النحاس الأصفر
يُصنَّع النحاس الأصفر (بالإنجليزية: brass) من خليط معدني مكوّن من عنصري النحاس (CU)، والخارصين أو الزنك (Zn)، لإنتاج سبائك تحمل خصائص مُحسّنة عن العنصرين الأوَّليّين وتتميّز بالقوة، والصلابة، واللون، والموصليّة الحرارية والكهربائية، وقدرتها على مقاومة التآكل.
وعلى عكس المركبات الكيميائية الأخرى فليس للنحاس الأصفر صيغة كيميائية أو جزيئية؛ وذلك لأن الرابطة بين النحاس والزنك رابطة فلزية؛ أي أنه يحدث قوة تجاذب بين الإلكترونات السالبة والبروتونات الموجبة بين ذرتين دون حدوث انتقال للإلكترونات، في حين تُعطى الصيغة الكيميائية للمواد التي تحتوي على عنصر واحد فقط يحمل نفس العدد من البروتونات، والمواد التي تحتوي على أكثر من عنصر وترتبط فيما بينها برابطة كيميائية.
أنواع النحاس الأصفر
ينقسم النحاس الأصفر بشكل أساسيّ إلى ثلاثة أنواع رئيسيّة اعتماداً على نسبة عنصر الخارصين الموجودة في السبيكة، وهي كما يأتي:
- النحاس الأبيض: (بالإنجليزية: White Brasses)، وتكون فيه نسبة الخارصين أعلى من 45% من إجمالي محتويات السبيكة، ويتميز بصعوبة تشكيله والعمل به، مما يجعل استخدامه محصوراً في القليل من العمليات الصناعية؛ مثل عمليات اللحام عندما يكون على شكل حبيبات، أو في كونه أساساً للسبائك التي تستخدم في عمليات صب المعادن داخل القوالب.
- النحاس الأصفر المطاوع: (بالإنجليزية: Malleable Brasses)، وهو النحاس القابل للطرق والسحب، وينقسم إلى نوعين رئيسيين؛ هما:
- النحاس الأصفر فئة ألفا: (بالإنجليزية: Alpha Brasses)، والذي يمكن تشكيله عند درجات الحرارة الباردة، حيث تكون نسبة الخارصين فيه أقل من 40%، وتستخدم هذه المادة بشكلٍ أساسيّ في صناعة الدبابيس، والمسامير، والبراغي، وحاويات طلقات الخرطوش.
- النحاس الأصفر فئة بيتا: (بالإنجليزية: Beta Brasses)، ويتميّز بأنّه أقل مرونة من النحاس الأصفر فئة ألفا إلّا أنّه أكثر صلابة؛ مما يجعله خياراً مناسباً لاستخدامه في صناعة مقابض صنابير المياه ورؤوس رشاشات المياه، كما أنّه يُستخدم في صناعة النوافذ والأبواب.
- النحاس الأصفر المُضاف إليه عناصر أخرى: تتم إضافة بعض العناصر إلى سبائك النحاس الأصفر لتحسين خواصها الفيزيائية والميكانيكية؛ مثل: زيادة مقاومتها للتآكل، أو زيادة قابليتها للتشكيل، أو لتغيير لونها، وفيما يأتي أمثلة على بعض هذه العناصر المُضافة وفوائد إضافتها:
- إضافة الرصاص: لزيادة قابلية النحاس الأصفر للتشكيل.
- إضافة القصدير: لزيادة مقاومة النحاس الأصفر ضد التآكل من مياه البحار.
- إضافة الألومنيوم: لزيادة مقاومة النحاس الأصفر البحري ضد التآكل، وزيادة قوته.
خصائص النحاس الأصفر
تختلف خصائص النحاس الأصفر وميزاته اعتماداً على نسبة النحاس الموجودة في السبيكة، فالسبيكة التي تحتوي على نسبة نحاس أكثر من 63% تكون الأكثر مرونةً وتُشكَّل بالطرق الباردة، أمّا السبيكة التي تحتوي على نسبة نحاس أقل من 63% تُشكَّل بالطرق الساخنة؛ مثل اللف، والقذف، والطرق، والكبس، وفيما يأتي ذكر لأهم خصائص النحاس الأصفر:
- درجة الانصهار: قيست درجة انصهار النحاس الأصفر عن طريق سكب مصهوره في الماء، ثم قياس ارتفاع درجة حرارة الماء وحساب درجة حرارة المصهور الأولية اعتماداً على الحرارة النّوعية المعروفة للسبيكة أصلاً، غير أن نتائج هذه التجربة لم تكن دقيقة بدرجة كافية وذلك بسبب كثرة الأخطاء الواردة في هذه التجربة، وتختلف درجة انصهار سبائك النحاس الأصفر اعتماداً على نسب النحاس والزنك الموجودة فيها، حيث تترواح بين 900 - 940 درجة مئوية.
