तांबे आणि कथिल यांचे मिश्रधातू कासे या नावाने प्राचीन काळापासून उपयोगात आहेत. पण नंतरच्या यांत्रिक युगात त्यांचे प्रकार आणि उपयोग बरेच व्यापक झाले. काशांच्या या समूहात आता ॲल्युमिनियम कासे, सिलिकॉन कासे, बेरिलियम कासे इत्यादींचाही समावेश केला जातो.

इतिहास : कासे हा  मानवाने बनविलेला बहुधा पहिलाच मिश्रधातू असावा आणि त्याचा  शोधही अकल्पितपणे लागला असला पाहिजे. तांब्याची धातुके (Ore) वितळवून शुद्ध करताना त्यांत कथिल अपद्रव्य म्हणून राहून गेले असावे व हा नवीन मिश्रधातू अशा रीतीने तयार झाला असावा. काशाचा प्रथम वापर पश्चिम आशियाच्या भागात इ.स.पू.सु.३५०० च्या सुमारास झाला असावा असा तर्क आहे आणि साधारण हजार एक वर्षांनंतर तो  सर्रास प्रचारात आला असावा. त्या सुमारास सुरे, कुऱ्हाडी, नांगराचे फाळ, वस्तरे, हातोडे इ. हत्यारांसाठी व तसेच शिरस्त्राणे, ढाली, चिलखते इ. युद्धोपयोगी सामग्रीसाठी तो  वापरात होता. इ.स.पू. अंदाजे ३०० च्या सुमारास काशाचे आरसे, मूर्ती व शोभेच्या वस्तूही बनविण्यात येत असत व त्यांचे ओतकाम फर्मावितळ – वितळणाऱ्या पदार्थाचा नमुना तयार करून ओतकाम करण्याच्या – पद्धतीने होत असे.

भारतात मोहें-जो-दडो व हडप्पा संस्कृतींच्या काळात काशाचे व तांब्याचे पत्रे बनवीत व ते साच्यात घालून त्यांची जोडणी करून निरनिराळ्या प्रकारची भांडी बनवीत असत. तसेच भाल्यांची टोके, आंब्याच्या पानांच्या आकाराच्या सुऱ्या, पक्ष्यांच्या पंखांच्या आकाराची बाणांची टोके, कुऱ्हाडीची चपटी पाती इ. शस्त्रे व आयुधेही काशाची केलेली सापडली आहेत.

आ.१. तांबे – कथिल घटना तपमान संबंध

तांबे-कथिल काशाची घटना : तांब्याच्या अणूंच्या जालिकेत कथिलाचे अणू बदली पद्धतीने समाविष्ट होऊन घन विद्राव  तयार होतात. आ.१ मध्ये तांबे-कथिल काशाची घटना व तपमान यांचा संबंध आलेखाने दाखविला आहे. आकृतीत  α, β, γ δ, ε (आल्फा, बीटा, गॅमा, डेल्टा व एप्सायलॉन) असे पाच भिन्न घटक २०% कथिलापर्यंतच्या मिश्रधातूंत दाखविले आहेत. त्यांपैकी α घटक सर्वात जास्त उपयुक्त घन विद्राव असून त्यात ६०० से. तपमानाला १५.८%  कथिल सामावते,पण २० से. ला ते एक टक्क्याइतके खाली येते. दुसरा घटक β हा सुध्दा एक घन विद्राव असून α+β या मिश्रणाचे ५८६० से.ला α + γ  या मिश्रणात, ५२० से. ला α + δ या मिश्रणात व शेवटी ३५० सें. ला α + ε या मिश्रणात रुपांतर होते. ही नंतरची मिश्रणे क्रमाने जास्त कठीण व ठिसूळ होत जातात.

मिश्रणांच्या सीमेतसुद्धा ७ टक्क्यांहून जास्त कथिल असल्यास δ घटकाची उत्पत्ती थांबविणे अशक्य होते व या δ च्या प्रभावामुळे लाटण वगैरे घडाईच्या क्रिया करणे अवघड होते.

