بیکی از اولین فلزاتی است که در حدود ۳۵۰۰ سال قبل از میلاد (عصر برنز)، و قبل از اینکه پارامترهای شیمیایی برای آلیاژسازی این فلز تعیین شود، کشف شد. بااین‌حال، در زمان حاضر، برنز به‌عنوان یک آلیاژ مس با خواص کاربردی و عناصر آلیاژی خاص به‌خوبی مشخص شده است. عناصری مانند سرب، منگنز، نیکل، سیلیکون، روی و غیره برای بهبود برنز و تولید طیف گسترده‌ای از گریدهای برنز انتخاب می‌شوند. در این مقاله به‌طور مفصل به اینکه برنز چیست و انواع برنز کدام اند، خواهیم پرداخت. به منظور اطلاع از قیمت شمش مس به این صفحه مراجعه نمایید.

 

برنز چیست ؟

برنز یک آلیاژ فلزی از مس و قلع است که میزان قلع موجود در آن در حدود ۱۲ تا ۱۲٫۵ درصد است. برنز با توجه به مقدار قلع و سایر فلزات مانند آلومینیوم، منگنز، روی یا نیکل به انواع مختلفی تقسیم می‌شود. برنز به‌طورکلی یک آلیاژ انعطاف‌پذیر است و معمولاً فقط سطح آن اکسید می‌شود و هنگامی‌که یک لایه اکسید مس تشکیل شد، فلز هسته را از خوردگی بیشتر محافظت می‌کند.

برنز و سایر آلیاژهای مبتنی بر مس دمای ذوب پایین‌تری نسبت به فولاد یا آهن دارند که کار با آن‌ها را آسان‌تر می‌کند. همچنین، برنز حدود ۱۰ درصد چگال تر از فولاد است. بیشتر فولادها مانند برنز، گرما یا الکتریسیته را هدایت نمی‌کنند. این آلیاژ گران‌تر از فولاد است اما ارزان‌تر از آلیاژهای مبتنی بر نیکل است. برنز از طریق دایره‌های ظریف روی سطح آن و نیز رنگ طلایی مات قابل‌تشخیص است.

 

تاریخچه برنز

به لطف کشف برنز، مصنوعات فلزی سخت‌تر و بادوام‌تر از قبل ساخته شدند. ابزارهای برنزی، شمشیرها، زره‌ها و مصالح معماری مانند کاشی‌های زینتی نسبت به نمونه‌های سنگی و مسی خود سخت‌تر و بادوام‌تر بودند. برنز ابتدا از مس و آرسنیک ساخته شد و درنتیجه برنز آرسنیک از سنگ معدن مس و آرسنیک که به‌طور طبیعی یا مصنوعی باهم مخلوط شده بودند به دست آمد.

اولین آلیاژ مس- قلع در مکان کشت وینا در پلونیک (صربستان) در حدود سال ۴۶۵۰ قبل از میلاد کشف شد و گمان می‌رود که از استنیت، یک ماده معدنی طبیعی قلع و مس، بوده است. نمونه‌های اولیه دیگر را می‌توان در مصر، شوش (ایران)، و چندین مکان باستانی چینی، و همچنین لرستان (ایران)، تپه سیلک (ایران)، موندیگک (افغانستان) و بین‌النهرین (عراق) یافت.

ازآنجایی‌که سنگ مس و قلع به‌ندرت باهم یافت می‌شوند (استثناهایی شامل کورنوال در بریتانیا، یک محوطه باستانی در تایلند و یکی در ایران)، تولید قابل‌توجه برنز همیشه نیازمند تجارت بوده است. منابع قلع و تجارت تأثیر بسزایی در تکامل فرهنگ‌ها در دوران باستان داشتند. ذخایر سنگ معدن بریتانیا در کورنوال که تا فنیقیه در شرق مدیترانه فروخته می‌شد، منبع مهمی از قلع در اروپا بود.

انبارهای بزرگی از اشیاء برنزی در بسیاری از نقاط جهان کشف شده است که نشان می‌دهد این آلیاژ به‌عنوان ذخیره ثروت و نشانگر موقعیت اجتماعی نیز استفاده می‌شده است. انبارهای بزرگی از ابزار برنزی، به‌ویژه تبرهای برنزی، در اروپا کشف‌شده‌اند که کمتر یا بدون سایش هستند.

