شرکت تولیدی کلکتور مشهد
مس و آلياژهاي مس Copper and Copper Alloys
مهمترين خواص مس هدايت الكتريكي و هدايت حرارتي بالا، مقاومت به خوردگي خوب، قابليت ماشينكاري خوب، استحكام بالا و راحتي ساخت قطعات از آن سات. به علاوه، مس غير مغناطيس است، رنگ خوبي دارد، قابليت جوشكاري و لحيم‌كاري دارد و با آبكاري يا ايجاد لاك مي‌توان سطح آن را پوشاند. با افزودن عناصر آلياژي مي‌توان حتي برخي از اين خواص را بهبود داد.
آلياژهاي مس به خاطر خصوصيات خوبيچون قابليت اتصال كاري، ماشينكاري، آبكاري و صيقلي و براقي خوب، رنگ خوب، فورج پذيري، قابليت ريخته‌گري، شكل‌پذيري، مقاومت خوب به خوردگي و سايش همراه با خواص مكانيكي و فيزيكي خوب، كاربردهاي متنوعي در صنايع مختلف دارد. امّا به دليل قيمت افزايش مس و دستيابي به مواد مطلوب ارزانتر و با روشهاي ساخت بهتر، روند استفاده از آن نزولي شده است.
حدود 75% مس استخراج شده در صنايع الكتريكي براي انتقال الكتريسيته و بقيه آن به دليل هدايت حرارتي خوبي كه دارند در تجهيزاتي كه انتقال حرارت در آنها موردنظر است و در صنايع دستي و هنري به دليل رنگ و شكل‌پذيري خوب به كار مي‌روند. اگر چه استحكام تسليم بعضي از آلياژهاي مس بالا است ولي استحكام آنها نوعاً كمتر از آلياژهاي آلومينيم و منيزيم است. در عوض مقاومت خستگي، خزشي و سايشي آلياژهاي مس از آلياژهاي آلومينيم و منيزيم بهتر است. جدول شماره 3 خواص مكانيكي تعدادي از آلياژهاي مس را ارائه مي‌دهد.
آلياژهاي مس معمولاً غير مغناطيس هستند. مس خالص معمولاً براي ساخت سيمها و كابلها، كنتاكتهاي برق و هرگونه وسيله‌اي كه براي انتقال برق به كار مي‌رود مصرف مي‌شود. مس خالص علاوه بر قابليت جوشكاري خوب به آساني لحيم نرم (آلياژ قلع ـ سرب) و لحيم سخت (آلياژ مس ـ روي) نيز مي‌شود.
عمليات حرارتي مس وآلياژهاي مس مي‌تواند شامل عمليات يكنواخت‌سازي، تنش‌زدايي، حل‌سازي، رسوب سختي، كوينچ و تمپر كردن بشود. جلد 6 ASM Metals Handbook درخصوص اين عمليات توضيحات كاملي ارائه كرده است.
آلياژهاي مس با 1 تا 6 درصد سرب از نوع آلياژهاي قابل ماشينكاري هستند و در ساخت قطعاتي كه نياز به ماشينكاري زيادي دارند استفاده مي‌شود.
توليد مس
مس مي‌تواند از سنگ معدن با روش ذوب در كوره دمشي (Blast Furnace)تهيه شود. با دمش هوا، ناخالصي‌ها مثل گوگرد و آهن اكسيد شده وروي سطح مذاب بصورت سرباره قرار مي‌گيرند. برخي مواد فرار نيز خارج مي‌شوند. مس خام به وجود آمده از اين روش تقريباً 99% خالص مي‌باشد كه به شدت اكسيده هست و ترد و متخلخل مي‌باشد كه به عنوان مس آبله‌گون يا متخلخل (Blister Copper)معروف است.
مس را مي‌توان با روش الكتروليتي نيز تهيه كرد كه در اين صورت درجه خلوص آن به حدود 99/7-99/2% افزايش مي‌يابد.هر دو نوع مس خام تهيه شده را مي‌توان در يك كوره ديگر يا با يك روش الكتروليتي ديگر تغليظ نمود. در روش استفاده از كوره، مس مجدداً ذوب مي‌شود تا ناخالصيهاي آن اكسيد شوند و به صورت سرباره به روي سطح مذاب قرار گيرند كه سپس سرباره جمع‌آوري مي‌شود.
در روش تغليظ الكتروليتي از مس خام به عنوان آند در يك باتري الكتروليتي استفاده مي‌شود. مس خام حل مي‌شود و سپس در كاتد مجدداً رسوب مي‌كند كه بدين طريق مي‌توان به درجه خلوص حدود 99/97% رسيد. در اين روش مي‌توان طلا و نقره را نيز به صورت محصولات جانبي بدست آورد.
بنابراين، مس بسته به فرايند استخراج و تغليظ آن در انواع مختلفي وجود دارد. مسي كه در خصوص استفاده‌هاي الكتركي كاربرد دارد داراي بيش از 99/9 درصد مس است و به نام مس الكتروليتي
(Electrolytic Tough Pitch Copper-(ETP) يا مس بدون اكسيژن با هدايت بالا
(Oxygen-Free-High Conductivity) (OFHC) كم فسفر اكسيدزدايي شده (Deoxidized-Low Phosphorous) معروف هستند. درصد اكسيژن بايد در مس زير 0/1 درصد باشد تا با تشكيل اكسد مس خواص مكانيكي و فيزيكي آن كاهش پيدا نكند.
