همه چیز درباره برنج به عنوان یک ماده ساخت

آخرین به روزرسانی

مقدمه

برنج (brass) آلیاژی از مس (copper) و روی (zinc) با مقادیر جزئی سرب (lead)، آهن (iron) و سایر عناصر است. برنج مقاومت عالی در برابر خوردگی ناشی از آب دریا دارد و به راحتی قابل ماشینکاری و شکل دادن است. همچنین دارای اثر بیوسیدال (زیست کُش – biocidal) است که آن را برای کاربردهای آنتی باکتریال (ضد باکتری – antibacterial) عالی می کند. در این مقاله به brass و انواع مختلف آن و همچنین خواص مکانیکی و شیمیایی آنها خواهیم پرداخت. شکل ۱ زیر برخی از اتصالات لوله برنجی را نشان می دهد:

برنج چیست؟

brass آلیاژی فلزی از مس و روی است که معمولا رنگ زرد طلایی دارد اما اگر آلیاژ دارای درصد بالایی از مس باشد می تواند به قرمز نزدیک شود (این نوع با نام “برنج قرمز” شناخته می شود). آلیاژ مس و روی به دلیل قابلیت تغییر شکل پذیری عالی، قابلیت ماشینکاری، خاصیت ضد باکتری و ضد رسوب زیستی (anti-biofouling) شناخته شده است.

اجزای سازنده برنج چه هستند؟

برنج آلیاژی از روی و مس است. مقادیر دقیق مس و روی، نوع brass و خواص مربوط به آن را تعیین می کند. عناصر آلیاژی اضافی را می توان به ترکیب افزود تا خواص خاصی بهبود یابد. برای مثال، سرب مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت ماشینکاری را بهبود می بخشد در حالی که آهن سختی را افزایش می دهد و آلیاژ را برای آهنگری (forging) آسان تر می کند.

تاریخچه brass: از گذشته‌های دور تا انقلاب صنعتی

brass، آلیاژی از مس و روی، فلزی است که از دیرباز در زندگی بشر نقش پررنگی داشته است. این آلیاژ با رنگ زرد طلایی جذاب و خواص مکانیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد خود، در ساخت ابزارآلات، زیورآلات و بسیاری از اشیاء روزمره مورد استفاده قرار می‌گرفته است.

اولین استفاده از برنج در تمدن‌های باستانی

شواهد باستان‌شناسی نشان می‌دهند که انسان‌ها از هزاران سال پیش با brass آشنا بوده‌اند. برخی از قدیمی‌ترین مصنوعات برنجی در تمدن‌های باستانی مصر، بین‌النهرین و چین کشف شده‌اند. مصریان باستان از برنج برای ساخت زیورآلات، ابزارهای کشاورزی و حتی مجسمه‌های کوچک استفاده می‌کردند. در بین‌النهرین نیز از brass برای ساخت سلاح‌ها و ابزارهای جنگی استفاده می‌شد.

سیر تکامل آلیاژهای brass در طول تاریخ

با گذشت زمان، انسان‌ها به ترکیبات مختلف مس و روی دست یافتند و آلیاژهای برنجی با خواص متنوع‌تری تولید کردند. در دوران روم باستان، brass به طور گسترده‌ای در ساخت سکه‌ها و لوله‌های آب استفاده می‌شد. در قرون وسطی، صنعتگران اروپایی با افزودن عناصر دیگری مانند قلع و سرب به برنج، آلیاژهای جدیدی با خواص بهبود یافته تولید کردند.

یکی از مهم‌ترین تحولات در تاریخ brass، کشف روش‌های جدید ذوب و تصفیه مس و روی بود. این پیشرفت‌ها به تولید آلیاژهای برنجی با کیفیت بالاتر و یکنواخت‌تر منجر شد. همچنین، با اختراع دستگاه‌های ماشینکاری، امکان تولید قطعات پیچیده و دقیق از برنج فراهم شد.

اهمیت برنج در انقلاب صنعتی

در دوران انقلاب صنعتی، brass به یکی از مهم‌ترین فلزات صنعتی تبدیل شد. خواص مکانیکی خوب، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت ماشینکاری بالا، برنج را به ماده‌ای ایده‌آل برای ساخت قطعات ماشین‌آلات، ابزارآلات و تجهیزات صنعتی تبدیل کرد.