- الكثافة: تختلف كثافة سبائك النحاس الأصفر تبعاً لنسب العناصر الموجودة في كل سبيكة، وتبلغ القيمة المتوسطة لكثافة النحاس 8.3 غم/سم،
- فعالية النحاس في إبادة الجراثيم البكتيريّة: ظهر وباء المُكوِّرات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين (اختصاره: MRSA ) في أوائل ثمانيات القرن الماضي، وهو مرض جلدي ينتقل بشكل كبير بين أيدي العاملين في المستشفيات والمراكز الصحية، وقد كانت الأسطح المُغطاة بالفولاذ المقاوم للصدأ في ذلك الوقت بيئة مناسبة لنمو هذا النوع من البكتيريا، مما دفع المعنيين لاستبدال الفولاذ بالنحاس الأصفر، فيما أُجريت دراسة لتقييم تأثير النحاس الأصفر في التقليل من انتشار هذه المكورات بعد ذلك، فأظهرت النتائج قدرة الأخير على التقليل من الرواسب الملتصقة على النحاس الأصفر وتأثيره المضاد للبكتيريا.
- قدرة النحاس على التوصيل: تعد خاصيتا التوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي من الخصائص المميزة لمادة النحاس الأصفر، حيث تجعلانه خياراً مناسباً لاستخدامه في تصنيع المبادلات الحرارية، ويشار إلى أنّ النحاس الأصفر يزيد في توصيله الكهربائي عن النحاس بما نسبته 23-44%.
- لون النحاس: يُعرف النحاس الأصفر بلونه الذهبي اللامع عادة، إلّا أنّه قد يظهر باللون الذهبي المحمر أو الأبيض الفضي تبعاً لنسبة وجود النحاس والزنك في مادته، فعند زيادة نسبة النحاس يظهر باللون الوردي، في حين يظهر باللون الفضي عند زيادة نسبة الزنك.
- المرونة: يُعتبر النحاس الأصفر أكثر مرونة من البرونز والزنك.
- الاحتكاك: يُعرف النحاس الأصفر بمعامل احتكاك منخفض.
- الخصائص المغناطيسية: ليس للنحاس الأصفر أية خصائص مغناطيسية، مما يُسهّل فصله عن المعادن الأخرى عند إعادة التدوير.
- مقاومة التآكل: يُعرف النحاس بخصائصه المقاومة للتآكل، لا سيما التآكل الجلفاني الناتج عن تعرضه للمياه المالحة.
- القابلية للقولبة: يَسهل صب النحاس الأصفر في القوالب.
- الليونة: يُعتبر النحاس الأصفر معدناً ليناً قابلاً للتشكيل.
- خصائص أخرى: يُعرف النحاس الأصفر بامتلاكه خصائص صوتية معيّنة تجعل منه مادة مناسبة لاستخدامها في الآلات الموسيقية.
استخدامات النحاس الأصفر
تتعدد استخدامات النحاس الأصفر مما يجعله مادة موجودة في الكثير من المجالات، وفيما يأتي ذكر لبعضها:
- يُستخدم النحاس الأصفر في تغطية الأسطح كثيرة الاستخدام واللمس.
- يشيع استخدامه في عملية طلاء أسلاك الفولاذ الموجودة في إطارات السيارات؛ نظراً لقدرته على توفير قوة التصاق مناسبة بين الفولاذ والمطاط.
- يُستخدم في صناعة محرّكات السيارات عند إضافة بعض المواد الكيميائية التي تسمى بالمثبطات إليه.
- تُصنع منه مقابض الأبواب.
- يُستخدم في تزيين المباني من الداخل والخارج.
- يُستخدم في صناعة الآلات الموسيقية، وأنابيب المياه، والمسامير.
