Kim loại chảy vào khuôn: nguyên lý đúc đồng qua chiếc trống Đông Sơn

Đúc đồng là nấu đồng cho chảy lỏng rồi rót vào một khuôn rỗng; kim loại nguội đi và đông cứng theo đúng hình lòng khuôn. Khác với rèn phải đập từng nhát, đúc cho ra cả một vật phức tạp như chiếc trống có hoa văn chỉ trong một lần rót. Cái khó nằm ở khuôn: phải chịu được kim loại nóng hơn 1.000 °C, phải có lối cho khí thoát ra, và phải tính trước việc đồng co lại khi nguội.

Bài này dùng chiếc trống đồng Đông Sơn làm ví dụ để giải thích nguyên lý đúc. Nấu kim loại là việc chỉ thợ đúc làm ở xưởng có trang bị; phần thử ở cuối bài dùng nước đá và khuôn làm đá trong tủ lạnh.

Đồng, đồng thiếc và đồng thau

Đồng nguyên chất màu đỏ cam, mềm, nóng chảy ở khoảng 1.085 °C. Người xưa sớm nhận ra rằng trộn đồng với thiếc thì được một hợp kim cứng hơn, chảy ở nhiệt độ thấp hơn và chảy loãng hơn, rót vào khuôn dễ hơn. Hợp kim ấy gọi là đồng thiếc, tiếng Anh là bronze. Thời đại các dân tộc biết làm đồ bằng đồng thiếc được gọi là thời đại đồ đồng.

Kim loại	Thành phần chính	Tính chất	Hay gặp ở
Đồng đỏ	Đồng gần nguyên chất	Mềm, dẫn điện tốt, khó đúc	Dây điện, nồi đồng
Đồng thiếc	Đồng pha thiếc, có khi thêm chì	Cứng, đúc tốt, ngân vang	Trống đồng, chuông, tượng
Đồng thau	Đồng pha kẽm	Màu vàng, dễ gia công	Lư hương, tay nắm cửa, nhạc cụ hơi

Các nhà khảo cổ phân tích trống đồng Đông Sơn thấy phần lớn là đồng pha thiếc, nhiều chiếc có thêm chì. Chì giúp kim loại lỏng chảy vào được những rãnh hoa văn nhỏ.

Chiếc trống đồng: một bài toán đúc khó

Văn hoá Đông Sơn phát triển ở vùng đồng bằng sông Hồng, sông Mã, sông Cả cách nay khoảng 2.000–2.700 năm. Người Đông Sơn để lại những chiếc trống đồng nổi tiếng. Trống đồng Ngọc Lũ, một bảo vật quốc gia, có mặt trống rộng gần 80 cm, trên đó là ngôi sao ở giữa và nhiều vòng hoa văn: chim bay, người giã gạo, nhà sàn, thuyền.

Để đúc một chiếc trống như vậy, thợ phải làm được:

• Một chiếc trống rỗng ruột, thành mỏng chỉ vài li, không thủng chỗ nào.
• Hoa văn nhỏ, nét mảnh, hiện rõ trên mặt trống.
• Tất cả trong một lần rót, vì đồng nguội rất nhanh.

Cho tới nay, các nhà nghiên cứu vẫn còn bàn luận về đúng kỹ thuật làm khuôn của người Đông Sơn: dùng khuôn đất nhiều mảnh ghép, hay có dùng sáp ở một số công đoạn. Điều chắc chắn là họ đã làm chủ một kỹ thuật rất cao cho thời ấy.

