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MAGAZINE

NICKEL

DIE FACHZEI T SCHRIF T FÜR NICK EL UND SEINE A N W ENDUNGEN NICKEL, JHRG. 34, NR. 1, 2019

Nickel macht’s möglich Technischer Leitfaden zu Nickelstahl

Garrison Crossing: Edelstahl verbindet Gemeinden

Länger haltende Batterien für die Formel E

BOUYGUES TRAVAUX PUBLICS GROUP

FALLSTUDIE 15 MONACO-ERWEITERUNGSPROJEKT

BOUYGUES TRAVAUX PUBLICS GROUP

Monaco, das zweitkleinste Land der Welt und der am dichtesten besiedelte souveräne Staat, realisiert derzeit ein ambitioniertes, umweltfreundliches OffshoreLandgewinnungsprojekt zu einem Preis von 2,3 Mrd. US-Dollar. Dabei wird der Stadtstaat um sechs Hektar vergrößert, die dem Meer abgerungen werden.

Für den Bau der Caissons und des dafür erforderlichen schwimmenden Baudocks wurden mehr als 4000 Tonnen Edelstahlbewehrung verbaut.

Der von der französischen Baufirma Bouygues Travaux Publics geplante Bau der maritimen Infrastruktur wird derzeit in die Tat umgesetzt, wobei der unter dem Wasser befindliche Teil des Projekts bis 2020 abgeschlossen sein soll. Der neue Bezirk Anse du Portier (oft auch mit dem englischen Namen Portier Cove bezeichnet) wurde so entworfen, dass das Viertel sich ganz natürlich in die Küstenlandschaft einfügt und der Wasserströmung in Küstennähe anpasst.

BOUYGUES TRAVAUX PUBLICS GROUP

Der Meeresgrund wird ausgebaggert und mit Felsen aus einem Steinbruch gefüllt, um einen Uferdamm zu tragen, der aus 18 betongefüllten Kammern, den sog. Caissons, besteht. Die Caissons sind 30 m lang und 24 m hoch und wiegen jeweils 10.000 Tonnen. Sie werden von Schiffen von Marseille nach Monaco geschleppt.

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Für den Bau der gigantischen Caissons hat das französisch-spanische Unternehmen SENDIN an seinem schwimmenden Baudock im Hafen von Marseille mehr als 4000 Tonnen Edelstahlbewehrung verbaut. Aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasserchloride, wegen seiner langen Lebensdauer und zur Vermeidung teurer zukünftiger Wartungsarbeiten wurde DuplexEdelstahl des Typs 2304 (UNS S32304) mit Durchmessern zwischen 12 und 40 mm ausgewählt. Geliefert wurde der Stahl von der Roldan-Acerinox-Gruppe. Es wird davon ausgegangen, dass der neue Distrikt Anse du Portier bis 2025 fertig sein wird und er 1000 Menschen in Appartements und Villen ein neues Zuhause bieten wird. Außerdem sollen dort ein Landschaftspark, eine Uferpromenade und ein Jachthafen entstehen.

EDITORIAL: DER GROSSE ‚ENABLER‘ VIELES WIRD MIT NICKEL ERST MÖGLICH

BRUCE WOOD, USDA-ARS, BYRON, GEORGIA

Nickel spielt selten eine Solorolle, aber in vielen Nebenrollen ist er einfach spektakulär. Ob als Hauptkomponente oder in einer eher dezenten Funktion – Nickel macht den Erfolg von Technologien, Prozessen und Produkten erst möglich. Egal welche Rolle ihm auch zugedacht ist: Nickel ist immer eine vollkommen natürliche Lösung. Alles, was Nickel auszeichnet, entspringt seinen natürlichen Eigenschaften, darunter seine weniger bekannte Rolle als Mikronährstoff. Wie essentiell Nickel ist, gehört nicht gerade zur Allgemeinbildung. Kaum bekannt ist auch die Tatsache, dass es nutzpflanzenspezifische Anwendungsbereiche für nickelhaltige Düngemittel gibt. Und Nickel-MetallDas gesunde Wachstum eines ergänzend hydrid- und Nickel-Cadmium-Akkus mit Nickel behandelten Zweiges bildet stehen in der öffentlichen Wahrnehmung einen unverkennbaren Kontrast zu eindeutig im Schatten von Lithium-Akkus. gewöhnlichen Blättern. Nur die wenigsten wissen, dass Nickel für den enormen Erfolg der dominanten Lithium-Zusammensetzungen in der modernen Energiespeicherung eine zentrale Rolle spielt. Ein weiteres „unsichtbares“ Beispiel ist die hitzefeste, schallreduzierende NickelSuperlegierungs-Schaumisolierung für Düsentriebwerke, die die Schallemissionen von Flugzeugen reduzieren und dadurch das Leben in Flughafennähe um Vieles erträglicher machen könnte.

Tiefsttemperatur-Anwendungen wie Speicherung und Transport von Flüssigerdgas nutzen Stahl mit einem Nickelgehalt von 9 %.

Selbst die vielseitig eingesetzten nickelhaltigen Edelstähle finden neue Anwendungen und ermöglichen den effizienteren und längeren Betrieb von Maschinen und Prozessen. Folglich haben wir beschlossen, uns in dieser Ausgabe ganz den nickelhaltigen Legierungsstählen zu widmen, bei denen es sich nicht um „Edelstahl“ handelt. Diese Stähle sind in ihrer Gesamtheit für Tausende von technischen Lösungen unabdingbar. Wir wollen einige ihrer Unterscheidungsmerkmale und Beispiele für unterschiedliche Anwendungen vorstellen. Nickel spielt viele Rollen. Nickel ist stark und duktil. Leitfähig und magnetisch ... oder auch nicht. Geeignet für hohe oder niedrige Temperaturen ... oder auch für beides. In fester, gelöster oder legierter Form. Und vor allem lebensnotwendig. Stars kommen und gehen, aber für die vielen Talente und Rollen des großen ‚Enablers‘ – des Materials, das alles erst möglich macht – ist kein Ende in Sicht. Clare Richardson Redaktion, Nickel Magazine

