DE3223346A1

DE3223346A1 - Verfahren zum richten von eisenbahnschienen und durch das verfahren hergestellte eisenbahnschienen

Info

Publication number: DE3223346A1
Application number: DE19823223346
Authority: DE
Inventors: Yves 57320 Bouzonville Bourdon; Raymond-Yves 57100 Thionville Deroche; Andre 57700 Hayange Faessel
Original assignee: Sacilor SA 57704 Hayange; Sacilor SA
Current assignee: Sogerail Sa Hayange Fr
Priority date: 1982-02-19
Filing date: 1982-06-23
Publication date: 1983-09-01
Anticipated expiration: 2002-06-24
Also published as: SU1232125A3; FI84563C; ES519882A0; ES8404881A1; GB2115326A; ZA83536B; IT8367190A0; SE462520B; FI830463A0; PT76210A; DD206742A5; SE8300905D0; AR230791A1; KR920007242B1; ATA10583A; FR2521883B1; JPS58202916A; AT381875B; CA1254543A; KR840003718A

Description

"Verfahren zum Richten von Eisenbahnschienen und durch das Verfahren hergestellte Eisenbahnschienen."

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Richten von Eisenbahnschienen.

Es handelt sich dabei um ein Verfahren zur Fertigbearbeitung von Eisenbahnschienen, insbesondere zur Beseitigung von Spannungen und zum Richten von Schienen aus thermisch behandelten üblichen oder extra-harten Stahl legierungen .

Nach dem Walzen wird die noch warme und gegenüber Verformungen empfindliche Schiene einer Reihe von Handhabungen und Behandlungen ausgesetzt wie beispielsweise dem Transport auf Rollenstraßen, dem Trennen und Abschaben, die zu Formänderungen führen können. Die Kühlung ist gleichfalls eine Ursache erheblicher Formänderungen obwohl alle Vorkehrungen getroffen werden, um diese zu verringern oder zu vermeiden. Die ungleichmässige Kühlung der verschiedenen Teile der Schiene, deren Profil im Hinblick auf seine beiden Hauptebenen nicht symmetrisch ist, führt .dazu, daß die aus dem Kühlbett herauskommende Schiene eine mehr oder weniger deutliche Krümmung aufweist, die von den Abkühl-

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bedingungen abhängig ist. Die Länge der Fasern des Kopfes, Steges und des Fußes der Schiene sind unterschiedlich. Unabhängig dayon, welche Vorkehrungen man für die Vermeidung oder Verringerung der durch die Kühlung bedingten Krümmung trifft, ist es irn industriellen Maßstab unmöglich, am Ausgang des Kühlbetts 100 % an Schienen zu erhalten, die ausreichend gerade sind, um sie als fertige Eisenbahnschienen ausliefern zu können. Die durch das asymmetrische Profil bedingte, unvermeidbar ungleichmässige Kühlung der Schiene ist andererseits die Ursache für Restspannungen, die die Ausbildung von Rissen begünstigen können, wenn die Schiene sich auf dem Bahndamm befindet. Dies gilt insbesondere für extra-harte Schienen, wie man sie für hochbelastete Schienennetze verwendet (beispielsweise für Schienen im Bergbau oder Schienennetze für den Transport von schweren Lasten).

Gegebenenfalls vor dem Durchlauf durch das Kühlbett vorgenommene Wärmebehändlungen der Schienen, die sich auf das gesamte Profiloder einen Teil .davon erstrecken, vergrößern die Gefahr von Verformungen und großen Restspannungen. Selbst weniger strenge Vorschriften für die Herstellung der Schienen ermöglichen es nicht mehr, die Schienen in einem Richtzustand auszuliefern, wie er ■ am Ausgang des Kühlbetts vorliegt, so daß es unerläßlich ist, die Schienen zu richten. Bei jedem Richtvorgang ist es erforderlich, das zu richtende Metall einer Spannung auszusetzen, die oberhalb der Streckgrenze liegt, so daß die Schienen wenigstens örtlich begrenzt im plas-

3o tischen Bereich verformt werden.

Bis heute verwendet man zwei zum Stand der Technik gehörende

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Richtmaschinen. Die älteste Richtmaschine ist eine Presse,in der ein zu richtender Teil der Schiene auf Ambosse aufgelegt wird. Ein in vertikaler Richtung beweglicher Pressenkolben, an dem ein den Schienendbmessungen angepaßter Preßstempel befestigt ist, verformt durch Druck den betreffenden Teil der Schiene und gibt ihm eine entgegengesetzte Krümmung. Seitlich angeordnete Ambosse und Kolben ermöglichen es nach dem selben Prinzip, die Schiene auch seitlich zu richten. Die Bedienungsperson der Presse bestimmt die zu richtenden Teile auf visuellem Wege und kontrolliert nach jedem Pressenhub die erzielte Gradlinigkeit mit einem Lineal. Dieses Richtverfahren, das eine erfahrene Bedienungsperson erforderlich macht, bedingt für die verschiedenen Teile der Schiene eine Vielzahl von Presaenhüben und ist gewaltsam und kostspielig. Das erzielte Ergebnis entspricht nicht mehr den Anforderungen moderner Schienennetze.

