เนื่องจากนักสะสมจำนวนมาก ยังมีความสับสนระหว่างเนื้อทองแดง และ Bronze (บรอนซ์) ซึ่งแปลเป็นไทยว่าเนื้อสำริด จึงขอนำบทความทางวิชาการ โดยสังเขป เกี่ยวกับ สำริด และโลหะผสมทองแดงประเภทต่างๆ รวมถึงวิธีดูแลรักษาวัสดุที่ทำจากโลหะผสมเหล่านี้ มาแสดงไว้ ณ ที่นี้
องค์ประกอบของสำริด
ตามความหมายที่แท้จริง สำริด คือ โลหะผสมที่มีทองแดงเป็นหลัก องค์ประกอบอื่นๆ คือดีบุกและตะกั่ว อาจมีเหล็ก อาร์ซีนิค สังกะสี เจือปนอยู่ด้วยเล็กน้อย แต่ในปัจจุบันความหมายของสำริดเปลี่ยนไป สำริดปัจจุบันหมายถึงโลหะผสมที่มีทองแดงเป็นหลัก องค์ประกอบอื่นๆ ได้แก่ สังกะสี เหล็ก ตะกั่ว ฟอสฟอรัส ซิลิคอน อาร์ซีนิค (สารหนู) บิสมัท อะลูมิเนียม ซึ่งนำไปใช้งานหลากหลายรูปแบบ ชนิดและปริมาณของโลหะอื่นๆ ที่ผสมในโลหะผสมของทองแดงส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของโลหะผสมนั้นๆ อย่างมากมาย
ทองแดงบริสุทธิ์มีสีชมพูคล้ายเนื้อปลาแซลมอน ลักษณะเป็นมันวาว สามารถดึงยึดหรือตีแผ่เป็นแผ่นบางได้ดีไม่ทนทานต่อการกัดกร่อน ส่วนดีบุกเป็นโลหะที่มีสีขาว คล้ายเงิน ไม่ค่อยแข็ง แต่มีการต้านทานต่อการกัดกร่อนสูงและมีคุณสมบัติด้านหล่อลื่น สามารถดึงยึดหรือรีดเป็นแผ่นบางได้ดี
เมื่อนำทองแดงและดีบุกมาหลอมรวมกันในอัตราส่วนผสมต่างๆ จะได้โลหะผสมที่เรียกว่าสำริด ซึ่งเป็นโลหะผสมที่มีคุณสมบัติเหนือกว่าทองแดงและโลหะอื่นๆมาก สามารถใช้งานได้หลากหลายขึ้น และทนทานต่อการกัดกร่อนดีขึ้น
เมื่อมีการค้นพบการทำสำริด ชุมชนโบราณก็มีการใช้สำริดแทนที่ทองแดงอย่างมากมาย ทั้งนี้น่าจะเป็นเพราะการขึ้นรูปทองแดงต้องใช้วิธีตีเป็นเวลานาน ส่วนสำริดเป็นโลหะที่แข็งและตีขึ้นรูปยากกว่าทองแดง เมื่อมีการค้นพบสำริดแล้ว จึงนิยมผลิตสำริดมากกว่าผลิตเครื่องมือเครื่องใช้จากทองแดง เนื่องจากการหล่อสำริดไม่ต้องผ่านการตีขึ้นรูปเป็นเวลานาน สามารถเทลงในแม่พิมพ์ออกมาเป็นรูปร่างที่ต้องการ และมีความแข็งพอเพียงที่จะใช้งานได้ทันที เป็นการประหยัดเวลาและพลังงาน
นอกจากนี้การหล่อสำริดยังทำได้ง่ายและได้โลหะที่มีคุณสมบัติดีกว่าทองแดง เพราะทองแดงบริสุทธิ์มีแนวโน้มที่เกิดฟองอากาศ ระหว่างการหล่อ ทำให้ได้โลหะที่มีเนื้อพรุนคล้ายฟองน้ำ ในขณะที่สำริด ไม่เกิดฟองอากาศระหว่างการหล่อ นอกจากนี้ สำริดยังมีคุณสมบัติเหนือกว่าโลหะอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งคุณสมบัติที่เอื้อต่อกระบวนการผลิต เมื่อสำริดเริ่มแข็งตัวเป็นของแข็งจะขยายตัว ทำให้โลหะแทรกซึมเข้าไปตามช่องว่าง และซอกหลืบของแม่พิมพ์ได้อย่างทั่วถึง เมื่อสำริดเย็นตัวลงจะหดตัวเล็กน้อย ทำให้สามารถแยกออกจากแม่พิมพ์ได้ง่าย และเมื่อผสมตะกั่วลงไปเล็กน้อย สำริดนั้นๆ จะหล่อได้ง่ายขึ้น เพราะตะกั่วช่วยลดจุดหลอมเหลว
เพิ่มความสามารถในการไหล สามารถหล่อเป็นแผ่นบางๆได้ แต่ตะกั่วไม่สามารถละลายได้ในทองแดงและดีบุก เมื่อตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์จะเห็นตะกั่วปะปนอยู่ในเนื้อสำริดในลักษณะเป็นเม็ดกลมๆเล็ก กระจัดกระจายๆ คุณสมบัติของสำริด ขึ้นอยู่กับปริมาณของโลหะอื่นๆ ที่เป็นองค์ประกอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณดีบุกมีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติของสำริด ปริมาณดีบุกมีผลต่อสี ความแข็ง จุดหลอมเหลว และความทนทานต่อการกัดกร่อนของสำริด
องค์ประกอบ
– สำริดที่มีดีบุก ๕% สีออกแดง เนื้อเปราะ
– สำริดที่มีดีบุก ๑๐% สีคล้ายทอง
– สำริดที่มีดีบุก ๑๐-๒๐% สีคล้ายเงิน
– สำริดที่มีดีบุก ๑๐-๒๐% และตะกั่ว ๕% สีเหลืองทอง เนื้อแข็ง
– สำริดที่มีดีบุก ๒๕% ตะกั่ว ๕% สีคล้ายเงิน เป็นมันเงา ทนการกัดกร่อนดี แต่เปราะ
