ทองเหลือง (Brass)

ทองเหลือง (Brass)

ทองเหลือง (Brass) เป็นโลหะผสมที่มีทองแดงและสังกะสีเป็นส่วนประกอบหลัก ปริมาณของสังกะสีนั้นแปรเปลี่ยนไป ระหว่าง 5% – 45% ทำให้ได้ทองเหลืองที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่แตกต่างกันไป ทองเหลืองแตกต่างจากสำริดตรงที่ สำริดมีส่วนประกอบของทองแดงและดีบุกเป็นหลัก แต่ทองเหลืองบางชนิดก็ถูกเรียกว่า "สำริด" ก็มี

ทองเหลืองยังเคยเป็นโลหะที่เชื่อกันว่าแข็งแกร่งที่สุดในยุคสำริดและความเชื่อนี้ยังตกทอดมาถึงปัจจุบัน กลายเป็นโลหะในตำนานที่ชื่อว่าโอริคัลคุมซึ่งเป็นคำศัพท์ภาษาละตินที่มาจากภาษากรีก ορείχαλκος (ออเรอิฆัลคอส) ซึ่งแปลว่า "ทองเหลือง"

ทองเหลืองนั้นมีสีเหลือง จึงมีลักษณะบางส่วนคล้ายทองคำ มีความต้านทานต่อการเกิดสนิมได้ดีพอสมควร จึงนิยมนำมาทำเป็นเครื่องประดับตกแต่งภายในบ้านเรือน

มนุษย์รู้จักทองเหลืองมาตั้งแต่ยุคก่อนประวัติศาสตร์ นานก่อนที่จะค้นพบธาตุสังกะสีด้วยซ้ำ การผลิตทองเหลืองนั้น อาศัยการหลอมละลายทองแดงกับแร่คาลาไมน์ ซึ่งเป็นสินแร่สังกะสีชนิดหนึ่ง ในกระบวนการนี้ สังกะสีจะถูกดูดออกมาจากคาลาไมน์ และผสมเข้ากับทองแดง สำหรับสังกะสีบริสุทธิ์นั้นไม่สามารถผลิตด้วยเทคนิคงานโลหะสมัยโบราณได้

ในปัจจุบันยังมีเครื่องทองเหลืองให้พบเห็นในหลายรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็น ขันทองเหลือง พานทองเหลือง แจกันทองเหลือง กระทะทองเหลือง และ เครื่องใช้ เครื่องตกแต่งทำด้วยทองเหลือง อีกมากมาย

ในอุตสาหกรรมผลิตทองเหลืองทั่วๆไป จะแยกมาตรฐานออกไปสองกลุ่ม คือ ประเภทรีดเป็น แท่ง หรือเป็นแผ่น (Wrough copper alloys) กับอีกกลุ่มหนึ่งจะเป็นประเภทหล่อ (Cast copper) ซึ่งทั้งสองกลุ่มจะแยกชั้นคุณภาพ

ส่วนการแยกชนิดทองเหลืองตามส่วนผสม ได้แก่
1. Alpha brass
เป็นทองเหลืองที่มีส่วนผสมของทองแดงมากกว่า 61% มีโครงสร้างเป็นสารละลายของของแข็ง (solid solution) ระหว่างทองแดงกับสังกะสี และอาจมีสารอื่นแทรกฝังอยู่เพียงเล็กน้อย หรือเรียกว่า phase alpha ทองเหลืองประเภทนี้สามารถขึ้นรูปเย็นได้ง่าย แบ่งออกเป็น 2 กลุ่มย่อย คือ
– ทองเหลืองสีเหลือง ใช้สังกะสีผสม 20-36% เป็นทองเหลืองที่มีความแข็งแรง มีความเหนียว และอ่อนตัวสูง เหมาะสำหรับการขึ้นรูปเย็น
– ทองเหลืองสีแดง ใช้สังกะสีผสม 5-20% % เป็นทองเหลืองที่ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าชนิดสีเหลือง แต่ความแข็งแรง ความเหนียว และความอ่อนตัวจะต่ำกว่า เปราะแตกง่ายกว่า

ทองเหลืองเฟส alpha จะมีระบบผลึกเป็น FCC ละลายสังกะสีได้สูงสุด 39% ที่อุณหภูมิ 454 ºC และละลายได้ลดลงเป็น 33% ที่อุณหภูมิ 150 ºC ทั้งนี้ ทองเหลืองของเฟส alpha จะมีสีแดงถึงสีเหลืองที่เหมือนทองคำได้ ก็ต่อเมื่อละลายสังกะสีในอัตราส่วนในช่วง 10-20% 

