برنز یا مفرغ آلیاژی است که عمدتا از مس تشکیل شده و معمولا با فلزات دیگری از جمله قلع، آلومینیوم، نیکل، روی و … همراه می شود. در عصر باستان شناسی فلز برنز سخت ترین آلیاژ مورد استفاده به طور گسترده بود. در ادامه مطلب قصد داریم شما را با آلیاژ برنز و کاربردهای آن آشنا نماییم.
آشنایی با آلیاژ برنز و کاربردهای آن
آلیاژ برنز به علت این که در معادن مس به صورت طبیعی همراه با قلع وجود دارد قدیمی ترین آلیاژی است که توسط انسان کشف شده است. این فلز معمولا در ساخت وسایل تزئینی نظیر گلدان، لوستر، مجسمه و ساخت ابزار مختلف کاربرد دارد. نام دیگر آلیاژ برنز مفرغ است که از مس و قلع تشکیل شده است.
به طور کلی این آلیاژ عمدتا از مس تشکیل شده و معمولا با حدود ۱۲ درصد قلع و با اضافه شدن سایر فلزات مانند آلومینیوم، نیکل، منگنز و روی و گاهی نافلزها نظیر فسفر، یا شبه فلزهایی مثل سیلیسیم همراه می شود. این افزودنی ها طیف وسیعی از فلزات را تولید می کنند که ممکن است از مس به تنهایی سخت تر باشند یا دارای قابلیت های مفید دیگری نظیر استحکام، شکل پذیری یا ویژگی ماشین کاری باشند.
تاریخچه پیدایش برنز
دوره باستان شناسی که در آن برنز یکی از سخت ترین فلزات مورد استفاده وسیع بود؛ به عنوان عصر برنز شناخته می شود. تاریخچه پیدایش برنز در غرب اوراسیا و هند به اواسط هزاره چهارم قبل از میلاد و اوایل هزاره دوم قبل از میلاد در چین باز می گردد. استفاده از برنز در مناطق دیگر به تدریج گسترش یافت.
عصر برنز با عصر آهن ادامه یافت که از حدود سال ۱۳۰۰ قبل از میلاد شروع شد و حدود ۵۰۰ سال قبل از میلاد به اکثر نواحی اوراسیا رسید. با توجه به این که آثار هنری تاریخی بیشتر از برنج (روی و مس) و برنز با ترکیب بندی های مختلف ساخته می شدند موزه های مدرن و توصیف های علمی آثار هنری قدیمی تر به شکل فزاینده ای از اصطلاح کلی آلیاژ مس استفاده می نمایند.
گفتنی است عصر برنز بعد از عصر مس روی داده است. این تقسیم بندی به دلیل آن است که مصنوعات فلزی این دوره بشر اکثرا ترکیبی از مس و قلع بوده به نحوی که کاوش های دیرینه شناسی نشان می دهد ساکنان ایران از ۵ هزار سال قبل از میلاد مسیح هم آلیاژ برنز را می شناخته و از آن مصنوعات فلزی می ساخته اند.
مصنوعات برنزی در دیگر نواحی دنیا که ضمن حفاری های مختلف پیدا شده قدیمی تر از این تاریخ نیستند. از این روی می توان آغاز عصر برنز را از ۵ هزار سال قبل از میلاد مسیح دانست. هزاران سال است که کالاهای مختلفی از برنز ساخته می شود. برنز هر چند فلزی خیلی سخت بوده و کار با آن دشوار است.
ولی گفته شده که چین، مصر، یونان، ایران و روم از گذشته آن را می شناختند و از آن جهت ساخت لوازم مختلف استفاده می کرده اند. استفاده از کاسه های برنزی از قرن وسطی در کلیساهای انگلستان مرسوم شده است. در انگلستان ساختن بشقاب و فنجان های برنزی خیلی رایج بود.