Im allgemeinen wird heutzutage die Presse nur mehr als Ergänzung

des Richtens durch eine Rollenrichtmaschine angewandt, die den zweiten Typ der Richtmaschine darstellt. Diese Maschinen richten die Schienen in Richtung einer oder zweier Ebenen für die Trägheitsmomente der Schienen und besitzen im allgemeinen zwischen fünf und neun Rollen. Zwischen diesen wird die Schiene alternierend Verformungen in entgegengesetzter Richtung ausgesetzt. Die oberen, angetriebenen Rollen bewegen die Schiene und unterwerfen sie zusammen mit den unteren, nicht angetriebenen Rollen den besagten entgegengesetzten Verformungen. In dem durch die ersten drei Rollen gebildeten Dreieck wird der Schiene zur Korrektur eine erste Verformung aufgezwungen, die von der ursprünglichen Verformung unabhängig ist. Innerhalb des zweiten

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Dreiecks, das durch die zweite, dritte und vierte Rolle gebildet wird, erhält die Schiene eine zur ersten Verformung entgegengesetzte Verformung. Die fünfte sowie die folgenden Rollen haben die Aufgabe, die Schiene durch entsprechende alternierende Verformungen gerade zu richten. Die Enden der Schiene sind auf einer bestimmten Länge nicht gerichtet, die dem Achsabstand der Rollen entspricht. Diese Enden müssen infolgedessen mittels einer Presse gerichtet werden. Das mittels Rollen durchgeführte Richtverfahren unterwirft bestimmte Fasern des Metalls nacheinander Zug- und Druckspannungen. Am Ausgang der Rollenrichtmaschine befindet sich der Steg der Schiene unter einer in Längsrichtung verlaufenden elastischen Druckspannung, während Kopf und Fuß unter einer in Längsrichtung verlaufenden Zugspannung stehen. Diese inneren Spannungen sind auf das Richten durch Rollen zurückzuführen. Unabhängig vom anfänglichen Richtzustand der Schienen am Ausgang der Kühleinrichtung urvterl iegen die Schienen in den Rollenrichtmaschinen beträchtlichen Verformun-

2o gen, die zu den folgenden Nachteilen führen :

- merkliche Verkürzung der Schiene, Verringerung der Höhe des Schienenprofils, Vergrößerung der Breite von Kopf und Fuß der Schiene,

- systematische Unterschiede der Schienenabmessungen zwischen den nicht durch die Rollen bearbeiteten Enden und dem bearbeiteten Mittelstück der Schienen, häufig auftretende Notwendigkeit, das Richten der Enden auf einer Presse zu beenden, was eine leichte . Vieleckbildung an den Enden verursacht, wodurch es unmöglich ist, eine vollkommene Fortsetzung der Gradlinigkeit mit dem Mittelstück der Schiene zu erzielen, bei allen Schienen systematische Erzeugung von Spannungen, die die Ausbreitung von Rissen begünstigen,

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Gefahr der Entstehung von Sprödrissen in den Übergängen des Steges zum Kopf und zum Fuß. Es handelt sich um innere Risse, die mit dem Auge nicht wahrnehmbar sind und ein potentielles Risiko schwerer Unfälle darstellen, - Gefahr der Entstehung sinus-ähnlicher Wellen mit mehr oder weniger großer Amplitude auf dem Schienenkopf aufgrund von schwer zu vermeidenden Exentrizitäten der Rollen. Diese Wellen können bei hohen Fahrgeschwindigkeiten auf dem Schienenstrang eine mehr oder weniger große Unruhe verursachen.

Die Richtverfahren mittels Rollen, ggf. durch Richtverfahren mittels Pressen ergänzt, ermöglichen die Einhaltung der heutzutage bei der Schienenherstellung anzuwendenden Normen nur unter Inkaufnahme einer äußersten Sorgfalt und hoher Herstellkosten. Die Norm UIC 860 schreibt beispielsweise eine Geradheit des Materials mit einer maximalen Durchbiegung von 0,7 mm auf einer Länge von 1,5 m für die Schienenenden vor, wobei die Geradlinigkeit im Hinblick auf den Schienenkörper mit dem Auge beurteilt wird. Für Schienen, die für Hochgeschwindigkeitsstrecken (T.G.V.) vorgesehen sind, auf denen Züge mit einer Reisegeschwindigkeit von 260 km/h fahren (Schienenstränge, auf denen eine Geschwindigkeit von 380 km/h erreicht worden ist), werden die Vorschriften gemäß der Norm UIC 860 durch folgende

25 zusätzliche Vorschriften ergänzt :

maximale Durchbiegung von 40 mm für Schienenlängen von 18 m und von 160 mm für Schienenlängen von 36 m, senkrechte Amplitude der Wellen in der Schienenlauffläche kleiner als 0,3 mm,

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horizontale Amplitude der querverlaufenden Wellen des Schienenkopfs kleiner als 0,5 mm ,

Ausrichtung der Enden zum Mittelteil der Schiene in vertikaler Richtung, definiert durch eine maximale Auslenkung von 0,3 mm,"gemessen mit einem Lineal von 3 m Länge, welches, ausgehend von den Enden, auf der Lauffläche aufliegt.

Die Erfüllung dieser zusätzlichen Normen, die die Ausnutzung der Rollenrichtmaschinen und der Pressen bis an die Grenze ihrer Möglichkeiten erforderlich macht, erhöht die Kosten der Richtbehandlung. ·

Es wurde bereits vorgeschlagen, irgend-welche Metallprofile durch Ziehen zu richten (FR-PS 573 675 vom 23.02.1923). Bei diesem bekannten Verfahren wird ein mehr oder weniger verformtes Profil dadurch gerichtet, daß man es in der Weise streckt, daß seine Fasern regelmässig gelängt werden, bis die Streckgrenze des Metalls erreicht und sogar überschritten wird. Man weiß auch, daß das Strecken eines Metalls seine Härte erhöht, während-dessen die Eigenschäften der Streckbarkeit und der Kerbzähigkeit durch merkliche Verformungen beim Strecken verringert werden. Dabei ist es insbesondere die Zähigkeit, die bei einer Eisenbahnschiene wichtig ist. Dies ist vermutlich der wesentliche Grund, der den Fachmann bis heute daran gehindert hat, das Verfahren des Streckens oder Ziehens beim Richten der Schienen anzuwenden.