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INHALT 02

Fallstudie Nr. 15 Monaco-Landgewinnungsprojekt

Editorial Nickel: Der große ‚Enabler‘

Beachtenswertes zum

Garrison Crossing

NICKEL BEACHTENSWERTES ZUM THEMA

Thema Nickel

Edelstahl verbindet Gemeinden

Nickelhaltige Stähle Nickel ist die geheime Zutat

Medikamente, Impfstoffe und Edelstahl Einweg-Bioreaktoren

Formel-E-Rennwagen Länger haltende Batterien

Neue Publikationen

UNS-Details

Der Riesen-Elch Storelgen in Norwegen

Ruhe, bitte! Ein neu entwickelter Superlegierungs-Schaum soll das Dröhnen von Flugzeugtriebwerken reduzieren. Ein Team von A*STAR konnte nachweisen, wie normale Polymerschaumstoffe als Schablone genutzt werden können, mit deren Hilfe wärmebeständige, schalldämpfende Superlegierungs-Metallschäume hergestellt werden. Die Forscher beschichteten einen Polymerschaum mit einer Suspension der nickelbasierten Superlegierung und brannten dann das Polymermaterial ab. Zurück blieb ein offenzelliger Metallschaum mit der gleichen Struktur wie das Ausgangspolymer. Bei Tests der akustischen Eigenschaften dieser Metallschäume machten sie eine interessante Feststellung: Je kleiner die Poren, desto länger und schwieriger gestaltet sich der Weg des Schalls durch das Material und desto mehr Zeit hat das Material, um Schallenergie durch Umwandlung in Wärme zu dämpfen – ein Phänomen, das als thermoviskoses Verhalten bekannt ist.

Das Nickel Magazine ist eine Publikation des Nickel Institute www.nickelinstitute.org Dr. Hudson Bates, Verbandspräsident Clare Richardson, Chefredakteurin communications@nickelinstitute.org Autoren und Mitarbeiter: Gary Coates, Richard Matheson, Bruce McKean, Geir Moe, Kim Oakes, Nigel Ward, Odette Ziezold Das Textmaterial wurde zur allgemeinen Information des Lesers erstellt und sollte nicht als Grundlage für spezifische Anwendungen verwendet werden, ohne dass vorher fachmännische Beratung eingeholt wurde. Obwohl das Textmaterial nach unserem besten Wissen korrekt ist, garantieren das Nickel Institute, seine Mitglieder, Mitarbeiter und Berater nicht seine Eignung für eine allgemeine oder spezifische Anwendung und übernehmen keine Haftung oder Verantwortung irgendeiner Art im Zusammenhang mit den hierin enthaltenen Informationen. ISSN 0829-8351 In Kanada von der Hayes Print Group auf Recyclingpapier gedruckt Fotos und Bilder: Titelseite: Shutterstock©Wojciech Wrzesien S. 3 Shutterstock.com©Alexyz3d S. 8 iStockPhoto.com©Bet_Noire S. 9 iStockPhoto.com©umenie S. 11 iStockPhoto.com©mypokcik, iStockPhoto.com©antpkr S. 16 Shutterstock©mariusz.ks Erratum: Jahrgang 33/Nr.3, 2018 Abbildung 1, S. 10, korrigiert und online verfügbar

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Entwurf: Constructive Communications

Eine Idee, bei der ein Licht aufgeht In der japanischen Kleinstadt Namie bei Fukushima wandeln der Automobilhersteller Nissan und dessen Joint-Venture-Partner 4R Energy Corporation gebrauchte Akkus aus Elektroautos in Solarstraßenlampen um. Sie entwickelten ein innovatives Verfahren, um Akkus in Elektrofahrzeugen mit einem hohen Nickel-, Mangan-, Cobalt- und Lithiumgehalt zu recyceln. Das Projekt mit dem Namen „Das neugeborene Licht“ versorgt die Einwohner NISSAN’S REBORN LIGHT PROJECT

der Stadt im Rahmen ihres Wiederaufbaus nach dem verheerenden Erdbeben und Tsunami von 2011 mit einer Straßenbeleuchtung. Diese neue Art der Außenbeleuchtung wird durch eine Kombination von Photovoltaikzellen und gebrauchten Akkus aus dem Nissan-Elektroauto LEAF mit Strom versorgt. Als Teil des Wiederaufbaus der Stadt beleuchten diese autarken Straßenlampen mit ihrem auffälligen Design Teile der Stadt, die nicht ans Stromnetz angeschlossen sind.

Nickel als Wachstumsförderer Wir präsentieren eine Lösung, die sich angesichts des Klimawandels als ungemein wichtig erwiesen hat. Im Süden der USA, einer für ihre Pekannussbäume bekannten Region, führen kühlere Frühlingstemperaturen und eine verzögerte Aufwärmung zum verstärkten Auftreten sog. „Mausohr-Symptome“ auf nachwachsenden Blättern. Es hat sich gezeigt, dass dieses Problem auf einen Nickelmangel zurückzuführen ist. Seine Symptome sind eine abgerundete oder stumpfe Blattspitze, kleinere Blätter, verkümmerte Baumorgane, schwach entwickelte Wurzelsysteme, ein verspäteter Austrieb und Nekrose der Blattspitzen. Kühlere Böden hemmen die Aufnahme des verfügbaren Nickels, der für eine gesunde Blattentwicklung aber unverzichtbar ist. Das Gute daran? Pekannussbäume benötigen nicht viel Nickel, und das Problem kann durch die jährliche Überwachung der Bodentemperaturen und eine am Bedarf ausgerichtete Behandlung der Blätter mit Nickel vermieden werden.

