鈦合金材料替代鋼琴配件

劉佳奇，顧元剛，姚殿輝，王 雷

（沈陽音樂學院，沈陽 110168）

鋼琴發源于十八世紀初的歐洲，至今已有三百多年的歷史，是一種鍵盤樂器，利用琴鍵推動琴槌敲打琴弦，由88個琴鍵、金屬弦和音板等配件組成[1]。鋼琴從外形上主要分為立式鋼琴和三角鋼琴2種，三角鋼琴是鋼琴最原始的形態，通常用于大型音樂會時使用，但因三角鋼琴體積大、占地多和搬運困難，為了解決以上問題，發明了立式鋼琴。立式鋼琴采用琴弦交錯的安裝方式，解決了琴弦在空間上的要求。無論是立式鋼琴還是三角鋼琴，基本結構都是一樣的。分別由琴弦、音板、支架、鍵盤系統（包括黑鍵、白琴鍵、擊弦槌）、踏板和外殼6部分組成。

目前我國學習鋼琴的人數已經超過了3 000萬人，以青少年、兒童居多。每年進入院校學習鋼琴的人數已達20多萬，并且隨著社會進步和經濟增長，學習鋼琴的人數呈現明顯上升的趨勢。《智研咨詢》調研機構的調研結果顯示，2019年我國鋼琴產量為43.75萬臺，進口量近20萬臺，出口量近10萬臺，國內消費量約為55萬臺，市場龐大、涉及人數眾多[2]。但鋼琴內部大部分配件均為木質材料，易受環境影響導致損壞、變形，因此，每年的維護、保養和維修成本相對較高。

1 傳統木質鋼琴配件的缺點

在鋼琴結構里大部分傳動機構的配件為木質材料，隨著存放環境的溫度和濕度變化，木質結構會發生霉變、膨脹和收縮，一旦結構發生變化，會導致擊弦位置發生變化、傳動效率降低，以及配件無法歸位現象。如鋼琴存放條件差，使用者彈奏習慣不好或使用頻率高，配件損壞程度則變大，需更換新配件。大部分鋼琴使用時間較長后，會出現琴鍵高低不平、松動、琴鍵縫隙變大或變小、擊弦機構反應不靈敏，以及琴鍵反應遲鈍等故障，需進行大面積調整。

使用率較高的鋼琴常見的故障有以下幾點：一是黑色鍵盤凸起處與主鍵盤脫離、斷裂。二是白鍵或黑鍵盤無法復位。南方地區受地理環境影響，環境濕度高，配件易膨脹，會導致鍵盤無法復位。北方地區因氣候干燥，加之集中供暖影響，導致木質配件變形。三是使用者對鋼琴的影響。許多培訓機構、高校的鋼琴，使用頻率高，存放環境無法保持鋼琴適應的溫度、濕度，加之不同人彈奏的習慣不同、維護方式和標準的差異，配件易折斷、變形[3]。

鋼琴一般需在1年左右時間內進行1~2次調律或維修，如果使用率高，可能會面臨每個月進行1次維護、維修，每次維修都要調整木制配件的角度及形狀，花費300～2 000元不等。

2 使用鈦合金材料替代木質配件

鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氫和氧等物質含量有關，鈦合金的密度一般在4.51 g/cm3左右，僅為鋼的60%，其比強度高于多數金屬結構材料，可制出單位強度高、剛性好和質量輕的零部件。鈦合金是以鈦為基礎并加入其他元素組成的合金，具有質量輕、高強度、耐腐蝕、耐高溫及耐低溫等基礎特性，在武器裝備、航空航天和國防工業采用的工程材料中占有極為重要的地位并得到了實際應用[4]。

鈦合金材料特性替換木質配件具有優勢。鈦的導熱系數是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25，各種鈦合金的導熱系數相比金屬鈦約下降50%，鈦合金TC4在200℃時的熱導率l=16.8 W/m·℃，相對木質結構，剛性更好、不易變形，不受舞臺空調、舞美設備和燈光等設備造成的溫度變化影響。鈦合金在潮濕的環境中，抗蝕性優于木材，且鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持特性。因此，運用鈦合金替代木質鋼琴配件，可規避因環境影響引發的故障，提高鋼琴使用效率、延長壽命，以及節約時間和經濟成本。

