FERRER CRUSELLAS, Núria (Avda. Montserrat, 9 3º 1ª, Torelló, E-08570, ES)
RIERA FONTANA, Lluis (Gran Via del les Corts Catalanes, 192esc., 1º 1ª Barcelona, E-08004, ES)
ESPIELL ALVAREZ, Fernando (Gran Via Carles III, 50-52 k 3º 2ª, Barcelona, E-08028, ES)
SEGARRA RUBÍ, Mercé (Olzinelles 112 2º, Barcelona, E-08014, ES)
GARCÍA ZAMORA, Miguel (C/Tramuntana 14, Moia, E-08180, ES)
FERRER CRUSELLAS, Núria (Avda. Montserrat, 9 3º 1ª, Torelló, E-08570, ES)
RIERA FONTANA, Lluis (Gran Via del les Corts Catalanes, 192esc., 1º 1ª Barcelona, E-08004, ES)
ESPIELL ALVAREZ, Fernando (Gran Via Carles III, 50-52 k 3º 2ª, Barcelona, E-08028, ES)
SEGARRA RUBÍ, Mercé (Olzinelles 112 2º, Barcelona, E-08014, ES)
| Reivindicaciones. 1. - Aleación de cobre de altas prestaciones caracterizada porque consiste en añadir al cobre de alta pureza múltiples elementos químicos en concentraciones que oscilan entre 0,001 y 0,161 % de peso atómico, donde dichos elementos químicos comprenden: un grupo de elementos metálicos formado por Zn, Pb, Sn, Ni y Ag; un grupo de elementos semimetálicos o metaloides formado por Sb y As; y - Oxígeno; 2. - Aleación de cobre de altas prestaciones según !a reivindicación 1 caracterizada porque los elementos químicos se encuentra dentro dé los siguientes rangos de concentraciones en % en peso atómico: . - 0,002-0,010% de Zn; - 0,009-0,021% de Pb; - 0,054-0,161% de Sn; - 0,005-0,043% de Ni; - 0,002-0,012% de Ag; - 0,001-0,003% de Sb; - 0,001-0,002% de As; ' - 0,060-0,119% de oxígeno. 3. - Utilización de la aleación de cobre de altas prestaciones, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, para la fabricación de alambrones por colada continua que requieran propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas elevadas. 4. - Utilización de la aleación de cobre de altas prestaciones, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, para la fabricación de hiíos de contacto ranurádo destinados a la tracción eléctrica ferroviaria. |
Objeto de la invención. La presente invención se refiere a una aleación de cobre que presenta unas elevadas propiedades mecánicas sin detrimento severo de la conductividad eléctrica, una temperatura de recristalización muy superior a la del cobre puro convencional, una excelente resistencia al desgaste por abrasión así como una baja termofluencia.
La presente invención resulta especialmente idónea en la fabricación de hilos de contacto ranurado destinados a sistemas de alimentación eléctrica, tipo catenaria aérea flexible o rígida, para ferrocarriles urbanos e interurbanos de tracción eléctrica, en líneas ferroviarias de baja y de alta velocidad.
Antecedentes de la invención.
Los materiales utilizados para la fabricación de hilos de contacto destinados a líneas ferroviarias de alta velocidad además de tener alta conductividad eléctrica deben presentar unas elevadas propiedades mecánicas para soportar la tensión a la que está sometido el hilo de contacto. Esta tensión es'un parámetro fundamental ya qué define la velocidad de propagación de la onda elástica a lo largo del hilo, a mayor tensión menor es el movimiento oscilante.
La catenaria vibra cuando el tren se mueve, y si la velocidad del tren se aproximara o llegase a sobrepasar la velocidad de propagación de las ondas dentro de la catenaria, ésta se desconectaría interrumpiendo él flujo eléctrico. Es necesario que la velocidad del tren sea claramente menor que la de la propagación de ¡as ondas c.
Donde <res la tensión del hilo de contacto en N/mm 2 y p es la densidad del material en kg/m 3 . En consecuencia, en una línea de alta velocidad la tensión mecánica a la que está sometido el hilo de contacto ha de ser muy grande y por tanto la resistencia a la tracción del hilo de contacto tiene que ser elevada para soportar dicha tensión.
