آلیاژهای پایه مس از پرکاربردترین فلزات مهندسی هستند و به دلیل تنوع ترکیب، رنگ، استحکام و مقاومت به خوردگی، در صنایع مختلف جایگاه ویژه‌ای دارند. در میان این گروه، برنج و برنز از شناخته‌شده‌ترین آلیاژها به شمار می‌آیند و هر کدام با تغییر درصد عناصر آلیاژی، خواص متفاوتی پیدا می‌کنند.

برنج (Brass Alloy)

برنج به آلیاژهای مس و روی با نماد Cu-Zn گفته می‌شود. این آلیاژها با توجه به نسبت عناصر و نیز رنگ ظاهری، در گروه‌هایی مانند برنج زرد، برنج قرمز، برنج سرب‌دار، برنج سیلیسیم، برنج قلع‌دار و برنج‌های نیکلی (ورشو) دسته‌بندی می‌شوند.

خواص فیزیکی و ساختار

حد حلالیت روی در مس در دمای انجماد حدود 5/32% و در دمای محیط نزدیک به 35% است. به همین دلیل، فاز محلول جامد α مهم‌ترین شبکه میکروسکوپی در آلیاژهای برنج به حساب می‌آید. همان‌طور که در دیاگرام مس-روی دیده می‌شود، بیشتر برنج‌ها دامنه انجماد کوتاهی دارند و حضور فلزات دیگر در مس عملاً نقطه ذوب را پایین می‌آورد. هرچه این دامنه کمتر باشد، سیالیت آلیاژ بهتر می‌شود؛ البته این موضوع معمولاً با افزایش حجم انقباض متمرکز همراه است.

از این رو، برنج‌ها در بسیاری از موارد برای ریخته‌گری مناسب هستند و از نظر شبکه‌های محلول جامد مس و روی، رفتار آن‌ها را می‌توان به شکل زیر خلاصه کرد:

• محلول جامد α: این شبکه در حالت سرد چکش‌خوار است، اما چکش‌خواری آن در گرما به نبود سرب در آلیاژ وابسته است؛ چون در گرما احتمال تشکیل سرب مایع وجود دارد.
• محلول جامد β: در این شبکه، وجود سرب کمتر ایجاد مزاحمت می‌کند و ساختار تا حد زیادی چکش‌خواری خود را در دماهای بالاتر حفظ می‌کند.
• محلول جامد γ: این شبکه سخت و شکننده است و ویژگی‌های عمومی شبکه γ را دارد.

اگر درصد روی کمتر از 50% باشد، آلیاژ در ناحیه β قرار می‌گیرد و برای تشکیل شبکه γ لازم است مقدار روی از 50% فراتر برود. به همین علت، مقدار روی در برنج‌ها معمولاً کمتر از 47% نگه داشته می‌شود و رنگ نهایی آلیاژ نیز تا حد زیادی به میزان روی وابسته است.

وقتی برنج فقط از محلول جامد α ساخته شده باشد، با افزایش روی، خواص مکانیکی ابتدا بهتر می‌شود و سپس در صورت افزایش بیش از اندازه، دوباره کاهش پیدا می‌کند. اما اگر ساختار شامل شبکه‌های α و β باشد، با بالاتر رفتن درصد روی، میزان تغییر شکل‌پذیری کاهش می‌یابد، در حالی که سختی پیوسته افزایش پیدا می‌کند.

تأثیر روی در محلول جامد α در جدول زیر آورده شده است:

دسته‌بندی آلیاژهای مس

آلیاژهای مس، مانند آلومینیوم، به دو گروه آلیاژهای کارپذیر (نوردی) و آلیاژهای ریختگی تقسیم می‌شوند. هر یک از این دو گروه نیز با توجه به ترکیب شیمیایی و عناصر آلیاژی می‌توانند عملیات حرارتی‌پذیر یا غیرقابل عملیات حرارتی باشند.