– สำริดที่มีดีบุก ๓๐-๓๕% ตะกั่ว ๕% สีขาว เปราะ
– สำริดที่มีสังกะสีผสมอยู่ด้วยเล็กน้อย สีเหลืองอ่อน
สำริดที่มีเนื้อเดียวกัน ควรมีดีบุกผสมอยู่ไม่เกิน ๑๔% สำริดที่มีดีบุกผสมอยุ่ไม่เกิน ๑๗% เรียกว่า สำริดดีบุกต่ำ (Low-tin bronze) เนื่องจากปริมาณดีบุก ๑๗% เป็นปริมาณสูงสุดที่ดีบุกจะละลายได้ในทองแดง แต่ถ้ามีดีบุกผสมอยู่มากกว่า ๑๗% เรียกว่าสำริดดีบุกสูง (High-tin bronze) เนื้อโลหะมักจะไม่เป็นเนื้อเดียวกัน
ปัจจุบันนี้มีการผลิตและเรียกชื่อโลหะผสมของทองแดงแตกต่างกันมากมาย และบางครั้งก่อให้เกิดความสับสน โดยทั่วไป คำว่าสำริด ตรงกับคำภาษอังกฤษว่า บรอนซ์ (Bronze) ซึ่งเดิมหมายถึงโลหะผสมของทองแดงที่มีดีบุกผสมอยู่แต่ปัจจุบันนี้คำว่าบรอนซ์มีความหมายเปลี่ยนไปจากเดิม องค์ประกอบของบรอนซ์เปลี่ยนไปจากเดิม มีการผสมโลหะอื่นๆลงไปเพื่อปรับปรุงคุณภาพ โลหะผสมบางอย่างมีองค์ประกอบที่จัดเป็นทองเหลือง แต่ในทางการค้ามีชื่อเรียกกันว่าบรอนซ์นอกจากนี้ยังมีโลหะผสมทองทองแดงเกิดขึ้นใหม่ๆ อีกมากมายที่มีสีเหมือน ทอง เงิน ทองแดง ทองเหลือง และสำริด ในกรณีที่ไม่ทราบองค์ประกอบที่แท้จริงของโลหะเหล่านั้น เพื่อป้องกันความผิดพลาด ควรเรียกโลหะเหล่านี้ว่า โลหะผสมของทองแดง
นอกจากสำริดแล้ว โลหะผสมของทองแดงที่คุ้นเคยในปัจจุบัน ได้แก่ ทองเหลือง (brass) ซึ่งเป็นโลหะผสมของทองแดงกับสังกะสี ๑๐-๒๐% จะมีสีเหลืองคล้ายทอง แต่นานไปจะหมอง ทองเหลืองเริ่มปรากฎหลังจากสำริดหลายพันปี เนื่องจากการถลุงแร่สังกะสีทำได้ยากมากต้องใช้อุณหภูมิสูงจนถึงจุดเดือด การผลิตทองเหลืองสมัยก่อนประวัติศาสตร์ใช้วิธีเผาแร่ทองแดงและแร่สังกะสีเข้าด้วยกัน หลักถานทางโบราณคดีแสดงว่าชาวโรมันมีการผลิตทองเหลืองเมื่อประมาณ ๒,๐๕๐ ปีมาแล้ว โดยใช้ทำเงินตรา เช่นเดียวกับโบราณคดีหลายแห่งในเอเซียตะวันตกเฉียงใต้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอินเดียนิยมใช้ทองเหลืองในการทำหลังคา เครื่องเรือน ภาชนะหุงต้ม ภาชนะใส่อาหาร มาเป็นเวลายาวนานต่อเนื่องถึง ๒,๐๐๐ ปีจนถึงปัจจุบัน ในระยะหลังๆ มีการใช้สังกะสีมากขึ้น เนื่องจากหล่อง่าย ใช้อุณหภูมิไม่สูงมากนัก เช่นถ้าผสมสังกะสี ๒๐% จะได้โลหะผสมที่หลอมเหลวที่ ๑,๐๐๐ องศาเซลเซียส แต่ถ้าผสมสังกะสี ๖๐% จะหลอมเหลวที่ ๘๓๓ องศาเซลเซียส
ทองเหลืองส่วนใหญ่ประกอบด้วยทองแดงและสังกะสีไม่เกิน ๔๐% เนื่องจากสังกะสีละลายได้ดีในทองแดงให้สารละลายของแข็ง (Solid solution) โดยสังกะสีสามารถละลายได้สูงถึง ๓๙% ได้โลหะผสมที่มีความแข็งแรง ความเหนียว ความแข็งสูง แต่ถ้าผสมสังกะสีมากกว่านี้ จะได้สารประกอบเชิงโลหะระหว่างทองแดงกับสังกะสีอีกหลายชนิด ซึ่งมีผลทำให้ความแข็งแรง ความแข็ง ความเหนียว และคุณสมบัติทนการกัดกร่อน ตลอดจนสีของสีของทองเหลืองเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณของสังกะสีที่ผสม เช่น ถ้าผสมสังกะสี ๔๐-๔๕% จะได้ความแข็งแรงสูงสุดเมื่อผสมสังกะสี ๒๕-๓๕% ถ้าเลยขอบเขตนี้ไปแล้วความเหนียวจะลดลงอย่างรวดเร็ว
ทองเหลืองที่ผสมสังกะสีไม่เกิน ๕% มีชื่อทางการค้าว่า gilding metal ใช้ทำเหรียญ เงินตราต่างๆ โล่ห์ ถ้วยรางวัล เครื่องประดับราคาถูก ทองปลอม และใช้เป็นโลหะสำหรับชุบทอง
ทองเหลืองที่ผสมสังกะสี ๑๐% เรียกว่า commercial bronze หรือบรอนซ์ทางการค้า แต่ความจริงเป็นทองเหลืองคุณสมบัติและการใช้งานคล้ายคลึงกับ gilding metal ส่วนทองเหลืองที่ผสมกับสังกะสี ๑๒.๕% เรียกว่า jewelry bronze ใช้ทำเครื่องประดับ
