آلیاژ برنز چیست و از چه فلزاتی تشکیل شده‌است؟

آلیاژ برنز، فلزی ترکیبی است که پایه آن مس است و با قلع یا فلزات دیگر مخلوط می‌شود تا سختی، مقاومت و دوام بیشتری پیدا کند. واژه «مفرغ»، رایج‌ترین معادل تاریخی برنز در زبان فارسی است. جالب است بدانید پاتینای طبیعی برنز می‌تواند تا چندین دهه از فلز در برابر خوردگی نمک‌های مهاجم محافظت کند.

در این مطلب، ضمن پاسخ جامع و فنی به این سوال که آلیاژ برنز چیست، درباره مشخصات فیزیکی این آلیاژ و نقش فلزهای مختلف در ساخت آن صحبت می‌کنیم. همچنین می‌گوییم که آلیاژ برنز از چیست، رنگ برنز چه رنگی است و در مقایسه با برنج چه تفاوت‌هایی دارد. تا انتهای مجله آلورفولاد همراه ما باشید.

آلیاژ برنز چیست؟

برنز نوعی فلز ترکیبی است که پایه اصلی آن مس است و معمولا با قلع ترکیب می‌شود. در بیشتر انواع برنز، حدود ۹۰ درصد از ترکیب را مس و نزدیک به ۱۰ درصد را قلع تشکیل می‌دهد. این آلیاژ از قدیمی‌ترین آلیاژهای شناخته‌شده در تاریخ بشر است و از گذشته تا امروز برای ساخت ابزار، مجسمه و قطعات صنعتی استفاده می‌شود.

با گذشت زمان، ترکیب برنز‌ها متنوع‌تر شده‌است. امروزه به هر آلیاژی که پایه آن مس باشد و همراه با یکی از فلزهای دیگر مثل قلع، آلومینیوم، فسفر، نیکل یا سیلیکون ساخته شود، «برنز» می‌گویند. هرکدام از این فلزها ویژگی خاصی به آلیاژ می‌افزایند و باعث می‌شوند برنز برای کاربردهای مختلف مناسب‌تر شود.

آلور فولاد، تولیدکننده انواع ورق‌های آلیاژی، انواع این نوع ورق را تولید و عرضه می‌کند. شما می‌توانید برای بررسی قیمت این محصولات از جمله قیمت ورق a516 به بخش محصولات ما مراجعه کنید.

نقش فلزهای مختلف در ساخت آلیاژ برنز

هر فلزی که به مس اضافه شود، می‌تواند ویژگی‌های آن را تغییر دهد، اما فقط بعضی از این ترکیب‌ها مثل قلع، آلومینیوم یا فسفر، آلیاژهایی از خانواده برنز را تشکیل می‌دهند. 

جدول زیر به‌طور خلاصه نشان می‌دهد هر عنصر چه نقشی در ساخت برنز دارد و چه اثری در این آلیاژ می‌گذارد:

ترکیب‌های رایج آلیاژ برنز

در این بخش با چند نوع رایج از آلیاژهای برنز آشنا می‌شویم که هر کدام به‌شکلی منحصر‌به‌فرد در صنعت و هنر نقش دارند:

• برنز کلاسیک (مس و قلع): شامل حدود ۸۸ تا ۹۰ درصد مس و ۱۰ تا ۱۲ درصد قلع است. این نوع همان برنزی است که بیشتر در آثار تاریخی یا مجسمه‌ها دیده می‌شود.
• فسفر برنز: از مس و مقدار کمی قلع (بین نیم تا ۱۱ درصد) تشکیل شده‌است و کمی فسفر به آن اضافه می‌شود. فسفر باعث می‌شود فلز سخت‌تر شود، دیرتر ساییده شود و سطحی صاف‌تر داشته باشد.
• برنز آلومینیومی: در این نوع، به‌جای قلع، چند درصد آلومینیوم با مس ترکیب می‌شود (به‌طور معمول تا حدود ۱۲ درصد). نتیجه، آلیاژی محکم‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی است که در محیط‌های مرطوب یا دریایی استفاده زیادی دارد.

چرا ترکیب برنزها متفاوت است؟

هر نوع برنز برای کاربردی خاص طراحی می‌شود؛ مثلا برنزی که برای مجسمه‌سازی استفاده می‌شود، باید به‌خوبی در قالب ریخته شود و سطحی زیبا داشته باشد، اما برنزی که در ساخت یاتاقان یا پروانه‌ی کشتی به‌کار می‌رود نیازمند مقاومت زیاد در برابر فشار و زنگ‌زدگی است. از همین رو، ترکیب فلزها بسته به نیاز تغییر می‌کند.

