موضوع مقاله: برنج (آلیاژ) | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # برنج (آلیاژ) | مقدمه: این آبدستان ریختگی برنجی با تزئینات روی آن یکی از قدیمی‌ترین نمونه‌های فلزکاری اسلامی - ایرانی است. | ## بخش 1: برنج (آلیاژ) | برنج ترکیبی آلیاژی از مس و روی است.ولاً ترکیب این آلیاژ با عناصر دیگر را برنز می‌گویند. گاهی نام عنصر آلیاژی به همراه برنز آورده می‌شود، برای مثال، برنز قلع‌دار یا برنز فسفردار. 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؛ان که انسان هنوز فلز روی را نمی‌شناخت با ذوب کردن مس همراه با کالامین (سنگ معدن فلز روی) برنج تولید می‌کرد. 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. خواص فیزیکی اکثر آلیاژهای برنج دارای دامنه انجماد بسیار کم است و به دلیل 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. 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. 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. 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. | ## بخش 2: برنج (آلیاژ) | 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 «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. 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. کاربرد 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. 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. ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص آلیاژهای منتخب مس – روی (برنج) نام و شمارهدرصد ترکیب اسمیمشخصات ساخت و کاربردهای خاص۲۱۰ برنج طلایی ۹۵٪۹۵٫۰ Cu 5.0 Znبرنج‌های غیر آلیاژی. قابلیت کارسرد عالی، قابلیت کارگرم خوب برای پولک‌زنی، لوله‌کاری، کشش، سوراخ کردن، پانچ کردن، برش، پیچ دادن، ریخته‌گری تحت فشار، استامپ کردن کاربردها: لوله‌ها، مدل‌ها، لباس ضدگلوله، فیوز، چاشنی، پلاک، پایه جواهرسازی در آب‌طلا کاری۲۲۰ برنج تجاری ۹۰٪۹۰٫۰ Cu 10.0 Znمشخصات ساخت مثل آلیاژ مس ۲۱۰ به اضافه کله‌زنی و جا زدن، …، آهنگری و پرس گرم. کاربردها: برنز حک‌کاری شونده، کارهای شبکه، پرده سینما، پرده‌های محافظ، سخت‌افزار دریایی فشرده، میخ و پرچ.۲۲۶ برنج جواهرسازی ۸۷٪۸۷٫۵ Cu 12.5 Znمشخصات ساخت مثل آلیاژ مس ۲۱۰ به اضافه دنده‌سازی غلتکی و درپوشی کاربردها: گوشه‌ها، کانال‌ها، زنجیرها، زینت‌آلات لباس، …، پایه برای آب‌طلا کاری۲۳۰ برنج قرمز ۸۵٪۸۵٫۰ Cu 15.0 Znکارپذیری سرد عالی، کارپذیری گرم خوب. کاربردها: محافظ‌های باران، هادی‌ها، حفره‌های اتصال، بندها، خاموش‌کننده‌های آتش، مبردها و لوله‌های مبدل حرارت، میله‌های پلمب، بدنه رادیاتور.۲۴۰ برنج کم‌عیار ۸۰٪۸۰٫۰ Cu 20.0 Znکارپذیری سرد عالی، مشخصات ساخت مثل مس ۲۳۰. کاربردها: ظروف باتری، دم آهنگری و آلات موسیقی، عقربه ساعت، خطوط پمپ، لوله‌های خم‌شدنی.۲۶۰ برنج فشنگ ۷۰٪۷۰٫۰ Cu 30.0 Znکارپذیری سرد عالی، مشخصات ساخت مثل آلیاژ مس ۲۳۰ بجز برای سکه‌زنی. کاربردها: بدنه رادیاتور، و مخازن چراغ قوه، ته لامپ، چفت و بست، گیره‌ها، لوله و مفصل، مهمات، وسایل پلمب کردن، پین‌ها و پرچ‌ها.۲۷۰ یا ۲۶۸ برنج زرد۶۵٫۰ Cu 35.0 Znکارپذیری سرد عالی، مشخصات ساخت مثل آلیاژ مس ۲۳۰. کاربردها: مثل آلیاژ مس ۲۶۰ جز اینکه در مورد مهمات به‌کار نمی‌رود.