آلیاژ برنز و کاربردهای آن

برنز یا مِفرَغ (به انگلیسی Bronze ) آلیاژی است که عمدتاً از مس تشکیل شده و معمولاً با حدود ۱۲ تا ۱۲٫۵ درصد قلع و با افزودن فلزات دیگر (مانند آلومینیوم، منگنز، نیکل یا روی) و گاهی نافلزها مانند فسفر، یا شبه‌فلزهایی مانند آرسنیک یا سیلیسیم همراه است. این افزودنی‌ها طیف وسیعی از آلیاژها را تولید می‌کنند که ممکن است سخت‌تر از مس به تنهایی باشند یا دارای ویژگی‌های مفید دیگری مانند استحکام، شکل‌پذیری یا قابلیت ماشین‌کاری باشند.

دورهٔ باستان‌شناسی که در آن برنز، سخت‌ترین فلز مورد استفادهٔ گسترده بود، با عنوان عصر برنز شناخته می‌شود. آغاز عصر برنز در غرب اوراسیا و هند به‌طور معمول به اواسط هزارهٔ چهارم پیش از میلاد و در اوایل هزارهٔ دوم پیش از میلاد در چین مربوط می‌شود.^[۱] استفاده از برنز در جاهای دیگر نیز به‌تدریج، گسترش یافت. عصر برنز با عصر آهن دنبال شد که از حدود سال ۱۳۰۰ پیش از میلاد آغاز شد و در حدود سال ۵۰۰ پیش از میلاد به بیشتر اوراسیا رسید.

از آن‌جا که آثار هنری تاریخی بیشتر از برنج (مس و روی) و برنز با ترکیب‌بندی‌های مختلف ساخته می‌شدند، موزه‌های مدرن و توصیف‌های علمی آثار هنری قدیمی‌تر به‌طور فزاینده‌ای از اصطلاح کلی «آلیاژ مس» استفاده می‌کنند.

ترکیب

آلیاژهای برنز بسیار متفاوتی وجود دارد، اما معمولاً برنز متداول کنونی، دارای ۸۸٪ مس و ۱۲٪ قلع است. آلفا برنز از محلول جامد آلفا قلع در مس تشکیل شده‌است. در آلیاژهای آلفا برنز، از قلعِ ۴ تا ۵ درصد برای ساخت سکه، فنر، توربین و تیغ استفاده می‌شود. برنزهای تاریخی از نظر ترکیب، بسیار متغیر هستند، زیرا بیشتر فلزکاران گذشته، احتمالاً از هر ضایعاتی که در دسترس بود استفاده می‌کردند. در یک نمونه شمعدان برنزی از بریتانیای قرن دوازدهم، ترکیب آن حاوی مخلوطی از مس، روی، قلع، سرب، نیکل، آهن، آنتیموان، آرسنیک با مقدار غیرمعمول و زیادی نقره است و این مخلوط نشان می‌دهد که این شمعدان، از گنجینه‌ای از سکه‌های قدیمی ساخته شده‌است. برنزهای بنین مربوط به قرن سیزدهم در واقع برنجی هستند.

در عصر برنز، معمولاً دو شکل برنز، مورد استفاده قرار می‌گرفت: «برنز کلاسیک» با حدود ۱۰ درصد قلع و «برنز ملایم» که حاوی حدود ۶٪ قلع بود. سلاح‌های تیغه‌دار عمدتاً از برنز کلاسیک ریخته‌گری می‌شدند، در حالی‌که کلاه‌خودها و زره‌ها از برنز ملایم تهیه می‌شدند. اکنون برنز تجاری (۹۰٪ مس و ۱۰٪ روی) و برنز معماری (۵۷٪ مس، ۳٪ سرب، ۴۰٪ روی) بیشتر به‌عنوان آلیاژهای برنج در نظر گرفته می‌شوند زیرا حاوی روی به‌عنوان عنصر اصلی آلیاژی هستند و معمولاً در کاربردهای معماری استفاده می‌شوند.

«برنز پلاستیکی» حاوی مقدار قابل‌توجهی سرب است که باعث بهبود شکل‌پذیری می‌شود که احتمالاً توسط یونانیان باستان در ساخت کشتی از آن استفاده می‌شد. سایر آلیاژهای برنز عبارت‌اند از: برنز آلومینیوم، فسفر برنز، برنز منگنز، فلز زنگ، برنز آرسنیک، فلز اسپکولوم و آلیاژ سِنج.

ویژگی‌ها

برنزها معمولاً آلیاژهایی انعطاف‌پذیر هستند که به‌طور قابل توجهی کمتر از چدن، شکننده هستند. برنز معمولاً تنها به‌صورت سطحی اکسید می‌شود. هنگامی‌که یک لایه اکسید مس (که در نهایت به کربنات مس تبدیل می‌شود) تشکیل شد، فلز زیرین از خوردگی بیشتر محافظت می‌شود. این را می‌توان در تندیس‌های مربوط به عصر هلنیستی مشاهده کرد. با این‌حال، اگر کلرید مس تشکیل شود، یک حالت خوردگی با نام «بیماری برنز» در نهایت آن را به‌طور کامل از بین می‌برد.^[۹] آلیاژهای مبتنی بر مس دارای نقطه ذوب پایین‌تری نسبت به فولاد یا آهن هستند و به‌راحتی از فلزات تشکیل‌دهندهٔ آن‌ها تولید می‌شوند. آن‌ها به‌طور کلی حدود ۱۰ درصد چگالی بیشتری از فولاد دارند اما آلیاژهایی که از آلومینیوم یا سیلیسیم استفاده می‌کنند، ممکن است کمی چگالی کمتری داشته باشند. برنز نسبت به اکثر فولادها رسانای گرما و الکتریکی بهتری است. هزینهٔ آلیاژهای بر پایهٔ مس به‌طور کلی بالاتر از فولادها اما کمتر از آلیاژهای مبتنی بر نیکل است.

مس و آلیاژهای آن کاربردهای بسیار متنوعی دارند که نشان‌دهندهٔ خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی چندمنظوره و همه‌کارهٔ آن هاست. برخی از این ویژگی‌های رایج، عبارت‌اند از رسانایی الکتریکی بالای مس خالص، ایجاد اصطکاک کم در برنز یاتاقان (برنزی که میزان سرب بالایی دارد - ۶–۸ درصد)، کیفیت رزونانسی برنز زنگ (۲۰٪ قلع، ۸۰٪ مس) و مقاومت در برابر خوردگی توسط آب دریا در چندین آلیاژ برنز.

نقطهٔ ذوب برنز بسته به نسبت اجزای آلیاژی متفاوت است و حدود ۹۵۰ درجه سلسیوس (۱٬۷۴۲ درجه فارنهایت) است. برنز معمولاً غیرمغناطیسی است اما آلیاژهای ویژه‌ای از آن که حاوی آهن یا نیکل هستند، ممکن است ویژگی‌های مغناطیسی داشته باشند.