از مس ETP در موارد ديگري نظير رادياتور اتومبيل، مخازن تخت فشار، ظروف آشپزخانه، پوشش سقفكانال آب، واشر آب‌بندي و ظروف نگهداري مايعات نيز استفاده مي‌شود. اين فلز شامل 0/05-0/02 درصد اكسيژن است كه در تركيب با مس اكسيد مس (Cu2O) را به وجود مي‌آورد. اين مقدار اكسيژن همچنين مي‌تواند عناصر حل شونده در مس مانند Fe را با تشكيل Fe3O4 كاهش دهد. در حالت ريختگي، اكسيد مس و مس يك مخلوط يوتكتيكي بين دندريتي را بوجود مي‌آورند، مانند شكل شماره 5 پس از انجام كار و تغيير فرم و سپس آنيل كردن، شبكه يوتكتيكي بين دندريتي از بين مي‌رود و ذرات اكسيد در كل زمينه به صورت يكنواخت توزيع مي‌شوند كه باعث افزايش استحكام مي‌گردد گرچه تجمع اين ذرات در امتداد مرز دانه‌ها موجب تردي مس مي‌شود. حضور اكسيژن همچنين با تشكيل اكسيد مس موجب كاهش قابليت جوشكاري مس مي‌گردد زيرا باعث تشكيل مك گازي يا سوسه (Blow Holes) مي‌شود.
مس بدون اكسيژن نيز به عنوان لوله‌هاي الكتريكي يا مواد مشابه كه نياز به چسبندگي به شيشه دارد استفاده مي‌شود. اين نوع مس داراي رسانائي شبيه بم مس ETP است ولي قابليت كار سرد بالاتري دارد و حداكثر 0/001 درصد اكسيژن دارد.
مس كم فسفر اكسيژن زدايي شدهنيز با داشتن 0/04-0/01 درصد فسفر داراي رسانايي پاييني است و بنابراين در جاهايي استفاده مي‌شود كه رسانايي مطرح نباشد (مانند لوله‌ها).
مس آرسنيكي (Arsenical Copper) با حدود 0/3 درصد آرسنيك داراي مقاومت به خوردگي بالا در شرايط خاص است از اين مس در مبدلهاي حرارتي وكندانسورها استفاده مي‌شود.
مس خوش تاش با داشتن حدود 0/6% تلوريم خواص ماشينكاري بسيار خوبيدارد ود ر ساخت پيچ و مهره‌هاي قطعات الكتريكي نظير: پينهاي كتاكت، چرخ‌دنده‌هاي سويچ‌هاي الكتريكي و قطعات وسايل الكتريكي مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
افزودن يك درصد كادميم موجب افزايش استحكام مس و كاهش ناچيز هدايت الكتريكي مس مي‌گردد كه اين آلياژ در سيمهاي تلفن كاربرد دارد.
مس را مي‌توان با افزودن مقادير كمي ليتيم، فسفر يا آرسنيك اكسيدزدايي نمود. آرسنيك خواص الكتريكي و گرمايي مس را كاهش مي‌دهد ولي استحكام كششي و مقاومت اكسيداسيدن‌مس براي دماهاي تا حداكثر 300 درجه سانتيگراد را افزايش مي‌دهد از مس شبكه‌هاي سيم شمش ميله گرد ورق و فويل تهيه مي‌گردد.
مس داراي نقره نيز با داشتن 30-7oz/ton نقره در ساخت موتورهاي الكتريكي براي كاربردهاي هوايي و راه‌آهن كاربرد دارد نقره دماي تبلور مجدد مس را افزايش مي‌دهد و در نتيجه مانع نرم شدن مس در طي لحيم‌كاري نرم (Soldering)و لحيم‌كاري سخت (Brazing) مي‌شود. لازم به ذكر است كه لحيم‌كاري نرم با استفاده از آليار 60%Pb-40%Sn با نقطه ذوب 180 درجه سانتيگراد و لحيم‌كاري سخت با استفاده از آلياژ 50%Cu-50%Zn با نقطه ذوب 900-870 درجه سانتيگراد انجام مي‌گيرد.
چون مس و اغلب آلياژهاي مس به صورت تك‌فاز و همگن هستند براي عمليات حرارتي مناسب نيستند و استحكام آنها فقط با انجام كار سرد تغيير مي‌كند. آلياژهاي غيرقابل عمليات حرارتي كار شده مس را مي‌توان به دو دسته عمده: كار سرد شده و آنيل شده تقسيم‌بندي نمود. انواع كار سرد شده اين آلياژها كه در جدول زير نشان داده شده‌اند با درصدهاي مختلف كار سرد آلياژ آنيل شده بدست مي‌آيند. در جدول شماره 4، درصد كاهش تقريبي براي نمونه‌هاي تخت براساس كاهش ضخامت و براي نمونه‌هاي استوانه‌اي براساس كاهش سطح مقطع آنها بدست آمده است.
انواع آنيل شده آلياژهاي مس براي شكل‌دهي در دماي اتاق بكار مي‌روند و براساس اندازه دهانه (قطر متوسطدانه برحسب ميلي‌متر) مشخص مي‌شوند. اندازه دانه مناسب براي يك استفاده به خصوص به ضخامت فلز، ميزان كشش و نوع سطح موردنياز پس از كشش بستگي دارد.
جدول 3 اندازه دانه‌هاي متداول را براي كاربردهاي مورد نظر نشان مي‌دهد.
مس خالص آنقدرنرم و داكتيل (فرم‌پذير) است كه ماشينكاري آن دشوار مي‌باشد. قابليت فرم‌پذيري سرد (كار سرد) آن نيز بسيار زياد است. بعلاوه، مقاومت زيادي در برابر خوردگي در محيط‌هايي چون هوا، آب دريا و برخي مواد شيميايي داردلا با افزودن عناصر آلياژي به مس مي‌توان خواص مكانيكي و خوردگي مس را افزايش داد. برخي از آلياژهاي مس قابليت عمليات حرارتي را ندارند و با كار سرد و با تشكيل محلول جامد داراي استحكام بيشتري مي‌گردند.
