铜表面技术_铜表面技术
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论三大发明专利技术对铜金属表面处理的重大影响
杭州金星铜工程有限总公司
朱军岷
铜是可锻性金属，掌握一定的先进技术，可锻、刻、铸成各种优美的艺术品，我国使用铜制品的时代久远，从出土和留传下来的铜器艺术品来看，工艺精湛，造型别致，非常精美，流传着中华 5000 年青铜器文化史，可惜许多技艺已经失传，无从知晓。今天，我们既要继承和发掘先人的宝贵文化，又要创造性地运用现代科学技术，使这一青铜文化艺术发扬光大。有必要集中精力研究和开发铜金属表面处理技术，充分利用原铜所有的优越性能，注入高新技术，提升铜艺术品的艺术价值、历史价值和经济价值。所以，必须重视和研究铜金属表面处理技术，才能继承、保护和发展铜雕艺术。
一、弄清铜的有关技术特性，更大范围地研究和开发铜工程铜艺术文化产业。首先，测算铜的腐蚀程度：铜的熔点 1083 ℃，线膨胀系数 17 × 10-6 ℃。按腐蚀程度的理论计算方法，在海洋盐雾大气中，年腐蚀量为0.9 微米。设想，2 毫米 厚的铜板腐蚀掉 1 毫米 后，一般仍能保质原有功能。则 1 毫米 的腐蚀年限为 1000 微米÷ 0.9 ＝ 1265 年。考虑至铜瓦表面有保护层及杭州的大气略好于海洋盐雾大气，铜制品的寿命应超过上述年限。
其次，铜的材质选用青铜板，青铜板年腐蚀量： 0.25 微米，不到紫铜年腐蚀量的三分之一。这样室外铜制品的寿命达 1265 年× 3 ＝ 3795 年。选用青铜板在制作成本上略有增加（约为 8% 左右），但在防腐蚀性上能取得数倍之功效。
第三，铜与其他粘接物的腐蚀问题，经查阅《化工设计手册》化学工业出版社出版中有关腐蚀数据及选材中查到铜材在硫与铵元素侵袭下有腐蚀性，其它元素无腐蚀性。水泥砂浆主要成份 CaCO 3（碳酸钙）Ca(OH)2（氢氧化钙），正因为水泥对金属无腐蚀作用，因此钢筋混凝土才能成为主要的建筑材料。所以水泥砂浆对铜构件无腐蚀作用。
根据上述特性，铜板可以模压成型，按总设计方案做成各种规格、光洁、平直的板材；铜板可以铭雕花纹图案，并能达到最大的建筑平面；铜板可以氧化着色，与自然氧化一致永远不会变化；铜板可以自由伸缩，确保其不受热胀冷缩的损害。
二、从传世铜器上看铜的耐腐蚀性，不断提高铜制品的使用寿命及其利用价值。铜是人类历史上第一次用科学的方法冶炼出来的金属，其优良的物理、化学性能成为人们最珍爱的材料之一。铜的耐腐蚀性，古往今来大量的传世铜器中可证实这一点。1、“塔及金字塔内一段铜水管虽历经五千年时光流转，仍能淌出潺潺清流。”－－《新民晚报》文“铜：人类永远的朋友。”
2、安阳出土距今三千五百年的“司母戊大方鼎”，青铜铸的商代兽面纹、夔龙花纹依旧清晰可辩。3、古希腊青铜雕像《海神波赛东像》 1926 年在一海域中发现，是距今 2500 年的作品，在高腐蚀性的海水中浸泡 2000 余年，仍无大的伤害。古罗马时期大量青铜器传世均说明青铜的优良抗蚀性。
4、中国历史上四大铜殿的建筑包括铜瓦在内的青铜构件，距今已四百余年，均完好无损。
5、建于百年前的美国自由女神在 1996 年大修时“据美国与修复巨型铜像的专家介绍‘她的肤色至今看上去还是那么艳丽清新，壁厚腐蚀减薄量近百年内总共只有 0.1 毫米'”，微乎其微，除其钢架腐蚀严重外，紫铜锻雕的铜像“本体几乎完好无损”。6、建于 1951 年的上海中苏友谊大厦（现称上海展览中心）40 米 高的铜制镀金塔，由我公司维修，内部钢架腐蚀严重，而 0.8 毫米的薄铜板几乎无损，全部可重新使用，据上海古建专家估计尚可再用 500 年。
三、三大发明专利技术开发和应用，使铜金属表面处理技术进入先进行列，开辟了一个新的艺术门类。
铜雕的表面处理技术，在专利上还是空白。自 2002 年朱炳仁发明了铜雕专利技术，其新颖性和创造性被国内外公认，他拥有全部知识产权。经查自中国专利法发布以来 17 年间 146 万件专利申请中，铜雕发明专利技术是唯一的一件。引起了行业专家的高度重视，铜金属表面处理的三大专利技术使铜表面处理面貌焕然一新。
