مقالات علمی فرآیندهای آبکاری

Bronze Characteristics and Uses

Bronze is an alloy of copper which can vary widely in its composition.  It is often used where a material harder than copper is required, where strength and corrosion resistance is required and for ornamental purposes.  The variations in bronze (both in proportion and elemental composition) can significantly affect its weathering characteristics.  “True” bronze is a combination of approximately 90% copper (Cu) and 10% tin (Sn), however there are three major classes or types of  “bronzes” used in sculpture and construction.

ویژگیهای برنز و کاربرهای آن

برنز آلیاژی از مس است که ترکیب آن می تواند به طور گسترده ای متفاوت باشد. عموما در مواردی که به فلزی سخت تر از مس نیاز باشد، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی مطرح باشد و همچنین برای اهداف زینتی از برنز استفاده می شود. تغییرات در برنز (هم در نسبت عناصر و هم ترکیب آنها) می تواند به طور قابل توجهی بر خواص خوردگی آن تاثیر بگذارد. برنز "واقعی" ترکیبی از حدود 90٪ مس (Cu) و 10٪ قلع (Sn) است، با این حال سه نوع یا سه دسته اصلی "برنز" در مجسمه سازی و ساخت و ساز وجود دارد.

They are:

1.   Statuary Bronze – approximately 97% copper (Cu), 2% tin (Sn) and 1% zinc (Zn); this composition is the closest to “true” bronze.

2.   Architectural Bronze – actually more of a “leaded brass”, is commonly composed of approximately 57% copper (Cu), 40% zinc (Zn) and 3% lead (Pb).

3.   Commercial Bronze – composed of approximately 90%  copper (Cu) and 10% zinc (Zn).

آنها عبارتند از:

1. برنز مجسمه سازی- تقریبا 97٪ مس (Cu)، 2٪ قلع (Sn) و 1٪ روی (Zn)؛ این نزدیکترین ترکیب به برنز "واقعی" است.

2. برنز معماری - در واقع "برنج حاوی سرب" است، معمولا از حدود 57٪ مس (Cu)، 40٪ روی (Zn) و 3٪ سرب (Pb) تشکیل شده است.

3. برنز تجاری - متشکل از حدود 90٪ مس (Cu) و 10٪ روی (Zn).

Traditionally, a copper alloy which contains zinc is a “brass”; a copper alloy which contains tin (not exceeding 11%) is a “bronze”. Bronze composition may vary significantly however, and contemporary bronzes are typically copper alloys which may contain silicon (Si), manganese (Mn), aluminum (Al), zinc (Zn) and other elements, with or without tin (Sn).

به طور سنتی، آلیاژ مس و روی " برنج" است؛ آلیاژ مس حاوی قلع (کمتر از 11٪) برنز است. با این حال ترکیب برنز به طور قابل توجهی متفاوت است، و برنز امروزی به طور معمول آلیاژهای مس است که ممکن است حاوی سیلیکون (Si)، منگنز (Mn)، آلومینیوم (َAl)، روی (Zn) و دیگر عناصر با و یا بدون قلع (Sn) باشند.

Bronze in its “raw” state is a “pinkish”, salmon colored metal, however it is rarely seen in its pure state.  Bronze usually exhibits some patination or corrosion so that its color normally ranges from lime green to dark brown.  Exposed bronze undergoes continuous change and progresses through several predictable “stages” of oxidation and corrosion.  The stages of bronze corrosion vary in duration and time of onset, based on many factors, including:

برنز در حالت "خام" یک فلز رنگی "صورتی" است (به رنگ ماهی سالمون)، اما به ندرت در حالت خالص آن دیده می شود. برنز معمولا کمی پتینه شدن یا خوردگی را نشان می دهد که باعث می شود رنگ آن معمولا از سبز فسفری تا قهوه ای تیره باشد. برنز در معرض آسیب تحت تغییر مداوم و پیشرفت در چند مرحله "اکسیداسیون و خوردگی" قابل پیش بینی قرار دارد. این مراحل خوردگی برنز در طول زمان و زمان شروع آن با توجه به عوامل متعددی متغیر است که از جمله میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1.   composition of the bronze

2.   patination or other protective treatments applied at the foundry

3.   weather

4.   location and exposure to rain, sun, and other climatic conditions

5.   atmospheric pollutants

6.   scheduled maintenance/cleaning, and

7.   adjacent materials including residual core materials.

1- ترکیب برنز

2- پتینه کردن یا سایر روشهای حفاظتی که در ریخته گری بکار گرفته می شود.

3- آب وهوا

4- محل و قرار گرفتن در معرض باران، خورشید و دیگر شرایط آب و هوایی

5- آلودگیهای جوی

6- تمیز کردن و نگهداری برنامه ریزی شده

7- همجواری با موادی مانند باقی مانده مواد هسته

TYPICAL USES

Statuary bronze is typically used in outdoor sculpture.  Its forms are almost limitless since it may be cast in any shape for which a mold can be devised.  The most common types of forms include the human figure, landscapes, battle scenes, animals, weapons, decorative elements such as stars, rosettes, etc., and plaques.

کاربردهای متداول

برنز مجسمه سازی معمولا در مجسمه سازی و برای نصب در فضای باز استفاده می شود. اشکال آن تقریبا بدون محدودیت هستند، زیرا ممکن است در هر شکلی که بتوان قالب طراحی کرد ریخته گری شود. معمولترین انواع اشکال آن پیکره انسان، مناظر، صحنه های نبرد، حیوانات، سلاح ها، عناصر تزئینی مانند ستارگان، گل و بوته و پلاک ها  و غیره است.

Architectural bronze is typically used for:

1.   door and window frames

2.   door and window hardware

3.   mail boxes and chutes

4.   trim or rails, and

5.   furniture hardware.

