آلیاژ برنج
آلیاژ برنج یکی از شناخته‌شده‌ترین گروه‌های آلیاژی مس است که به‌دلیل رنگ جذاب، قابلیت شکل‌دهی مناسب و تنوع زیاد در ترکیب شیمیایی، در صنایع مختلف جایگاه مهمی دارد. این آلیاژ با تغییر درصد روی و همچنین افزودن عناصر دیگر، می‌تواند از یک فلز نرم و خوش‌کار به آلیاژی مقاوم‌تر و تخصصی‌تر تبدیل شود.
خواص فیزیکی
برنج یک آلیاژ دوتایی از مس و روی است و مقدار روی در آن معمولاً تا ۴۰% Zn در نظر گرفته می‌شود. با تغییر این درصد، ویژگی‌هایی مانند استحکام، سختی، رنگ، چکش‌خواری و حتی رفتار آلیاژ در دماهای مختلف تغییر می‌کند. به همین دلیل برنجهای Cu-Zn را می‌توان بر اساس ترکیب، برای کاربردهای متفاوت طراحی کرد.
چگالی برنج معمولاً در بازه 8.3 تا 8.7 g/cm3 قرار می‌گیرد و نقطه ذوب آن حدود ۱۶۵۲ تا ۱۷۲۴ درجه فارنهایت (c°۹۰۰-۹۴۰) است. حد حلالیت روی در مس در دمای انجماد حدود ۵/۳۲% و در دمای محیط نزدیک به ۳۵% است؛ بنابراین فاز محلول جامد α مهم‌ترین شبکه میکروسکوپی موجود در بسیاری از برنج‌ها به شمار می‌آید. بیشتر آلیاژهای برنج دامنه انجماد کمی دارند و همین موضوع باعث می‌شود سیالیت آن‌ها برای ریخته‌گری مناسب باشد، هرچند با کاهش دامنه انجماد ممکن است انقباض متمرکز بیشتر شود.
در برنجهای مس-روی، حضور برخی عناصر آلیاژی مانند قلع، آلومینیوم، سیلیسیوم، منگنز، نیکل و سرب نیز می‌تواند خواص را بهبود دهد. این عناصر معمولاً در مقدار کم، یعنی کمتر از ۴%، اضافه می‌شوند تا بدون برهم زدن ماهیت اصلی آلیاژ، عملکرد آن را بهتر کنند.
از دیدگاه ریزساختار، برنج‌ها بر پایه محلول‌های جامد مس و روی معمولاً چنین رفتار می‌کنند:
الف) در محلول جامد α، آلیاژ در حالت سرد چکش‌خوار است و چکش‌خواری آن در گرما به نبود سرب وابسته است، زیرا سرب می‌تواند در دماهای بالا به صورت فاز مایع مزاحمت ایجاد کند.
ب) در محلول جامد β، وجود سرب کمتر مشکل‌ساز است و شبکه، شکل‌پذیری خود را در گرما بهتر حفظ می‌کند.
ج) محلول جامد γ سخت و شکننده است و رفتار عمومی شبکه‌های γ را نشان می‌دهد.
دسته بندی آلیاژهای مس
آلیاژهای مس نیز مانند آلومینیم به دو گروه اصلی آلیاژهای کارپذیر (نوردی) و آلیاژهای ریختگی تقسیم می‌شوند. هر یک از این دو گروه، بسته به نوع و مقدار عناصر آلیاژی، می‌توانند عملیات حرارتی‌پذیر یا غیرقابل عملیات حرارتی باشند.
برنجهای کارپذیر معمولاً فقط از مس و روی تشکیل شده‌اند و عناصر دیگر در آن‌ها در حد ناخالصی دیده می‌شود. در مقابل، برنجهای آلیاژی علاوه بر مس و روی، ممکن است شامل سیلیسم، آهن، قلع، سرب و عناصر مشابه باشند و بیشتر از راه ریخته‌گری شکل بگیرند یا برای کاربردهای ویژه آماده شوند.
در عمل، انتخاب نوع برنج به این بستگی دارد که قطعه باید چه کاری انجام دهد: اگر هدف، شکل‌دهی آسان و ظاهر زیبا باشد یک ترکیب مناسب انتخاب می‌شود، و اگر مقاومت به خوردگی، استحکام یا ماشینکاری اهمیت بیشتری داشته باشد، از برنجهای آلیاژی خاص استفاده می‌شود.