مس خالص از نظر هدايت الكتريكي و حرارتي دومين فلز مي‌باشد. از اين نظر نقره بالاترين رتبه را دارد. جدول 4 مقاومت و هدايت الكتريكي و حرارتي چند فلز خالص را با هم مقايسه مي‌كند. نكته مهم اين كه حتي افزودن مقدار كمي از عناصر ديگر روي اين خواص تأثير منفي مي‌گذارد زيرا هرگونه بي‌نظمي در شبكه فضايي (Lattice Space) يك فلز موجب تفرق الكترونها و كاهش مسير آزاد متوسط (Mean-Free Path) آنها مي‌شود. شكل شماره 5 تأثير برخي عناصر آلياژي روي هدايت يا رسانايي مس را نشان مي‌دهد. تقريباً همه عناصر آلياژي رسانايي مس را كاهش مي‌دهند ولي نقره كمترين تأثير و فسفر بيشترين تأثير را دارد. بنابراين اگر قرار باشد مس آلياژي با استحكام بالا براي كاربردهاي الكتريكي تهيه شود مي‌بايست عناصري چون نقره و روي و نيكل به آن اضافه شود.
وقتي دما به زير 470 درجه سانتيگراد برسد فاز B منظم مي‌شود كه از آن به بعد به نام فاز B با ساختار bcc ناميده مي‌شود. تنها اختلاف فازهاي B و bإ در بي‌نظمي به نظم چنان سريع اتفاق مي‌افتد كه حتي با كوينچ كزدن سريع نيز متوقف نمي‌شود. بنابراين در دماي اتاق به هيچ صورتي نمي‌توان فاز B را داشت. فاز منظم داراي تعداد زيادي نواحي كوچك به نام حوزه (Domain) مي‌باشد كه به وسيله مرزهايي به نام مرزهاي حوزه‌ها (Domain Boundaries) از هم جدا شده‌اند. وقتي يك فاز نامنظم به يك فاز منظم تبديل مي‌شود چندين نواحي منظم مجزا (حوزه) با مكانيز جوانه‌زني و رشد تشكيل مي‌شود. در سيتم CuZn دو نوع حوزه متفاوت به وجود مي‌آيد. براي يك نوع مي‌توان تصور كرد كه ساختار bccآن با قرار گرفتن اتم مس در مركز و اتمهاي روي در گوشه‌ها تشكيل مي‌شوند و براي نوع ديگر ساختار bcc با قرار گرفتن اتم روي در مركز و اتمهاي مس در گوشه‌ها تشكيل مي‌شود. مرز بين اين دو ساختار همان مرز حوزه مي‌باشد.
اندازه حوزه‌ها به سرعت سرد كردن بستگي دارد. سرعت سرد كردن خيلي آهسته از منطقه B موجب تشكيل حوزه با اندازه بزرگ مي‌شود. در حالي كه حوزه‌هاي ريز با سرعت سرد كردن خيلي زياد تشكيل مي‌شوند. اندازه حوزه‌ها روي سختي آلياژ كوينچ شده تأثير مي‌گذارد. همچنين دماي كوينچ نيز روي سختي اثر دارد.
مشخص شده است كه سختي آلياژ منظم نه تنها به سرعت سرد كردن بلكه به دمايي كه نمونه از آن سرد شده است نيز بستگي دارد. همچنين ديده شده است كه دماي كوينچي كه حداكثر استحكام را به وجود مي‌آورد خود تابعي از سرعت سرد كردن مي‌باشدلا هر چه اندازه حوزه ريزتر باشد ماده سخترتر است. افزايش سختي CuZn كوينچ شده به جاهاي خالي اتمي به وجود آمده در طي انتقال سريع فاز غيرمنظم به فاز منظم نيز نسبت داده شده است. اين جاهاي خالي اتمي احتمالاً از برخوردهاي بين نابجايي‌ها در طي ايجاد نظم به وجود آمده‌اند.
انواع آلياژهاي مس (Copper Alloys)
آلياژهاي تجاري مهم مس را مي‌توان به صورت زير دسته‌بندي كرد:
1 ـ برنجها (Brasses): آلياژهاي مس و روي با بيش از 54 درصد مس.
الف ـ برنجهاي آلفا (Alpha Brasses) آلياژهايي كه از 5 تا 36% روي دارند.
1) برنجهاي آلفاي زرد (Yellow Brasses): بين 36-20 درصد روي دارند.
2) برنجهاي آلفاي قرمز (Red Brasses): بين 20-5 درصد روي دارند.
ب ـ برنجهاي آلفا و بتا (Alpha plus Beta Brasses): آلياژهايي با 62-54 درصد مس (46-38 درصد روي).
2ـ برنزها (Bronzes): آلياژ مس با حداكثر 12 درصد عنصر آلياژي
الف) برنزهاي قلع (Tin Bronzes)
ب) برنزهاي سيليسيم (Silicon Bronzes)
ج) برنزهاي آلومينيم (Aluminum Bronzes)
د) برنزهاي بريليم (Berylium Bronzes)
كوپرونيكل (Cupro-Nickel): آلياژهاي مس و نيكل
نقره‌هاي نيكل (Nickel Silvers): آلياژهاي مس ـ نيك ـ روي
جدول شماره 7 تقسيم بندي و كدگذاري آلياژهاي مس را ارائه مي‌دهد. جدول شماره 8 نيز برخي خواص مكانيكي و تركيب شيميايي چند آلياژ را ارائه مي‌دهد. برخي از استفاده‌هاي مشترك آنها نيز عبارتند از: سكّه، رادياتور اتومبيل و آلات موسيقي
برنجها (Brasses)
برنجها اساساً آلياژهاي مس و روي هستند. روي در اين آلياژها بصورت جانشيني قرار دارد. برخي از آنها شامل مقادير كمي از عناصر ديگر نظير: سرب، قلع يا آلومينيم هستند. تغييرات در تركيبات شيميايي موجب تغييرات در رنگ، استحكام، داكتيليتي، قابليت ماشينكاري، مقاومت خوردگي يا تركيبي از چنين خواصي خواهد شد. به همين دليل اين آلياژ كاربرد فراواني در صنايع الكتريكي، شيميايي، غذايي، صنعتي حرارتي و تزئيني دارد.