鈦合金替代木質配件后，可使用涂層工藝來避免因配件質量改變對聲音造成的影響。鈦與大氣中O2、N2、H2和CO2等物質會產生強烈的化學反應，形成耐蝕硬化層。采用涂層工藝后，可進一步增強鈦合金的力學和耐蝕性能。此外，鈦的化學親和性較好，易與摩擦表面產生黏附現象，適應木質配件表面凹凸不平的特點。替換木質鍵盤配件或涂層后，可保證木質配件不受外力影響而干裂、霉變和變形，保持木質配件原有狀態。也可將附屬配件采用涂層方式進行保護，降低因配件質量變化產生的影響。

其次，大部分木質配件需要較長的生產周期，制作工藝中的晾曬、烘干和熏蒸等流程，環境及工藝要求高，大量耗費能源、場地和時間。利用鈦合金材料或涂層后，可直接將木質配件增加涂層，達到配件長期保持形態的目的，縮短制琴時間，提高配件強度[5]。

3 實際運用

替代木質鍵盤后，雖已使用空心鏤空工藝降低配件質量，但鍵盤質量依然增大，導致靈活度降低，可利用改變鍵盤下沉度來抵消鈦合金配件和木質配件的差異。將鍵盤底部總擋高度提高0.7~1.1 mm，可降低鍵盤下行時產生的差異，利用鍵盤尾部重新配重的方式，解決鍵盤回彈時的速度和力度。此工藝對鍵盤固定銷要求提高，需增加固定銷的強度及潤滑度來對抗鍵盤變重后的參數改變，將固定銷安裝處擴大并加裝金屬環，使固定孔長期保持外徑不變。

因材料的改變，導致鍵盤韌性變低，榔頭擊弦力度變大，參照木質鍵盤的下沉標準再次進行修改，利用鍵盤厚度的微小改變抵消低韌性金屬鈦材料與高韌性材料的差異，保持原有擊弦機的傳動機構原理，進行彈奏靈敏度測試（速度在ALLEGRO速度下，靈敏度達到16分音符后），采集聲音數據進行對比，發現聲音依然會發生變化。原因為材料的改變導致配件擊弦力度變大，琴弦振幅提高，聲音明亮度增加，弱音控制力明顯降低[6]。現在，琴弦研發工作與配件特性已經相結合，提高琴弦硬度及韌性，使鋼琴音色得以優化。

4 研發自主琴弦發揮鈦合金配件性能

經過對鋼琴琴弦的調研發現，鋼琴的近300根琴弦全部依賴進口，且琴弦的品牌局限性大，只有幾種可供選擇，一旦停止進口，國內的鋼琴廠將無弦可用。為了不被“卡脖子”，正在進行國產鋼琴琴弦的研發。

經過專業檢測機構的分析及測試，在環境條件為溫度25℃、濕度50%條件下，利用X射線熒光光譜儀進行檢測，已知現有主要成分為Fe、Zn和Mn等成分，13.5型號琴弦主要成分為Fe、AI、Si和Cr等，其韌性、共振性差于鈦合金材料。

金屬鈦材料的抗阻尼性強，受到機械振動后，與鋼、銅等金屬相比，自身振動衰減時間更長，利用這一特性，已經有人用金屬鈦材料來制作音叉，在醫學領域中使用金屬鈦材料制作超聲粉碎機振動元件和音響上的揚聲器振動薄膜，可將金屬鈦的特性融入琴弦的制作中，大幅增加高音區（小字4組以上）聲音的延續性、飽滿度，提高聲音的辨識度，使聲音更容易被人耳辨別和接受[7]。