ทองเหลืองที่ผสมสังกะสี ๓๐% เรียกว่า cartridge brass ใช้ทำปลอกกระสุนปืน ทำท่อที่ต้องอาศัยการอัดขึ้นรูป (extrusion) หม้อน้ำระบายความร้อน ท่อควบแน่น โคมไฟ หมุด สปริง ทองเหลืองที่ผสมสังกะสี ๓๕% เรียกว่า yellow metal มีสีค่อนข้างเหลืองจัด คุณสมบัติและการใช้งานใกล้เคียงกับ cartridge brass ถ้าผสมสังกะสี ๔๐% เรียกว่า munts metal เป็นทองเหลืองที่มีความแข็งแรง และใช้งานในสภาพที่มีความร้อนสูงได้ดี ใช้ตีเป็นแผ่นแล้วนำมาหุ้มเรือเหล็ก ทำอุปกรณ์ควบแน่น วาล์ว สลัก กลอน ถ้าเปลี่ยนส่วนผสมเล็กน้อยโดยผสมสังกะสี ๓๙% และดีบุก ๑% จะได้ทองเหลืองที่เรียกว่า naval brass ใช้ทำอุปกรณ์ในเรือเดินทะเล วาล์ว เข็มแทงชนวนในปืนพก
ทองเหลืองที่มีทองแดง ๗๐% สังกะสี ๒๙% แลดีบุก ๑% เรียกว่า admirality brass ดีบุกที่ผสมลงไปเล็กน้อยทำให้ได้ทองเหลืองที่ทนทานต่อการกัดกร่อนดี มีความแข็งแรงสูงขึ้น ใช้ทำท่อควบแน่น ท่อแรกเปลี่ยนความร้อน
นอกจากนี้ยังมีทองเหลืองที่มีชื่อแตกต่างออกไปอีกหลายชนิดตามลักษณะการค้า และส่วนผสม เช่น ทองเหลือง ตะกั่ว (lead brass) ทองเหลืองดีบุก (tin brass) ทองเหลืองอลูมิเนียม (aluminium brass) ทองเหลืองซิลิคอน (silicon brass) โลหะผสมของทองแดงที่มีคุณสมบัติพิเศษและนิยมใช้งานมากในปัจจุบัน คือ ทองแดงนิกเกิล (cupronnickel) เป็นโลหะผสมที่มีทองแดงเป็นองค์ประกอบหลัก และมีนิกเกิลผสมอยู่ด้วย ๑๐-๑๕% และอาจมีเหล็ก แมงกานีส อลูมิเนียมผสมอยู่ด้วยเล็กน้อย นิกเกิลทำให้ทองแดงเปลี่ยนสีจากสีแดงเป็นสีเงิน โลหะผสมชนิดนี้มีความเหนียวสูง สามารถขึ้นรูปได้ทั้งร้อนและเย็น ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกัดกร่อนที่เกิดจากน้ำทะเล ใช้ในการทำท่อกลั่นอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนที่ใช้ในเรือเดินทะเล โลหะผสมของทองแดงอีกชนิดหนึ่งที่พบบ่อยและใช้มากในบ้านเรือนปัจจุบัน คือ โลหะผสมของทองแดง นิกเกิล และสังกะสี ซึ่งเป็นโลหะผสมที่มีสีเงิน มีชื่อเรียกว่า เงินนิกเกิล (nickel silver) หรือเงินเยอรมัน (German silver) มีทองแดง ๖๐% นิกเกิล ๑๐-๓๐% และสังกะสี ๑๐-๒๐% มีความแข็งแรงดี ทนต่อการกัดกร่อนสูง และต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน นิยมใช้แทนเงิน ในการทำช้อน ส้อม มีด
บรอนซ์อลูมิเนียม (aluminium bronze) เป็นโลหะผสมที่ทองแดงเป็นหลัก และมีอลูมิเนียมผสมอยู่ประมาณ ๕-๑๕% โดยอาจมีโลหะอื่นๆ เช่น เหล็ก นิกเกิล แมงกานีส ปะปนอยู่เล็กน้อย บรอนซ์อลูมิเนียมมีคุณสมบัติเชิงกลสูงแข็งแรง เหนียว ต้านทานการกัดกร่อนได้ดีทั้งที่อุณหภูมิห้องและที่อุณหภูมิสูง ไม่เกิน ๔๐๐ องศาเซลเซียส สามารถทำการชุบแข็งและอบคืนตัวได้ในลักษณะเดียวกันกับ เหล็กกล้าคาร์บอน ใช้ทำโลหะแบริ่ง (bearing metal) ซึ่งใช้ทำเป็นส่วนประกอบรองรับหัวท้ายของเพลาหมุน และใช้ในเครื่องยนต์กลไกต่างๆ การผลิตบรอนซ์อลูมิเนียมต้องใช้เทคโนโลยีสูงมาก เนื่องจากโลหะผสมดังกล่าวมีช่วงแข็งตัวแคบมาก มีการหดตัวสูง และดูดก๊าซได้มากระหว่างการหล่อหลอม
บรอนซ์ซิลิกอน (silicon bronze) เป็นโลหะผสมที่มีทองแดงเป็นหลัก และมีซิลิกอนผสมอยู่ เป็นโลหะผสมที่แข็งแรงมาก ใกล้เคียงกับบรอนซ์อลูมิเนียมและเหล็กกล้าที่ใช้ในงานก่อสร้าง มีความทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งทนน้ำทะเลได้ดี และสามารถทำการเชื่อมได้ดี จึงใช้ในการทำภาชนะที่มีความดัน เช่น ถังบรรจุขนาดใหญ่ ทำรูปหล่อรูปเคารพต่างๆ
บรอนซ์ฟอสฟอรัส (phosphor bronze) เป็นโลหะผสมที่มีทองแดงและดีบุกเป็นหลัก และเติมฟอสฟอรัสเล็กน้อยประมาณ ๐.๑-๑.๐% เพื่อกำจัดออกซิเจนระหว่างการหลอมเหลว เป็นโลหะผสมที่แข็งมาก มีความเค้นแรงดึงสูง ทนทานต่อก่อการกัดกร่อนได้ดี มีสัมประสิทธ์ความฝืดต่ำ จึงใช้เป็นโลหะแบริ่ง และใช้กับงานที่ต้องรับน้ำหนักสูงๆ