Am 13. Februar 2019 gab die NASA ihren Mars-Rover Opportunity offiziell auf. Das Fahrzeug wird u. a. wegen seiner unerwarteten Langlebigkeit in einer äußerst widrigen Umgebung lange in Erinnerung bleiben. Der auch liebevoll als Oppy bezeichnete Rover hatte den Mars ab 2004 14 Jahre lang erforscht. Von Solarzellen gespeiste Li-Ion-Akkus speicherten überschüssige Energie, die zu Zeiten eines besonders hohen Strombedarfs genutzt werden konnte. Die chemische Zusammensetzung der Akkus eines Rovers änderte sich in den Anfangsjahren aufgrund des andauernden Erfolgs von Opportunity kaum. Für die im November 2018 gestartete InSight-Mission wurde die Nickel-Cobalt-Oxid-(NCO)-Li-IonZusammensetzung von Oppy schließlich durch Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA) ersetzt, eine Zusammensetzung, mit der deutliche Leistungsverbesserungen verbunden sind.

NASA/JPL/CORNELL UNIVERSITY

THOMASCOUNTYAG.COM

Ein langes Leben auf dem Mars

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GARRISON CROSSING: EDELSTAHL VERBINDET GEMEINDEN

PEDELTA, AERIAL VIEW RENDER

Etwas westlich von der Stadtmitte von Toronto gelegen befindet sich das 17,4 Hektar große historische Gelände von Fort York, eine Oase der Stille in einer dynamischen Stadt. Das Fort datiert aus dem Jahr 1793, als die kleine Stadt noch York hieß und die Einrichtung als Verteidigungsanlage für den Hafen und als Garnison diente. Während das Fort heute eine beliebte Touristenattraktion ist, sind die als Garrison Commons bekannten Grünanlagen auch bei den Einwohnern Torontos sehr beliebt. Fußgängern und Radfahrern war das Gelände bislang aber lediglich über eine verkehrsreiche Brücke zugänglich, die über zwei wichtige Bahntrassen führte.

Während auch andere Fußgängerbrücken in Nordamerika teilweise aus Edelstahl gebaut wurden und in vielen Fernstraßenbrücken mit Edelstahl bewehrter Beton eingesetzt wird, war Garrison Crossing mit seinen zwei ganz aus Edelstahl bestehenden Brücken ein echtes Novum. Wegen seiner hohen Korrosionsbeständigkeit gegenüber Streusalzen wurde der nickelhaltige Duplex-Edelstahltyp 2205 gewählt.

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Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde der Bau von zwei Fußgänger-/ Radfahrerbrücken (jetzt als Garrison Crossing bekannt) ausgeschrieben. Den Zuschlag erhielt ein Konsortium unter der Führung von Dufferin Construction. Pedelta Structural Engineers, ein innovatives internationales Ingenieurbüro, entwarf eine Lösung, die für Nordamerika völlig neu war: Brücken ganz aus Edelstahl. Nicht nur wegen ihrer hohen Festigkeit und sonstigen statischen Eigenschaften, wie sie in kalten Klimazonen erforderlich sind, sondern auch wegen der hohen Korrosionsbeständigkeit gegenüber Salzstreuung wurde eine DuplexLegierung, Typ 2205 (UNS S32205), gewählt. Die Brücke muss während ihrer auf viele Jahrzehnte geplanten Lebensdauer nicht gestrichen werden, und sie ist mit äußerst geringen Instandhaltungskosten verbunden. Juan Sobrino, Präsident von Pedelta und leitender Konstrukteur für das Projekt, erklärte: „Ich habe Edelstahl bereits für viele Brücken in Europa verwendet und wusste daher, wie das Material unter besonderer Berücksichtigung seiner statischen Aspekte für das Garrison Crossing-Projekt eingesetzt werden musste.“ Es galt mehrere

Schwierigkeiten zu überwinden. Es gibt keine nordamerikanische Brückenbaunorm oder -vorschrift, die sich direkt mit Edelstahl befasst. Daher mussten die Behörden davon überzeugt werden, dass das Design nicht nur sicher, sondern auch kosteneffektiv war. Die Ideen und Vorschläge der verschiedenen Partner mussten integriert und die Zusammenarbeit genau koordiniert werden. Das AISC (American Institute of Steel Construction) gab 2013 Konstruktionsrichtlinien für Strukturedelstahl heraus; weitere Vorgaben konnten einer europäischen Baunorm entnommen werden. Die Herstellung der Brücken war natürlich ein besonders wichtiger Bestandteil des Projekts und wurde an ein örtliches Unternehmen, Mariani Metal Fabricators, vergeben. Mariani hatte bereits in der Vergangenheit spektakuläre Erfolge bei der Arbeit mit Edelstahl erzielt, z. B. beim Bau des U.S. Air Force Memorial außerhalb von Washington D.C. Zwar hatte das Unternehmen bereits zuvor DuplexEdelstahl hergestellt; dies war jedoch sein größtes Duplex-Projekt, für das ca. 350 Tonnen Stahl des Typs 2205 benötigt wurden. Dazu Vince Mariani, Präsident

MARIANI METAL FABRICATORS

PEDELTA, INTERIOR VIEW RENDER

glaskugelgestrahlt. Selbst das Geländer besteht aus dem Typ 2205. Die Brücken sind jetzt installiert und es erfolgt nur noch der letzte Feinschliff. Natürlich sind diese Bauwerke weit mehr als nur Brücken – sie sind nachhaltige und umweltfreundliche Verbindungen zwischen Gemeinden, die unter dem Aspekt einer besonders langen Haltbarkeit hergestellt wurden.

Links: Künstlerische Darstellung der fertigen Brücken Oben: Herstellung einer der Brücken bei Mariani Metal Fabricators Unten: Installierte Brücke vor Fertigstellung des Geländers

E.S. FOX LIMITED

und Gründer des Unternehmens: „Wir waren uns von Anfang an der besonderen Herausforderungen bewusst, etwa bezüglich der besonderen Stärke- und Ebenheitstoleranzen der Platten, der Sauberkeit im Werk und am zukünftigen Standort und ganz besonders der speziellen Schweißanforderungen.“ Weil die Oberflächenpolitur des Stahls von kritischer Bedeutung ist, wurden alle Teile

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FEST, HART UND ZÄH NICKELHALTIGE LEGIERUNGSSTÄHLE ÜBERZEUGEN AUF VIELERLEI WEISE Der Großteil der Nickelproduktion geht in die Edelstahlherstellung. Signifikante 8 % aber entfallen auf die Produktion von Legierungsstählen, die benötigt werden, um spezifische Merkmale von Spezial- und oft kritischen Anwendungen zu ermöglichen.