Aus wirtschaftlichen Gründen setzt man zunehmend Schienen aus hartem Stahl ein, der schon aufgrund seiner Zusammensetzung spröde ist und härtende Elemente enthält, darunter insbesondere Kohlenstoff. Es ist bei dieser Art von Schienen

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festgestellt worden, daß die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Ermüdungsrissen erhöht ist. Man weiß, daß das Phänomen der V/erkstoff ermüdung dann entsteht, wenn die Restspannungen einen hohen Betrag erreichen. Aus der nachfolgenden Tabelle ist zu entnehmen, daß bei Schienen, die mittels Walzen gerichtet wurden, die inneren Spannungen folgende Beträge erreichen :

Stahlsorte :	Zugfestigkeit:	Innere Spannung:	N/mm²
gewöhnlicher Stahl UIC	700-900 N/mm²	100	N/mm²
Stahl UIC naturhart	900-1000 N/mm²	200	N/mm²
Stahl extrahart	1100-1200 N/mm²	300

Der Erfindung, die die Vermeidung der Nachteile bekannter Schienen-Richtverfahren zum Gegenstand hat, und bei der eine Zuflucht zu einem ergänzenden Richtverfahren mittels einer Presse in merklichem Umfang vermieden werden soll, liegt die Aufgabe zugrunde :

die Erzeugung von Schienen ohne Krümmung, die Gewährleistung einer gleichmässigen Geradlinigkeit zwischen den Enden und dem Mittelstück der Schiene durch Unterdrückung jeglicher Vielkantbi ld'ung an den Enden, die Gewährleistung der Freiheit periodischer Wellen in der Schienenlauffläche,

die Vermeidung der Gefahr der Ausbildung von Sprödrissen in den Hohlkehlen an der Verbindungsstelle des Steges mit dem Fuß und dem Kopf,

die Vermeidung des Entstehens schädlicher innerer Spannungen beim Richten, und die Verringerung innerer Spannungen, die durch Bearbeitungsvorgänge vor dem Richten in der Schiene erzeugt wurden (Wärmebehandlungen, Kühl Vorgang).

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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß man die Stahlschienen einer Zugspannung aussetzt, die oberhalb der 0,2%-Dehngrenze (Streckgrenze) von Stahl liegt und eine vollständige plastische Verformung der gesamten Schiene bewirkt.

Aufgrund dieser, vollständig im plastischem Bereich liegende Verformung der Schiene durch Zug werden durch den Richtvorgang keinerlei Restspannungen erzeugt, und die bereits vorhanden gewesenen Restspannungen werden abgebaut.

1ο Für die bekannten Stahlsorten - wärmebehandelt oder nicht hat sich herausgestellt, daß man für die in Längsrichtung verlaufenden Restspannungen Werte erhält, die unter +_ 100 N/ für Stahlsorten mit einer Zugfestigkeit R_m größer als 1000 N/mm

f\ III

liegen, und unterhalb + 50 N/mm für Stahlsorten mit einer Zugfestigkeit R„ kleiner oder gleich 1000 N/mm , sobald die plastische Verformung durch Zug einer Restdehnung in der Größenordnung von 0,27 % entspricht.

Anders ausgedrückt gewährleistet eine Restdehnung der Schiern von 0,3 % nach der Aufhebung der Zugbelastung die vorstehend angegebenen Vorteile. Die Absenkung der inneren Restspannungen der Schiene auf niedrige Vierte verbessert die Zähigkeit und das Ermüdungsverhalten der Schiene. Wenn die Schiene auf dem Bahnkörper liegt, wird sie u.a. durch Spannungen beaufschlagt, die von den langen geschweißtei Schienensträngen sowie vom Fahrverkehr herrühren. Solange wie die Überlagerung dieser Spannungen nicht die Grenze der Dauerfestigkeit überschreitet, führen evtl. bereits vorhandene Anrisse in der Schiene nicht zu deren Bruch. Daraus ergibt sich das Interesse an Schienen mit inneren

3o Restspannungen, die so gering wie möglich sind.

Es hat sich herausgestellt, daß die vorhandenen Restspannunge nicht mehr merklich verringert werden können, sobald die Gesamtheit des die Schiene bildenden Materials einervöllig p!

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tischen Verformung ausgesetzt worden ist. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, die Schiene solchen Zugspannungen auszusetzen, die zu einer Restdehnung oberhalb 1,5 % führen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf gerichtete Eisenbahnschienen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Werte

ρ der inneren Restspannungen unterhalb von +■ 100 N/mm

für Stahlsorten mit einer Zugfestigkeit R_m oberhalb

2 2

1000 N/mm liegen und unterhalb von +_ 50 N/mm für

Schienenstahlsorten mit einer Zugfestigkeit R kleiner

r\ im

1o als oder gleich 1000 N/mm .

Eigenschaften und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Figuren 1-9 näher erläutert.