برنز معماری به طور معمول برای موارد زیر استفاده می شود:

1. قاب درب و پنجره

2. قسمتهای سخت درب و پنجره

3. صندوق های پستی و ناودانها

4. ریلها و

5. قسمتهای سخت مبلمان.

As a general rule, architectural applications seek to preserve the natural, highly polished “pinkish” finish of raw bronze, in contrast to the patination of outdoor sculpture/ornament.  This is achieved by the frequent polishing and oiling of bronze/brass decorative and structural elements, or their protection by the application of clear lacquers which must be renewed on a periodic basis.

به عنوان یک قاعده کلی، کاربردهای معماری برخلاف پتینه شدن مجسمه های فضای باز به دنبال حفظ طبیعت، جلای "صورتی" برنز خام است. این امر به وسیله شستشوی مکرر و روغنکاری عناصر تزئینی و ساختاری برنز / برنج و یا حفاظت آنها از طریق استفاده از لاک های روشن کننده که باید به صورت دوره ای تمدید شود، به دست می آید.

Problems and Deterioration

Bronze has good resistance to:

1. Industrial, rural and marine atmospheres
2. Weak acids if suitably shielded with appropriate protective coatings.

Bronze has poor resistance to:

1. Ammonia
2. Ferric and ammonia compounds
3. Cyanides
4. Urban pollution
5. Acid rains
6. Bird droppings

Problems may be classified into two broad categories: 1) Natural or inherent problems based on the characteristics of the material and the conditions of the exposure, and 2) Vandalism and human- induced problems.

Although there is some overlap between the two categories, the inherent material deterioration problems generally occur gradually over long periods of time, at predictable rates and require appropriate routine or preventive maintenance to control. Conversely, many human induced problems, (especially vandalism), are random in occurrence; can produce catastrophic results; are difficult to prevent, and require emergency action to mitigate. Some human induced problems, however, are predictable and occur routinely.

مشکلات و بدتر شدن

برنز دارای مقاومت خوبی در برابر:

1. آب و هوای صنعتی، روستایی و دریایی

2. اسیدهای ضعیف اگر بخوبی با پوشش های محافظ مناسب پوشانده شده باشند، دارد.

برنز مقاومت ضعیفی در برابر موارد زیر دارد:

1. آمونیاک

2. ترکیبات آهن و آمونیاک

3. سیانیدها

4. آلودگی شهری

5. بارانهای اسیدی

6. فضولات پرندگان

مشکلات مربوط به برنز ممکن است به دو دسته گسترده تقسیم بندی شوند: 1) مشکلات طبیعی یا ذاتی که مبتنی بر خصوصیات ماده و شرایط قرار گرفتن در معرض آسیب های احتمالی  2) مشکلات ناشی از خربکاری انسان.

هرچند که بعضا همپوشانیهایی بین دو دسته وجود دارد، مشکلات حاد ذاتی مواد معمولا به طور تدریجی در مدت زمان طولانی و با سرعتهای قابل پیش بینی رخ می دهد و نیاز به نگهداری روزمره یا فرایندهای پیشگیرانه مناسب برای کنترل دارند. برعکس، بسیاری از مشکلات ناشی از رفتارهای انسانی (به ویژه خرابکاری)، تصادفی هستند؛ که می تواند نتایج فاجعه بار ایجاد کند؛ و جلوگیری از آن دشوار است و برای مقابله با اقدامات اضطراری نیاز است. با این حال، برخی از مشکلات ناشی از رفتارهای انسانی قابل پیش بینی هستند و به طور مرتب رخ می دهند.

Natural or Inherent Problems

Bronze, like cast iron, is a manufactured product. Copper is extracted from natural ores and alloyed with tin to create a metal which does not exist in nature. Many of the inherent problems relate to the normal physical process of the bronze "returning to nature", i.e. to the most stable states of its components.

Additionally, most outdoor bronze is erected with a foundry applied patina of some type. The actual surface patina could be one of dozens of different composites as a result of the foundry applied finishes. Each of these finishes may react differently with the environment and result in different corrosion types and rates.

Regardless of which finish exists, the bronze will begin the deterioration process described below, where the surface will be subjected to the alteration of the patina through oxidation and sulfurization. Patinated and protected surfaces will resist the effects of exposure more than bare metal; therefore, such pieces will maintain their original appearance longer and exhibit changes more slowly.

مشکلات طبیعی یا ذاتی

برنز، مثل چدن، یک محصول تولید شده است (بصورت طبیعی وجو ندارد). مس از سنگ های طبیعی استخراج شده و با قلع آلیاژ می شود تا فلزی ایجاد کند که در طبیعت وجود ندارد. بسیاری از مشکلات ذاتی مربوط به فرآیند فیزیکی طبیعی برنز «بازگشت به طبیعت»  یعنی به حالت پایدارترین اجزای آن است.

علاوه بر این، بیشتر برنزی که در فضای باز استفاده می شود با استفاده از پاتیناژ ریخته گری ساخته شده است. پتینه سطح می تواند یکی از هزاران ترکیبی باشد که توسط ریخته گری ایجاد می شود. هر یک از این ساختارها ممکن است با محیط زیست واکنش نشان دهند و باعث ایجاد نوع و میزان خوردگی مختلف شوند.

صرفنظر از اینکه چه پوششی روی سطح باشد، فرآیند تخریب برنز که در زیر توضیح داده شده است آغاز خواهد شد، جایی که سطح آن از طریق اکسیداسیون و سولفوریزاسیون تغییر می یابد. سطوح پتینه شده و محافظت شده نسبت به فلز بدون لایه هنگامی که در معرض آسیب قرار می گیرند مقاومت بیشتری خواهند کرد. بنابراین، چنین قطعه ای ظاهر اصلی خود را حفظ خواهد کرد و تغییرات آهسته تر را نشان می دهد.

Corrosion

Corrosion of one form or another is the chief cause of the deterioration of metals, including statuary and architectural bronze. The degree of corrosion which occurs, and the corrosion by-products which result, are affected by several factors including bronze composition or formulation, environmental conditions and adjacent materials.

