Handbuch der Schienentechnik

Köstermann ⋅ Meißner ⋅ Sladek
Handbuch der
Schienentechnik
Werkstoffe,
Herstellung und Bearbeitung,
Qualitätssicherung

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über htttp://dnb.ddb.de abrufbar.
Herausgeber (H), Kapitelverantwortlicher (KV) und Autor (A)
Dipl.-Ing. Thomas Boldt, Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt SLV Hannover KV 2, KV 6, A 2, A 6
Dipl.-Ing. Heinz Deckart, GTS Gesellschaft für Gleistechnik Süd mbH, Regensburg KV 3, KV 5, A 3, A 5
Dipl.-Ing. Dirk Dennig, ThyssenKrupp GfT Gleistechnik, Essen A 1
Dr.-Ing. Robert Gehrmann, Elektro-Thermit GmbH & Co. KG, Halle an der Saale A 2
Dr.-Ing. Dieter Hartleben, Schweerbau GmbH & Co. KG, Stadthagen A 4
Siegfried Hausen, LOG Logistikgesellschaft Gleisbau mbH, Hannover A 1
Dr.-Ing. Thomas Hempe, DB Netz AG, Frankfurt am Main KV 4, A 4
Dipl.-Ing. Jochen Kabisch, DB Netz AG, Berlin A 4
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Köstermann, Langenhagen H, A 2
Prof. Dr.-Ing. Gerd Kuscher, Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt SLV Hannover KV 1, A 1
Dipl.-Ing. Klaus Meißner, Leipzig H, KV 2, KV 3, A 2, A 3
Dipl.-Ing. Lothar Muders, TSTG Schienen Technik GmbH & Co. KG, Duisburg A 1
Dipl.-Ing. Thomas Pache, GTS Gesellschaft für Gleistechnik Süd mbH, Regensburg A 3, A 5
Dipl.-Ing. Dr. mont. Peter Pointner, Voestalpine Schienen GmbH, Leoben/Österreich A 1
Dipl.-Ing. Robert Schniegler, H. A. Schlatter AG, Schlieren/Schweiz A 2
Dipl.-Ing. Dr. techn. Wolfgang Schöch, Speno International SA, Genf/Schweiz A 4
Dipl.-Ing. Herbert Sladek, Verband Deutscher Verkehrsunternehmen (VDV), Köln H
Dipl.-Ing. Fred Sondermann, DGZfP, Wittenberge A 3
Dipl.-Kfm. Marcel Taubert, Stahlberg Roensch GmbH & Co. KG, Hittfeld A 4
Fachbuchreihe Schweißtechnik
Band 152
ISBN 978-3-87155-218-2
Alle Rechte vorbehalten.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2008
Herstellung: Service-Druck Kleinherne GmbH & Co. KG, Neuss

Vorwort
Trotz der Abnahme des Schienenverkehrs in den vergangenen Jahrzehnten durch zunehmende
Motorisierung der Bevölkerung und großflächige Verlagerung des Verkehrs auf die Straße sind
auch heute noch umfangreiche Gleisanlagen und damit beachtliche Mengen von Schienen verlegt:
– Die Schienennetze der Eisenbahnen der Mitgliedstaaten der Europäischen Union (EU) haben
insgesamt eine Streckenlänge von etwa 220 000 km.
– In Deutschland umfasst das Schienennetz des größten Bahnbetreibers, der Deutschen Bahn AG,
eine Streckenlänge von etwa 34 000 km (63 000 km Gleise) und die Netze der Nichtbundeseigenen
Eisenbahnen und der kommunalen Verkehrsunternehmen des ÖPNV (Straßenbahnen,
Stadtbahnen, U-Bahnen) kommen in der Summe auf eine Streckenlänge von etwa 17 000 km.
Ein Wiederaufschwung des Schienenverkehrs ist sogar zu verzeichnen, der im Rahmen der sich
verschärfenden Umweltprobleme sicherlich weiter zunehmen dürfte.
Wurden die Schienen früher ausschließlich durch Laschenstöße miteinander verbunden, so erfolgt
dies heute in Deutschland nur noch in wenigen Sonderfällen. Im Regelfall werden die Schienen
durch das Schweißen miteinander verbunden. Die Gründe dafür sind höhere Wirtschaftlichkeit,
erheblich besserer Fahrkomfort und stark verminderte Geräuschentwicklung beim Befahren.
Ziel der Eisenbahngesellschaften ist sowohl die Instandhaltung der vorhandenen Strecken als auch
ihr Ausbau für den
– Personenverkehr auf Hochgeschwindigkeitsstrecken mit Geschwindigkeiten bis 350 km/h und
– Güterverkehr auf hochbelastbaren Strecken mit Achslasten von 22,5 t.