 

فرآیند تولید برنز

استخراج مس و قلع از معدن
بیشتر فلز مورداستفاده در تولید برنز ابتدا از صخره‌ها و یا در بستر نهرها به دست می‌آمد. با افزایش تقاضا برای برنز، مردم مجبور شدند به دنبال سنگ معدن مس و قلع در اعماق زمین بگردند.

بدین منظور، معدن‌هایی در حدود ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد در تپه‌های بالکان حفاری شد که اولین شواهد از استخراج معدن است. همچنین، شواهدی از ذوب در بوته‌ها در معادن مس در شبه‌جزیره سینا یافت شد که مربوط به ۳۸۰۰ سال قبل از میلاد است.

 

فرآیند ذوب و خالص سازی

ذوب یک مرحله ضروری بین استخراج سنگ خام از معدن و ریخته‌گری اقلام فلزی است. بیشتر فلزات در حالت طبیعی به خالص‌ترین شکل خود وجود ندارند. رگه‌های سنگی دیگر به‌طور مکرر از میان آن جریان می‌یابند یا فلز به‌صورت لکه‌ها و پوسته‌های فرورفته در سنگ‌های دیگر ظاهر می‌شود. به همین دلیل، سنگ معدن را در یک کوره قرار می‌دهند تا فلز موردنظر جدا شود.

کوره برای ذوب سنگ معدن مس باید به دمای حدود ۲۰۰۰ درجه فارنهایت برسد. مس در این دما ذوب می‌شود و از سنگ اطراف جدا می‌شود. اگر سنگ اطراف یا سایر فلزات موجود در سنگ معدن دارای نقطه ذوب پایین‌تری باشند، ابتدا سنگ معدن ذوب می‌شود.

 

ریخته گری

پس از خالص‌سازی مس، نوبت به مخلوط کردن آن با قلع می‌رسد تا آلیاژ برنز ساخته شود. پس‌ازآن، برنز مایع را در قالب‌های ماسه‌ای ریخته و می‌گذارند تا خنک شود. این فرآیند به‌عنوان ریخته‌گری شناخته می‌شد و از آن برای ساخت شمشیرهای برنزی، چاقو و سنجاق استفاده می‌شود. برنز ممکن است تراشیده شود و به اشکال مختلف شکل بگیرد. همچنین، به دلیل سختی آن، به‌ویژه برای ساخت ابزار کشاورزی و سلاح مفید است. مهم ترین روش های ریخته گری مس چیست؟

 

روش‌ های ریخته گری برنز

ریخته گری قالب ماسه‌ ای برنز

قدیمی‌ترین روش ریخته گری برنز، ریخته‌گری قالب ماسه‌ای است. این روش شامل ایجاد یک الگو به شکل قطعه موردنظر و استفاده از ماهیچه برای شکل‌دهی به قطعات توخالی است. سپس الگو در یک فلاسک پر از ماسه قرار می‌گیرد. یک ماده اتصال‌دهنده برای سخت شدن ماسه اضافه می‌شود. سپس الگوی پس از پخت قالب برداشته می‌شود.

برنز مذاب در قسمت توخالی شکل باقی‌مانده ریخته می‌شود تا شکل موردنیاز را ایجاد کند. قالب ماسه پس از سرد شدن فلز برداشته می‌شود و فقط قطعه ریختگی باقی می‌ماند. این قطعه ریختگی می‌تواند همان‌طور که هست فروخته شود، یا می‌تواند تحت عملیات تکمیلی اضافی قرار گیرد. قابلیت تولید قطعات غیرقابل تولید با سایر روش‌های مرسوم، یکی از مزایای ریخته‌گری ماسه‌ای است.

 

ریخته گری گریز از مرکز برنز

ریخته‌گری قطعات استوانه‌ای شکل برنزی با روش ریخته‌گری گریز از مرکز رایج است. یک قالب استوانه‌ای شکل در ریخته‌گری گریز از مرکز استفاده می‌شود. سپس قالب با سرعت مشخصی حول محور خود می‌چرخد . مقدار ماده تزریق‌شده در مرحله ریخته‌گری ضخامت دیواره قطعه ریختگی برنزی را تعیین می‌کند. قطر داخلی اقلام به دلیل ماهیت فرآیند ریخته‌گری گریز از مرکز باید همیشه گرد باشد.