While the composition of bronze does affect the rate of corrosion, it has been generally recognized that composition is one of the least significant factors in bronze deterioration. The existence of chemicals in the atmosphere, such as chlorine, sulfur, and nitrogen oxides, in the presence of moisture, is the most significant cause of bronze deterioration.

There are numerous causes and symptoms of corrosion, including:

1. Uniform Oxidation or Corrosion: Corrosion attacks the metal surface evenly.
2. Pitting: Attacks the metal surface in localized areas.
3. Selective Attack: When a metal is not homogenous throughout, certain areas may be attacked in preference to others.
4. Erosion: When a corrosion-resistant oxide layer is removed and the bare metal beneath corrodes.
5. Oxygen Cell Corrosion (or Atmospheric Corrosion): The most common form of corrosion; Moisture containing environmental gases (carbon dioxide, oxygen, sulfur compounds, soot, fly ash, etc.) produces chemical corrosion on the metal.
6. Galvanic Corrosion: The increased corrosion of a metal due to its contact with another metal, or in some cases, the same metal.
   1. Galvanic corrosion causes extensive deterioration to the attacked metal(s), and in turn the corrosion products stain and streak the adjacent surfaces.
   2. It is an electrolytic reaction. For this to occur, there must be an anode (negatively charged area), a cathode (positively charged area), and an electrolyte (conducting medium). The electrolyte can be rainwater, condensation, acid, alkali, or a salt. The formation of an anode and a cathode may occur due to the presence of impurities, difference in work hardening, or local differences of oxygen concentration on the surface.
7. Stress Corrosion Cracking: Attacks areas in a metal which were stressed during metal working.
8. Humidity, temperature and condensation: Affect the rate of corrosion; in a marine environment, aerosols can deposit chloride and other salts which will accelerate the rate of atmospheric corrosion.

خوردگی آبکاری برنزطلایی و برنز سفید خدمات شرکت جلاپردازان است

خوردگی یک یا چند نوع از علل اصلی خراب شدن فلزات، از جمله برنز مجسمه سازی و معماری است. درجه خوردگی که رخ می دهد و محصولات جانبی خوردگی که ایجاد می شوند، تحت تاثیر عوامل متعددی از قبیل ترکیبات یا فرمولاسیون برنز ، شرایط محیطی و مواد مجاور قرار می گیرد.

در حالی که ترکیب برنز بر میزان خوردگی تاثیر می گذارد، به طور کلی مشخص شده است که ترکیب آلیاژ یکی از کم اهمیت ترین عوامل در حادتر شدن تخریب برنز است. وجود مواد شیمیایی در جو، مانند کلر، گوگرد و اکسید نیتروژن، در حضور رطوبت، مهمترین علت تخریب برنز است.

دلایل و نشانه های مختلفی از خوردگی وجود دارد، از جمله:

1.      اکسیداسیون یا خوردگی یکنواخت: خوردگی بطور یکنواخت به سطح فلز حمله می کند.

2.      حفره دار شدن: حمله به سطح فلز بصورت موضعی است.

3.      حمله انتخابی: هنگامی که یک فلز ساختار همگنی را در سرتاسر ساختار خود ندارد، ممکن است مناطق خاصی به سایر مناطق حمله کنند.

4.      سایش: هنگامی که لایه اکسیدی مقاوم در برابر خوردگی برداشته شود و فلز فاقد پوشش شود تحت سایش قرار می گیرد.

5.      خوردگی سل اکسیژن (یا خوردگی جوی): شایعترین شکل خوردگی است؛ رطوبت حاوی گازهای محیطی (دی اکسید کربن، اکسیژن، ترکیبات گوگرد، دوده، خاکستر و غیره) است که باعث خوردگی شیمیایی روی فلز می شود.

6.      خوردگی گالوانیکی: افزایش خوردگی فلز به علت تماس با فلز دیگر، و یا در برخی موارد، همان فلز است.

a.       خوردگی گالوانیك باعث تخریب شدید فلز مورد حمله می شود و به این ترتیب محصولات خوردگی مانند لكه و خط و خطوط در مجاورت سطوح خورده شده برجای میگذارد

b.      این یک واکنش الکترولیتی است. برای این که رخ دهد، باید یک آند (منطقه با بار منفی)، یک کاتد (ناحیه با بار مثبت) و یک الکترولیت (محیط هدایت کننده) باشد. الکترولیت می تواند آب باران، اسید، قلیا یا نمک باشد. شکل گیری یک آند و یک کاتد ممکن است به علت وجود ناخالصی ها، تفاوت در سخت کاری و یا اختلاف های محلی غلظت اکسیژن در سطح رخ دهد.

7.      خوردگی ترکهای تحت تنش: حمله به مناطق فلزی که در طول کارهای فلزی تحت تنش قرار گرفته اند.

8.      رطوبت، دما و تراکم: بر روی سرعت خوردگی تاثیر می گذارد. در محیط دریایی، آئروسل ها می توانند کلریدها و سایر نمک ها را که باعث افزایش میزان خوردگی اتمسفر می شوند را روی سطح رسوب دهند.

The bronze corrosion process goes through five predictable stages. The specific results of each stage can differ due to combinations of atmospheric elements, bronze composition, patination, and other protective treatments such as waxing, oiling or lacquering.The five stages are:

1.      Induction is when normal oxidation takes place, normally producing the dark brown copper oxide film which can be a protective barrier against future pollutants. The actual film composition is dependent upon the type and concentration of pollutants in the atmosphere, upon the duration of exposure, and upon the relative degree and duration of wetness on the surface. High concentrations of sulfides in the atmosphere can dramatically alter the result of stage 1, producing less protective, even potentially damaging films. The rate of oxidation can also have an effect on long term durability of the surface finish; oxides formed over longer time periods seem much more resistant to deterioration.