Die Möglichkeiten dazu eröffnet u. a. das durchgehend geschweißte Gleis mit langen Schienen mit
einer Walzlänge bis zu 120 m.
Auch an den Fahrweg der Bahnen des Öffentlichen Personen-Nahverkehrs und des Eisenbahn-
Regionalverkehrs sowie der Hafen-, Anschluss-, Werks- und Industrie-Bahnen werden hohe
Anforderungen gestellt.
Die Schienentechnik mit den Schwerpunkten
– Werkstoffe und Formen,
– Schweißen,
– Prüfen, Messen und Bewerten,
– Bearbeiten,
– Spannungsausgleich und Herstellen Lückenloser Gleise und Weichen sowie
– Qualitätssicherung
ist zentrales Thema in der Eisenbahn-Infrastruktur. Die Bearbeitung und Kontrolle der Schienen
mit Erkennen der äußeren und inneren Fehler zur Gewährleistung einer sicheren Spurführung der
Fahrzeuge und zur Verschleiß- und Lärmminderung stehen bei allen Bahnen an vorderster Stelle.
In den letzten Jahrzehnten waren teilweise bedeutende Neu- und Weiterentwicklungen zu
verzeichnen, z. B. die Wärmebehandlung von Schienen zur Kopfhärtung, die Verwendung von
Schienen mit höherer Stahlgüte oder die Einführung neuer Schweißverfahren. Hierüber wurde
jeweils gesondert im Schrifttum oder in Vorträgen berichtet. Eine zusammenfassende Darstellung
des heutigen Stands der Schienentechnik ist aber seit längerem überfällig.

Diese Erkenntnis war für die Herausgeber der Auslöser, ein erfahrenes Team von Autoren aus
Industrie, Anwendung, Ausbildung und Prüfung der Schienentechnik zusammenzustellen, um diese
Lücke zu schließen. Dabei wurde besonderer Wert auf Vollständigkeit und ausführliche
Darstellung der Grundlagen gelegt. Das Ergebnis dieser Gemeinschaftsarbeit wird mit diesem
Handbuch vorgelegt und soll allen in der Schienentechnik Tätigen sowohl beim Einstieg als auch
als Nachschlagewerk nützlich sein.
Der Dank gilt allen am Handbuch Beteiligten, insbesondere den Autoren und den Firmen, die
dieses Vorhaben wohlwollend unterstützt haben.
Langenhagen, Leipzig und Köln, im Oktober 2008
Heinrich Köstermann, Klaus Meißner und Herbert Sladek

Geleitwort
Die DB Netz AG als Betreiber und Instandhalter des größten Strecken- und Schienennetzes in
Europa steht gegenwärtig vor großen Herausforderungen. Die Eisenbahn erlebt derzeit eine
Renaissance. Immer mehr Menschen und Güter werden auf der Schiene befördert und das
Transitland Deutschland steht vor der Frage, wie es die Verkehre der Zukunft organisieren und
sicherstellen will.
Die bedarfsgerechte Vorhaltung der Eisenbahninfrastruktur und die Optimierung des Verbundsystems
Rad – Schiene sind Voraussetzung für die Bewältigung der Herausforderungen, die
angesichts der prognostizierten Verkehrszuwächse auf uns zukommen. Die Schiene als das
tragende Element des Eisenbahnfahrwegs soll eine hohe Biegesteifigkeit und eine hohe Festigkeit
für die permanent wechselnden Lastspiele aufweisen. Gleichzeitig fordert der Eisenbahnbetrieb
von der Schienenfahrfläche in ihrer Eigenschaft als Fahrbahn eine hohe Ebenheit und eine große
Profiltreue. Im deutschen Schienennetz werden der Infrastruktur Zuggeschwindigkeiten von
300 km/h und Achslasten bis 25 t abverlangt. Die Schiene stellt in der Beschaffung und der
Instandhaltung einen dominierenden Kostenfaktor dar. In ihrer Funktion, die Fahrzeuge zu tragen
und zu führen, ist die Qualität der Schiene von ausschlaggebender Bedeutung für die Sicherheit des
Bahnbetriebs.
Der Betreiber und Instandhalter der Infrastruktur muss in dem Spannungsfeld minimierter
Lebenszykluskosten bei Sicherstellung der hohen Qualitätsanforderungen die Optimierung der
Liegedauer vorantreiben, um eine wirtschaftliche und regelwerkskonforme Vorhaltung der
Infrastruktur sicherzustellen. Bei der DB Netz AG werden dazu verschiedene Ansätze verfolgt. In
der Zustandsüberwachung werden zunehmend automatische Mess- und Prüfverfahren eingesetzt.
