В этой статье вы получите полноценное объяснение явления, когда одна и та же серия вне зависимости от производителя в ваших руках служит вот уже пятый год, а в руках вашего знакомого/друга/свата/брата лопается за считанные месяцы.
Информации очень много, скандалов, интриг и расследований не будет, зато останется больше места для сути, ведь каждый этап производства оказывает неизгладимое влияние на свойства будущего музыкального инструмента и даёт необходимую основу для следующих операций.
Изменение, или нарушение предыдущего процесса изменяет и все последующие свойства на каждом из этапов производства. Именно поэтому необходимо соблюдать все режимы выработанной технологической карты и учитывать множество факторов, чтобы в конечном итоге получить стабильность механических и акустических свойств от партии к партии.
Производство заготовки
Классический сплав CuSn20 (b20), как все уже знают, это 20 частей олова на 80 частей меди. Однако, не всем известно, что в большинстве своём эти значения верны на стадии загрузки в литейную печь, а на выходе из неë (в зависимости от времени, способа и режимов выплавки) олова становится меньше, так как оно имеет большее сродство к кислороду, чем медь и окисляется активнее.
В большинстве химических анализов Zildjian содержание олова колеблется в пределах 16.5-19.5 %, хотя есть свидетельства о содержании олова около 21 % в некоторых сериях. Очевидно, это не ошибка, а преднамеренное изменение для конкретного продукта.
У большинства турецких производителей содержание олова от 19.5 до 20.5%, а у большинства китайских производителей эти значения находятся в диапазоне 20-22 %, что, впрочем, не добавляет им особой звучности и свидетельствует о том, что дело не только в составе, но и во всей цепочке операций.
Образцы фирменного сплава B20 Paiste (twenty, masters) были избыточно и нехарактерно пластичны, не ломались при множественных перегибах, края тарелок были стабильно мятые от ударов палочками, а в составе наблюдалось от 12.7 до 13.9% процентов олова. Подобное поведение характерно для сплавов медно-оловянной группы, где есть четкая взаимосвязь: чем меньше олова, тем более пластичный и менее упругий становится материал. Впрочем, упругость задают последующей пластической деформацией даже избыточно мягким сплавам. Это явление называется "наклеп" и "нагартовка".
Объяснить это явление можно так:
При пластической деформации в структуре и на границах зерен образуются искривления и сдвиги, которые несут в себе энергию, переданную и накопленную в процессе деформации. Чем сильнее искажения строения, тем больше энергии накапливается в структурах и тем сильнее по средствам этой энергии металлы и сплавы сопротивляются последующей пластической деформации. На этом принципе основано производство изделий из сплавов подвергающихся холодной прокатке, например CuSn8(b8), 10,12, а так же сплавы медно-цинковой группы (латуни).
В противовес им высокооловянистые сплавы (более 15% олова) холодной прокатке не подлежат из-за изначально высоких упругих свойств и склонности к растрескиванию.
Процесс выплавки включает в себя несколько основных задач:
- Высокая плотность получаемой отливки (отсутствие пористости, к которой склонны оловянные бронзы, газовых, шлаковых включений, способных замешаться в тело отливки в процессе литья);
- Правильная и своевременная обработка расплава;
- Высокая чистота поверхности;
- Подбор температурных режимов и скоростей охлаждения отливки для получения необходимой однородной структуры.
Над выполнением этих задач российское производство ударных ED Cymbals бились почти два года до запуска производства тарелок из сплава CuSn20 и почти 6 месяцев после.
Горячая прокатка
Группа отливок нагревается в печи до необходимой температуры (температурные режимы строго определены и отклонения ведут к браку), и раскатывается до необходимой толщины.
Затем прессовым оборудованием на горячем листе выдавливается купол и производится закалка для придания пластичности материалу (в отличие от железистых сплавов (сталей), медные сплавы после закалки становятся пластичными, а не хрупкими).
На кругоотрезном станке заготовка обрезается в заданный диаметр. Основа для будущей тарелки готова.
Формование инструмента
На этом этапе крупные музыкальные производства, после предварительной подготовки, кидают стопку заготовок на вытяжной пресс и с одного нажатия кнопки получают практически идеально ровную, на половину заформованную тарелку. Всë, что им остаëтся, это распределить по весу куда эта заготовка пойдет доформовываться: под ручную ковку, машинную, автоматизированную и тд, в зависимости от серии.
На менее крупных производствах этот процесс реализуется по средствам ковки, с проработкой каждой тарелки длительное время, чтобы привести еë не только к нужной форме, но и обеспечить хорошую геометрию.
Отличительной чертой этого этапа является повсеместное применение пластической деформации, так как без неë при работе с металлами не обойтись.
На этом этапе появляется эффект "наклëпа" и его товарищей, идущих рука об руку: искажения макро и микроструктуры, смещения дислокаций, накопление энергии в межзеренном и межкристаллическом пространстве.
