آلیاژ برنز (مفرغ) چیست و چگونه برنز اصل را تشخیص بدهیم؟

برنز چیست؟

مفرغ یا برنز، آلیاژی از مس و 12 تا 12.5 درصد قلع است. البته این ترکیبی است که به طور معمول در بیشتر آلیاژهای برنزی مشاهده می شود و در مواردی، ممکن است درصد قلع آلیاژ از 30 درصد نیز فراتر رود.

در اکثر موارد، عناصری مانند آلومینیوم، منگنز، روی، نیکل، فسفر، سیلیکون و آرسنیک نیز ترکیب آلیاژ اضافه می شوند. شکل گیری این ترکیبات آلیاژی، سبب پدید آمدن ساختار فلزی بسیار مستحکم تر و داکتیل تر از مس خالص می شود.

نامگذاری آلیاژ برنز، برای خود داستان پر ماجرا و گیج کننده ای است! به طوری که برخی از انواع برنج ها را نیز برنز می نامند! اما بدانید که در اصطلاح عامیانه، آلیاژ مس و قلع به نام برنز شناخته می شود. این آلیاژ پرآوازه، در ایران باستان به نام مفرغ مشهور بوده است که هنوز هم این نام روی آن مانده است.

از کاسه های گران قیمت کلیسا تا فنجان های ساده نوشیدنی …

این آلیاژ از پیشینه تاریخی قابل توجهی برخوردار است. مفرغ، در زمان های بسیار دور و همزمان با آشنایی اولیه انسان با فلزات یعنی حدود 4500 سال قبل از میلاد تولید شد. زمانی که سومری ها، سنگ مس و کانی های همراه آن را در كوره ها به همراه آلیاژهایی با دمای ذوب پایین، ناخواسته ذوب می کردند.

این محصولات مذاب در ته گودال ها و یا كوره ها جمع می شدند و بدین ترتیب بود که انواع مفرغ ها تولید شدند. به عقیده بسیاری از مورخین، مفرغ اولین آلیاژی است که انسان ساخته ‌است. این آلیاژ چون سخت ‌تر از هر دو فلز مس و قلع است و حداقل ۶۷ درصد مس دارد، برای ساختن چاقو، نیزه و چنین ابزارهایی به کار گرفته می شد.

اما استفاده های جدیدتر و مدرن تر این آلیاژ، به کشور انگلیس نسبت داده می شود. جایی که در ابتدا، از برنز برای ساخت کاسه جهت استفاده در کلیساها استفاده می شد. پس از آن بود با ساخت بشقاب، فنجان و لوازم خانگی، کم کم پای این آلیاژ به منازل و کاربردهای عمومی نیز باز شد، تا جایی که اشخاص ثروتمندتر به استفاده از ظروف نقره ای روی آوردند و استفاده از ظروف مفرغی فقط مختص طبقه متوسط جامعه شد!

در قرن 14، در کشور فرانسه از آلیاژ مفرغ برای ساخت ظرف های نوشیدنی، بشقاب، نمکدان و قابلمه های غذا استفاده می شد. در همین قرن، کشور آلمان کارخانه ای مرتبط با تولید محصولات مفرغی تاسیس کرد. سپس در بلژیک، هلند، سوئیس، روسیه و اسکاندیناوی هم ظروف مفرغی تولید شده و مورد استفاده قرار گرفتند.

اما تاریخچه استفاده از این آلیاژ در ایران به چه زمانی باز می گردد؟

سرزمین ايران نیز دارای سابقه ای بسيار طولانی در ذوب سنگ معدن و استخراج فلز مس بوده است. بنابراین کشور ما نیز در تولید این آلیاژ دستی بر آتش داشته است! آثار مشاهده شده در دشت قزوين که متعلق به 4500 سال پيش از ميلاد است، شاهدی بر این مدعاست.

همچنین در مناطقی از تپه علی کش دهلران، تپه سيلک، تل ابليس در بخش مرکزی رشته کوه های کرمان و کاوش ها بمپور و شهداد نیز نمونه هایی از ظروف برنزی یافت شده اند که بیانگر استفاده ایرانیان از این آلیاژ در آن دوران بوده است.

