เกรดและการแยกประเภทของทองเหลือง

การแบ่งเกรดและแยกคุณสมบัติของทองเหลือง

ทองเหลืองโลหะทรงคุณค่า

มนุษย์รู้จักทองเหลืองมาตั้งแต่ยุคก่อนประวัติศาสตร์ นานก่อนที่จะค้นพบธาตุสังกะสีด้วยซ้ำ การผลิตทองเหลืองนั้น อาศัยการหลอมละลายทองแดงกับแร่คาลาไมน์ ซึ่งเป็นสินแร่สังกะสีชนิดหนึ่ง ในกระบวนการนี้ สังกะสีจะถูกดูดออกมาจากคาลาไมน์ และผสมเข้ากับทองแดง สำหรับสังกะสีบริสุทธิ์นั้นไม่สามารถผลิตด้วยเทคนิคงานโลหะสมัยโบราณได้
ทองเหลืองนั้นมีสีเหลือง จึงมีลักษณะบางส่วนคล้ายทองคำ มีความต้านทานต่อการเกิดสนิมได้ดีพอสมควร จึงนิยมนำมาทำเป็นเครื่องประดับตกแต่งภายในบ้านเรือน
ในปัจจุบันยังมีเครื่องทองเหลืองให้พบเห็นในหลายรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็น ขันทองเหลือง พานทองเหลือง แจกันทองเหลือง กระทะทองเหลือง และ เครื่องใช้ เครื่องตกแต่งทำด้วยทองเหลือง อีกมากมาย
ทองเหลืองนั้นเป็นโลหะผสมที่มีทองแดงและสังกะสีเป็นส่วนประกอบหลัก ปริมาณของสังกะสีนั้นแปรเปลี่ยนไป ระหว่าง 5 - 45 เปอร์เซนต์ ทำให้ได้ทองเหลืองที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่แตกต่างกันไปทองเหลืองแตกต่างจากสำริดตรงที่ สำริดมีส่วนประกอบของทองแดงและดีบุกเป็นหลัก แต่ทองเหลืองบางชนิดก็ถูกเรียกว่า "สำริด" ก็มี

คุณสมบัติเชิงกลของทองเหลือง
สังกะสีมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงกลของทองแดง โดยเพิ่มทั้งความแข็ง ความเหนียว และความแข็งให้กับทองแดง ในช่วงที่สังกะสีสามารถละลายให้สารละลายของแข็งในทองแดง แต่เมื่อเลยพิกัดการเป็นสารละลายของแข็งไปแล้ว สังกะสีจะให้สารประกอบเชิงโลหะกับทองแดง ซึ่งจะมีความแข็งและเปราะ ในช่วงนี้ความแข็งแรงกับความเหนียวจะค่อยๆลดลง แต่คงจะเพิ่มแต่ความแข็งเท่านั้น

คุณสมบัติของทองเหลือง
ผิวแวววาว
มีความแข็งสูง
ทนต่อแรงกระแทกได้ดี
ทนต่อการกัดกร่อนได้สูง
มีจุดหลอมเหลวไม่สูง
สามารถทำขึ้นได้ในระดับครัวเรือนที่ไม่ต้องใช้เทคโนโลยีที่ซับซ้อน
การใช้งานทนทาน

 ประโยชน์ทองเหลือง

ประโยชน์ทองเหลือง
ทองเหลืองมีคุณสมบัติเป็นโลหะที่มีความแวววาว สวยงาม และทนต่อการเกิดสนิมได้ดี นิยมตีขึ้นรูปหรือหล่อเป็นเครื่องเรือน เครื่องใช้ เครื่องประดับหรืออุปกรณ์ต่างๆ ได้แก่
เครื่องเรือน เครื่องใช้ในครัวเรือน อาทิ ขัน พาน แจกัน และกระทะ เป็นต้น
อาวุธ ยุทโธปกรณ์ อาทิ ปลอกกระสุน หอก ดาบ เป็นต้น
พระพุทธรูป เครื่องราง เหรียญ และเงินตรา
อุปกรณ์ก่อสร้าง อาทิ ท่อน้ำ ก๊อกน้ำ วาล์ว ชิ้นส่วนปั๊มน้ำ เกลียว และน็อต เป็นต้น
ส่วนประกอบของบรรจุภัณฑ์ อาทิ ขวดน้ำหอม และปอกลิปสติก เป็นต้น
สายไฟ และส่วนประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
เครื่องประดับ อาทิ กำไรข้อมือ แหวน ต่างหู เป็นต้น
เครื่องดนตรี อาทิ กระดิ่ง ฉิ่ง ฉาบ ขิก และกระพรวน เป็นต้น