2.      The conversion of the topmost metallic surface to copper sulfate normally begins to occur on surfaces with the most severe exposure, such as horizontal surfaces. Oxygen deprivation and deposition of particulates and moisture create a catalytic situation where electrolytic reactions occur. (This is the same principle as a battery, where the charged ions move from a positive to a negative pole.) The visual symptom of this phase is the formation of thin, light green patches on the more exposed areas.

3.      Run-off streaking and scab formation occurs at a slower rate than the two previous stages but the consequences are significant. Copper sulfates and sulfides may have been formed during the earlier stages, yet the degree of solubility of these compounds may vary widely. It is during Stage 3 that the familiar streaking and uneven discoloration may occur due to differential weathering of the corrosion by-products. This erosion can continue until uneven blackish areas or island- like scabs are present on the surface.

4.      Pitting may spread around the black scab formation; the pitting can also continue to spread below what appears to be a stable surface. Pitting is generally caused and accelerated by microscopic particles of chlorides deposited from the air, and if chlorides are present below a crust or a barrier coating, the corrosion can continue unchecked and invisible to casual observation.

5.      Complete conversion of all exposed surfaces to the bright blue-green copper sulfate is the final stage of corrosion. The result is the familiar solid green bronze with the lime- green color and a matte texture. This condition is sometimes misperceived as the desirable end condition, but it is actually a phase of active corrosion.

روند خوردگی برنز از طریق پنج مرحله قابل پیش بینی می باشد. نتایج خاص هر مرحله می تواند به علت ترکیب عناصر اتمسفر، ترکیب برنز، پاتیناژ و سایر روش های حفاظتی نظیر چسبندگی، روغنکاری و لعاب باشد. پنج مرحله عبارتند از:

1.      القا زمانی است که اکسیداسیون طبیعی اتفاق می افتد، به طور معمول فیلم اکسید مس قهوه ای تیره که می تواند مانع محافظتی در برابر آلودگی های بیشتر باشد روی سطح تشکیل می شود. ترکیب فیلم واقعی بستگی به نوع و غلظت آلاینده ها در جو، بر حسب مدت زمان قرار گرفتن در معرض الاینده، و درجه و مدت زمان رطوبت روی سطح دارد. غلظت بالای سولفید ها در اتمسفر می تواند به طور چشمگیری نتیجه مرحله 1 را تغییر دهد، یعنی ایجاد لایه محافظتی کمتر و حتی فیلم هایی که به طور بالقوه به سطح آسیب می رسانند. میزان اکسیداسیون همچنین می تواند بر دوام طولانی مدت پوشش سطح تاثیر بگذارد؛ به نظر می رسد اکسیدهای تشکیل شده در طول دوره های زمانی طولانی در برابر زنگ زدگی بسیار مقاوم هستند.

2.      تبدیل سطح بالای فلز به سولفات مس معمولا روی سطوحی که در معرض آسیبهای سخت هستند مانند سطوح افقی شروع می شود. کمبود اکسیژن و رسوب ذرات و رطوبت باعث ایجاد شرایط کاتالیزوری می شود که واکنش الکترولیتی رخ می دهد. (این اصل همانند یک باتری است، جایی که یون های با بار مثبت به قطب منفی منتقل می شوند.) نشانه ظاهری این مرحله تشکیل لکه های کوچک سبز روشن در مناطقی است که بیشتر درمعرض آسیب هستند.

3.      رگه دار شدن و تشکیل خراش در سرعت های پایین تر از دو مرحله قبلی اتفاق می افتد اما عواقب آن قابل توجه است. سولفات های مس و سولفید ها ممکن است در مراحل اولیه تشکیل شده باشند، اما میزان حلالیت این ترکیبات به طور گسترده ای متفاوت است. این فرایند در مرحله 3 اتفاق می افتد که تغییر رنگ ناگهانی ممکن است به علت اختلاف فرسایش مواد جانبی خوردگی رخ دهد. این فرسایش می تواند تا زمانی مناطق ناهموار سیاه و سفید یا جزایر مانند در سطح وجود داشته باشد ادامه پیدا کند.

4.      پیتینگ می تواند در اطراف تشکیل حفرات سیاه گسترش یابد؛ همچنین می تواند در زیر سطحی که بنظر می رسد پایدار است گسترش یابد. پیتینگ به طور کلی توسط ذرات میکروسکوپی کلراید که از هوا ایجاد شده و شتاب می گیرند روی سطح رسوب میکنند و اگر کلرید ها در زیر پوسته یا پوشش حفاظتی نفوذ کنند، خوردگی می تواند بدون اینکه قابل مشاهده باشد از زیر سطح ادامه پیدا کند.

5.      تبدیل کامل سطوح در معرض آسیب به سولفات مس سبز-آبی روشن مرحله نهایی خوردگی است. نتیجه آن برنز سبز جامد با رنگ سبز فسفری و بافت مات است. بوجود آمدن این وضعیت بعضا یک پایان نامطلوب است، اما در واقع این یک مرحله از خوردگی فعال است.

Oxidation

Unprotected areas of raw bronze will oxidize, or combine with oxygen present in the air, resulting in a thin film of copper oxide along the surface of the exposed bronze. The resulting appearance is a flat, dark brown surface. The most common example to which most users can relate is the process of oxidation of a copper penny. The specular (shiny) finish of a new penny is familiar, as is the shift to the dark, red-brown finish as the surfaces oxidize over time.

This normal process of oxidation is a form of corrosion. The resultant oxide film is less reactive than raw bronze and forms a stable, protective barrier with a greatly reduced rate of oxidation.

اکسیداسیون برنز

مناطق محافظت نشده برنز خام اکسید می شوند و یا با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می شوند و در نتیجه یک ورقه نازک از اکسید مس در امتداد سطح برنزی که در معرض آسیب قرار دارد تشکیل می شود. سطح حاصل ظاهری مسطح  و قهوه ای تیره دارد. رایجترین نمونه که بیشتر کاربران می توانند آن را درک کنند، فرآیند اکسیداسیون یک سکه مسی پنی است. تغییر رنگ درخشان سکه مسی که به مرور قرمز-قهوه ای می شود برای اکثریت آشناست که یک مثال از اکسید شدن سطوح در طول زمان است.