Durchhärtbarer niedriglegierter Stahl wird in Kurbelwellen, Getrieben und Flugzeugfahrwerken verwendet – alle diese Anwendungen profitieren vom Nickelgehalt.

Werkzeugstahl – luftgehärtete Stahlscherklinge

Legierungsstähle beinhalten viele verschiedene eisenbasierte Materialien. Der Nickelgehalt reicht von einem sehr kleinen Anteil (von ca. 0,3 % bei manchen Legierungsstählen) bis zu beachtlichen 20 % bei Maraging-Stählen. Jede Legierung ist auf eine spezielle Kombination von Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit oder Zähigkeit ausgelegt, die ein unlegierter Kohlenstoffstahl nicht aufweisen kann. In der Regel werden diese Materialien in Maschinen eingesetzt, die Energie erzeugen oder Metall formen und schneiden; sie kommen aber auch bei niedrigen Temperaturen zum Einsatz, wenn Kohlenstoffstähle nicht zäh genug sind. Der Einfachheit halber können Legierungs-stähle in mehrere Typen mit spezifischen Eigenschaften und Endanwendungen unterteilt werden. Nickellegierungsstähle sind für den Bau von Werkzeugen und Maschinen für die industrielle Fertigung anderer Werkzeuge

und Maschinen unabdingbar. Siehe Tabelle auf Seite 9. Durchhärtbarer niedriglegierter Stahl Diese Stähle stellen eine Kategorie eisenhaltiger Materialien mit mechanischen Eigenschaften dar, die denen unlegierter Kohlenstoffstähle überlegen sind. Dies wird durch Einbeziehung von Legierungselementen wie Nickel, Chrom und Molybdän erzielt, gefolgt vom Abschrecken (einer rapiden Kühlung) und einer Vergütung durch Wärmebehandlung. Wenn diese Elemente vor dem Abschrecken in Austenit aufgelöst werden, wird die Durchhärtbarkeit verbessert. Nickel ergänzt den Durchhärtungseffekt von Chrom und Molybdän und ist für eine größere Zähigkeit der hart-martensitischen Mikrostruktur wichtig, die durch das Abschrecken und die VergütungsWärmebehandlung entsteht. Siehe Tabelle unten.

MILWAUKEESHEARBLADE

Vergleich typischer mechanischer Werte für AISI 4340 im blankgeglühten und abgeschreckten und vergüteten Zustand mit Kohlenstoffstahl AISI 1045 RUNDSTAB MIT EINEM DURCHMESSER VON 75 MM

BIEGEFESTIGKEIT MPa (ksi)

ZUGFESTIGKEIT MPA (ksi)

% DEHNBARKEIT

AISI 4340 blankgeglüht

588 (86)

752 (110)

AISI 4340 ASTM A434 Klasse BD

847 (124)

963 (141)

410 (60)

629 (92)

AISI 1045 normalisiert

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Werkzeugstahl Mit dem Begriff „Werkzeugstahl“ werden verschiedene harte und verschleißfeste Stähle bezeichnet, die für Anwendungen wie Formen (Stanzen oder Extrudieren), Schneiden oder Scheren, den Formenbau und auch für Schlaganwendungen (z. B. Hämmer für den industriellen oder Privatgebrauch) verwendet werden. Ihre Wärmebehandlung ist der von durchhärtbaren niedriglegierten Stählen ähnlich. Luftgehärtete Werkzeugstähle reduzieren die durch das schnelle Abschrecken mit Wasser verursachte Verformung

und ermöglichen ein Gleichgewicht von Verschleißfestigkeit und Zähigkeit. Werkzeugstähle für Kunststoffgussformen sind niedriggekohlte Stähle, die geformt und dann zementiert, gehärtet und vergütet werden, um eine hohe Oberflächenhärte zu erzielen, wodurch sie sich ideal für Spritz- und Druckgussformen eignen. Hochfester, niedriglegierter Stahl (witterungsbeständiger Stahl) Die feinere Kornstruktur dieser Stähle führt zu einer höheren Festigkeit als der von unlegierten Kohlenstoffstählen. Diese feinere

Maraging-Stahl mit einem Nickelgehalt von 18 % weist die für die Fahrwerke von Luftfahrzeugen erforderliche Stoß- und Dauerfestigkeit auf.

Typische chemische Zusammensetzung einiger nickelhaltiger Legierungsstähle STAHLSORTE

GÜTE (UNS)

ANDERE

ANWENDUNGEN

AISI 4340 (G43400)

0,4

1,8

0,8

Rest

Getriebe, Wellen und Fahrwerk von Flugzeugen

AISI 4320H (H43200)

0,2

1,8

0,5

Rest

Getriebe und Zapfen werden auf Verschleißfestigkeit oberflächengehärtet, weisen aber einen zähen Kern auf

AR450

0,26

0,70

1,0

Rest

Verschleißfeste Platten für Rutschen, Auskleidungen von Müllbehältern, Roste, ballistische Platten

Werkzeugstahl – luftgehärtet

A9 (T30109)

0,5

1,5

5,0

Rest

Mo, V

Ziehsteine, Umformwerkzeug, Scherklingen

Werkzeugstahl – Kunststoffform

P6 (T51606)

0,1

3,5

1,5

Rest

Niedriglegierung hoher Festigkeit („witterungsbeständiger Stahl“)

A588 Gr C (K11538)

0,1

0,35

0,5

Rest

Nickelstahl

9 % Nickelstahl (K81340)

0,13

9,0

Rest

Maraging-Stahl

Maraging 300 (K93120)

