SE531483C2 - Sträng för musikinstrument innefattande utskiljningshärdande rostfritt stål - Google Patents

Description

531 483 En annan fundamental egenskap hos strängmaterialet är dess förmåga att kalldras till de önskade träddimensionerna utan att bli för spröd. Vidare kan strängen bestå av en enkel tràd, en eller flera tvinnade trådar eller en omlindad träd. Detta kräveri sin tur att materialet är tillräckligt duktilt för tillåta strängtråden att tvinnas. l fallet med en sträng för elektriska instrument, såsom en elgitarr, är ljudet som genereras av strängen ett resultat av strängens elektromagnetiska egenskaper.

De flesta elektriska gitarrer använder elektromagnetiska nàlmikrofoner (pickups), som består av en spole med en permanentmagnet. Strängvibrationerna orsakar förändringar i det magnetiska flödet genom spolen och inducerar följaktligen elektriska signaler vilka överförs till en förstärkare där signalen behandlas vidare och förstärks. Ju mer magnetisk en sträng är desto högre spänning produceras i spolen och desto starkare ljud skapas.

Dessutom är en sträng i ett musikinstrument utsatt för olika typer av korrosion.

Korrosionen kommer att smutsa ner strängen och därmed påverkas både de mekaniska. egenskaperna och stämmningsegenskaperna med tiden. En typ av korrosion som strängen utsätts för är atmosfärisk korrosion som kan vara väsentlig på kolstál i fuktiga och varma miljöer eller när instrumentet spelas på utomhus. Dessutom kan substanser, såsom svett eller fett, överföras från musikern till strängen vilket kan utgöra en risk för korrosion på strängen.

Mänsklig svett innehåller natriumklorid vilket är starkt korrosivt. Fett kan däremot samla andra substanser som i liten omfattning korroderar strängen och missfärgar ytan pà den permanent.

Vanliga strängar är vanligtvis gjorda av högkolhaltigt stål draget till olika träddiametrar. Kolstål har många goda kvaliteter, såsom att det är enkelt att dra tråd till höga hållfasthetsnivàer utan att påträffa sprödhet. Emellertid är en stor nackdel med kolstàl när det används i strängar att det lätt rostar och därmed 20 25 30 smutsar ner ytan vilket kommer att påverka tonkvaliteten och spelkaraktären hos strängen. Nersmutsning är en vanlig orsak till att stränga om ett instrument.

Många försök att hindra korrosion pà kolstàlsträngar har gjorts utan framgång, t.ex. att belägga strängar med olika material såsom naturliga och syntetiska polymerer. Beläggning minskar dock generellt strängvibrationerna vilket leder till minskad klarhet och försämrad ljudkvalitet.

Ytterligare en nackdel med kolstàl när det används i strängar är dess tendens att sträckas ut vid belastning. Denna effekt orsakad av materialets relaxation är särskilt märkbar den första perioden efter att ett nytt instrument strängats eller efter omsträngning av ett gammalt instrument, både på stora, statiska instrument såsom pianon och på små, mobila instrument såsom gitarrer och fioler. En ny sträng kräver en tid för fastställning, ”setting time”, innan den när en stabil ton.

Uppenbarligen står instrumentet själv för en stor del av ”avstämningen” som ett resultat av variationer i luftfuktighet och temperatur, men mycket av effekten kan tillskrivas strängarna. För en pianotillverkare, till exempel, betyder detta en lång och kostsam period av stämning och omstämning innan leverans av ett nytt instrument och för en instrumentalist betyder det frekvent omstämning tills en acceptabel tonstabilitet har uppnåtts.

Därför finns det ett behov av en sträng som kan bemästra de problem som angivits ovan.

Följaktligen är syftet med uppfinningen att åstadkomma en musiksträng med förlängd livstid.

Sammanfattning Det angivna syftet uppnås genom en sträng såsom inledningsvis definierats och som har särdragen enligt den kânnetecknande delen av krav 1. 20 25 30 53% 483 Genom att använda ett utskiljningshärdande rostfritt stål i musiksträngar förbättras både korrosionsmotståndet och motståndet mot relaxation ansenligt jämfört med vanligen använda kolstålsträngar och därmed förlängs strängens livstid.