بخشي از نمودار فازي دوتايي مس ـ روي كه براي آلياژهاي تجاري قابل استفاده است در شكل شماره 6 رسم شده است.
حد حلاّليت بالاي روي در مس ناشي از اختلاف كم اندازه اتمي آنهاست. شعاع اتمي مس 0/1277 نانومتر و روس 0/1332 نانومتر است. حلاّليت روي در محلول جامد آلفا از 32/5 درصد در دماي پريتكتيك (903 درجه سانتيگراد) به حداكثر حدود 39 درصد در 456 درجه سانتيگراد افزايش مي‌يابد. از آن دما پائينتر مجدداً ميزان حلاّليت كاهش پيدا مي‌كند. چون مس FCC است محلول جامد آلفا (a) نيز FCC است. فاز بتا(B) BCC است و اتمهاي مس و روي در مكان‌هاي شبكه‌اي به طور راندوم توزيع شده‌اند. تركيب آن در حدود CuZnمي‌باشد. در محدوده دمايي 468-455 درجه سانتيگراد در طي سرد كردن اين فاز غيرمنظم به ساختار منظم bإ كه در آن هم BCC است و اتمهاي مس در گوشه‌ها و اتمهاي روي در مراكز مكعبهاي واحد آن قرار دارند تبديل مي‌شود.
اين واكنش منظم شدن چنان سريع است كه حتي با كوينچ كردن نيز نمي‌توان جلو آن را گرفت و يا به تأخير انداخت. بنابراين فاز B در دماي اتاق پايدار نيست. فاز bإ فازي سخت است و بنابراين آلياژهايي كه بيشتر از 36% روي دارند بايستي با روش كار گرم تغيير فرم دهند.
خواص فازهاي a و B بسيار متفاوت مي‌باشند. برنج a به خوبي تغيير فرم سرد داده مي‌شود (عمليات كشش عميق و خمكاري) امّا برعكس قابليت ماشينكاري خوبي ندارد. يكي از مشخصات ويژه a ظاهر شدن دوقلويي در آن است. ريزساختار برنجهاي آلفاي ريختگي شامل دندريتهاي محلول جامد aاست كه درصد روي در مرز دندريتها بيشتر از هسته دندريتها مي‌باشد. با آنيل كردن، اين جدايش حذف مي‌شود. اگر آلياژ تحت تغيير فرم پلاستيك قرار گيرد يا در اثر سريع سرد كردن دچار تنشهاي باقيمانده گردند، تبلور مجدد در طي آنيل اتفاق مي‌افتد. اين ساختار بلور مجدد شده معمولاً شامل دوقلوهاي آنيلي Twin)(Annealing هستند كه به صورت نوارهاي باريك موازي درون دانه‌هاي aديده مي‌شوند. شكل شماره 7 ساختار ميكروسكوپي دو آلياژ برنج را نشان مي‌دهد.
داكتيليتي آلياژهاي مس ـ روي با افزايش درصد روي افزايش مي‌يابد تا
اين كه به مقدار 30% روي مي‌رسد. پس از آن داكتيليتي آلياژ كاهش مي‌يابد و در مقدار 40% روي به حدود داكتيليتي مس خالص مي‌رسد. استحكام آلياژ نيز با افزايش درصد روي به دليل اعوجاج در شبكه (تشكيل محلول جامد) بيشتر مي‌شود. چون حد حلاليت روي در مس با افزايش دما بيشتر نمي‌شود، بنابراين برنجهاي آلفا مستعد به رسوب سختي نيستند. برنجهاي آلفا تحت خوردگي تنشي SCCمرزدانه‌اي مي‌گيرد كه به نام خوردگي فصلي (Season Cracking) معروف است. براي كاهش يا حذف خوردگي SCC بايستي آلياژ قبل ازار سرد آنيلشود و پس از سرد نيز آنيل تنش‌زدايي در دماي 250 درجه سانتيگراد روي آنها انجام گيرد. تأثير روي بر روي خواص كششي آلياژهاي مس آنيل شده در جدول شماره 9 ارائه گرديده است. اغلب افزودن يك عنصر به محلول جامد، تمايل |
| به كاهش داكتيليتي را زياد و استحكام آن را افزايش مي‌دهد. امّا افزودن |
روي (همانطور كه در جدول شماره 9 نشان داده شده است) داكتيليتي را همراه با استحكام افزايش مي‌دهد. بهترين تركيب استحكام و داكتيليتي در برنج 30Zn 70Cu بدست مي‌آيد. در مقادير بيشتر روي، قابليت تغيير فرم‌پذيري در دماي محيط كاهش مي‌يابد. شكل شماره 8 تغييرات خواص مكانيكي آلياژهاي مس ـ روي را نشان مي‌دهد. با ازدياد درصد روي، خواص مكانيكي افزايش مي‌يابد و از حدود 30% به بالا كاهش پيدا مي‌كند. آلياژهايي كه در محدوده دو فازي a و B قرار دارند بخوبي مي‌توانند تغيير فرم گرم داده شوند. امّا قابليت تغيير فرم‌پذيري آنها در دماي پايين مناسب نيست. هر چه درصد روي بيشتر باشد شكل‌پذيري كمتر مي‌شود.