บรอนซ์เบริลเลียม (beryllium bronze) เป็นโลหะที่มีทองแดงเป็นองค์ประกอบหลัก และมีแบริลเลียมอยู่ด้วยไม่เกิน ๒.๗% มีความแข็งสูงใกล้เคียงกับเหล็กกล้าผสม มีความเค้นแรงดึงสูง ทนต่อการยืดตัวดี นำไฟฟ้าได้ดี และทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี ใช้ทำสปริง ไดอะแฟรม ที่ใช้ในบรรยากาศที่มีการกัดกร่อน และทำเครื่องมือประเภทที่ไม่ทำให้เกิดประกายไฟ เป็นโลหะผสมที่มีราคาแพง
โลหะผสมของทองแดงอีกชนิดหนึ่งที่เกิดจากการผสมทองแดงกับอาร์ซินิก (หรือสารหนู) ประมาณ ๓% ชื่อเรียกว่าทองแดงอาร์เซเนียล (arsenical copper) ถ้ามีอาร์ซีนิกผสมอยู่ ๒% จะมีสีเหมือนทอง แต่ถ้าผสมอาร์ซีนิก ๔-๖% จะมีสีคล้ายเงิน เป็นโลหะผสมที่ทนทานต่อการสึกกร่อนจากสภาพการใช้งานที่ต้องสัมผัสกับบรรยากาศที่มีการกัดกร่อนรุนแรงใช้ในการ ทำอุปกรณ์เครื่องควบแน่น เครื่องแรกเปลี่ยนความร้อน
ทองแดงผสมเงิน เป็นโลหะผสมที่ใช้ในการผลิตมอเตอร์ไฟฟ้างานหนัก เช่นมอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับขับเคลื่อนรถไฟอากาศยาน เงินที่ผสมลงไปช่วยเพิ่มระดับอุณหภูมิของการเกิดผลึกใหม่ให้แก่ทองแดง ช่วยป้องกันมิให้ชิ้นงานทองแดงอ่อนตัวเมื่อทำการบัดกรี
ทองแดงตัดง่าย (free-cutting copper) เป็นโลหะผสมของทองแดงที่มีเทลลูเรียมผสมอยู่ ๐.๖% เป็นโลหะผสมที่สามารถตกแต่งด้วยเครื่องจักรได้ง่าย ใช้ทำสลักเกลียว ตะปู หัวเชื่อม ชิ้นส่วนอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการความแม่นยำสูง
โลหะผสมที่ทำเลียนแบบทองหรือทองปลอม ในปัจจุบัน เป็นโลหะผสมที่มีทองแดง ๘๓% ดีบุก ๑๑.๕% กับแมกนีเซียม ๕% หรืทองแดง ๘๓% สังกะสี ๑๑.๕% กับแมกนีเซียม ๕% ซึ่งเป็นโลหะผสมที่มีเกรนเล็กละเอียด สามารถดึงรีดได้ดี เมื่อขัดผิวจะขึ้นเงา
จะเห็นได้ว่าความรู้จากการนำทองแดงมาใช้งานและเทคนิดการหล่อสำริดที่ก่อกำเนิดเมื่อ ๕,๐๐๐ ปีมาแล้ว ทำให้เกิดโลหะผสมของทองแดง ชนิดอื่นๆ เกิดขึ้นอีกมากมาย ที่มีบทบาทสำคัญทั้งในชีวิตประจำวัน และระดับอุสาหกรรมหนัก
สนิมคือสารประกอบที่เกิดจากโลหะทำปฏิกิริยากับสารอื่น เช่น ออกซิเจน น้ำ กรด ด่าง เกลือ แล้วเกิดเป็นสารประกอบใหม่ การที่โลหะเป็นสนิมง่าย เนื่องจากขณะทำการถลุงแร่เพื่อให้ได้โลหะบริสุทธิ์ ต้องมีการเติมพลังงานความร้อนเข้าไปในแร่ ซึ่งเป็นสารประกอบของโลหะ เพื่อแยกเอาโลหะออกมาจากแร่ ทำให้โลหะอยู่ในสภาวะที่ได้รับพลังงานความร้อนสูงกว่าที่เคยเป็น จึงอยู่ในสภาพที่ไม่มีเสถียรภาพ อะตอมของโลหะจึงพยายามกลับเข้าสู่สภาพเดิมที่มีเสถียรภาพมากกว่า โดยการคายพลังงานออกมา ทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีหรือไฟฟ้าเคมีกับสารประกอบที่อยู่รอบๆกระบวนการเช่นนี้เรียกว่า กระบวนการเกิดสนิม (corrosion process) สนิมจึงเป็นจุดสังเกตเริ่มแรกที่แสดงให้เห็นว่าโลหะวัตถุเริ่มเกิดการเสื่อมสภาพ
การที่โลหะชนิดใดจะเป็นสนิมได้ง่ายหรือยาก ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีของโลหะนั้นๆสภาพแวดล้อมและกรรมวิธีการผลิต โลหะบางชนิดสามารถทำปฏิกิริยากับสารประกอบต่างๆ ได้ง่าย จะเกิดสนิมภายในเวลาอันรวดเร็ว เช่น เหล็ก ทองแดง ในขณะที่โลหะบางชนิดไม่ค่อยทำปฏิกิริยากับสารประกอบต่างๆในสภาพแวดล้อมตามปกติ จึงไม่เกิดสนิมเช่น ทอง ทองคำขาว ฯลฯ กรรมวิธีในการผลิตมักส่งผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพของโลหะ เช่น การผลิตโลหะโดยวิธีการทุบหรือตีขึ้นรูปขณะเย็น จะได้ผลิตภัณฑ์ที่เปราะ แตกหักง่าย อัตราเร็วในการชำรุดเสื่อมสภาพของสำริดแต่ละชิ้นจึงไม่เท่ากัน สนิมที่เกิดขึ้นบนสำริดมีทั้งสนิมดีที่ควรเก็บรักษาไว้และสนิมอันตรายที่ต้องขจัดออก ดังนั้นก่อนที่จะดำเนินการใดๆ ควรพิจารณาหาสาเหตุที่ทำให้สำริดเกิดการเสื่อมสภาพและทำความรู้จักคุ้นเคยกับสนิมสำริด