Strängen är avsedd för användning i akustiska och semi-akustiska instrument samt i instrument där tonen genereras av att strängen vibrerar i ett magnetfält såsom elgitarrer. Strängen enligt föreliggande beskrivning kan användas i alla typer av strängade musikinstrument, såsom gitarrer, fioler, pianon, harpor etc..

Kort beskrivning av ritningarna Figur 1 Figur 2 Figur 3 Figur 4 Figur 5 Figur 6 åskådliggör resultatet av dragprov av strängar i enlighet med uppfinningen samt strängar av jämförande exempel. åskådliggör resultatet av ett relaxationstest av strängar med diameter 0,254 mm. åskådliggör resultatet av ett relaxationstest av strängar med diameter 0,33 mm. åskådliggör resultatet av ett relaxationstest av strängar med diameter 0,43 mm. åskådliggör resultatet från ett test av magnetisk resonans hos en sträng enligt föreliggande uppfinning. åskådliggör resultatet av ett test av magnetisk resonans hos en sträng av ett jämförande exempel. 10 20 25 30 Såå 433 Detaljerad beskrivning De olika materialegenskaperna av betydelse för prestationsförmágan hos en musiksträng är sträckgränsen och draghàllfastheten, motståndet till relaxation (tonstabilitet), korrosionsmotstàndet, formen, ytbeskaffenheten samt för elektriska instrument de elektromagnetiska egenskaperna.

Strängen i enlighet med föreliggande uppfinning har en förlängd livsltid jämfört med vanligen använda strängar. l detta sammanhang anses livslängden vara tiden till dess att strängen går av eller tiden till dess att musikern känner behovet att byta strängen pà grund av försämrade egenskaper hos strängen, såsom en förlust av stämmningsstabllitet eller tonkvalitet.

Utskiljningshärdande rostfria stål är korrosionsresistenta iärnlegeringar som har förstärkts av utskiljningshärdning. Utskiljningshärdningen åstadkommer en multifasstruktur resulterande i ett ökat motstånd mot dislokationsrörelser och därmed större hållfasthet och hårdhet. Dessa stáltyper kan allmänt hittas i tillämpningar såsom korrosionsresistenta konstruktionsdelar.

Som resultat av materialvalet har en sträng enligt föreliggande beskrivning en hög mekanisk hållfasthet, såsom en draghållfasthet av minst 1800 MPa när den har en diameter av 0,33 mm och är i kalldraget skick. Dessutom är draghàllfastheten minst 2500 när den har en diameter av 0,254 mm och är i värmebehandlat skick, d.v.s. åldrad. Vidare har den ett motstånd mot relaxation som inte gör det nödvändigt att stämma om oftare än en gång var 18:e timme när den spelas pä under normala förutsättningar. Mer specifikt har det utskiljningshärdande rostfria stålet ett tillräckligt motstånd mot relaxation för att göra det nödvändigt att stämma om mindre än en gång var 24:e timme. 20 25 531 483 Dessutom är strängen enligt föreliggande beskrivning motstàndskraftig mot korrosion orsakad av omgivningen eller substanser som överförs till strängen under dess användning. Till följd av detta behöver inte strängen beläggas för förbättrat skydd samt behåller med tiden sin blanka yta och därmed sitt akustiska karaktärsdrag.

De gemensamma metoder som används för att bedöma korrosionsmotständet hos kolstàl och rostfritt stål skiljer sig påtagligt åt, vilket gör en direkt jämförelse baserad på labtest svår. Kolstål rostar emellertid kraftigt i sötvatten och till och med ännu mer i kloridinehàllande vatten. Rostfritt stål däremot, står emot rent vatten men kan utsättas för gropfrätning i kloridinehàllande vatten.

Korrosionsprocessen accelereras om kloridhalten och/eller temperaturen är hög.