Zur Inspektion der Gleisanlagen werden modernste Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung als ein
wichtiger Bestandteil des Regelwerks eingesetzt. Gleichzeitig sind wir auf der Suche nach
Hochtechnologie-Werkstoffen und legen im Rahmen der präventiven Instandhaltung einen großen
Wert auf die Schienenpflege und -instandsetzung.
Neben allen technischen Faktoren, die die herausragende Bedeutung der Schiene für die spurgebundenen
Verkehrssysteme charakterisieren, kommt dem Faktor Mensch die ausschlaggebende
Rolle zu. Daher ist die Vermittlung von Wissen und der Austausch von Erfahrungen und
Kenntnissen für die Technik- und Prozessverantwortlichen besonders wichtig.
Ich begrüße daher ausdrücklich die Herausgabe dieses Handbuches in der Erwartung, dass damit
den Fach- und Führungskräften aller Ebenen ein umfassendes Kompendium für ihre tägliche Arbeit
an die Hand gegeben wird.
Frankfurt am Main, im Oktober 2008
Oliver Kraft
Vorstand Produktion der DB Netz AG

Geleitwort
Die Schiene ist aufgrund ihrer Funktion als Trag- und Führungselement das Bauteil des Oberbaus,
an das höchste Sicherheitsanforderungen zu stellen sind.
Für eine sichere Führung des Radsatzes müssen Schienenkopf- und Radprofil, in Verbindung mit
der Spurweite und Schienenneigung, auf einander abgestimmt sein und engen Toleranzen
unterliegen, um ein hartes Anlaufen des Rades am Schienenkopf zu vermeiden und einen instabilen
Radsatzlauf der Fahrzeuge mit der Gefahr der Entgleisung zu verhindern.
Als Träger hat die Schiene die Aufgabe, die statischen und dynamischen Lasten der Fahrzeuge auf
mehrere Schwellen zu verteilen, die dann über das Schotterbett – oder gebundene Tragschichten
bei der Festen Fahrbahn – in den Untergrund abgeleitet werden. Voraussetzung ist die Ausbildung
einer Biegewelle der Schiene, die nur über eine entsprechende Elastizität der Schienenauflager, des
Schotters und des Untergrundes aktiviert werden kann. Dabei muss die erzeugte Biegespannung
dauerhaft von der Schiene ertragen werden, damit es nicht zu einem Schienenbruch insbesondere
im Winter bei tiefen Temperaturen kommt. Infolge der Entwicklung eines geeigneten Bemessungsverfahrens,
immer besserer Schienenqualitäten seit den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts und
Schienenprüfungen mit dem Ultraschallverfahren sind solche Schienenbrüche selten geworden.
Ganz ausgeschlossen werden können sie jedoch nicht. Das Oberbausystem ist aber so ausgelegt,
dass auch bei einem Schienenbruch kein sicherheitsgefährdender Zustand eintritt, wenn eine
spannungshaltende Schienenbefestigung eingesetzt wird, um die Bruchlücke klein zu halten, und
der Schienenbruch schnellstmöglich gesichert und saniert wird.
Auf der anderen Seite haben sich in den letzten Jahren andere Schienenschäden, nämlich Oberflächenschäden
wie die „Head Checks“, erheblich vermehrt. Hauptsächliche Ursachen sind
einerseits der bei den heutigen hohen Stahlfestigkeiten fast fehlende Verschleiß – von engen Bögen
abgesehen –, wodurch Aufhärtungen und Anrisse an der Oberfläche der Schiene nicht mehr
abgetragen werden, andererseits die an der Schlupfgrenze fahrenden modernen Triebfahrzeuge,
deren Räder hohe Schubbeanspruchungen in die Schiene einleiten. Dem Problem der
„Head Checks“ kann derzeit wirksam nur durch Schienenschleifen oder -fräsen begegnet werden.
In bestimmten Fällen hat auch der Einsatz von kopfgehärteten Schienen Verbesserungen gebracht.
Erfolgt das Schleifen jedoch zu spät und haben sich die „Head Checks“ schon von Fahrkantenanrissen
zu Querrissen im Schienenkopf weiter entwickelt, besteht die Gefahr eines plötzlichen,
vom Schienenkopf ausgehenden Bruches. Die Erfahrung zeigt, dass dabei aufgrund der vielen, eng
nebeneinander liegenden „Head Check“-Risse auch ganze Schienenstücke ausbrechen können.