ولی همان زمان افراد ثروتمند از ظروف نقره ای استفاده می نمودند و استفاده از ظروف برنزی تنها مختص طبقه متوسط بود. در قرن چهاردهم در فرانسه از برنز برای ساخت ظروف نوشیدنی، بشقاب، نمکدان و قابلمه های غذا استفاده می شد. در این قرن در آلمان کارخانه ای تاسیس که در آن محصولاتی از برنز ساخته شد. به تدریج در کشورهای دیگر مانند بلژیک، هلند، روسیه و … هم ظروف برنزی ساخته شد.
انواع فلز برنز
آلیاژ برنز در انواع مختلفی وجود دارد ولی برنز متداول کنونی حاوی ۸۸ درصد مس و ۱۲ درصد قلع است. آلفا برنز از محلول جامد آلفا قلع در مس درست شده است. در آلیاژهای آلفا برنز، از قلع ۴-۵ درصد برای ساخت سکه، فنر، توربین و تیغ استفاده می گردد. برنزهای تاریخی از لحاظ ترکیب خیلی متغیر هستند زیرا اکثر فلزکاران گذشته، از هر ضایعات در دسترس احتمالا استفاده می کردند.
در یک نمونه شمعدان برنزی از بریتانیا در قرن دوازده، ترکیب آن شامل مخلوطی از مس، روی، سرب، قلع، آهن، نیکل با مقدار زیادی نقره می باشد که نشان می دهد این شمعدان گنجینه ای از سکه های قدیمی ساخته شده است. برنزهای بنین مرتبط به قرن در واقع برنجی می باشند.
در عصر برنز معمولا دو شکل برنز استفاده می شده است. برنز کلاسیک با حدود ۱۰ درصد قلع و برنز ملایم که ۶ درصد قلع داشت. سلاح های تیغه دار عمدتا از برنز کلاسیک ریخته گری ساخته می شدند در حالی که زره و کلاه خودها از برنز ملایم تهیه می شدند. اکنون برنز تجاری شامل ۹۰ درصد مس و ۱۰ درصد روی و برنز معماری شامل ۵۷ درصد مس، ۳ درصد سرب و ۴۰ درصد روی است که بیشتر به عنوان آلیاژهای برنج در نظر گرفته شده زیرا شامل روی به عنوان عنصر اصلی آلیاژی بوده و معمولا کاربرد معماری دارند.
برنز پلاستیکی شامل میزان قابل توجهی سرب است که سبب بهبود شکل پذیری می گردد که احتمالا توسط یونانیان باستان در ساخت کشتی مورد استفاده قرار می گرفت. دیگر آلیاژهای برنز عبارت است از:
- برنز آلومینیوم
- فسفر برنز
- برنز منگنز
- فلز زنگ
- برنز آرسنیک
- و…
ویژگی های فلز برنز
نام فلز برنج از کلمه فرانسوی گرفته شده که ریشه ایتالیایی دارد. در ضمن این احتمال وجود دارد که واژه مذکور از اسم ایرانی برنج گرفته شده است. پس از عصر مس، عصر برنز روی داد. همانطور که اشاره شد استفاده از فلز برنز به قبل از ۵ هزار سال پیش از میلاد و به ایران باز می گردد و پیش از این تاریخ نشانی از استفاده برنز پیدا نشده است.
از ویژگی های فلز برنز انعطاف پذیری آن است که به صورت قابل توجهی کمتر از چدن شکننده است. برنز معمولا فقط به صورت سطحی اکسید می گردد. وقتی یک لایه اکسید مس تشکیل شد فلز زیرین از خوردگی بیشتر محافظت شده و می توان در تندیس های مرتبط به عصر هلنیستی آن را دید.