För dess hàllfasthetsnivå är det utskiljningshärdande rostfria stälet enligt uppfinningen mycket motståndskraftigt i vattenlösningar och uppför sig bättre än Lex. rostfritt stål av typ AlSl 304. Detta betyder också att det överträffar musiksträngar av kolstäl i detta avseende.

En enhetlig form och jämn ytbeskaffenhet är viktiga för att uppnå ett harmoniskt ljud och en bra känsla av strängen när den spelas. De akustiska egenskaperna hos en sträng är svåra att kvantifiera men är mycket viktiga för hur musikern och den som lyssnar upplever strängens ljud. Uppfattningen av det akustiska ljudet hos strängar i enlighet med föreliggande uppfinning är liknande den hos vanligen använda kolstàlssträngar.

Lämpliga utskiljningshärdande rostfria stål att använda i musiksträngar enligt föreliggande uppfinning innehåller generellt 10-20 viktprocent Cr och 4-10 viktprocent Ni. 20 25 30 531 433 Ett utskiljningshärdande rostfritt stål lämpligt för användning som musiksträngar skulle till exempel kunna ha följande sammansättning i viktprocent: C max 0,1 Si max 1,5 Mn 0,2-3 S max 0,1 P max 0,05 Cr 10-19 Ni 4~10 Mo+0.5W max 6 Cu max 4,5 en eller flera av elementen Ti, Nb, Ta and Al >0 - 2 Återstoden Fe och normalt förekommande föroreningar.

Exempel på sådana rostfria stål är UNS 846910, UNS 817700, UNS 817400 och UNS 845500. Enligt en föredragen utföringsform är det utskiljningshårdande rostfria stålet UNS 846910.

Det utskiljningshärdande rostfria stålet kan innefatta olika tillsatser för att åstadkomma utskiljning. Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar det utskiljningshärdande rostfria stålet 0,5-1 vikt% Ti, såsom i fallet med UN8 846910 och UNS 845500. Enligt en annan utföringsform av uppfinningen innefattar det rostfria stålet 0,2-1,5 vikt% Al såsom i fallet med UNS 817700 och UNS 846910. Enligt ytterligare en utföringsform innefattar stålet 0,1-0,6 vikt% Ta + Nb som ifallet med UN8 845500 och UNS 817400.

Ett viktigt kriterium när man väljer ett lämpligt utskiljningshärdande rostfritt stål för en musiksträng är förmågan att tillverka trådar av materialet för att kunna producera strängen. Det är en nödvändig förutsättning att den utvalda 10 15 20 25 53'l 433 sammansättningen kan kalldras till mycket fina diametrar, såsom 0,254 mm eller 0,33 mm, utan att bli spröd Strängen produceras genom sedvanliga kalldragningsprocesser för tillverkning av tråd. Kalldragningsprocessen ger upphov till bildning av detormationsinducerad martensit vilket leder till ökad mekanisk hållfasthet samt ett mer magnetiskt material. Mängden kalldeformation är viktig för att uppnå den önskade hàlltastheten och de magnetiska egenskaperna hos tråden.

För att ytterligare förbättra strängens egenskaper kan det utskiljningshärdande stålet utsättas för en värmebehandling vid 400-500 °C, vanligtvis under upp till 4 timmar. Denna åldrande värmebehandling skapar en utskiljningshärdning av materialet vilken avsevärt ökar dess draghàllfasthet.

Tillverkningsprocessen för att producera tråd av utskiljningshärdande rostfritt stål resulterar i strängar med god ytbeskaffenhet, d.v.s. strängar med ett enhetligt och harmoniskt ljud som är bekväma att spela på.

Enligt en utföringsform innefattar strängen en kärna lindad med metalltrádar. l denna utföringsform består antingen kärnan eller lindningen av utskiljningshärdande material i enlighet med uppfinningen. Det är även möjligt att både kärnan och lindningen innefattar utskiljningshärdande rostfritt stål.