مفرغها (برنزها) (Bronzes) عبارت برنز در ابتدا به آلياژهاي مس ـ قلع اطلاق مي‌شد، ولي امروزه به | همه آلياژهاي مس به استثناء آلياژهاي مس ـ روي كه داراي كمتر از 12 | درصد از يك عنصر آلياژي باشد گفته مي‌شود. گرچه برخي مواقع به |
نادرست به بعضي از برنجها نيز گفته مي‌شودلا برنزهاي تجاري اساساً آلياژهاي مس و قلع، آلومينيم، سيليسيم، نيكل يا بريليم مي‌باشند. بعلاوه ممكن است شامل فسفر، سرب، روي يا نيكل نيز باشند. اين آلياژها حداقل 60: مس دارند و نسبت به برنجها از خواص مكانيكي و مقاومت خوردگي بالاتري برخوردارند. بنابراين، معمولاً در مواردي بكار مي‌روند كه علاوه بر مقاومت خوردگي خوب نياز به استحكام بالا نيز باشدلا گرچه به علت گراني مس و قلع امروزه كمتر استفاده مي‌شوند.
برنزها آلياژهايي با استحكام بالا هستند و معمولاً به صورت ريخته‌گري در ساخت ياتاقانها از آنها استفاده مي‌شود گرچه به صورت كار شده نيز به شكل ورق، تسمه و سيم وجود دارد.
برنزهاي قلع (Tin Bronzes)
برنزهاي قلع معمولاً برنزهاي فسفر نيز ناميده مي‌شوند زيرا فسفر همواره به عنوان يك اكسيدزدا (Deoxidizer) در ريخته‌گري اين آلياژها وجود دارد. فسفر معمولاً در محدوده 0/5-0/01 درصد و قلع بين 18-1 درصد در اين آلياژها وجود دارد. شكل شماره 9 نمودار تعادلي مس ـ قلع را در محدوده غني از مس نشان مي‌دهد. فاز B (Cu3Su) در اثر واكنش پريتكتيك (Peritectic) در دماي 798 درجه سانتيگراد تشكيل مي‌شود.
قلع مي‌تواند تا حداكثر 17 درصد در دماي 585-520 درجه سانتيگراد در مس حل شود و فاز محلول جامد a را تشكيل دهد. امّا چون سرعت سرد كردن خيلي كمي نياز است تا شرايط تعادلي كامل شود در صنعت كاربردي ندارد. براي آلياژهايي با بيش از 5% قلع تغيير ساختاري در دماي حدود 300 تا 350 درجه سانتيگراد اتفاق مي‌افتد كه منجر به تشكيل فاز ترد ss، حتي با آهسته سرد كردن، مي‌شود. برنزهاي قلع كار شده بيشتر از 7% قلع ندارند و بنابراين فاز ترد ss به مقدار خيلي كم تشكيل مي‌شود به طوري كه موجب كاهش كار سردپذيري آلياژ نمي‌گردد.
فاصله بين خط ساليدوس و ليكويدوس در آلياژ مس ـ قلع، با كمتر از 14% قلع، خيلي زياد است كه اين موجب تشكيل ساختاري با جدايش زياد (CoredSrtucture) مي‌شود. به علت اين كه آخرين قطره‌هاي مذابي كه مي‌خواهد منجمد شود داراي درصد زيادي قلع مي‌باشد، دانه‌هاي تشكيل شده درصد بالايي قلع (عنصر با نقطه ذوب پايين) در مرز دانه خود دارند. اين اثر با آنيل طولاني مدت برطرف مي‌شود.
در دماي 586 درجه سانتيگراد فاز B با واكنش يوتكتويد به مخلوط ya+ تبديل مي‌شود. در دماي 520 درجه سانتيگراد فاز y نيز در اثر واكنش يوتكتويد به مخلوط a+s تبديل مي‌شود.
اين واكنش آنقدر كند است كه در شيب خط سالوس (Salus) در زير دماي 520 درجه سانتيگراد نشان مي‌دهد كه حلاليت قلع در گرما به مقدار قابل توجهي كاهش دما كاهش مي‌بابد. رسوب فاز s يا E در اثر اين تغيير حلاليت آنقدر كم است و نياز به زمانهاي طولاني پيرسازي دارد كه براي اهداف عملي خط‌چين را در نظر مي‌گيرند. به اين دليل برنزهاي ريختگي قلع آهسته سرد شده كه داراي كمتر از 7 درصد قلع هستند معمولاً يك محلول جامد تك فاز a را نشان مي‌دهند. در آلياژهاي ريختگي با بيش از 7% قلع مقدار كمي فاز aدر زمينه مشاهده مي‌شود. شكل شماره 9 ريز ساختار برنز قلع با 10% قلع را نشان مي‌دهد.
برنزهاي فسفر (قلع) داراي خصوصياتي نظير استحكام بالا، تافنس خوب، مقاومت به خوردگي بالا، ضريب اصطكاك پايين، مقاومت در برابر ترك خوردن فصلي (Season Cracking) مي‌باشند. آنها معمولاً براي ساخت ديافراگمها، واشر، بوش، ديسك كلاچ، فنر، پينهاي (Cotter)، صنايع شيميايي و كاغذسازي، ساعت‌سازي، ياتاقانها و (Bellows) استفاده مي‌شوند. با افزايش درصد قلع، استحكام و سختي افزايش مي‌يابد ولي قابليت هدايت حرارتي و الكتريكي كاهش پيدا مي‌كند.