Uno de los materiales tradicionalmente utilizado en la fabricación de hilos contacto para líneas ferroviarias convencionales es el cobre electrolítico tenaz, conocido como CuETP. Este material debido a su alta pureza en cobre (99,99%) presenta una excelente conductividad eléctrica, del orden de 100%IACS (International Annealed Copper Standard), pero una resistencia a la tracción pobre, entre 360-370 N/mm2. Además el CuETP tiene una temperatura de recristalización muy baja, alrededor de los 200°C, presenta termofluencia a temperaturas relativamente bajas y un elevado desgaste por abrasión al paso de los pantógrafos. La aleación CuAgO. , con un 0.1% de plata, es otro de los materiales utilizados en líneas ferroviarias, especialmente de velocidad alta. Esta aleación presenta las mismas propiedades eléctricas y mecánicas que el CuETP, sin embargo ofrece una elevada temperatura de recristalización de 340°C y una resistencia al desgaste mucho mayor al CuETP convencional.
Las aleaciones CuMg0.2 y CuMgO.5, con un 0.2% y un 0.5% en magnesio, presentan unas elevadas propiedades mecánicas que oscilan entre 440 y 500N/mm 2 , respectivamente, una elevada temperatura de recristalización alrededor de los 420°C y una excelente resistencia al desgaste, no obstante, todo elfo en detrimento de su conductividad eléctrica la cual disminuye hasta los 65%IACS. Esta baja conductividad eléctrica obliga a colocar más subestaciones a lo largo de la línea o a incrementar la sección del hilo de contacto para disminuir las pérdidas de intensidad. Además, el proceso de fabricación de la aleación CuMg es de elevada complejidad debido a la alta reactividad del magnesio con el oxígeno ambiente y a esto hay que añadirle la difícil manejabilidad que ofrece durante el proceso de fabricación del hilo de contacto debido a su elevada dureza.
La aleación de cobre de la presente invención que puede ser obtenida por el proceso de colada continua, presenta unas elevadas propiedades mecánicas, sin detrimento severo de la conductividad eléctrica, que la hacen especialmente idónea para la fabricación de hilos de contacto destinados a líneas ferroviarias de alta velocidad y en general en todas aquellas aplicaciones donde se exija al material propiedades mecánicas y térmicas elevadas. En concreto, sus propiedades se sitúan en un punto medio entre el CuETP y las aleaciones CuMg mejorando el CuAg. La aleación de cobre de la presente invención presenta una elevada conductividad eléctrica entre 85 y 90 %IACS, una elevada resistencia a la tracción alrededor de 400N/mm 2 , una elevada temperatura de recristalización de 380°C, baja termofluencia en condiciones severas de tensión y temperatura y una alta resistencia al desgaste.
Descripción de la invención. La aleación de cobre de la presente invención, de aquí en adelante denominada como EVELEC (evolutioned electrification), consiste en añadir al cobre de alta pureza ' múltiples elementos químicos en concentraciones que oscilan entre 0,001 y 0,161 % de peso atómico. Dichos elementos químicos comprenden:
- un grupo de eiementos metálicos formado por Zn, Pb, Sn, Ni y Ag;
- un grupo de elementos semimetálicos o metaloides formado por Sb y As; y
Oxígeno;
En .concreto, cada uno de los elementos químicos esenciales anteriores se encuentra dentro de los rangos de concentraciones en % en peso atómico que se muestran en la siguiente tabla I. TABLA I
La aleación de cobre EVELEC permite obtener un hilo de contacto con una temperatura de recristalización y unas propiedades mecánicas muy superiores a las deí CuETP e incluso a las de la aleación CuAgO.1 , tal y como se desprende de la comparativa mostrada en la tabla II, correspondientes al ejemplo de realización detallado a continuación.
Además, resulta especialmente destacable la resistencia al desgaste y la baja termofluencia que ofrece la aleación de cobre EVELEC, mucho mejores que las del Cu-ETP, como se puede apreciar también en el ejemplo de realización.
Breve descripción de los dibujos.
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con un ejemplo no limitativo de la misma.
La figura 1 muestra los resultados obtenidos en un ensayo de desgaste acelerado de un hilo de contacto ranurado de 150mm 2 de sección fabricado con la aleación de la presente invención y su comparativa con otras aleaciones.