این فرآیند طبیعی اکسیداسیون یک نوع از خوردگی است. فیلم اکسیدی حاصل واکنش پذیری کمتری نسبت به برنز خالص دارد و یک مانع پایدار و محافظ با کاهش سرعت زیاد اکسیداسیون ایجاد می کند.

Sulfurization

Bronze also reacts with many atmospheric pollutants, especially sulfur compounds, which are normally found in the atmosphere as sulfur dioxide and hydrogen sulfide. Both are produced in industrial manufacturing processes. Concentrations of these gasses are generally greater in or near urban and industrial areas; therefore, higher rates of corrosion can normally be expected in such areas. The initial symptom of sulfurization is the appearance of patches of light green primarily on exposed surfaces. This usually begins on horizontal surfaces which receive the greatest exposure to rains and water run-off.

A general layer of surface corrosion can eventually spread over the entire metallic surface, resulting in an overall bright green surface. The uniform green surface is often accepted by the general public, and others, as protective and the normal state of bronze. This is a misconception. The sulfides and sulfates will continue to form in the presence of moisture and atmospheric sulfur compounds. The presence of green corrosion products on the bronze is always an indication of active corrosion. The pattern and result of this process will vary based upon several environmental factors such as wind, rain, pollutants, patina, and the nature of previous corrosion.

Differential weathering due to winds, rain and surface orientation can result in uneven corrosion with patterns of green streaking on a dark blackish surface.

The process of sulfurization is complicated by two factors, both of which result in aesthetically unacceptable appearances. Uneven black and green streaking of bronzes is one of the most disfiguring problems which can occur with bronze. Random dark (black) and light (green) streaks follow the contours downward, resulting in distracting visual patterns with no relationship to the form or texture of the surface of the work. The artistic details which give form and definition to the bronze become extremely obscured by streaking which results from two phenomena:

1. Differential solubility of the corrosion products, and
2. Electrochemical processes between the dark (black) and light (green) areas.

The streaking of bronze indicates a differential corrosion of the bronze which will be permanently disfiguring. Two different surface corrosion products are dissolving at significantly different rates. The geological analogy is the formation of canyons by the erosion of the land surface. Where such corrosion has already occurred, conservation techniques are likely to be required. Early indications of streaking should be given serious attention in the inspection process, and called to the attention of the Regional Historic Preservation Officer (RHPO) at the earliest possible time.

سولفوریزاسیون برنز

برنز همچنین با بسیاری از آلودگی های جو، به ویژه ترکیبات گوگرد واکنش نشان می دهد که معمولا در جو به عنوان دی اکسید گوگرد و سولفید هیدروژن یافت می شوند. هر دو در فرآیند تولیدات صنعتی تولید می شوند. غلظت این گازها در مناطق شهری یا مناطق مجاور آنها و مناطق صنعتی به طور کلی بیشتر است. بنابراین در این مناطق به طور معمول انتظار ما از میزان خوردگی بیشتر است. نشانه اولیه سولفوناسیون ظاهر شدن لکه های سبز روشن ابتدایی در سطوح در معرض اسیب است. این پدیده معمولا روی سطوح افقی شروع می شود که بیشترین تاثیر را از باران و آب می گیرند.

لایه ی عمومی خوردگی سطح می تواند در نهایت بر روی سطح کل فلز گسترش یابد و یک سطح تماما سبز را به وجود آورد. این سطح سبز یکنواخت معمولا توسط عموم مردم و دیگران به عنوان یک لایه محافظ برنز پذیرفته می شود. درحالیکه این یک تصور غلط است. تشکیل سولفید ها و سولفات ها در حضور رطوبت و ترکیبات گوگرد دار اتمسفر ادامه می یابد.. حضور محصولات خوردگی سبز برنز همیشه نشانه ای از خوردگی فعال است. الگو و نتیجه این فرآیند بر اساس عوامل محیطی مختلف مانند باد، باران، آلاینده ها، پاتینا و ماهیت خوردگی قبلی متفاوت خواهد بود.

تفاوت در فرسایش در هوا بدلیل جهت وزش باد، بارندگی و جهت گیری سطح می تواند باعث ناهمگونی خوردگی با الگوهای سبز شدن در یک سطح سیاه و سفید شود.

فرآیند سولفوریزاسيون توسط دو عامل پیچیده می شود، که هر دوی آنها از نظر زیباشناختی باعث ظهور سطوح غیر قابل قبول می شوند. بوجود آمدن طرحهای مشکی و سبز روی برنز یکی از بد شکلترین مشکلاتی است که می تواند برای برنز رخ دهد. جزئیات هنری که به برنز نسبت داده می شود، شدیدا توسط رگه دار شدن تحت الشعاع قرار می گیرد که ناشی از دو پدیده زیر است:

1-     تفاوت در انحلال پذیری محصولات حاصل از فرایند خوردگی

2-     فرایندهای الکتروشیمیایی بین نواحی تیره (سیاه) و روشن (سبز).

رگه دار شدن برنز نشان دهنده تفاوت در خوردگی برنز است که بطور دائم درحال تخریب شدن است. دو محصول مختلف خوردگی سطحی به طور مشخصی با سرعتهای متفاوتی حل می شوند. قیاس زمین شناسی شکل گیری کاني ها توسط فرسایش سطح زمین است. از آنجا که چنین خوردگی پیش از این رخ داده است، احتمالا به تکنیک های حفاظتی نیاز باشد. در مراحل اولیه بازرسی، اولین نشانه های رگه دار شدن باید مورد توجه جدی قرار بگیرد و در اولین فرصت ممکن به مسئولین حفاظت منطقه ای (RHPO) اطلاع داده شود.