Strängen enligt föreliggande beskrivning kan användas i alla typer av strängade instrument, såsom gitarrer, fioler, pianon, harpor etc.. Strängen kan vara en enkel tråd, men den kan även vara i form av en virad eller lindad sträng. Strängen kan även vara tvinnad. 10 15 20 25 30 53 'i 433 Exempel 1 Provtrådar tillverkades av ett utskiljningshärdande rostfritt stål med följande ungefärliga sammansättning (alla i viktprocent): C 0,01 % Si 0,2 % Mn 0,3 % Cr 12 % Ni 9 °/> Mo 4 % Co 0,6 % Ti 0,9 % Cu 2 °/> Al 0,3 % återstoden Fe och normalt förekommande föroreningar.

Denna legering är standardiserad under US-standard AlSl UNS S46910.

Trådar kalldrogs till diametrar av 0,254 mm, 0,33 mm respektive 0,43 mm. En tråd av varje diameter värmebehandlades vid en temperatur av 475 °C i 10 minuter, vilket resulterade i en ökad hàllfasthet och ett ytterligare förbättrat motstånd till relaxation av materialet.

Sträckgränsen och draghálltastheten mättes genom ett dragprov enligt SS- EN10002-1 och jämfördes med 8 olika jämförande exempel av kolstålsträngar.

Den ungefärliga sammansättningen samt stängarnas diametrar av de jämförande exemplen visas i Tabell 1. värdena för sträckgräns (Rpog) och draghàllfasthet (Fim) är listade i Tabell 2 och är illustrerade i Figur 1. Det framstår som om de mekaniska egenskaperna hos det utskiljningshärdande rostfria stålet, både i draget tillstànd och i àldrat tillstånd, överensstämmer väl med särdragen hos konventionella strängar. Den positiva effekten av åldring visas tydligt i Tabell 2. 5311 433 10 Tabell 1.

Jämförande Fe (+ C) Si Mn Diameter hos exempel nr. sträng [mm] 1 99,2 0,2 0,7 0,43 2 98,9 0,3 0,7 0,43 3 99,3 0,2 0,5 0,43 4 99,2 0,2 0,7 0,43 5 99,3 0,2 0,5 0,43 6 99,1 0,2 0,7 0,43 7 99,3 0,3 0,5 0,43 8 99,2 0,2 0,6 0,33 Tabell 2.

Rpoz Rm Prov [MPa] [MPa] Jmf. ex. 1 2307 2384 Jmf. ex. 2 2076 2446 Jmf. ex. 3 2140 2322 Jmf. ex. 4 2348 2392 Jmf. ex. 5 2239 2394 Jmf. ex. 6 2251 2300 Jmf. ex. 7 2408 2772 Jmf. ex. 8 2455 2665 Uppf. 0,254 kalldragen 1577 1919 Uppf. 0,33 kalldragen 1726 1961 Uppf. 0,43 kalldragen 1471 1687 Uppf. 0,254 àldrad 2579 2638 Uppf. 0,33 àldrad 2556 2615 Uppf. 0,43 àldrad 2166 2403 10 15 20 25 531 483 11 Exempel 2 Ftelaxatlonsmotståndet testades genom att slå an strängar med 0,254, 0,33 mm diameter och 0,43 mm diameter ungefär 200 gånger per minut med ett plektrum.

Sammansättningarna är de i Exempel 1. Testet genomfördes över en 24- timmarsperiod. Plektrumets anslagningspunkt sattes till 18 cm från en kraftsensor kopplad till en dator. Den totala längden av varje sträng var 65 cm och strängarna vilade på tvâ plaststycken vid vardera ända. Avståndet mellan vardera ända och dess motsvarande kraftsensorer var 5 cm. Diametern och dess respektive liudfrekvens ges i Tabell 3 tillsammans med den ursprungliga dragspänningen samt spänningen per ytarea hos strängarna.

Tabell 3.