رنگ برنز چه رنگی است؟

رنگ آلیاژ برنز به‌طور معمول قهوه‌ای – قرمز گرم است و در ترکیب‌های مختلف می‌تواند زمینه‌ای مسی با ته‌نُمای طلایی داشته باشد. با گذشت زمان، سطح برنز ممکن است با تشکیل پاتینا به رنگ‌هایی چون سبز یا زرد کمرنگ تغییر کند که نشان‌دهنده اکسیداسیون طبیعی یا آغاز خوردگی است. در ادامه خواهیم گفت پاتینای آلیاژ برنز چیست.

رنگ برنز: قهوه‌ای – قرمز گرم

خواص مکانیکی و فیزیکی آلیاژ برنز

ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی برنز، بسته به نوع آلیاژ و عملیات حرارتی می‌تواند تفاوت چشمگیری داشته باشد. 

در ادامه، به‌صورت دقیق‌تر به مهم‌ترین ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکیِ برنز می‌پردازیم؛ خصوصیاتی که نقش اساسی در انتخاب نوع آلیاژ برای ساخت قطعات مختلف دارند:

• سختی و مقاومت کششی: میزان سختی و استحکام در برنزها متغیر است و به مقدار فلزات افزوده‌شده بستگی دارد. برخی از انواع آلومینیوم‌برنز‌ها سختی و مقاومتی نزدیک به فولادهای کم‌آلیاژ دارند.
• چقرمگی (مقاومت در برابر ضربه): برنزهای کارشده و ریختگی به‌طور معمول چقرمگی بالایی دارند. در میان آن‌ها، فسفر برنز به دلیل ساختار دانه‌ای ریزتر، مقاومت بیشتری در برابر شکست و ضربه از خود نشان می‌دهد.
• هدایت حرارتی و الکتریکی: رسانایی برنز از مس خالص کمتر است، زیرا وجود عناصری مانند قلع، آلومینیوم یا سیلیکون مسیر حرکت الکترون‌ها را محدود می‌کند. بااین‌حال، در بسیاری از کاربردهای صنعتی، این میزان رسانایی کافی و قابل قبول است.
• ضریب اصطکاک و مقاومت در برابر سایش: برنز ذاتا فلزی کم‌اصطکاک و مقاوم در برابر ساییدگی است، به‌همین دلیل در ساخت بوش‌ها، یاتاقان‌ها و قطعات متحرک کاربرد زیادی دارد. افزودن فسفر یا سیلیکون به ترکیب، این خاصیت را تقویت می‌کند.
• مقاومت در برابر خستگی و خوردگی: برنزها به‌ویژه در محیط‌های مرطوب یا خورنده عملکرد خوبی دارند. آلومینیوم برنز به‌طور خاص در برابر آب دریا مقاوم است و فسفر برنز نیز در شرایط بارگذاری مداوم عمر طولانی‌تری دارد.

رفتار آلیاژ برنز در برابر خوردگی، پاتینا و روش‌های حفاظت

برنز هنگام تماس با هوا و رطوبت دچار خوردگی می‌شود و لایه‌ای به‌نام پاتینا روی سطح شکل می‌گیرد که گاهی رنگ و ساختار متغیری دارد. ترکیب فلز و شرایط محیطی تعیین می‌کند پاتینا چقدر پایدار باشد. البته در برخی موارد نمک‌های مهاجم می‌توانند باعث خوردگی شدید شوند. پاتینای سالم تا حدی از سطح محافظت می‌کند، اما لایه‌های خورنده باید شناسایی و کنترل شوند. 

برای حفاظت از اشیا برنزی، به‌طور معمول پاک‌سازی ملایم، کنترل نمک‌ها و استفاده از مهارکننده‌هایی مانند بنزوتریازول کافی است. در آخر باید بگوییم پوشش‌های محافظ مانند واکس، لاک یا پوشش‌های پیشرفته باعث کاهش تماس با رطوبت و دوام طولانی‌تر آثار می‌شوند.

وب‌سایت Wilkinson Coutts می‌نویسد:

“Patina protects copper by forming a stable layer on the surface of the metal that acts as a barrier to further corrosion.”
«پاتینا با تشکیل یک لایه پایدار روی سطح فلز، مانند مانعی در برابر خوردگی بیشتر عمل می‌کند.»

