เป็นโลหะผสมระหว่างทองแดงกับสังกะสี โดยสังกะสีสามารถละลายในทองแดงให้สารละลายของแข็ง (solid solution) ได้สูงถึง 39 % และถ้าผสมสังกะสีมากกว่านี้จะได้สารประกอบเชิงโลหะระหว่างทองแดงกับสังกะสีหลายชนิด ซึ่งมีผลทำให้ความแข็งแรง ความแข็ง ความเหนียวและสมบัติทนการกัดกร่อน ตลอดจนสีของทองเหลืองเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณของสังกะสีที่ผสม
ทองเหลืองที่ใช้งานกันเป็นประจำมักมีชื่อเรียกต่างกันไป เช่น
ทองเหลืองที่ผสมสังกะสีไม่เกิน 5 % มีชื่อเรียกทางการค้าว่า glinding metal ใช้ทำเหรียญ
ทองเหลืองที่ผสมสังกะสี 10 % เรียก commercial bronze มีสมบัติและการใช้งานคล้ายคลึงกับ glinding metal
ทองเหลืองที่ผสมสังกะสี 12.5 % เรียก jewelry bronze หรืองทองเหลืองทำเครื่องประดับ
ทองเหลืองที่ผสมสังกะสี 15 % เรียก red brass
ทองเหลืองที่ผสมสังกะสี 30% เรียก cartridge brass หมายถึง ทองเหลืองที่ใช้ทำปลอกกระสุนปืน เป็นต้น
Detail: ทองเหลือง (Brass) คือ โลหะผสมของทองแดง โดยมีสังกะสีเป็นธาตุผสมหลัก มักจะมีธาตุอื่นผสมอยู่อีก เพื่อช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพให้ดีขึ้น แต่ทั้งนี้ปริมาณของธาตุผสมอื่น ๆ ต้องมีไม่มากเกินไป จนส่งผลสืบเนื่องต่อสมบัติทางกายภาพและทางกลของโลหะผสม มากกว่าผลสืบเนื่องของสังกะสีที่มีต่อโลหะ
ปริมาณสังกะสีในทองเหลืองมีตั้งแต่จำนวนเล็กน้อยไปจนถึงมากกว่า 40% โดยน้ำหนัก สีของทองเหลืองจะแปรเปลี่ยนไปตามปริมาณของสังกะสีที่ผสมอยู่ ถ้าปริมาณสังกะสีมีน้อยโลหะจะออกเป็นสีแดงชมพู ถ้าสังกะสีมากโลหะจะออกเป็นสีเหลืองและเหลืองซีดลงตามลำดับ
สังกะสีในทองเหลืองทำให้ทองเหลืองมีสมบัติการต้านแรงดึงและความเหนียวสูงขึ้น ความแข็งจะสูงกว่าทองแดงมาก สมบัตินี้จะดีขึ้นเรื่อย ๆ ตามปริมาณของสังกะสีที่เพิ่มขึ้น แต่เมื่อปริมาณสังกะสีมีมากเกินไป โดยเฉพาะเมื่อมากกว่า 40% เราพบว่าความเหนียวของโลหะจะลดลงมาอย่างมากจนไม่เหมาะสำหรับใช้งาน ดังนั้น ทองเหลืองในงานวิศวกรรมจึงมีพิกัดขั้นสูงของปริมาณสังกะสีไม่เกิน 40%
ทองเหลืองที่มีสังกะสีประมาณ 30% โดยน้ำหนักเป็นทองเหลืองที่มีความแข็งแรงและความเหนียวสูงมากที่สุด จึงเป็นส่วนผสมของทองเหลืองที่ได้รับความนิยมใช้งานมากที่สุด
