СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИТОГО УДАРНОГО МУЗЫКАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2009 года по МПК C22F1/08 B23P6/04 

Изобретение относится к восстановлению поврежденных металлических изделий, в частности к способам восстановления звуковых характеристик литых ударных музыкальных инструментов, возникающих как при эксплуатации изделий, так и при их изготовлении, и может быть применено в колокольном деле для исправления дефектов колоколов, улучшения акустических свойств и повышения прочности колоколов.

Известен способ устранения пористости в отливке металлических корпусов колоколов литьем выжиманием с кристаллизацией под давлением (патент RU №2307402, кл. G10K 1/00, опубл. 27.09.2007). Способ позволяет избежать появления трещин в процессе литья колокола. Однако способ не может быть применим для устранения внутренних дефектов уже отлитых изделий.

Известен способ устранения трещин в поверхностном слое металлической детали, включающий нагрев детали в муфельной печи и последующее оплавление трещины лазерно-дуговым источником (патент RU №2056253, кл. B23P 6/04, опубл. 20.03.1996). Данный способ имеет ограниченное применение, так как позволяет устранять трещины в деталях простой формы; данный способ, например, не позволяет устранять трещины в крупногабаритных изделиях сложной формы, к которым можно отнести и колокольные изделия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ устранения трещин в поверхностном слое детали, включающий нагрев детали при температуре не ниже 970°С в газовой среде, содержащей хлориды никеля, после нагрева проводят алитирование или хромоалитирование при температуре не ниже 400°С и затем осуществляют пластическую деформацию алитированного или хромоалитированного слоя газовой средой под давлением не ниже 30 МПа при температуре не ниже 600°С (патент RU №2305027, кл. B23P 6/00, опубл. 27.08.2007).

Данный способ также имеет ограниченное применение, так как не позволяет устранять глубокие, сквозные повреждения, например сквозные трещины, а также внутренние дефекты в виде несплошностей, раковин, газовых пустот литых металлических изделий, в частности колоколов и других литых ударных музыкальных инструментов.

Как видно из приведенных аналогов, проблема заключается в том, что церковные и другие колокола на протяжении многих веков изготовляются методом литья (в основном из колокольной бронзы и чугуна) и обязательно имеют внутренние дефекты в виде несплошностей: трещины, пузыри, раковины, шлаковые включения и т.д. Эти дефекты ухудшают акустические характеристики колокола (тембр, чистоту и время звучания) и его работоспособность, так как любая несплошность является концентратором напряжений, которые ускоряют раскол колокола при звоне в него. Поэтому в зависимости от качества литья и условий эксплуатации колокол мог прослужить один день, а мог и целые столетия.

Задачей изобретения является разработка способа восстановления звуковых характеристик металлических литых ударных музыкальных инструментов, получения красивого чистого звука путем устранения вышеуказанных дефектов.

Поставленная задача решается предлагаемым способом восстановления звуковых характеристик металлического литого ударного музыкального инструмента путем устранения дефектов, заключающимся в том, что дефект герметизируют от внешней среды подложкой из цветного металла или сплава, инструмент нагревают в газовой среде при давлении 1000-2000 атмосфер до температуры пластической деформации материала инструмента и выдерживают в течение не менее одного часа, затем давление снижают в 2-3 раза и выдерживают не менее 3 часов, после чего проводят сброс давления до атмосферного с последующим снижением температуры до комнатной в течение времени, достаточного для рекристаллизации материала. Способ проводят в нейтральной газовой среде, например в среде инертного газа. Подложку приваривают или припаивают к поверхности инструмента, а в качестве подложки используют металлическую пластину, или припой, или присадочный материал сварки, по составу близкие к материалу инструмента. В месте дефекта перед сваркой инструмент обезжиривают органическим растворителем, например ацетоном.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Литой ударный музыкальный инструмент, например колокол, имеющий дефект предварительно подготавливают следующим образом. На сквозные трещины наносят припой из меди или ее сплавов. Широкие сквозные трещины со всех сторон закрывают подложкой-пластиной из того же материала и также приваривают к корпусу колокола. Затем колокол помещают в газостат, который заполняют нейтральной газовой средой, например аргоном. На фиг.1 приведена диаграмма изостатической обработки колокола. Изделие нагревают в нейтральной атмосфере при повышении давления до 1000-2000 атмосфер до достижения температуры пластической деформации материала изделия. На диаграмме это соответствует интервалу времени Т₀-Т₁. Для каждого материала это свой показатель. Так, например, колокольная бронза достигает пластической деформации при 520-620°С. При достигнутой температуре изделие выдерживают в течение определенного времени, (T₁-T₂), но не менее одного часа. При этом в период Т₁-Т₂ проходит при давлении в 2-3 раза ниже первоначального в течение не менее трех часов (Т₂-Т₃). Это позволяет снизить технологические затраты на обслуживание термостата, но сохранить условия для начала рекристаллизации материала. При выдержки менее трех часов устранение внутренних дефектов в материале колокола может пройти частично, что не позволит достичь желаемого качественного результата. Далее следует сброс давления до атмосферного, прекращение нагрева и остывание изделия в термостате до комнатной температуры (Т₃-Т₄). Проходит рекристаллизация материала изделия. В этот период образуются соединения сложной структуры, интерметаллиды, например Cu₃₁Sn₈. При соблюдении этих условий процесс рекристаллизации проходит в полной мере, становится необратимым. В результате этого уничтожаются все внутренние несплошности и материал становится наподобие кованного. На фиг.2 приведена увеличенная фотография колокольной бронзы после обработки заявляемым способом (псевдокованный сплав).

График температурного режима разрабатывается индивидуально для каждого колокола, с тем чтобы на первом этапе облегчить пластическую деформацию, а затем правильно осуществить рекристаллизацию сплава с целью восстановления акустических свойств колокола.