1、“多层次锻刻铜浮雕品和彩色铜雕”发明专利技术，把铜雕推向彩浮艺术：涉及到铜饰面板、底瓦、筒瓦、铜包柱、金属斗拱等工程。该发明专利技术首次大规模应用于工程上，用锻打技术和刻雕技术解决古建筑铜雕艺术的美学需求，锻与刻的不同技术形成不同高度的层次和层面，有利于铜表面处理上的多种色泽的隔离、封闭和融汇，使彩色铜雕的新技术在实践中得到了实现。同时，克服了该工程铜构件结构形状复杂、参差、品种不一，数量极多的难题。根据仿南宋建筑的设计要求，枋、柱、梁、拱均为双曲面多曲面形状，尤其是月梁的形状，是多异型曲面相交结构，历代古建筑中均为木制构件，这次用铜板成型完全是新材料、新工艺、新技术的成功之举。由于铜构件的多曲面上要艺术图案，按常规技术施工，因图案保护不全，渗蚀严重，造成图案破损，线条支离破碎的困难，有了这项发明专利技术，将锻打与蚀刻工艺有机结合，在锻打工艺上采用机械锻打模压成型，电脑控制高压水切割成型相结合的工艺，在工艺上采用电脑刻版，感光去膜等多种新工艺，顺利攻克完成了铜构件结构与艺术上的结合，从此铜雕有了多层、多面的锻浮立体，给人以真实、形象、清晰的感觉。在多层立体的基础上，进行铜表面着色，也是一次复杂的工艺，古时候没有彩色铜雕，这项专利技术催生了彩色铜雕，是以铜金属表面的化学转化膜处理工艺为主，辅以彩色涂层工艺，转化膜是指金属表面外层原子与适当介质的阴离子反应，在金属表面生成的膜层，转化膜的形成是人工诱导及控制的腐蚀过程，也就是在特定环境条件下铜表面色泽在大气尘中的化学物质影响下，因逐渐腐蚀而使其氧化变色的长期过程，使其在短时间变色，并有意识地使其新变化的色泽不仅稳定、牢固，并符合要求的金属转化膜，这就是彩色铜雕的形成。
在诸多的铜工程中达到了色泽一致，稳定不变的效果，在上海外滩第一樘铜门，盘谷银行铜门、北京人民大会堂香港厅铜门及其雷峰塔铜扶栏等铜艺术构件就是最好的例子。2、“紫金铜刻雕”发明技术，把铜雕推向环境装饰。涉及到唐玄奘求法图、临安胜迹图、西湖博览图、天地大棋盘等大型铜壁画。这项发明技术，借鉴石雕的阴刻、阳刻及西洋铜版画的表现手法，铜金属表面运用多层氧化着色，并对立体画面进行鎏金、鎏银，整幅画面呈现金色、银色、铜色的金属自然本色和谐结合地配合。可制作出大型铜壁画，这是中外金属表面处理技术难以跨越的屏障，世界上几乎没有见到一幅上百米平方的彩色铜壁画，这项专利技术实现了几个世纪以来的追求。
这一表面处理技术，做到了四个结合：一是与自然本色相结合，从实际材质出发，也就是说按本色表面处理，把“竹报平安鉴青史”的铜壁画，用化学前处理，不喷涂，以简、竹叶、青铜镜、金文为元素，画、字、铜色连成一体，突出“以铜为鉴，可正衣冠，以古为鉴，可知兴替，以人为鉴，可明得失”，达到了久藏不变，耐腐可观铜壁画的目的；二是与多种工艺相结合，铜金属表面处理应用叠加、镶合、交融等现代科技手段，把锻铜、铸铜、刻铜进行化学表面处理，采用高反差光感技术，可刻成各种大型铜壁画；三是与清洗、喷砂、涂膜相结合，形成一种固体表面化学反应。其结构也可能保持被氧化表面的某些结构特征。例如，氧化物可以在金属的某一特定取向上以外延方式生长。当铜的表面是（110）时，其表面 Cu 2 O 有相同的取向，即 Cu 2 O 中的（110）表面平行，Cu 2 O 中的（110）方向与铜的（110）方向平行。在银的（110）面和（111）面上氧化在 Ag 2 O 时，也观察到了类似的外延生长方式。然后逐渐向周围区域扩散，一直到将表面覆盖；四是与预氧化工艺相结合，在试制过程中会遇到氧化色泽与深层色泽混合和附着力差的难题，可将铜板进行活化前处理，采取抛光及乳化剂浸清方式提高金属表面的化学活性，增强对涂料的附着力。将图案处理成设计要求的仿古金属色泽，为了防止氧化液对涂层造成腐蚀，可弱碱配方的渍洗液对产品进行清洗，使金属表面的色纯度和色明度长期不发生变化。在许多铜工程构件表面处理得到了应用。