Khuôn ngoài, lõi trong và khoảng trống ở giữa

Muốn đúc một vật rỗng như trống hay chuông, thợ cần hai phần khuôn:

1. Lõi: một khối đất có hình đúng bằng phần rỗng bên trong vật.
2. Khuôn ngoài: một vỏ đất bọc bên ngoài, mặt trong có hình mặt ngoài của vật, kể cả hoa văn khắc ngược vào.
3. Khoảng hở: giữa lõi và khuôn ngoài chừa một khe đúng bằng bề dày thành vật. Đồng lỏng sẽ chảy vào khe này.
4. Con kê: những mẩu nhỏ chèn giữa lõi và khuôn để khe hở đều mọi phía. Trên một số trống đồng còn thấy dấu những con kê này.
5. Lỗ rót và lỗ thoát khí: một miệng để rót đồng vào, và vài lỗ nhỏ để không khí trong khe thoát ra.

Khuôn phải được nung hoặc sấy thật khô trước khi rót. Chỉ một chút nước còn lại trong khuôn, gặp đồng nóng hơn nghìn độ sẽ hoá hơi tức thì, có thể làm kim loại bắn ra ngoài. Đây là một trong những nguy hiểm lớn nhất của nghề đúc.

Khuôn sáp: đúc một lần, khuôn mất luôn

Một cách làm khuôn khác, dùng được cho các vật nhiều chi tiết như tượng, gọi là đúc khuôn sáp:

1. Nặn mẫu bằng sáp ong, khắc hoa văn trên sáp.
2. Phủ nhiều lớp đất mịn lên mẫu sáp, để khô.
3. Nung khuôn. Sáp chảy ra ngoài qua một lỗ, để lại khoảng rỗng đúng hình mẫu.
4. Rót đồng vào khoảng rỗng ấy.
5. Đập vỡ khuôn đất lấy vật đúc ra.

Mỗi khuôn sáp chỉ dùng được một lần, nên mỗi vật là một chiếc riêng. Đổi lại, thợ tạo được những chi tiết mà khuôn ghép nhiều mảnh khó làm. Ngày nay nhiều xưởng còn dùng khuôn cát trộn chất kết dính, làm nhanh và dùng cho vật cỡ lớn.

Kim loại co lại khi nguội

Hầu hết kim loại co lại khi nguội và đông đặc. Nếu thợ không tính trước, vật đúc sẽ có những vết lõm, lỗ rỗng bên trong, hoặc nứt ở chỗ thành dày mỏng chuyển đột ngột. Thợ đúc xử lý bằng mấy cách:

• Đậu ngót: một khối kim loại dư ở trên lỗ rót, nguội sau cùng, liên tục "châm" thêm kim loại lỏng xuống bù cho phần đang co. Đúc xong thì cắt bỏ.
• Thành dày đều: tránh chỗ quá dày cạnh chỗ quá mỏng.
• Làm khuôn to hơn một chút: để sau khi co lại vật vừa đúng kích thước.

Thú vị là nước làm ngược lại: nước nở ra khi đông thành đá. Đó là lý do chai nước để quên trong ngăn đá có thể nứt. Phần thử ở cuối bài sẽ cho bạn thấy điều này.

Rót đồng: vài phút quyết định cả tháng làm khuôn

Ở các làng đúc, ngày rót đồng là ngày quan trọng. Thợ nấu đồng trong nồi nấu chịu lửa, thổi gió cho than cháy mạnh, hoặc dùng lò điện ở xưởng hiện đại. Khi đồng lỏng sáng rực và đủ loãng, thợ hớt bỏ lớp xỉ nổi trên mặt, rồi rót đều tay, không ngắt quãng, cho tới khi kim loại dâng lên tận miệng lỗ rót. Ngắt quãng giữa chừng là trên vật đúc có thể xuất hiện một đường nối hở.

Sau khi nguội, thợ phá khuôn, cắt bỏ phần đậu rót, rồi mài, giũa, đánh bóng. Với chuông, thợ còn phải nghe tiếng ngân. Với cồng chiêng, thợ ở làng Phước Kiều (Đà Nẵng) nổi tiếng về việc dùng búa gõ chỉnh âm từng chiếc.