اکثر ناخالصی‌های فلزی چگالی کمتری نسبت به خود فلز دارند. این آلاینده‌ها در طول فرآیند ریخته‌گری در قطر داخلی ریخته‌گری متمرکز می‌شوند و می‌توانند در طول فرآیند ریخته‌گری از بین بروند. درنتیجه، این روش ریخته‌گری ناخالصی‌های کمتری دارد.

 

ریخته گری مداوم یا پیوسته برنز

در روش ریخته‌گری پیوسته، یک طول پیوسته از برنز ریخته‌گری می‌شود. برنز مذاب داخل قالب ریخته می‌شود که به آن شکل می‌دهد. طول ریخته‌گری توسط اره برش تنظیم می‌شود نه قالب. نیروی گرانش برای کمک به حرکت فلز در ریخته‌گری مداوم استفاده می‌شود. این فرآیند ریخته‌گری از بالای سطح زمین شروع می‌شود و فضای زیادی را اشغال می‌کند.

ریخته‌گری پیوسته نسبت به سایر روش‌ها نرخ تلفات مواد کمتر و نرخ بهره‌وری بالاتری دارد. این روش همچنین به‌طورکلی منجر به کیفیت بهتر قطعات ریخته‌گری می‌شود. این امر به دلیل زمان انجماد کوتاه‌تر و ویژگی‌های سازگارتر مواد است.

 

انواع برنز کدام اند ؟

فسفر برنز چیست؟

برنزها گروهی از آلیاژهای بر پایه مس هستند که به‌طور سنتی اغلب با ۱۲ تا ۱۲٫۵ درصد قلع آلیاژ می‌شوند. مقادیر کمی فسفر (۰٫۰۱-۰٫۴۵) نیز برای افزایش سختی، مقاومت در برابر خستگی و مقاومت در برابر سایش به آن اضافه می‌شود و فسفر برنز را شکل می‌دهند. فنرها، بست‌ها، فیکس‌های بنایی، شفت‌ها، دوک‌های سوپاپ، چرخ‌دنده‌ها و یاتاقان‌ها همگی از افزودن این آلیاژها بهره می‌برند.

فلزات زنگوله آلیاژهای مبتنی بر مس هستند که به‌طور سنتی با قلع آلیاژ می‌شوند و اغلب با محتوای بیش از ۲۰ درصد قلع دارند (معمولاً ۷۸ درصد مس، ۲۲ درصد قلع برحسب جرم). فلز زنگ ماده‌ای است که برای ساخت زنگ‌های باکیفیت استفاده می‌شود. هر چه درصد قلع بیشتر باشد، فلز سفت تر و رزونانس یا تشدید آن بیشتر می‌شود.

با افزایش غلظت قلع، مدت‌زمان پوسیدگی ناشی از ضربه زنگ افزایش می‌یابد و صدای زنگ را بیشتر می‌کند. برنزهای قلع بالا همچنین در چرخ‌دنده‌ها، بوش‌های با استحکام زیاد و کاربردهای باربری که به استحکام بالا و بارهای زیاد نیاز دارند استفاده می‌شوند.

پروانه‌های پمپ، رینگ‌های پیستون و اتصالات از دیگر کاربردهای این فلزات هستند. به‌عنوان‌مثال، آلیاژ ریخته‌گری مس UNS C90500، یک آلیاژ ریخته‌گری مس-قلع است که به‌عنوان فلز تفنگ نیز شناخته می‌شود. فولاد اساساً جایگزین آن به‌عنوان ماده اولیه برای ساخت سلاح شده است.

 

سیلیکون برنز چیست؟

محتوای مس در سیلیکون برنز به‌طورمعمول حدود ۹۶ درصد است. سایر عناصر آلیاژی نیز به‌صورت ۲٫۸ تا ۳٫۸ درصد سیلیسیم، ۰٫۵ تا ۱٫۳ درصد منگنز، حداکثر ۰٫۸ درصد آهن، حداکثر ۱٫۵ درصد روی و حداکثر ۰٫۰۵ درصد سرب در آلیاژ سیلیکون برنز یافت می‌شوند. برنزهای سیلیکونی خواصی همچون استحکام و انعطاف‌پذیری خوب توام با مقاومت در برابر خوردگی و جوش‌پذیری عالی دارند.

