RU2365669C2

RU2365669C2 - Method of restoration of sound characteristics of metal cast percussion musical instrument

Info

Publication number: RU2365669C2
Application number: RU2007140518/02A
Authority: RU
Inventors: Павел Викторович Шариков (RU); Павел Викторович Шариков
Original assignee: Павел Викторович Шариков
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2009-08-27
Also published as: RU2007140518A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to restoration of damaged hardware, namely to the methods of fixing the defects in metal percussion musical instruments and can be used to fix the defects in the bells, improve their acoustic and strength properties. A defect, for instance a through crack is sealed from the outdoor environment with padding made from a non-ferrous metal or alloy and the instrument is heated in the gas environment at pressure of 1000-2000 atmospheres to the temperature of plastic deformation of the instrument material and keep for at least an hour. Then the pressure is reduced by 2-3 times and the instrument is kept for 3 hours minimum, which is then followed by pressure release to the atmospheric level with the following temperature reduction to the room temperature for as long as it is required for the material to recrystallise. Neutral gas environment is used, for instance inert gas environment. The padding is welded or soldered to the instrument surface using a metal plate or solder alloy or the adding material close by the composition to the instrument material as a padding. Before welding the defect site on the instrument is degrease with an organic solvent, for example acetone.

EFFECT: fixed internal and external defects of the instrument material such as cracks, bubbles, pipes, slag inclusions and fine clear sound.

5 cl, 11 dwg

Description

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.The invention relates to the restoration of damaged metal products, in particular, to methods for restoring the sound characteristics of cast percussion musical instruments arising both in the operation of the products and in their manufacture, and can be used in bell work to correct bell defects, improve acoustic properties and increase strength bells.

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.A known method of eliminating porosity in the casting of metal bell housings by extrusion molding with crystallization under pressure (patent RU No. 23037402, class G10K 1/00, publ. 09.27.2007). The method allows to avoid the appearance of cracks in the process of casting a bell. However, the method may not be applicable to eliminate internal defects of already cast products.

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.A known method of eliminating cracks in the surface layer of a metal part, including heating the part in a muffle furnace and subsequent fusion of the crack with a laser-arc source (patent RU No. 2056253, class B23P 6/04, publ. 20.03.1996). This method has limited application, since it allows you to eliminate cracks in the details of a simple form; This method, for example, does not allow to eliminate cracks in large-sized products of complex shape, which can also include bell products.

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).The closest in technical essence and the achieved effect is a method of eliminating cracks in the surface layer of a part, including heating the part at a temperature of at least 970 ° C in a gaseous medium containing nickel chloride, after heating, alimentation or chromoalting is carried out at a temperature of at least 400 ° C and then carry out plastic deformation of the alitized or chromoalitic layer with a gaseous medium under a pressure of at least 30 MPa at a temperature of at least 600 ° C (patent RU No. 2305027, class B23P 6/00, published on August 27, 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.This method also has limited application, since it does not allow to repair deep, through damage, for example, through cracks, as well as internal defects in the form of discontinuities, shells, gas voids of cast metal products, in particular bells and other cast percussion musical instruments.

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.As can be seen from the above analogues, the problem is that church and other bells for many centuries are made by casting (mainly from bell bronze and cast iron) and must have internal defects in the form of discontinuities: cracks, bubbles, shells, slag inclusions and etc. These defects worsen the acoustic characteristics of the bell (timbre, clarity and playing time) and its performance, since any discontinuity is a stress concentrator that accelerates the split of the bell when it rings. Therefore, depending on the quality of the casting and operating conditions, the bell could last one day, or it could last centuries.

Задачей изобретения является разработка способа восстановления звуковых характеристик металлических литых ударных музыкальных инструментов, получения красивого чистого звука путем устранения вышеуказанных дефектов.The objective of the invention is to develop a method for restoring the sound characteristics of metal cast percussion musical instruments, obtaining beautiful clear sound by eliminating the above defects.

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.The problem is solved by the proposed method of restoring the sound characteristics of a metal cast percussion musical instrument by eliminating defects, namely, that the defect is sealed from the external environment with a non-ferrous metal or alloy substrate, the instrument is heated in a gas medium at a pressure of 1000-2000 atmospheres to the temperature of plastic deformation of the material tool and incubated for at least one hour, then the pressure is reduced by 2-3 times and can withstand at least 3 hours, after which they are reset to atmospheric pressure with consequent reduction in temperature to room temperature for a time sufficient to recrystallize the material. The method is carried out in a neutral gas environment, for example in an inert gas environment. The substrate is welded or soldered to the surface of the tool, and a metal plate, or solder, or filler material of welding, similar in composition to the material of the tool, is used as the substrate. Before welding, the tool is degreased with an organic solvent, such as acetone.

Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.