Bronze Disease

Bronze disease is the result of exposure to chlorine compounds which can come from any saline source, such as contact with saline soils, atmospheric pollutants or airborne salt spray near bodies of salt water. The chlorine reacts with the copper in bronze to form copper chloride. The primary symptom is pitting, and the process can proceed unchecked below apparently sound patinas, or protective coatings.

The copper chloride is relatively unstable and the only way to arrest the continuing corrosion is the complete removal of the chlorides using electrochemical methods. All such methods of chloride removal are advanced conservation techniques requiring the employment of a skilled professional.

بیماری برنز

بیماری برنز در نتیجه قرار گرفتن در معرض ترکیبات کلردار است که می تواند از هر منبع شور، از جمله تماس با خاک های نمکین، آلودگی های جو و یا اسپری نمک هوا در نزدیکی آب شور، حاصل شود. کلر با مس موجود در برنز واکنش می دهد تا کلرید مس را تشکیل دهد. علائم اولیه این واکنش حفره دار شدن سطح است و فرآیند می تواند بدون اینکه کنترل شود از زیر پتینه یا پوشش های محافظتی ادامه یابد.

کلرید مس نسبتا ناپایدار است و تنها راه برای متوقف شدن روند خوردگی، حذف کامل کلرید ها با استفاده از روش های الکتروشیمیایی است. تمامی روش های حذف کلرید، تکنیک های حفاظتی پیشرفته ای هستند که نیاز به یک نیروی کار حرفه ای ماهر دارد.

Core Migration

Bronze is cast in a foundry process which consists of the pouring of molten bronze into a mould containing a central core. Frequently this core material is gypsum or plaster of Paris, and occasionally portions of the core are left inside the casting. It is possible for the core material to migrate through the casting wall over time and appear on the exterior surface of the bronze.

هسته مهاجرت

برنز در فرایند ریخته گری قالب گیری می شود که شامل ریختن برنز مذاب در قالب حاوی هسته مرکزی است. اغلب این مواد هسته از جنس گچ یا گچ پاریس است، و گاهی اوقات بخش هایی از هسته در داخل برنز ریخته گری شده باقی می ماند. ماده هسته می تواند با گذر زمان از طریق دیوار ریخته گری مهاجرت و در سطح بیرونی برنز ظاهر شود.

The removal and repair of core migration problems is not a maintenance procedure and will require an "existing conditions analysis" supporting a proposed conservation treatment. The RHPO should be notified of the problem following its identification. The most common symptom is the appearance of whitish spots, which gradually enlarge, in the bronze surface.

حذف و تعمیر مشکلات مهاجرت هسته ای یک روش تعمیر و نگهداری نیست و به آنالیز شرایط موجود برای فراهم کردن یک عملیات نگهداری پیشنهاد شده نیاز است.  بعد از شناسایی مشکل باید RHPO از وجود آن مطلع شود. شایعترین علامت ظهور لکه های سفید است که به تدریج در سطح برنز بزرگ می شود.

Pitting

Corrosion of bronze, unlike that of natural stones, is in part an electro-chemical phenomenon. Points of negative electrical potential called cathodes and points of positive potential called anodes form on the bronze. In the presence of moisture, the corrosion process is driven by an electrical differential between the two points. This process can occur at a highly accelerated rate.

پیتینگ

خوردگی برنز، بر خلاف سنگ های طبیعی، بخشی از یک پدیده الکترو شیمیایی است. نقاط پتانسیل الکتریکی منفی به نام کاتد و نقاط پتانسیل مثبت به نام آندها بر روی برنز شکل می گیرد. در حضور رطوبت، فرایند خوردگی توسط یک اختلاف الکتریکی بین دو نقطه رانده می شود. این فرآیند می تواند با سرعت بسیار زیادی انجام شود.

An electric potential can develop between both large and small areas. Atmospheric pollutants, especially chlorides, can be deposited on the surface of bronze. Tiny "islands" of corrosion can form, rapidly eroding/converting away the bronze metal and resulting in tiny voids or pits in the surface of the bronze. Pits may begin small and increase in size due to the continued electrochemical action and deposition within the pits. This may continue as long as moisture is present.

پتانسیل الکتریکی می تواند بین مناطق بزرگ و کوچک ایجاد شود. آلاينده هاي اتمسفر، به خصوص کلريد ها، مي توانند روي سطح برنز ذخيره شوند. "جزایر" کوچک حاصل از فرایند  خوردگی می تواند تشکیل شود، به سرعت فرسایش / تبدیل فلز برنزی را به وجود می آورد و به ناحیه سطحی برنز منجر می شود. سایز چاله ها چاله ها ممکن است به دلیل ادامه فرایندهای  الکتروشیمیایی و رسوب درون چاله ها شروع به کوچک شدن یا بزرگ شدن بکنند. این پدیده ممکن است تا زمانی که رطوبت وجود داشته باشد ادامه یابد.

Pitting may be pinpoint or broad, as in patterns of deep etching created by differential erosion. (Also see: Bronze Disease)

پیتینگ ممکن است همانطور که در الگوهای اچینگ عمیق توسط فرسایش اختلافی ایجاد می شود در یک نقطه یا بصورت گسترده روی سطح. (همچنین ببینید: بیماری برنز)

Bird Droppings

Bird, or other animal, droppings may collect on the surface of bronze and (because of the acidic nature) may accelerate localized corrosion and deterioration. Droppings can also build up in sheltered areas, providing concentrations of damaging chemical agents of deterioration.

فضولات پرندگان

فضولات پرندگان یا حیوانات دیگر ممکن است بر روی سطح برنز جمع شوند و (به علت طبیعت اسیدی) ممکن است خوردگی و تخریب موضعی را تسریع کنند. این فضولات همچنین می توانند در ناحیه های محافظت شده ایجاد شوند و باعث ایجاد کنسانتره ای از مواد شیمیایی مضر شوند که فرایند تخریب را بدتر می کنند.