انواع سیلیکون برنز برای اولین بار برای صنایع شیمیایی به دلیل مقاومت در برابر خوردگی برجسته در مایعات مختلف ایجاد شدند. آن‌ها در محصولات معماری مانند دستگیره‌های در، درهای کلیسا، نرده‌های کلیسا و چارچوب برای پنجره‌ها به کار می‌روند.

 

آلومینیوم برنز چیست؟

برنزهای آلومینیوم خانواده‌ای از آلیاژهای بر پایه مس با ویژگی‌های مکانیکی و شیمیایی هستند که هیچ‌کدام از سری‌های آلیاژهای دیگری نمی‌تواند با آن‌ها مطابقت داشته باشد. آن‌ها در ساختار خود بین ۵ تا ۱۲ درصد آلومینیوم دارند. نیکل، سیلیکون، منگنز و آهن نیز در برنزهای آلومینیومی یافت می‌شوند.

آلومینیوم برنز دارای استحکام قابل‌مقایسه با فولادهای کم آلیاژ و مقاومت در برابر خوردگی بالا است، به‌ویژه در آب دریا و شرایط مشابه، که در آن آلیاژها اغلب از بسیاری از ورق‌های فولاد ضد زنگ فراتر می‌روند.

آلومینیوم موجود در این آلیاژها با اکسیژن محیط واکنش نشان می‌دهد تا یک پوشش سطحی نازک و مقاوم از آلومینا (اکسید آلومینیوم) ایجاد کند که یک مانع خوردگی برای آلیاژ غنی از مس است. آلومینیوم برنز در حالت‌های نوردی و ریخته‌گری موجود است.

رنگ برنزهای آلومینیومی معمولاً طلایی است. برنزهای آلومینیومی در کاربردهای مختلف آب دریا، یاتاقان‌های اتصالات برای لوله‌ها، اجزای پمپ‌ها، دریچه‌ها و مبدل‌های حرارتی مورداستفاده قرار می‌گیرند.

 

بریلیم برنز چیست؟

بریلیم مس، که اغلب بریلیم برنز نامیده می‌شود، یک آلیاژ مس است که حاوی ۰٫۵ تا ۳ درصد بریلیم دارد. بریلیم برنز سخت‌ترین و قوی‌ترین آلیاژ مس در حالت عملیات حرارتی و کار سرد است. این آلیاژ غیر مغناطیسی و غیر قابل جرقه است که از استحکام بالایی نیز برخوردار است. بااین‌حال، مقاومت در برابر خوردگی بیشتری نسبت به فولاد دارد. رسانایی حرارتی آن ۳-۵ برابر فولاد ابزار است. با مشخصات آلیاژهای مس در این لینک آشنا شوید.

این آلیاژهای با کارایی بالا برای مدت طولانی در معدن (معادن زغال سنگ)، گاز و صنایع پتروشیمی برای ابزارهای بدون جرقه (سکوهای نفتی) مورداستفاده قرارگرفته‌اند. ابزارهایی از این آلیاژ نظیر پیچ‌گوشتی، انبردست، آچار، اسکنه سرد، چاقو و چکش موجود است.

همچنین، بریلیم برنز معمولاً برای فنرها، سیم فنری، لودسل و سایر مواردی که باید شکل خود را تحت بارهای چرخه‌ای حفظ کنند، به دلیل مقاومت در برابر خستگی فوق‌العاده استفاده می‌شود.

 

مشخصات و خواص برنز 

مهم‌ترین خواص و ویژگی‌های برنز چیست که آن را به چنین آلیاژ بااهمیتی تبدیل کرده است؟ آیا این خواص، ارزش نام‌گذاری یک دوره از زندگی بشر به نام عصر برنز را داشته‌اند؟ برنز به‌طورکلی آلیاژی با استحکام بالا، سختی، مقاومت به خوردگی و مقاومت به سایش خوب است. خواص برنز قابل‌مقایسه با مواد پرکاربرد دیگری همچون فولادها، آلومینیوم، مس و دیگر فلزات رایج است.