برنجهای مخصوص
هر زمان که به آلیاژ مس و روی عناصر دیگری افزوده شود، خواص مکانیکی آن معمولاً تقویت می‌شود و به چنین آلیاژهایی برنج مخصوص گفته می‌شود. در این حالت دیگر نباید فقط انتظار ساختارهای ساده α یا β+α را داشت، زیرا حضور عناصر افزودنی می‌تواند ریزساختار و رفتار نهایی آلیاژ را تغییر دهد.
سرب، قلع، آهن، منگنز، نیکل و عناصر مشابه در برنج اغلب به‌صورت عنصر آلیاژی یا حتی ناخالصی دیده می‌شوند. مقدار آن‌ها معمولاً از حدود ۲-۱% فراتر نمی‌رود، اما همین مقدار کم هم می‌تواند روی سختی، استحکام، مقاومت به سایش یا قابلیت ماشینکاری اثر قابل توجهی بگذارد.
برنج بر پایه درصد روی در مس دسته‌بندی‌های متفاوتی پیدا می‌کند. هرچه مقدار روی بیشتر شود، سختی و استحکام بالاتر می‌رود و رنگ آلیاژ نیز از قرمز به سمت زرد کم‌رنگ تغییر می‌کند. روی با نقطه ذوب C 419 و چگالی ۱۴/۷ گرم بر سانتی متر مکعب در مذاب مس با نقطه ذوب C 1083 و وزن مخصوص ۹/۸ گرم بر سانتی متر مکعب معمولاً به صورت یکنواخت پخش نمی‌شود و همین موضوع می‌تواند جدایش را به‌وجود آورد. از آنجا که روی تا ۳۲% می‌تواند در دمای محیط به صورت تک‌فازی α در مس وجود داشته باشد، به آن برنج α گفته می‌شود که ساختاری تک‌فاز از کریستال‌های محلول جامد روی و مس دارد.
برنجهای α تجارتی معمولاً تا ۳۶% روی دارند و در دو گروه اصلی شناخته می‌شوند:
برنج α زرد که شامل ۲۰ الی ۳۶% روی است و برنج α قرمز که شامل ۵ الی ۲۰% روی می‌باشد.
برای ساخت آلیاژهای برنج نیز می‌توان از دو روش اصلی استفاده کرد؛ انتخاب روش به نوع قطعه، شکل نهایی، و شرایط تولید بستگی دارد.
ویژگیهای مهم آلیاژ
این فلز به خاطر ظاهر خاص، رنگ چشم‌نواز و کاربردهای فنی متنوع در حوزه‌های مختلف استفاده می‌شود. مهم‌ترین ویژگی‌ها و استفاده‌های آن را می‌توان چنین خلاصه کرد:
- رنگ برنج به زردی متمایل است و همین شباهت ظاهری به طلا، آن را برای دکوراسیون و کارهای تزئینی محبوب کرده است.
- در جاهایی که اصطکاک کم اهمیت دارد، مانند مغزی قفل‌ها، از برنج استفاده می‌شود.
- در سازهای موسیقی، به‌ویژه به دلیل ویژگیهای آکوستیکی، برنج کاربرد گسترده‌ای دارد؛ نمونه شناخته‌شده آن هورن است.
- این آلیاژ در برابر کدر شدن و لکه‌دار شدن مقاومت خوبی دارد و نسبت به بسیاری از فلزات دیرتر اکسید می‌شود.
- برنج از زمان‌های بسیار دور، حتی پیش از تاریخ ثبت‌شده، شناخته شده بود؛ در گذشته با ذوب مس همراه با کالامین (سنگ معدن فلز روی) آن را تولید می‌کردند، زمانی که هنوز فلز روی به‌صورت جداگانه شناخته نشده بود.
- قابلیت چکش‌خواری برنج معمولاً از مس و روی بیشتر است و دمای ذوب آن حدود ۹۰۰ تا ۹۴۰ درجه سانتیگراد است. البته سختی و نرمی آن با تغییر نسبت مس و روی تغییر می‌کند.
- وجود مس در برنج، به‌واسطه اثر اولیگو دینامیک، خاصیت میکروب‌کشی به آلیاژ می‌دهد و به همین دلیل از آن برای دستگیره‌ها و برخی قطعات رایج در بیمارستان‌ها استفاده می‌شود.