Durch die Einführung des neuen Wirbelstrom-Prüfgeräts können „Head Checks“ mit kritischen
Risstiefen detektiert werden. Abgesehen von der Sicherheitsgefährdung ist auch der wirtschaftliche
Schaden zu beachten, wenn die Schienen aufgrund des nicht oder zu spät erfolgten Schleifens, in
bestimmten Fällen bereits nach wenigen Jahren Liegedauer, ausgetauscht werden müssen.
Gerade unter diesen Sicherheitsaspekten ist eine umfassende Darstellung des aktuellen Wissens
über die Schienentechnik von Bedeutung, die mit diesem Handbuch erreicht werden soll. Sowohl
angehende als auch erfahrene Oberbauer haben somit die Möglichkeit, ihre Kenntnisse über die
Schiene zu erweitern und zu vertiefen, um zur Sicherheit des Fahrweges beizutragen.
Bonn, im Oktober 2008
Dipl.-Ing. Armin Keppel
Präsident des Eisenbahn-Bundesamtes

1 Schienen
1.1 Allgemeines
1.1.1 Entwicklung und Überblick
Die Schiene als tragendes Element im Rad-Schiene-System geht auf eine weit mehr als 150-
jährige Tradition zurück. Die Entwicklung der Schienen war durch ihre Nutzung bestimmt; zur
Aufnahme der Last und zur Führung des rollenden Materials mussten die Schienen so gestaltet
sein, dass sie diesen Beanspruchungen widerstehen konnten. Die Form der Schiene ähnelte
zunächst einem Träger. Im Rahmen dieser Anforderung hat die Schiene aber im Laufe ihrer
Entwicklung einige signifikante Formänderungen durchgemacht. Von der einfachen Blockschiene
bis hin zum gewichts- und gestaltoptimierten Vignol-Profil merkt man das Bestreben, einen
optimalen Kompromiss zwischen Herstellbarkeit und Funktionalität zu finden, Bild 1-1.
Bild 1-1. Entwicklung der Schienenprofile.
Mit der Entwicklung des Schienenprofils einhergehend musste auch der Schienenwerkstoff selbst
den steigenden Belastungen angepasst werden. Beobachtet man die Festigkeitssteigerungen der
Schienen von Beginn an, so erkennt man, dass die wachsenden Anforderungen nur durch die
Entwicklung verbesserter Herstellmethoden des Schienenstahles selbst möglich wurden. Jedem
Festigkeitssprung ging eine signifikante Änderung der metallurgischen Prozesse voran, Bild 1-2.
Ein weiterer Parameter, der sich über die Jahre geändert hat, ist die zum Einbau zur Verfügung
stehende Schienenlänge. Von anfangs etwa 1,2 m langen Stücken existieren heute bis zu 120 m
lange gewalzte Schienen. Hinsichtlich der Verlegung und Verbindung der Schienen zeigte sich mit
den wachsenden Forderungen nach Lebensdauer und Komfort, dass in vielen Fällen mit dem
Stoßlückengleis nicht das Optimum gefunden worden war. Die Entwicklung des Lückenlosen
Gleises war eine unabdingbare Vorbedingung für einen möglichst gleichmäßigen Fahrzeuglauf.
Damit sind aber auch die zentralen Themen für die Anwendung der Schienentechnik genannt:
Schweißeignung des Schienenwerkstoffs und die Schweißtechnik selbst.
1

Bild 1-2. Zusammenhang
zwischen neuen
Herstellmethoden und
der Schienenfestigkeit.
Die Anforderungen an den Schienenwerkstoff sind heutzutage bestimmt von der Schiene als
sicherheitsrelevantem Fertigprodukt. Es muss vom Hersteller ein Produkt geliefert werden, das
Jahre und Jahrzehnte den Beanspruchungen standhält, die dem Außenstehenden kaum bewusst
sind. Der Herstellungsprozess, die Verarbeitung, die Verlegung, das Verschweißen, die Instandhaltung,
all das sind hochwertige technologische Prozesse. Was wir heute produzieren und
installieren, nutzen auch die nächsten Generationen. Das unterscheidet dieses Fachgebiet
wesentlich von schnelllebigen Systemen. Gerade deshalb müssen aber auch Änderungen und
Anpassungen mit der größtmöglichen Gewissenhaftigkeit erfolgen, ohne aber trotzdem die
Möglichkeit und den Elan für Weiterentwicklungen zu dämpfen.
1.1.2 Schiene als Teil des Systems Bahn
Die Schiene stellt im „System Bahn“ eine wichtige Komponente dar. Es gibt einige Möglichkeiten,
sich diesem System zu nähern.