现在，大型铜壁画品种之多，分布之广，是几代传人之最，成为宾馆、会场、展馆、庭园、别墅、景区的永久性装饰艺术品，得到了社会各界人士的认可和赞誉。3、“多重蚀刻仿铸铜”发明专利技术，把铜雕推向建筑工程。涉及到铜塔铜殿、铜桥铜船、铜门铜窗、铜亭铜庙、铜街铜墙等，从而改变了“小作坊”、“小产品”、“小生意”的传统局面，让工艺美术走向市场。这项发明专利技术，是铜金属表面处理上的重大突破，主要是化学蚀刻在金属表面形成图文，对点、线、面进行数控蚀刻，以洒溅方式使液滴分布在刻面，形成非规则的保护层，再进行多重蚀刻，得到非规则凸斑缺损层面，至少有一个深度层有涂层。2005 年被列入国家重点新产品，铜板经过多重蚀刻化学表面处理，局部再次蚀刻，表面结构发生变化，成斑点、砂面、深纹、古绿、仿铸。其主要有四大优势：第一呈青铜色，这寓意着时光流逝，文物出土的设计理念。目前，许多单位采用这种专利技术的铜基板，如首都历史博物馆 3000 多平方米，武汉琴台大剧院 10000 平方米，台湾台中金陵山寺祖师庙 3000 多平方米、四川峨眉山金顶铜殿 20000 平方米。取代了大理石、玻璃板、铝合金等幕墙板，深受用户的欢迎；第二解决了铜构件的联接、抗震、散热、阻燃等技术难题，据查《铜资料手册》，欧美等国用薄铜板制作屋顶和漏檐等防雨水构件已有多年传统，在北欧甚至用它作墙面装饰。铜耐大气腐蚀，并逐渐自然风化而演变成高雅的古铜绿色，也可以着色处理成各种诱人的色泽。现在，经过多重蚀刻，仿铸铜表面处理的铜板作屋顶要胜于欧美等国，具有强度高、美观、耐用、防火、省维护、易成复杂形状、好安装、可回收等一系列优点，不但在古建筑物上，而且在现代的许多公用建筑、银行、教堂、会展中心、商业大厦以及住宅楼房上的应用也越来越多；第三，消除材料的二次污染。所以铜幕墙装饰板是较理想的环保材料，其中环境中的浓度一直处于安全界限之内。又因铜可以循环使用，不产生垃圾，而再生铜可保质原铜所有的优越性能，更可贵的是铜在装饰或再生过程中不产生有害物质及废物，也不会对周围环境造成光污染；第四防腐性能好，采用先进的化学处理，加速幕墙装饰板氧化，复合铜幕板，经过多重蚀刻表面处理，即可达到理想的青铜色效果。铜在化学活性排序位很低，仅高于银、铂、金，因而性能极稳定。铜在大气中还会生成氧化铜膜，防止铜进一步氧化腐蚀。所以当许多同时期的铁制器早已锈迹斑斑，甚而变成氧化物化为灰烬时，铜依然性能良好。铜的这种耐腐性，在建筑方面得到了广泛的应用。在西方铜屋顶是高档建筑的首选建筑屋顶，在供水和供暖系统中更是独占鳌头。本专利产品，经过特殊多重蚀刻的氧化处理，黄铜色变成稳定的青铜色，这层特殊的保护膜和保护幕墙板表面免受大气污染和雨雪侵蚀，阻止黄铜深度氧化，提高色彩的耐久性，保质青铜本色；第五，自身重量轻，提高结构稳定性。目前市场上的幕墙材料自重大，有安全隐患。如果用纯铜做幕墙板也同样承重。分析比较如下：纯铜密度为 8.9 × 10 3 ㎏ / ㎡，多重蚀刻仿铸铜密度为 1.8 × 10 3 ㎏ / ㎡。若采用同厚度、强度相差无几的杭州金星铜工程有限总公司的专利产品多重蚀刻仿铸铜板（1000 × 340 × 5 ㎜）替代纯铜幕墙板，则结构自重减轻 80%，即可提高结构的稳定性，并给施工安装带来较大方便，同时该板材是本公司生产的，平整度好，安装简便，可随时调整平面角度。上述三大发明专利技术，改变了铜金属表面处理的传统结构，注入了现代技术，提高了铜雕的科技含量，从小日用铜制品，走向铜工程市场，并开创了铜建筑新行业，已遍布全国，走向世界，运用三大发明专利建造了杭州雷峰塔、桂林铜塔、常州天宁宝塔、灵隐铜殿、武汉琴台大剧院。台湾金陵山祖始庙、四川峨眉山金顶铜殿、西湖龙凤铜船、绍兴山阴道上公路铜桥等中国当代十大铜建筑工程，以及自主创新的大型铜壁画、超薄铜书票、书艺铜画、铜工艺品。对这些铜工程铜艺术，国家鉴评专家指出“随着时间的推移，将会成为极有收藏价值的文物珍品。”铜金属表面处理的三大专利技术发明人朱炳仁也“必将载入我国乃至世界铜雕艺术史册。”。
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