Diameter Ljudfrekvens Dragspänning Spänning per ytarea [mm] [Hz] [N] [MPa] 0,254 330 71,8 1417 0,33 247 68,5 801 0,43 196 73,9 509 Resultaten av relaxatlonstesten av strängar med diameter 0,254 mm, 0,33 mm och 0,43 mm illustreras i Figur 2, Figur 3 respektive Figur 4. l Tabell 4 är samma resultat listade iform av den linjära Ekvation 1, i vilken y är den pálagda belastningen, k är en konstant, x är tiden och yo är den inledande beiastningen.

Frekvensförlusten är beräknad baserat pà en densitet av 7700 kg/ma.

Ekvation t. y(x) = - k*x + yo 53 'l 433 12 Tabell 4.

Prov Start- Spänning Frekvens- Ekvation med spänning efter 24 h förlust lutning (k-värde) [N] [N] [H2] Jmf. ex. 1 y=-0,025x + 70,2 0,254 mm 70,2 69,6 1,40 Jmf. ex. 3 y=-0,05x + 71,1 0,254 mm 71,1 69,9 2,78 Jmf. ex. 4 y=-0,0375x + 71,1 0,254 mm 71,1 70,2 2,08 y-_--o,o125x + 68,4 Jmf. ex. 3 O,33mm 68,4 68,1 0,54 y=-0,05x + 72,9 Jmf. ex. 4 0,43mm 72,9 71,7 1,62 y=-0,0625x + 73,8 Jmf. ex. 7 0,43mm 73,8 72,3 2,02 Uppf. O,33mm y=-0,05x + 68,1 kalldragen 68,1 66,9 2,19 Uppf. 0,43mm y=-0,0563x + 74,1 kalldragen 74,1 72,8 1,74 Uppf. O,254mm y=-0,0125x + 73,5 värmebehandlad 73,5 73,2 0,68 Uppf. O,33mm y=-0,00x + 67,2 värmebehandlad 67,2 67,2 0,0 Uppf. 0,43mm y=-0,025x + 74,7 värmebehandlad 74,7 74,1 0,8 Ju lägre k-värdet är, d.v.s. lutningen av den linjära ekvationen för en given sträng, desto bättre är dess relaxationsmotstànd. Resultaten visar vidare att det utskiljningshärdande rostfria stålet i värmebehandlat skick, d.v.s. åldrat, har 10 15 20 25 30 53% 433 13 bättre relaxationsmotstând jämfört med traditionellt kolstål som används i musiksträngar. Den starkt positiva effekten av åldrande på relaxationsmotstàndet är tydligt påvisad.

Det mänskliga örat kan uppfatta en ändring i tonfrekvens på 1 Hz. Strängen av Jämförande Exempel 7 hade tappat 1,5 N (motsvarande en frekvensminskning av ungefär 2 Hz) etter 24 timmar, vilket innebär att en sådan sträng måste stämmas om en gäng var 12:e timme. En sträng enligt uppfinningen som har en motsvarande diameter och är i värmebehandlat skick hade däremot tappat 0,6 N, motsvarande en frekvensförlust på ungefär 0,8 Hz, vilket i sin tur resulterar i ett behov för omstämning en gång var 30:e timme.

För jämförelse hade en sträng enligt uppfinningen med en diameter på 0,254 mm och i värmebehandlat skick tappat 0,3 N vilket motsvarar en frekvensförlust på omkring 0,68 Hz. Detta resulterar i ett behov av omstämning en gäng var 35.e timme.