Es zeigen :

Fig.1 einen Querschnitt durch eine Schiene unter Hervorhebung ihrer Einzelheiten wie der neutralen Ebene XX¹ (neutrale Faser) und ihrer vertikalen Symmetrieebene YY',

Fig. 2a eine perspektivische Darstellung einer aus dem Kühlbett kommenden Schiene,

Fig. 2b eine Seitenansicht der gleichen Schiene,

Fig. 3 ein Spannungs - Dehnungsdiagramm für Stahl,

welches die Kurve der Spannungen in Abhängigkeit von der erzielten Dehnung zeigt,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verringerung

der Restspannungen in den verschiedenen Teilen der Schiene in Abhängigkeit von der Restdehnung £

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Fig. 5 im oberen Bereich (eingerahmt) einen Schienenabschnitt, der auf einer Länge L durch einen Sägeschnitt eingeschnitten ist und für einen Test zur Feststellung des Vorhandenseins innerer Spannungen verwendet wird, sowie darunter

ein Diagramm, welches die Ergebnisse eines empirischem Vergleichs des Zustandes der Restspannungen aufgrund einer Durchtrennung des Stege und der Auslenkung des Schienenkopfes am Schienen ende darstellt, und zwar für ungerichtete, rollen

gerichtete und erfindungsgemäß gerichtete Schiene

Fig. 6a die Bruchflächen einer naturharten Schiene B und 6b nach UIC, die in bekannter Heise mittels Rollen gerichtet wurde (Fig.6a) sowie einer Schiene der gleichen Stahlsorte, die erfindungsgemäß

gerichtet wurde (Fig.6b). Fig.6b zeigt, daß die Fläche des Ermüdungsbruchs vor dem Gewaltbruch der gestreckten Schiene größer ist als die Fläche des Ermüdungsbruchs einer mittels Rollen gerichteten Schiene, die eine eindeutig

größere Sprödigkeit aufweist,

Fig. 7 Kurven 11 und 12 für die Rißbildung zum Vergleich der Ausbreitung von Rissen während der Biege-Wechselfestigkeitstests von Schienen der Stahlsorte extrahart-legiert (UIC naturhart,

R_m kleiner als 1100 N/mm ). Es ist zu erkennen, daß das Errnüdungsverhalten der durch Strecken gerichteten Schiene (Kurve 12) besser ist als dasjenige der mittels Rollen gerichteten Schiene

3o (Kurve 11),

Fig. 8a, Bruchflächen von vier Proben einer extraharten 8b,8c,8d legierten Schiene (R größer oder gleich 1080 N/mm ) ; und zwar gerichtet durch Rollen, durch Strecken, ungerichtet (unmittelbar aus

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Kühlbett), und gerichtet durch Rollen und nachfolgend durch Strecken. Daraus ist zu ersehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren des Streckens jede Spur einer Sprödbrüchigkeit durch Rissebildung beseitigt,

Fig. 9 die entsprechenden Kurven für die Rißbildung an den Proben gemäß den Figuren 8a,8b,8c und 8d.

Eine Schiene 1, die aus einem Kühlbett austritt, weist eine Linkskrümmung auf (Figuren 2a und 2b). Die Längen

der Fasern des Kopfes 2, des Stegs 3 und des Fußes 4 der Schiene, die den Fasern CC, AA¹ und PP¹ entspreche^ sind voneinander verschieden. Das Wesen der Erfindung besteht darin, die Schiene an jedem ihrer Enden einer Zugspannung auszusetzen, die für alle Fasern unter dem Einfluß einer Zugspannung £, die größer ist als die 0,2 % - Dehngrenze (in Fig. 3 bestimmt durch R 0,2), innerhalb des vollständig plastischen Bereichs des betreffenden Schienenstahls die gleiche Faserlänge herbeiführt. Der für diese Maßnahme notwendige Dehnungsgrad muß für die am wenigsten unter Spannung stehende Faser größer sein als der entsprechende Dehnungsgrad am Knick bzw. Anfang des Fließens des Stahls. Infolgedessen wird auf die zu richtende Schiene eine Zugspannung zur Einwirkung gebracht, die größer ist als die Dehngrenze, um auf diese Weise nach der Aufhebung der Belastung eine bleibende Dehnung von mindestens 0,27 % zu erhalten. Diese geringe Restdehnung ermöglicht es, gerade Schienen zu erhalten, wobei das Material weniger geschädigt wird, als beim Richten durch Rollen. Da die Biegung der Schienen über die gesamte Länge nicht immer gleichmässig ist, sind örtlich Krümmungsradien anzutreffen, die kleiner sind, als die Gesamtkrürnmung. Eine Restdehnung in der Größenordnung

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von einigen zehntel Prozent ermöglicht die Beseitigung . sowohl scharfer als auch weniger scharfer Krümmungen. Das Vorhandensein von inneren Spannungen aufgrund des Abkühl Vorgangs bringt ausserdem Ungleichförmigkeiten hinsichtlich der Länge der Walzfasern innerhalb der Schiene mit sich. Das Richten der Schiene durch plastisches Strecken sämtlicher Fasern und durch plastisches Strecken vorzugsweise der kürzeren Fasern führt zu einer Beseitigung der inneren Restspannungen des Stahls. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Entwicklung der längsgerichteten Restspannungen in Abhängigkeit vom Verhältnis der Restdehnung für eine Schiene aus handelsüblichem Stahl. Das Diagramm gemäß Fig. 4 zeigt auf der Abzisse die Restdehnung ^ und auf der Ordinate die längsgerichtete Rest-Spannung σ" (- für Druck; + für Zug) in N/mm . Die Kurve 5 stellt die Restspannung im Fuß und die Kurve 6 stellt die Restspannung im Kopf der Schiene dar. Es ist zu erkennen, daß die Restspannungen kon-

2o stant bleiben und einen hohen Betrag aufweisen,

solange wie die auf die Schiene aufgebrachte Zugspannung noch im elastischen Bereich des Stahls liegt (£.-^ 0,185 %), und daß die Restspannungen oberhalb des elastischen Bereichs sich gleichmässig verringern, bis sie Minimalwerte einnehmen, und zwar ab einer Restdehnung in der Größenordnung von 0,27 %.