سرب نيز بعضي اوقات براي افزايش قابليت ماشينكاري و مقاومت به سايش به برنزهاي قلع افزوده مي‌شود. اين مقدار گاهي تا 25 درصد مي‌رسد. اين آلياژها براي ساخت بوش و ياتاقان تحت بار كم تا متوسط استفاده مي‌شود.
آلياژهاي ريخته‌گري معمولاً بين 18-10% قلع دارند و بنابراين نقطه ذوب پاييني همراه با چقرمگي a و سختي s را دارند. برنزهاي مورد استفاده براي ياتاقانها بين 12-8% قلع دارند و شامل ذرات سخت s در زمينه نرم a مي‌باشند.
برنزهاي فسفري داراي مقدار بيشتري فسفر، بيشتر از حد لازم براي اكسيدزدايي آلياژ، مي‌باشند. معمولاً درصد فسفر اضافي براي برنزهاي فسفري a حدود 0/1 درصد ودر برنزهاي فسفري a+bإ حداكثر تا 1 درصد فسفر مي‌باشد. مقداري از فسفر در ريز ساختار برنز به صورت ذرات بسيار سخت فسفات مس (Cu3P) رسوب مي‌كند كه مي‌تواند خواص استحكام و سختي برنز را افزايش دهد. برنزهاي فسفري خواص كارسرد پذيري خوبي دارند ومقاومت به سايش و خوردگي خوبي نيز دارند. علاوه بر اينها، سخت و چقرمه هستند. با افزودن 5% سرب به برنز، خواص ماشينكاري آلياژ افزايش مي‌يابد.
گاهي اوقات مقداري از قلع با روي جايگزين مي‌شود. با اين كار خواص ريخته‌گري و تافنس افزايش مي‌يابد و در حين حال مقاومت سايشي آنها نيز حفظ مي‌شود.
برنز توپ يا آلياژ توپ (Gun Metal) يك نوع برنز با تركيب 10% قلع و 2 تا 5 درصد روي مي‌باشد كه داراي استحكام كششي و مقاومت خوردگي خوبي است و در ساخت لوله‌هاي بخار و ياتاقانها و قطعات ريختگي دريايي كاربرد دارد. روي به عنوان يك اكسيدزدا، قابليت ريختگي آلياژ را بالا مي‌برد و موجب ارزاني آلياژ نيز مي‌گردد.
برنز سيلسيم
852 درجه سانتيگراد، 5/3 درصد است كه با كاهش يا افزايش دما كاهش مي‌يابد. واكنش يوتكتويد در دماي 554 درجه سانتيگراد خيلي كند است به طوري كه برنزهاي سيلكني تجاري كه معمولاً كمتر از 5/0 درصد Si دارند آلياژهايي تك فاز هستند.
برنزهاي سيليسيمي قوي‌ترين (Strongest) آلياژهاي مس قابل كار سخت شدن (Work-Hardenable) مي‌باشند. خواص مكانيكي آنها با فولادهاي ساده كربني قابل مقايسه است. از آنها براي ساخت تانكها، مخازن تحت فشار، ساختارهاي دريايي و خطوط تحت فشار هيدروليكي استفاده مي‌شود.
برنزهاي سيليسيم، آلياژهاي مس، سيليسيم وروي هستند. سيليسيم موجب افزايش چقرمگي، سختي و استحكام كششي آلياژ مي‌گردد. آلياژهاي برنز كار شده حداكثر 3% سيليسيم و آلياژهاي ريختگي حداكثر 5% سيليسيم دارند. سيليسيم قابليت سياليت مذاب و ريختگي برنزها را افزايش مي‌دهد بطوري كه مي‌توان قطعات پيچيده را توليد كرد. اين آلياژها هم قابليت ار سرد و هم كار گرم را دارند ودر ساخت قطعات پمپهاي هيدروليك، پيچ و مهره‌ها، پرچمها، مبدلهاي حرارتي، مخازن تحت فشار، قطعات دريايي و غيره استفاده مي‌شود.
مواد اوليه مس و منابع آن
منابع جهاني مس شامل كليه مواد طبيعي حاوي مس است كه در درون و يا برون پوسته زمين قرار دارد و اگر استخراج مس از آنها در شرايط كنوني از لحاظ اقتصادي مقرون به صرف باشد، ذخاير ناميده مي‌شوند.
برخلاف آهن و آلومينيوم، مس از نقطه‌نظر ژئوشيمي، عنصري كمياب است. با توجه به اين كه بعد از آهن وآلومينيوم، مس مهمترين فلز صنعتي جهان بشمار مي‌رود، به طور تخميني آهن، آلومينيوم و مس به ترتيب 5/8، 8 و 0/006 درصد از پوسته جامد زمين را تشكيل مي‌دهند. ذخاير سنگ آهن محتوي 22 تا 55 درصد آهن و ذخاير آلومينيوم (بوكسيت) محتوي 22/5 تا 27/5 درصد آلومينيوم است امّا ذخائر مس، محتوي 0/5 تا 6 درصد مس مي‌باشد. آب اقيانوسها بويژه اقيانوس آرام حاوي مقدار اندكي مس مي‌باشد.
در طبيعت مس بصورت سه نوع كاني (ذخيره معدني) يافت مي‌شود:سولفيد، كربنات، سيليكات، كه عمده‌ترين آن كاني سولفيدي مي‌باشد. در ايران مس به صورت كالكوپيريت (سولفيد آهن ـ مس) است. استخراج ذخاير مس تا مرحله خاصي ممكن است مقرون به صرفه باشد و با كاهش عيار مس و افزايش هزينه استخراج و كاهش قيمت، استخراج هم متوقف مي‌گردد. گاهي حضور تركيبات فلزي ديگري چون موليبدن، طلا و نقره استخراج آن را با صرفه مي‌نمايد.