Galvanic Corrosion

Galvanic corrosion, also known as dissimilar metal corrosion, occurs when two dissimilar metals are brought into contact with one another. One of the metals will corrode, and the other will remain intact. As an example, if bronze is brought into contact with iron, the iron will frequently begin to corrode. Galvanic corrosion is caused by an electric potential between two dissimilar metals in the presence of water or moisture, where the water's electrolytes allow the flow of metallic ions from the more active metal, or the anode, to the more noble metal, or the cathode. The movement of these metallic ions represents a physical loss of metal from the metal being corroded. It can continue until the source metal is completely gone.

خوردگی گالوانیکی برنز

خوردگی گالوانیکی که به عنوان خوردگی ناهمگونی فلز نیز نامیده می شود، هنگامی رخ می دهد که دو فلز متمایز به یکدیگر متصل می شوند. یکی از فلزات خورده می شود و دیگری باقی خواهد ماند. به عنوان مثال، اگر برنز در تماس با آهن قرار گیرد، آهن اغلب شروع به خوردن می کند. خوردگی گالوانیک بوسیله یک اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو فلز متفاوت در حضور آب یا رطوبت اتفاق می افتد، جایی که آب بعنوان الکترولیت به یونهای فلزی اجازه می دهد تا از سمت فلز فعال تر یا آند به سمت فلز نجیب یا کاتد جریان پیدا کنند. حرکت این یونهای فلزی نشان دهنده از دست رفتن فیزیکی فلز درحال خورده شدن است. این فرایند می تواند تا زمانی که کل فلز به طور کامل از بین برود ادامه یابد.

Below, thirteen construction metals are ranked according to their susceptibility to corrosion, from most to least susceptible, or from active to noble. This type of ordered list is called a Galvanic Series chart.

در زیر، سیزده فلز ساختاری بر اساس حساسیت آنها به خوردگی، از فعالترین فلز تا نجیبترین آنها در مقابل خوردگی لیست شده است. به این نوع فهرست سری گالوانیکی گفته می شود.

The rate of the transfer of iron from the passive to the active metal is determined by the difference in electrode potential between the two metals. Therefore, the farther apart two metals are in the list below, the more likely the active metal (higher on the list) is to corrode.

1. Zinc
2. Aluminum
3. Galvanized streel
4. Cast iron, mild steel
5. Lead
6. Tin
7. Brass, bronze
8. Copper
9. Silver solder
10. Stainless steel
11. Silver
12. Graphite
13. Gold

میزان انتقال آهن از فلز پسیو  به فلز فعال توسط اختلاف پتانسیل الکترود بین دو فلز تعیین می شود. بنابراین، هرچه در لیست زیر دو فلز از هم دورتر باشند، بیشتر احتمال دارد که فلز فعال (فلزی که در قسمتهای بالاتر لیست است) خورده شود.

1. روی

2. آلومینیوم

3. ریخته گری گالوانیزه

4. چدن، فولاد متوسط

5. سرب

6. قلع

7. برنج، برنز

8. مس

9. نقره لحیم کاری

10. فولاد ضد زنگ

11. نقره

12. گرافیت

13. طلا

Galvanic corrosion typically occurs where dissimilar metals are used as connectors or parts of a building's armature. It can be stopped by replacing the more active metal with a more noble metal such as stainless steel. When two dissimilar metals must be in contact with one another, the risk of corrosion can be substantially reduced by applying a coating to both of the materials but especially to the noble metal, or applying a sacrificial metallic coating that is more active than both of the metals.

The relative mass or sizes of the two metals in contact will also determine the rate at which galvanic corrosion occurs. As an example, in a bronze plaque with iron bolts, the bolts would corrode rapidly, but an iron plaque with bronze or copper bolts would exhibit a much lower, almost negligible, amount of galvanic corrosion as a result of its contact with the bolts. Therefore, bolts and other fasteners should be made of more noble metals where possible.

خوردگی گالوانیک به طور معمول زمانی رخ می دهد که در آن فلزات غیر مشابه به عنوان اتصالات یا بخش هایی از آرمیچر استفاده می شوند. این فرایند می تواند توسط جایگزینی فلز فعال تر با یک فلز نجیب تر مانند فولاد ضد زنگ متوقف شود. هنگامی که دو فلز متمایز با یکدیگر در تماس باشند، خطر خوردگی را می توان با استفاده از پوشش به هر دو ماده، بویژه فلز نجیب، و یا استفاده از یک پوشش فلزی ضعیف که فعال تر از هر دو فلز است کاهش داد.

علاوه بر این، میزان خوردگی توسط جرم یا اندازه نسبی دو فلزی که در تماس باهم هستند نیز تعیین می شود. به عنوان مثال، در یک پلاک برنزی با پیچ و مهره های آهن، پیچ و مهره ها به سرعت خورده می شوند، اما یک پلاک آهن با پیچ و مهره های برنز یا مس مقدار تماس های گالوانیکی بسیار پایین تر و تقریبا ناچیز را در نتیجه تماس با پیچ ها نشان می دهد. بنابراین، حتی الامکان پیچ و مهره ها و دیگر اتصالات باید از فلزات نجیب تر ساخته شوند.

Erosion

Erosion or "wearing away" of metal from the surface may be due to natural or environmental factors, or due to man-induced factors such as excessive handling or rubbing. Erosion due to human contact is by far the most serious problem, but erosion can occur due to the abrasive action of wind-driven pollutants.

Natural erosion will be a slow process and one which is, therefore, difficult to detect. It will be most obvious on outdoor bronze or in exposed locations. Industrial settings and areas where there are higher concentrations of airborne particulates, which can act as abrasives, also offer the possibility for higher rates of erosion. Natural, wind-driven abrasion will be generally so slow that it will be most apparent when comparing different exposures/orientations of bronze which has been in service for long periods. The differential loss of detail between protected and exposed surfaces will begin to be apparent over many years. Examination for this differential weathering should be part of any inspection.

