۲۰۰⚊ 
آلیاژ مفرغ چیست؟
مفرغ یا برنز قدیمی ترین آلیاژی ست که به دست بشر کشف شده است. برنز آلیاژی ست که به طور عمده از مس تشکیل شده است و در حدود 12 تا 12.5 درصد قلع دارد. گاهی اوقات مواد دیگری مانند آلومینیوم، منگنز،نیکل یا روی نیز در این آلیاژ وجود دارد. برخی عناصر غیر فلزی مانند آرسنیک، فسفر و سیلیسیم هم ممکن است در ساختار برنز وجود داشته باشد. وجود این عناصر محدوده ای از آلیاژها را تولید میکند که ممکن است از مس به تنهایی سختر باشند و یا برخی ویژگی های مفید دیگر مانند استحکام، چکش خواری و قابلیت ماشین کاری بهتری داشته باشند.
تصویر شماره 1 – لیوانی از جنس مفرغ
آنچه در این مقاله خواهید خواند:
- تاریخچه آلیاژ مفرغ
- تاریخ برنز
- مفرغ یا برنز در ایران باستان
- ویژگی آلیاژ مفرغ
- کاربرد آلیاژ مفرغ
- انواع مفرغ
تاریخچه آلیاژ مفرغ
دوره باستان شناسی که در آن برنز به عنوان فلزی سخت کاربردهای بسیار زیادی داشته است به عنوان عصر برنز یا عصر مفرغ شناخته می شود. شروع عصر برنز از هندوستان و اوراسیای غربی در حدود میانه ی هزاره ی چهارم پیش از میلاد است و تا اوایل هزاره ی دوم قبل از میلاد مسیح در هندوستان ادامه داشته است. با پایان عصر برنز، عصر آهن در 1300 سال قبل از میلاد میسح آغاز می شود و تا 500 سال پیش از میلاد مسیح به بیشتر مناطق اوراسیا می رسد.
به دلیل قطعات تاریخی بسیار زیادی که از جنس برنج (آلیاژی از مس و روی) کشف شده است و همینطور برنزهایی که با ترکیبات متفاوت به دست آمده است، موزه های مدرن و توصیفات علمی که برای این اشیایی قدیمی به کار برده می شود بیشتر از واژه ی عمومی "آلیاژ مس" استفاده می کند.
تصویر شماره 2 – وسایلی از عصر مفرغ در موزه ی ولز
کلمه برنز (Bronze) از کلمه فرانسوی Bronze گرفته شده است که خود این کلمه ریشه ایتالیایی (Bronzo) دارد. Bronzium نیز کلمه ای لاتین است با منشا نامشخص که احتمال دارد از کلمه فارسی Birinji گرفته شده باشد.
بیشتر بخوانید: پرکاربرد فلزات در ساختمان سازی
تاریخ برنز
کشف برنز انسان را قادر کرد تا اشیای فلزی سخت و مستحکم تری نسبت به قبل بسازد. ابزارها، سلاح ها و مصالح ساختمانی ساخته شده از برنز مانند کاشی های تزئینی، سختر و مقاومتر از سنگ و مس به تنهایی بودند. در ابتدا برنز از مس و آرسنیک ساخته می شد و برنز آرسنیکی را به وجود می آورد. این نوع برنز حاصل ترکیب طبیعی مس و آرسنیک و یا ترکیب مصنوعی این دو عنصر بود که در صنایع دست سازه اولیه ی ساخته شده توسط ایرانیان در هزاره ی پنجم قبل از میلاد مسیح به دست آمده است. بعدها از فلز قلع نیز در ساخت برنز استفاده شد و در اواخر هزاره ی سوم پیش از میلاد به عنوان فلز اصلی پس از مس در ساخت برنز به کار برده شد.
برنزی که با ترکیب قلع ساخته میشد در مقایسه با برنز آرسنیکی از مزایایی برخوردار بود. از آن جمله اینکه فرایند ساخت آن ساده‌تر و قابل کنترل تر بود همچنین محصول نهایی از مقاومت بیشتری برخوردار بود و راحتر قالب گیری می شد. برخلاف برنز آرسنیکی، فلز قلع و بخارات ناشی از آن سمی نیست. نخستین آلیاژ برنز ساخته شده با قلع مربوط به 4500 سال پیش از میلاد مسیح در صربستان است. پس از آن نمونه هایی مربوط به هزاره ی چهارم پیش از میلاد در مصر، ایران، چین و بین‌النهرین عراق یافت شده است.
تصویر شماره 3 – لگام مفرغین کشف شده از گورهای لرستان
سنگ مس و قلع اغلب با یکدیگر به صورت طبیعی یافت نمی شوند. مگر در حالت های استثنایی مانند کورنوال (Cornwall) در بریتانیا، یک سایت قدیمی در تایلند و یک نمونه نیز در ایران.