Для экспериментального подтверждения был взят старый, имеющий видимые внешние дефекты в виде глубоких трещин колокол, изготовленный из колокольной бронзы в г.Елабуге на заводе Шишкина в 1897, с диаметром на срезе 328 мм, весом 20 кг. Внешний вид колокола представлен на фиг.3. Трещина длиной около 200 мм была сквозной и шла от среза вверх до звукового кольца, а затем по окружности. Колокол звучал плохо, длительность звучания была не более 5 с, что явно недостаточно для колокола такого веса. Снятые акустические характеристики подтверждали плохое состояние колокола, а также наличие внутренних дефектов в отливке колокола. На фиг.4 показана частотная диаграмма через 0,1 с после удара в колокол. На фиг.5 приведена диаграмма затухания звука колокола до ремонта. Как видно из приведенных диаграмм, частота унтертона 612,07 Гц (нота # Ре2 -29), угол затухания ~ 60 градусов.

Звук снимали лазерным минидисковым магнитофоном MZ-R909 с помощью электретного конденсаторного микрофона ECM-MS907, частотная характеристика обоих 20-20000 Гц. Расшифровка записей звука происходила на компьютере с помощью программы «Спектра-плюс». Колокол был очищен от грязи и обезжирен ацетоном в месте дефекта. В целях изоляции сквозной трещины от внешней среды колокол был заварен медным припоем по всей длине трещины как на наружной, так и внутренней поверхности. Колокол поместили в газостат, последний заполнили аргоном и выдержали колокол при температуре 610-620°С и давлении аргона 1300 атмосфер в течение 3 часов. Затем давление в термостате снизили до 500 атмосфер и при температуре 610-620°С продолжили процесс выдержки в течение 5 часов. После этого давление сбрасывали до атмосферного и колокол остывал вместе с термостатом до комнатной температуры (около 12 часов). В эксперименте использовали термостат швейцарской фирмы "ABRA" с габаритами загрузочной корзины: диаметр 700 мм и высота 1500 мм. Осмотр колокола после ремонта показал, что размеры колокола не изменились (фиг.6). При этом звучание стало заметно лучше и дольше, звук ровный с еле заметными биениями. Глубокая сквозная трещина устранена. На фиг.7 и фиг.8 приведены виды заваренной трещины снаружи и изнутри. Окончательную оценку исправления внутренних дефектов колокола дал анализ его акустических характеристик до и после ремонта. На фиг.9 показана частотная диаграмма звучания колокола после устранения внутренних дефектов колокола, а на фиг.10 и фиг.11 - диаграммы затухания звука этого колола (на фиг.11 показана трехмерная диаграмма). Из этих диаграмм видно, что унтертон, как и должно быть, изменился в большую сторону 652,69 Гц (нота Ми2 -18), т.е. на 111 центов, или более полутона. Соответственно изменились и остальные обертона. Длительность звучания увеличилась. Угол затухания увеличился с ~ 60 до ~ 70 градусов.

Таким образом, заявляемый способ позволяет устранить как внешние, так и внутренние дефекты в виде несплошностей: трещины, пузыри, раковины, шлаковые включения и т.п., в металлических ударных музыкальных инструментах. Это улучшает акустические характеристики колокола (тембр, чистоту и время звучания) и его работоспособность. В результате такой обработки колокола приобретают идеальное звучание, а их срок службы увеличивается во много раз.

Проведенный эксперимент показал, что заявляемый способ применим и для «лечения» старых колоколов, в которых помимо первоначальных дефектов увеличивается рыхлость и накапливаются напряжения в результате естественного старения материала.

Изобретение относится к восстановлению поврежденных металлических изделий, в частности к способам устранения дефектов в металлических ударных музыкальных инструментах, и может быть использовано для исправления дефектов колоколов, улучшения акустических свойств и повышения их прочностных характеристик. Дефект, например сквозную трещину, герметизируют от внешней среды подложкой из цветного металла или сплава, инструмент нагревают в газовой среде при давлении 1000-2000 атмосфер до температуры пластической деформации материала инструмента и выдерживают в течение не менее одного часа. Затем давление снижают в 2-3 раза и выдерживают не менее 3 часов, после чего проводят сброс давления до атмосферного с последующим снижением температуры до комнатной в течение времени, достаточного для рекристаллизации материала. Используют нейтральную газовую среду, например среду инертного газа. Подложку приваривают или припаивают к поверхности инструмента, причем в качестве подложки используют металлическую пластину, или припой, или присадочный материал сварки, по составу близкие к материалу инструмента. В месте дефекта перед сваркой инструмент обезжиривают органическим растворителем, например ацетоном. Обеспечивается устранение внутренних и внешних дефектов материала инструмента в виде трещин, пузырей, раковин, шлаковых включений и получение красивого чистого звука. 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ восстановления звуковых характеристик металлического литого ударного музыкального инструмента путем устранения дефектов, заключающийся в том, что дефект герметизируют от внешней среды подложкой из цветного металла или сплава, инструмент нагревают в газовой среде при давлении 1000-2000 атмосфер до температуры пластической деформации материала инструмента и выдерживают в течение не менее одного часа, затем давление снижают в 2-3 раза и выдерживают не менее 3 ч, после чего проводят сброс давления до атмосферного с последующим снижением температуры до комнатной в течение времени, достаточного для рекристаллизации материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что его проводят в нейтральной газовой среде, например в среде инертного газа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложку приваривают или припаивают к поверхности инструмента.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки используют металлическую пластину или припой, или присадочный материал сварки, по составу близкие к материалу инструмента.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в месте дефекта перед сваркой инструмент обезжиривают органическим растворителем, например ацетоном.