钛合金材料替代钢琴配件

2022-09-20刘佳奇顾元刚姚殿辉

科技创新与应用 2022年26期

刘佳奇，顾元刚，姚殿辉，王雷

（沈阳音乐学院，沈阳 110168）

钢琴发源于十八世纪初的欧洲，至今已有三百多年的历史，是一种键盘乐器，利用琴键推动琴槌敲打琴弦，由88个琴键、金属弦和音板等配件组成[1]。钢琴从外形上主要分为立式钢琴和三角钢琴2种，三角钢琴是钢琴最原始的形态，通常用于大型音乐会时使用，但因三角钢琴体积大、占地多和搬运困难，为了解决以上问题，发明了立式钢琴。立式钢琴采用琴弦交错的安装方式，解决了琴弦在空间上的要求。无论是立式钢琴还是三角钢琴，基本结构都是一样的。分别由琴弦、音板、支架、键盘系统（包括黑键、白琴键、击弦槌）、踏板和外壳6部分组成。

目前我国学习钢琴的人数已经超过了3 000万人，以青少年、儿童居多。每年进入院校学习钢琴的人数已达20多万，并且随着社会进步和经济增长，学习钢琴的人数呈现明显上升的趋势。《智研咨询》调研机构的调研结果显示，2019年我国钢琴产量为43.75万台，进口量近20万台，出口量近10万台，国内消费量约为55万台，市场庞大、涉及人数众多[2]。但钢琴内部大部分配件均为木质材料，易受环境影响导致损坏、变形，因此，每年的维护、保养和维修成本相对较高。

1 传统木质钢琴配件的缺点

在钢琴结构里大部分传动机构的配件为木质材料，随着存放环境的温度和湿度变化，木质结构会发生霉变、膨胀和收缩，一旦结构发生变化，会导致击弦位置发生变化、传动效率降低，以及配件无法归位现象。如钢琴存放条件差，使用者弹奏习惯不好或使用频率高，配件损坏程度则变大，需更换新配件。大部分钢琴使用时间较长后，会出现琴键高低不平、松动、琴键缝隙变大或变小、击弦机构反应不灵敏，以及琴键反应迟钝等故障，需进行大面积调整。

使用率较高的钢琴常见的故障有以下几点：一是黑色键盘凸起处与主键盘脱离、断裂。二是白键或黑键盘无法复位。南方地区受地理环境影响，环境湿度高，配件易膨胀，会导致键盘无法复位。北方地区因气候干燥，加之集中供暖影响，导致木质配件变形。三是使用者对钢琴的影响。许多培训机构、高校的钢琴，使用频率高，存放环境无法保持钢琴适应的温度、湿度，加之不同人弹奏的习惯不同、维护方式和标准的差异，配件易折断、变形[3]。

钢琴一般需在1年左右时间内进行1~2次调律或维修，如果使用率高，可能会面临每个月进行1次维护、维修，每次维修都要调整木制配件的角度及形状，花费300～2 000元不等。

2 使用钛合金材料替代木质配件

钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氢和氧等物质含量有关，钛合金的密度一般在4.51 g/cm3左右，仅为钢的60%，其比强度高于多数金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好和质量轻的零部件。钛合金是以钛为基础并加入其他元素组成的合金，具有质量轻、高强度、耐腐蚀、耐高温及耐低温等基础特性，在武器装备、航空航天和国防工业采用的工程材料中占有极为重要的地位并得到了实际应用[4]。

钛合金材料特性替换木质配件具有优势。钛的导热系数是钢的1/4，铝的1/13，铜的1/25，各种钛合金的导热系数相比金属钛约下降50%，钛合金TC4在200℃时的热导率l=16.8 W/m·℃，相对木质结构，刚性更好、不易变形，不受舞台空调、舞美设备和灯光等设备造成的温度变化影响。钛合金在潮湿的环境中，抗蚀性优于木材，且钛合金在低温和超低温下，仍能保持特性。因此，运用钛合金替代木质钢琴配件，可规避因环境影响引发的故障，提高钢琴使用效率、延长寿命，以及节约时间和经济成本。

钛合金替代木质配件后，可使用涂层工艺来避免因配件质量改变对声音造成的影响。钛与大气中O2、N2、H2和CO2等物质会产生强烈的化学反应，形成耐蚀硬化层。采用涂层工艺后，可进一步增强钛合金的力学和耐蚀性能。此外，钛的化学亲和性较好，易与摩擦表面产生黏附现象，适应木质配件表面凹凸不平的特点。替换木质键盘配件或涂层后，可保证木质配件不受外力影响而干裂、霉变和变形，保持木质配件原有状态。也可将附属配件采用涂层方式进行保护，降低因配件质量变化产生的影响。

其次，大部分木质配件需要较长的生产周期，制作工艺中的晾晒、烘干和熏蒸等流程，环境及工艺要求高，大量耗费能源、场地和时间。利用钛合金材料或涂层后，可直接将木质配件增加涂层，达到配件长期保持形态的目的，缩短制琴时间，提高配件强度[5]。