تخمينهاي مختلفي از معادن و ذخاير مس در جدول شماره 1 نشان داده شده است. كل منابع 1626 ميليون تن مس محتوي تخمين زده شده است كه استخراج 510 ميليون تن آن اقتصادي مي‌باشد. شيلي، آمريكا، شوروي سابق به ترتيب با 79، 57، 57 ميليون تن صاحبان بزرگترين منابع مس جهان هستند. كل مس محتوي قابل اكتشاف 392 ميليون تن برآورد شده است كه كفاف حداقل 30 سال عمليات بهره‌برداري معادن در سطح فعلي را مي‌نمايد، امّا برآورد ميزان ذخاير مس هر سال افزايش مي‌يابد.
برآوردي كه در سال 1991 انجام شده است، نشان مي‌دهد كه ذخيره احتمالي مس 2400 ميليون تن (مس محتوي) است، امّا منابع مس شناخته شده جهان 500 ميليون تن (مس محتوي) هم تخمين زده مي‌شود، لذا امكان تأمين مس را براي 80 سال مي‌نمايد.
ايران از لحاظ ذخاير معدني بر روي كمربند جهاني مس قرار گرفته است كه از جنوب شرقي ايران شروع و تا شمال غربي و نواحي آذربايجان ادامه دارد. از 330 كانسار مس در ايران تنها از دو كانسار (سرچشمه و قلعه زري) بهره‌برداري مي‌شود. ناحيه مس كرمان را مي‌توان قسمتي از كمربند فلززايي ايران مركزي به حساب آورد و در مهمترين ذخاير مس اين ناحيه كه بهره برداري از آنها فراهم شده است، مي‌توان از توده‌هاي مس سرچشمه و ميدوك نام برد. كانسار سرچشمه كرمان يكي از بزرگترين كانسارهاي جهان به حساب مي‌آيد. ذخيره آن 800 ميليون تن ماده معدني مس با عيار 1/12 درصد (8/9 ميليون تن مس محتوي) است. اين توده معدني حاوي موليبدن و مقاديري طلا و نقره مي‌باشد كه قابل بازيابي هستند. ذخيره معدني ميدوك هم 150 ميليون تن برآورد شده است. معدن مس سرچشمه بيضي شكل بوده كه قطر بزرگ آن 2300 متر و قطر كوچك آن 1200 متر است، ارتفاع آن 2600 متر مي‌باشد و استخراج از آن به روش روباز انجام مي‌شود. ذخاير آن تا عمق 2530 متر 450 ميليون تن برآورد شده است. مهمترين معادن مس ايران و ذخاير مس برآورد شده در جدول شماره 2 نشان داده شده است.
روشهاي عمده توليد مس و محصولات نيمه ساختي مسي
توليد مس
مس در پوسته زمين عمدتاً به صورت كانه‌هاي سولفيدي مانند كالكوپيريت (CuFeS2)، بورنيت (CU5FeS4)، كالكوزيت Cu2S وجود دارد. عيار مس كانه‌هاي سولفيدي بين 2-0/5 درصد است. بخش كمي از مس بصورت كانه‌هاي اكسيدي (كربناتها، اكسيدها، سيليكاتها و سولفاتها) با عيار كمتر وجود دارد.
مس موجود در كانه‌هاي اكسيدي يا سولفيدي تشويه شده را به روشهاي هيدرومتالورژي استخراج مي‌نمايند. سولفاتهاي مس در آب و اكسيدهاي آن در اسيد سولفوريك حل مي‌شوند و سپس مس موجود در محلول به روش حلال Leaching و الكتروليتي استحصال مي‌شود.
در اين روش با پاشيدن اسيد سولفوريك بر روي تپه‌هاي ايجاد شده، مس محتوي سنگ معدن در اسيد سولفوريك حل مي‌شود و به صورت سولفات مس (كات كبود) درمي‌آيد كه از زير تپه توسط لوله‌هاي ويژه‌اي به واحد استخراج منتقل مي‌شود. در آنجا يونهاي مس به يك محلول آلي منتقل مي‌شود و محلول عاري از مس (اسيد سولفوريك) با افزودن مقدار بيشتري اسيد به تپه برمي‌گردد. مس در محلول آلي وارد محلول اسيد سولفوريك ديگري مي‌شود كه با غلظت بيشتر به واحد الكتروينينگ منتقل مي‌شود.
در اين واحد با قرار دادن آندهاي سربي و كاتدهايي از جنس فولاد زنگ‌نزن و استفاده از جريان مستقيم برق يونهاي مس فلزي بصورت ورقهاي بر روي كاتد رسوب مي‌نمايد. هر هفته ورقهاي كاتد را برداشته، ورقه‌هاي مسي را جدا كرده و كاتد (فولاد زنگ‌نزن) را مجدداً در الكتروليت مي‌گذارند. روشهاي اصلي استخراج از كانه‌هاي اكسيدي در شكل شماره 1 مشخص شده است.
به علت عدم انحلال كانه‌هاي سولفيدي معمولاً استخراج مس از اين كانه‌ها به روش پيرومتالورژي (حرارتي) انجام مي‌شود كه شامل پر عيار كردن يا تغليظ (گاهي تشويه)، تهيه مات، و تبديل مات به مس بليستر و نهايتاً تصفيه حرارتي و الكتروليتي مي‌باشد.