สนิมสำริด
ศิลปะวัตถุ โบราณวัตถุที่ทำจากสำริด ไม่ว่าจะอยู่เหนือดินหรืออยู่ใต้ดิน จะเกิดสนิมปกคลุมบนผิวเสมอ สนิมสำริดมีหลายชนิด ซึ่งมีลักษณะแตกต่างกัน เพื่อความรวดเร็วจะจำแนกชนิดของสนิมตามสีของสนิม เช่นสนิมสีน้ำตาลแดง สนิมสีฟ้า สนิมสีเขียวเข้ม สนิมสีเขียว เป็นต้น สนิมที่มักพบบนสำริดได้แก่
- สนิมสีน้ำตาลแดงหรือสนิมทองแดงออกไซด์ เป็นสนิมที่มีชื่อทางแร่ว่า คิวไพรต์ (cuprite) เป็นกลุ่มสนิมที่เกิดขึ้นติดกับเนื้อโลหะ มีความแข็งประมาณ ๓.๕-๔ ตาม Mohs’ scale และไม่ละลายน้ำ
- สนิมสีเขียวเข้มหรือสนิมทองแดงคาร์บอเนต เป็นสนิมที่มีชื่อทางแร่ว่า มาลาไคต์ (malachite) มีชื่อทางเคมีว่าคอปเปอร์คาร์บอเนต ไฮดรอกไซด์ (copper carbonate hydroxide)
- สนิมสีน้ำเงิน เป็นสนิมที่มีชื่อทางแร่ว่า อะซูไรต์ (azurite) มีชื่อทางเคมีเป็น คอปเปอร์คาร์บอเนต ไฮดรอกไซด์ เช่นกัน แต่ต่างกันที่ประจุบวกของโลหะทองแดงที่เป็นองค์ประกอบของมาลาไคต์มีประจุ +๒ ในขณะที่โลหะทองแดงที่เป็นองค์ประกอบของอะซูไรต์จะมีประจุ +๓ เมื่ออะซูไรต์ได้รับความชื้นมากพอจะเกิดการเปลี่ยนแปลงกลายไปเป็นมาลาไคต์ จึงไม่ค่อยพบสารประกอบอะซูไรต์บนสำริดมากนัก
- สนิมสีเขียวอมฟ้าหรือสนิมทองแดงซัลเฟต เป็นสนิมที่มีชื่อทางแร่ว่า โบรแคนไทต์ (brochantite) มีชื่อทางเคมีว่า คอปเปอร์ซัลเฟต ไฮดรอกไซด์ (copper sulphate hydroxide) เป็นสนิมที่เกิดขึ้นทั่วไปบนโลหะผสมของทองแดง เมื่ออยู่ในอากาศที่มีก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ปะปนอยู่ หรือในดินที่มีอนุมูลซัลเฟต โบรแคนไทต์เป็นสนิมสีเขียวอมฟ้าที่มีลักษณะแวววาวดังแก้ว และมีเสถียรภาพมากที่สุดในบรรดาสนิมที่เกิดขึ้นบนโลหะผสมของทองแดง มีความแข็ง ๒.๕-๔ ตาม Mohs’ scale
- สนิมสีเทาหรือเขียวอมเทา เป็นสนิมที่มีชื่อทางแร่ว่า แนนโตไคต์ (nantokite) ชื่อทางเคมีคือ คิวปรัสคลอไรด์ (cuprous chloride) เกิดขึ้นบนผิวทองแดงและโลหะผสมของทองแดงได้หลายรูปแบบ ส่วนใหญ่เกิดขึ้นติดกับผิวโลหะใต้ชั้นทองแดงออกไซด์ หากเกิดสนิมที่มีลักษณะเป็นหลุมหรือเป็นรู ชั้นของคิวปรัสคลอไรด์จะอยู่ใต้ผิวของโลหะ บางกรณีคิวปรัสคลอไรด์เกิดขึ้นเหนือชั้นทองแดงออกไซด์ โดยอยู่ระหว่างชั้นของทองแดงออกไซด์และทองแดงคาร์บอเนต เมื่อคิวปรัสคลอไรด์ได้รับความชื้นและออกซิเจน จะเปลี่ยนไปเป็นอะทาคาไมต์ ซึ่งมีลักษณะเป็นผงสีเขียว
- สนิมสีเขียวอ่อน เป็นสนิมที่มีชื่อทางแร่ว่า พาราทาคาไมต์ (paratacamite) หรืออะทาคาไมต์ (atacamite) มีชื่อทางเคมีว่า คิวปริกคลอไรด์ ไตรไฮเดรต (cupric chloride trihydrate) เรียกอีกอย่างหนึ่งว่าสนิมกัดกร่อน หรือ bronze disease มักพบในลักษณะที่เป็นผงสีเขียวอ่อนอยู่ในหลุม หรือรูบนผิวหน้าของสนิมทองแดงคาร์บอเนต สนิมชนิดนี้เมื่อเกิดขึ้นแล้วสามารถลุกลามแพร่กระจายกัดกินเนื้อโลหะต่อไปเรื่อยๆ หากไม่ได้รับการดูแลรักษาที่ถูกต้อง
ในบรรยากาศปกติ หากอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอากาศบริสุทธิ์ปราศจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ในระยะเวลาอันสั้นจะมีสนิมออกไซด์ปกคลุมผิวเป็นชั้นบางๆ ชั้นสนิมดังกล่าวช่วยปิดกั้นผิวโลหะไม่ให้ทำปฏิกิริยากับอากาศ สนิมทองแดงออกไซด์ที่เกิดขึ้นนี้ มีสีน้ำตาลแดง มีชื่อทางแร่ว่า คิวไพรต์ (cuprite) เมื่อเกิดสนิมทองแดงออกไซด์มากขึ้น ชั้นของสนิมจะหนาขึ้น ทำให้ผิวของโลหะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้น้อยลง ทำให้ปฏิกิริยาการเกิดสนิมทองแดงออกไซด์ช้าลง หากสภาพแวดล้อมมีความชื้นต่ำ การเกิดสนิมทองแดงออกไซด์จะหยุดลง แต่เมื่อใดที่สภาพแวดล้อมมีความชื้นสูง ความชื้นจะช่วยเร่งให้เกิดปฎิกิริยาการเกิดสนิมออกไซด์ต่อไป แต่อัตราการเกิดสนิมจะช้าลง
หากบรรยากาศมีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อยู่มากกว่า ๐.๐๔% และในน้ำฝนมีปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อยู่ ๐.๔ ส่วนในล้านส่วน (ppm) และมีค่าความเป็นกรดปานกลาง คือมีค่าประมาณ ๕.๘ จะทำให้เกิดสนิมสีเขียวเข้มมาลาไคต์ (malachite) และสนิมสีดำทีโนไรต์ (tenorite) บนสำริด สนิมมาลาไคต์เป็นสนิมที่มีเสถียรภาพมาก เมื่อเกิดขึ้นบนผิวสำริดแล้วจะช่วยปกป้องเนื้อสำริดที่อยู่ภายใต้มิให้เกิดสนิมอีกต่อไป ดังนั้นจึงควรรักษาไว้
ในขณะที่สำริดถูกฝังอยู่ใต้ดินซึ่งมีความชื้นสูงหรืออยู่ในสภาพเปียก โลหะสามารถเกิดการเสื่อมสภาพได้จากกระบวนการเคมีไฟฟ้า (electrochemical process) เนื่องจากโครงสร้างของโลหะในสถานะของแข็งมีลักษณะแบบโครงสร้างผลึก (lattice structure) ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายตารางเกิดจากหน่วยเซลล์ที่มีรูปร่างเป็นลูกบาศก์สามมิติที่เกาะกันอย่างต่อเนื่องไร้ขอบเขตมีอะตอมของโลหะ เช่น โลหะทองแดงอยู่บริเวณมุมของหน่วยเซลล์ และมีอิเล็กตรอนล้อมรอบอะตอมของโลหะนั้นๆ อิเล็กตรอนมีประจุลบ จะวิ่งอยู่รอบๆ อะตอมของทองแดงที่เป็นประจุบวก อิเล็กตรอนเหล่านี้มีอิสระที่จะวิ่งไปมาภายในโคลงสร้างของผลึกทองแดง จึงเกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้า เมื่อสำริดถูกฝังอยู่ใต้ดินที่มีความชื้นสูง มีออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ ซัลไฟด์และอนุมูลคลอไลด์ ทำให้โลหะสำริดิอยู่ท่ามกลางสารละลายที่มีฤทธิ์เป็นกรด ด่าง และเกลือ กระบวนการเคมีไฟฟ้าจึงเกิดขึ้น
โดยจะเกิดกระแสไฟฟ้าที่ผิวบริเวณใดบริเวณหนึ่งที่เปรียบเสมือนขั้วบวกของวงจรไฟฟ้า (anode) กระแสไฟฟ้าดังกล่าวเคลื่อนสู่ดินแล้วเคลื่อนเข้าสู่ผิวโลหะอีกบริเวณหนึ่งที่เปรียบเสมือนขั้วลบของวงจรไฟฟ้า (cathode) ผิวโลหะบริเวณที่กระแสไฟฟ้าเคลื่อนสู่ดินจะเกิดการกัดกร่อน ส่วนผิวโลหะที่บริเวณที่กระแสไฟฟ้าเคลื่อนจากดินเข้าสู่โลหะจะไม่เกิดการกัดกร่อน สำริดที่เกิดการเสื่อมสภาพจากกระบวนการเคมีไฟฟ้ามักมีผิวขรุขระ เป็นปุ่มปม และหลุมบ่อ
โดยทั่วไป การเกิดสนิมสำริดสามารถเกิดขึ้นได้ ๒ ลักษณะคือ
๑. การเกิดสนิมที่ผิว เป็นการเกิดสนิมที่พบเห็นกันทั่วไป กล่าวคือเกิดขึ้นทั่วทั้งผิวหน้าของวัตถุ เมื่อสำริดอยู่ในสภาพแวดล้อมที่บรรยากาศมีออกซิเจน ความชื้น คาร์บอนไดออกไซด์ หรือซัลไฟด์ จะเกิดสนิมทองแดงออกไซด์บนผิวหน้าโลหะทองแดง และอาจเกิดสนิมสีเขียวเข้มทองแดงคาร์บอเนตบนสนิมทองแดงออกไซด์ สำริดที่ถูกฝังอยู่ใต้ดินจะเกิดสนิมทองแดงออกไซด์และสนิมทองแดงคาร์บอเนตบนผิวหน้าของสำริดเช่นกัน เนื่องจากบริเวณหนึ่งขณะนั้นเป็นขั้วบวกและเกิดเป็นขั้วลบในเวลาต่อมา
ลักษณะการเกิดสนิมแบบนี้ทำให้เกิดสนิมชนิดดีที่เรียกว่า patina ทั่วทั้งผิวหน้าวัตถุ เป็นสนิมชนิดที่มีผิวเรียบและชั้นของสนิมเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่ยังคงรักษารูปร่างและลายละเอียดของวัตถุไว้ ในปัจจุบันนี้คำว่า patina มักจะหมายถึงสนิมสีสวยซึ่งเป็นสนิมสีเขียวเข้มทองแดงคาร์บอเนต เกิดขึ้นปกคลุมผิวหน้าของวัตถุอย่างสม่ำเสมอ และดูสวยงาม และช่วยปกป้องเนื้อโลหะที่อยู่ภายใต้ สนิมชนิดนี้ไม่ควรขจัดออก
