên kỷ V trước công nguyên, ở Châu Âu vào nửa đầu thiên niên kỷ thứ II trước công nguyên, ở Xibiri vào hậu kỳ đồng thau (chủ yếu trong văn hóa Karaxuc). As là một chất làm giảm độ nhớt của hợp kim đồng, với một lượng vài phần trăm giúp cho khả năng loang rộng của “nước đống” điền kín khuôn, tránh những lỗi thủng, thiếu của hiện vật [43]

Các vật phẩm đồng thuộc văn hóa Phùng Nguyên, Đồng Đậu ở nước ta tiếp nhận kỹ thuật luyện kim muộn hơn ở giai đoạn đồng thau (Cần hiểu giai đoạn đồng thau trong lịch sử là Cu-Sn, khác với định nghĩa đồng thau là Cu-Zn của nghành luyện kim hiện đại). Việc chuyển từ hợp kim đồng đỏ sang Cu-Sn là cuộc cách mạng kỹ thuật luyện kim lần thứ nhất bởi lẽ đồng đỏ có nhiệt độ nóng chảy 1086oC nên nó dễ dàng bị đông đặc khi đúc gây khó khăn cho việc đúc các hiện vật có kích thước lớn. Mặt khác các dụng cụ, khuôn muẫu, nồi đúc đòi hỏi phải chịu được nhiệt độ 1200oC [17]. Nếu  thêm 15% Sn thì hệ etectit Cu-Sn nóng chảy ở 960oC, nếu thêm 25% thì độ nóng chảy xuống còn 800oC [62].

Cuộc cách mạng luyện kim lần thứ 3 diễn ra vào thời nhà Nguyễn, đó là việc đưa Zn vào hợp kim Cu-Zn. Kẽm được Lê Quý Đôn dùng chữ a diên, bạch tín để gọi nguyên tố này. Về việc đúc tiền kẽm, theo Lê Quý Đôn chép lại Chúa Nguyễn Phúc Khoát “Mua của Tây Dương (Hà Lan) chì trắng (tức là kẽm) để đúc tiền...” [47]. Zn được du nhập vào Việt Nam năm 1746 để đúc loại tiền kẽm còn hợp kim Cu-Pb-Sn-Zn (62,1%-18,45%-5,7%-3,07%) của đồng tiền Chiêu Thống Thông Bảo (1787-1788) là chứng cứ đầu tiên hiện biết về sự có mặt của Zn trong hợp kim đồng. Do đặc điểm đồng thường được tái sử dụng đúc lại nên yếu tố Cu-Pb-Sn còn được bảo lưu và giảm dần. Trên đồng tiền Gia Long Thông Bảo (1802-1819) có thành phần hợp kim là Cu-Zn (61,61%: 36,9%). Cho đến nay thì hầu hết vật phẩm được đúc bằng hợp kim Cu – Zn.

Về mặt hóa học Zn có tính chất gần giống với Sn là nguyên tố lưỡng tính nhưng hoạt động hơn vì vậy mà hợp kim Cu-Zn dễ bị ăn mòn hơn Cu-Sn.  Về mặt màu sắc thì hợp kim Cu-Sn cho màu đồng sáng, phản quang mạnh còn Cu-Zn cho màu đồng vàng kiểu kim loại Au. Qua những bằng chứng khảo cổ học cho thấy Cu-Sn có hàm lượng Sn cao (> 20%) được dùng để đúc gương soi rất phổ biến. Hợp kim này được gọi với một từ riêng là hợp kim đồng thiếc cao (bronze hight tin). Hợp kim này sau khoảng 2000 năm để lại một lớp patina bóng, đẹp nhất đối với các loại đồ đồng sâu tuổi và được gọi là “ten gương”. Hợp kim Cu-Zn cũng có nhiệt nóng chảy tương đương Cu-Sn khoảng 900oC nhưng giá giẻ hơn rất nhiều. Về giá trị kinh tế Sn đắt nhất sau đó đến đồng, tiếp đến là chì, rẻ nhất là kẽm. Theo thông báo giá tại Sở giao dịch kim loại London (LME) ngày 4/9/2007 giá các kim loại như sau: Zn 3050 USD/tấn, Pb 3185 USD/tấn, Cu 7405 USD/tấn, Sn 15.360 USD/tấn. Kể từ khi nhập khẩu kẽm, trong lịch sử tiền kim loại Việt Nam, lần đầu tiên có các quy định về thành phần hợp kim để đảm bảo đồng tiền không bị mất giá. Vua Minh Mạng năm thứ nhất quy định về hợp kim đúc tiền: “đồng đỏ 49%, kẽm 45%, chì 6%”, năm thứ 3 quy định “đồng 52%, kẽm 44%, thiếc 4%” [47]. Giá thành của Zn rẻ hơn giúp cho việc sản xuất và ứng dụng hợp kim Cu-Zn trở nên phổ biến hơn, đáp ứng cho những tiến bộ kỹ thuật từ thế kỷ 18 đến ngày nay.

