Ορείχαλκος

Ο ορείχαλκος είναι κράμα χαλκού–ψευδαργύρου που χρησιμοποιείται από την ελληνιστική εποχή μέχρι τις ημέρες μας σε πάρα πολλές εφαρμογές, μεταξύ άλλων και στην κατασκευή πνευστών μουσικών οργάνων (τα γνωστά «χάλκινα»).

Ο ορείχαλκος στην αρχαιότητα

Ο ορείχαλκος αναφέρεται σε ορισμένα αρχαία ελληνικά κείμενα, αλλά δεν είναι εξακριβωμένο κατά πόσο ο όρος αυτός ανταποκρίνονταν πράγματι σε κράμα χαλκού–ψευδαργύρου.

Ο Ησίοδος αναφέρει ότι ο Ηρακλής φορούσε κνημίδες από ορείχαλκο: «Ὣς εἰπὼν κνημῖδας ὀρειχάλκοιο φαεινοῦ, / Ἡφαίστου κλυτὰ δῶρα, περὶ κνήμῃσιν ἔθηκεν» (Ησίοδος, Ἀσπὶς Ἡρακλέους, στ. 122–123). Σε έναν Ομηρικό ύμνο, αναφέρεται ότι η Αφροδίτη φορούσε σκουλαρίκια από ορείχαλκο και χρυσό: «ἐν δὲ τρητοῖσι λοβοῖσιν / ἄνθεμ' ὀρειχάλκου χρυσοῖό τε τιμήεντος» (Ὁμηρικοὶ ὕμνοι, 6, Εἲς Ἀφροδίτην, στ. 8–9).

Ο Πλάτων στον Κριτία λέει οι κάτοικοι της μυθικής Ατλαντίδας γνώριζαν τον «ἐκ γῆς ὀρυττόμενον» ορείχαλκο, που έλαμπε σαν φωτιά («πυρώδης») και ήταν το πιο πολύτιμο μέταλλο μετά τον χρυσό. Στο ίδιο κείμενο αναφέρεται πως τα τείχη της ακρόπολης και το εσωτερικό του ναού του Ποσειδώνα στην Ατλαντίδα ήταν επενδυμένα με ορείχαλκο (Πλάτων, Κριτίας, 114e, 116b-d, 119d). Οι αναφορές στην αξία του μετάλλου, που στην εποχή του Κριτία δεν υπήρχε πλέον, οδηγεί πολλούς στο συμπέρασμα πως ο ορείχαλκος του Πλάτωνα ήταν μάλλον κάποιο μυθικό υλικό ή κάποιο κράμα χαλκού–χρυσού. Άλλωστε, στην αρχαία Κόρινθο παρασκεύαζαν κράματα χαλκού με διαφορετικές αποχρώσεις, ένα εκ των οποίων το ονόμαζαν «ἡπατίζον» επειδή το χρώμα του ήταν σκοτεινό ερυθρό σαν συκώτι (αρχ. ελλ.: ἥπαρ) (Πλίνιος ο Πρεσβύτερος, Historia Naturalis, 34.8).

Ο Στράβων, που έζησε στα ελληνιστικά χρόνια, είναι ο πρώτος που αναφέρει τον ψευδάργυρο ως μέταλλο που παρασκευάζονταν με «απόσταξη» μεταλλεύματος στην περιοχή της ΒΔ Μικράς Ασίας κοντά στην Τροία, καθώς και τον ορείχαλκο ως κράμα χαλκού και ψευδάργυρου που παρασκευάζονταν με σύντηξη των δύο μετάλλων (Στράβων, Γεωγραφία, βιβλίο XIII, 1.56).

Ο ορείχαλκος αναφέρεται επίσης σε ιουδαϊκά κείμενα της ελληνιστικής εποχής καθώς και στο βιβλίο Περὶ θαυμασίων ἀκουσμάτων, που αποδίδεται σε άγνωστο μιμητή του Αριστοτέλη. Στο τελευταίο, αναφέρεται πως ορείχαλκος παρασκευάζονταν στην Μαύρη θάλασσα με την αναγωγή μεταλλευμάτων χαλκού μαζί με καδμεία. Η καδμεία ήταν είτε καλαμίνα, δηλαδή μετάλλευμα σμισθονίτη (ZnCO₃) και ημιμορφίτη (Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O) είτε οξείδια του ψευδαργύρου (ZnO με προσμίξεις οξειδίων του σιδήρου) που σχηματίζονταν σε χώρους καμίνευσης μεταλλευμάτων χαλκού, μολύβδου ή κασσίτερου.