گاهي از كنستانتره‌هاي سولفيدي به طور پيوسته مس بليستر توليد مي‌شود كه فرآيند چند مرحله‌اي توليد مي‌شود كه فرآيند چند مرحله‌اي ميتسوبيشي و فرآيندهاي تك مرحله‌اي، وركرا، نراندا از اين نوع مي‌باشد. به عبارت ديگر عمليات توليد مس بليستر در يك راكتور (پيوسته تك مرحله‌اي) و يا چند راكتور متصل به هم (پيوسته چند مرحله‌اي) از كنسانتره انجام مي‌شود. اما بخش عمده توليد مس در دنيا از روشهاي غير پيوسته است. در شكل شماره 2 روشهاي عمده استخراج مس از كانه‌هاي سولفيدي نشان داده شده است.
اخيراً پيشرفتهاي مهمي در عمليات ذوب و توليد مس انجام شده است كه عبارتند از:
1 ـ كامپيوتري كردن و كنترل اتوماتيك كارهاي طاقت‌فرسا
2 ـ استفاده از اكسيژن و يا غني كردن هوا با اكسيژن، در عمليات ذوب و تبديل
3 ـ كاهش ميزان انرژي مصرفي با توجه به خودسوز كردن مواد شارژ و مواد افزودني
4 ـ افزايش غلظت SO2 در گاز خروجي جهت مقرون به صرفه كردن بازيابي آن
در اينجا عمليات ذوب غيرپيوسته (چند مرحله‌اي مس) كه در مجتمع مس سرچشمه نيز مورد استفاده قرار گرفته، تشرح مي‌گردد.
عيار مس سنگ معدن سولفيدي سرچشمه در حدود 1 درصد مي‌باشد كه پس از خرد كردن (با سنگ‌شكن‌ها) و نرم كردن (با آسيابها) با افزودن آب و مواد ديگري به آن با فلوتاسيون در واحد تغليظ به كنسانتريه‌اي با عيار 32-30 درصد مس تبديل مي‌شود.
فلوتاسيون براساس جذب انتخابي هوا توسط سطوح جامدي كه در يك مايع غوطه‌ور بوده و اين سطوح توسط معرفهاي فلوتاسيون قبلاً تحت يك سري عمليات قرار گرفته است، انجام مي‌شود. معرفهاي اضافه شده، كف‌سازها، كلكتورها، رسوب‌دهنده‌ها و تقويت‌كننده‌ها هستند.
در واحد تغليظ، كنسانتره مس وموليبدن با هم از خاك معدن جدا مي‌شود. سپس در قسمت ديگري كنسانتره موليبدن از كنسانتره مس با همان روش فلوتاسيون جدا مي‌شود. موليبدنيت (سولفيد موليبدن) خشك بسته‌بندي شده و عمدتاً به خارج صادر مي‌شود.
كنسانتره مس (كالكوپيريت) خشك شده و با افزودن كمك ذوب‌هايي مثل آهك و سيليس طبق واكنش زير در واحد ذوب (كوره ريورب يا شعله‌اي) به مات (مخلوط سولفيد آهن و مس) تبديل مي‌شود.
آناليز عنصري تركيبات مات و سرباره به شرح زير مي‌باشد:
مات شامل 40-30 درصد مس، 30-25 درصد آهن، 30-25 درصد گوگرد است. سرباره شامل 0/6-0/4 درصد مس، 40-36 درصد سيليس و 40-25 درصد آهن كه دورريز است، مي‌باشد. مات از كوره ريورب كه دماي آن 1200-100 درجه سانتيگراد مي‌باشد جهت تبديل به مس بليستر به كوره‌هاي ديگري (كنورتر) منتقل مي‌شود. عمليات در كنورتر شامل دو مرحله است: فوت كردن سرباره، دمش مس، در مرحله دمش سرباره با دميدن هوا به داخل مات، آهن آن مي‌سوزد (اكسيد مي‌شود) و با افزودن سيليس، اكسيد آهن را به صورت سرباره از آن جدا مي‌كنند و چون حاوي مقدار قابل توجهي مس است به كوره ريورب منتقل مي‌شود. هم اكنون در داخل كنورتر سولفيد مس مذاب موجود است كه در مرحله دوم با دمش هواي اضافي گوگرد آن سوخته و به صورت SO2خارج مي‌شود.
براي جلوگيري از اكسيد شدن مس فلزي مذاب، مرحله دمش را قطع نموده و مس حفره‌دار يا بليستر كه حاوي ناخالصي 0/02 درصد گوگرد و 0/5 درصد اكسيژن است تخليه مي‌شود.
براي حذف ناخالصيهاي فوق، مذاب به كوره‌هايي مشابه كنورتر (كوره تصفيه حرارتي) منتقل مي‌شود كه در ابتدا با دمش هواي كنترل شده گوگرد آن حذف مي‌شود. سپس با دميدن گازهاي احياءكننده (پروپان) اكسيژن آن هم حذف مي‌گردد و به صورت قالب‌هاي آندي ريخته‌گري مي‌شود.
مس آندي كه حداقل داراي 99 درصد مس مي‌باشد براي تصفيه بيشتر به واحد پالايشگاه منتقل مي‌شود. سپس از طريق الكتروليز با قرار دادن كاتدهايي از جنس مس خالص به صورت ورقه‌هاي نازك و با اعمال جريان برق، مس آند به كاتد منتقل شدهو ناخالصيهاي آن در محلول باقي مي‌ماند و يا در كف سلولها به صورت لجن ته‌نشين مي‌شود. فلزات قيمتي مانند طلا و نقره هم در داخل لجن باقي مي‌مانند. در حدود 5 درصد لجن طلا و نقره است كه در واحد بازيابي فلزات قيمتي استحصالمي شوند