مقارنة بين النحاس والنحاس الأصفر والبرونز
قد يتشابه النحاس والنحاس الأصفر والبرونز في المظهر العام رغم وجود اختلافات تُذكر فيما يأتي:
| | النحاس | النحاس الأصفر | البرونز |
|---|
| التركيب | معدن أساسي (يتأكسد ويتآكل بسهولة)، يوجد بشكل طبيعي في الطبيعة ورمزه الكيميائي Cu. | سبيكة تحتوي على عنصري النحاس والخارصين بشكل أساسي وعلى الرصاص في كثير من الأحيان، بالإضافة إلى وجود بعض العناصر الأخرى مثل: الحديد ، والمنغنيز، والألمنيوم، والسيليكون ، أو عناصر أخرى | سبيكة تتكون من النحاس والقصدير في أغلب الأحيان، وقد تحتوي على عناصر أخرى مثل: المنغنيز، والفسفور ، والسيليكون، والألمنيوم |
| اللون | برتقالي مُحمر يتحول إلى اللون الأخضر عند تأكسده. | أصفر ذهبي، أو ذهبي محمر، أو فضي (اعتماداً على نسبة عنصري النحاس والزنك الموجودة في السبيكة). | بني مُحمر قاتم في أغلب الأحيان. |
| الخصائص | موصل جيد للحرارة والكهرباء، يتميز بليونته ومرونته وهو في صورته الخام، ويعتبر أسهل من النحاس الأصفر في عمليتي الصب والقولبة. | يعتبر أكثر مرونة من النحاس والزنك ولكنه أقل صلابة من الفولاذ، يتميّز بأنّه مقاوم للتأكسد، ويتكسر عند تعرّضه للأمونيا نتيجة الإجهاد، ويُعرف بأنّه ذو درجة انصهار منخفضة. | موصل جيد للحرارة والكهرباء فموصليته أعلى من موصلية الفولاذ، مقاوم للتآكل والتأكسد، قاسٍ، ومقاوم للضغط، و درجة انصهاره أعلى من درجة انصهار النحاس الأصفر. |
| الاستخدامات | يستخدم بشكل شاسع في صناعة المعدّات الكهربائية (مثل الأسلاك والمحركات) والآلات الصناعية (مثل المبادلات الحرارية)، كما يُستخدم في صناعة العملات المعدنية والبنادق، أما مركباته فتستخدم في عدة مجالات مثل: كبريتات النحاس التي تستخدم كسم زراعي وكمبيد للطحالب، ومحلول فهلنج الذي يستخدم ككاشف للسكر في الاختبارات الكيميائية. | يدخل في صناعة الآلات الموسيقية، وأنابيب المياه، والصمامات والأقفال، والأدوات والتجهيزات المستخدمة حول المتفجرات، وكذلك يستخدم في ديكورات المباني. | تُصنع منه التماثيل البرونزية، والأجراس، والمرايا، وأجزاء السفن المغمورة في المياه، والنوابض، والموصلات الكهربائية، والصنجات (آلة موسيقية). |
| تاريخ الاكتشاف | يعود إلى أكثر من 10000عام. | يعود تاريخ اكتشافه إلى ما يقارب 500 سنة قبل الميلاد. | يعود تاريخ اكتشافه إلى حوالي 3500 سنة قبل الميلاد. |
آلية تصنيع النحاس الأصفر
تتم عملية إنتاج النحاس الأصفر من خلال عمليات إعادة التدوير والمعالجة للخرداوات النحاسية، وذلك لأن استخدام النحاس والزنك الأوَّليّين في تصنيع النحاس الأصفر تعدُّ عملية غير مجدية اقتصادياً لما فيها من إهدار للمواد الخام، وفيما يأتي شرح مفصل لخطوات التصنيع:
- الصهر: تتم عملية الصهر من خلال ثلاث مراحل رئيسية كالآتي:
- تُصهر كمية محددة من خردة سبائك النحاس داخل فرن كهربائي عند درجة حرارة 1050 درجة مئوية.
- تُحدد كمية الزنك الموجودة في سبيكة الخردة لتعويض النقص منه؛ لإضافة كمية مناسبة منه بعد ذوبان النحاس، وفي أغلب الأحيان تتم إضافة كمية إضافية من الزنك (حوالي 50% من إجمالي الزنك المطلوب)؛ وذلك لتعويض الزنك المتبخر أثناء عملية الذوبان، ثم تضاف مواد أخرى إلى المصهور؛ لإنتاج تركيبات نحاسية معينة في حال عدم وجودها أصلاً في سبيكة الخردة.
- يُسكب الخليط المعدني المنصهر في القوالب ويترك ليتصلب على شكل ألواح، وفي بعض الأحيان تتم عمليتا الصهر والصب بشكل شبه مستمر لإنتاج ألواح طويلة جداً، وعندما تبرد بدرجة كافية يتم إزالتها من القوالب ونقلها إلى مواقع التخزين.