برخی از مهم‌ترین کاربردهای brass در انقلاب صنعتی عبارت بودند از:

• ساخت قطعات ماشین‌آلات نساجی: brass به دلیل مقاومت در برابر سایش و خوردگی، ماده‌ای ایده‌آل برای ساخت شفت‌ها، چرخ‌دنده‌ها و سایر قطعات ماشین‌آلات نساجی بود.
• ساخت لوله‌های آب و گاز: brass به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، برای ساخت لوله‌های آب و گاز مورد استفاده قرار می‌گرفت.
• ساخت ابزارآلات برش: brass به دلیل قابلیت حفظ لبه تیز، برای ساخت ابزارآلات برش مانند مته و سوراخ‌کار استفاده می‌شد.
• ساخت زیورآلات: brass به دلیل رنگ زیبا و درخشندگی، همچنان به عنوان ماده‌ای محبوب برای ساخت زیورآلات مورد استفاده قرار می‌گرفت.

brass از دیرباز تاکنون به عنوان یکی از مهم‌ترین فلزات صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است. این آلیاژ با خواص منحصر به فرد خود، در طول تاریخ تحولات بسیاری را تجربه کرده است و همچنان در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد. با پیشرفت تکنولوژی و کشف آلیاژهای جدید، انتظار می‌رود که brass در آینده نیز نقش مهمی در صنعت و زندگی انسان ایفا کند.

انواع مختلف brass چه هستند؟

آلیاژهای مس و روی بسیاری وجود دارند، با این تفاوت های کوچک از نظر ترکیب عناصر سازنده شان متمایز می شوند. در زیر برخی از آلیاژهای brass پرمصرف ذکر شده اند:

1. آلیاژ ۲۶۰ (Cartridge Brass): این آلیاژ مس و رویحاوی تقریباً ۷۰ درصد مس و ۳۰ درصد روی با ناخالصی هایی است. این آلیاژ شکل پذیری داغ عالی دارد و به راحتی سردکار (cold-worked) می شود.
2. آلیاژ ۲۸۰ (فلز مونتز-Muntz Metal): این آلیاژ مس و روی حاوی تقریباً ۶۰ درصد مس و ۴۰ درصد روی به همراه مقادیر جزئی آهن است. کاربرد رایج فلز مونتز جایگزینی ارزان‌تر برای ورق‌های مسی است که قبلاً روی بدنه قایق‌ها قرار می‌گرفت تا مانع رشد موجودات دریایی مانند صدف‌ها روی بدنه‌ها شود.
3. آلیاژ C360 (Free Machining Brass): این آلیاژ مس و روی حاوی تقریباً ۶۰ درصد مس، ۳۵٫۵ درصد روی، حداکثر ۳٫۷ درصد سرب و مقادیر جزئی آهن است. این آلیاژ در میان تمامی brass ها راحت ترین ماده برای ماشینکاری است و از نظر میزان ماشینکاری رتبه یک را دارد. کاربردهای معمولی شامل قطعاتی مانند چرخ دنده یا بوش است.
4. آلیاژ ۳۸۵ (برنز معماری – Architectural Bronze): علیرغم نام برنز، برنج ۳۸۵ آلیاژی است که حاوی تقریباً ۵۹٪ مس، ۴۲٪ روی و حداکثر ۳٫۵٪ سرب است. این امر به طور قابل توجهی قابلیت ماشینکاری و شکل پذیری آن را بهبود می بخشد. سهولت تولید آن باعث می شود به عنوان یک مصالح معماری مورد استفاده در اکستروژن آلومینیوم (aluminum extrusions) کاربرد پیدا کند.
5. آلیاژ ۴۶۴ (Naval Brass): این آلیاژ مس و روی حاوی تقریباً ۵۹٪ مس، ۴۰٪ درصد روی و ۱٪ قلع (tin) با مقدار کمی سرب است. این ترکیب فلزی با مقاومت خوردگی استثنایی تولید می کند. کاربردها می تواند شامل اتصالات مختلف موجود در عرشه کشتی باشد.

خواص brass چه هستند؟

جدول ۱ در زیر خواص مکانیکی و ترکیب عناصر سازنده آلیاژهای رایج مس و روی را فهرست می کند:

آلیاژ	ترکیب (% وزنی)	چگالی (g/cm3)	سختی راکول (F, B)	استحکام تسلیم (MPa)	استحکام کششی نهایی (MPa)	افزایش طول در نقطه شکست (%)	مدول الاستیسیته (GPa)	قابلیت ماشینکاری (%)
۲۶۰	Cu: 68.5 – 71.5 Zn: 28.5 – 31.5 Fe <= 0.05 Pb <= 0.070	۸٫۵۳	54 F	۷۵	۳۰۰	۶۸	۱۱۰	۳۰
۲۸۰	Cu: 59 – 63 Zn: 40 Fe <= 0.070 Pb <= 0.3	۸٫۳۹	۸۵ F	۱۴۵	۳۷۰	۴۵	۱۰۵	۴۰
۳۶۰	Cu: 60 – 63 Zn: 35.5 Fe <= 0.35 Pb <= 2.5-3.7	۸٫۴۹	۷۸ B	۱۲۴-۳۱۰	۳۳۸-۴۶۹	۵۳	۹۷	۱۰۰
۳۸۵	Cu: 55 – 59 Zn: 36.65 – 41.65 Fe <= 0.35 Pb <= 2.5-3.5	۸٫۴۷	۶۵ B	۱۳۸	۴۱۴	۳۰	–	۹۰
۴۶۴	Cu: 55 – 59 Zn: 36.65 – 41.65 Zn Fe <= 0.35 Pb <= 2.5-3.5	۸٫۴۱	۵۵ B	۱۷۲-۴۵۵	۳۷۹-۶۰۷	۵۰	۱۰۰	۳۰

برنج کجا ساخته می شود؟

اتحادیه اروپا در سال 2021 حدود 1.5 میلیون تن آلیاژ مس و روی به ارزش تقریبی 8 میلیارد یورو صادر کرده است.چین با صادرات 2.5 میلیون تن آلیاژ مس و روی به ارزش تقریبی 12 میلیارد یورو، بزرگترین صادرکننده brass در سال 2021 بود. پس از آن هند و کره جنوبی بزرگترین صادرکنندگان این آلیاژ هستند.

آمار تولید، واردات و مصرف برنج در ایران

• ایران تولیدکننده آلیاژ brass است، اما آمار دقیقی از میزان تولید سالانه آن در دسترس نیست.
• تولیدکنندگان اصلی آلیاژ مس و روی در ایران شامل:
  • مجتمع مس شهید باهنر کرمان
  • شرکت ملی صنایع مس ایران
  • شرکت های متعدد خصوصی

ایران سالانه حدود 100 هزار تن آلیاژ مس و روی به ارزش تقریبی 500 میلیون دلار وارد می کند.

کشورهای اصلی صادرکننده به ایران شامل:

• چین
• امارات متحده عربی
• ترکیه
• هند

• ایران در سال 1400 حدود 500 هزار تن آلیاژ مس و روی مصرف کرده است.
• سهم تولید داخلی در مصرف brass حدود 20 درصد است.
• 80 درصد آلیاژ مس و روی مورد نیاز ایران از طریق واردات تامین می شود.

کاربردهای brass چه هستند؟

brass به دلیل قابلیت کار عالی، مقاومت در برابر خوردگی و خواص ضد باکتری آن طیف گسترده ای از کاربردها را دارد. برخی از این کاربردها در زیر ذکر شده است:

1. پوکه فشنگ
2. لوله ها
3. سازهای موسیقی
4. دستگیره و لولای درب
5. چرخ دنده
6. موتورهای دریایی
7. ابزارآلات
8. شیرآلات
9. اتصالات لوله

برنج چقدر قوی است؟

گریدهای خاصی از آلیاژ برنجی را می توان تحت عملیات حرارتی قرار داد (heat treated) ، به این معنی که استحکام brass به ترکیب آلیاژ و نوع عملیات حرارتی اعمال شده بستگی دارد. برای مثال، برنج دریایی را می توان سرد کشید و آنیل (پخت – annealed) کرد تا به استحکام کششی نهایی ۵۸۰ مگاپاسکال دست یافت، که با برخی از درجات فولاد قابل مقایسه است. برنج عملیات حرارتی شده اغلب به دلیل نیاز به مقاومت در برابر فشارهای بالا برای بدنه شیرآلات استفاده می شود.

مزایای آلیاژ برنجی چیست؟

در زیر برخی از مزایای رایج استفاده از brass ذکر شده است:

1. ماشینکاری آسان: brass یکی از ساده ترین مواد برای ماشینکاری است، به خصوص برنج مخصوص ماشینکاری که درجه ماشینکاری ۱۰۰ % دارد.
2. اصطکاک کم: brass ضریب اصطکاک پایینی دارد. این ویژگی، آن را برای کاربردهای در معرض سایش-لغزشی ایده آل می کند.
3. ضد باکتری: محتوای مس در brass انواع خاصی از باکتری ها را از بین می برد. این خاصیت آن را برای استفاده در کاربردهایی مانند دستگیره درها، برای جلوگیری از انتقال باکتری، ایده آل می کند. آلیاژ مس و روی همچنین از رسوب زیستی در کاربردهای دریایی جلوگیری می کند.