اما يکی از مناطق شاخص ايران در تولید برنز ، ناحيه لرستان و اطراف آن است. شواهد موجود اشاره به فلزکاری لرستان از هزاره چهارم قبل از ميلاد دارد. مجموعه اشيای فلزی منسوب به لرستان از نيمه قرن گذشته توسط محققين و پژوهشگران مختلف بسيار مورد توجه قرار گرفته و زينت بخش اکثر موزه‌ های بزرگ جهان شده است.

اهميت هنر مفرغ کاری لرستان، فقط منحصر به کاربردهای خانگی یا جنگی نبوده است. بلکه در بطن این هنر، انتقال سنن، مفاهیم و موضوعات مشترک مذهبی اجداد ما در طول نسل ها جای داشته است و این موضوع را به خوبی می توان از یادگارهای به جای مانده از آن دوران دریافت!

دیاگرام فازی برنز؛ دستور کار تولید …

بررسی نمودار تعادلی آلیاژ Cu و Sn نشان می دهد که با افزایش عنصر قلع نقطه ذوب آلیاژ کمتر می شود. از این رو می توان نتیجه گرفت با افزایش عنصر قلع در آلیاژ برنز، سختی و استحکام آلیاژ افزایش و انعطاف پذیری آن کاهش می یابد.

به همین این دلیل است که برنزهای ریختگی معمولی حداکثر ۲۵ درصد قلع دارند. همچنین برای افزایش انعطاف پذیری آلیاژ، عناصر مختلفی به آن اضافه می شوند که از جمله مهم ترین آن ها می توانیم سرب، روی و فسفر اشاره کنیم. افزودن این موارد به آلیاژ برنز، باعث افزایش سیالیت مذاب و سهولت ریخته گری آن می شوند.

7

دقیــقه مطالعه

ریخته گری چیست؟ انواع و روش های ریخته گری

ریخته گری (casting) یکی از فرآیند های تولید است که طی آن یک ماده مذاب درون یک قا...

خواص آلیاژ برنز

• برنزها معمولا آلیاژهایی داکتیل هستند که تردی آن ها به طور قابل ‌توجهی کمتر از چدن است. معمولا اکسیداسیون برنز فقط به صورت سطحی اتفاق می افتد. زمانی که یک لایه مس اکسید شده و به کربنات مس (CuCO₃) تبدیل می شود، قسمت های زیرین این لایه، از خوردگی محافظت می ‌شود.
• این فرایند را به خوبی می توان در مجسمه ‌های دوران Hellenistic مشاهده کرد. با این حال، اگر سر و کله عنصر کلر در محیط پیدا شود، قضیه کمی متفاوت می شود.
• در این حالت، به جای کربنات مس، کلرید مس (₂CuCl) شکل می گیرد و یک نوع خوردگی به نام بیماری برنز (bronze disease) پدید می آید. این خوردگی در نهایت به طور کامل آلیاژ را از بین خواهد برد!
• آلیاژهای مبتنی بر مس، نقطه ذوب کمتری نسبت به فولاد یا آهن دارند و به راحتی از فلزات سازنده خود تولید می ‌شوند. برنزهای معمول حدودا ۱۰ درصد از فولاد چگال تر هستند. اما آلیاژهایی با وجود آلومینیوم و یا سیلیکون ممکن است کمی چگال تر از فولاد باشند.
• آلیاژ مفرغ، در مقایسه با فولاد هادی بهتری برای گرما و الکتریسیته است. اما در مجموع، هزینه تمام شده آلیاژهای پایه مس بالاتر از فولاد است.
• نقطه ذوب مفرغ بسته به نسبت اجزای آلیاژ فرق می‌ کند، اما به طور حدودی در ۹۵۰ درجه سلسیوس ذوب می شود. این آلیاژ معمولا غیر مغناطیسی است، اما آلیاژهای ویژه‌ ای حاوی آهن یا نیکل ممکن است خواص مغناطیسی داشته باشند.

انواع برنز (بر حسب عناصر آلیاژی غیر قلع)

انواع برنز (بر حسب مقدار قلع)

تفاوت برنز با برنج چیست؟

از جنبه ظاهری، هر دو آلیاژ برنج و برنز بسته به ترکیب آلیاژی که با مس تشکیل می دهند، با طیف رنگی از قرمز مسی تا زرد دیده می شوند. اما در ظاهر برنز، حلقه های خفیف سطحی دیده می‌شود و سطح ناهموارتری نسبت به برنج دارد. در واقع برنج صیقلی ‌تر و صاف تر از برنز است.