0,03

18,5

Rest

Durchhärtbare Niedriglegierung

Zinkdruckguss- und Kunststoffspritzgussformen

Cr, Cu, V

Bietet höheres Festigkeits-Gewicht-Verhältnis als unlegierter Kohlenstoffstahl und größere Umgebungskorrosionsbeständigkeit, z. B. beim Brückenbau Tiefsttemperatur-Anwendungen wie Speicherung von Flüssigerdgas

Co, Mo, Al, Ti

Raketentriebwerkgehäuse, Flugwerke, Antriebswellen, Fahrwerke von Flugzeugen, Spritzgussformen, andere Formteile

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Die positiven Eigenschaften von Maraging-Stählen können wie folgt zusammengefasst werden: • Äußerst hohe Festigkeit bei Zimmertemperatur • Einfache Wärmebehandlung, führt zu minimaler Verformung • Überlegene Bruchzähigkeit im Vergleich zu abgeschrecktem und vergütetem Stahl ähnlicher Festigkeit • Einfach herzustellen, gute Schweißeigenschaften

81.3 Ni

JOULE

27.1

54.2

2, 2

CHARPY-KERBSCHLAGVERSUCH FT/LB

-300 -200 (-185) (-129)

-100 0 (-73) (-18)

TEMPERATUR °F (°C)

Stahl mit einem Nickelgehalt von 9 % wurde 1952 zum ersten Mal in Behältern mit flüssigem Sauerstoff eingesetzt und wird seitdem vor allem für die Innenauskleidung von Flüssigerdgastanks genutzt. Er erhält aufgrund der Kombination von hoher Festigkeit und zuverlässiger Bruchzähigkeit bei sehr niedrigen Temperaturen bis zu -196 °C den Vorzug vor austenitischen Edelstählen.

Durch die Zugabe von Chrom, Kupfer und Nickel entsteht eine stabile, am Basismetall haftende Rostschicht, die viel weniger porös ist als die Rostschicht, die sich an gewöhnlichem Baustahl bildet. Das Ergebnis ist eine deutlich niedrigere Korrosionsrate, sodass diese Stähle unbeschichtet eingesetzt werden können.

Maraging-Stahl Maraging-Stahl oder martensitaushärtender Stahl ist eine Fe-Ni-Legierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit einem Anteil von ca. 18 % Nickel; darüber hinaus wird er mit Cobalt, Molybdän, Titan und anderen Elementen legiert. Diese Legierungen werden zu Martensit abgeschreckt, bevor eine AusscheidungshärtungsBehandlung bei 480-500 °C erfolgt, die die Ausscheidung von intermetallischen Materialien wie Ni3Mo und Ni3Ti fördert. Diese Stähle weisen eine hohe Bruchzähigkeit auf. Durch ihre Stoß- und Dauerfestigkeit eignen sie sich besonders für Anwendungsbereiche mit wiederholten Stoßlasten, z. B. in elektromechanischen Komponenten. Die relativ niedrige Wärmebehandlungstemperatur führt zu einer viel geringeren Verformung als beim Abschrecken durchhärtbarer niedriglegierter Stähle, wodurch sie für lange, dünne Teile bevorzugt werden.

Die nachstehende Tabelle zeigt den Unterschied hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Baustahl ASTM A36 und hochfestem, niedriglegiertem Baustahl ASTM A588 der Güte C.

Abbildung 1: Auswirkung von Nickel auf Stoßzähigkeit normalisierter und vergüteter Halb-Zoll-Stahlplatten mit niedrigem Kohlenstoffgehalt

Körnung wird durch die Beeinflussung der Umwandlungstemperaturen erzielt, sodass die Konvertierung von Austenit zu Ferrit und Perlit bei einer niedrigeren Temperatur während der Luftkühlung erfolgt. Angesichts der für HSLA-Stähle typischen niedrigen Kohlenstoffwerte sind Elemente wie Silizium, Kupfer, Nickel und Phosphor bei der Herstellung von Feinperlit besonders effektiv.

100 (38)

Nickelstahl Ferritische Stähle mit hohem Nickelgehalt (in der Regel mehr als 3 %) werden auf breiter Basis in Anwendungen eingesetzt, bei denen sie Temperaturen von 0 °C bis -196 °C ausgesetzt sind. Relevante Anwendungen sind Speichertanks für verflüssigte Kohlenwasserstoffgase sowie Konstruktionen und Maschinen für den Einsatz in kalten Regionen. Diese Stähle reduzieren infolge ihres Nickelgehalts die Übergangstemperatur, wodurch die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen verbessert wird. In Kohlenstoff- und den meisten niedriglegierten Stählen nehmen Festigkeit und Härte zu, wenn die Temperatur unter 24 °C fällt, während Zugfestigkeit und Zähigkeit abnehmen. Nickel verbessert die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, was aus den Ergebnissen des Kerbschlagbiegeversuchs (Charpy-Test) in Abbildung 1 hervorgeht.

Obgleich der Nickelanteil an diesen Legierungsstählen weniger signifikant ist als bei der Edelstahlproduktion, weisen sie eine enorme Vielfalt auf, und ihre industrielle Bedeutung ist keinesfalls zu unterschätzen. Um Ingenieure und Produktentwickler bei der Bestimmung des optimalen Materials für ihre jeweilige Anwendung zu unterstützen, bietet das Nickel Institute kostenlose technische Beratungsleistungen an. www.nickelinstitute.org

Die nachstehende Tabelle zeigt den Unterschied hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Baustahl ASTM A36 und hochfestem, niedriglegiertem Baustahl ASTM A588 der Güte C. BIEGEFESTIGKEIT MPa (ksi) min.

ZUGFESTIGKEIT MPa (ksi) min.

% DEHNBARKEIT min.