- امروزه نزدیک به ۹۰٪ از فلزات برنج بازیافت می‌شوند، چون این آلیاژ خاصیت مغناطیسی کمی دارد و به‌راحتی از فلزات مخلوط‌شده با آن جدا می‌شود.
- چگالی متوسط برنج حدود ۸٫۴ گرم بر سانتیمتر مربع است و همین موضوع آن را برای بسیاری از قطعات صنعتی و تزئینی مناسب می‌کند.
از نظر ساخت و پرداخت نیز برنج آلیاژی خوش‌رفتار است و در بسیاری از عملیات‌های تولیدی، از نورد و کشش تا ماشینکاری و پرس، عملکرد قابل قبولی نشان می‌دهد. به همین دلیل هم در ساخت قطعات دقیق و هم در تولید اجزای تزئینی بسیار پرکاربرد است.
کاربرد این آلیاژ در پزشکی
آلیاژ برنج در طب سنتی یکی از فلزات مورد توجه بوده و از گذشته به‌صورت قاشق، سماور، کتری و قوری کاربرد فراوان داشته است. در این نگاه، برنج به‌دلیل ترکیب مس و روی، برای برخی نیازهای بدنی مفید دانسته می‌شد و به همین علت در ظروف و ابزارهای روزمره به کار می‌رفت.
برنج از مس و روی (Cu+Zn) ساخته می‌شود و باید آن را با فلز رویِ خالص یا آلیاژهای دیگر اشتباه نگرفت. فلز روی که با نام زینک (zinc) نیز شناخته می‌شود، در پزشکی امروز به‌عنوان یکی از عناصر ضروری بدن مطرح است و کمبود آن را از عوامل بروز برخی مشکلات پوستی و گوارشی می‌دانند. به همین دلیل گاهی مکمل‌هایی مانند قرص زینک برای بیماران تجویز می‌شود، هرچند مانند بسیاری از داروهای شیمیایی می‌تواند عوارضی هم داشته باشد.
در طب سنتی، برای کمک به جذب فلز روی و جبران نیاز بدن، از ظروف و وسایل ساخته‌شده از برنج استفاده می‌کردند. این وسایل علاوه بر روی، حاوی مس نیز هستند که آن هم برای بدن مفید و لازم دانسته می‌شود؛ به همین علت سماور، کتری، قوری، قاشق و دیگر ظروف آشپزخانه را از این آلیاژ می‌ساختند تا شاید به تأمین این فلز مهم کمک شود و از پیامدهای کمبود آن پیشگیری گردد.
ساختارهای بلوری برنج
مهم‌ترین تفاوت میان انواع مختلف برنج به ساختار بلوری آن‌ها برمی‌گردد. دلیل این موضوع آن است که اتم‌های مس و روی رفتار و آرایش متفاوتی دارند و بسته به درصد هر کدام و همچنین دمای ترکیب، ساختار نهایی آلیاژ تغییر می‌کند.
به‌طور کلی، هرچه سهم روی یا شرایط دمایی تغییر کند، شبکه‌های α، β و γ نیز می‌توانند در آلیاژ ظاهر شوند یا غلبه پیدا کنند. همین تغییرات است که باعث می‌شود برخی برنج‌ها برای کار سرد مناسب‌تر باشند، بعضی در کار گرم بهتر عمل کنند و برخی دیگر بیشتر به سمت سختی و شکنندگی بروند.
در ادامه، ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص چند نمونه منتخب از برنجهای مس-روی آمده است. این جدول نشان می‌دهد که چگونه مقدار مس، روی و سایر عناصر آلیاژی می‌تواند ویژگی و محل مصرف آلیاژ را تغییر دهد.
ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص آلیاژهای منتخب مس – روی (برنج)
| نام و شماره | درصد ترکیب اسمی | مشخصات ساخت و کاربردهای خاص |
| ۲۱۰برنج طلایی ۹۵% | ۹۵٫۰ Cu۵٫۰ Zn | از خانواده برنجهای غیرآلیاژی است و برای کار سرد عملکرد بسیار خوبی دارد. کارگرم آن نیز برای پولک‌زنی، لوله‌کاری، کشش، سوراخ کردن، پانچ کردن، برش، پیچ دادن، ریخته‌گری تحت فشار و استامپ کردن مناسب است. کاربردها: لوله‌ها، مدل‌ها، لباس ضدگلوله، فیوز، چاشنی، پلاک و پایه جواهرسازی در آب‌طلا کاری. |
| ۲۲۰برنج تجاری ۹۰% | ۹۰٫۰ Cu۱۰٫۰ Zn | از نظر ساخت، شبیه آلیاژ مس ۲۱۰ است و علاوه بر آن برای کله‌زنی، جا زدن، آهنگری و پرس گرم هم مناسب است. کاربردها: برنز حک‌کاری شونده، کارهای شبکه، پرده سینما، پرده‌های محافظ، سخت‌افزار دریایی فشرده، میخ و پرچ. |
| ۲۲۶برنج جواهرسازی ۸۷% | ۸۷.۵ Cu۱۲.۵ Zn | مشخصات ساخت آن مانند آلیاژ مس ۲۱۰ است و برای دنده‌سازی غلتکی و درپوش نیز کاربرد دارد. کاربردها: گوشه‌ها، کانال‌ها، زنجیرها، زینت‌آلات لباس و پایه برای آب‌طلا کاری. |
| ۲۳۰برنج قرمز ۸۵% | ۸۵٫۰ Cu۱۵٫۰ Zn | کارپذیری سرد بسیار خوبی دارد و در کار گرم نیز خوب عمل می‌کند. کاربردها: محافظ‌های باران، هادی‌ها، حفره‌های اتصال، بندها، خاموش‌کننده‌های آتش، مبردها و لوله‌های مبدل حرارت، میله‌های پلمب و بدنه رادیاتور. |
| ۲۴۰برنج کم‌عیار ۸۰% | ۸۰٫۰ Cu۳۰٫۰ Zn | در کار سرد بسیار خوش‌رفتار است و ویژگیهای ساخت آن شبیه مس ۲۳۰ در نظر گرفته می‌شود. کاربردها: ظروف باتری، دم آهنگری و آلات موسیقی، عقربه ساعت، خطوط پمپ و لوله‌های خم‌شدنی. |
| ۲۶۰برنج فشنگ ۷۰% | ۷۰٫۰ Cu۳۰٫۰ Zn | کارپذیری سرد عالی دارد و از نظر ساخت، مانند آلیاژ مس ۲۳۰ است، با این تفاوت که برای سکه‌زنی هم مناسب است. کاربردها: بدنه رادیاتور، مخازن چراغ قوه، ته لامپ، چفت و بست، گیره‌ها، لوله و مفصل، مهمات، وسایل پلمب کردن، پین‌ها و پرچ‌ها. |
| ۲۷۰ یا ۲۶۸برنج زرد | ۶۵٫۰ Cu۳۵٫۰ Zn | از نظر کار سرد بسیار مناسب است و از نظر ساخت نیز شبیه آلیاژ مس ۲۳۰ عمل می‌کند. کاربردها: مشابه آلیاژ مس ۲۶۰، با این تفاوت که در مورد مهمات به‌کار نمی‌رود. |
| ۲۸۰برنج زرد | ۶۰٫۰ Cu۴۰٫۰ Zn | برای کار گرم و آهنگری عالی است و برای پولک‌زنی، شکل دادن و خم شدن، آهنگری گرم، پرس، کله‌زنی و جا زدن گرم مناسب می‌باشد. کاربردها: معماری، پیچ و مهره‌های بزرگ، میله لحیم‌کاری، صفحات مبرد، لوله‌های مبدل حرارت و آهنگری گرم. |
| ۴۴۳، ۴۴۴، ۴۴۵ | ۷۱٫۰ Cu۲۸٫۰ Zn ۱٫۰ Sn |
قابلیت سردکاری بسیار خوبی برای شکل دادن و خم شدن دارد. کاربردها: مبرد، لوله‌های مبدل حرارت، صفحات مبرد، لوله‌های تقطیر، حلقه و بست. |
| ۶۶۷برنج منگنز | ۷۰٫۰ Cu۲۸٫۸ Zn ۱٫۲ Mn |