از لحاظ سختی، برنز نسبت به برنج سخت ‌تر است و استحکام بیشتری دارد. اما همین سختی بیشتر، باعث شده تا میزان شکل پذیری آن کمی کمتر از برنج باشد. برنز دوام بالاتری در شرایط آب و هوایی مختلف دارد و مقاومت به خوردگی آن نیز بیشتر از برنج است.

از نظر قیمت، قطعات برنزی نسبت به محصولات و کالاهایی با جنس آلیاژ برنج گران قیمت تر هستند. بنابراین در بازار فلزات، برنز از برنج کمیاب‌ تر است. برنز چگالی بالاتری نسبت به برنج دارد و سنگین تر از آن محسوب می شود. به همین دلیل، در ساخت مجسمه‌ ها و اشیای دکوری از آن استفاده می‌ شود.

از آن جایی که برنز معمولا حاوی آهن نیست و آهنربا به آن نمی ‌چسبد، تشخیص این دو فلز در بازار ممکن است کمی دشوار باشد. از این رو در قسمت بعد، ما راهکارهایی برای تشخیص برنز ارائه خواهیم داد.

نحوه تشخیص برنز اصل از برنز تقلبی چگونه است؟

در بازار فلزات ایران و بعضی کشورهای دیگر، معمولا آهن، آلومینیم و زاماک را آبکاری می کنند و به عنوان برنز به مشتری ها می فروشند! مطمئنا می دانید که بدترین فلز برای ساخت وسائل تزئینی، آهن است. برای همین، در این قسمت راه هایی جهت تشخیص برنز را از این فلز به شما یاد می دهیم.

راه تشخیص آهن با روکش برنز بسیار ساده است. کافی است یک آهن ربا در مجاورت کالا قرار دهید. اگر آهن ربا جذب محصول شد، قطعا از آهن ساخته شده است و پوشش برنز شده است.

فلز دیگر که ممکن است به عنوان برنز به فروش برسد، آلومینیم است. راه تشخیص این دو فلز از هم، چگالی (سنگینی) آن هاست. چگالی آلومینیم ۲٫۷۰ گرم بر سانتی متر مکعب و چگالی برنز ۸٫۴ گرم بر سانتی متر مکعب است. یعنی در حدود ۳ برابر! بنابراین اگر دو محصول یکسان یکی از جنس برنز و دیگری از جنس آلومینیم باشد، وزن کالای برنجی در حدود ۳ برابر بیشتر از محصول آلومینیومی است.

اما آلیاژ زاماک، نه جذب آهنربا می شود و نه تفاوت قابل تشخیصی از نظر وزن و چگالی با برنز دارد! زاماک آلیاژی از روی و آلومینیم و سرب و مقادیر اندکی از  دیگر عناصر است که رنگ آن سفید است. بهترین راه تشخیص زاماک و برنز، استفاده از روش های آنالیز مانند آنالیز XRD است.

از مفرغ برای چه کاربردهایی استفاده می شود؟

• یکی از مناسب ترین زیرلایه ها برای آبکاری نیکل و کروم
• ساخت وسایل تزیینی، ظروف پذیرایی و لوسترها
• ریخته گری و مجسمه سازی
• ساخت ابزارهای سوارکاری
• ساخت بلبرینگ، یاتاقان بوشینگ و ابزار انتقال قدرت در موتور خودرو
• ساخت سازهای موسیقی
• ساخت پروانه‌ های کشتی
• مقاطع مقاوم در برابر سایش
• محصولات الکتریکی

در انتهای این مطلب، از شما دعوت می کنیم تا به تماشای ویدئویی که در خصوص معرفی این آلیاژ تهیه شده، توجه نمایید.

منابع

ASTM B124 / B124M – 15. ASTM International. 2015.

A. Alavudeen; N. Venkateshwaran; J. T. Winowlin Jappes (1 January 2006). A Textbook of Engineering Materials and Metallurgy