จุดอ่อนที่สำคัญของทองเหลือง คือ ทองเหลืองไม่ค่อยมีความทนทานต่อการผุกร่อน เมื่อปริมาณสังกะสียิ่งมากขึ้น โอกาสที่จะเกิดการกัดกร่อนกับโลหะก็ยิ่งมีมากขึ้น ทองเหลืองจะผุกร่อนได้เร็วมากเมื่อสัมผัสกับน้ำทะเล
ดังนั้น เราจึงนิยมผสมธาตุอื่น ๆ เข้าไปในทองเหลือง ทั้งนี้เพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการผุกร่อนให้กับทองเหลือง และเพื่อผลประโยชน์อื่น ๆ อีก ธาตุที่นิยมใช้ผสมเข้าในทองเหลืองได้แก่ ตะกั่ว ดีบุก นิกเกิล อะลูมิเนียม แมงกานีส ซิลิคอนและเหล็ก เป็นต้น
ผลของธาตุต่าง ๆ ในทองเหลือง
1. ตะกั่ว อาจแปลกปนเข้าในทองเหลือง เนื่องจากติดเข้ามากับสังกะสีที่ใช้ผสมกับทองแดง ปกติตะกั่วพวกนี้จะไม่เกิน 0.5% โดยน้ำหนัก และเรียกโลหะนี้ว่าเป็นทองเหลืองที่ไม่มีตะกั่ว (Non-leaded Brass) แต่ถ้าปริมาณตะกั่วมีมากกว่า 0.5% เรียกโลหะนี้ว่าเป็นทองเหลืองที่มีตะกั่ว (Leaded Brass)
ตะกั่วในทองเหลืองช่วยให้สมบัติการไหลของทองเหลืองดีขึ้น ทองเหลืองนี้จะง่ายต่อการหล่อหลอม ดังนั้นในชิ้นงานหล่อ (Cast Alloys) ของทองเหลืองทั่วไปจึงมีตะกั่วผสมอยู่มาก ตะกั่วยังเพิ่มสมบัติการกลึงไสให้กับทองเหลืองได้อย่างมากด้วย จนมีชื่อเรียกว่า ทองเหลืองกลึงไสเสรี (Free-Cutting Brass, 58 Cu- 39 Zn- 3 Pb) อย่างไรก็ตาม สมบัติการต้านแรงดึงและความเหนียวของทองเหลืองจะลดลง เมื่อปริมาณตะกั่วเพิ่มจำนวนมากขึ้น ด้วยเหตุนี้ ชิ้นงานขึ้นรูปของทองเหลืองจึงมักมีตะกั่วผสมอยู่ไม่มากนักเหมือนในชิ้นงานหล่อ
2. ดีบุก ในทองเหลืองมีได้เพียงเล็กน้อยและโดยปกติไม่เกิน 6% เพราะถ้ามีมาก ดีบุกจะให้ผลสืบเนื่องต่อโลหะมากกว่าผลสืบเนื่องของสังกะสีที่มีต่อทองเหลือง ซึ่งถ้าเป็นกรณีเช่นนี้เราจะไม่เรียกโลหะว่าเป็นทองเหลืองแต่จะเรียกว่าบรอนซ์แทน ซึ่งจะได้กล่าวในหัวข้อต่อไป
ดีบุกช่วยเพิ่มสมบัติการต้านแรงดึง พิกัดการคืนรูป (Elastic Limit) รีไซเลียน (Resilience) เพิ่มสมบัติการทนทานต่อการล้าให้กับทองเหลือง นอกจากนี้ดีบุกยังช่วยเพิ่มสมบัติการไหลของโลหะทำให้โลหะหล่อหลอมง่าย และยังมีความทนทานต่อการผุกร่อนดี สามารถใช้ทำชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่ต้องสัมผัสน้ำทะเลได้ เช่น Naval Brass (60 Cu- 39.25 Zn- 0.75 Sn) และ Admiral Brass (71 Cu- 28 Zn- 1 Sn)