ในอุตสาหกรรมผลิตทองเหลืองทั่วๆไป จะแยกมาตรฐานออกไปสองกลุ่ม คือ ประเภทรีดเป็น แท่ง หรือเป็นแผ่น (Wrought copper alloys) กับอีกกลุ่มหนึ่งจะเป็นประเภทหล่อ (Cast copper) ซึ่งทั้งสองกลุ่มจะแยกชั้นคุณภาพ จะหารายละเอียดได้จากคู่มือ ASTM หรือ JIS ในการศึกษาเกี่ยวกับคุณสมบัติเชิงกล มักจะกล่าวถึงชื่อทองเหลืองที่รู้จักและใช้งานกันอยู่เป็นประจำซึ่งมีอยู่ไม่มากนัก คือ

1. Gilding Metal ใช้สังกะสีผสมไม่เกิน 5% (95CU-5Zn) ถูกใช้สำหรับทำเหรียญ

2. Commercial Bronze ใช้สังกะสีผสม 10% (90CU-10Zn) ถูกใช้สำหรับทำเหรียญ มีคุณสมบัติ และถูกนำไปใช้เหมือนกับ Gilding Metal

3. Jewelry Bronze ใช้สังกะสีผสม 12.5% (87.5CU-12.5Zn) นิยมแปรรูปเป็นเครื่องประดับ

4. Red Brass หรือทองเหลืองแดง ใช้สังกะสีผสม 15% (85CU-15Zn) นิยมแปรรูปเป็นเครื่องประดับ ท่อสายไฟ และท่อในเครื่องควบแน่น

5. Low Brass ใช้สังกะสีผสม 20% (80CU-20Zn) นิยมแปรรูปเป็นส่วนประกอบบรรจุภัณฑ์น้ำหอม เหรียญ และเครื่องดนตรี

6. Cartridge Brass ใช้สังกะสีผสม 30% (70CU-30Zn) นิยมแปรรูปเป็นปลอกกระสุน และท่อ

7. Yellow Brass ใช้สังกะสีผสม 35% (65CU-35Zn) เป็นทองเหลืองที่มีสีเหลืองจัด มีคุณสมบัติ และนำไปแปรรูปคล้ายกับ Cartridge Brass

8. Munts Metal ใช้สังกะสีผสม 40% (60CU-40Zn) เป็นทองเหลืองที่มีความแข็งแรงสูง นำไปใช้งานในสภาพที่มีความร้อนสูงได้ดี

ทองเหลืองนั้นมีความยืดหยุ่นสูงกว่าทองแดงหรือสังกะสี จุดหลอมเหลวที่ค่อนข้างต่ำของทองเหลือง (900 ถึง 940 องศาเซลเซียส 1,650 ถึง 1,720 องศาฟาเรนไฮต์ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของส่วนผสม) และลักษณะการไหลของวัสดุทำให้เป็นวัสดุที่ค่อนข้างหล่อง่าย ด้วยการเปลี่ยนแปลงสัดส่วนของทองแดงและสังกะสีสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของทองเหลืองให้ทองเหลืองแข็งและอ่อน ความหนาแน่นของทองเหลืองอยู่ที่ 8.4 ถึง 8.73 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (0.303 ถึง 0.315 ปอนด์ / ลูกบาศ์ก)