برنج‌های کارپذیر یا نوردی معمولاً فقط از مس و روی ساخته می‌شوند و سایر عناصر در آن‌ها در حد ناخالصی وجود دارد. در مقابل، برنج‌های آلیاژی علاوه بر مس و روی، ممکن است عناصری مانند سیلیسیم، آهن، قلع و سرب را نیز در ترکیب خود داشته باشند و بیشتر به روش ریخته‌گری شکل می‌گیرند.

برنج‌های مخصوص

وقتی به آلیاژ مس و روی عناصر دیگری افزوده می‌شود، معمولاً خواص مکانیکی برنج بهبود پیدا می‌کند و به این دسته، برنج مخصوص گفته می‌شود. در چنین آلیاژهایی دیگر نمی‌توان فقط انتظار ساختارهای ساده‌ای مانند محلول جامد α یا مخلوط β+α را داشت.

عناصری مانند سرب، قلع، آهن، منگنز و نیکل و برخی عناصر دیگر معمولاً به عنوان عناصر آلیاژی یا ناخالصی در برنج حضور دارند و مقدار آن‌ها اغلب از حدود 1 تا 2% فراتر نمی‌رود.

به طور کلی، آلیاژ مس و روی همان برنج است و با تغییر درصد روی، می‌توان گونه‌های مختلفی از آن را به دست آورد. هرچه مقدار روی بیشتر شود، سختی و استحکام آلیاژ افزایش می‌یابد و رنگ آن از قرمز به سمت زرد کم‌رنگ تغییر می‌کند. روی با نقطه ذوب C? 419 و چگالی 14/7 گرم بر سانتی‌متر مکعب، در مذاب مس با نقطه ذوب C’1083 و وزن مخصوص 9/8 گرم بر سانتی‌متر مکعب به صورت یکنواخت پخش نمی‌شود و همین موضوع زمینه ایجاد جدایش را فراهم می‌کند. از آنجا که روی تا 32% می‌تواند در دمای محیط به صورت تک‌فازی α در مس باقی بماند، به این گروه برنج α گفته می‌شود که شامل یک ساختار تک‌فازی از بلورهای محلول جامد مس و روی است. برنج‌های α تجارتی معمولاً تا 36% روی دارند و به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

برای ساخت آلیاژهای برنج، دو روش رایج وجود دارد:

1. استفاده از هاردنر مس و روی؛ در این روش، مس باید زیر فلاکس پوششی ذوب شود و سپس هاردنر در چند مرحله به مذاب افزوده گردد.
2. استفاده از روی خالص؛ در این حالت نیز مس زیر فلاکس پوششی ذوب می‌شود، فوق‌گداز کاهش می‌یابد و روی در چند نوبت به مذاب اضافه و به‌خوبی مخلوط می‌شود.

به کمک دیاگرام مس و روی می‌توان فهمید که دامنه انجماد برنج‌ها کوتاه است و همین موضوع سیالیت مطلوبی به آن‌ها می‌دهد. برای نمونه، در ساخت برنج 20% روی لازم است مس مورد نیاز را با فلاکس پوششی شیشه‌ای ذوب کنیم، سپس با پایین آوردن فوق‌گداز، مقدار روی را در چند مرحله، معمولاً در 3 نوبت مناسب، به مذاب بیفزاییم. از آنجا که مس و روی نقطه ذوب و وزن مخصوص متفاوتی دارند، اگر به‌خوبی مخلوط نشوند، جدایش رخ می‌دهد؛ بنابراین پیش از ذوب‌ریزی باید مذاب را کاملاً همگن کرد.