Hieraus ist ersichtlich, daß der Bereich der Restdehnung zwischen der 0,2 % - Dehngrenze (£ = 0,2 X) und den Minimal werten für die Rest-

3o spannung (hier σ'"-' 10 N/mm² für £ '—⁵^ 0,27 %) zu

unsicheren Verhältnissen führt und infolgedessen zu vermeiden ist, und daß oberhalb der Werte für eine minimale Restspannung (ausgehend von £ ,7-.-^ 0,27 % oder 0,3 %) eine Erhöhung der Restdehnung keine wesentliehe Verbesserung der Verhältnisse in dieser Hinsicht

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mehr mit sich bringt, es sei denn zur Erhöhung der Streckgrenze durch den Effekt der Kaltverformung. Diese Erhöhung der Streckgrenze kann bewußt vorgenommen werden, beispielsweise bei einer naturharten Stahlsorte A gemäß UIC oder bei einer Stahlsorte gemäß AREA , bei denen die Erhöhung der Streckgrenze etwa b<
1iegt.

etwa bei 100 N/mm für 1. % zusätzlicher Restdehnung

Anders ausgedrückt genügt ein Verhältnis der Restdehnung

1o von 0,3 % zur Beseitigung der Restspannungen, die in

einem Verhältnis von etwa 10:1 reduziert werden.Meßwerte für Restspannungen, die durch die oben beschriebene Methode des Trennschnitts erhalten und durch andere Methoden des Lochens und Bohrens bestätigt wurden, werden nachfolgend in den Tabellen I bis III wiedergegeben. Die betreffenden Schienen, an denen die Messungen durchgeführt wurden, wurden mit den Bezeichnungen 073 D 09; 236 D 23 und 150 C 13 versehen soweit sie durch das erfindungsgemäße Verfahren gestreckt wurden. Weitere Schienen wurden mit den Bezeichnungen 073 B 10 ; 236 D und 150 C 13 versehen, soweit sie in der Herstellung unmittelbar benachbart sind, aus dem selben Guß stammen und sich in dem Kühlbett in unmittelbarer Nachbarschaft der ersten Schienen aufgehalten haben, und soweit sie mit den bekannten Rollen-Richtmaschinen gerichtet wurden:

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TABELLE I

	Richten mittels Rollen Schiene 073 B 10	CTmax Zug N/mm	Gesamt- bereich	Richten mittels Strecken; 0,7 % Restdehn. Schiene 073 D 09	<T""max Zug N/mm	Gesamt- bereich
	^max Druck N/mm	+ 230	490	C7"max Druck N/mm	+ 40	+ 40
HauptSpannung Cf* in Längsrichtung	- 260	+ 50	250		+ 30	40
Hauptspannung CJ-. in senkrechter Richtung	- 200	- 10

K3 CaJ GO

TABELLE II

OO

	Richten mittels Rollen Schiene 236 D 23	Omax	Gesamt -	Richten mittels Strecken 3% Schiene 236 D 23	(7~max	Gesamt	Richten mittels Strecken 0,5% Schiene 236 D 23	<7max	Gesamt
	®~ma.-x.	Zug	bereich	Umax	Zug	bereich	dnax	Zug	bereich
	Druck	N/mm		Druck	N/mm		Druck	N/mm²
	N/mm²	+ 240	380	N/mm²	+ 45	65	N/mm	+ 30	40
Hauptspannung C7T in Längs - Richtung	- 140	+ 30	180"	- 20	+ 10	50	- 10	+ 20	30
Haup t sp annung CT" in senk rechter Richtung	- 150	- 40	- i°

CO CD

TABELLE III

	Richten	mittels Rollen	0-^ax	Gesamt	Richten mittels Strecken; 1	150 C 13	% Restdehng.
	Schiene 150 C 13	Zug	bereich	Schiene	CTmax
	<r_max	N/mm		O max	Zug	Gesamt-
	Druck			Druck	N/mm	bereich
	N/mm	+ 282	425	N/mm
Hauptspannung					+ 10
CTt in Längsrichtung	- 143	+ 26	115	- 21		31
Hauptspannung					+ 8
(j~^ in senkrechter	- 89		- 27		35
Richtung

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Daraus ergibt sich, daß die Höhe der Restspannungen bei einem Verhältnis der Restdehnung zwischen 0,3 und 1,0 % bei einem Richtverfahren durch Strecken um mindestens 5 bis 10 Mal geringer ist als bei einem Richtverfahren durch Rollen, und daß die Streuung der Werte der Restspannungen, die beim Richtverfahren durch Strecken gemessen wurden fünf Mal geringer ist als beim Richtverfahren durch Walzen.

Diese Versuchsergebnisse konnten durch Messungen der Restspannungen durch unterschiedliche Methoden verschiedener Laboratorien (SACILOR,IRSID) bestätigt werden.