با این وجود اگر کلرید مس تشکیل شد حالت خوردگی به اسم بیماری برنز در نهایت کاملا آن را از بین می برد. آلیاژ مبتنی بر مس نقطه ذوب پایین تری نسبت به فولاد یا آهن بوده و به راحتی از فلزات تشکیل دهنده آن ها درست می شوند. آن ها چگالی بیشتری از فولاد دارند ولی فلزاتی که از آلومینیوم یا سیلیسیم استفاده می کنند ممکن است کمی چگالی پایین تر داشته باشند.
برنز نسبت به بیشتر فولادها رسانای گرما و الکتریکی بهتری می باشد. هزینه آلیاژهای بر پایه مس بالاتر از فولاد ولی کمتر از آلیاژ مبتنی بر نیکل می باشد. مس و آلیاژ های کاربردهای مختلفی دارند که نشانگر خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمایی چند منظوره و همه کاره آن می باشد.
نقطه ذوب برنز نسبت به اجزای آلیاژی آن متفاوت بوده و برنز معمولا غیر مغناطیسی می باشد ولی فلزات ویژه ای از آن که حاوی آهن یا نیکل بوده ممکن است حاوی ویژگی های مغناطیسی باشند. برنز و فلزات مخلوط با آن برای ضرب سکه به مدت طولانی استفاده می شد.
برنز بخصوص برای استفاده در اتصالات قایق و کشتی تا قبل از استفاده وسیع از فولاد زنگ نزن به علت ترکیب از چقرمگی و مقاومت در مقابل خوردگی در تماس با آب شور دریا مناسب بود. برنز در حال حاضر نیز معمولا در ساخت پروانه های کشتی و یاتاقان های غوطه ور استفاده می شود.
برنز فسفر به صورت ویژه برای ساخت یاتاقان ها و فنرهای با درجه دقیق مناسب می باشد و ضمنا در سیم های گیتار و پیانو نیز استفاده می شود. گفتنی است برخلاف فولاد برنزی که به سطح سخت برخورد نماید جرقه تولید نمی کند از این رو برای ساخت چکش، کوله، آچار و دیگر ابزارهای بادوام بالا جهت استفاده در محیط های انفجاری یا در حضور بخارات قابل اشتعال مورد استفاده قرار می گیرد.
شایان ذکر است از برنز برای ساخت پشم برنز جهت امور تجاری که در آن پشم فولادی سبب تغیر رنگ بلوط می گردد استفاده می شود. برنز فسفر جهت ساخت اتصالات الکتریکی، پروانه کشتی ها و آلات موسیقی به کار می رود. آلومینیوم برنز سخت و مقاوم در مقابل سایش بوده و برای ساخت یاتاقان ها و راه های ماشین ابزار مورد استفاده قرار می گیرد.
کاربردهای فلز برنز
همانطور که اشاره شد آلیاژ مفرغ برای ساخت سکه، مجسمه، آلات موسیقی، مدال ها، گیره، اتصالات الکتریکی، یاتاقان ها و فنرها کاربرد دارد. این فلز نسبت به فلزات مشابه اصطکاک کمتری داشته که یک مزیت بوده ضمنا به علت مقاومت در مقابل خوردگی کاربردهای دریایی نظیر ساخت پروانه کشتی هم دارد. در ادامه برخی از این کاربردها بیشتر شرح داده می شود.
استفاده برنز در مجسمه سازی
برنز به صورت وسیعی برای ریخته گری مجسمه های برنزی مورد استفاده قرار می گیرد. فلزات معمولی برنز دارای خواص غیر عادی و مطلوبی بوده که دقیقا قبل از گیرش، کمی منبسط می شوند از این رو بهترین جزئیات قالب را پر می کنند. بعد از سرد شدن برنز اندکی جمع می شود و جدا شدن آن از قالب ساده تر می شود.
مجسمه های برنزی به عنوان عالی ترین اشکال مجسمه سازی در هنر یونان باستان شناخته می شدند. البته معدودی از آن ها باقی مانده اند زیرا برنز ماده ارزشمندی بود که در عصر باستان متاخر و دوره های قرون وسطی تا حدودی کمیاب بود. بیشتر مجسمه های مشهور برنز یونانی از طریق نسخه های رومی در سنگ مرمر ساخته شده که احتمال بقای آن ها بیشتر بود.