Die Lastverhältnisse sind vergleichbar einer „Sanduhr“, Bild 1-3. Die Beanspruchungen und
Drücke zwischen den einzelnen Komponenten des Systems können enorm unterschiedliche
Beträge annehmen. Ihre größten Beträge erreichen diese Kräfte sicherlich im Rad-Schiene-
Kontaktbereich. Berechnungen ergeben Beanspruchungen weit jenseits des elastischen
Verformungsvermögens des Schienen- und des Radwerkstoffs und führen damit zu Schädigungen
in Form von Verschleiß und/oder Rollkontaktermüdung. Geht man gedanklich von der Schiene
nach unten, werden diese spezifischen Flächenpressungen immer kleiner. Die Last wird zuerst
über den Schienenfuß auf die Zwischenlagen weitergeleitet. Die Spannungen reduzieren sich von
2

weit über 1000 N/mm² im Kontaktbereich auf 100 N/mm² unter den Schienen. Im Falle des
Schotteroberbaus werden über die Schwellen die Kräfte auf das Schotterbett geleitet, wo
(theoretisch) Flächenpressungen in der Größenordnung von 50 N/mm² vorliegen. In der
Tragschicht letztendlich liegt die Flächenpressung bei 5 N/mm². Der Zusatz „theoretisch“ für die
Belastungen unter der Schwelle ist notwendig, da eine Rechnung für „Druck = Kraft/Fläche“
gerade in diesem Fall nicht so leicht zu führen ist. Die Auflagefläche entspricht hier keinesfalls der
Gesamtunterfläche der Schwelle; die Schwelle liegt sogar nur auf sehr wenigen Schotterflächen
auf und es entstehen hohe Pressungen, die die Lebensdauer des Schotterbettes entscheidend
verkürzen können. Diesem Problem trägt man u. a. mit der Entwicklung der „besohlten Schwelle“
Rechnung.
Bild 1-3. Die Flächenpressungen
im System
Bahn.
Die Kräfte auf die Kontaktfläche werden wiederum von den Fahrzeugen eingeleitet, wobei sich
hier die Flächenpressungen von der Kontaktfläche weg verkleinern: Achslager und Konstruktionselemente
im Drehgestell sind jene Teile, die das Gewicht des Wagenkörpers weiterzuleiten haben.
Die Auslegung und das Prinzip dieser Teile haben einen bedeutenden Einfluss auf die in das Gleis
geleiteten Kräfte. Damit sind nicht Fehlwartungen gemeint, zum Beispiel schwergängige Drehbewegung
des Drehgestells, sondern die Konstruktionsprinzipien an sich. Es ist gesicherte
Erkenntnis, dass „fahrwegfreundliche“ Achskonstruktionen die Kräfte auf das Gleis vermindern
können; langfristige Einsparungen bezüglich Erhaltung und Lebensdauer des Fahrweges wären
sicher.
Für eine wissenschaftliche Annäherung an den Begriff „System Bahn“ kann man eine Längenbzw.
Größenskala verwenden, wie sie in Bild 1-4 gezeigt wird. Die Fahrwegseite beginnt mit den
Größenordnungen der Schiene und erreicht über Weichenkonstruktionen und die Fahrweg-
3

trassierung Dimensionen des nationalen und globalen Streckennetzes. Die Fahrzeugseite beginnt
mit den Rädern, Drehgestellen und Wagenkonstruktionen und erstreckt sich bis hin zur
international zu bewegenden Fahrzeugflotte. Diese beiden Systeme treffen sich genau im höchstbeanspruchten
Rad-Schiene-Kontakt und sind Ausgangspunkt für die meisten Verschlechterungsmechanismen
im Gleis. Um die Vorgänge in diesem Bereich und die Wechselwirkungen besser
verstehen zu können, muss man im System Bahn Untersuchungsmethoden wählen, die bis in die
atomare Struktur gehen. Untersuchungen der
– Gefügestrukturen,
– mechanischen Eigenschaften,
– Schädigungen,
– stark verformten Bereiche der Kontaktfläche,
– Rollkontaktermüdung
und die Zuordnung dieser Strukturen erfordern eine breite Palette der Untersuchungsmethodik.
Bild 1-4. Begriff „System Bahn“ als Größenskala.
Bei der Analyse in Bild 1-4 fällt der Treffpunkt des Teiles „Fahrzeug“ und des Teiles „Fahrweg“
des Systems Bahn gerade im Rad-Schiene-Kontakt auf, dessen Untersuchung nach wie vor eine
große Herausforderung für viele Wissenschaftsbereiche darstellt. Dazu gehören Mechanik, Werkstoffwissenschaften,
Physik und Umwandlungskinetik.