انواع برنج

• برنج دریاسالار: شامل 30% روی به همراه 1% قلع است.
• برنج آلفا: کمتر از 35% روی دارد و برای کارهایی با فشار بالا، ضربه و کار سرد مناسب است. ساختار کریستالی آن FCC است.
• برنج بتا: دارای 45% تا 50% روی است و نسبت به گرما، فشار و ضربه مقاومت و سختی بیشتری دارد.
• برنج آلفا-بتا: شامل 35% تا 45% روی است و برای شرایط گرم کاربرد مناسبی دارد.
• برنج آلومینیومی: این نوع برنج دارای آلومینیوم است و در برابر خوردگی مقاومت زیادی دارد؛ از آن در ساخت سکه‌های اروپایی استفاده می‌شود.
• برنج آرسنیکی: آلیاژی است که آرسنیک و آلومینیوم در آن به کار می‌رود و در ساخت دیگ‌های بخار استفاده می‌شود.
• برنج فشنگی: شامل 30% روی است.
• برنج معمولی: حدود 37% روی دارد، ارزان است و برای کارهای سرد مناسب به شمار می‌رود.
• برنج عالی: شامل 35% روی و 65% مس است و انعطاف‌پذیری بالایی دارد؛ از آن در ساخت فنر و پیچ‌ها استفاده می‌شود.
• برنج سربی: همان برنج آلفا-بتا است که مقداری سرب به آن افزوده شده است.
• برنج پست: حدود 20% روی دارد و رنگ زرد آن به طلا نزدیک است.
• برنج دریایی: مشابه برنج دریاسالار است و 40% روی به همراه 1% قلع دارد.
• برنج سفید: بیش از 50% روی دارد و بسیار شکننده است.
• برنج طلایی: نرم‌ترین نوع برنج است و از 95% مس و 5% روی تشکیل می‌شود؛ این آلیاژ در ساخت مهمات جنگی کاربرد دارد.

ویژگی‌های مهم آلیاژ

برنج به دلیل رنگ، ظاهر و کاربردهای ویژه‌اش در حوزه‌های گوناگونی استفاده می‌شود. رنگ آن معمولاً متمایل به زرد و شبیه طلا است و همین موضوع آن را برای کارهای تزئینی بسیار محبوب کرده است. همچنین در مهمات جنگی و در بخش‌هایی که اصطکاک کم اهمیت دارد، مثل مغزی قفل‌ها، کاربرد فراوان دارد.

از نظر آکوستیکی نیز برنج ارزش بالایی دارد و به همین دلیل در ساخت سازهای موسیقی، از جمله هورن، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آلیاژ در برابر کدر شدن و لکه‌دار شدن هم مقاومت مناسبی دارد و نسبت به بسیاری از فلزات دیرتر اکسید می‌شود.

برنج از زمان‌های بسیار دور، حتی پیش از ثبت تاریخ شناخته شده بود. در دوره‌ای که انسان هنوز فلز روی را به‌صورت جداگانه نمی‌شناخت، با ذوب کردن مس همراه با کالامین، یعنی سنگ معدن روی، برنج تولید می‌کرد. این آلیاژ معمولاً از مس و روی چکش‌خوارتر است و دمای ذوب آن تقریباً بین 900 تا 940 درجه سانتیگراد قرار دارد. با تغییر نسبت مس و روی، سختی و نرمی آن نیز تغییر می‌کند.

وجود مس در برنج، به کمک اثر اولیگودینامیک، خاصیت میکروب‌کشی به آن می‌دهد. به همین دلیل از برنج در ساخت دستگیره‌ها و برخی تجهیزات فلزی بیمارستانی استفاده می‌کنند. امروزه تقریباً 90% از فلزات برنج بازیافت می‌شوند، زیرا این آلیاژ خاصیت مغناطیسی کمی دارد و به‌راحتی از فلزات مخلوط با آن جدا می‌شود. پس از جداسازی، برنج دوباره وارد چرخه تولید می‌شود. چگالی متوسط برنج نیز حدود 8.4 گرم بر سانتیمتر مربع است.

کاربرد این آلیاژ در مصارف عمومی

در طب سنتی برای تأمین روی مورد نیاز بدن، از ظروفی مانند سماور، کتری، قوری، قاشق و دیگر ظروف برنجی استفاده می‌کردند. دلیل این کار آن بود که این آلیاژ علاوه بر روی، حاوی مس هم هست و مس نیز برای بدن مفید و ضروری است. به این ترتیب تلاش می‌شد کمبود این عناصر جبران و از عوارض آن پیشگیری شود.