कथिलाच्या वापरातील वरील अडचणींमुळे आणि तसेच ते महाग असल्याने कासे बनविताना कथिलाचे प्रमाण १०-१२ टक्क्यांच्यावर क्वचितच ठेवतात. जस्त वगैरे स्वस्त धातू मिसळून कथिलाचे प्रमाण कमी करता येते.

तांबे-कथिल मिश्रधातूचे प्रकार : काशाच्या ह्या प्रकारात खालील उपप्रकार गणले जातात.

(१) नाण्यांचे कासे (Coin Bronze) : यात ०⋅५% ते ३⋅५% कथिल असते आणि ते घटकीय असते. ही घटना नाणी पाडण्यास योग्य आहे पण अलीकडे कथिलाच्या वाढत्या किंमतीमुळे त्याचे प्रमाणे ३⋅५ वरुन ०⋅५% आणले गेले आहे. बाकीच्या कथिलाच्या जागी २⋅५% जस्त वापरले जाते.

(२) डमिरॅल्टी गन मेटल (Admiralty Gun Metal) : या मिश्रधातूत १०% कथिल व २% जस्त असून त्याचे अंतिम ताणबल (Ultimate Tensile Strength) २८ Kgs/mm2 व लांबीतील वाढ २०% असते. आरमारी तोफांसाठी हा  मिश्रधातू पूर्वी वापरीत म्हणून त्याला  हे नाव पडले होते. आता तोफांसाठी उच्च प्रतीचे पोलाद वापरीत असले, तरी ते नाव चालू राहिले आहे. या मिश्रधातूची घडाई ५९० से.च्या वरच्या तपमानाला होऊ शकते. याचे  अलीकडील उपयोग म्हणजे (अ) ओतिवे बनविण्यास, (आ) खाऱ्या पाण्यामुळे गंजण्यास रोध करण्यासाठी व (इ) धारव्यांतील (फिरणारे दंड योग्य स्थितीत ठेवणाऱ्या आधारांतील, बेअरिंगांतील) घर्षण तुकडे बनविण्यासाठी, हे होत.

(३) गन मेटल (Gun Metal) : यात कथिल, जस्त व शिसे प्रत्येकी ५% असतात, अशा रीतीने कथिलाचे प्रमाण कमी करून त्याऐवजी जस्त व शिसे वापरले तरीसुध्दा त्याच्या गुणात व उपयुक्ततेत फरक होत नाही. ओतीव स्थितीतही त्याचे ताणबल सुमारे २० Kgs/mm2 व लांबीतील वाढ २५% असते. दंतचक्रे वाफ वाहून नेणारे नळ जोडणारे भाग, पंप, झडपा वगैरेंसाठी याचा सर्वसामान्यतः उपयोग करतात.

(४) घंटा कासे (Bell Metal) : सु.२०% कथिल असलेले हे कासे निनादणाऱ्या घंटा ओतण्यासाठी वापरतात. त्यातील ८ व म् सारखे कठीण घटक ध्वनिकंपने टिकवून धरतात आणि नाद जास्त वेळ घुमतो. याचे अंतिम ताणबल अंदाजे २५-३० Kgs/mm2 असते.

आ. २. काशातील कथिलाचे प्रमाण व यांत्रिक गुणधर्म : (१) लांबीत होणारी वाढ, (२)कठीण जातीचे ताणबल, (३)नरम जातीचे ताणबल, (४) विद्युत् संवाहकता.