3. นิกเกิล เมื่อผสมนิกเกิลจำนวนเล็กน้อยเข้าในทองเหลืองจะมีผลในการเพิ่มกำลังวัสดุ และความทนทานต่อการผุกร่อนให้กับทองเหลืองได้อย่างดีมาก เช่น ทองเหลืองนิกเกิล (Nickel Brass 65 Cu- 18 Ni- 17 Zn) แต่เมื่อผสมนิกเกิลจำนวนมากและพอเหมาะกับปริมาณของสังกะสี จะมีผลทำให้โลหะเปลี่ยนเป็นสีขาวคล้ายเงิน เรียกว่า นิกเกิลเงิน (Silver Nickel)
4. อะลูมิเนียม แมงกานีส ซิลิคอนและเหล็ก ธาตุเหล่านี้มักจะถูกผสมร่วมเข้าในทองเหลือง (อาจไม่ครบทั้ง 4 ธาตุ) ทั้งนี้เพื่อเพิ่มกำลังวัสดุของทองเหลืองให้สูงขึ้นได้มาก จนมีชื่อเรียกว่าทองเหลืองต้านแรงดึงสูง (High-tensile Brass)
ธาตุเหล่านี้ยังทำให้เกรนของทองเหลืองละเอียด และเพิ่มความต้านทานต่อการผุกร่อน เชื่อมต่อกันได้ง่าย ปกติปริมาณของธาตุเหล่านี้ในทองเหลืองมีรวมกันอยู่ระหว่าง 2-7% ส่วนผสมของแต่ละธาตุมักจะใกล้เคียงกัน (ยกเว้นแมงกานีส)
แมงกานีสจำนวนเพียงเล็กน้อยจะให้ผลในการเพิ่มกำลังวัสดุของทองเหลืองได้มาก จนถึงกับเรียกทองเหลืองที่มีแมงกานีสผสมอยู่นี้ว่าบรอนซ์แมงกานีส (Manganese Bronze)
วิธีการหล่อ แบบขี้ผี้งหายหรือการแทนที่ขี้ผี้ง (Lost wax Nethod) ซี่งจะใช้ในการหล่อเครื่อง ทองเหลือง
การหล่อแบบขี้ผี้งหาย
กระบวนการผลิตเครื่องทองเหลือง มีลักษณะเฉพาะที่สืบทอดกันมา แต่สมัยโบราณ โดยใช้กรรมวิธีการแทนที่หรือที่เรียกว่าขี้ผี้งหาย (Lost wax Method) บางทีก็เรียกการหล่อแบบแทนที่ขี้ผี้ง โดยมีหลักการที่ว่าเมื่อขี้ผี้งที่ขี้นรูปแกะลวดลาย ตามต้องการแล้วถูกความร้อนก็จะละลายไปในแบบดินที่โอบด้วยขี้ผี้ง จะทำให้เกิดช่องว่าง ระหว่างพิมพ์ ซี่งยังคงรูปแบบและลวดลายไว้ ช่องว่างนั้นจะถูกแทนที่ด้วยส่วนผสมของ ทองเหลืองที่หลอมเหลวจนเต็ม ปล่อยให้เย็นแล้วกระเทาะแบบพิมพ์ออก จากนั้นนำ ผลิตภัณฑ์ทองเหลืองที่ได้ไปตกแต่ง ปัจจุบันก็ยังนิยมใช้วิธีการนี้กันอยู่ ไม่ว่าจะเป็นการ เททองหล่อพระพุทธรูปหรือการหล่องานศิลปะอุตสาหกรรม เนื่องจากสามารถผลิตได้ เป็นจำนวนมากตามความต้องการ
alpha-beta brass (ทองเหลืองแอลฟา-บีตา)
โลหะผสมระหว่างทองแดงกับสังกะสี ซึ่งมีสังกะสีประมาณ 38-46% (โดยปกติประมาณ 40%) ทำให้มีโครงสร้างจุลภาคแบบแอลฟาและบีตาผสมอยู่ด้วยกัน
alpha-brass (ทองเหลืองแอลฟา)
โลหะผสมระหว่างทองแดงกับสังกะสี ซึ่งมีสังกะสีไม่เกิน 38% เป็นสารละลายของแข็งของสังกะสีในทองแดงและมีโครงสร้างผลึกแบบ fcc เหมือนทองแดง