• اگر برای نخستین بار می‌خواهید از قاشق یا ظرف برنجی قدیمیِ خریداری‌شده استفاده کنید، آن را با سرکه و نمک و یک سیم ظرف‌شویی زبر به‌خوبی بشویید تا هرگونه پلیسه، سیاهی و لکه از بین برود.
• تا حد امکان پس از هر بار استفاده، ظروف برنجی را فوراً بشویید و خشک کنید. توجه داشته باشید که این ظروف نباید مدت طولانی در تماس با غذاهای اسیدی مانند سرکه و ترشیجات باقی بمانند، زیرا ممکن است باعث کدر شدن و تغییر رنگ آن‌ها شود.
• در صورت تغییر رنگ، می‌توان با محلول سرکه و نمک و سیم ظرف‌شویی سطح ظرف را دوباره براق کرد.

تذکر: فلز روی با آلیاژ روئی تفاوت دارد. ظروف روئی که در گذشته وجود داشته‌اند، در واقع آلیاژی از قلع و مس (Cu+Sn) بوده‌اند و امروزه تولید نمی‌شوند. ظرف‌هایی که امروز در بازار با نام روحی یا روئی فروخته می‌شوند، از جنس آلومینیوم هستند و پخت‌وپز در آن‌ها می‌تواند مقدار زیادی یون آلومینیوم را وارد غذا کند؛ موضوعی که در درازمدت زمینه‌ساز بسیاری از بیماری‌های مزمن مانند آلزایمر و پارکینسون و … است.

به طور کلی، انتخاب نوع برنج باید بر اساس دما، میزان فشار، نیاز به شکل‌پذیری، مقاومت به خوردگی و شرایط محیطی انجام شود. از آنجا که این آلیاژها دامنه وسیعی از خواص را پوشش می‌دهند، در صنایع دقیق، تزئینی و حتی کاربردهای روزمره هم جایگاه ثابتی دارند.

برنز (Bronze Alloy)

برنز آلیاژی بر پایه مس است که معمولاً با قلع شناخته می‌شود، اما در برخی ترکیب‌ها عناصری مانند آلومینیوم، منگنز یا فسفر نیز به آن افزوده می‌شود. آلیاژهایی که اساساً از مس و قلع ساخته شده‌اند، برنزهای قلع‌دار نام دارند. از آنجا که در هنگام ریخته‌گری برای اکسیژن‌زدایی، فسفر به این آلیاژها اضافه می‌شود، این دسته با نام تجاری «برنزهای فسفردار» هم شناخته می‌شوند. این آلیاژها استحکام بالا، مقاومت به سایش و مقاومت خوب در برابر خوردگی آب دریا دارند.

در گذشته، این آلیاژ در ایران با نام مفرغ شناخته می‌شد. با این حال، از نظر کلی، برنز به آلیاژهای مسی گفته می‌شود که به‌جز روی، عنصر دیگری در آن‌ها حضور دارد.

از نظر کاربردی، برنز و برنج تفاوت مهمی دارند: برنج بیشتر به خاطر شکل‌پذیری، رنگ و سهولت تولید شناخته می‌شود، در حالی که برنز معمولاً در جاهایی به کار می‌رود که مقاومت سایشی، استحکام و دوام در محیط‌های خورنده اهمیت بیشتری دارد.

برنزهای مس-قلع کارشده

برنزهای مس-قلعِ کارشده که 1.25 تا 10% قلع دارند، برنزهای فسفردار نامیده می‌شوند؛ زیرا معمولاً تا حدود 0.1% فسفر به آن‌ها افزوده می‌شود تا قابلیت ریخته‌گری و اکسیژن‌زدایی بهبود یابد. اگر بعد از اکسیژن‌زدایی مقداری فسفر باقی بماند، ترکیب سخت Cu3P تشکیل می‌شود که استحکام و سختی برنز قلع‌دار را بیشتر می‌کند. برنزهای قلع‌دار کارشده از برنج‌ها محکم‌تر هستند، به‌ویژه در حالت کارسرد، و مقاومت بیشتری در برابر خوردگی دارند.

ریزساختار برنز فسفردار (8Sn – %92Cu%) در حالت تابکاری‌شده، شامل دانه‌های تبلور مجدد یافته و هم‌محور محلول جامد α است.