۲۸۰ برنج زرد۶۰٫۰ Cu 40.0 Znکارپذیری گرم و آهنگری عالی برای پولک‌زنی، شکل‌دادن و خم شدن، آهنگری گرم و پرس، کله‌زنی و جا زدن گرم کاربردها: معماری، پیچ و مهره‌های بزرگ، میله لحیم‌کاری، صفحات مبرد، لوله‌های مبدل حرارت، آهنگری گرم۴۴۳، ۴۴۴، ۴۴۵۷۱٫۰ Cu 28.0 Zn 1.0 Snکار سردپذیری عالی برای شکل‌دادن و خم شدن کاربردها: مبرد، لوله‌های مبدل حرارت صفحات مبرد، لوله‌های تقطیر، حلقه و بست.۶۶۷ برنج منگنز۷۰٫۰ Cu 28.8 Zn 1.2 Mnکارپذیری سرد عالی، ساخته شده با استفاده از پولک‌زنی، خم شدن، شکل‌دادن، استامپ، جوشکاری. کاربردها: محصولات برنج جوشکاری نقطه‌ای، جوشکاری لب به لب و جوشکاری درزی.۴۶۴ تا ۴۶۷ برنج دریایی۶۰٫۰ Cu 39.25 Zn 0.75 Snکارپذیری آهنگری گرم عالی، ساخته شده با استفاده از پولک‌زنی، آهنگری گرم، پرس، کله‌زنی و جازدن کاربردها: بست قورباغه‌ای هواپیما، گلوله‌ها، پیچ، سخت‌افزار دریایی، محورها، پرچ، سوپاپ بخار، صفحات مبرد، میله‌های جوشکاری.۶۷۴۵۸٫۵ Cu 36.5 Zn 1.2 Al 2.8 Mn 1.0 Snقابلیت شکل‌پذیری گرم عالی، ساخته شده با روش آهنگری گرم و پرس، ماشینکاری. کاربردها: بوش‌ها، دنده‌ها، میله‌های اتصال، محورها، صفحات سایشی۶۷۵ برنج منگنز، A۵۸٫۵ Cu 1.4 Fe 39.0 Zn 1.0 Sn 0.1 Mnقابلیت کارگرم عالی، ساخته شده با روش آهنگری گرم و پرس، کله‌زنی و جا زدن گرم کاربردها: دیسک‌های کلاچ، محورهای پمپ، محورها، گلوله‌ها، دسته و بدنه شیرها۶۸۷ برنج آلومینیم دارای آرسنیک۷۷٫۵ Cu 20.5 Zn 2.0 Al 1.0 Asقابلیت کارسرد عالی برای شکل‌دادن و خم شدن کاربردها: مبرد، لوله‌های مبدل گرما و بخار، صفحات مبرد، لوله‌های تقطیر۶۸۸۷۳٫۵ Cu 22.7 Zn 3.4 Al 0.40 Coقابلیت شکل‌پذیری سرد و گرم عالی، ساخته‌شده با استفاده از پولک‌زنی، کشش، شکل‌دادن و خم شدن، برش و استامپ کردن. کاربردها: فنرها، سوییچ‌ها، اتصالات، رله‌های قسمت‌های کشیده شده.۶۹۴ برنج قرمز سیلیسیومی۸۱٫۵ Cu 14.5 Zn 4.0 Siقابلیت شکل‌پذیری گرم عالی برای ساخت با روش آهنگری، عملیات ماشین‌پیچ. برنج آلیاژی از مس و فلز روی است که نسبت آن‌دو در آلیاژ تعیین‌کننده نوع برنج با توجه به مورد استفاده آن است. برنج دریایی برنج دریایی (Naval Brass) به گونه‌ای از آلیاژ مس گفته می‌شود که به‌طور تقریبی از ۵۹٪ مس ۴۰٪ روی و ۱٪ قلع و نیز مقدار کمی سرب تشکیل شده باشد. حضور سرب در این آلیاژ با عث بالا رفتن قابلیت ماشین کاری این فلز شده است با این حال برای مثال قابلیت ماشین کاری میلهٔ برنج دریای ۳۵٪ قالبیت ماشین کاری آلیاژ برنج معمولی است. اضافه کردن قلع علاوه بر مورد ذکر شده باعث می‌شود تا برنج دریایی مقاومت بالایی در برابر خروج روی از آلیاژ می‌شود. | ## بخش 3: برنج (آلیاژ) | پدیده خروج فلز روی از آلیاژ برنج دریایی برای اولین بار در سال ۱۹۲۰ میلادی در لوله‌های برنجی کندانسور (انتقال حرارت) کشتی‌ها دیده شد. از این آلیاژ به دلیل دارا بودن استحکام کششی و مقاومت برشی بیشتر نسبت به سایر آلیاژهای مس، در کاربردهای صنعتی مختلف همچون شیرهای صنعتی استفاده می‌شود. پدیده روی زدایی برنج دریایی زمانی که یکی از عناصر آلیاژی که دور تر از آرایش گاز نجیب نسبت به