Σύσταση και ιδιότητες

Η περιεκτικότητα του ορείχαλκου σε ψευδάργυρο καθορίζει και τις ιδιότητες του μετάλλου. Για περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο έως και 35% κ.β. περίπου, η φάση που δημιουργείται είναι ο α-Cu, δηλ. ένα στερεό διάλυμα Zn εντός Cu. Για περιεκτικότητα 32–39% κ.β. Zn, η φάση α συνυπάρχει με την φάση β, ενώ για περιεκτικότητα μεγαλύτερη από 39% κ.β. Zn δημιουργείται και η φάση γ, που είναι εύθραυστη.

Το χρώμα του ορείχαλκου αλλάζει επίσης αναλόγως με την περιεκτικότητά του σε ψευδάργυρο. Όταν η περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο είναι χαμηλή, ο ορείχαλκος έχει ένα καφεκόκκινο χρώμα που πλησιάζει το κεραμιδί χρώμα του χαλκού. Για περιεκτικότητα σε Zn περίπου 30% κ.β., ο ορείχαλκος έχει το χρώμα του χρυσού, αλλά, για ακόμα πιο υψηλή περιεκτικότητα σε Zn, το χρώμα του γίνεται και πάλι καφεκόκκινο.

Οι ορείχαλκοι με Zn < 35% κ.β. (ορείχαλκοι α) παρουσιάζουν καλή μηχανική αντοχή και καλή αντοχή στην διάβρωση. Οι ορείχαλκοι με 32% κ.β. < Zn < 39% κ.β. (ορείχαλκοι α+β) έχουν ακόμα καλύτερη μηχανική αντοχή, μεγαλύτερη ελαστικότητα και μεγαλύτερη ολκιμότητα, αλλά κάπως μειωμένη αντοχή στην διάβρωση σε σύγκριση με τους ορείχαλκους α. Οι ορείχαλκοι με Zn > 39% κ.β. (ορείχαλκοι β) παρουσιάζουν μεγάλη μηχανική αντοχή, αλλά είναι ευκατέργαστοι μόνον εν θερμώ· σε χαμηλές θερμοκρασίες έχουν μικρή ολκιμότητα.

Ποιότητες και χρήσεις

Κοινές ποιότητες

Ο ορείχαλκος χρησιμοποιείται σε πάρα πολλές εφαρμογές: στην παραγωγή βαλβίδων και τριβείων (ρουλεμάν), στην παραγωγή σωλήνων χωρίς ραφή και άλλων εξαρτημάτων ύδρευσης, στην κατασκευή όπλων και εξαρτημάτων μηχανών, στην κατασκευή πνευστών μουσικών οργάνων, κ.ά. Οι πιο κοινοί ορείχαλκοι είναι οι εξής:

* ορείχαλκος επιχρύσωσης (αγγλ., gilding 95%): Zn = 5,0% κ.β.

* εμπορικός μπρούντζος (αγγλ., commercial bronze): Zn = 10,0% κ.β.

* μπρούντζος κοσμηματοποιίας (αγγλ., jewelery bronze): Zn = 12,5% κ.β.

* ερυθρός ορείχαλκος (αγγλ., red brass): Zn = 15,0% κ.β.

* ορείχαλκος καλύκων (αγγλ., cartridge brass): Zn = 30,0% κ.β.

* μέταλλο Muntz (αγγλ., Muntz metal): Zn = 40,0% κ.β.

Ορείχαλκοι με περιεκτικότητα σε Zn > 15% κ.β., όταν βρεθούν σε στάσιμα όξινα νερά, παθαίνουν διάβρωση με αποψευδαργύρωση: ο περιεχόμενος ψευδάργυρος διαλύεται και το παραμένον μέταλλο γίνεται πορώδες και εύθραυστο. Ο ορείχαλκος επίσης παθαίνει εργοδιάβρωση όταν βρίσκεται υπό μηχανική καταπόνηση σε περιβάλλον που περιέχει αμμωνία, αμίνες ή υδράργυρο.

Η αποψευδαργύρωση αντιμετωπίζεται με την προσθήκη κασσίτερου στο κράμα. Οι κασσιτερούχοι ορείχαλκοι περιέχουν 2&ndash40% κ.β. Zn και 0,2–3,0% κ.β. Sn. Κασσιτερούχος ορείχαλκος είναι, π.χ., ο ορείχαλκος του Ναυαρχείου ή ναυτικός ορείχαλκος (αγγλ., admiralty brass/naval brass) περιέχει 30–40% κ.β. Zn και 1% κ.β. Sn. Επίσης, με προσθήκη μαγγανίου, βελτιώνεται η αντοχή του ορείχαλκου στην διάβρωση, γι' αυτό και μαγγανιούχοι ορείχαλκοι βρίσκουν εφαρμογή σε ναυπηγικές χρήσεις, π.χ. στην χύτευση προπελών.