Trong các thiết bị kỹ thuật đòi hỏi chịu mài mòn, các hóa chất công nghiệp ngày nay đã có một số hợp kim đồng mới với tên gọi là “đồng trắng” là hợp kim của Cu-Ni-Cr, hợp kim “đồng trắng” này chưa được dùng phổ biến toàn xã hội  thay thế hợp kim Cu-Zn hiên nay đang dùng, cũng như chưa đủ thời gian trải nghiệm để được tổng kết là một cuộc cách mạng lần thứ 4. Bước đầu có thể ghi nhận là những cải tiến kỹ thuật.

Ngoài vấn đề thành phần hợp kim thì kỹ thuật gia công chế tác cũng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng đồng. Vật phẩm văn hóa bằng đồng và hợp kim đồng được chế tác bằng kỹ thuật đúc, kỹ thuật nguội là chủ yếu. Kỹ thuật thủy luyện kim bằng hóa chất hay điện phân là kỹ thuật mới ít áp dụng với các vật phẩm văn hóa. Việc tạo hình cho một sản phẩm chỉ bằng kỹ thuật nguội như rèn, cán, rập, gò, tán, miết, đánh bóng... chiếm số lượng nhỏ. Kỹ thuật gò được áp dụng với các loại chiêng, mâm, xô, chậu và đây là kỹ thuật sơ khai nhất để chế tạo các vật liệu đơn giản. Với kỹ thuật này thì yêu cầu tính dẻo của đồng nên thường sử dụng đồng đỏ. Kỹ thuật cán rập được áp dụng đầu tiên vào loại tiền thuộc Pháp (tiền Nam kỳ thuộc Pháp - CochinChine: 1874-1885; tiền Liên bang Đông Dương –IndoChine: 1885-1954). Việc áp dụng các kỹ thuật nguội làm chặt hợp kim và giảm bề mặt tiếp xúc của hiện vật với môi trường do đó nâng cao chất lượng đồ đồng.

Khi nghiên cứu kim tướng học dưới kính hiển vi phóng đại 90-400 lần cho thấy với đồng đỏ không qua khâu rèn tùy theo tốc độ đông cứng mà hạt có dạng và kết cấu khác nhau; dạng hình trụ dọc theo tuyến truyền nhiệt (tốc độ đông cứng nhanh), dạng gần tròn (tốc độ đông cứng chậm). Khi vật được rèn thì hạt bị biến dạng, với độ 5%-7% thì trên tinh thể xuất hiện các vết trượt, từ 25%-30% thì các tinh thể vỡ vụn và trải dài theo hướng biến dạng của vật; độ biến dạng từ 50% trở lên thì cấu trúc có dạng sợi. Khoảng nhiệt độ mà cấu trúc này tồn tại từ 20oC đến 400oC. Từ 405oC trở lên gọi là rèn nóng có sự tái tạo lại cấu trúc tinh thể, các tinh thể nhỏ vừa tạo thành vây quanh các tinh thể cũ có kích thước lớn hơn. Rèn nóng trên 676oC cấu trúc tái tạo tinh thể hoàn toàn, các hạt có đường kính từ 0,05 –0,08mm, trên 900oC các hạt có đường kính 0,2mm. Với đồng đỏ chỉ cần thêm Pb trên 0,03-0,05% hoặc Bítmút (Bi) trên 0,005% thì rèn nóng sẽ tạo nên những vết sạn, thế nhưng cũng với các thành phần trên có thêm As hoặc Antimon (Sb) thì lại chịu được rèn nóng.