عناصر دیگر قرار دارد از ساختار آلیاژ حذف می‌شود و در مورد برنج دریایی یک ساختار متخلخل از مس بدون مقاومت مکانیکی به جای می‌گذارد، گفته می‌شود که خروج عنصر آلیاژی رخ داده است. برخی از آلیاژهای مس مانند برنج دریایی تمایل بسیار زیادی به از دست دادن عنصر آلیاژی خود و در نتیجه ترک خوردگی براساس تنش را دارا هستند. این پدیده بیشتر در بین آلیاژهایی از مس که حاوی روی هستند رخ می‌دهد اگرچه در ترکیبات مس-منگنز، و در مواقع نادرتر در آلیاژ مس-نیکل نیز رخ می‌دهد. در برنج‌های آلفا، پدیده خروج روی باعث ایجاد یک لایه یکنواخت از مس متخلخل می‌شود. در برنج‌های دوفازی (فاز آلفا و بتا)، عموماً فاز بتا مورد حمله قرار می‌گیرد و آلیاژ تکه‌تکه می‌شود. برخی از آلیاژهای مس از جمله برنج دریایی و مس-منگنز بسیار مستعد خوردگی تنشی هستند. این پدیده زمانی شدت پیدا می‌کند که میزان عناصر فعال در آلیاژ یا سطح تنش افزایش یابد. خوردگی تنشی معمولاً در حضور آمونیاک یا ترکیبات آن رخ می‌دهد اگرچه مواردی از خوردگی تنشی برنج دریایی در مجاورت سیترات‌ها، تارترات و نیترات‌ها نیز گزارش شده است. مقاومت در برابر خوردگی مس به‌طور معمول مقاومت بالایی در محیط‌های خورنده مانند آب و هوای دارای فلوراید از خود نشان می‌دهد. مس و برخی از آلیاژهایش بسیار مستعد خوردگی شیاری هستند اما مکانیزم رخداد این پدید با مکانیزمی که در فولاد زنگ‌نزن رخ می‌دهد بسیار متفاوت است. اگرچه به‌طور کلی برنج برای استفاده در محیط‌های مرطوب مناسب است اما پدیدهٔ روی زدایی یکی از بزرگ‌ترین مشکلات این نوع از آلیاژها است مخصوصاً در شرایطی که محیط اسیدی یا بازی است. به این منظور برای به کاربردن این آلیاژها در محیط‌های مرطوب اسیدی یا بازی مقادیر کمی از قلع، آرسنیک و فسفر به آین آلیاژ اضافه می‌شود. برنج دریایی علاوه بر مستعد آسیب بودن در برابر خوردگی تنشی نسبت به خوردگی حفره‌ای نیز بسیار آسیب‌پذیر هستند. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که برنج دریایی در مجاورت سولفید‌هایی قرار بگیرد که در شرایط راکد بودن سیستم در مجاورت آب دریا به وجود آمده است. برای به حداقل رساندن این حساسیت در برابر حمله سولفیدها از سولفات‌های آهنی در ساختار آلیاژ استفاده می‌شود. مکانیزم روی زدایی مس تشکیل شده توسط روی زدایی برنج، در تصاویر میکروسکوپی، یک لایه متراکم در سطح، تقریباً متناسب با ضخامت عمق روی زدایی است. در مس زیرین غالباً حلقه‌های رشد لایه‌های مس متناوب، کم و بیش متراکم قابل مشاهده است. گاهی این لایه‌ها دارای نوارهایی از اکسید حجیم هستند و باند باریک از مس متراکم معمولاً در مجاورت جبهه خوردگی مشاهده می‌شود. این ویژگی‌ها بر اساس مشاهدات آزمایشگاهی توضیح داده شده‌اند که می‌توانند توضیح مناسبی برای مکانیزم روی زدایی باشند. در خوردگی حفره ای، کلرید مس (I) رسوب شده و متعاقباً هیدرولیز یا اکسیده می‌شود و به محصولات ثانویه تبدیل می‌شوند. برنج آلفا و برنج آلفای غیر آرسنیکی هر دو کلرید مس (I) را به مس کاهش می‌دهند (بتا خیلی راحت تر)، اما آلفای داری آرسنیک چنین نمی‌کند. | ## جمع‌بندی | این اختلافات بین سه نوع برنج در حساسیت نسبی آنها نسبت به روی زدایی منعکس می‌شود.