روش‌های تولید، ریخته‌گری، عملیات حرارتی و کارپذیری آلیاژ برنز

آلیاژ برنز به‌خاطر ترکیب فلزی خاص و قابلیت شکل‌پذیری، یکی از پرکاربردترین مواد در ساخت قطعات صنعتی و هنری است. نحوه تولید، ریخته‌گری، عملیات حرارتی و کارپذیری آن تعیین‌کننده کیفیت، دوام و عملکرد نهایی قطعات برنزی است.

• ترکیب و تولید: آلیاژ برنز اغلب از ذوب مس و قلع ساخته می‌شود و گاهی عناصری مانند آلومینیوم، سیلیکون یا سرب به آن اضافه می‌شوند. پس از ذوب، مایع در قالب ریخته می‌شود و پس از سرد شدن به‌شکل قطعات نهایی درمی‌آید.
• فرایند ریخته‌گری: قالب ماسه‌ای، قالب دائمی یا قالب‌گیری سرمایه‌گذاری‌شده (investment casting) برای تولید اشکال پیچیده کاربرد دارند.
• عملیات حرارتی: برنزها پس از ریخته‌گری می‌توانند تحت عملیات حرارتی قرار گیرند تا خواص مکانیکی بهبود یابد. برای مثال، آلیاژهای حاوی آلومینیوم با حرارت‌دهی و خنک‌کاری سریع، سختی و مقاومت کششی بیشتری پیدا می‌کنند، اما کمی انعطاف‌پذیری خود را از دست می‌دهند.
• کارپذیری: توانایی ماشین‌کاری، نورد یا اکستروژن این آلیاژها به ترکیب شیمیایی و ساختار داخلی بستگی دارد. برخی آلیاژها برای ماشین‌کاری آسان‌تر طراحی شده‌اند، در حالی که برخی دیگر برای مقاومت بیشتر تحت بارهای سنگین مناسب‌اند.

مقایسه آلیاژ برنز و برنج

آلیاژ برنز و برنج هر دو ترکیبی از مس با فلزات دیگرند، اما کاربرد و ویژگی‌های آن‌ها متفاوت است. در این بخش، جدول مقایسه آلیاژ برنز و برنج را مشاهده می‌کنید:

برنز؛ آلیاژی که تاریخ و صنعت را پیوند می‌دهد

برنز، با پایه مس و افزودنی‌هایی مثل قلع، آلومینیوم و فسفر، طی هزاران سال هم در هنر و هم در صنعت کاربرد داشته‌است و همچنان می‌درخشد. تنوع ترکیب‌ها، خواص مکانیکی و مقاومت آن در برابر خوردگی، موجب شده‌است تا این آلیاژ برای مجسمه‌سازی، یاتاقان‌ها و قطعات دریایی مناسب باشد. همه این ویژگی‌ها، برنز را به آلیاژی پرکاربرد و چندمنظوره تبدیل کرده‌است.

سوالات متداول

۱. آلیاژ برنز چیست؟
برنز آلیاژی از مس است که اغلب با قلع یا فلزات دیگری مانند آلومینیوم، فسفر یا نیکل ترکیب می‌شود تا سختی، دوام و مقاومت آن افزایش یابد.

۲. چرا برنز مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد؟
وجود مس و عناصر افزوده باعث تشکیل لایه پاتینا روی سطح می‌شود که مانند یک پوشش محافظ طبیعی عمل می‌کند.

۳. چه انواع برنزی برای کاربردهای مختلف مناسب است؟
برنز کلاسیک برای مجسمه‌ها، فسفر برنز برای یاتاقان‌ها و برنز آلومینیومی برای محیط‌های دریایی بهترین عملکرد را دارند.

۴. آیا برنز هدایت الکتریکی خوبی دارد؟
رسانایی برنز کمتر از مس خالص است اما برای بسیاری از کاربردهای صنعتی کافی و مناسب است.

۵. چطور می‌توانم از قطعات برنزی محافظت کنم؟
پاک‌سازی ملایم، کنترل نمک‌ها، استفاده از مهارکننده‌ها و پوشش‌های محافظ مانند واکس یا لاک طول عمر آن‌ها را افزایش می‌دهد.

۶. آیا برنز برای ریخته‌گری و ماشین‌کاری مناسب است؟
بله، بسته به ترکیب فلزی، برخی برنزها به‌راحتی ماشین‌کاری می‌شوند و برخی دیگر برای مقاومت بیشتر تحت بارهای سنگین طراحی شده‌اند.