2. Alpha-Beta brass
เป็นทองเหลืองที่มีส่วนผสมของทองแดงระหว่าง 54-61% หรือผสมสังกะสีประมาณ 39-46% โครงสร้างประกอบด้วย grain ของ phase alpha และ beta ทองเหลืองประเภทนี้สามารถขึ้นรูปร้อนได้ง่าย

เฟส Beta จะมีโครงสร้างผลึกเป็นแบบ BCC ที่เป็นผลมาจากปฏิกิริยาเพอริเทกติกระหว่างเฟส alpha กับสารละลายโลหะ ที่อุณหภูมิประมาณ 460 ºC โครงสร้างของผลึกจะเรียงตัวไม่เป็นระเบียบ แต่หากอุณหภูมิลดลง โครสร้างจึงจะเรียงตัวเป็นระเบียบมากขึ้น และโลหะทองเหลืองของเฟส Beta จะมีความแข็งแรง หากใช้อุณหภูมิต่ำกว่า 600 ºC %

ทองเหลืองที่เหมาะสำหรับงานตีขึ้นรูปร้อน ได้แก่ CuZn40Pb2 ซึ่งเป็นส่วนผสมระหว่าง ทองแดง (Cu) ในช่วง 57-59%, ตะกั่ว (Pb) ในช่วง 1.5-2.5% และสังกะสี (Zn) แปรเปลี่ยนตามอัตราส่วนทั้งสอง

ทองเหลือง CuZn40Pb2 มีคุณสมบัติทางฟิสิกส์ และทางกล คือ ^[5]
– อุณหภูมิสำหรับตีขึ้นรูปร้อน 625-750 ◦C
– อุณหภูมิสำหรับใช้หลอมเหลว 890-900 ◦C
– ความแข็งแรง (Tensile Strength) ≤ 340 kg/mm2
– อัตราการยึดตัว (Elongation) ≤ 20%
– ความแข็ง (Hardness) ≤ 75 HB

จะหารายละเอียดได้จากคู่มือ ASTM หรือ JIS ในการศึกษาเกี่ยวกับคุณสมบัติเชิงกล มักจะกล่าวถึงชื่อทองเหลืองที่รู้จักและใช้งานกันอยู่เป็นประจำซึ่งมีอยู่ไม่มากนัก คือ

·       ทองเหลืองที่ผสมสังกะสีไม่เกิน 5% มีชื่อเรียกทางการค้าว่า Gilding metal ใช้ทำเหรียญ

·       ทองเหลืองที่ผสมสังกะสี 10% เรียก Commercial bronze หรือบรอนซ์ทางการค้า คุณสมบัติใช้ งานคล้ายคลึงกับ Gilding metal

·       ทองเหลืองผสมสังกะสี 12.5% เรียก Jewerlry bronze หรือทองเหลืองทำเครื่องประดับ

·       ทองเหลืองผสมสังกะสี 15% เรียก Red Brasses หรือทองเหลืองแดง

·       ทองเหลืองผสมสังกะสี 30% เรียก Cartridge brass หมายถึงทองเหลืองที่ใช้ทำปลอกกระสุน ปืน ทำท่อที่ต้องอาศัยการอัดขึ้นรูป (Extrusion)

·       ทองเหลืองผสมสังกะสี 35% เรียก Yellow brass หมายถึงทองเหลืองที่มีสีค่อนข้างเหลืองจัด คุณสมบัติและการใช้งานใกล้เคียงกับ Cartrige brass

·       ทองเหลืองผสมสังกะสี 40% เรียก Munts Metal คำว่า Muntz เป็นชื่อทางการค้า

คุณสมบัติเชิงกลของทองเหลือง

สังกะสีมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงกลของทองเหลือง โดยเพิ่มทั้งความแข็ง ความเหนียว และความแข็งให้กับทองแดง ในช่วงที่สังกะสีสามารถละลายให้สารละลายของแข็งในทองแดง แต่เมื่อเลยพิกัดการเป็นสารละลายของแข็งไปแล้ว สังกะสีจะให้สารประกอบเชิงโลหะกับทองแดง ซึ่งจะมีความแข็งและเปราะ ในช่วงนี้ความแข็งแรงกับความเหนียวจะค่อยๆลดลง แต่คงจะเพิ่มแต่ความแข็งเท่านั้น

ข้อดีของทองเหลืองต่ออุตสาหกรรม

ผลิตภัณฑ์ทองเหลือง สามารถนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมได้อย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะการนำมาประกอบกับเครื่องจักรเพื่อใช้ในการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ของรถยนต์ และอุปกรณ์สำคัญอื่นๆ อีกมากมาย ทั้งสามารถนำมาทำเป็นอุปกรณ์เครื่องใช้ อย่างท่อทองเหลือง หรือข้อต่อทองเหลืองได้อีกด้วย นอกจากนี้ทองเหลือง ก็สามารถนำมาใช้เป็นวัตถุดิบในอุตสาหกรรมยานยนต์และอุตสาหกรรมการผลิตได้เป็นอย่างดี ซึ่งก็จะเห็นได้ว่าทองเหลืองมีบทบาทสำคัญในภาคอุตสาหกรรมเป็นอย่างมาก ทั้งสามารถสร้างรายได้ให้กับภาคอุตสาหกรรมได้ดี