Die Beseitigung der inneren Restspannungen ist von solcher Art, daß die Laboratorien keine bedeutsamen Unterschiede zwischen der Höhe der Restspannungen in

den durch Streckung gerichteten Schienen und der Höhe der Spannungen in dem entspannten Werkstoff sehen, die als Bezugsgröße bei der Eichung der Dehnungsmeßgeräte dienen. So findet man beispielsweise beim Richten mittels Rollen Druckspannungen, die in Längsrichtung ebenso groß sind wie in senkrechter Richtung im Steg und in den Hohlkehlen, wobei diese Spannungen, ganz besonders diejenigen in Längsrichtung, durch Zugspannungen im Schienenkopf und -Fuß kompensiert werden. Beim Richtverfahren durch Strecken sind die Restspannungen durchweg geringer und sehr viel gleichmässiger. Es ist festzuhalten, daß die Werte für die Restspannungen, die nach der Methode des Trennschnitts gemessen werden (Methode nach YASOJIMA und MACHII (1965) angewandt u.a. vom Büro für Forschungen und Studien des UIC "Office de Recherche et D'Essais de L¹UIC" in seiner Studie C53 "Restspannungen in Schienen") in zufriedenstellender Weise durch die genannten Methoden des Lochens und des Bohrens bestätigt wurden. Eine empirische Bestätigung der Beseitigung innerer Restspannungen aufgrund des Richtens durch Strecken wurde mit Hilfe eines Tests

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durchgeführt, bei dem der Kopf vom Rest des Profils getrennt wurde und bei dem die Auslenkung "f" an der Stoßfuge in dem Maße gemessen wurde, wie der Vorschub "L"des Sägeschnitts erfolgte (schematische Darstellung eingerahmt im oberen Teil der Fig.5 ). Die Ergebnisse dieses Tests, der bei einer Schiene UIC 60 NDB angewandt wurde, sind in dem Diagramm in Fig.5 dargestellt, dessen Abzisse die Länge L des Sägeschnitts in Millimetern und dessen Ordinate den Abstand bzw. die Auslenkung "f" des Kopfes in Millimetern angibt, der im Verhältnis zum Rest des Schienenabschnitts ausgehend von der Stoßfuge abgesägt wird.

Die Kurve 7 zeigt, daß eine Schiene UIC 60 NDB,die durch Rollen gerichtet wurde, eine Auslenkung "f" des Kopfes von zwei Millimetern für eine Länge des Sägeschnitts L von 500 mm aufweist. Die Kurve 8 zeigt, daß sich die Auslenkung "f" für eine ungerichtete Schiene verändert und zwischen 0 und 8/10 mm liegt. Die Kurven 9 und 10 zeigen, daß die durch Strecken mit einer Restdehnung von 0,3 bzw. 1 % gerichteten Schienen eine Auslenkung "f" von 2/10 bzw. - 1/10 mm bei einer Länge des Sägeschnitts von L = 500 mm aufweisen (in dem zuletzt genannten Fall findet ein leichtes Schließen des Sägespalts statt). Zu erkennen ist ein Verhältnis der Werte für "f" in der Größenordnung von 1:10 zu Gunsten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Verhältnis einer minimalen Restdehnung von etwa 0,3 % erscheint notwendig, um eine maximale Beseitigung der inneren Restspannungen zu erhalten, und es hat nicht den Anschein, daß ein Verhältnis der Restdehnung oberhalb von 1,5 % zusätzliche VorteiIe bringt.

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Das Strecken einer Schiene bis oberhalb seiner 0,2 % - Dehngrenze hätte an sich Schädigungen des Materials befürchten lassen müssen, die geeignet sind, eine schnellere Ausbreitung evtl. quergerichteter Ermüdungsrisse zu begünstigen. Ein Ermüdungstest durch Biegungen an vier Stellen hat jedoch gezeigt, daß dies nicht der Fall ist. Der Test bestand darin, daß ein am Schienenkopf vorgekerbter Schienenabschnitt auf einer Länge von 1,400 m einer alternierenden Biegung mit einer Frequenz von 10 Hz

1o ausgesetzt wurde. Dies geschah unter einer Belastung

von 14 Tonnen in einer Zeitspanne bis zum Anfang einer Rißbildung und unter einer Belastung von 9 Tonnen in der nachfolgenden Zeitspanne des Fortschreitens der Rißbildung. Die Belastung wurde am Kopf der Schiene

15 an zwei verschiedenen Punkten aufgebracht, die einen

Abstand von 150 mm voneinander aufwiesen und symmetrisch beiderseits der querverlaufenden, in der Mitte angebrachten Einkerbung lagen.

Hierbei läßtsich die Ausbreitung des Ermüdungsbruchs ausgehend von der Einkerbung mit Hilfe einer Dehnungsmeßmaschine und einer elektrischen Meßmethode beobachten, die auf der Veränderung des Widerstandes der Schienen im Zuge des Fortschreitens des Bruchs beruht. Durch Veränderung der Amplitude der aufgebrachten Spannungen wird eine Reihe von Markierungen bei einer vorgegebenen kumulierten Anzahl von Lastwechseln herbeigeführt, wobei der Verlauf der Kurve verfolgt wird, die die Tiefe ρ des Risses bzw. Bruchs in Abhängigkeit von der Zahl N der aufgebrachten Lastwechsel darstellt.