در هند مجسمه های برنزی از دوره شاهی کوشانی، گویتا و دوره های بعدی پیدا شده است. صنعتگران هندی مرتبط به دوره امپراتوری چولا از برنز برای ساختن مجسمه های پیچیده با جزئیاتی پر آذین که خدایان هندوییسم را نشان می داد استفاده نموده اند.
در دوران باستان سایر فرهنگ ها هم با استفاده از برنز آثار هنری عالی تولید نمودند. به طور مثال در افریقا، سرهای برنزی پادشهی بنین در اروپا؛ برنزهای یونانی شامل چهره هایی از اساطیر یونان، در شرق آسیا برنزهای آیینی چینی از دودمان شانگ و ژو.
مجسمه های برنزی هر چند به خاطر ماندگاری طولانی شناخته می شوند ولی هنوز در معرض تخریب میکروبی توسط گونه های خاصی از مخمرها می باشند. کاربرد برنز در دوران کنونی هم به عنوان یکی از گزینه های انتخابی برای ساخت تندیس ها ادامه دارد.
استفاده برنز در آینه ها
تا قبل از این که تولید شیشه با سطوح مسطح قابل قبول امکان پذیر شود برنز ماده استانداردی برای ساخت آینه ها بود. سطح منعکس کننده معمولا کمی محدب بوده به نحوی که کل صورت را بتوان در آینه کوچکی دید. برنز برای این منظور در بیشتر نقاط دنیا استفاده شد. آینه های برنزی از دوره پادشاهی میانه مصر برجای مانده است.
استفاده برنز در ابزارآلات
برنز فلز ترجیحی در ساخت زنگ ها و ناقوس ها به صورت فلز برنز با میزان قلع بالا می باشد که در زبان عامیانه به عنوان فلز زنگ شناخته می شود که حدود ۲۳ درصد قلع دارد. تقریبا همه سنج های حرفه ای از برنز درست شده اند که تعادل مطلوبی از دوام و تن صدا به وجود می آورند. با افزایش محتوا قلع در زنگ، ناقوس یا سنج تن صدا پایین می آید.
قدیمی ترین یافته های باستان شناسی از برنز در اندونزی مرتبط به هزاره یک تا دو قبل از میلاد، شامل آلات موسیقی به شکل صفحات تخت احتمالا آویزان شده می باشد که با یک پتک چوبی یا استخوانی ضربه می خورده است. قدمت طبل های برنزی باستانی از تایلند و ویتنام به دو هزار سال قبل بر می گردد.
در ضمن قدمت ناقوس های برنزی از تایلند و کامبوج به ۳۶۰۰ سال قبل از میلاد بر می گردد. در حال حاضر برخی شرکت ها ساکسیفون را از فسفر برنز می سازند. برنز همچنین در سیم پیچی سیم های فولادی و نایلونی سازهای زهی مختلف نظیر پیانو و گیتار استفاده می شود.
سیم های برنزی معمولا روی پیانو فورته برای زنگ های پایین تر در نظر گرفته می شوند زیرا دارای کیفیت بیشتر نسبت به فولاد هستند.
استفاده از برنز در مدال و سکه ها
برای ضرب سکه از برنز تا سالیان زیادی استفاده می شد. اکثر سکه های مسی با حدود ۴ درصد قلع و یک درصد روی در حقیقت برنزی می باشند. مانند سکه ها، برنز قرن ها در تولید انواع مختلف مدال استفاده می شده و در دوران معاصر مدال برنز برای نفر سوم رقابت ها در نظر گرفته شده است. گفتنی است عصر برنز عصر قهرمانان است.
در صورت تمایل برای آشنایی با ویژگی های فلز مس و فلز نقره لینک ها کلیک کنید.