ข้อดีของทองเหลืองที่มีต่ออุตสาหกรรม
ข้อดีของทองเหลืองที่มีต่ออุตสาหกรรม ทั้งผลิตภัณฑ์ทองเหลืองชนิดแผ่นและผลิตภัณฑ์ทองเหลืองชนิดข้อต่อและตัววาล์วที่มีขนาดและคุณสมบัติต่างๆ กันนั้น สามารถนำไปใช้สำหรับเครื่องจักรผลิตชิ้นส่วนรถยนต์ อุปกรณ์ไฟฟ้า ชิ้นส่วนอิเล็คทรอนิคส์ การผลิตกุญแจ บานพับประตู และป้ายต่างๆ เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีการนำทองเหลืองมาทำเป็นอุปกรณ์อื่นๆ เช่น ท่อทองเหลือง ข้อต่อทองเหลืองวาล์วทองเหลืองที่นำไปใช้ในระบบนิวเมติกส์ เครื่องสุขภัณฑ์ เครื่องฉีดยาฆ่าแมลง และอุตสาหกรรมยานยนต์ สามารถใช้ผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ได้ หลากหลาย และเป็นวัตถุดิบในอุตสาหกรรมยานยนต์ ที่นำทองเหลืองไปผลิตหม้อน้ำรถยนต์ อุตสาหกรรมเครื่องใช้ไฟฟ้า ที่นำทองเหลืองไปเป็นชิ้นส่วนไฟฟ้า  ใช้ผลิตขาปลั๊กไฟ คัทเอาท์ สวิตซ์ไฟ สายเคเบิ้ล Connector อุตสาหกรรมผลิต เช่น ตัววาล์วนิวเมติกส์ ข้อต่อและวาล์วต่างๆ ในระบบนิวเมติกส์และไฮดรอลิก

ชนิด และส่วนผสมทองเหลือง
ในอุตสาหกรรมผลิตทองเหลืองจะแยกมาตรฐานทองเหลืองออกเป็น 2 กลุ่ม คือ
1. ทองเหลืองรีดเป็นแท่งหรือเป็นแผ่น (Wrought Copper Alloys)
2. ทองเหลืองรีดเป็นประเภทหล่อ (Cast copper) 

ส่วนการแยกชนิดทองเหลืองตามส่วนผสม ได้แก่

1. Alpha brassเป็นทองเหลืองที่มีส่วนผสมของทองแดงมากกว่า 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 เปราะแตกง่ายกว่าทองเหลืองเฟส alpha จะมีระบบผลึกเป็น FCC ละลายสังกะสีได้สูงสุด 39% ที่อุณหภูมิ 454 ºC และละลายได้ลดลงเป็น 33% ที่อุณหภูมิ 150 ºC ทั้งนี้ ทองเหลืองของเฟส alpha จะมีสีแดงถึงสีเหลืองที่เหมือนทองคำได้ ก็ต่อเมื่อละลายสังกะสีในอัตราส่วนในช่วง 10-20%

2. Alpha-Beta brassเป็นทองเหลืองที่มีส่วนผสมของทองแดงระหว่าง 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
อุณหภูมิสำหรับตีขึ้นรูปร้อน 625-750 ◦C
อุณหภูมิสำหรับใช้หลอมเหลว 890-900 ◦C
ความแข็งแรง (Tensile Strength) ≤ 340 kg/mm2
อัตราการยึดตัว (Elongation) ≤ 20%
ความแข็ง (Hardness) ≤ 75 HB

ปริมาณสังกะสีกับความแข็งแรงของทองเหลือง
สังกะสีมีคุณสมบัติต่อการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของทองเหลืองโดยตรง อาทิ สี ความแข็ง ความเหนียว และความแข็งแรง หากละลายสังกะสีในช่วงหนึ่ง คือ ไม่เกิน 61% จะได้เป็นสารละลายของของแข็ง แต่หากละลายสังกะสีมากกกว่านี้ จะได้เป็นสารประกอบเชิงซ้อน ซึ่งมีคุณสมบัติแข็ง แต่มีความเปราะสูง แตกหรือเกิดรอยร้าวง่าย เพราะมีความเหนียวลดลง

 

 

ปริมาณสังกะสีกับความแข็งแรงของทองเหลือง

นอกจาก ทองเหลืองที่ได้จากการผสมกับสังกะสีแล้ว ยังมีทองเหลืองอีกหลายชนิดที่ได้จากการผสมกับโลหะอื่น ได้แก่