Der betreffende Test wurde bei einem ersten Versuchsbeispiel bei zwei Abschnitten der Schiene UIC 60 der Sorte naturhart B durchgeführt, die aus der selben Schiene entnommen wurden,

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und zwar wurde der eine Schienenabschnitt mittels Rollen und der andere Schienenabschnitt durch Strecken gerichtet. Die Fig. 6 zeigt, daß die durch Rollen gerichtete Schiene eine Fläche für den Ermüdungsbruch zeigt, die ziemlich schmal ist und mit spröden Rissen übersät ist. Die Fig.6b zeigt das Aussehen der durch Strecken gerichteten Schiene, die eine Fläche für den Ermüdungsbruch zeigt, die deutlich stärker entwickelt und frei von spröden Rissen ist. Die nachfolgende Tabelle IV zeigt, daß die Anzahl der Lastwechsel, die bis zum Beginn der Rißbildung notwendig sind und die Anzahl der Lastwechsel, die für die Ausbreitung des Risses notwendig sind unter den-selben Versuchsbedingungen bei einer durch Strecken gerichteten Schiene deutlich größer sind, was der Beweis für eine größere Zähigkeit und infolgedessen für eine größere Sicherheit i st.

TABELLE IV

	Richten mittels Rollen	Richten mittels Strecken	Differenz in %
Zahl der Lastwechsel N bis zum Rißbeginn	350.000	500.000	142
Zahl der Lastwechsel N vom Fortschreiten der Rißbildung bis zum Gewaltbruch	750.000	1.050.000	140
Kritische Rißtiefe P in nun	25	28	112

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Die Kurven 11 und 12 in Fig. 7 zeigen die selben Verhältnisse ρ = f (n) , die in der vorstehenden Tabelle IV aufgeführt sind. Daraus ergibt sich, daß das Verhältnis :

Fläche des Ermüdungsbruchs (gerichtet durch Strecken), » Fläche des Ermüdungsbruchs (gerichtet durch Rollen)

Der vorstehend beschriebene Test wurde bei einem zweiten Verfahrensbeispiel an vier Abschnitten einer Schiene 136 RE einer Chrom-Si1icium-Vanadium-Stahllegierung fit einer Zugfestigkeit R_m größer als oder gleich 1080 N/mm angewandt. Die Abschnitte wurden aus der selben Schiene hergestellt, und es wurde das Ermüdungsverhalten für die folgenden vier Zustände untersucht:

durch Rollen gerichtet 15 - durch Strecken gerichtet

ungerichtet (unbehandelt aus dem Kühlbett) gerichtet durch Rollen und nachfolgend durch Strecken.

Fig. 8a zeigt das halbspröde Aussehen der Bruchfläche einer durch Rollen gerichteten Schiene, bei der keine Ermüdungsbruchfläche wahrnehmbar ist. Fig.8b zeigt die große Ermüdungsbruchfläche einer durch Strecken gerichteten Schiene. Fig.8c zeigt eine Ermüdungsbruchfläche einer nicht gerichteten Schiene, die sehr geringfügig kleiner ist als im vorstehenden Fall. Fig.8d zeigt, daß ein Richten durch Strecken im Anschluß an ein Richten durch Rollen zu einem guten Aussehen der Ermüdungsbruchfläche führt.

Die nachfolgende Tabelle V zeigt die Verbesserung, die

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durchweg beim Richten durch Strecken für eine Anzahl von Lastwechseln bis zur ersten Rißbildung und für eine Anzahl von Lastwechseln bis zum Fortschreiten der Rißbil dung gegenüber dem Richtverfahren durch Rollen erzielt wird.

TABELLE V

	Richten mittels Ro Hen	ungerichtet	Richten mittels Strecken	Richten mittels Walzen und nachfolgend Strecken
Anzahl der Lastwechsel N bis zum Rißbeginn	400.000	420.000	850.000	1.150.000
Anzahl der Lastwechsel N vom Fortschreitei der Rißbildung bis zum Gewaltbruch	950.000	1.500.000	1.25O.OOO	1.400.000
Kritische Rißtiefe P in mm	26 (halb-spröde)	27	26	28

Die Kurven 13-16 in Fig.9 zeigen die gleichen Verhältnisse ρ = f (N), die in der vorstehenden Tabelle V aufgeführt sind, für Schienen, die aus dem Stahl 136 RE bestehen und mittels Rollen gerichtet wurden (Kurve 13), ungerichtet waren (Kurve 14), mittels Strecken (Kurve 15) und sowohl mittels Rollen als auch mittels Strecken gerichtet wurden (Kurve 16). Aus der Tabelle V und aus den Kurven 13-16 der Fig.9 ergibt sich sehr klar, daß man die Festigkeit einer Schiene gegenüber der Ausbreitung von Rissen noch über längere Zeit verbessert, wenn erne

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IS

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mittels Rollen gerichtete Schiene einer Zugspannung mit Erzeugung einer Restdehnung gemäß der Erfindung ausgesetzt wird, um die Restspannungen zu beseitigen.

Die Verbesserung des Verhaltens im Hinblick auf die Geschwindigkeit der Rißbildung in erfindungsgemäß gerichteten Schienen ist mit der Verringerung der Restspannungen verknüpft und insbesondere an das praktisch vollständige Verschwinden restlicher Zugspannungen im Schienenkopf, die auf das Richten durch Rollen zurückzuführen sind,gebunden.

Die durch das erfindungsgemäße Richtverfahren geförderte Verringerung der Restspannungen ermöglicht die Erfüllung von Wünschen zahlreicher Eisenbahnnetze, insbesondere solcher, die stark belastet sind (wie Gleise im Bergbau) und die berücksichtigen, daß die Restspannungen für gefährliehe Brüche verantwortlich sind, die überraschend in den Gleisen auftreten. Das erfindungsgemäße Richten durch Strecken verbessert erheblich die Dauerwechselfestigkeit der Schienen im Verhältnis zu denjenigen Schienen, die mittels Richtrollen gerichtet worden sind.