ASTM A36

250 (36)

400 (58)

ASTM A588 C

345 (50)

485 (70)

GÜTE

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BEGRIFFSGLOSSAR Ausscheidungshärten ist ein

Martensit ist eine magnetische Struktur

Wärmebehandlungsverfahren, mit

von Stahl, die durch ein Abschrecken

dem die mechanische Festigkeit oder

von Austenit entsteht, das so schnell

Härte formbarer Metalle erhöht wird,

erfolgt, dass die Kohlenstoffatome keine

indem die Bildung (Ausscheidung)

Zeit haben, in ausreichender Anzahl

einer Dispersion von Feinpartikeln von

aus der Kristallstruktur zu diffundieren,

Metallverbindungen (intermetallische

um Zementit zu bilden. Durch das

Materialien) gefördert wird, um die

Abschrecken wird der Austenit in eine

Kristallstruktur des Metalls zu versteifen.

stark angespannte Struktur umgewandelt,

Austenit ist die atomare Struktur

die mit Kohlenstoff übersättigt ist,

von Stahl bei über 727 °C. Es handelt

wodurch die mechanische Festigkeit und

sich dabei um eine nichtmagnetische

Stärke erhöht werden.

homogene Legierung von Eisen und

Perlit ist eine Lamellenstruktur, die aus

Kohlenstoff.

abwechselnden Ferrit- und Zementit-

Durchhärtbarkeit ist die Fähigkeit von

Schichten besteht.

Stahl, in einer bestimmten Tiefe nach

Zähigkeit ist die Fähigkeit eines

dem schnellen Abkühlen (Abschrecken) eine bestimmte Härte zu erreichen. Ferrit ist die atomare Struktur von Stahl unter 727 °C. Ferrit hat eine geringere Kohlenstofflöslichkeit als Austenit. Wenn Stahl auf eine Temperatur

Materials, Energie zu absorbieren und sich plastisch zu verformen, sodass es bei Belastung nicht bricht. Zementit ist eine Eisen-KohlenstoffZusammensetzung mit der Formel Fe3C.

unter 727 °C abgekühlt wird, wird

Bei zunehmendem Kohlenstoffgehalt

daher überschüssiger Kohlenstoff

des Stahls nehmen auch die Menge an

als Zementit gebunden; dieser bildet

Zementit und Perlit sowie die Festigkeit

mit Ferrit Schichten, wodurch Perlit

zu. Die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts

entsteht. Eine Stahlmikrostruktur bei

ist die einfachste Methode zur Erhöhung

Zimmertemperatur besteht daher aus

der mechanischen Festigkeit und Härte.

Perliteinschlüssen in Ferrit.

Mit zunehmender Festigkeit kommt es

Kerbschlagbiegeversuch ist ein

aber zur Abnahme der Zähigkeit.

standardisierter Test, bei dem gemessen

Hinweis: Die Reduzierung der Korngröße

wird, wie viel Energie von einem Metall-

(Verfeinerung) erhöht die mechanische

streifen von Standardgröße absorbiert

Festigkeit ebenfalls, aber ohne dass die

wird, wenn dieser zerschlagen wird.

Zähigkeit verringert wird.

Maraging-Stahl ist ein Hochleistungsmaterial, das an der Vorderseite oder für den gesamten Kopf von Premium-Golfschlägern verwendet wird.

NICKEL, JHRG. 34, NR. 1, 2019 | 11

MEDIKAMENTE, IMPFSTOFFE UND EDELSTÄHLE FÜR EINE FLEXIBLERE UND VIELFÄLTIGERE PRODUKTION

GE HEALTHCARE

Die Nachfrage nach Biologika (Medikamente aus komplexen Molekülen, die mithilfe von lebenden Mikroorganismen, Pflanzen oder Tierzellen hergestellt werden) nimmt rasant zu. Für Produktionskapazitäten ab 2000-3000 kg/Jahr machen nickelhaltige Edelstähle die ökonomische Produktion von Biologika möglich. Bei kleineren Produktionsmengen sind Einwegtechnologien kosteneffektiv. Mittels Biologika können spezifischere Nischenmedikamente mit erhöhter Wirkung hergestellt werden. Dadurch entstehen viele neue Medikamente. Diese werden allerdings mit kleineren, individuellen Produktionsläufen hergestellt, die wiederum flexiblere Fertigungsprozesse erfordern, um schneller auf eine veränderte Nachfrage reagieren zu können.

Oben: GE Healthcare Xcellerex™ Rührtank-Bioreaktor Einweg-Technologien ermöglichen eine schnelle Inbetriebnahme und einen schnellen Produktwechsel zwischen Produktionsläufen, sodass sich die Hersteller veränderten Anforderungen ihrer Märkte schnell anpassen können. Weil keine offenen Produkte gehandhabt werden, wird auch die Kontaminationsgefahr reduziert.

12 | NICKEL, JHRG. 34, NR. 1, 2019

Aus diesem Grund wurde eine neue Herstellungsmethode unter Nutzung von Einweg-Bioreaktoren entwickelt. Bioreaktoren sind Behälter, in denen Organismen (wie Hefe, Bakterien oder Tierzellen) unter kontrollierten Bedingungen wachsen können. Sie bestehen in der Regel aus Edelstahl des Typs 304L (UNS S30403) (weil die Einwegauskleidung im Behälter mit dem Produkt in Kontakt ist) und werden zunehmend in industriellen Biopharma-Prozessen eingesetzt, um Biopharmazeutika, Impfstoffe, Antikörper, Zell- und Gentherapien sowie sog. Biosimilars zu entwickeln. In Einweg-Bioreaktoren weisen die Edelstahl-Stützbehälter eine Innenhülle aus Polyethylen medizinischer Qualität für die Herstellung einer Charge eines bestimmten Moleküls auf. Diese Auskleidungen werden nach der Herstellung jeder Charge entsorgt. Das bedeutet, dass dieselbe