ทองเหลืองตะกั่ว (Lead Brass)ไม่มีส่วนผสมที่ตั้งใจใส่เข้าไปในทองเหลืองโดยตรง แต่อาจติดมาจากสังกะสีโดยไม่รู้นั่นเอง ซึ่งตะกั่วนั้นก็จะมีคุณสมบัติในการช่วยให้การไหลตัวของน้ำโลหะดีขึ้น ทั้งมีความต้านทานแรงดึง มีความเหนียวเหมาะกับการขึ้นรูป

ทองเหลืองดีบุก (Tin Brass)ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อน และสามารถต้านทางแรงดึงได้มากขึ้นพบว่ามีการใช้งานโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานในน้ำทะเล (นาวิกโยธิน)

ทองเหลืองอลูมิเนียม (Aluminum Brass) อลูมิเนียมทำให้ทองเหลืองแข็งแรงและทนต่อการกัดกร่อนมากขึ้น อลูมิเนียมยังเป็นสาเหตุให้ชั้นอลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) เป็นชั้นที่เป็นประโยชน์อย่างมากที่จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวที่บางและโปร่งใสและสามารถรักษาตัวเองได้ โดยอลูมิเนียมจะช่วยเพิ่มความสามารถในการต้านทานต่อการกัดกร่อนให้กับทองเหลือง และช่วยลดการสูญเสียโลหะสังกะสีในการหลอมได้เป็นอย่างดี

ทองเหลืองซิลิกอน (Silicon Brass)การรวมกันของเหล็กอลูมิเนียมซิลิคอนและแมงกานีสทำให้ทนต่อการสึกหรอและการสึกหรอของทองเหลือง

-เหล็กและแมงกานีส มีคุณสมบัติช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับทองเหลือง ซึ่งส่วนใหญ่แล้วก็จะนิยมผสมเข้าไปในทองเหลืองประเภท ทองเหลืองต้านแรงดึงสูง

ความแตกต่างระหว่าง ทองเหลืองและสแตนเลส
ธาตุตั้งตั้นของ ทองเหลืองและสแตนเลส
ทองเหลือง = ทองแดง+สังกะสี ค่าความแข็งแรง tensile strength = 280-480 Mpa         
สแตนเลส = เหล็ก+นิเกิล ค่าความแข็งแรง tensile strength  = 304 ราว 640  Mpa

ถ้าดูจากความแข็งของธาตุตั้งต้นแล้ว  ความแข็งก็ต้องยกให้สแตนเลสซึ่งเป็นเหล็กชนิดหนึ่ง
มีทั้งกลุ่มออสเทนนิติก ตระกูล 3xx เช่น 304,316 ทำ heat treatment ไม่ได้ แม่เหล็กไม่ดูด
316 ทนการเป็นสนิมและการกัดกร่อนได้ดีกว่า 304 304 ดีที่ถูก
เฟอริติกและมาร์เทนซิติก ตระกูล 4xx พวกนี้แข็ง  ทำ heat treatment ได้ แม่เหล็กดูดได้
เกรด 17-4 PH ใช้ทำเฟือง ซึ่งส่วนผสมจะเป็นตัวกำหนดเกรดของสเตนเลส  ซึ่งก็แล้วแต่ว่าเราจะเอาไปใช้งานในรูปแบบใด

ส่วนทองเหลือง  เกิดจากการเอาทองแดงมาผสมกับสังกะสี  ซึ่งความแข็ง ความเหนียวจะมากน้อยก็ขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ของสังกะสีที่ผสมลงไป ซึ่งถ้าเปรียบไปแล้วทองเหลืองอ่อนกว่า ลื่นกว่า  ลดการเสียดสีได้ดีกว่า แต่ทนทานต่อการผุกร่อนมากกว่า  ยกตัวอย่างการใช้ประโยชน์ของทองเหลือง  เช่น  การนำไปใช้งานทำบูชในงานเครื่องจักรก็เพราะว่าชิ้นส่วนเครื่องจักรส่วนมากเป็นเหล็กถ้าเอาเหล็กไปทำบูชส่วนที่เสียดสีกันจะสึกทั้ง 2 ชิ้น เลยต้องเอาทองเหลืองมาทำบูชเพราะบังคับให้ทองเหลืองสึกอย่างเดียว หรือบางที่ก็นำไปใช้เป็นค้อนตอกงาน โดยเอาแท่งทองเหลือวางก่อนแล้วเอาค้อนตอกบนแท่งทองเหลืองเพราะชิ้นงานจะไม่ได้รับความเสียหายแต่เป็นทองเหลืองจะบี้เอง และถ้าใช้เป็นค้อนทองเหลืองตอกแล้วจะไม่ค่อยเกิดสะเก็ดไฟ  จึงเป็นประโยชน์ในการป้องกันการเกิดอุบัติเหตุอย่างการระเบิด หรือลุกไหม้ได้อีกด้วย