ทองเหลืองกับสิ่งแวดล้อม

สำหรับใครที่กังวลว่าทองเหลืองจะเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมหรือไม่นั้น ขอบอกเลยว่าไม่ เพราะทองเหลืองมีความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมค่อนข้างสูง โดยถูกผลิตขึ้นมาด้วยกระบวนการที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพที่สุด จึงไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม และยังสามารถใช้งานควบคู่ไปกับธรรมชาติได้เป็นอย่างดีอีกด้วย นอกจากนี้ ทองเหลืองก็สามารถนำมาหมุนเวียนใช้ใหม่ได้อย่างไม่เปล่าประโยชน์ ด้วยการนำทองเหลืองมาหลอมและขึ้นรูปใหม่เพื่อใช้งานต่อไปนั่นเอง นอกจากนี้ทองเหลืองก็เป็นตัวช่วยที่ดีในเรื่องของสุขภาพด้วย โดยการนำทองเหลืองมาทำเป็นลูกบิดประตูหรือราวบันไดเพราะจะไม่มีเชื้อโรคหรือแบคทีเรียเกาะอยู่นั่นเอง จึงมั่นใจได้เลยว่าเมื่อจับลูกบิดหรือจับราวบันได จะไม่มีเชื้อโรคร้ายเกาะติดอยู่ให้ต้องกังวล

และนอกจากทองเหลืองจะเป็นโลหะที่มีความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแล้ว ทองเหลืองก็สามารถนำมาทำให้มีสีสันและรูปทรงต่างๆที่สวยงามได้ตามต้องการอีกด้วย แถมยังให้ความรู้สึกอบอุ่นและสามารถคงความแข็งแกร่งไว้ได้เป็นอย่างดี จึงไม่ต้องแปลกใจเลยว่าทำไมทองเหลืองจึงเป็นที่นิยม และมักจะถูกนำมาใช้ในงานสถาปัตยกรรมและมัณฑนศิลป์บ่อยๆ

ผลของธาตุต่างๆ ที่อยู่ในทองเหลือง

• นิกเกิล จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความทนทานต่อการกัดกร่อนให้กับทองเหลือง จึงทำให้ทองเหลืองมีคุณสมบัติที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น และนำมาใช้ในงานที่ต้องการคุณสมบัติต้านการกัดกร่อนได้ดี อีกทั้งเมื่อผสมนิกเกิลให้เท่ากับปริมาณของสังกะสี ก็จะทำให้ทองเหลืองเปลี่ยนเป็นสีขาวเหมือนเงิน จึงถูกเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า นิกเกิลเงิน
• เหล็กและแมงกานีส มีคุณสมบัติช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับทองเหลือง ซึ่งส่วนใหญ่แล้วก็จะนิยมผสมเข้าไปในทองเหลืองประเภท ทองเหลืองต้านแรงดึงสูง
• ตะกั่ว ไม่มีส่วนผสมที่ตั้งใจใส่เข้าไปในทองเหลืองโดยตรง แต่อาจติดมาจากสังกะสีโดยไม่รู้นั่นเอง ซึ่งตะกั่วนั้นก็จะมีคุณสมบัติในการช่วยให้การไหลตัวของน้ำโลหะดีขึ้น ทั้งมีความต้านทานแรงดึง มีความเหนียวเหมาะกับการขึ้นรูป
• อะลูมิเนียม จะช่วยเพิ่มความสามารถในการต้านทานต่อการกัดกร่อนให้กับทองเหลือง และช่วยลดการสูญเสียโลหะสังกะสีในการหลอมได้เป็นอย่างดี
• ดีบุก ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อน และสามารถต้านทางแรงดึงได้มากขึ้น

ทองเหลือง เป็นโลหะที่มีความแข็งแกร่งและสามารถต้านทานต่อการกัดกร่อนได้ดี ทั้งยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม จึงทำให้ทองเหลืองได้รับความนิยมในการนำมาใช้งานเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะในภาคอุตสาหกรรมจำพวกอุตสาหกรรมยานยนต์และอุตสาหกรรมการผลิต ซึ่งก็จะเห็นได้ว่าทองเหลืองเป็นโลหะที่มีความสำคัญและมีบทบาทต่อวงการการผลิตมาก