3 实际运用

替代木质键盘后，虽已使用空心镂空工艺降低配件质量，但键盘质量依然增大，导致灵活度降低，可利用改变键盘下沉度来抵消钛合金配件和木质配件的差异。将键盘底部总挡高度提高0.7~1.1 mm，可降低键盘下行时产生的差异，利用键盘尾部重新配重的方式，解决键盘回弹时的速度和力度。此工艺对键盘固定销要求提高，需增加固定销的强度及润滑度来对抗键盘变重后的参数改变，将固定销安装处扩大并加装金属环，使固定孔长期保持外径不变。

因材料的改变，导致键盘韧性变低，榔头击弦力度变大，参照木质键盘的下沉标准再次进行修改，利用键盘厚度的微小改变抵消低韧性金属钛材料与高韧性材料的差异，保持原有击弦机的传动机构原理，进行弹奏灵敏度测试（速度在ALLEGRO速度下，灵敏度达到16分音符后），采集声音数据进行对比，发现声音依然会发生变化。原因为材料的改变导致配件击弦力度变大，琴弦振幅提高，声音明亮度增加，弱音控制力明显降低[6]。现在，琴弦研发工作与配件特性已经相结合，提高琴弦硬度及韧性，使钢琴音色得以优化。

4 研发自主琴弦发挥钛合金配件性能

经过对钢琴琴弦的调研发现，钢琴的近300根琴弦全部依赖进口，且琴弦的品牌局限性大，只有几种可供选择，一旦停止进口，国内的钢琴厂将无弦可用。为了不被“卡脖子”，正在进行国产钢琴琴弦的研发。

经过专业检测机构的分析及测试，在环境条件为温度25℃、湿度50%条件下，利用X射线荧光光谱仪进行检测，已知现有主要成分为Fe、Zn和Mn等成分，13.5型号琴弦主要成分为Fe、AI、Si和Cr等，其韧性、共振性差于钛合金材料。

金属钛材料的抗阻尼性强，受到机械振动后，与钢、铜等金属相比，自身振动衰减时间更长，利用这一特性，已经有人用金属钛材料来制作音叉，在医学领域中使用金属钛材料制作超声粉碎机振动元件和音响上的扬声器振动薄膜，可将金属钛的特性融入琴弦的制作中，大幅增加高音区（小字4组以上）声音的延续性、饱满度，提高声音的辨识度，使声音更容易被人耳辨别和接受[7]。

5 使用涂层工艺升级原有配件

钛合金涂层能在物体表面形成保护层，具有耐高温、耐腐蚀和耐锈蚀性能，钛合金涂层还具有很好的附着力、硬度高和耐磨性强，操作方便，可根据不同需要选择涂层工艺。另外，钛合金涂层方便贮存、运输、稳定性好及防变色能力强，涂层厚度可选择在0.13~0.9 mm，施工时可选择在室内情况下刷涂、滚涂和喷涂等工艺。涂层表面干燥时间约为1 h，干燥室表面温度越高，等待时间越短，通常控制在50℃左右。

现已出厂使用的钢琴因品牌、型号的不同，配件样式五花八门，大部分钢琴需更换特定品牌、型号和批次的配件，部分钢琴厂或部分型号的钢琴已停产多年，很多钢琴因无法购买到相应的配件，导致钢琴无法使用[8]。利用钛合金涂层可对原有配件升级，特殊配件利用3D扫描及3D打印技术，进行1∶1复制配件，使用一体化成型方式制作配件，也可按照原有木质配件参数，制作1∶1的木质配件后，整琴增加钛合金涂层。此工艺正与营口圣格威钢琴厂开展配件制作与测试工作。

6 相关工艺

6.1 配件及传动机构

钛合金材料应用到钢琴配件生产以后，可提高配件寿命，降低维修频率，降低对存放环境的要求。

6.2 利用钛合金涂层升级原有木质配件

利用涂层质量轻、性能稳定的特性，提高木质配件表面强度、隔离外界湿度，可广泛适用于大部分钢琴的配件升级，无需更换原有配件。将涂层厚度控制在0.13~0.9 mm，后期按照具体配件的种类、型号等特点，按所需强度决定涂层厚度。主要木质结构均可增加钛合金涂层，利用涂层氧化程度控制硬度及厚度，如图1所示。

图1 钢琴键盘传动机构

由图2可以看出，2、3、4和7可直接使用钛合金材料1∶1比例复制，替代电镀工艺，增强耐蚀性，1、5、6和8可使用涂层喷涂处理，厚度可在0.13~0.9 mm选择，依靠控制涂层厚度的方式，降低涂层对配件的影响。

图2 采格（也称船型底座转机器）

6.3 利用新材料琴弦辅助钛合金配件

通过新型琴弦的研发，使琴弦与钛合金配件或涂层结合，利用金属钛抗阻尼性能强、受到机械振动后振动衰减时间长的特性，提高小字4组及以上音的琴弦振幅，使其振幅更大、延续性更强。也可通过钛合金材料成分的不同配比，提高琴弦韧性、强度和拉伸力，使琴弦承受的敲击力度更大。同时可增加涂层厚度来加大原有高音区配件的重量配比，使高音区配件在弹奏力度相同的情况下，增加击弦力度，使高音区声音更明亮，延续性更强[9]。