فلز برنج

برنج (به انگلیسی: Brass) ترکیبی آلیاژی از مس و روی است.معمولاً ترکیب این آلیاژ با عناصر دیگر را برنز می‌گویند. گاهی اوقات نام عنصر آلیاژی به همراه برنز آورده می‌شود، برای مثال، برنز قلع‌دار یا برنز فسفردار. صدها نوع ترکیب گوناگون در هر یک از این گروه‌ها وجود دارد.

با تغییر مقدار روی، خواص آلیاژهای مس-روی نیز تغییر می‌کند. برنج‌های مس- روی که عناصر اضافی مانند قلع، آلومینیوم، سیلیسیم، منگنز، نیکل و سرب دارند به عنوان برنج‌های آلیاژی نامیده می‌شوند.

برنج از مدت‌ها پیش حتی قبل از تاریخ شناخته شده بود؛ در آن زمان که انسان هنوز فلز روی را نمی‌شناخت با ذوب کردن مس همراه با کالامین (سنگ معدن فلز روی) برنج تولید می‌کرد.

برنج معمولاً قابلیت چکش خواری بیشتری نسبت به مس و روی دارد و دمای ذوب آن تقریباً بین ۹۰۰ تا ۹۴۰ درجه سلسیوس است. البته سختی و نرم بودن آن می‌تواند با تغییر نسبت مخلوط مس و روی تغییر کند. مس داخل برنج (از طریق اثر اولیگو دینامیک) خاصیت میکروبکشی به آن می‌دهد. به همین خاطر از برنج به عنوان دستگیره و دیگر فلزات رایج در بیمارستان‌ها استفاده می‌کنند.

امروزه تقریباً ۹۰٪ از فلزات برنج بازیافت می‌شوند، چون فلز برنج خاصیت مغناطیسی کمی دارد و به راحتی می‌توان آن را از فلزاتی که معمولاً با آن‌ها مخلوط می‌شود جدا کرد. بدین ترتیب برنج جدا شده را دوباره بازیافت می‌کنند. چگالی برنج ریختگی در حدود ۸۴۰۰ تا ۸۷۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد

برنج با درصد پایین تر مس نیز همچنین از مس تصفیه شده الکتریکی شکل گرفته است، ولی به صورت معمول ازآلیاژ مس بازیافتی و ضایعات با ارزش کمتر استفاده می گردد. وقتی که ضایعات بازیافتی استفاده می شود، درصد مس و سایر مواد در ته مانده باید مشخص شده باشد بنابراین تولیدکننده می تواند میزان مواد موجود در برنج را به هدف رسیدن به ترکیب برنج مورد نظر تنظیم نماید.

دومین جزء تشکیل دهنده ی برنج ، روی (زینک) است. مقدار روی از نظر وزنی بسته به نوع برنج بین 5% تا 40% متغیر است. برنج با درصد روی بیشتر سخت تر و مقاوم تر می باشد، ولی شکل دهی آن مشکل بوده و در برابر خوردگی هم ضعیف تر است. روی برای ساخت نوعی از برنج که گاهی با نام تجاری اسپلتم مشهور است، استفاده می گردد.

برخی انواع برنج به منظور بهبود ویژگی های خاص، از درصدی از مواد دیگر تشکیل یافته اند. از نظر وزنی تا 3.8% از سرب ممکن است برای اصلاح ماشین کاری به برنج اضافه شود. افزودن قلع مقاومت در برابر خورندگی را بهبود می بخشد. وجود آهن، برنج را سخت تر کرده و باعث می گردد ساختار دانه ای داخلی کوچکتر و بنابراین فلز قابلیت شکل گیری اثرات تکراری را دارا می شود که این امر را در واقع جعل (فورگینگ) می خوانند. آرسنیک و سنگ سرمه (آنتیمون) گاهی به برنجی که بیش از 20% روی دارد، به منظور مهار خوردگی، افزوده می شود. سایر مواد که به میزان خیلی کمتری استفاده می گردند عبارتند از:

  • منگنز
  • سیلیکون
  • فسفر

اسامی سنتی برای انواع مختلف برنج، بازتابی از رنگ این فلز و یا مورد استفاده آن است. به عنوان مثال، برنج سرخ حاوی 15% روی بود و رنگ آن متمایل به قرمز است، برنج زرد 33% روی داشته و رنگ آن متمایل به زرد است. فشنگ برنجی شامل 30% روی است که برای ساخت گلوله های سلاح های گرم استفاده می شود. برنجی که در کشتی سازی استفاده می شود 39.7% روی دارد و در مصارف متعدد برروی کشتی به کار می رود.