Каждый удар молотка, как и каждое локальное растяжение приводит к повышению упругости, твердости, микротвердости и искривлению поверхности, сопровождающихся сжатием и течением металла в заданном направлении. Но повышению твердости и упругости всегда сопутствует хрупкость. Между ними есть прямая зависимость, и это одна из основных причин появления трещин в теле тарелки, а не у края, на который оказывается основное эксплуатационное воздействие.
В то же время пластичность или "мягкость" тарелки не гарантирует длительный срок эксплуатации.
В завершении операций формования мы получаем определенный профиль тела тарелки, для разных типов тарелок он свой и это является основным фактором, определяющим высоту тона, остальные второстепенные.
Для пояснения регуляции высоты тона приведем наглядный пример:
Две тарелки одинакового диаметра и толщины имеют разную глубину профиля. Та, чей профиль глубже, будет звучать выше. Чем глубже тарелка тем выше звучание.
Это объясняется простым увеличением жесткости объекта, ведь звуковая волна это колебания, а частота колебаний = высота тона. Чем большей жесткостью обладает объект, тем выше его частота колебаний и тем выше издаваемый им тон. Важно уточнить, что мы рассматриваем не жесткость(упругость) самого металла/сплава, а жесткость объекта, как тела. Не даром диффузоры динамиков выполнены в виде конуса, так как само бумажное волокно мягкое и лист бумаги/картона гибкие, но образовав ими конус или, например, сферу, мы получаем бОльшую жесткость объекта и он уже может выполнять поставленные задачи.
Дополнительными факторами, влияющими на высоту тона являются:
- толщина (чем тоньше, тем ниже амплитуда колебаний и, соответственно, ниже звучание);
- диаметр, форма и высота купола;
- разница значений в толщине между центром и краем тарелки.
Ряд третичных признаков в данной статье не упоминаются,так как их влияние не является основополагающим.
Каждый из этих факторов является "инструментом" для достижения определенного звучания и тут важна комбинация.
Разница в звучании серий характеризуется разницей комбинаций выше указанных свойств, а уже во вторую очередь внешней обработкой и "покрытием".
Важным фактором также является и степень искривления поверхности.
Чем ровнее (во всех смыслах) тело тарелки, тем чище и яснее еë звучание и наоборот, чем сильнее пластические деформации внесены в процессе изготовления и "декорирования" тем более обертонистое, сложное и тëмное звучание получится. Именно поэтому опытному уху легко отличить штампованные тарелки от кованых вне зависимости от сплава.
Токарная обработка
Последним основным этапом производится токарная обработка почти готовой тарелки. Очевидно, что эта операция предназначена для доведения инструмента до необходимых толщин/веса и придания определенной фактуры.
Никакие аргументы про ребра жесткости, которые вы можете услышать, воспринимать всерьез нельзя, т.к. снимаемый резцом слой (в среднем 0.025мм толщина стружки), а это ничтожно малая толщина как для существенного влияния на звучание, так и для существенного влияния на изгибные колебания. С тем же успехом ребрами жесткости можно назвать царапины от шкурки с зернистостью Р40.
Влияние обработки поверхности на звучание
Внешняя обработка безусловно играет роль в формировании звучания, но в большинстве своем эта роль преувеличена.
Между музыкантами есть стойкое мнение, что полированные тарелки звучат кардинально иначе, нежели просто обточенные.
Это заблуждение вызвано когнитивными особенностями мозга в процессе оценки через симбиоз слухового и визуального восприятия.
Да и тот факт, что в руках сравнивающих находилось не две одинаковые тарелки с разной обработкой поверхности, а две совершенно разные тарелки, говорит о нерелевантности условий для сравнения.
В действительности при слепом тестировании на десяти образцах, имеющих одинаковую высоту тона и одинаково изготовленных, вряд ли кто-то сможет на слух отличить полированную и не полированную поверхности. Это возможно только в случае, если заполировать тарелку до полного размытия фактуры, оставленной резцом. Зато если провести этот тест с открытыми глазами, то мозг оценивающего, ещë до прослушивания, построит карту ожиданий (паттернов) звучания относительно наблюдаемого внешнего вида и последующее прослушивание будет происходить через призму этого ожидания, что приведет к мнению из разряда: "да-да, вот в полированной тарелке явно прослушивается характерная стеклянность и вообще звучание сильно отличается".
Оставим особенности восприятия человеческого мозга и двинемся дальше.
С оксидными покрытиями, называемыми "Raw" всë довольно просто. Чем большая площадь тарелки освобождена от окисленной поверхности, тем яснее, ярче и продолжительнее еë звучание и наоборот. Объясняется это простой физикой, ведь окисленная поверхность является пусть и тонкой, но довольно пористой, рыхлой, неметаллической структурой, выступающей в качестве демпфера. Простыми словами приглушает, укорачивает и "режет" некоторые частоты в зависимости от области и площади поверхности, на которой это "покрытие" применено.