(५) फॉस्फर कासे (Phosphorus Bronze) : साधे कासे वितळविताना कथिलाचे होणारे ऑक्सिडीभवन त्यात फॉस्फरस मिसळून थांबविता येते. साधारण ३ ते १०% कथिलाच्या काशात ०⋅१ ते ०⋅३५% फॉस्फरस मिसळतात. अशा तऱ्हेने फॉस्फर कासे मिळते. त्याचे अंतिम ताणबल ३५ Kgs/mm2  व ६५% लांबीतील वाढ असलेल्या तारा काढता येतात. तसेच या प्रकाराचा टरबाइनाची पाती व धारव्यातील घर्षण तुकडे बनविण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात उपयोग होतो. या काशातील कथिलाची प्रमाण-सीमा २० ते १०% पर्यंत पसरली असल्याने त्यातील कथिलाच्या प्रमाणावरुन त्याचे पुढील उपप्रकार झालेले आहेत : प्रत ए-५%, प्रत सी-८%, प्रत डी-१०% व प्रत ई-१⋅० ते १⋅५% कथिल. १⋅२५% किंवा त्याहूनही कमी कथिल असलेली मिश्रधातू विद्युत्‌ स्पर्शकासाठी, रूळगाड्यांच्यावरील विद्युत्‌ वाहक तारांसाठी, त्याचप्रमाणे लवचिक नळ्यांसाठी वापरतात. शीत घडवणीनंतर तापवून हळूहळू थंड न केलेल्या व केलेल्या मिश्रधातूचे अंतिम ताणबल अनुक्रमे ५० व २५ Kgs/mm2, लांबीतील वाढ ५% व ५०% असते.

तांबे-कथिल काशातील वाढत्या कथिलाच्या प्रमाणाचा मिश्रधातूंच्या यांत्रिक गुणधर्मावर होणारा परिणाम आ.२ मध्ये दाखविला आहे. या आकृतीतील आलेखांवरून पुढील गोष्टी दिसून येतात नरम व कठीण अशा दोन्ही जातींच्या काशांचे ताणबल व नरम जातीची ताणल्यावर लांबीत होणारी वाढ ही कथिलाच्या वाढत्या प्रमाणाबरोबर वाढत जातात  – मात्र ८% नंतर कमी होते –  व दोन्ही जातींची विद्युत्‌ संवाहकता सुरुवातीला एकदम कमी होते व साधारण ६: पासून पुढे तिचे कमी होण्याचे प्रमाण अगदी अल्प राहते. या आकृतीत कथिलाच्या १०% प्रमाणापर्यंतच काशाच्या वरील गुणधर्मांवरील परिणाम दाखविलेला आहे. पण ताण व संपीडनबल  – दाब सहन करण्याची ताकद –  ही दोन्ही सुमारे २०% पर्यंत वाढतच राहतात. मात्र लांबीत होणाऱ्या वाढीचे प्रमाण कमीच होत राहते. या संदर्भात काशाची एक विशेष लक्षात ठेवण्यासारखी गोष्ट म्हणजे त्याचे प्रत्यक्षातील वि.गु. तांबे आणि कथिल यांच्या प्रमाणांवरून गणिताने काढलेल्या विशिष्ट गुरुत्वापेक्षा अधिक राहते. याचे कारण म्हणजे मिश्रण करीत असताना या दोन धातूंमध्ये काही प्रमाणात रासायनिक संयोगही होतो व या दोन धातूंचा रासायनिक संयोग होताना मिश्रधातूच्या व्यापांचे आकुंचन होते, हे होय.

आ.३. गोठणबिंदू आलेख

तांब्यात जसजसे कथिल मिसळीत जावे तसतसा त्याचा तांबूसपणा कमी कमी होत जातो व शेवटी कथिलाचे प्रमाण ३०% किंवा अधिक झाल्यास ती मिश्रधातू पांढरी दिसते. ६६% तांबे व ३४% कथिल असलेली मिश्रधातू ‘स्पेक्युलम’ नावाने प्रसिद्ध असून तिला उजाळा दिला असता ती जवळजवळ रुप्यासारखी पांढरी दिसते. या धातूचा उपयोग जुन्या काळी आरसे बनविण्यास होत असे. आता तिचे परावर्तक बनवितात.