1.1.3 Aufgaben der Schiene
1.1.3.1 Schiene als Träger und Fahrbahn
Eine der Hauptaufgaben der Schienen ist es, die vertikalen Lasten des rollenden Betriebes
aufzunehmen. Das bedingt spezielle Anforderungen an die geometrische Gestalt. Dabei muss man
bedenken, dass eine statische Sichtweise die Anforderungen in einem zu geringen Ausmaß
beschreibt. Im Rad-Schiene-Kontakt kommt es zu Beanspruchungen auch im höherfrequenten
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Bereich, die bestimmend sind für auftretende Maximalkräfte. Dabei sind nicht nur die
Schädigungen des Werkstoffes, sondern auch die Auswirkungen im Hinblick auf Schallemissionen
zu bedenken.
Die Anforderungen an Schiene und Schienenfahrweg sind abgestimmt auf diese Beanspruchungen
in einem weiten Längenwellen- bzw. Frequenzspektrum.
Die Rauheit der Schienenfahrfläche im µm-Bereich bestimmt die Schalleigenschaften. Von der
DB AG wurde das schalloptimierende Schleifen eingeführt, das die Oberfläche von schallerhöhenden
Rauheiten befreit.
Im Bereich von mm und cm ist man bestrebt, die Riffeln und Schlupfwellen ebenfalls durch
Schleifen zu entfernen, andernfalls kommt es zusätzlich zu einer erheblich verstärkten Schallemission
und zu Beschädigungen am gesamten Oberbau. In diesen Bereich fallen auch die
Wärmeeinflusszonen an Schweißungen. Bei zuviel eingebrachter Wärme kommt es zu Festigkeitseinbrüchen
beidseitig der Schweißung und zu Dellenbildung.
An die Schienengeradheit und -ebenheit werden hohe Anforderungen gestellt. So wird z. B. auf
einer Messlänge von 3 m eine maximale Taltiefe von 0,3 mm gefordert. Wenn man diese
Anforderung in ein Bild umsetzt, entspricht das der Höhe eines Stuhls in einer Entfernung von
5 km. Auch die Anforderungen an das Schweißen sind hoch. Vor allem beim Hochgeschwindigkeitsverkehr
wird im Schweißbereich vielfach schon die Ebenheit der gewalzten Schiene
gefordert.
Letztendlich ist auch die Konstruktion des Oberbaus gefordert. Nicht nur, dass die elastischen
Elemente für die Einsenkung der Schienen beim Überfahren des rollenden Materials so
dimensioniert sind, dass diese etwa 1 bis 2 mm beträgt, auch die langwelligen Gleislageveränderungen
in Folge des Betriebes beeinflussen die Bewegung der Fahrzeuge. Diesbezügliche
Fehllagen können zu einem gefährlichen Aufschaukeln der Fahrzeugbewegungen führen.
1.1.3.2 Schiene als führendes Element
Eine weitere wichtige Aufgabe der Schiene ist die Spurführung und die Aufnahme von
Seitenkräften. Im geraden Gleis wird durch die spezielle Profilgestaltung von Rad und Schiene
und eine nach innen gerichtete Schienenneigung eine periodische Bewegung der Fahrzeuge, der
Sinuslauf, erzwungen. Durch eine möglichst exakte Bauausführung des Systems soll der Sinuslauf
nicht gestört werden. Jeder seitliche Anlauf der Räder verursacht unnötig erhöhte Kräfte.
In Gleisbögen ist der Fahrzeuglauf anderen Kriterien unterworfen, es kommt zum Anlauf der
Räder und damit zu erhöhter Wechselwirkung. Es gibt Maßnahmen, diese Kräfte in Grenzen zu
halten, einige davon seien hier genannt. Grundsätzlich werden die bogenäußeren Schienen in der
Kurve überhöht eingebaut, wobei die Auslegung auf den Radius und die Verkehrsverhältnisse
(Personen-, Güter- oder Mischverkehr) abgestimmt wird. In Bögen mit nicht zu kleinen Radien
besteht die Möglichkeit, durch asymmetrisches Schleifen ein Rollen der Räder durch die Kurve zu
erzwingen [1-1]. Das ist bei kleinen Radien nicht mehr möglich. Hier kommt es darauf an, die
Kontaktfläche zwischen Rad und Schiene möglichst groß zu machen, gleichzeitig aber die
tangentialen Kontaktkräfte, die auf Grund der Rollradiendifferenzen im Kontaktbereich unvermeidlicherweise
entstehen, nicht zu groß werden zu lassen. Kompromisse in der Profilgestaltung
sind gefragt, ein noch wichtigeres Element in diesem Beanspruchungsbereich ist die Reduzierung
des Reibkoeffizienten durch Schienen- oder Radschmierung. Neuere Entwicklungen in diesem
Bereich sind „Friction Modifiers“, die den Reibwert gegenüber trockenem Verschleiß nennenswert
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verringern, jedoch durch Einstellung eines definierten Reibbeiwertes von 0,30 bis 0,35 mögliche
Probleme durch zu starke Schmierung vermeiden [1-2].