- الدلفنة على الساخن: تُسخّن الألواح داخل الفرن حتى تصل إلى درجة حرارة معينة اعتماداً على الشكل وخصائص مخزون النحاس، ثمّ تمرّر بعد ذلك بسلسلة من بكرات الفولاذ الأسطوانية للتقليل من سمك النحاس إلى حوالي 13 ملم وزيادة عرضه.
- طحن الشرائح النحاسية: تُمرّر الشرائح الناتجة بعد الانتهاء من عملية الدلفنة داخل مطحنة لطحنها إلى قطع صغيرة.
- التلدين والدلفنة على البارد: يُعرف التلدين بأنه نوع من المعالجة الحرارية التي تُطبّق على النحاس المدلفن على الساخن للتغيير من خصائصه الفيزيائية وجعله أقل صلابة وأكثر مرونة؛ وهو الأمر الذي يُسهِّل تشكيله وتطويعه، حيث يتم تسخين النحاس الأصفر داخل فرن محكم الإغلاق يحتوي على غاز النيتروجين أو أي غاز مناسب آخر؛ لمنع النحاس من التفاعل مع الأكسجين وتشكيل أكاسيد غير مرغوب فيها على سطحه، وتعتمد درجة الحرارة والوقت اللازم لتسخين النحاس على الخصائص والمكوّنات النهائية المطلوبة.
- بعد الانتهاء من عملية التلدين تُمرّر سلسلة أخرى من أسطوانات الفولاذ لتشكيل النحاس والتقليل من سمكه ليبلغ ما يقارب 2.5 ملم، وتتم هذه العملية عند درجات حرارة منخفضة (أقل من عملية الدلفنة على الساخن)، ويُشار إلى أنّه كلما قلّ سُمك الصفيحة أصبحت أكثر قوة وصلابة.
- تكرار عمليات التلدين والدلفنة على البارد: تُكرّر الخطوة السابقة عدة مرات حتى الوصول للسماكة والقوة ودرجة الصلابة المطلوبة، في حين يتم توصيل قطع النحاس معاً في صفيحة واحدة طويلة تُوضع داخل سلسلة من أفران التلدين وأسطوانات الدلفنة مرتبة في نمط أفعواني عمودي في بعض الأحيان.
- التقطيع: بعد الانتهاء من عملية الدلفنة على البارد تُقطّع ألواح النحاس الناتجة من كلا الجانبين للوصول إلى الأبعاد المطلوبة.
- التلدين النهائي: بعد الانتهاء من عملية التقطيع تُطبّق عملية تلدين أخيرة عند درجة حرارة 580 درجة مئوية لمدة تترواح بين 3-0.5 ساعة داخل أفران خاصة تسمى بأفران الحرق (بالإنجليزية: Muffle Furnaces)؛ لإزالة الإجهادات الداخلية الناتجة أثناء العمليات السابقة، والتي قد تتسب بالتشقق أو الكسر فيما بعد، بالإضافة إلى دور هذه العملية في تحسين بعض الخصائص الفيزيائية مثل الصلابة والليونة للمادة الناتجة.
- التنظيف والغسل بالحمض: عند الانتهاء من جميع المراحل السابقة، تُنظّف شرائط النحاس الأصفر من الزيوت والشحوم الملتصقة فيها ضمن الخطوات الآتية:
- تُغمس الشرائط داخل خزانات تحتوي على حمض الكبريتيك (H2SO4) المخفف بالماء بنسبة 5-10% : 90-95٪ لمدة خمس دقائق.
- تُغمس الشرائط داخل خزانات ماء باردة لمدة خمس دقائق، ثم تُغمر في خزانات ماء ساخن لخمس دقائق أخرى.
- توضع الشرائط داخل آلة تجفيف بالبخار لمدة عشر دقائق.
- مراقبة الجودة: تتم عملية مراقبة وتقييم جميع مراحل الإنتاج مثل فحص المكوّنات الكيميائية للمواد الخام وتعديلها قبل الذوبان، وتحديد أوقات التسخين والتبريد ومراقبة درجات الحرارة، وقياس سُمك الشرائط في كل خطوة، وبعد الانتهاء من عملية الإنتاج يتم اختبار عينات المنتج النّهائي للتأكد من مطابقته للمواصفات المطلوبة.
