中国掌握并应用生铁冶铸技术较早，早在春秋战国时期，先民便已发明了生铁冶炼术；至唐宋时期，铸造工艺达到鼎盛，匠人们不仅掌握了复杂的范铸技术，更在白口铸铁的退火处理上积累了丰富经验。这一时期的铁质文物，如铁经幢、铁狮、铁牛及各类铁质造像，以其造型雄浑、纹饰精美而著称。特别是常德地区流传的铸造工艺，选用优质白口生铁浇铸薄壁构件，历经千年风霜，部分表面仍保持黝黑光亮，展现了极高的冶金成就。

‌常德铁经幢‌（原称“金刚塔”），位于湖南省常德市滨湖公园，始建于北宋建隆年间（960年—963年），原位于湖南省常德市德山乾明寺旧址，1979年迁到常德市城区滨湖公园，1982年被列为全国重点文物保护单位。铁经幢是中国现存唯一的北宋仿木结构铁质经幢，是研究我国古代宗教建筑和冶炼技术的重要实物资料。

该经幢采用分层浇铸、榫卯拼接的结构，壁薄而坚，工艺精湛。然而，自20世纪80年代以来，由于自然灾害与人为因素影响，该文物遭受了严重破坏，不仅形体断裂，更因周边工业化发展，长期暴露于含有硫化物、氮氧化物等酸性污染物的工业大气中。如何对这类遭受物理化学双重损伤的薄壁铸铁文物进行科学修复，成为文保界亟待解决的难题。

保护难题：铸铁焊接与耐候性的技术瓶颈

白口铸铁的焊接性缺陷：白口铸铁组织中含有大量的渗碳体，硬度极高但脆性大，塑性极低。在修复过程中，若采用常规的钢制焊条或普通生铁焊条进行焊接，面临着巨大的技术风险。热裂纹敏感性：焊接过程中，熔池冷却速度快，铸铁内部巨大的内应力无法释放，极易在焊缝中心或热影响区产生热裂纹。白口化与硬化：焊接热循环会导致半熔化区冷却速度过快，析出大量硬脆的共晶渗碳体，使得焊接接头难以进行后续的打磨与整形。色差与不兼容：普通填补材料与古代铸铁的化学成分（碳当量、微量元素）差异巨大，导致修复后不仅颜色斑驳（“打补丁”痕迹明显），且由于热膨胀系数不同，极易在温差变化下发生二次炸裂。

复杂的环境腐蚀机理：室外文物处于干湿交替、冻融循环的复杂环境中。对于涉水或海洋环境下的铁质船舰文物，还面临氯离子的强穿透性腐蚀以及海洋生物（藤壶、藻类等）的吸附侵蚀。吸附腐蚀：海洋生物的代谢产物往往呈酸性，会直接破坏金属表面的保护层，形成局部点蚀。传统涂料的失效：常规的防锈漆往往难以渗透进铸铁表面的微孔隙中，且耐候性有限，数年后便会氧化、剥落，失去保护作用。因此，研发一种“成分与母体相近、可焊性优良、具备自愈合防锈功能”的新型修复材料体系，是解决上述难题的关键。

修复实践：材料改性与工艺创新

针对上述难题，项目团队经过长期实验，建立了一套包含“新型材料制备—精细焊接工艺—复合封护涂装”的全流程修复技术体系。

新型白口铸铁修补材料的研制：为了解决修补材料与文物母体的兼容性问题，团队以废弃的白口可锻铸铁为基料，通过微合金化技术制备了新型修复材料。基料选择：选用含碳、硅、锰、硫、磷等元素比例稳定的废弃白口可锻铸铁，确保基体组织与古代铸铁相近。微量元素改性配方：在基料中定量引入“多维改性元素组”。具体配比如下：铜（0.4%）：提高基体的耐大气腐蚀能力，促进珠光体细化；钒（0.6%）和镍（0.4%）：细化晶粒，提高材料的韧性和抗裂性；铝（0.6%）和锌（0.2%）：起到脱氧作用，并利用锌的电位特性提供一定的阴极保护效应；钴（0.2%）：改善高温性能与磁性稳定性。

熔炼与热处理工艺：将混合配料置于石墨罐中，经1600℃高温熔化充分合金化后，浇注成型。冷却后，关键步骤是进行300℃的焖火炉时效退火。这一过程消除了铸造内应力，使组织更加均匀，为后续的焊接提供了优良的力学基础。

低应力冷焊与补配工艺：修复的核心在于将破碎的残片与新制备的补配材料融为一体。本研究采用“冷焊”工艺，严格控制热输入。坡口制备与预热：对文物断面两侧进行清理，打磨成V形坡口以增加熔合面积。焊前对施焊部位进行局部预热，温度严格控制在300℃-400℃。这一温区既避免了过高温度导致母体组织恶化，又有效降低了焊缝与母材的温差应力。