  Với hợp kim Cu-Sn đúc có dạng nhánh cây bởi các tiểu phần có độ đứng cứng khác nhau. Cu-Sn 2-5% có thể rèn nguội với độ nén 80-90%, nếu Sn cao hơn 5% trở lên khó rèn nguội, vật dễ bị rạn nứt bởi kết tinh dạng mạnh Cu31Sn8 có màu xanh da tời. Lượng Sn lớn hơn 30% thì không thể rèn nóng cũng như rèn nguội. Sau khi rèn nóng cấu trúc ban đầu được thay thế bằng cấu trúc hạt nhỏ với một lượng lớn các song tinh còn các cùng tích thì bị kéo dài theo hướng biến dạng nhưng vẫn để lại dạng nhánh cây rõ nét, trừ phi độ biến dạng của vật quá cao.

Với hợp kim Cu-Pb-Sn khi đông đặc tách ra thành hạt xen lẫn trong cấu trúc dạng cây, tốc độ đông cứng càng nhanh thì các hạt càng bé và ngược lại. Pb không ảnh hưởng đến độ dẻo hoặc lảm giảm chứ không làm tăng độ dẻo của Cu-Sn. Nếu thêm Pb trên 5% thì nó làm giảm tính chất cơ học của hợp kim. Cu-Sn-Pb với lượng Pb từ 0,03-0,05% có độ dòn nóng cao, không thể rèn nóng được. Lượng Pb từ 1-3% làm tăng độ chảy lỏng và độ kín của vật đúc, do vậy mặc dù cơ tính của hợp kim giảm song vẫn phù hợp với yêu cầu sử dụng và trình độ kỹ thuật, kinh tế xã hội giai đoạn văn hóa Đông Sơn nên lại được dùng phổ biến [42].

Đối với lĩnh vực bảo quản cũng cần lưu ý hiện tượng đa chất liệu, đa thành phần ở ngay trên một hiện vật, hiện tượng này gây phức tạp thêm cho vấn đề bảo quản chẳng hạn như dao sắt có đai đồng, kiếm lưỡi sắt chuôi đồng. Loại hiện vật đa chất liệu này cần được bảo quản với các hóa chất tương ứng cho từng bộ phận [23]. Thậm trí ngay trên trống đồng các con kê để đúc trống bằng đồng đỏ còn thân trống bằng hợp kim Cu-Pb-Sn. Do yêu cầu kỹ thuật phải dùng các con kê bằng đồng đỏ có nhiệt độ nóng chảy cao, không bị hòa tan vào “nước đồng” để giữ định vị khoảng cách giữa khuôn trong và khuôn ngoài của trống nhưng sau 2000 năm cho thấy chính sự khác nhau về thành phần giữ các con kê và thân nên tại các vị trí này bị gỉ mạnh và rơi rụng các con kê ra khỏi trống.

