Herstel­lungs­ver­fahren

Schienenprofil 49E1
© Thorsten Schaeffer

Eisenbahnschienen sind nicht einfach nur Stahlträger, sondern ein hochwertiges und aufwendig gefertigtes Technologieprodukt. Da Stahl – Grundwerkstoff der Schienenproduktion – nicht gleich Stahl ist und kleinste Mengen bestimmter Zuschlagstoffe die Eigenschaften ganz nachhaltig beeinflussen können, steckt in Eisenbahnschienen auch viel Forschergeist und Fertigungs-Know-how. Mit allen anderen Stahlprofilen verbindet die Eisenbahnschienen nur eines: Sie sind aus Stahl gewalzt. Das war nicht immer so: In der frühen Zeit der Spurführung gab es auch bruchanfällige Schienen aus Gusseisen. 

Die Bedeutung der Eisenbahnschiene als „ganz besonderer Stahlträger“ erklärt sich aus ihren wichtigsten Funktionen. Die Schiene trägt, führt und bildet an ihrer Oberseite zudem die Fahrfläche. An ihrer Unterseite wiederum, im Schienenfuß, leitet sie die Belastungen ab. Enorme Kräfte können in allen Dimensionen auftreten, sowohl im Güterverkehr mit hohen Radsatzlasten als auch im Hochgeschwindigkeitsverkehr mit hohen und höchsten fahrdynamischen Belastungen. In Kurven entstehen beträchtliche seitliche Krafteinwirkungen bei der Überfahrt. Noch heute sind etwa bei Straßenbahnen Radien bis hinab zu 15 m zu finden, im Eisenbahnbereich gelten auf der Strecke rund 300 m als kleiner Radius. Selbstverständlich haben auch Verschleißfestigkeit und lange Liegezeit große Bedeutung, denn Schienen dürfen weder brechen noch zu weich sein. Trotz des nur vergleichsweise minimalen Aufstandspunktes der Räder auf dem Fahrkopf der Schienen muss eine kraftschlüssige Verbindung sichergestellt sein, ohne Spuren in Struktur und Oberflächen zu hinterlassen. Der Fahrkopf muss geschliffen, gehobelt oder gefräst werden können, um mehrfache Reprofilierungen zu ermöglichen, auch Auftragsschweißungen sind gegebenenfalls vorzusehen. Für den kommunalen Einsatz müssen Kurvenschienen vorgebogen werden können. Der Schienenstahl muss also vielen Anforderungen gerecht werden.[1]

Im Zuge der Schienenproduktion wird zunächst Roheisen geschmolzen. Dafür wird das Eisenerz zusammen mit Kalk und Koks unter steter Frischluftzufuhr im Hochofen auf über 1.500 °C erwärmt, die Produkte sind Eisen und Schlacke. Das als Konstruktionswerkstoff noch nicht geeignete Roheisen ist Ausgangsstoff für die Stahlherstellung, es muss beispielsweise noch entschwefelt werden. Stahl entsteht in einem zweiten Schritt durch das sogenannte Frischen mit reinem Sauerstoff. Der Kohlenstoffgehalt wird von rund 4 % auf maximal 1,5 % gesenkt. Weitere Zuschlagstoffe bestimmen über die späteren Materialeigenschaften. Solcherart legierter Schienenstahl ist daher ein komplexes Gemisch diverser chemischer Elemente. Einige werden zugesetzt, andere Stoffe – insbesondere versprödend wirkende – sind durch das Frischen sicher zu entfernen. Die unerwünschten, sauerstoffaffinen Eisenbegleiter werden dann als Schlacke abgesetzt. Üblich sind heute das 1949 eingeführte „Sauerstoff-Aufblas-Verfahren“ (LD-Stahl, Linz-Donawitz-Verfahren [VOEST]), das sehr wirtschaftlich einen hochwertigen, verunreinigungsarmen Stahl herstellt [2] und das Elektrostahl-Verfahren mit Schmelze im Lichtbogen. Ebenso üblich ist die Zugabe eines erheblichen Anteils von Schrott zur Stahlschmelze. Der gesamte Produktionsprozess sorgt für einen möglichst reinen, homogenen Werkstoff mit exakt definierten Eigenschaften. Die Deutsche Bahn fordert beispielsweise eine Mindestzugfestigkeit von 880 N/mm².  Nach DIN EN 10027 werden Schienenstähle mit dem Kennbuchstaben R bezeichnet. 

Walzstraße in einem Werk der VOEST
© voestalpine AG

Der noch flüssige Stahl wird zunächst in Formen gegossen („Brammen“, „Stranggießanlage“, „Vakuumgießen“) oder in speziellen Pfannenwagen flüssig direkt zur Weiterverarbeitung gebracht. Diese besteht bei Schienen aus dem Warmwalzprozess, der durchaus 20 Walzgänge umfassen kann, bis das gewünschte Profil ausgeformt ist. Walzbar ist der Schienenstahl bei einer Temperatur von rund 1.250 °C. Diese Temperatur muss während des Walzvorganges eingehalten werden, um eine homogene Struktur zu erreichen. Profil, Walzwerk (Hersteller) und Produktionsjahr lassen sich später am Schienensteg als erhabene „Walzmarken“ (Walzzeichen) ablesen, die eine lange Tradition haben. Als Standardlänge des fertigen Walzproduktes hat sich bei Eisenbahnschienen das Maß von 120 m herausgebildet. Auch Längen von 180 und sogar 360 m sind möglich, sie entstehen durch Verschweißen der Walzprofile.  

Der fertig gewalzte Schienenstrang muss nach dem Walzprozess kontrolliert abkühlen, um schädliche innere Spannungen und grobes Gefüge zu vermeiden. Ein Verbiegen hingegen ist zulässig, es wird durch Rollenrichten bei etwa 50 °C korrigiert. Zudem empfiehlt sich eine Ultraschallprüfung auf etwaige Produktionsfehler, ansonsten könnten Lunker und Hohlräume im Material bei einem späteren Versagen der Schiene unabsehbare Folgen haben. Die bei der Produktion entstehende Walzhaut schützt die Schiene rundum, auf dem Fahrkopf wird sie erst nach dem Einbau – zumeist durch Einschleifen – beseitigt.

 

 


  1. [1] Braun, H. et al.: Fachkunde Metall. Europa-Fachbuchreihe für metalltechnische Berufe. 53. überarbeitete Auflage 1999. Haan-Gruiten, Europa-Lehrmittel Nourney, Vollmer & Co.
  2. [2] Bargel, H., Schulze, G. (Hrsg.): Werkstoffkunde. 3. Auflage 1983. Düsseldorf, VDI-Verlag. ISBN 3-18-400595-X