برنزهای مس-قلع ریخته‌شده

وقتی مقدار قلع از حدود 10% فراتر برود، آلیاژهای مس-قلع دیگر برای کارهای شکل‌دهی مناسب نیستند و کارناپذیر می‌شوند. با این حال، آلیاژهای ریختگی که تا 16Sn% دارند برای ساخت قطعات مستحکم مانند یاتاقان‌ها و چرخ‌دنده‌ها به کار می‌روند. برای اطمینان از سالم بودن ریخته‌گری، چرخ‌دنده‌ها اغلب به روش «ریخته‌گری گریز از مرکز» تولید می‌شوند. برای یاتاقان‌ها، حدود 10Sn% معمول است و گاهی برای بهتر شدن شکل‌پذیری و تناسب سطح یاتاقان، مقادیر متغیری سرب هم به ترکیب اضافه می‌شود.

کاربرد برنز در فشنگ

فشنگ از یک پوکه، مرمی، باروت و چاشنی تشکیل می‌شود و این اجزا را در قالب یک واحد مستقل و یکپارچه کنار هم نگه می‌دارد. از این رو فشنگ یکی از مهم‌ترین بخش‌های سلاح‌های گرم به شمار می‌آید و باید کاملاً آب‌بندی شده باشد.

پوکه (Case)

پوکه بخشی است که انفجار باروت در آن رخ می‌دهد و در نتیجه، نیروی لازم برای رانش و حرکت ساچمه‌ها یا مرمی ایجاد می‌شود. پوکه‌ها از نظر طولی در اندازه‌های مختلف ساخته می‌شوند. هنگام شلیک، بدنه پوکه به جان لوله می‌چسبد و باعث آب‌بندی می‌شود تا گاز باروت از ته لوله خارج نشود. هرگونه نقص یا ایراد در پوکه می‌تواند آب‌بندی لوله را مختل کند، باعث فرار گاز باروت شود و حتی حادثه به‌وجود آورد.

پایه پوکه (base) وظیفه نگهداری چاشنی را بر عهده دارد و بخش برنزی آن دارای زه است تا فشنگ در محل مشخص خود در جان لوله متوقف شود و همچنین برای بیرون کشیدن فشنگ از لوله مورد استفاده قرار گیرد. در قسمت انتهایی پوکه نیز یک پایه داخلی وجود دارد که بخشی از بدنه چاشنی را نگه می‌دارد و به استحکام کلی پوکه کمک می‌کند. از نظر جنس مواد، پایه بیرونی همه پوکه‌ها از برنز ساخته شده است، اما جنس بدنه و پایه داخلی می‌تواند متفاوت باشد، مگر در پوکه‌های تمام‌برنزی قدیمی. پوکه‌ها در انواع مقوایی، پلاستیکی با پایه داخلی مقوا و پلاستیکی در بازار موجود هستند. در ته پوکه، محل قرار گرفتن چاشنی قرار دارد و اطراف پایه آن با استوانه برنزی پوشانده می‌شود.

افزودن قلع به مس باعث افزایش استحکام و بهبود خواص مکانیکی می‌شود. حد حلالیت قلع در مس در فاز آلفا حدود 13.5 درصد است و در دمای محیط به مقادیر بسیار کوچک و حتی نزدیک به صفر می‌رسد.

قلع در مس فاز بین‌فلزی دلتا را با ترکیب Cu3Sn8 تشکیل می‌دهد. این فاز سخت است و سختی آلیاژ را بالا می‌برد. به طور کلی، آلیاژهای مس-قلع معمولاً کمتر از 20 درصد قلع دارند و آلیاژهایی که 5 تا 10 درصد قلع دارند، فاصله انجماد بسیار طولانی، حدود 200 درجه، دارند و بنابراین به‌صورت خمیری منجمد می‌شوند. یکی از آلیاژهای برنز، آلیاژ زنگ است که 20 تا 23 درصد قلع دارد و از سختی و شکنندگی زیادی برخوردار است. وجود سرب، قابلیت ماشین‌کاری را بهتر می‌کند. همچنین آلومینیوم در آلیاژهای مس-قلع باعث افزایش سختی و شکنندگی می‌شود و آهن نیز به ریز شدن شبکه کریستالی کمک می‌کند.