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).A cast percussion instrument, for example a bell having a defect, is preliminarily prepared as follows. Solder of copper or its alloys is applied to the through cracks. Wide through cracks from all sides are covered with a substrate plate of the same material and are also welded to the bell body. Then the bell is placed in a gas thermostat, which is filled with a neutral gas medium, such as argon. Figure 1 shows a diagram of the isostatic processing of the bell. The product is heated in a neutral atmosphere with an increase in pressure to 1000-2000 atmospheres until the temperature of plastic deformation of the material of the product is reached. In the diagram, this corresponds to the time interval T ₀ -T ₁ . For each material, this is its own indicator. So, for example, bell bronze reaches plastic deformation at 520-620 ° C. At the achieved temperature, the product is maintained for a certain time, (T ₁ -T ₂ ), but not less than one hour. Moreover, in the period T ₁ -T ₂ passes at a pressure of 2-3 times lower than the original for at least three hours (T ₂ -T ₃ ). This allows you to reduce the technological costs of maintenance of the thermostat, but to save the conditions for the beginning of recrystallization of the material. If the exposure time is less than three hours, the elimination of internal defects in the material of the bell may pass partially, which will not allow to achieve the desired quality result. This is followed by pressure relief to atmospheric pressure, the cessation of heating and cooling of the product in the thermostat to room temperature (T ₃ -T ₄ ). Recrystallization of the product material takes place. During this period, compounds of complex structure, intermetallic compounds, for example Cu ₃₁ Sn _{8, are formed} . Subject to these conditions, the recrystallization process takes place in full, becomes irreversible. As a result of this, all internal discontinuities are destroyed and the material becomes like forged. Figure 2 shows an enlarged photograph of bell bronze after processing the inventive method (pseudo-forged alloy).

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.The temperature schedule is developed individually for each bell, in order to facilitate plastic deformation at the first stage, and then correctly recrystallize the alloy in order to restore the acoustic properties of the bell.

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.For experimental confirmation, we took an old bell with visible external defects in the form of deep cracks, made of bell bronze in the city of Elabuga at the Shishkin plant in 1897, with a cut diameter of 328 mm and a weight of 20 kg. The appearance of the bell is shown in Fig.3. A crack of about 200 mm in length was through and ran from the cut up to the sound ring, and then around the circumference. The bell sounded bad, the duration of the sound was no more than 5 s, which is clearly not enough for a bell of this weight. The recorded acoustic characteristics confirmed the poor condition of the bell, as well as the presence of internal defects in the casting of the bell. Figure 4 shows the frequency diagram after 0.1 s after hitting the bell. Figure 5 shows a diagram of the attenuation of the sound of a bell before repair. As can be seen from the above diagrams, the frequency of the Unterton is 612.07 Hz (note # Fe2 -29), the damping angle is ~ 60 degrees.

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.The sound was recorded with a MZ-R909 mini-disk laser tape recorder using an ECM-MS907 electret condenser microphone, the frequency response of both 20-20000 Hz. Decoding of sound recordings took place on a computer using the Spectra Plus program. The bell was cleaned of dirt and degreased with acetone at the defect site. In order to isolate the through crack from the external environment, the bell was welded with copper solder along the entire length of the crack both on the outer and inner surfaces. The bell was placed in a gas thermostat, the latter was filled with argon and the bell was held at a temperature of 610-620 ° C and an argon pressure of 1300 atmospheres for 3 hours. Then the pressure in the thermostat was reduced to 500 atmospheres and at a temperature of 610-620 ° C the aging process was continued for 5 hours. After that, the pressure was released to atmospheric and the bell cooled with the thermostat to room temperature (about 12 hours). In the experiment, a thermostat of the Swiss company "ABRA" was used with the dimensions of the loading basket: diameter 700 mm and height 1500 mm. Inspection of the bell after repair showed that the size of the bell has not changed (Fig.6). At the same time, the sound became noticeably better and longer, the sound is even with barely noticeable beats. Deep through crack eliminated. In Fig.7 and Fig.8 shows the types of brewed cracks outside and inside. The final assessment of the correction of internal defects of the bell gave an analysis of its acoustic characteristics before and after repair. Figure 9 shows the frequency diagram of the sound of the bell after eliminating the internal defects of the bell, and figure 10 and 11 - diagram of the attenuation of sound of this bell (figure 11 shows a three-dimensional diagram). It can be seen from these diagrams that the non-interton, as it should be, has changed upward 652.69 Hz (note Mi2 -18), i.e. 111 cents, or more semitones. The other overtones have changed accordingly. The duration of the sound has increased. The attenuation angle increased from ~ 60 to ~ 70 degrees.

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.Thus, the claimed method allows to eliminate both external and internal defects in the form of discontinuities: cracks, bubbles, shells, slag inclusions, etc., in metal percussion musical instruments. This improves the acoustic characteristics of the bell (timbre, clarity and playing time) and its performance. As a result of such processing, the bells acquire an ideal sound, and their service life is extended many times.

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.The experiment showed that the inventive method is applicable for the "treatment" of old bells, in which, in addition to the initial defects, friability increases and stresses accumulate as a result of the natural aging of the material.

Claims

1. A method of restoring the sound characteristics of a metal cast percussion musical instrument by eliminating defects, namely, that the defect is sealed from the external environment with a non-ferrous metal or alloy substrate, the instrument is heated in a gas medium at a pressure of 1000-2000 atmospheres to the temperature of plastic deformation of the instrument material and withstand for at least one hour, then reduce the pressure by 2–3 times and maintain for at least 3 hours, after which pressure is released to atmospheric pressure and then reduced temperature to room temperature for a time sufficient to recrystallize the material.

2. The method according to claim 1, characterized in that it is carried out in a neutral gas environment, for example in an inert gas environment.

3. The method according to claim 1, characterized in that the substrate is welded or soldered to the surface of the tool.

4. The method according to claim 1, characterized in that a metal plate or solder, or filler material of welding, similar in composition to the material of the tool, is used as the substrate.

5. The method according to claim 1, characterized in that at the place of the defect before welding, the tool is degreased with an organic solvent, for example acetone.