متاسفانه، پراکندگی در بین اسامی سنتی، منجر به ایجاد برخی اسامی بی معنی شده است. برنج با 10% روی، برنز تجاری خوانده می شود، بااینکه هیچ قلعی ندارد و در واقع برنز هم نیست. برنج با 40% روی و 3.8% سرب، برنز معماری گفته می شود که در واقع برنج سربدار است.

خواص فیزیکی برنج

اکثر آلیاژهای برنج دارای دامنه انجماد بسیار کم بوده و وجود فلزات دیگر در مس عملاً باعث پائین آمدن نقطه ذوب می‌شود و هر قدر دامنه انجماد کمتر باشد، سیالیت آلیاژ بهتر خواهد بود ولی این امر معمولاً با زیاد شدن حجم انقباض متمرکز همراه است.

برنج‌ها از نقطه نظر شبکه محلول‌های جامد مس و روی دارای خواص زیر می‌باشند:

محلول جامد α: این شبکه در سرما چکش خوار است ولی چکش خواری آن در گرما منوط به نداشتن سرب در آلیاژ است (به دلیل تشکیل سرب مایع در گرما)
محلول جامد β: در این شبکه وجود سرب کمتر مزاحم بوده و شبکه خاصیت چکش خواری خود را در گرما حفظ می‌کند.
محلول جامد γ: این شبکه سخت و شکننده است و خواص عمومی شبکه γ را دارد.

دسته‌بندی آلیاژهای مس

آلیاژهای مس مانند آلومینیم به دو دسته آلیاژهای کارپذیر (نوردی) و ریختگی تقسیم می‌گردند. هر دسته از این آلیاژها نیز بر حسب شرایط ترکیبی عناصر آلیاژی می‌توانند عملیات حرارتی پذیر یا عملیات حرارتی ناپذیر باشند.

انواع برنج‌های کارپذیر (نوردی) فقط حاوی مس و روی می‌باشند و عناصر دیگر در حد ناخالصی در آن‌ها وجود دارد و برنج‌های آلیاژی علاوه بر مس و روی حاوی عناصر دیگری نظیر سیلیسم، آهن، قلع، و سرب و… نیز هستند و بیشتر از طریق ریخته‌گری شکل می‌گیرند.
برنج با ۵ تا ۱۵ درصد روی

کار بر روی قطعه در حالت سرد (Cold Working) این نوع برنج‌ها به ویژه هنگامی که میزان روی آنها نزدیک به ۱۵ درصد باشد به راحتی قابل انجام است. این برنج‌ها از قابلیت شکل‌پذیری خوب و مقاومت خوردگی بالایی برخوردارند، اما به سختی ماشینکاری می‌شوند. آلیاژهایی که در این گروه قرار می‌گیرند عبارتند از: برنج طلاکاری (با ۵ درصد روی)، برنز صنعتی (با ۱۰ درصد روی)، و برنج قرمز (با ۱۵ درصد روی). برنج طلاکاری بیشترین کاربرد را در صنعت طلا و جواهرسازی برای ساخت روکش‌های طلایی رنگ دارد. شکل‌پذیری این برنج مانند مس است اما استحکام آن بیشتر است؛ در ضمن قابلیت ماشینکاری ضعیفی دارد. برنز صنعتی به علت قابلیت شکل‌پذیری آن در جواهرسازی، آهنگری و پرسکاری بکار می‌رود. قابلیت ماشینکاری آن ضعیف است، اما دارای خواص کار در حالت سرد بسیار خوبی است. به همین علت از آن برای ساخت لوله‌های کویل رادیاتورها و کندانسورها استفاده می‌شود.

برنج با ۲۰ تا ۳۶ درصد روی

آلیاژهایی که در این گروه قرار می‌گیرند عبارتند از: برنج کم‌روی (با ۲۰ درصد روی)، برنج فشنگ (با ۳۰ درصد روی)، برنج معمولی (با ۳۵ درصد روی).

از آنجا که روی ارزانتر از مس است، آلیاژهایی که درصد روی آنها بیشتر است ارزانتر هستند. این آلیاژها قابلیت ماشینکاری بهتر و استحکام بالاتری دارند، اما مقاومت خوردگی آنها پایین است و امکان ترک خوردگی فصلی (Season Cracking) در نقاط دارای تنش‌های پسماند در آنها وجود دارد.

برنج کم‌روی بسیار شبیه برنج قرمز است و برای قطعاتی که نیاز به عملیات کشش عمیق (Deep Drawing) دارند استفاده می‌شوند. در میان آلیاژهای مس-روی، دارای بهترین ترکیب شکل‌پذیری و استحکام است. پوکه‌های فشنگ در ابتدا کاملاً به روش کار در حالت سرد ساخته می‌شدند. فرایند ساخت از چندین مرحله عملیات کشش عمیق ساخته می‌شد، که پس از هر بار کشش، قطعه بازپخت می‌شد تا برای مرحله بعد آماده شود. گرچه قابلیت کار در حالت گرم برنج معمولی ضعیف است، اما عملاً می‌توان از آن در بسیاری از فرایندهای ساخت استفاده نمود و تنوع محصولات این آلیاژ نیز به همین علت است.