aluminium brass (ทองเหลืองอะลูมิเนียม)
ทองเหลืองซึ่งผสมอะลูมิเนียมลงไปเพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน ปริมาณอะลูมิเนียมที่เติมอยู่ในช่วงประมาณ 1-6% โดยน้ำหนัก
aluminum brass (ทองเหลืองอะลูมินัม)
ทองเหลืองซึ่งผสมอะลูมิเนียมลงไปเพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน ปริมาณอะลูมิเนียมที่เติมอยู่ในช่วงประมาณ 1-6% โดยน้ำหนัก
base metal (1.โลหะหลัก 2.โลหะฐาน 3.โลหะไร้สกุล)
1.โลหะหลัก : โลหะที่มีจำนวนมากที่สุด เมื่อเทียบเป็นอัตราส่วนของทั้งหมดของโลหะผสมนั้น เช่น ทองแดง เป็นโลหะหลักในทองเหลือง
2.โลหะฐาน : โลหะที่ถูกบัดกรี ตัด หรือเชื่อม
3.โลหะทั่วไปทีเกิดปฏิกิริยาได้ง่าย
beta brass (ทองเหลืองบีตา)
โลหะผสมทองแดง-สังกะสี ซึ่งสังกะสีประมาณ 46-49% และมีสารประกอบอินเทอร์เมทัลลิกที่เรียกว่า เฟสบีตา ที่อุณหภูมิห้อง
brass (ทองเหลือง)
โลหะผสมที่ประกอบด้วยทองแดง (มากกว่าร้อยละ 50) สังกะสี และมีธาตุอื่นๆ ผสมอยู่เล็กน้อย
Video clip : Video Clip 1 Video Clip 2
cartridge brass (ทองเหลืองคาทริจด์)
ทองเหลืองชนิดที่ใช้ทำปลอกกระสุนปืน
silicon brass (ทองเหลืองซิลิคอน)
โลหะผสมระหว่างทองแดง (ประมาณ 60%) สังกะสี (ประมาณ 40%) และซิลิคอน ซิลิคอนที่เติมลงไป (ประมาณ 1%) จะช่วยเพิ่มความแข็งแรง และความต้านทานต่อออกซิเดชันและการสึกหรอ
An alloy of nominally 60% copper 40% zinc to which up to about 1% of silicon is added to give improved strength with increase resistance to oxidation and wear. [Colin D. Brown, Dictionary of Metallurgy, p.204]
tin-nickel (ผิวดีบุก-นิกเกิล)
ผิวของทองเหลืองซึ่งเคลือบด้วยโลหะดีบุกและนิกเกิล เพื่อป้องกันการกัดกร่อนและทำให้มีความลื่น
Tobin bronze (บรอนซ์โทบิน)
โลหะทองเหลืองชนิดแอลฟา-บีตาหรือโลหะมุนซ์ (Muntz metal) มีส่วนผสมเป็นทองแดง 59-62 % ดีบุก 0.5-1.5 % และส่วนที่เหลือจะเป็นองค์ประกอบของสังกะสี ใช้ในงานที่ต้องทนทานต่อการกัดกร่อนของน้ำทะเล
tungsten bronze (ทองเหลืองทังสเตน)
โลหะผสมความหนาแน่นสูง ที่มีองค์ประกอบหลักเป็นโลหะผสมทังสเตนที่มีนิกเกิลประมาณร้อยละ 6 –7% รวมทั้งองค์ประกอบที่เป็นทองแดงหรือเหล็กอีกประมาณร้อยละ 3-4% โลหะผสมชนิดนี้มีความอ่อนตัว และทำการตกแต่งได่ง่าย