ALEACIÓN DE COBRE DE ALTAS PRESTACIONES.

Aleación de cobre de altas prestaciones obtenida por colada continua que comprende múltiples elementos químicos en concentraciones que oscilan entre 0,

001 y 0,161 % de peso atómico, donde los elementos químicos esenciales 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. La aleación de cobre de la presente invención es aplicable en componentes de líneas ferroviarias de alta velocidad debido a sus elevadas propiedades mecánicas y térmicas sin detrimento severo de la conductividad eléctrica. Estas propiedades físicas confieren al material una excelente resistencia al desgaste y termofluencia nula en ser sometido a tensión y temperatura durante largos periodos de tiempo.

Aleación de cobre de altas prestaciones.

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 que 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 el flujo eléctrico. Es necesario que la velocidad del tren sea claramente menor que la de la propagación de las ondas c.

Donde σ es la tensión del hilo de contacto en N/mm2 y ρ es la densidad del material en kg/m3. 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 200ºC, presenta termofluencia a temperaturas relativamente bajas y un elevado desgaste por abrasión al paso de los pantógrafos.

La aleación CuAg0.1, 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 340ºC y una resistencia al desgaste mucho mayor al CuETP convencional.

Las aleaciones CuMg0.2 y CuMg0.5, con un 0.2% y un 0.5% en magnesio, presentan unas elevadas propiedades mecánicas que oscilan entre 440 y 500 N/mm2, respectivamente, una elevada temperatura de recristalización alrededor de los 420ºC y una excelente resistencia al desgaste, no obstante, todo ello 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 400 N/mm2, una elevada temperatura de recristalización de 380ºC, 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 elementos 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

TABLA I (continuación)

La aleación de cobre EVELEC permite obtener un hilo de contacto con una temperatura de recristalización y unas propiedades mecánicas muy superiores a las del CuETP e incluso a las de la aleación CuAg0.1, 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 150 mm2 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 150 mm2 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 la 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 150 mm2 de sección para uso ferroviario fabricado con la aleación de cobre de la presente invención, cuya composición química se 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 CuAg0.1, así como la superior temperatura de recristalización. En concreto el hilo de contacto del presente ejemplo ofrece una resistencia a la tracción 35 N/mm2 superior a las aleaciones CuETP y CuAg0, 1, lo cual significa que resiste un 10% más de carga, y una temperatura de recristalización 160ºC superior a la aleación CuETP y 40ºC 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...

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 la reivindicación 1 caracterizada porque los elementos químicos se encuentra dentro de 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 hilos de contacto ranurado destinados a la tracción eléctrica ferroviaria.