๒. สนิมที่มีลักษณะเป็นหลุมหรือเป็นรู เป็นลักษณะของการเกิดสนิมเฉพาะแห่ง บริเวณที่เกิดสนิมจะเป็นจุดขนาดเล็กและเป็นหลุมลึกลงไปในเนื้อวัตถุ อาจเกิดเป็นบริเวณกว้างก็ได้ หากปัจจัยต่างๆ เอื้ออำนวย บริเวณที่เกิดสนิมจะมีบางส่วนปูดขึ้นด้านบน แต่ในขณะเดียวกันสนิมก็จะกระจายลึกลงไปด้านล่างด้วย ลักษณะคล้ายหูด สาเหตุที่เกิดเช่นนี้เพราะสำริดที่ถูกฝังอยู่ในดินทำปฏิกิริยากับอนุมูลคลอไรด์ที่มีปะปนอยู่ในดิน อนุมูลคลอไรด์อาจมาจากปุ๋ยที่ใช้ในการเพาะปลูก หรือมาจากกิจกรรมของมนุษย์ หรือมาจากแหล่งน้ำกร่อยใต้ดินหรือจากน้ำทะเล หรือมาจากแหล่งเกลือสินเธาว์ บางส่วนของเนื้อโลหะทำหน้าที่เป็นตัวให้อิเล็กตรอน ทำให้โลหะจุดนั้นเป็นประจุบวกและเกิดวงจรไฟฟ้าขึ้น จึงทำให้เนื้อโลหะตรงจุดที่มีการให้อิเล็กตรอนเกิดการกัดกร่อนลึกลงไปในเนื้อโลหะ สำริดที่จัดแสดงอยู่ใกล้ทะเล จะมีละอองของน้ำทะเลหรือน้ำฝนที่มีอนุมูลคลอไรด์มาเกาะบนผิวสำริด ทำให้เกิดสนิมกัดกร่อนชนิดนี้ได้
สนิมของทองแดงจะปกคลุมผิวเดิมของวัตถุ และเปลี่ยนคุณสมบัติของโลหะทองแดง ที่มองเห็นได้ชัดเจนคือการเปลี่ยนสี ทำให้ผิวโลหะหมองคล้ำ ขาดความแข็งแรงและขาดความคงทน ทำลายรูปร่างของผิวเนื้อโลหะเดิม ทำให้โลหะเปลี่ยนแปลงไปโดยเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีระหว่างโลหะทองแดงกับอนุมูลต่างๆดังกล่าวมาแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าโลหะทองแดงทำปฏิกิริยากับอนุมูลคลอไรด์จะเกิดสนิมชนิดที่มีอันตรายที่เรียกกันว่า สนิมอันตรายหรือสนิมกัดกร่อนลักษณะเป็นผงหรือขุยสีเขียวอ่อน เกิดขึ้นเป็นจุดบนผิวโลหะทองแดงหรือโลหะผสมของทองแดง สนิมชนิดนี้เป็นสนิมที่มีอันตรายมากที่สุดต่อโลหะผสมของทองแดง เนื่องจากเมื่อเกิดขึ้นแล้วจะสามารถลุกลามทำลายความมั่นคงแข็งแรงของโลหะให้หมดไป โดยกัดทำลายเนื้อโลหะให้เปลี่ยนไปเป็นสนิม ทำให้ลักษณะทางกายภาพและคุณสมบัติต่างๆ ของวัตถุเปลี่ยนไปอย่างเห็นได้ชัดเจน และสุดท้ายวัตถุทั้งชิ้นจะถูกทำลายผุพังอย่างสิ้นเชิง ไม่อาจจะคงรูปร่างอยู่ได้
การป้องกันการเสื่อมสภาพ
อัตราการชำรุดเสื่อมสภาพของสำริดจะลดน้อยลง หากได้รับการดูแลรักษาด้วยวิธีที่ถูกต้อง หากพบว่าสำริดมีฝุ่นหรือดินเกาะ ควรขจัดออกโดยการใช้ไม้ปลายแหลมสะกิดออก และใช้แปรงขนอ่อนๆปัดออก หลีกเลี่ยงการใช้วิธีการที่รุนแรง หลีกเลี่ยงการใช้สารเคมี ทำความสะอาดแต่พอสมควร ไม่ควรทำความสะอาดมากเกินไป จนทำลายสนิมที่ดีของสำริด หากยังไม่รักษาสนิมกัดกร่อนได้ ควรเก็บรักษาวัตถุในที่ที่แห้ง เพื่อป้องกันมิให้สนิมกัดกร่อนลุกลามกระจายมากขึ้น
การหยิบยกเคลื่อนย้ายที่ไม่ถูกวิธีเป็นสาเหตุที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่ทำให้สำริดชำรุดเสื่อมสภาพมากขึ้น การจับต้องเคลื่อนย้ายอย่างไม่ระมัดระวังทำให้เกิดรอยขีดข่วน หักงอ บิดเบี้ยว หรือเกิดการแตกหักได้ ดังนั้นควรเพิ่มความระมัดระวังและเอาใจใส่ สิ่งที่ควรปฏิบัติขณะหยิบยกเคลื่อนย้ายวัตถุสำริดมีดังนี้
๑. ตรวจสภาพวัตถุสำริดก่อนการหยิบยกเคลื่อนย้าย พยายามหลีกเลี่ยงการจับบริเวณที่มีความเปราะบางแตกหักง่ายหรือบริเวณที่มีการเชื่อมต่อโลหะไว้ หลีกเลี่ยงการแตะบริเวณที่มีการเขียนสี
๒. ควรสวมถุงมือผ้าในการหยิบยกเคลื่อนย้าย เนื่องจากมือมักจะมีคราบเหงื่อและไขมัน ทำให้เกิดรอยนิ้วมือรอยเปื้อนบนวัตถุได้และก่อให้เกิดความเสื่อมสภาพในเวลาต่อมา ควรใช้ถุงมือสีขาว เนื่องจากสังเกตได้ง่ายว่าถุงมือสะอาดหรือไม
๓. ควรใช้มือทั้งสองข้างรองรับน้ำหนักของวัตถุไม่ว่าวัตถุจะมีน้ำหนักเบาก็ตาม ลักษณะการรองรับควรใช้มือข้างหนึ่งจับตรงบริเวณที่มีความมั่นคงแข็งแรง ไม่เปราะหักง่ายและมืออีกข้างหนึ่งจับในลักษณะประคองไว้ไม่ให้เสียความสมดุลย์ หลีกเลี่ยงการหยิบยกในลักษณะที่หิ้ว