مهم‌ترین مشخصات و خواص برنز عبارت‌اند از:

• ظاهر خاکستری‌تری نسبت به برنج دارد.
• برنز یک فلز بسیار چکش‌خوار است.
• در مقایسه با فلزات دیگر، برنز اصطکاک کمی دارد.
• نقطه ذوب برنز تا حدودی بیشتر از برنج است.
• اغلب بر روی سطح فلز برنز، نشانه‌های ظریف حلقه‌ای شکل وجود دارد.
• برنز چکش‌خوار است اما به‌اندازه چدن نیست.
• نقطه ذوب آلیاژ کمتر از آهن یا فولاد است.
• وقتی برنز را روی سطح سخت می‌زنید، هیچ جرقه‌ای نمی‌زند. این امر برنز را برای استفاده با ترکیبات قابل اشتعال یا انفجاری مناسب می‌کند.
• برنز برخلاف فلزات دیگر، همان‌طور که از مذاب جامد می‌شود، منبسط می‌شود. این ویژگی در هنگام ریخته‌گری مفید است زیرا فلز در هنگام سرد شدن قالب را پر می‌کند.
• اکثر فولادها به‌خوبی برنز جریان الکتریکی یا گرما را منتقل نمی‌کنند.
• برنز در هوا اکسید می‌شود و به رنگ تیره همچون مس درمی‌آید. از طرف دیگر، این اکسید روی سطح تأثیر می‌گذارد و از فلز زیرین محافظت می‌کند. در ابتدا، لایه اکسید از اکسید مس تشکیل شده است، اما خیلی زود به کربنات مس تبدیل می‌شود.
• درحالی‌که لایه اکسیدی برنز از آلیاژ در برابر عناصر محافظت می‌کند، زمانی که در معرض آب دریا قرار می‌گیرد خورده می‌شود. کلریدها عاملی را ایجاد می‌کنند که در آن فلز در سراسر آن خورده می‌شود. برنز، مانند مس و برنج، به‌طورکلی در برابر خوردگی آب شور مقاوم است. پس تفاوت مس و برنج و برنز چیست؟ با تفاوت مس و برنج و برنز در این لینک آشنا شوید.

 

کاربرد برنز چیست ؟

برنز در معماری برای جنبه‌های ساختاری و طراحی استفاده می‌شود. کاربردهای مقاوم به اصطکاک، آلات موسیقی، کنتاکت های الکتریکی و ملخ‌های کشتی ازجمله مهم‌ترین کاربردهای فسفر برنز هستند. ماشین‌آلات و برخی از بلبرینگ‌ها از آلومینیوم برنز نیز ساخته می‌شوند.

برنز از دوران باستان برای ساخت مجسمه‌ها استفاده می‌شده است. اگرچه روش فوم فداشونده مدت‌ها قبل از این زمان برای ریخته‌گری مجسمه‌ها استفاده می‌شد، پادشاه آشوری سناخریب (۷۰۶-۶۸۱ قبل از میلاد) ادعا کرد که اولین کسی است که مجسمه‌های برنزی عظیم را با استفاده از قالب‌های دو قسمتی ریخته‌گری کرده است. سکه‌ها نیز از برنز ساخته‌شده‌اند. بیشتر سکه‌های مسی درواقع برنزی هستند که حاوی ۴ درصد قلع و ۱ درصد روی هستند.

 

جمع بندی

برنز یک آلیاژ رایج از مس و قلع است. اگرچه ترکیب برنز متفاوت است، اما اکثر برنزهای مدرن تقریباً از ۸۰ مس تشکیل‌شده‌اند. منگنز، آلومینیوم، نیکل، فسفر، سیلیکون، آرسنیک یا روی برای ساخت انواع برنز استفاده می‌شود که هرکدام دارای مجموعه‌ای از ویژگی‌های مفید هستند.
برنزها کمی دوام بیشتری نسبت به برنج دارند، اما همچنان مقاومت در برابر خوردگی عالی دارند. آن‌ها معمولاً زمانی به کار می‌روند که علاوه بر مقاومت در برابر خوردگی، خواص کششی خوبی نیز موردنیاز است.