فرسایش برنز

فرسایش یا "برداشته شدن پوشش" فلز از سطح ممکن است به علت عوامل طبیعی یا محیطی یا به علت عوامل انسانی مانند دستمالی کردن یا سابیدن بیش از حد باشد. فرسایش ناشی از تماس انسان، جدی ترین مسئله است، اما فرسایش می تواند به دلیل فعالیت سایشی آلاينده های تحت فشار باد نیز باشد.

فرسایش طبیعی یک روند آهسته است و بنابراین، کشف آن دشوار است. این امر درمورد سازه های برنزی که در فضای باز استفاده می شوند بسیار واضح خواهد بود. همچنین در مراکز صنعتی و مناطقی که در آنها غلظت بالای ذرات معلق در هوا وجود دارد که می توانند به عنوان عوامل ساینده عمل کنند، امکان افزایش میزان فرسایش وجود دارد. ساییدگی طبيعی، با باد معمولا به آرامی صورت می گیرد که در مقایسه با جهتهای مختلف وزش باد جهت هایی از پیکره برنزی که برای دوره های طولانی در جهت وزش باد هستند، بیشتر دیده می شود. از بین رفتن تفاوت جزئیات بین سطوح محافظت شده و سطوح در معرض آسیب در طول سال ها آشکار خواهد شد. بررسی برای این تفاوت فرسایش در اثر هوا باید بخشی از هر بازرسی باشد.

Mechanical Deterioration (Purely Physical Processes)

1. Abrasion: Causes removal of the protective metal surface. Some metals such as zinc are relatively soft and therefore vulnerable to abrasion damage, especially in areas similar to roof valleys where the metal can be worn paper-thin.
2. Fatigue: Failure of metal that has been repeatedly stressed beyond its elastic limit, due to failure to provide necessary allowances for thermal expansion and contraction caused by temperature differences.
3. Creep: The permanent distortion of a soft metal which has been stretched due to its own weight. Thin areas of the metal will be among the first to fail. Can be found in lead sculptures which have inadequate or corroded internal armature.
4. Heat: Usually in the form of fire, will cause many metals to become plastic, distort, and fail.
5. Distortion: Permanent deformation or failure may occur when a metal is overloaded beyond its yield point because of increased live or dead loads, thermal stresses, or structural modifications altering a stress regime.

تخریب مکانیکی (فرآیندهای خالص فیزیکی)

1. سایش: باعث حذف سطح فلز محافظ می شود. بعضی از فلزات مانند روی، نسبتا نرم هستند و بنابراین نسبت به خسارات ناشی از سایش آسیب پذیر هستند ، به ویژه در مناطقی شبیه به پوشش شیارها که در آن فلز می تواند مانند یک ورق کاغذ نازک ساییده شود.

2. خستگی: شکست فلز در اثر قرار گرفتن مکرر تحت تنشی بیش از حد الاستیک خود، بدلیل عدم فرصت کافی برای رهایش تنش بعد از انبساط و انقباض های حرارتی ناشی از اختلاف دما.

3. خزش: تخریب دائمی فلز نرم که به دلیل وزن خود کشیده شود. اولین قسمتهایی که تحت آسیب قرار می گیرند نواحی نازک فلز هستند. این پدیده را در مجسمه های سربی که آرمیچر داخلی ناکافی یا خورده شده دارند می توان پیدا کرد.

4. گرما: معمولا به شکل آتش، باعث می شود بسیاری از فلزات  پلاستیکی، تخریب و یا نابود شوند.

5. تخریب: تغییر شکل یا شکست دائمی ممکن است زمانی اتفاق بیفتد که فلز به دلیل افزایش بارها (فشارهای) زنده یا مرده، تنش های حرارتی یا بهبود ساختاری با تغییر اعمال تنش، تحت بارگذاری بیش از حد ظرفیت خود قرار بگیرد.

Connection Failure

1. Chemical and mechanical processes can cause the breakdown or reduced effectiveness of structural metal fixings such as bolts, rivets, and pins. Stress failure is often a contributor to breakdown situations. Iron connections which are water traps are particularly susceptible.
2. Most bronze corrosion can be characterized as "general" or "uniform" and "pitting", with occasional signs of selective attack. Galvanic corrosion appears mostly in connection with pins, bolts, and replacement parts in different metal. Erosion is apparent most often in bronzes in fountains. Stress corrosion is less apparent in bronze than in brass, but could be a factor in some cases in bronze sculptures.

شکست اتصال برنز

1.      فرآیندهای شیمیایی و مکانیکی می توانند باعث تخریب یا کاهش اثربخشی سازه های فلزی مانند پیچ و مهره ها، پرچ ها و پین ها شوند. شکست تنش اغلب به وضعیت ناپایداری منجر میشود. بویژه اتصالات آهنی که تله آب هستند، بسیار حساس هستند.

2.      بیشتر خوردگی برنز بصورت "عمومی" و یا "یکنواخت" و "حفره دار شدن" و بعضا با نشانه هایی از حمله انتخابی شناخته می شود. خوردگی گالوانیک عمدتا در ارتباط با پین ها، پیچ ها و قطعات جایگزینی در فلزات مختلف ظاهر می شود. فرسایش اغلب در برنز در چشمه مشهود است. خوردگی تنش در برنز کمتر از برنج است، اما در بعضی موارد در مجسمه های برنز می تواند عامل دیگری باشد.

Reference

https://www.gsa.gov/real-estate/historic-preservation/historic-preservation-policy-tools/preservation-tools-resources/technical-documents?Form_Load=88354

Prepared by research and development unit of jalapardazan (JP)

October 2018

تهیه شده در واحد پژوهش و گسترش جلاپردازان پرشیا JP)

مهر97