Edelstahl-Produktionsausrüstung für die Herstellung verschiedener Moleküle in kleinen Chargen verwendet werden kann. In der Vergangenheit musste die Produktionsausrüstung für Produktwechsel gründlich gereinigt oder eine völlig neue Ausrüstung hergestellt werden. In der Biotechnik, wo jede Kontamination unbedingt verhindert werden muss, kann der Reinigungsprozess drei bis vier Tage dauern, und es sind enorme Wassermengen erforderlich. Die herausnehmbare Auskleidung eliminiert oder minimiert den Reinigungsaufwand, bevor eine neue Charge eines völlig anderen Stoffes hergestellt wird. Dadurch wird die Auslastungsrate der Ausrüstung erhöht und Stillstandzeiten werden minimiert. Die Zukunft von Einweg-Bioreaktoren Angesichts des erwarteten kontinuierlichen Anstiegs der Nachfrage nach neuen Medikamenten und chemischen Stoffen in kleineren Produktionsmengen macht die Anwendung von EinwegBioreaktoren eine flexible Fertigung und kleinere Systeme zunehmend praktikabel wie auch angemessen. Aufgrund der Vorteile des Einweggebrauchs – reduzierter Reinigungsaufwand, reduzierte Dampfsterilisation, niedrigere Versorgungskosten,

GE HEALTHCARE

flexibles Anlagendesign und verbesserte

Er gewährleistet Maschinen- und

Kapitaleffizienz – ermöglichen Einweg-

Leitungsflächen, die glatt sowie leicht

Bioreaktoren zudem den Bau von mehr

zu reinigen und zu desinfizieren sind

Anlagen auf aufstrebenden Märkten, was

und bei Bedarf auch problemlos de-

einer verteilten Produktion zugutekommt.

kontaminiert werden können. Die in der

Gefragte Güte

Pharmaindustrie am häufigsten verwen-

Für alle Arten der Medikamenten-

deten Güten sind Edelstahl des Typs 316

herstellung sind Sicherheit, Reinheit

(S31600) für Verarbeitungsausrüstung, die

und Wirkung der Produkte von zen-

mit Reaktionsmitteln in Kontakt kommt,

traler Bedeutung. Nickelhaltiger

sowie Edelstahl des Typs 304 (S30400)

Edelstahl ist ein wichtiges und kosten-

für die tragenden Strukturen. Beide

effizientes Material für Ausrüstungen

können relativ einfach zu komplexen

zur Medikamentenherstellung.

Prozessgeräten verarbeitet werden.

FlexFactory geht einen neuen Weg Biopharmazeutika sind Medikamente auf Proteinbasis, die zunehmend zur Behandlung von Erkrankungen wie Krebs, rheumatoider Arthritis, Diabetes und Blutgerinnungsstörungen eingesetzt werden. Vor dem Hintergrund einer alternden Weltbevölkerung und angesichts der Tendenz zu zielgerichteten Präzisionstherapien nimmt die Nachfrage nach Medikamenten dieser Art weltweit rapide zu. Als Reaktion darauf entwickelte Parrish Galliher, Chief Technology Officer bei Upstream Bioprocess in der LifeSciences-Division von GE, die sog. FlexFactory. Diese basiert auf modernen Einweg-Technologien und bietet Herstellern schnellen Zugang zu wichtigen Biofertigungsprozessen, die auf die speziellen Anforderungen jeder neuen oder bestehenden Einrichtung zugeschnitten werden können. Dadurch erhalten Hersteller auch die nötige Flexibilität, um individuelle Prozesse einem veränderten Produktionsbedarf anzupassen oder gar in neun bis zwölf Monaten eine völlig neue

Links: GE Healthcare Xcellerex™ Rührtank-Bioreaktor

Einweg-Bioreaktoren bieten mehrere Vorteile: •R eduzierung kostspieliger und zeitaufwändiger Reinigungs- und Sterilisationsverfahren zwischen einzelnen Chargen • Reduzierung der Feststoffabfälle •W ichtiger Beitrag zur Steigerung der jährlichen Produktionskapazität •G eringere Kapital- und Betriebskosten •E rhöhte Geschwindigkeit und Flexibilität bei der Prozesseinrichtung ermöglichen schnelle Inbetriebnahme und Produktwechsel zwischen einzelnen Produktläufen •S chnellere Reaktion auf einen sich rasant verändernden Marktbedarf •M inimierung des Kontaminierungsrisikos, weil alle Komponenten, die mit dem Prozessmaterial in Kontakt kommen, in Einwegeinheiten verschlossen sind.

Fertigungslinie zu entwickeln. „Bislang musste man mit dem Bau eines Werks fünf Jahre im Voraus beginnen, weil der Bau selbst so lange dauerte. Und fünf Jahre sind in der Biotechnologie-Branche eine Ewigkeit“, so Galliher. „Medikamente werden aus allen möglichen Gründen eingeführt und verschwinden wieder. Die Hälfte der Einrichtungen war bereits bei ihrer Fertigstellung veraltet – so schnell verändert sich die Branche.“

NICKEL, JHRG. 34, NR. 1, 2019 | 13

MCLAREN AUTOMOTIVE LIMITED

DER STARTSCHUSS IST GEFALLEN – DAS RENNEN UM LÄNGER HALTENDE EV-BATTERIEN

Die Formel E zieht die Aufmerksamkeit der größten Automobilhersteller der Welt auf sich. Bei der 2011 konzipierten und im September 2014 in Peking eingeführten Formel E handelt es sich um eine Autorennserie für Formelwagen mit Elektromotor. Die Zahl der Zuschauer ist in kürzester Zeit auf mehr als 200 Millionen in die Höhe geschnellt; die Fahrgeschwindigkeiten sind von 220 km/h auf 299 km/h gestiegen und die Reichweite hat sich mehr als verdoppelt.

Viele möchten wissen, wie es das geschafft hat.“ – Global Mining Observer

NICKEL

des Nickel Institute

Es mag noch Jahre dauern, bis das Batteriegeheimnis von McLaren gelüftet wird. Bis es so weit ist, sollte man diesen neuen, zu Innovationen anregenden Rennsport einfach nur genießen.

14 | NICKEL, JHRG. 34, NR. 1, 2019

SCHAUEN Sie sich Videos zum Thema „Nickel“ auf dem YouTube-Kanal des Nickel Institute an. www.youtube.com/user/NickelInstitute

O N L I N E

„McLaren scheint durch die Steigerung der Zahl der Zellen im Auto von 165 auf 209 Unmögliches geschafft zu haben. Dem Unternehmen ist es offensichtlich gelungen, das Gewichtslimit wieder einmal zu erhöhen und die Energiedichte fast zu verdoppeln.