ทองเหลืองกับสิ่งแวดล้อม
ทองเหลืองมีความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมค่อนข้างสูง โดยถูกผลิตขึ้นมาด้วยกระบวนการที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพที่สุด จึงไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม และยังสามารถใช้งานควบคู่ไปกับธรรมชาติได้เป็นอย่างดีอีกด้วย  โดยทุกวันนี้เกือบ 90% ของโลหะผสมทองเหลืองทั้งหมดถูกนำกลับมาใช้ใหม่ เนื่องจากทองเหลืองไม่มีความเป็น ferromagnetic จึงสามารถแยกเศษเหล็กออกได้โดยการส่งเศษเหล็กไปยังแม่เหล็กที่มีกำลังสูง เศษทองเหลืองถูกเก็บรวบรวมและขนย้ายไปยังโรงหล่อที่ซึ่งมีการหลอมละลายและแปรรูปเป็นชิ้นเล็ก ๆ บิวทิลจะถูกให้ความร้อนและอัดขึ้นรูปและขนาดที่ต้องการ ความนุ่มนวลทั่วไปของทองเหลืองหมายความว่าสามารถใช้เครื่องตัดได้โดยไม่ต้องใช้ของเหลวตัดแม้ว่าจะมีข้อยกเว้นอยู่ก็ตาม นอกจากนี้ทองเหลืองก็เป็นตัวช่วยที่ดีในเรื่องของสุขภาพด้วย โดยการนำทองเหลืองมาทำเป็นลูกบิดประตูหรือราวบันไดเพราะจะไม่มีเชื้อโรคหรือแบคทีเรียเกาะอยู่นั่นเอง จึงมั่นใจได้เลยว่าเมื่อจับลูกบิดหรือจับราวบันได จะไม่มีเชื้อโรคร้ายเกาะติดอยู่ให้ต้องกังวล
นอกจากทองเหลืองจะเป็นโลหะที่มีความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแล้ว ทองเหลืองก็สามารถนำมาทำให้มีสีสันและรูปทรงต่างๆที่สวยงามได้ตามต้องการอีกด้วย แถมยังให้ความรู้สึกอบอุ่นและสามารถคงความแข็งแกร่งไว้ได้เป็นอย่างดี จึงไม่ต้องแปลกใจเลยว่าทำไมทองเหลืองจึงเป็นที่นิยม และมักจะถูกนำมาใช้ในงานสถาปัตยกรรมและมัณฑนศิลป์บ่อยๆ

Cr.
-ศูนย์สร้างสรรค์งานออกแบบ, 2551, Creative Thailand สร้างเศรษฐกิจไทยด้วยความคิดสร้างสรรค์.
-บุญมี นากรณ์, 2533, การเกิดสนิมของทองเหลืองและทองสัมฤทธิ์.
-อัญญารัตน์ ประสันใจ, การพัฒนาส่วนผสมของโลหะเติมทองเหลือง
-
สำหรับงานเชื่อมประกอบชิ้นส่วน.
-ดวงฤดี ศุภติภัสโร, 2553, โลหะวิทยาฟิสิกส์.
-พรชัย ขจรรุ่งเรือง, 2550, การศึกษาสัดส่วนของช่องครีบแม่พิมพ์ทุบขึ้นรูปร้อนวัสดุทองเหลือง CuZn40Pb2.
-wikipedia