آلیاژهای برنز در یاتاقان‌ها و همچنین در نقاطی که خوردگی بالاست، مانند اسکله‌ها و کشتی‌ها، استفاده می‌شوند. دمای ریخته‌گری برنز نیز در حدود 1070 تا 1150 درجه است.

حمل و نقل

تقریباً همه شکل‌های اصلی حمل‌ونقل برای انجام وظایف حیاتی خود به مس وابسته‌اند. از آلیاژهای مس-نیکل روی بدنه قایق‌ها و کشتی‌ها استفاده می‌شود تا پوسیدگی ناشی از آب دریا کاهش یابد؛ در نتیجه آب‌نشینی کشتی کمتر می‌شود و مصرف سوخت هم بهبود پیدا می‌کند.

ظروف، مخازن و لوله‌هایی که در تماس با آب دریا هستند، پروانه کشتی‌ها، سکوهای نفتی و ایستگاه‌های برق ساحلی همگی به مقاومت مس در برابر خوردگی نیاز دارند. به همین دلیل، این فلز در محیط‌های دریایی و صنعتی بسیار پرکاربرد است.

به دلیل پایداری بالای مس در برابر خوردگی، از آن به‌وفور در صنایع غذایی و شیمیایی استفاده می‌شود. همچنین در مهندسی مکانیک، ساخت ابزارهای دقیق، تولید خودرو و کشتی‌سازی کاربرد فراوان دارد. در ساختمان‌سازی نیز گرایش به استفاده از مس برای نصب، دیوارسازی و سقف‌سازی رو به افزایش است. در مهندسی هیدرولیک هم مس در گرفتن روزنه‌های سدها، دریچه سد (مسیل) و پل‌ها به کار می‌رود.

با ورود به قرن جدید و تغییر شیوه‌های رزمی در میدان‌های جنگ، خانواده جدیدی از مسلسل‌های دستی معرفی شد که به اختصار personal defense weapon یا pdw و به معنی سلاح دفاع شخصی نامیده می‌شوند. از ویژگی‌های مهم این گروه می‌توان به سبکی، نواخت تیر بالا، سرعت دهانه بیشتر و ضریب کشندگی قابل قبول اشاره کرد.

کارخانه هکلر اند کوخ به عنوان یکی از پیشگامان طراحی و ساخت سلاح‌های کارآمد، مسلسل دستی مدرن mp7 را طراحی و تولید کرده است تا با آمادگی وارد قرن 21 شود. می‌توان گفت که تا امروز در ساخت هیچ سلاحی به اندازه mp7 از پلاستیک استفاده نشده است. نوع پلاستیکی که در ساخت قبضه و روپوش لوله این سلاح به کار رفته، در برابر ضربه و حرارت مقاومت بالایی دارد. اسکلت اصلی این سلاح از فولاد ساخته شده و برای افزایش استحکام و کاهش هرچه بیشتر وزن، ساختار آن به شکل نردبانی طراحی شده است.

بیشتر گلوله‌های معمولی از سرب ساخته می‌شوند و با ورق مس روکش می‌گردند، اما گلوله‌های این سلاح که وزن آن‌ها 1/6 گرم است، از فولاد ساخته شده و با ورق برنز پوشش داده می‌شوند. علت استفاده از فولاد در ساخت این گلوله‌ها، افزایش توانایی نفوذ آن‌ها در انواع زره سبک بوده است.

در مجموع، شناخت دقیق آلیاژهای برنج و برنز برای انتخاب درست در صنعت، ساخت‌وساز، حمل‌ونقل، مهمات و تجهیزات دقیق اهمیت زیادی دارد. برنج بیشتر برای شکل‌پذیری، ظاهر و کاربردهای عمومی شناخته می‌شود، در حالی که برنز به خاطر استحکام، مقاومت سایشی و پایداری در محیط‌های سخت، جایگاه ویژه‌ای در صنایع حساس دارد.

منبع: استاندارد کالا