Exempel 3 Den magnetiska resonansen av legeringen i Exempel 1 testades på en gitarr och jämfördes med den av Jämförande Exempel 6. Strängarna slogs an pà ett avstånd av 10 cm fràn bryggan och utsattes för en kraft motsvarande skjuvnings- bristningspunkten hos en 0,10 mm kopparträd. Koppartråden var lagd i en ögla vinkelrätt runt den anslagna strängen och drogs sedan till bristningspunkten. På detta sätt användes samma kraft vid varje testomgång. Bristningspunkten på koppartràden måste även vara vid kontaktpunkten med den anslagna strängen och om koppaitràden brast vid någon annan punkt upprepades proceduren. En serie av fem godkända test gjordes på varje sträng och resultaten framställs i diagram som Figurerna 5 och 6. Resultaten visar att åldringsprocessen inte påverkar materialets magnetiska egenskaper. 10 15 20 14 Exempel 4 Vidare testades den magnetiska vikten av materialet och jämfördes med Jämförande Exempel 4. En magnetisk väg användes för att mäta mängden magnetisk fas. Den magnetiska vågen innehåller tvà huvudsakliga beståndsdelar, en elektromagnet och en töjningsmätare. Elektromagneten genererar ett starkt, inhomogent magnetfält mellan tvâ kilformade poler där provet placeras. En magnetisk sträng kommer att dras ner av den magnetiska kraften. Kraften, som är proportionell mot mängden magnetisk fas, uppmäts sedan av töjningsmätaren. Denna mätning ger mättningsmagnetiseringen hos provet och genom att beräkna den teoretiska mättningsmagnetiseringen för detta stål är det möjligt att bestämma mängden magnetisk fas som finns i provet, d.v.s. den magnetiska vikten. värdena från testen av magnetisk vikt illustreras iTabell 5.

Tabell 5.

Prov Längd [mm] Vikt [g] os [gauss*cm3/g] Uppfinning 0,43 mm 0,58 0,228 142,1 Jämförande exempel 4 0,57 0,164 193,8 Det framstår som om legeringen enligt föreliggande uppfinning har en magnetism som är likvärdig med den hos vanligen använda kolståltrådar, vilket följaktligen gör legeringen särskilt lämplig för tillämpningar som kräver ett magnetiskt material, d.v.s. strängar för elektromagnetiska pick-up-instrument såsom elgitarrer.

Claims (5)

1. W 15 20 25 30 tšíší 433 15 KRAV 1. Sträng för musikinstrument innefattande utskiljningshärdande rostfritt stål, strängen k ä n n ete c k n a d av att det utskiljningshärdande rostfria stålet har en sammansättning, alla i viktprocent, av: C max 0,1 Si max 1,5 Mn 0,2-3 S max 0,1 P max 0,05 Cr 10-19 Ni 4-10 Mo+0.5W max 6 Cu max 4,5 en eller flera av elementen Ti, Nb, Ta and Al och mängden Ti är >O - 2, 0,5-1, samt återstoden Fe och normalt förekommande föroreningar.

2. Strängen för musikinstrument enligt krav 1 kännetecknad av att den innefattar 0,2-1,5 vikt% Al.

3. Strängen för musikinstrument enligt krav 1 kä n n ete ck n a d av att den innefattar O,1-O,6 vikt% Ta + Nb.

4. Strängen för musikinstrument enligt krav 1 kä n n eteckn a d av att det utskiljningshärdande rostfria stålet är UNS 846910.

5. Strängen för musikinstrument enligt krav 1 kän n etecknad av att det utskiljningshärdande rostfria stålet är UNS S45500. 10 15 20 25 531 483 16 _ Strängen för musikinstrument enligt krav 1 kännetecknad av att den har en draghållfasthet av minst 1800 MPa när den är av en diameter av 0,33 mm. _ Strängen för musikinstrument enligt krav 1 kän n etecknad av att den har en motståndskraft till reiaxation sådan att den kommer att stå emot en frekvensförlust av 2 Hz i minst 18 timmar. . Strängen för musikinstrument enligt något av föregående krav kä n n ete c k n a d a v att det utskiljningshärdande rostfria stålet är i kaiidraget skick. . Strängen för musikinstrument enligt något av kraven 1-7 kä n n etec kn a d av att det utskiljningshärdande rostfria stålet är i värmebehandlat skick. 10. Strängen för musikinstrument enligt krav 14 kä n n ete c kn a d av att den har en draghållfasthet av minst 2500 när den är av en diameter av 0,254 mm. 11.Strängen för musikinstrument enligt krav 1 kännetecknad av att den innefattar en kärna av utskiljningshärdande rostfritt stål lindad med metalltrådar. 12.Musikinstrument kännetecknad av att det innefattar en sträng i enlighet med något av föregående krav.