काशातील कथिलाच्या प्रमाणाशी संबंधित असा या मिश्रधातूच्या गोठणबिंदूचा आलेख जर काढला (आ. ३) तर त्याचे स्वरूप क्लिष्ट असल्याचे दिसते. मुख्य आलेखाच्या (जाड रेषा) खाली बरेच दुय्यम गोठ‌णबिंदू आढळतात आणि याच दुय्यम बिंदूंचा या धातूच्या भौतिक गुणधर्मांवर प्रामुख्याने परिणाम होतो. मिश्रधातूत 5 टक्क्यांच्या वर कथिल असल्यास ती एकजिनसी गोठत नाही हा निष्कर्ष यावरून निघतो. कथिलाचे प्रमाण वाढत गेल्यास मिश्रणातील घटक वेगळे होण्याची  प्रवृत्ती त्यात उत्पन्न होते आणि अर्थातच मग हे दोन घटक वेगवेगळ्या तपमानांत गोठतात. काशाच्या या वैशिष्ट्यामुळे त्याचे ओतकाम करण्यात अडचणी उत्पन्न होतात व ठरविलेल्या प्रमाणाच्या काशाची समांगी ओतिवे बनविणे फारच कठीण जाते. तांब्याचा वितळबिंदू (Melting Point) १,०८३ से., तर कथिलाचा २३२ से. असल्याने त्यांचे मिश्रण तयार करताना विशेष काळजी घ्यावी लागते. शिवाय तांब्यापेक्षा कथिल हलके असल्यामुळे ते रसाच्या वर तरंगण्याचा संभव असतो. असे झाल्यास त्याचे हवेच्या संपर्काने जलद पेरॉक्साइड होऊ लागते. म्हणून कथिलाचे ऑक्सिडीभवन न होऊ देणे अतिशय महत्त्वाचे असते. त्यासाठी लाकडी कोळशाचा थर रसावर ठेवतात किंवा बनलेले ऑक्साइड वेगळे करण्यासाठी रसात थोडा फॉस्फरस टाकतात.

तांबे-कथिल काशात अन्य धातूंचा प्रभाव : या मिश्रधातू समूहात २% शिसे मिसळल्याने त्याचे कर्तन सोपे होते. ८ ते ३०% शिसे असलेल्या काशांना आकार्य कासे  – सहज आकार देण्यास योग्य असे कासे, प्लॅस्टिक ब्राँझ –  म्हणतात.

ह्यांचा उपयोग धारव्यातील घर्षण तुकडे करण्यासाठी होतो. हे तुकडे नरम पोलादी दंडाच्या धुऱ्यांसाठी उत्तम असतात. १४-२० % कथिल आणि १% फॉस्फरस मिसळून कठीण घर्षण तुकडे बनवितात. २⋅५ % कथिल, १⋅५% क्रोमियम आणि १⋅५ % लोह मिसळून अत्यंत घर्षणरोधी क्रोमियम आणि १.५ % लोह मिसळून अत्यंत उच्च तापमानातही ते चांगले घर्षणरोधन करू शकते. अंतर्ज्वलन एंजिनात ( Internal Combustion Engine) झडपांच्या मार्गदर्शकासाठी, तसेच घर्षण नळ्या व दंतचक्रांसाठी या काशाचा चांगला उपयोग होतो.

तांबे व कथिल यांच्या मिश्रधातूलाच जरी मुख्यत: कासे असे नाव दिलेले असले, तरी आधुनिक काळात झालेल्या धातुविज्ञानातील संशोधनामुळे तांब्याच्या काही नव्या मिश्रधातू वापरात आल्या आहेत. या मिश्रधातूंत कथिल नसले तरी त्यांना कासेच म्हटले जाते. मात्र त्यांच्या मागे एखाद्या दुसऱ्या धातूचे विशेषण लावतात.

आ.४. तांबे – ॲल्युमिनियम घटना तपमान संबंध

ॲल्युमिनियम कासे (Aluminium bronze) : ही तांबे व ॲल्युमिनियम यांची मिश्रधातू आहे. या दोन धातूंची घटक-रचना आ. ४ वरून स्पष्ट होते. यात  घन विद्रावाची कमालमर्यादा ९⋅४% ॲल्युमिनियमात आहे. त्यापलीकडे कठीण  घटक १,०३७ से. पासून ५६५से. पर्यंत आढळतो.