施焊策略：定位点焊：先将裁剪吻合的修补材料通过点焊固定。焊材匹配：使用MG289等镍基或铁镍基焊条作为过渡，同时创造性地在熔池中加入铁丝或熟铁焊条。熟铁中富含的铁素体及微量元素能有效稀释焊缝中的碳含量，利用“铁素质缓解应力”的原理，极大降低了裂纹敏感性。参数控制：焊接电压调制在180V左右，采用短弧、断续焊，焊后立即锤击焊缝释放应力。效果体现：实践证明，该工艺焊接的接头平缓顺直，无热裂与冷裂现象。焊缝处经打磨后，色泽黝黑光亮，与文物本体浑然一体，且由于微量元素的引入，焊缝区具备了优异的耐腐蚀性能，不会出现“焊缝先锈”的现象。

传统与现代结合的阻锈耐候封护：针对室外及海洋环境，研发了一种基于天然植物油改性的复合防锈封护剂。基料复配：采用湘西北天然桐油与茶油按9∶1比例混合。桐油具有极强的聚合性，干燥后形成坚韧漆膜；茶油则具有良好的渗透性与抗氧化性。

三段式熬制工艺：高温聚合：270℃高温煮沸，促使油分子初步聚合。中火改性：200℃中火熬制10分钟，稳定油品性质。文火提纯：120℃文火慢熬30分钟，确保水分完全挥发。功能增强：施工前，在防锈油剂中按10∶1的比例加入漆包线绝缘漆（或湘西北生漆），再加入特制瓷粉。绝缘漆的引入显著提高了涂层的绝缘性与致密性，阻断了电化学腐蚀通路，特制瓷粉则主要起防锈、抗锈、阻锈缓蚀、耐候和抗防冲撞等功能。涂装效果：该混合油剂渗透力极强，能渗入铸铁表层的微孔隙中，干燥后形成的膜层硬度高、附着力强，耐酸碱、耐盐雾，且具有良好的光泽度。

实验验证与性能评估

为验证上述修复体系的可靠性，我们设置了多组对比实验，将新型白口铸铁材料与传统标准白口铸铁（KTB400-05牌号）进行性能对标。

耐腐蚀性对比实验：实验条件：将两组试样经打磨去氧化皮后，完全浸泡于10%的盐酸溶液中。

实验结果：传统材料组：浸泡24小时后，溶液变浑浊，试样表面出现明显的腐蚀坑，168小时后表面生成大量铁锈，颜色发生褐变。新型材料组：浸泡168小时后，试样表面依然光洁，无明显锈蚀产生，溶液相对清澈。结论：微量元素（Cu,Al,Zn等）在基体表面形成了致密的氧化保护膜，显著提升了材料在酸性环境下的抗蚀能力。

焊接强度与破坏性实验：实验方法：分别使用传统生铁焊条和本研究的“加铁丝/熟铁冷焊工艺”对接头进行拉伸与冲击测试。观察结果：传统焊接组在冷却过程中即听到由于收缩应力导致的“炸裂声”，并在显微镜下观察到微裂纹；破坏性测试中，断裂多发生在焊缝结合面。而新型工艺组焊缝平整，敲击声音清脆，破坏性测试中焊缝未开裂，断裂发生在母材其他部位，证明焊接强度高于或等同于母材。

冻融与耐候性实验：涂层测试：将涂刷生桐油、熟桐油及复合防锈油剂的样片进行20次反复冻融循环（模拟室外极端温差）。结果：生桐油组在10次循环后开始起皮生锈；熟桐油组在18次后失效；而复合防锈油剂组经20次循环后，漆膜依然完整，无剥落与锈蚀，证明其满足千年室外文物的耐候性要求。

未来展望与应用推广

从经幢修复迈向海洋工程：本研究虽然始于常德铁经幢的修复，但其核心技术——耐候性高强铸铁材料及防腐涂层，具有极强的普适性。特别是该复合防锈油剂（桐油+绝缘漆体系）与抗裂腻子配套使用时，在含盐量高的海洋环境中表现优异。实验表明，该涂层能有效防止藤壶、贝类等海洋生物的吸附（海生物附着1-2天后自然脱落），这一特性对于古船舰文物的船底保护及现代钢制船舶的防污漆研发具有重要的参考价值。

行业标准的推动：目前，国内在可锻铸铁文物的修复材料方面尚缺乏统一的国家标准。本研究提出的材料配方与焊接工艺，填补了室外薄壁铸铁文物“无痕修复”的技术空白。未来，建议进一步量化焊接热输入参数与微量元素的影响机理，推动相关技术标准的制定。

通过冶金学原理与传统工艺的结合，团队成功实现了一种高强度、耐腐蚀、可焊接的铸铁文物修复方案。这不仅让破碎的铁经幢重现昔日神采，更为我国大量散落于野外或沉没于水下的铁质文化遗产提供了一条科学、长效的保护路径。随着技术的成熟，其在大型工业遗产保护及海洋防腐领域的应用潜力将进一步释放。

（作者单位：中国建筑科学研究院 常德青慧源建筑工程有限公司）