منابع قلع و تجارت آن در دنیای قدیم تاثیر بسیار مهمی بر توسعه فرهنگی داشت. یکی از منابع مهم قلع، معادن کورنوال در بریتانیا بوده است که دامنه ی تجارت آن به مدیترانه ی شرقی نیز می رسیده است.
در بخش های زیادی از دنیا، ذخایر بزرگی از دست سازه های برنزی یافت شده است که نشان می دهد برنز علاه بر ارزش مالی نشان دهنده جایگاه اجتماعی نیز بوده است. در انگلستان تعداد بسیار زیادی از ابزاری های برنزی، غالبا تبر، یافت شده است.
مفرغ یا برنز در ایران باستان
احتمالا ساخت اولین ابزار مفرغی به صورت اتفاقی صورت گرفته است و پس از آن انسان سعی در کشف و بهینه‌سازی آن داشته است. در فلات مرکزی ایران معدن قلع بزرگی کشف نشده است و این احتمال وجود دارد که در دوران پیش از تاریخ قلع مورد نیاز از افغانستان و ازبکستان به ایران وارد می شده است.
ایران پیشینه ای بسیار طولانی در ذوب سنگ معدن و استخراج مس دارد. آثار به دست آمده از تپه قبرستان دشت قزوین متعلق به نیمه دوم هزاره پنجم پیش از میلاد همینطورکشف های انجام شده در روستاهای سنگتراشان و سرخه ده علیا در خرم آباد لرستان، تپه علی کش در دهلران، تپه سیلک، تل ابلیس در رشته کوه های کرمان و اکتشافات بمپور و شهداد همگی گواه این مطلب است. مفرغ در نتیجه ترکیب مس و قلع ساخته شد و به صورت مهمترین ساخته ی فلات ایران درآمد.
لرستان در غرب ایران یکی از شاخص ترین مناطق جهان در زمینه صنعت مفرغ بوده است. شواهد نشان می دهد که فلزکاری در لرستان از هزاره چهارم پیش از میلاد در جریان بوده است. اشیای مفرغی که از این منطقه به دست آمده است شامل خنجر، شمشیر، گرز و ...، وسایل زینتی و انواع ظروف است.
تصویر شماره 4 – تندیس های مفرغی لرستان
ویژگی آلیاژ مفرغ
برنز آلیاژی شکل پذیر است و شکنندگی آن از چدن کمتر است. برنز معمولا به صورت سطحی دچار اکسیداسیون می شود. هنگامی که مس اکسید می شود و تشکیل کرنبات مس میدهد لایه ای روی برنز شکل می گیرد که از خوردگی بیشتر لایه های زیرین جلوگیری می کند. اگر کلریدهای مس روی برنز تشکیل شود به این نوع از خوردگی بیماری برنز گرفته می شود که در نهایت به طور کامل آن را تخریب می کند. آلیاژهای بر پایه ی مس دمای ذوب پایین تری نسبت به آهن یا فولاد دارند و به راحتی از مواد تشکیل دهندشان ساخته می شوند. نسبت به فولاد معمولاد 10 درصد چگال تر هستند هر چند آلیاژهایی که در آن ها از آلومینیوم یا سیلیسیم استفاده شده است ممکن است مقداری کمتر چگال باشند. برنز در مقایسه با فولاد از هدایت گرمایی و الکتریکی بیشتری برخوردار است. قیمت آلیاژهای بر پایه ی مس از فولاد بالاتر است اما نسبت به آلیاژهای برپایه نیکل ارزانتر است.
مس و آلیاژهای آن دسته ی وسیعی از کاربردها را دارد که نشان دهنده ی ویژگی های گسترده ی فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی آن است.
بیشتر بخوانید: انواع فولاد و کاربرد آن ها
کاربرد آلیاژ مفرغ
برنز یا مفرغ و برخی از ترکیبات آن برای مدت زمان بسیار طولانی برای ساخت سکه مورد استفاده قرار می گرفتند. همچنین برنز به دلیل سختی و مقاومت در برابر خوردگی نمک دریا تا پیش از به کارگیری فولاد ضد زنگ برای ساخت فیتینگ های کشتی و قایق استفاده می شد. امروزه همچنان برنز در ساخت پروانه کشتی به کار برده می شود. در قرن بیستم سیلیسیم به عنوان یک عنصر برای استفاده در برنز معرفی شد که به طور وسیعی در مجسمه سازی مدرن استفاده شد. بسیاری از مجسمه سازان استفاده از برنز سیلسیمی را به دلیل در دسترس بودن سیم لحیم برنز و هم رنگ بودن آن برای موارد ترمیمی ترجیح می دادند. قطعات برنزی سخت هستند و برای ساخت هدایت کننده های الکتریکی، فنر و گیره استفاده می شود. از آلومینیوم نیز برای ساخت آلیاژ برنز استفاده می شود.