५६५ से. खाली चे घटकात रूपांतर होते. हा घटक कडक ‌व ठिसूळ असल्यामुळे ही मिश्रधातू पण तशीच असते. या कारणामुळे या मिश्रधातूत ॲल्युमिनियमाचे प्रमाण सहसा ११ % पेक्षा जास्त ठेवीत नाहीत. आ. ४ मधील आलेखांवरून असेही दिसून येते की, या मिश्रधातूवर उष्णता उपचार करता येण्याची शक्यता आहे. ११% ॲल्युमिनियम असलेला घन विद्राव ९००  से. वरून जलद थंड करून नंतर ५०० से. पर्यंत तापविला असता, त्याचे अंतिम ताणबल ६० Kgs/mm2 व लांबीतील वाढ ५०% होतात. आ. ५ मधील आलेखावरून ॲल्युमिनियमच्या प्रमाणाचा ॲल्युमिनियम काशाच्या यांत्रिक गुणधर्मांवरील परिणाम सहज लक्षात येईल. ताणबल जरी साधारण ९⋅५ % पर्यंत वाढत असले, तरी लांबीतील वाढीचे प्रमाण मात्र ७-७⋅५ % पासून एकदम खाली येते, म्हणजे धातू कडक होते.

ॲल्युमिनियम काशाचे प्रकार : या काशाचे पुढील तीन उपप्रकार आहेत :

१)  α घटकीय : यात ५-७ % ॲल्युमिनियम असते व याची घडाई होऊ शकते. त्यामुळे ते खोट्या दागिन्यांसाठी व उष्णता विनिमयक  नळ्या ( Heat Exchanger Tubes) बनविण्यासाठी वापरतात.

(२) β घटकीय : यात १०% ॲल्युमिनियम असते. हा धातू योग्य मुद्रेतून बाहेर काढून  विविध छेदांच्या घन वा पोकळ वस्तू तयार करण्याकरिता तसेच लोहारी घडवणीसाठी उपयुक्त आहे.

(३) इतर घटकीय : मुद्रा ओतकाम, पंप, दंतचक्रे, आगबोटींचे परिचालक ( Propellers) आणि घर्षण झीज प्रतिबंधक भाग यांच्यासाठी या प्रकारच्या ॲल्युमिनियम काशाचा चांगला उपयोग होतो.

आ. ५. ॲल्युमिनियमाचे प्रमाण व ॲल्युमिनियम काशाचे यांत्रिक गुणधर्म.

ॲल्युमिनियम काशाचा आणखी एक महत्त्वाचा गुण म्हणजे ते उच्च तपमानाला होणारे ऑक्सिडीभवन रोखू शकते. ऑक्सिडीभवनात ॲल्युमिनियमाच्या अणूंचे ॲल्युमिनात रूपांतर होते व त्याचे एक अभेद्य रक्षक कवच तयार होऊन पुढील ऑक्सिडीभवन थांबते.

सिलिकॉन कासे (Silicon Bronze): या मिश्रधातूत साधारणत: १-५ % सिलिकॉन, ०⋅५-१% मॅंगॅनीज व प्रत्येकी २% लोह व जस्त असतात. २५-४०Kgs/mm2  अंतिम ताणबल व ५०-६५ % लांबीतील वाढ असलेल्या या काशाचा मुख्य उपयोग गंजरोधनासाठी करतात. रासायनिक उद्योगात याला ‘एव्हरडुर’ म्हणून ओळखतात व ते गंजरोधक रासायनिक साहित्य बनविण्यासाठी वापरतात. तसेच दाबाखालील द्रव वाहून नेणाऱ्या नळ्या, बोल्ट व नट, चाळणीसाठी तारेचे कापड, दट्ट्या कडी,  घर्षण नळ्या, उष्णता विनिमयक नळ्या इत्यादींसाठी हे उपयुक्त आहे.