Làng đúc đồng ở Việt Nam

Ngũ Xã ở Hà Nội là làng đúc đồng nổi tiếng, nơi từng đúc nhiều pho tượng đồng lớn. Tống Xá ở vùng Ý Yên (Ninh Bình) đúc tượng, chuông, đỉnh. Phước Kiều làm đồ đồng và cồng chiêng. Nhiều làng thờ Nguyễn Minh Không, vị thiền sư thời Lý, làm tổ nghề đúc đồng.

Nếu bố mẹ đưa đi xem, nhớ rằng lò nấu và khu rót là vùng cấm. Đứng ở chỗ thợ chỉ, xa khu rót, đi giày kín, không chạm vào vật đúc vừa ra khuôn. Bảo tàng Lịch sử Quốc gia ở Hà Nội là nơi xem trống đồng Đông Sơn an toàn và gần gũi nhất.

Thử làm: "đúc" nước đá và quan sát

1. Đúc đá có hoa văn

Dùng khay làm đá hình ngôi sao, hình tim, hoặc khuôn silicon làm bánh có hoa văn. Đổ nước đầy tới miệng, để vào ngăn đá. Sau vài giờ, lấy ra và xem viên đá có giữ được những nét hoa văn nhỏ không. Đó là việc người thợ đúc mong muốn: kim loại lỏng điền đầy từng rãnh nhỏ nhất của khuôn.

2. Nước nở, đồng co

Đổ nước vào một hộp nhựa mềm có nắp tới đúng một vạch dán băng dính. Đặt vào ngăn đá qua đêm. Sáng ra, mặt đá cao hơn vạch hay thấp hơn? Có khi mặt đá còn nhô lên thành một gò nhỏ ở giữa. Nước là chất hiếm hoi nở ra khi đông. Đồng thì ngược lại, co lại khi đông, nên thợ đúc phải thêm đậu ngót để bù. Không dùng chai thuỷ tinh cho thí nghiệm này vì có thể vỡ.

3. Bọt khí trong khuôn

Đổ nước vào một khuôn có hoa văn sâu thật nhanh, và một khuôn khác đổ thật chậm, từ một góc. Sau khi đông, soi viên đá: viên nào có nhiều bọt khí bị nhốt hoặc góc nào không đầy? Thợ đúc làm lỗ thoát khí chính là để tránh điều này.

Câu hỏi thường gặp

Đúc đồng là gì?

Đúc đồng là nấu đồng hoặc hợp kim đồng cho chảy lỏng rồi rót vào khuôn. Kim loại nguội đi, đông cứng theo hình lòng khuôn. Cách này cho ra những vật phức tạp như trống, chuông, tượng chỉ trong một lần rót.

Trống đồng Đông Sơn làm bằng gì?

Phần lớn trống đồng Đông Sơn làm bằng đồng pha thiếc, nhiều chiếc có thêm chì. Thiếc làm hợp kim cứng hơn và dễ đúc hơn đồng nguyên chất, chì giúp kim loại chảy vào được những rãnh hoa văn nhỏ.

Đúc khuôn sáp là gì?

Đúc khuôn sáp là nặn mẫu bằng sáp, phủ đất ngoài, nung cho sáp chảy ra để lại khoảng rỗng, rồi rót kim loại vào. Mỗi khuôn chỉ dùng một lần vì phải đập vỡ để lấy vật đúc. Cách này hợp với tượng nhiều chi tiết.

Đồng thau và đồng thiếc khác nhau thế nào?

Đồng thau là đồng pha kẽm, màu vàng, hay dùng làm lư hương, tay nắm cửa. Đồng thiếc là đồng pha thiếc, cứng và ngân vang, dùng đúc trống, chuông, tượng. Cả hai đều là hợp kim của đồng.

Vì sao khuôn đúc phải thật khô?

Nước còn trong khuôn gặp kim loại nóng hơn 1.000 °C sẽ hoá hơi tức thì và nở ra rất mạnh. Hơi nước có thể làm kim loại lỏng bắn ra ngoài, gây bỏng nặng. Vì vậy thợ luôn sấy hoặc nung khuôn kỹ trước khi rót.