معایب آلیاژ برنجی چیست؟

در زیر برخی از معایب رایج استفاده از brass ذکر شده است:

1. مستعد کدر شدن: آلیاژ برنجی در صورت عدم نگهداری مناسب می تواند به دلیل اکسیداسیون، لکه های تیره ای به نام “کدر شدن”(blackish tarnish) ایجاد کند. برای جلوگیری از این امر ممکن است لازم باشد brass را با لاک الکل شفاف روکش کرد.
2. حساسیت زا: آلیاژ برنجی، به دلیل وجود مس و روی، ممکن است برای افراد دارای پوست حساس، در صورت عدم روکش مناسب با لاک، باعث ایجاد حساسیت و تحریک پوستی شود.
3. قیمت بالا: آلیاژ برنجی در مقایسه با سایر فلزات رایج مانند فولاد، به دلیل محتوای مس بالا، گران تر است.

حداکثر دمای کارکرد آلیاژ برنجی چقدر است؟

جدول ۲ در زیر دمای ذوب جامد (آغاز ذوب) و دمای ذوب مایع (اتمام ذوب) را برای برخی از گریدهای رایج آلیاژ مس و روی فهرست می کند:

آلیاژ مس و روی	نقطه ذوب جامد (°C)	نقطه ذوب مایع (°C)
آلیاژ ۲۶۰	۹۱۵	۹۵۵
آلیاژ ۲۸۰	۹۰۰	۹۰۵
آلیاژ ۳۶۰	۸۸۵	۹۰۰
آلیاژ ۳۸۵	۸۷۵	۸۹۰
آلیاژ ۴۶۴	۸۸۵	۹۰۰

آیا استفاده از آلیاژ برنجی ایمن است؟

بله، استفاده از آلیاژ مس و روی برای کاربردهای مهندسی عمومی ایمن است، اما در تماس با مواد غذایی اسیدی (pH < 6) توصیه نمی شود. آلیاژ برنجی به دلیل اثر منفی یون های مس بر انواع مختلف موجودات زنده میکروسکوپی، برای برخی از موجودات زنده میکروسکوپی سمی است. همچنین brass می تواند در افراد دارای حساسیت پوستی، واکنش آلرژیک ایجاد کند.

تفاوت بین مس، برنج و برنز چیست؟

هر سه به طور کلی به عنوان “فلزات قرمز” شناخته می شوند. برنج و برنز هر دو مس را به عنوان عنصر اصلی خود دارند. brass روی را به عنوان عنصر ثانویه اصلی و برنز معمولاً قلع را به عنوان عنصر ثانویه خود دارد. برنز به طور خاص در برابر خوردگی ناشی از آب دریا مقاوم است، در حالی که فلز برنجی دارای قابلیت اصطکاک کم عالی است. از طرف دیگر، مس به دلیل رسانایی بالا، برای کاربردهای الکتریکی مناسب است.

مقایسه جامع brass با سایر فلزات و آلیاژها

برنج، آلیاژی از مس و روی، به دلیل خواص منحصر به فرد خود از جمله مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت ماشینکاری و رنگ جذاب، در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای دارد. با این حال، برای انتخاب بهترین فلز برای یک کاربرد خاص، مقایسه دقیق آن با سایر فلزات ضروری است. در این بخش، به مقایسه brass با فلزاتی مانند آلومینیوم، فولاد و مس می‌پردازیم.

ویژگی	برنج	آلومینیوم	فولاد	مس
چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب)	8.4-8.7	2.7	7.85	8.96
نقطه ذوب (°C)	900-940	660	1535	1085
استحکام کششی (MPa)	200-700	55-600	400-2000	200-330
سختی	متوسط	نرم	سخت	متوسط
چکش‌خواری	خوب	بسیار خوب	متوسط	خوب
رسانایی الکتریکی	متوسط	خوب	کم	بسیار خوب
رسانایی حرارتی	متوسط	بسیار خوب	کم	بسیار خوب
مقاومت در برابر خوردگی	خوب	خوب	متوسط	خوب
قیمت	متوسط	کم	متوسط	بالا