1.1.3.3 Schiene als Leiter von Signal- und Fahrströmen
Eine weitere Aufgabe der Schienen ist die Weiterleitung von Signal- und Fahrströmen. Diese
Aufgabe wird durch die Eigenschaften des Schienenwerkstoffs begünstigt. Stahl ist ein guter
elektrischer Leiter, so wird diese Aufgabe in der Regel problemlos erledigt. Wenige Bahnen
spezifizieren die Leitfähigkeit, wenn ja, dann findet man Vorschriften eher im Nahverkehrsbereich.
Stromschienen genießen einen Sonderstatus. Da sie nur zur Stromleitung genutzt werden und
keine tragende Aufgabe zu erfüllen haben, sind sie in ihrer chemischen Zusammensetzung mit
Schienenstahl nicht zu vergleichen. Die Stromschienen enthalten praktisch keine Legierungselemente,
auch Kohlenstoff nur im Hundertstel-Bereich. Stromschienen werden in diesem
Handbuch nicht weiter behandelt.
1.2 Schienenstahl
1.2.1 Stahlherstellung
Für in Europa hergestellte Schienen stehen ausschließlich Oxygenstahlwerke mit Konverterfassungsvermögen
bis 240 t zur Verfügung. Das Roheisen wird hinsichtlich eines niedrigen
Schwefelgehaltes gezielt eingesetzt (Hinweis: niedrige S-Gehalte verbessern aufgrund des höheren
Reinheitsgrades des Stahls die mechanisch-technologischen Eigenschaften). Bei dem angewendeten
Sauerstoffaufblasverfahren wird rechnergesteuert von oben reiner Sauerstoff auf das
Schmelzbad geblasen und von unten werden inerte (reaktionsträge) Gase zugeführt. Vor dem
Abstich werden gezielt Legierungselemente (u. a. Mangan, Chrom) zugegeben. Durch nachfolgende
Pfannen- oder sekundärmetallurgische Behandlung wird erreicht:
– Verbesserung des oxidischen Reinheitsgrades,
– Minimierung des Wasserstoffgehaltes und
– gleichmäßige chemische Zusammensetzung.
Die modernen Methoden der Sekundärmetallurgie haben dazu beigetragen, den für Schienen
geeigneten hochwertigen Stahl zu erzeugen. Dieser wird grundsätzlich über Stranggussanlagen
vergossen.
1.2.2 Besonderheiten des Schienenstahls
Bei den im Oberbau eingesetzten Schienenwerkstoffen handelt es sich um un- bzw. niedriglegierte
Stähle. Durch Ausnutzen von Herstellungs- bzw. Verarbeitungsmechanismen werden zusätzliche
Festigkeitssteigerungen erreicht.
Von den im Oberbau verwendeten Stählen für Schienen, Weichen, Schwellen und Verbindungsbzw.
Befestigungselemente kommt dem Schienenstahl die größte technische Bedeutung zu.
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Deshalb nimmt er nachfolgend den Vorrang ein, zumal er auch im Wesentlichen alle Güten der
anderen Oberbau-Stahlteile widerspiegelt.
Definition Stahl: Wird bei der Herstellung durch metallurgische Maßnahmen erreicht, dass der
Gehalt an Kohlenstoff (C) auf weniger als 2,06 % reduziert wurde und nicht
mehr als Graphit ausscheidet, d. h. gelöst bzw. in gebundener Form vorliegt,
spricht man von Stahl. Bei schweißgeeigneten Stählen, die ohne Vorwärmung
geschweißt werden können, liegt der C-Gehalt mit maximal 0,24 % wesentlich
darunter.
Stahl besitzt einen kristallinen Aufbau, im Mikroschliff ist das Gefüge zu erkennen, Bild 1-5. Die
Einstellung der geforderten Eigenschaften kann auf verschiedene Weise erfolgen. Einerseits
werden sie durch die chemische Zusammensetzung beeinflusst, andererseits erlangen Herstellungstechnologien
durch eine gezielte Walztechnologie eine immer größere Bedeutung.
a) b) c)
Bild 1-5. Gefüge in Abhängigkeit von C- und Cr-Gehalten;
a) Stahl mit einem C-Gehalt von etwa 0,20 %, normalisiert geglüht, ferritisch-perlitisches Gefüge;
b) Stahl mit einem C-Gehalt von etwa 0,70 %, Schienenstahl R260, perlitisches Gefüge mit Korngrenzenferrit;
c) Stahl mit einem C-Gehalt von etwa 0,70 % und einem Cr-Gehalt von etwa 1 %, Schienenstahl R320Cr,
Vergütungsgefüge.