اگر مقادیر اندکی سرب به برنج افزوده شود، قابلیت ماشینکاری آن بسیار بالا می‌رود و تا حدی نیز قابلیت کار در حالت گرم آن نیز بهتر می‌شود. افزودن سرب به برنج، خواص خواص جوشکاری و انجام کار در حالت سرد را دچار مشکل می‌کند. از آلیاژهای این گروه می‌توان به برنج کم سرب (با ۳۲٫۵ درصد روی، ۰٫۵ درصد سرب)، برنج پرسرب (با ۳۴ درصد روی، ۲ درصد سرب)، و برنج خوش‌تراش (با ۳۵٫۵ درصد روی، ۳ درصد سرب) اشاره کرد.

برنج کم سرب نه تنها دارای قابلیت ماشینکاری خوبی است، بلکه خواص کار در حالت سرد خوبی نیز دارد به گونه ای که مناسب ساخت قطعات مختلف ماشین تراش است. برنج پرسرب که گاهی اوقات «برنج حکاکی» نیز نامیده می‌شود، برای ساخت ابزارآلات، قفل و قطعات ساعت بکار می‌رود. برنج خوش‌تراش که برای ساخت قطعات ماشین‌های تراش به کار می‌رود دارای مقاومت خوردگی خوب و خواص مکانیکی مطلوبی است.

برنج مفرغ (Admiralty Metal) (با ۲۸ درصد روی) دارای یک درصد قلع است که مقاومت خوردگی خوبی به ویژه در مقابل آب دریا به آن می‌دهد. این آلیاژ دارای استحکام و شکل‌پذیری خوبی است ولی قابلیت ماشینکاری و نورد آن ضعیف است. به علت مقاومت بالا در مقابل خوردگی، از آن در ساخت تجهیزات نیروگاه و تجهیزات شیمیایی استفاده می‌شود. برنج آلومینیم‌دار (با ۲۲ درصد روی) دارای ۲ درصد آلومینیم است و به علت نزدیک بودن خواص آن با برنج مفرغ، دارای کاربردهای مشابهی است. به علت مقاومت بالای برنج آلومینیم‌دار در مقابل خوردگی ناشی از جریان‌های سریع آب، استفاده از آن برای ساخت لوله، در مقایسه با برنج مفرغ‌دار از ارجحیت بیشتری برخوردار است.

برنج با ۳۶ تا ۴۰ درصد روی

آلیاژهای برنج با بیش از ۳۸ درصد روی دارای قابلیت شکل‌پذیری کمتری نسبت به برنج فشنگ هستند و انجام کار سرد بر روی آنها نیز امکانپذیر نیست. از این آلیاژ اغلب برای کار در حالت گرم و حدیده کاری استفاده می‌کنند. فلز مونتز (Muntz Metal) (با ۴۰ درصد روی) دارای قیمت ارزان و تا حدودی مقاوم در برابر خوردگی است. برنج دریایی (Naval Brass) تقریباً دارای همان ترکیب فلز مونتز است با این تفاوت که حاوی ۰٫۷۵ درصد قلع می‌باشد. وجود قلع در این آلیاژ سبب بالا رفتن مقاومت آن در برابر خوردگی می‌شود.

از این آلیاژ به دلیل خواص ویژه و شکل و رنگ آن در جاهای مختلفی استفاده می‌کنند:

  • در دکوراسیون داخلی به خاطر رنگ تقریباً طلایی رنگش.
  • در جاهایی که به اصطکاک کم نیاز باشد مثل مغزی قفل‌ها.
  • در سازهای موسیقی مخصوصاً بخاطر خاصیت آکوستیکی (مثل هورن).

ساختارهای بلوری برنج

بزرگترین وجه تمایز بین انواع مختلف برنج بر اساس ساختار بلوری آنهاست. دلیل این امر این است که ساختارهای اتمی دو عنصر مس و روی متفاوت است و آن‌ها را بسته به نسبت محتوا و درجه حرارت ترکیب می‌کنند.

برنج آلیاژی از مس و فلز روی است که نسبت آن‌دو در آلیاژ تعیین‌کننده نوع برنج با توجه به مورد استفاده آن است. برخی از انواع برنج‌هابرنز هم نامیده می‌شوند هرچند برنز آلیاژی از مس و قلع است.

اسکرول به بالا