5 使用涂層工藝升級原有配件

鈦合金涂層能在物體表面形成保護層，具有耐高溫、耐腐蝕和耐銹蝕性能，鈦合金涂層還具有很好的附著力、硬度高和耐磨性強，操作方便，可根據不同需要選擇涂層工藝。另外，鈦合金涂層方便貯存、運輸、穩定性好及防變色能力強，涂層厚度可選擇在0.13~0.9 mm，施工時可選擇在室內情況下刷涂、滾涂和噴涂等工藝。涂層表面干燥時間約為1 h，干燥室表面溫度越高，等待時間越短，通常控制在50℃左右。

現已出廠使用的鋼琴因品牌、型號的不同，配件樣式五花八門，大部分鋼琴需更換特定品牌、型號和批次的配件，部分鋼琴廠或部分型號的鋼琴已停產多年，很多鋼琴因無法購買到相應的配件，導致鋼琴無法使用[8]。利用鈦合金涂層可對原有配件升級，特殊配件利用3D掃描及3D打印技術，進行1∶1復制配件，使用一體化成型方式制作配件，也可按照原有木質配件參數，制作1∶1的木質配件后，整琴增加鈦合金涂層。此工藝正與營口圣格威鋼琴廠開展配件制作與測試工作。

6 相關工藝

6.1 配件及傳動機構

鈦合金材料應用到鋼琴配件生產以后，可提高配件壽命，降低維修頻率，降低對存放環境的要求。

6.2 利用鈦合金涂層升級原有木質配件

利用涂層質量輕、性能穩定的特性，提高木質配件表面強度、隔離外界濕度，可廣泛適用于大部分鋼琴的配件升級，無需更換原有配件。將涂層厚度控制在0.13~0.9 mm，后期按照具體配件的種類、型號等特點，按所需強度決定涂層厚度。主要木質結構均可增加鈦合金涂層，利用涂層氧化程度控制硬度及厚度，如圖1所示。

圖1 鋼琴鍵盤傳動機構

由圖2可以看出，2、3、4和7可直接使用鈦合金材料1∶1比例復制，替代電鍍工藝，增強耐蝕性，1、5、6和8可使用涂層噴涂處理，厚度可在0.13~0.9 mm選擇，依靠控制涂層厚度的方式，降低涂層對配件的影響。

圖2 采格（也稱船型底座轉機器）

6.3 利用新材料琴弦輔助鈦合金配件

通過新型琴弦的研發，使琴弦與鈦合金配件或涂層結合，利用金屬鈦抗阻尼性能強、受到機械振動后振動衰減時間長的特性，提高小字4組及以上音的琴弦振幅，使其振幅更大、延續性更強。也可通過鈦合金材料成分的不同配比，提高琴弦韌性、強度和拉伸力，使琴弦承受的敲擊力度更大。同時可增加涂層厚度來加大原有高音區配件的重量配比，使高音區配件在彈奏力度相同的情況下，增加擊弦力度，使高音區聲音更明亮，延續性更強[9]。

6.4 利用金屬鈦特性保證配件穩定性

配件涂層厚度控制在0.13～0.9 mm（吸收氣體產生硬脆層深度為0.1～0.15 mm，硬化程度20%～30%，），可避免環境濕度對木質配件的影響[10]。鈦合金涂層在干燥階段可充分與環境中的其他元素結合，產生硬度較高的表面層，保證鋼琴傳動機構的正常運轉。

7 結束語

綜上所述，運用鈦合金材料及涂層工藝，可規避鋼琴木質配件易受外部環境影響的缺陷，同時針對特定品牌、型號和批次的鋼琴配件特點來決定涂層厚度、表面硬度等參數，最終達到降低維護成本或免維護的目的。

在研發自主琴弦的基礎上，針對原有琴弦的不足進行改進，通過提高拉伸力、疲勞耐受度等方面，提高琴弦的適應能力，使琴弦具有配合其他配件或傳動機構發音的能力，最終改善鋼琴音質、縮短制作周期、提高鋼琴壽命，以及降低維護頻率，使鋼琴不再是“嬌生慣養”的樂器。