बेरिलियम कासे (Beryllium Bronze): याला बेरिलियम तांबे पण म्हणतात. या मिश्रधातून २-२⋅५ % बेरिलियम व प्रत्येकी ०⋅५ % निकेल व कोबाल्ट असतात. यावर उष्णता उपचार केल्यास त्यात पोलादासारखे उच्च ताणबल व काठिण्य निर्माण करता येतात. वाढत्या तापमानाबरोबर तांब्यातील बेरिलियमाची कमी होणारी विद्राव्यता या आविष्काराला कारण आहे. ८०० से. ला बेरिलियमाची विद्राव्यता जरी ५% असली, तरी ती तपमानाबरोबर कमी होत जाऊन तांब्यात एक अतिकठीण घटक निर्माण होतो. उष्णता उपचारात ८०० से. वर ही मिश्रधातू एकदम थंड पाण्यात बुचकळून हा घन विद्राव अस्थिर स्थितीत टिक‌वता येतो. या स्थितीत ह्या धातूचे ताणबल ४५ Kgs/mm2 व लांबीतील वाढ ४५ % असते. २००-२५० से. ला २ ते ३ तास ठेवल्यास तिचे ताणबल १२०-१३० Kgs/mm2 पर्यंत वाढते आणि काठिण्यही ब्रिनेल अंक ४०० पर्यंत जाते (Hardness). अशा कडक स्थितीतील या मिश्रधातूचा उपयोग होणाऱ्या काही वस्तू म्हणजे स्प्रिंगा, पडद्या, भाते, करवतीची पाती, खाणकामातील ठिणग्या न पडणारी विद्युत् हत्यारे व प्लॅस्टिकच्या वस्तू बनवण्याचे साचे या होत.

घडाई : काशावर निरनिराळ्या प्रकारच्या घडाईच्या क्रिया थंड व गरम अवस्थेत करता येतात. थंड अवस्थेत मुख्यत: लाटण, खेचण व खोल दाबण या क्रिया त्यावर उपयुक्ततेच्या दृष्टीने जास्तकरून कराव्या लागतात. गरम अवस्थेत करावयाच्या क्रियांत लाटण, बहि:सारण, नेहमीची घडवण, दाबण या प्रमुख आहेत.

यंत्रणक्रिया : काशावर यंत्रणक्रिया – यांत्रिक हत्याराने कापून योग्य तो आकार देण्याची क्रिया –  तितकीशी सहज करता येत नाही. पण, पूर्वी म्हटल्याप्रमाणे, जर काशात थोड्या प्रमाणात शिसे मिळविले तर त्याची यंत्रणता सुधारते. शिशाच्या उपस्थितीने यंत्रणात निघणाऱ्या मालाच्या कपचा सहज तुटतात व शिवाय त्याचा अंतर्गत वंगण म्हणून उपयोग होऊन कर्तन हत्याराच्या टोकाची झीज कमी होते.

सांधणे : काशाचे दोन भाग सांधण्यासाठी डाख घालणे, झाळणे व वितळजोड  करणे या तीन्ही पद्धती वापरता येतात. नरम व कडक – रुपे असलेला – असे दोन्ही प्रकारचे डाख वापरता येतात. ऑक्सिॲसिटिलीन ज्योतीच्या साहाय्याने केलेला वितळजोड तितकासा टिकाऊ होत नाही. साधारण उच्च तापमानाला सांध्याला तडे जातात. विद्युत् प्रज्योतीच्या साहाय्याने केलेला वितळजोड मात्र चांगला होतो.

अंत्यरूपण (Final Finishing and Glazing): ही क्रिया यांत्रिकी, रासायनिक व विद्युत् रासायनिक या तीन्ही पद्धतींनी साधता येते. घासून गुळगुळीत करणे व चकाकी आणणे या क्रिया सहज वापरता येतात. रासायनिक पद्धतीने वस्तूवरील काळपटपणा, कीट, ऑक्साइडांचे थर इ. काढता येतात. तसेच वस्तूवर चकचकीत किंवा मंद दिसणारे पृष्ठ योग्य तऱ्हेचे अम्ल वापरून साध्य करता येते. सिलिकॉन काशाच्या बाबतीत मात्र थोडी अडचण येते कारण सिलिकॉन ऑक्साइड हायड्रोफ्ल्युओरिक अम्लाशिवाय दुसऱ्या कुठल्याच अम्लात विरघळत नाही.  म्हणून कशाही तऱ्हेच्या पृष्ठासाठी अम्लमिश्रणात वरील अम्ल घालावे लागते.

संदर्भ :

  • Charnock, G. F. Partington, F. W. Mechanical Technology, Bombay, 1962.
  • American Society for Metals, Metals Handbook, Vol. I, Cleveland, Ohio, 1961.