Der Richtvorgang durch Strecken hat darüberhinaus den Vorteil, die Streckgrenze des Metalls anzuheben, im Gegensatz zum Richtverfahren durch Rollen₅ das die Tendenz hat, die Streckgrenze herabzusetzen. Dieser Vorteil ist insbesondere im Hinblick auf den Schienenkopf wünschens-

25 wert, weil eine höhere Streckgrenze einen besseren

Widerstand gegen das plastische Fließen mit sich bringt, welches hochbelastete Räder auf der Schienenlauffläche erzeugen können. Diese Anhebung der .Streckgrenze für Stahlsorten vom Typ UIC SO A oder B, AREA, und ähnliche

2 liegt in der Größenordnung von 100 N/mm für 1 % Dehnung.

Diese Eigenschaft läßt sich bei sämtlichen Stahlsorten beobachten, d.h. bei legierten oder behandelten extra-harten Stählen. Der Unterschied in der Streckgrenze zwischen

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111/70 viRichtverfahren durch Rollen und demjenigen durch Strecken kann üblicherweise 20 % betragen.

Es wurde festgestellt, daß diese Verbesserung der Streckgrenze ohne Verschlechterung des Fließvermögens erzielt wird (Bruchdehnung und Brucheinschnürung) sowie ohne Beeinträchtigung der Zähigkeit (K₁ dem kritischen

ic,

Faktor für die Querschnittsverminderung oder Einschnürung).

Die Messungen der Restdehnung auf einer gewissen Anzahl von Längeneinheiten, die entlang der Schiene markiert worden sind, hat gezeigt, daß die partiellen Restdehnungen, die für jede Längeneinheit gemessen wurden, konstant und völlig gleich der gesamten Restdehnung der Schiene sind. Es wurden keinerlei Effekte einer örtlichen Einschnürung über die Länge der Schienen festgestellt. Die Verminderung der Höhe ist über die gesamte Länge der Schienen gleichförmig, desgleichen die Verminderung der Breite des Fußes. Die geringen Änderungen der beobachteten Abmessungen werden, wie im Fall des Richtens durch Rollen, im voraus durch eine geeignete Kalibrierung im Walzwerk kompensiert.

Dies ermöglicht die Einhaltung der Vorschriften für die Abmessungstoleranzen mindestens ebenso leicht wie beim Richtverfahren mittels Rollen. Bei dem zuletzt genannten Verfahren bleiben trotzdem sämtliche Unregelmässigkeiten der Abmessungen erhalten, denn die Enden behalten die

25 ursprünglichen Abmessungen aus dem Walzvorgang bei.

Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf Eisenbahnschienen mit extrem niedrigen Restspannungen. Diese Art von Schienen ist bis zur Stunde unbekannt, weil in einer kürzlich durchgeführten Studie (April 1981, unveröffentlicht, durchgeführt durch: R. Schweitzer und W. HeIler,Duisburg-Rheinhausen) mit dem Titel "Kritischer Einschnürungsfaktor, Eigenspannungen und Bruchfestigkeit von Schienen" als

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Schlußfolgerung gesagt v/orden ist :

"Es liegt viel daran, daß die Eigenspannungen (=innere Restspannungen) auf einem kleinstmöglichen Niveau gehalten werden.wenn man die Bruchfestigkeit erhöhen will. Bis zur Stunde ist dieser Gedanke jedoch kaum zu verwirklichen, um so weniger, als das für die Herstellung einer geradlinigen Gestalt unerläßliche Richten der Schienen zu beträchtlichen Eigenspannungen führt."

Die vorliegende Erfindung schlägt Schienen vor, die nach dem Richten Restspannungen wie folgt besitzen :

- kleiner als +_ 50 M/mm² (+ 50 M/mm² für Zug; - 50 N/mm² für Druck) für Schienenstahlsorten (mit und ohne Wärmebehandlung) mit einer Zugfestigkeit

15 R _m s£ 1000 M/mm²,

- kleiner als +_ 100 N/mm² (+ 100 N/mm² für Zug;

ο
- 100 N/mm für Druck) für Schienenstahlsorten

(mit oder ohne Wärmebehandlung ) mit einer Zugfestigkeit R_m > 1000 N/mm² .

Claims

Patentansprüche:
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schienen einer solchen Zugspannung aussetzt, daß nach deren Aufhebung eine Rest-

dehnung von mindestens 0,3 % zurückbleibt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schienen einer solchen Zugspannung aussetzt, daß nach deren Aufhebung eine Restdehnung von höchstens 1,5 % zurückbleibt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schienen einer solchen Zugspannung aussetzt, daß nach deren Aufhebung eine Restdehnung zwischen 0,5 und 0,7 % zurückbleibt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schienen zunächst einem Richtvorgang mittels Rollen und nachfolgend einem Richtvorgang mittels einer solchen Zugspannung aussetzt, daß eine Restdehnung ober-25 halb von 0,3 % zurückbleibt.

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6. Gerichtete Eisenbahnschiene, bestehend aus einer Schienenstahlsorte mit einer Zugfestigkeit R kleiner oder gleich 1000 N/mm , gekennzeichnet

durch innere Restspannungen kleiner als + 50 N/mm ( + 50 N/mm Zugspannung; - 50 N/mm Druckspannung,
7. Gerichtete Eisenbahnschiene aus einer Schienenstahlsorte mit einer Zugfestigkeit R_m größer als
1000 N/mm , gekennzeichnet durch innere Rest-
2Spannungen kleiner als + 100 N/mm (+ 100 N/mm
10 Zugspannung; - 100 N/mm Druckspannung.