В итоге существует два основных типа поверхности, влияющих на звучание:
- необточенная (оксидная);
- обточенная (освобожденная от оксидных пленок и корок).
А дальше в дело вступают комбинации и дополнительное декорирование в виде полирования или особых видов точения для создания фактурной поверхности.
Влияние совокупности факторов на прочность тарелки
Прочность инструмента слишком вариативная вещь. Она одновременно и согласуется и не согласуется с простейшими принципами понимания.
С одной стороны чем пластичнее, тем ниже хрупкость. С другой стороны многие тарелки из сплава CuSn20 имеющие явно бОльшую твердость и хрупкость живут дольше, чем тарелки из CuSn8 имеющие явно большую пластичность и вязкость.
Образец стандартного сплава CuSn20 после всех пластических деформаций, приключившихся с ней в процессе изготовления, может выдержать в среднем 1 перегиб под углом более 90 градусов после чего лопнет.
Образец стандарного сплава CuSn8 может выдержать более 5 перегибов под углом 180!! градусов в обе стороны, после чего начнет рваться (и то не факт).
Очевидно образец с выдающейся пластичностью должен быть ультраживучим, однако это не совсем так. В процессе эксплуатации он лопается так же, а то и раньше. Следовательно дело не только в пластичности и вязкости, или вообще не в них.
Например, у одного из амбассадоров ED Cymbals, игравших до этого на Zil, креши умирали за 2-3 месяца и дважды в клочья разлетались райды "K" серии, хотя до этого в тех же условиях держались вдвое дольше.
Таких примеров масса и многие могут рассказать аналогичную историю.
А дело тут в совокупности каждого из этапов производства, вне зависимости от сплава (правда у латуней активно проявляется ещë и межкристаллическая коррозия, приводящая к растрескиванию).
Если всë сделано правильно, но на стадии литья закралось несколько воздушных пузырьков, причем не видных глазу, а только под микроскопом, то в этой области между зëрнами сплава отсутствует прочная связь и тут может образоваться центр зарождения трещины. В совокупности с увеличением хрупкости от ковки (выше в статье есть описание последствий "наклëпа"), такой воздушный кармашек легко приводит к трещине даже не с края тарелки, а глубоко посреди тела.
Это как в пластике барабана сделать мельчайший прокол и не удивительно, что он быстрее порвëтся, ведь связь нарушена.
Наложим на это ликвационные процессы (неравномерное распределение олова в сплаве).
При условии, если в процессе литья в отливке образовалась область, где содержание олова значительно выше, чем в среднем по сечению, то эта область будет перенасыщена хрупким соединением олова и меди Cu31Sn8, и в этом месте тарелка выйдет из строя раньше, чем в любом другом.
Сюда же можно отнести и неметаллические включения в сплаве (углеродистые, шлаковые и прочие, не имеющие прочной связи с зëрнами сплава).
Добавим сюда неравномерное распределение тепловой энергии перед закалкой, ведь закалка призвана сделать хрупкий медно-оловянный сплав пластичным и пригодным к работе, а если разница в температуре по сечению будет критичной, то получим неравномерную твердость заготовки и, соответственно, более хрупкие участки в следствии неправильных или неравномерных фазовых превращений.
А поверх этого добавим нелюбовь закалëной бронзы к тепловому воздействию. При точении в области реза выделяется очень много тепла, которое распределяется между резцом и изделием. Перегрев в области реза приводит к изменению свойств, в частности повышенной хрупкости и пониженной усталостной прочности.
Перегрев при полировке вообще не проблема, именно поэтому к процессу полирования нужно подходить очень аккуратно.
В процессе эксплуатации слабые и средние удары по большей части не имеют никакого значения и только энергии, передаваемые ударами выше среднего, являются ощутимыми и накапливаются со временем.
Стойкость к подобным циклическим нагрузкам называется "усталостная прочность", и это отдельная тема для исследования, погружаться в которую в этом материале не будем.
По большей части всë это относится не только к сплаву CuSn20, но и к 12,10,8. Ведь они так же отливаются, раскатываются, проходят ряд термообработок, снова раскатываются и только потом вырезаются в диски.
Ввиду разности состава они имеют разные структуры и свойства, но в основе своей это всë оловянная бронза.
Итог
Чем легче и спокойнее удар, тем дольше служит любая тарелка. Изделие с дефектами, или даже их совокупностью в "мягких" руках может вообще никогда не разбиться. Но мы то живëм не в мире идеальных условий. Музыканты любят "притопить" и имеют на это моральное право, ведь все мы тут ради эмоций. Музыка — это про эмоции и драйв, а главная задлача при производстве инструментов, дать максимум качества и прочности, чтобы эти эмоции выразить на максимум.
Источник: Производство ED Cymbals ( Алексей Егоров ).