برای کار سرد مناسب است و با پولک‌زنی، خم شدن، شکل دادن، استامپ و جوشکاری به‌خوبی ساخته می‌شود. کاربردها: محصولات برنج جوشکاری نقطه‌ای، جوشکاری لب به لب و جوشکاری درزی. |
| ۴۶۴ تا ۴۶۷برنج دریایی | ۶۰٫۰ Cu۳۹٫۲۵ Zn ۰٫۷۵ Sn |
کارپذیری آهنگری گرم بسیار خوبی دارد و با پولک‌زنی، آهنگری گرم، پرس، کله‌زنی و جا زدن ساخته می‌شود. کاربردها: بست قورباغه‌ای هواپیما، گلوله‌ها، پیچ، سخت‌افزار دریایی، محورها، پرچ، سوپاپ بخار، صفحات مبرد و میله‌های جوشکاری. |
| ۶۷۴ | ۵۸٫۵ Cu۳۶٫۵ Zn ۱٫۲ Al ۲٫۸ Mn ۱٫۰ Sn |
قابلیت شکل‌پذیری گرم عالی دارد و با آهنگری گرم، پرس و ماشینکاری تولید می‌شود. کاربردها: بوش‌ها، دنده‌ها، میله‌های اتصال، محورها و صفحات سایشی. |
| ۶۷۵برنج منگنز، A | ۵۸٫۵ Cu۱٫۴ Fe ۳۹٫۰ Zn ۱٫۰ Sn ۰٫۱ Mn |
قابلیت کارگرم بسیار خوبی دارد و با آهنگری گرم، پرس، کله‌زنی و جا زدن گرم ساخته می‌شود. کاربردها: دیسک‌های کلاچ، محورهای پمپ، محورها، گلوله‌ها، دسته و بدنه شیرها. |
| ۶۸۷برنج آلومینیم دارای آرسنیک |
۷۷٫۵ Cu۲۰٫۵ Zn ۲٫۰ Al ۱٫۰ As |
برای شکل دادن و خم شدن در کار سرد بسیار مناسب است. کاربردها: مبرد، لوله‌های مبدل گرما و بخار، صفحات مبرد و لوله‌های تقطیر. |
| ۶۸۸ | ۷۳٫۵ Cu۲۲٫۷ Zn ۳٫۴ Al ۰٫۴۰ Co |
در کار سرد و گرم بسیار خوب شکل می‌گیرد و با پولک‌زنی، کشش، شکل دادن و خم شدن، برش و استامپ کردن ساخته می‌شود. کاربردها: فنرها، سوییچ‌ها، اتصالات، رله و قسمت‌های کشیده شده. |
| ۶۹۴برنج قرمز سیلیسیومی | ۸۱٫۵ Cu۱۴٫۵ Zn ۴٫۰ Si |
برای شکل‌پذیری گرم عالی است و با آهنگری، عملیات ماشین‌پیچ و ساخت‌های مشابه به‌کار می‌رود. کاربردها: دسته شیرها، به‌ویژه زمانی که مقاومت به خوردگی و استحکام بالا اهمیت زیادی دارد. |
همان‌طور که دیده می‌شود، ترکیب شیمیایی برنج مستقیماً نوع کاربرد آن را تعیین می‌کند. برخی انواع برای شکل‌دهی سرد و ظریف‌کاری ساخته می‌شوند، برخی برای کار گرم و آهنگری مناسب‌اند و بعضی دیگر برای محیط‌های دریایی، قطعات جوشی یا بخش‌هایی که مقاومت به خوردگی بالاتری می‌خواهند، طراحی شده‌اند.
برنج آلیاژی از مس و فلز روی است و نسبت این دو عنصر در آلیاژ، نوع برنج و کاربرد نهایی آن را مشخص می‌کند. برخی از انواع برنج‌ها برنز هم نامیده می‌شوند، هرچند برنز در اصل آلیاژی از مس و قلع است. به همین دلیل، در نام‌گذاری و انتخاب این فلزات باید به ترکیب واقعی آن‌ها توجه کرد.
در جمع‌بندی می‌توان گفت برنج فقط یک فلز زردرنگ تزئینی نیست، بلکه خانواده‌ای گسترده از آلیاژهاست که از ابزارهای ساده خانگی تا قطعات صنعتی و دریایی را پوشش می‌دهد. اگر معیار اصلی ظاهر، چکش‌خواری، مقاومت به خوردگی، قابلیت ماشینکاری یا کار در دمای بالا باشد، در میان انواع مختلف برنج می‌توان ترکیب مناسب را پیدا کرد.