Der Schienenstahl muss sehr hohe dynamische Belastungen in Verbindung mit starken Verformungs-
und Kaltverfestigungen aufnehmen, die durch die einwirkenden Kräfte zwischen Rad
und Schiene (Radlasten) sowie Spurführungs-, Beschleunigungs- und Bremskräfte entstehen.
Daraus ergeben sich bestimmte zu fordernde mechanisch-technologische Eigenschaften wie:
– Zugfestigkeit (R m ) bzw. Streckgrenze (R eH bzw. R p0 , 2 ) in N/mm² (MPa),
– Dauerfestigkeit,
– Verformungsvermögen wie Bruchdehnung (A) in %; z. T. Kerbschlagwerte (K v ) in J (Joule) in
Abhängigkeit von der Prüftemperatur,
– Härtewerte nach Brinell (HB) bzw. Vickers (HV).
Der Werkstoff muss weiterhin
– verschleißfest und
– frei von Spannungsrissen sein (einen hohen Reinheitsgrad haben) sowie
– eine ausreichende Schweißeignung aufweisen.
1.2.3 Beeinflussung der Eigenschaften der Schienenstähle
Schienenstähle werden heute nach der Härte nach Brinell (HB) eingeteilt, Bild 1-6, früher
nach der Zugfestigkeit. Die verwendeten Regelgüten nach DIN EN 13674-1:2003 bzw.
UIC-Merkblatt 860V und Sondergüten liegen in einem Zugfestigkeitsbereich von etwa 600 bis
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1300 N/mm² (MPa). Von Bedeutung ist dabei auch der durch die Streckgrenze gekennzeichnete
Elastizitätsanteil, ausgedrückt durch das Streckgrenzenverhältnis, das heißt das Verhältnis der
Streckgrenze R eH bzw. R p0,2 zur Zugfestigkeit R m . Je kleiner der Wert, desto größer sind die Verformungsreserven.
Bild 1-6. Zusammenhang zwischen Festigkeit und Zähigkeit der Norm-Schienenstähle.
1.2.3.1 Einstellen der Festigkeit über die chemische Zusammensetzung
Die Steigerung der Festigkeit von Schienenstählen erfolgt im Wesentlichen über 3 Elemente, und
zwar Kohlenstoff (C), Mangan (Mn) und z. T. Chrom (Cr). Zusätzliche Kombinationen mit
feinkörnenden Mikrolegierungselementen wie Titan (Ti), Niob (Nb) und Vanadin (V) sind
möglich. Dabei können die erstgenannten Elemente nicht in beliebig großer Menge eingesetzt
werden, weil dies die Schweißeignung der Schienen beeinträchtigen würde.
Die Steigerung der Festigkeit über den C-Gehalt (in Abhängigkeit vom Mn-Gehalt) ergibt ein
ferritisch-perlitisches Gefüge, wobei mit steigendem C-Gehalt der Perlitanteil zunimmt, Bilder
1-5a und 1-5b, und die Schweißeignung abnimmt. Mn steigert die Festigkeit über eine Mischkristallverfestigung.
Hierdurch sind Zugfestigkeiten von bis zu 900 N/mm² erreichbar, darüber
hinausgehende Festigkeiten werden durch eine Cr-Zugabe erreicht, die dann zu einer Vergütung
des Werkstoffes führt, Bild 1-5c. Beim Legierungsprozess wird der Schienenstahl so hoch legiert,
dass sich nach einer Luftabkühlung auf dem Kühlbett die gewünschte Festigkeit einstellt.
1.2.3.2 Festigkeitssteigerung durch eine gezielt eingestellte Walztechnologie
Seit vielen Jahren werden Festigkeiten nicht nur über den Zusatz chemischer Elemente erreicht
(die immer die Schweißeignung beeinflussen), sondern auch über die gezielte Einstellung
des Gefüges mit einer kontrollierten Temperatur-Zeit-Führung beim Walzen. Die dadurch entstehenden
diffusionsgesteuerten Umwandlungen (sogenannte Inline-Verfahren) ergeben ein
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feinperlitisches Gefüge bzw. durch eine beschleunigte Abkühlung bis hin zum Umklappvorgang
bei der Austenit-Ferrit-Gefügeumwandlung ein Zwischenstufengefüge, auch Bainit genannt. So
ergeben sich Zugfestigkeiten (R m ) bis zu 1400 N/mm².
Tabelle 1-1. Chemische Zusammensetzung der Schienenstähle.
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