Về vấn đề luyện quặng thành đồng nguyên liệu thời đại kim khí tài liệu của Việt Nam còn ít ỏi, mới đây tại địa điểm khai quật Đình Tràng (Cổ Loa, Hà Nội) năm 2010 cho thấy có các yếu tố thể hiện sự luyện quặng như nồi nấu, mảng thành lò có lỗ thổi lửa, quặng, đá vôi, than tro, xỉ đồng nhưng để có kết luận chính xác cần đợi thêm các kết quả phân tích thành phần hóa học. Tại Khao Wong Prachan (Trung tâm Thái Lan), di chỉ này có niên đại 500 năm tr.cn đến 500 năm s.cn, tìm được xỉ quặng (hàng nghìn kg) và nồi nấu quặng. Loại quặng ở đây dạng hỗn hợp malachit CuCO3. Cu(OH)2  và chalcopyrit CuFeS2. Người ta cũng đã tiến hành thực nghiệm luyện quặng đồng theo phương pháp cổ. Hỗn hợp được thêm vào quặng đồng bao gồm có chất trợ dung là đá vôi CaCO3, chất trợ chảy là cát  SiO2, chất khử và cũng là chất đốt là than củi đập nhỏ, quặng đồng đập nhỏ được chộn lẫn cùng. Gió được thổi vào phần nồi lò ở phía trên đốt cháy than và khử quặng. Các mẩu đồng nhỏ sẽ nằm lại ở khoang trên, xỉ đồng chảy xuống khoang đáy ở dưới. Những mẩu đồng kim loại dính xỉ sau đó được đập loại xỉ và có thể nấu chảy để làm phôi đồng hoặc trộn với các kim loại khác để đúc vật phẩm [91].

Tư liệu về luyện quặng đồng ở Việt Nam còn chưa rõ ràng nhưng tư liệu về luyện quặng sắt sớm có niên đại khoảng 2500 -2000 cách ngày này thì đã rõ ràng. Tại di chỉ Lung Leng (Sa Thầy, Kon Tum) và Đại Lãnh thuộc văn hóa tiền Sa Huỳnh và Sa Huỳnh đã phát hiện được quặng và xỉ quặng (hàng trăm kg), lò nung. Qua các phân tích hàm lượng sắt trong quặng và trong xỉ  Lung Leng cho thấy quặng sắt ở đây thuộc loại tốt có hàm lượng sắt 72%. Quá trình luyện quặng được thêm vào chất trợ chảy FeSiO3. Chất trợ chảy này vừa chứa SiO2 nhưng lại có hàm lượng Fe khoảng 20% nên việc lựa chọn chất trợ chảy này là một kinh nghiệm tốt. Hiệu suất của quá trình luyện quặng là 28% [31].  Chúng ta cũng đã tiến hành thực nghiệm luyện quặng đồng theo kỹ thuật cổ tại làng luyện sắt truyền thống Nho Lâm (Nghệ An). 100 kg quặng được trộn thêm 5kg xỉ lấy ở lò rèn (SiO2), 100kg than củi cho ra 31kg sắt xốp, sau đó được dùng búa tạ rèn nóng loại bỏ xỉ bám dính và tạo thành khối sắt đặc. Hiệu xuất luyện sắt la 31% [21]. So với kỹ thuật hiện đại ngày nay thì ngoài chất trợ chảy SiO2 còn cho thêm chất trợ dung là CaCO3. Hiệu suất ngày nay có thể thu được tới 98% [38]. 

Bài viết trên đây là những chia sẻ của chúng tôi về lịch sử ra đời của hợp kim đồng, qua đó có thể thấy chất liệu đồng đã có từ rất lâu trước đó và luôn nằm trong top những chất liệu đáng sử dụng hiện nay. Ngoài ra, nếu quý khách hàng muốn tìm mua các sản phẩm về hợp kim để gia công dao tiện, khuôn mẫu. Quý khách có thể liên hệ với chúng tôi thông qua các hình thức sau. Công ty Văn Thái chúng tôi chuyên cung cấp các linh kiện và tất cả các loại hợp kim theo yêu cầu của khách hàng để sản xuất dao phay gỗ, với mã hợp kim đa dạng như: YG6, YG6Z, YG8, YG3X, YG15C, YG20C, YG25C...

Lựa chọn Văn Thái và các sản phẩm do Văn Thái cung cấp quý khách sẽ vô cùng hài lòng vì chúng tôi có:

• Dịch vụ giao hàng nhanh
• Hậu mãi tốt
• Sản phẩm giá thành hợp lí, chủng loại đa dạng

Hãy nhấc máy lên và gọi ngay cho chúng tôi theo số hotline: 094 124 7183 hoặc email: linhkienvanthai@gmail.com