La figura 2 muestra los resultados obtenidos en un ensayo de termofluencia de un hilo de contacto de 150mm 2 ranurado de sección fabricado con la aleación de la presente invención y su comparativa con otras aleaciones.
Ejemplos.
El siguiente ejemplo se muestra como una realización de la presente invención, no limitativa de la misma, que sirve para comparar las prestaciones de ¡a aleación de cobre EVELEC frente a las aleaciones de cobre estandarizadas dentro del sector ferroviario.
El ejemplo corresponde a un hilo de contacto ranurado de 150mm 2 de sección para uso ferroviario fabricado con la aleación de cobre de la presente invención, cuya composición química sé muestra en la tabla I. ■ Los resultados de las principales propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas del hilo de contacto del presente ejemplo se muestran en la tabla II, comparándose con los resultados de dichas propiedades correspondientes a las aleaciones estandarizadas en el mercado..
TABLA II
Son especialmente destacables las elevadas propiedades mecánicas que ofrece la aleación de cobre EVELEC frente a las del Cu-ETP y el CuAgO.1 , así como la superior temperatura de recristalización. En concreto el hilo de contacto del presente ejemplo ofrece una resistencia a la tracción 35N/mm 2 superior a las aleaciones CuETP y CuAg0,1 , lo cual significa que resiste un 10% más de carga, y una temperatura de recristalización 160°C superior a ia aleación CuETP y 40°C superior a la aleación CuAg0,1. En este último aspecto es importante mencionar que en una línea ferroviaria de alta velocidad el hilo de contacto puede recocerse por efecto del desprendimiento de calor originado por el paso de grandes intensidades eléctricas (efecto Joule), por esta razón es muy importante que el hilo de contacto instalado en líneas de gran densidad de tráfico tenga una elevada temperatura de recristalización.
También cabe destacar la alta resistencia al desgaste de la aleación de la presente invención. Para evaluar el desgaste, el hilo de contacto del presente ejemplo es sometido a un ensayo de desgaste acelerado, comparativamente, en las mismas condiciones de servicio, con un hilo de contacto ranurado fabricado con CuETP.
Se evalúa el desgaste mediante dos tipos de condiciones de trabajo, las cuales se aprecian en la tabla III, donde v es la velocidad de paso del pantógrafo, F es la fuerza de contacto entre el hilo de contacto y el pantógrafo e / es la intensidad de corriente que circula a través de los mismos.
TABLA III
v (km/h) F (N) KA)
Tipo 1 120 80 100
Tipo 2 120 120 200 Los resultados obtenidos de los ensayos de desgaste acelerado se muestran en la figura 1 , mediante un gráfico que expresa la pérdida de masa del hilo de contacto en función del número de pasadas del pantógrafo.
El hilo de contacto del presente ejemplo experimenta un desgaste entre un 30 y un
50% inferior ai hilo de contacto fabricado con CuETP. Además, se pone de manifiesto que cuanto más exigentes son las condiciones de ensayo, a más tensión y más intensidad, más favorables son los resultados del desgaste por parte de la aleación de cobre EVELEC.
Así mismo, son de especial interés los resultados de termofluencia de la aleación de cobre de la presente invención mostrados en la figura 2. El hilo de contacto del presente ejemplo, al ser sometido a una tensión de 172MPa y 149°C de temperatura durante un largo tiempo no experimenta apenas deformación viscoleastica. Estas condiciones de ensayo son las equivalentes a las condiciones de servicio de un hilo de contacto instalado en una línea de alta densidad de tráfico, dónde se produce un calentamiento del hilo por el elevado número de paso de trenes. En la figura 2 se puede ver el excelente comportamiento de la aleación de cobre EVELEC, en la cual se aprecia que ésta no presenta termofluencia en condiciones de elevada temperatura (149°C) y tensión (172N/mm 2 ) durante un largo periodo de tiempo (3200 horas). Su comportamiento es igual a las aleaciones CuMgO,2 y CuAg0,1 y muy superior a la aleación CuETP, motivo por el cuál el CuETP no es apto para ser usado en líneas ferroviarias de alta velocidad.