๔. การเคลื่อนย้ายวัตถุสำริดจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ควรใช้รถเข็น หากวัตถุนั้นมีน้ำหนักไม่มากนัก ควรจัดหาถาดหรือตระกร้าแต่ต้องมีวัสดุนุ่มรองรับข้างใต้เพื่อป้องกันการกระแทก เช่น โฟม ฟองน้ำ แผ่นพลาสติกกันกระแทก
๕. หลีกเลี่ยงการเคลื่อนย้ายวัตถุจำนวนมากในคราวเดียวกัน และควรมีวัสดุห่อหุ้มวัตถุเพื่อป้องกันการเสียดสีระหว่างกัน เช่น การใช้ผ้าฝ้ายสีขาวที่ซักแล้ว กระดาษสา กระดาษทิชชู พลาสติกกันกระแทก
๖. จัดกำลังคนที่ต้องใช้ในการเคลื่อนย้ายให้พอเหมาะกับน้ำหนักและปริมาณของวัตถุ
๗. มีการวางแผนไว้ล่วงหน้า หยิบยกเคลื่อนย้ายด้วยความระมัดระวัง ไม่รีบร้อนจนเกินเหตุที่อาจทำให้วัตถุเกิดการพลัดหล่นหรือสะดุดขาผู้ปฏิบัติงานจนเกิดการหกล้มเป็นเหตุให้วัตถุเกิดการแตกหัก หรือบุบเบี้ยว
๘. วัตถุที่มีรูปทรงสูง ต้องเคลื่อนย้ายในแนวนอน หากจำเป็นต้องเคลื่อนย้ายในแนวตั้ง ต้องแน่ใจว่ามีการประคองด้วยความมั่นคง
๙. ควรหยิบยกให้น้อยครั้งที่สุดเท่าที่จำเป็นเนื่องจากมิอาจคาดเดาได้ว่าจะเกิดอุบัติเหตุเมื่อใดกับวัตถุขณะทำการเคลื่อนย้าย
๑๐. ขณะเคลื่อนย้ายสำริด ควรถอดเครื่องประดับที่ทำด้วยโลหะออกจากตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นาฬิกา แหวน กำไล หัวเข็มขัด กระดุม ฯลฯ เพื่อหลีกเลี่ยงรอยขีดข่วนบนสำริด
ข้อควรระวังในการเก็บรักษาและจัดแสดง
สำริดทำปฏิกิริยากับความชื้นและก๊าซต่างๆในอากาศแล้วเกิดเป็นสนิมชนิดต่างๆได้เร็วมาก ดังนั้นจึงควรป้องกันการเกิดสนิมดังกล่าว โดยเก็บรักษาหรือจัดแสดงในที่แห้งๆโดยเฉพาะอย่างยิ่งวัตถุที่ได้จากการขุดค้นทางโบราณคดีหรือวัตถุสำริดที่มีสนิมกัดกร่อนเกิดขึ้นแล้ว แต่ยังไม่ได้รับการอนุรักษ์ โดยทั่วไปวัตถุประเภทโลหะควรเก็บในบริเวณที่มีความชื้นสัมพัทธ์ ๓๐% จะช่วยป้องกันการเกิดสนิมได้เป็นอย่างดีแต่เนื่องจากประเทศไทยตั้งอยู่ในเขตร้อนชื้น จึงเป็นการยากที่จะควบคุมระดับความชื้นให้ต่ำมากๆได้ วัตถุสำริดควรเก็บอยู่ในที่ที่มีความชื้นสัมพัทธ์ไม่เกิน ๕๕% ดังนั้นจึงมีความจำเป็นต้องใช้สารดูดความชื้นภายในตู้จัดแสดงหรือตู้ที่จัดเก็บวัตถุ สารดูดความชื้นมีหลายชนิด เช่น แคลเซียมคลอไรด์ ซิลิกาเจล สารดูดความชื้นที่หาซื้อได้ง่ายและเป็นที่นิยมใช้คือ ซิลิกาเจล
โดยจะต้องใช้ซิลิกาเจลปริมาณพพอเหมาะ จึงจะสามารถควบคุมความชื้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น หากต้องการรักษาระดับความชื้นให้ต่ำกว่า ๕๐% ควรใช้ซิลิกาเจลอย่างน้อย ๔-๕ กิโลกรัมต่อปริมาตร ๑ ลูกบาศก์เมตร และควรต้องหมั่นเปลี่ยนซิลิกาเจล เมื่อเครื่องวัดความชื้นอ่านค่าความชื้นเกิน ๕๐% หรือหากใช้ซิลิกาเจลที่มีสีอยู่ในตัวเอง ควรเปลี่ยนซิลิกาเจลเมื่อสีของซิลิกาเจลเปลี่ยนจากสีน้ำเงินอมม่วงไปเป็นสีม่วงอมชมพู เพราะแสดงว่าซิลิกาเจลนั้นๆ ดูดความชื้นไว้ในตัวเองมากจนไม่สามารถดูดความชื้นที่เพิ่มขึ้นได้อีก ซิลิกาเจลที่เปลี่ยนสีแล้วสามารถนำไปอบให้ร้อน เพื่อไล่ความชื้นออกและนำกลับมาใช้ได้อีก
การเก็บรักษาวัตถุสำริดควรเก็บในภาชนะหรือบรรจุภัณฑ์ที่ปิดได้มิดชิด เช่น ตู้ กล่อง ถุงพลาสติก ฯลฯ เพื่อป้องกันก๊าซต่างๆ ที่มาสัมผัสกับวัตถุ วัตถุที่มีขนาดเล็กอาจเก็บในถุงโพลีเอทธีลีน (polyathylene) ที่มีซิปปิดถุง ซึ่งสามารถป้องกันทั้งความชื้นและก๊าซได้พอสมควร โดยไม่ทำให้เกิดสนิมเพิ่มขึ้น หรืออาจป้องกันความชื้นและก๊าซที่จะสัมผัสกับวัตถุโดยการทาสารเคลือบผิวประเภทอะคริลิคที่มีคุณสมบัติเหมาะสม