Συχνά στους ορείχαλκους προστίθεται και μόλυβδος σε πολύ μικρό ποσοστό (< 3,5% κ.β.). Ο μόλυβδος δεν διαλύεται στις κύριες φάσεις του ορείχαλκου, αλλά δημιουργεί μικρά κατακρημνίσματα στα όρια των κρυστάλλων. Η παρουσία των κατακρημνισμάτων μολύβδου κάνει τον ορείχαλκο πιο ευκατέργαστο σε μηχανουργικές κατεργασίες.

Οι πυριτιούχοι ορείχαλκοι είναι ορείχαλκοι α φάσης (Zn < 20% κ.β.) στους οποίους έχει γίνει προσθήκη πυριτίου έως 6% κ.β. Οι ορείχαλκοι αυτοί είναι εξαιρετικά μεγάλης αντοχής και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πολύ ανθεκτικών βαλβίδων.

Μπρούντζος, ορείχαλκος και κρατέρωμα

Ο ορείχαλκος συγχέεται πολύ συχνά με τον μπρούντζο ή κρατέρωμα, που είναι κατά βάση κράμα χαλκού–κασσίτερου. Στα ελληνικά, ο όρος μπρούντζος ή μπρούτζος χρησιμοποιείται συχνά αδιακρίτως για ορείχαλκους και για κρατερώματα. Αλλά η ίδια σύγχυση υπάρχει και στα αγγλικά, όπου το κρατέρωμα αποκαλείται bronze και ο ορείχαλκος αποκαλείται brass.

Για παράδειγμα, ο «εμπορικός μπρούντζος» και ο «μπρούντζος κοσμηματοποιίας» δεν είναι κρατερώματα αλλά ορείχαλκοι (βλ. παραπάνω). Tο «αρχιτεκτονικό κρατέρωμα» (αγγλ., architectural bronze) είναι επίσης ορείχαλκος με 40% κ.β. Zn και 3% κ.β. Pb.

Αντιθέτως, ένα κρατέρωμα υψηλής αντοχής (10–14% κ.β. Sn, 2–3% κ.β. Zn, 0–0,8% κ.β. P), το οποίο χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν για την κατασκευή πυροβόλων όπλων, ονομάζεται συχνά στα αγγλικά «ερυθρός ορείχαλκος» (red brass) δημιουργώντας έτσι σύγχυση με τον κοινό ερυθρό ορείχαλκο, που περιέχει 15% κ.β. Zn. (Το κρατέρωμα «ερυθρός ορείχαλκος» αποκαλείται επίσης και «μέταλλο όπλων» (αγγλ., gunmetal), οπότε αποφεύγεται η σύγχυση.)

Τα κράματα του χαλκού παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία χρωμάτων. C11000: Χαλκός Cu 99,9%. C22000: Εμπορικός μπρούντζος, 90% (Cu 90%, Zn 10%). C23000: Ερυθρός ορείχαλκος, 85% (Cu 85%, Zn 15%). C26000: Ορείχαλκος καλύκων, 70% (Cu 70%, Zn 30%). C28000: Μέταλλο Muntz, 60% (Cu 60%, Zn 40%). C38500: Αρχιτεκτονικός μπρούντζος (Cu 57%, Pb 3%, Zn 40%). C65500 Μπρούντζος υψηλού πυριτίου A (Cu 97%, Si 3%). C74500: «Άργυρος» νικελίου 65-10 (Cu 65%, Ni 10%, Zn 25%). C70600: Χαλκονικέλιο (Cu 90%, Ni 10%) )(*).

Η σύγχυση ανάμεσα στον ορείχαλκο και τον μπρούντζο ή κρατέρωμα οφείλεται στο γεγονός ότι οι μεταλλουργοί διακρίνουν τα δύο μεταλλικά υλικά όχι τόσο με βάση την σύσταση, αλλά περισσότερο με βάση το χρώμα. Γενικότερα στην αγορά, ορείχαλκοι αποκαλούνται τα κράματα χαλκού με χρυσοκίτρινο χρώμα, ενώ μπρούντζοι ή κρατερώματα αποκαλούνται τα κράματα χαλκού με καφεκόκκινο χρώμα.

Τυποποίηση

Η τυποποιημένη κατά UNS αρίθμηση των ορείχαλκων είναι C1xxxx–C4xxxx και C66400–C69800.

Βιβλιογραφία

* J. R. Davis et al. (editors), Metals Handbook, vol. 2, Properties of Non-ferrous Alloys,10th edition, ASM International, Materials Park, Ohio, USA, pp. 216–402.

* Copper Development Association, "Brasses", 2007 (;).

Εξωτερικές συνδέσεις

* Χαλκόρ ΑΕ, «Ορείχαλκος» (φυσικές και μηχανικές ιδιότητες διαφόρων ποιοτήτων).

* Copper Development Association UK, "For Information on Copper and Copper Alloys" (Αγγλικά) (εξαιρετική πηγή πληροφοριών).