مقایسه بر اساس خواص

• چگالی: brass و مس چگالی بالاتری نسبت به آلومینیوم و فولاد دارند. این بدان معناست که برای حجم یکسان، برنج و مس سنگین‌تر هستند.
• نقطه ذوب: آلومینیوم کمترین نقطه ذوب را در بین این چهار فلز دارد، در حالی که فولاد بالاترین نقطه ذوب را دارد.
• استحکام کششی: فولاد به طور کلی استحکام کششی بالاتری نسبت به سایر فلزات دارد. brass نیز استحکام کششی قابل قبولی دارد.
• سختی: فولاد سخت‌ترین فلز در این لیست است، در حالی که آلومینیوم نرم‌ترین فلز است.
• چکش‌خواری: آلومینیوم و brass به دلیل ساختار کریستالی خود، چکش‌خواری بالایی دارند.
• رسانایی الکتریکی و حرارتی: مس بهترین رسانای الکتریکی و حرارتی است، در حالی که فولاد بدترین رسانا است. brass و آلومینیوم نیز رسانایی خوبی دارند.
• مقاومت در برابر خوردگی: برنج، مس و آلومینیوم مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند، در حالی که فولاد مستعد زنگ‌زدگی است.
• قیمت: آلومینیوم به طور کلی ارزان‌ترین فلز در این لیست است، در حالی که مس گران‌ترین فلز است. brass و فولاد قیمتی متوسط دارند.

مقایسه بر اساس کاربردها

• برنج: به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت ماشینکاری و رنگ جذاب، در ساخت شیرآلات، دستگیره‌ها، زیورآلات، قطعات الکترونیکی و ابزارآلات استفاده می‌شود.
• آلومینیوم: به دلیل وزن سبک، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت شکل‌دهی، در ساخت بدنه خودرو، هواپیما، قوطی‌های نوشابه و قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود.
• فولاد: به دلیل استحکام بالا، در ساخت سازه‌های ساختمانی، پل‌ها، خودروها، کشتی‌ها و ابزارآلات صنعتی استفاده می‌شود.
• مس: به دلیل رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا، در ساخت سیم‌ها، کابل‌ها، لوله‌های آب گرم و قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود.

انتخاب فلز مناسب

انتخاب فلز مناسب برای یک کاربرد خاص، به عوامل مختلفی مانند استحکام مورد نیاز، وزن، مقاومت در برابر خوردگی، هزینه و ظاهر بستگی دارد. برای مثال، اگر به فلزی سبک و مقاوم در برابر خوردگی نیاز دارید، آلومینیوم انتخاب مناسبی است. اگر به فلزی با استحکام بالا و قابلیت ماشینکاری خوب نیاز دارید، brass می‌تواند گزینه مناسبی باشد.

هر یک از فلزات brass، آلومینیوم، فولاد و مس، خواص و کاربردهای منحصر به فردی دارند. انتخاب بهترین فلز برای یک کاربرد خاص، به درک دقیق خواص هر یک از این فلزات و نیازهای پروژه بستگی دارد. با مقایسه دقیق این فلزات، می‌توان بهترین انتخاب را برای کاربرد مورد نظر انجام داد.

سوالات متداول

جدول لغات تخصصی

واژه تخصصی	معنی فارسی	توضیح
Brass	برنج	آلیاژی از مس و روی
Copper	مس	عنصر اصلی brass
Zinc	روی	عنصر اصلی دوم brass
Lead	سرب	عنصر آلیاژی که به brass اضافه می شود
Iron	آهن	عنصر آلیاژی که به فلزbrass اضافه می شود
Cartridge Brass	برنج کارتریجی	نوعی brass با قابلیت شکل پذیری داغ عالی
Muntz Metal	فلز مونتز	نوعی brass که به عنوان جایگزینی برای ورق های مسی در بدنه قایق ها استفاده می شود
Free Machining Brass	برنج مخصوص ماشینکاری	نوعی brass با قابلیت ماشینکاری آسان
Architectural Bronze	برنز معماری	نوعی brass با قابلیت شکل پذیری و ماشینکاری آسان
Naval Brass	برنج دریایی	نوعی brass با مقاومت در برابر خوردگی عالی
Annealed	آنیل شده	فرآیندی که برای افزایش سختی و چقرمگی فلز انجام می شود
Heat Treated	عملیات حرارتی شده	فرآیندی که برای افزایش استحکام فلز یا آلیاژ انجام می شود
Ductility	قابلیت شکل پذیری	توانایی یک ماده برای تغییر شکل بدون شکست
Machinability	قابلیت ماشینکاری	توانایی یک ماده برای براده برداری آسان
Antibacterial	ضد باکتری	خاصیتی که از رشد باکتری ها جلوگیری می کند
Tarnishing	کدر شدن	ایجاد لکه های تیره روی سطح فلز
Hypoallergenic	ضد حساسیت	خاصیتی که باعث تحریک پوست نمی شود
Conductivity	رسانایی	توانایی یک ماده برای انتقال الکتریسیته

خلاصه

این مقاله برنج را معرفی کرد، توضیح داد که brass چیست و به کاربردها و خواص مختلف آن پرداخت.این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه الکترونیکی ساخت و تولید ایران به نشانی digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

• xometry.com/resources/materials/what-is-brass
• https://matweb.com

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.