برنز همچنین از اصطکاک کمی در مقابل فلزات غیر مشابه برخوردار است که در گذشته از آن برای ساخت توپ جنگی استفاده می شد. امروزه نیز از برنز در ساخت فنر، بوشینگ، فیتینگ و ... استفاده می شود. به علاوه در ساخت موتورهای الکتریکی کوچک نیز به عنوان یاتاقان کاربرد دارد.
برخلاف فولاد از برخورد برنز با یک سطح سخت جرقه ایجاد نمی شود. این ویژگی باعث شده است که از آن برای ساخت چکش، پتک و سایر وسایلی که در اتمسفرهای انفجاری و گازهای آتشزا کار می کنند استفاده شود.
انواع مفرغ
برنز یک فلز خالص نیست و نوعی آلیاژ است. به همین دلیل از عناصر متفاوتی در ساخت آن استفاده می شود. برنز بیشتر از مس تشکیل شده است اما برخی از عناصر دیگر نیز مانند قلع در ترکیب آن وجود دارد. علاوه بر قلع ممکن است عناصری مانند آلومینیوم، آرسنیک، منگنز، فسفر و سیلیسیم نیز به ساختار برنز اضافه شود.
هر کدام از این عناصر انواع مختلفی از برنز را به وجود می آورند که ویژگی ها و مشخصات متفاوتی دارند اما وجه تشابه همه آن ها استحکام بالای آنهاست. با اضافه کردن این عناصر آلیاژی قوی از مس به وجود می آید که برای ساخت ابزار موسیقی، مجسمه، مدال و ابزار مختلف کاربرد دارد.
5 نوع معمول برنز بر حسب عنصری که در ساخت آن به کاربرده می شود عبارت است از:
برنز آلومینیوم
برنز آلومینیوم از استحکام و مقاومت بالایی در برابر خوردگی برخودار است. این ترکیب به طور معمول از 6 تا 12 درصد آلومینیوم، 8 درصد آهن و 6 درصد نیکل تشکیل شده است. از برنز آلومینیوم به طور عمده در ساخت وسایلی که مایعات خورنده را انتقال می دهد استفاده می شود.
برنز فسفردار
برنز فسفردار که به آن برنز قلع نیز گفته می شود از 0.5 تا 1 درصد قلغ و در حدود 0.01 تا 0.35 درصد فسفر تشکیل شده است. این ترکیب باعث استحکام فوق‌العاده ی برنز می شود همچنین ظرفیت اصطکاک آن را کاهش میدهد. خاصیت ضد خوردگی و مقاومت این آلیاژ به دلیل وجود قلع در ساختار آن است و مابقی ویژگی ها را فسفر به وجود آورده است. از این آلیاژ برای ساخت فنر، واشر، وسایل التریکی و همچنین تجهیزات ضد خوردگی استفاده می شود.
تصویر شماره 5 – فنر از جنس برنز فسفردار
برنج نیکل دار
برنج نیکل دار که به عنوان نقره نیکلی هم شناخته می شود از ترکیب مس، قلع و نیکل ساخته شده است. وجود نیکل باعث رنگ نقره ای این آلیاژ می شود و مس و قلع مقاومت کششی و ویژگی های ضد خوردگی را به آن اضافه می کنند. به همین دلیل از این آلیاژ به طور عمده در ساخت ابزار موسیقی، تجهیزات نوری و وسایل مرتبط با غذا و نوشیدنی استفاده می شود.
مفرغ سیلیسیم دار
از این آلیاژ تحت عنوان برنز قرمز سیلیسیم دار نیز یاد می شود. عناصر تشکیل دهنده آن مس، سیلیسیم و روی است. استفاده از روی به میزان 20 درصد و سیلیسیم 6 درصد در ترکیبات این آلیاژ متداول است. از مفرغ سیلیسیم دار برای ساخت اجزای پمپ و ولو استفاده می شود.
نیکل-مس
آلیاژ نیکل-مس از مقدار زیادی نیکل تشکیل شده است. هر چند مقدار نیکل می تواند بسیار متنوع باشد. مقدار نیکل از 2 تا 30 درصد می تواند تغییر کند. مانند سایر آلیاژهای برنز این آلیاژ نیز بسیار قوی و مقاوم در برابر خوردگی ست. همچنین از نظر حرارتی نیز پایدار است که آن را برای استفاده از اجزای الکتریکی و تجهیزات دریایی مناسب می سازد.