Verbesserungen durch innovative Batterien Jedes Formel-E-Team muss mit der gleichen Akkutechnologie an den Start gehen – ursprünglich mit Lithium-IonenBatterien mit einer Kapazität von 28 kWh. Mit dem Bau der ersten Batterien wurde Williams betraut, aber heute ist McLaren Applied Technologies der Vertragslieferant für die Batterietechnologie. Das Unternehmen hat eine neue Batterie WWW.NICKELINSTITUTE.ORG entwickelt, die mit 54 kWh fast doppelt ABONNIEREN Sie das Nickel Magazine kostenlos so viel Nutzenergie erzeugt. Das und erhalten Sie eine Druckversion oder eine heißt, dass der Fahrer die gesamte Ankündigung per E-Mail, wenn eine neue Rennstrecke in einem einzigen Wagen Ausgabe online verfügbar ist. zurücklegen kann. Wie bei Williams ist www.nickelinstitute.org die chemische Zusammensetzung der LESEN Sie das Nickel Magazine online in Formel-E-Batterien auch bei McLaren ein verschiedenen Sprachen. www.nickelinstitute.org/library/ streng gehütetes Geheimnis. Denkbar ist, dass McLaren seine Batterie mit DURCHSUCHEN Sie ältere Ausgaben des Nickel Magazine in unserem Online-Archiv, das einem hohem Nickelanteil baut, um die Exemplare bis Juli 2009 enthält. Energiedichte zu verbessern, etwa mit www.nickelinstitute.org/library/ einer Zusammensetzung von 8-1-1, d. h. auf FOLGEN SIE UNS auf Twitter @NickelInstitute je einen Teil Cobalt und Mangan kommen BESUCHEN SIE UNS auf der LinkedIn-Seite acht Teile Nickel.

NEUE PUBLIKATIONEN Das Nickel Institute hat zwei neu überarbeitete technische Leitfäden zur Unterstützung der effektiven Nutzung nickelhaltiger Materialien veröffentlicht. Die vollständig überarbeiteten Guidelines for the welded fabrication of nickel alloys for corrosion-resistant service (11012) (Richtlinien für die Schweißherstellung von Nickellegierungen für korrosionsbeständige Anwendungen) ist ein nützlicher Leitfaden für Schweißer, Material- und Konstruktionstechniker. Für den Schweißer verfolgt die Publikation einen praktischen Ansatz, der nicht nur Fachingenieuren zugänglich ist. Für Materialtechniker sind die Guidelines als Nachschlagewerk hilfreich, das Beschreibungen der verschiedenen Arten von Nickellegierungen und ihrer metallurgischen Eigenschaften enthält. Außerdem werden zerstörungsfreie Inspektionen beschrieben, mit denen die Fertigungsqualität sichergestellt werden kann. Für Konstruktionstechniker werden Konstruktionserwägungen zur Optimierung der Antikorrosionsleistung

von Nickellegierungen sowie die Anwendung korrosionsbeständiger Schichten besprochen, die durch Schweißbeschichtung, Plattenauskleidung und Blechplattierung angebracht werden. Alloy selection for service in chlorine, hydrogen chloride and hydrochloric acid (10020) (Legierungsauswahl für die Anwendung in Chlor, Chlorwasserstoff und Salzsäure) erörtert die korrosive Wirkung von Chlor, Chlorwasserstoff und Salzsäure auf eine breite Palette von Materialien einschließlich Stählen, Edelstählen, nickelbasierter Legierungen, kupferbasierter Legierungen, Titan, Zirconium und Tantal unter unterschiedlichen Bedingungen. Diese vollständig überarbeitete Veröffentlichung des Nickel Institute bietet praktische Anleitungen für Materialtechniker.

UNS-DETAILS UNS

Chemische Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) der Legierungen und Edelstahltypen in dieser Ausgabe von Nickel Magazine.

S30400 S. 13

0,03 max.

18,020,0

Rest

2,00 max.

0,10 max.

8,012,0

0,045 max.

0,030 max.

0,75 max.

S30403 S. 12

0,08 max.

18,020,0

Rest

2,00 max.

0,10 max.

8,010,0

0,045 max.

0,030 max.

0,75 max.

S31600 S. 13, 16

0,08 max.

16,018,0

Rest

2,00 max.

0,10 max.

10,014,0

0,045 max.

0,030 max.

0,75 max.

S32304 S.2

0,03 max.

21,524,5

0,050,60

Rest

2,50 max.

0,050,60

0,050,20

3,05,5

0,040 max.

0,030 max.

1,00 max.

S32205 S. 6

0,030 max.

22,023,0

Rest

2,00 max.

3,003,50

0,140,20

4,506,50

0,030 max.

0,020 max.

1,00 max.

G43400 S. 8

0,370,43

0,700,90

Rest

0,600,80

0,200,30

1,652,00

0,035 max.

0,040 max.

0,150,30

H43200 S. 8

0,170,23

0,350,65

Rest

0,400,70

0,200,30

1,552,00

0,035 max.

0,040 max.

0,150,30

T30109 S. 8

0,450,55

4,755,50

0,25 max.

Rest

0,5 max.

1,301,80

1,251,75

0,03 max.

0,951,15

0,801,40

T51606 S. 8

0,050,15

1,251,75

0,25 max.

Rest

0,350,70

3,253,75

0,03 max.

0,100,40

K11538 S. 8

0,15 max.

0,300,50

0,200,50

Rest

0,801,35

0,250,50

0,04 max.

0,05 max.

0,150,30

0,0010,10

K81340 S. 8

0,13 max.

Rest

0,90 max.

8,59,5

0,035 max.

0,040 max.

0,150,30

K93120 S. 8

0,050,15

0,03 max.

8,59,5

0,5max.

0,5 max.

Rest

0,10 max.

4,65,2

18,019,0

0,010 max.

0,10 max.

0,50,8

NICKEL, JHRG. 34, NR. 1, 2019 | 15

STORELGEN – DER RIESEN-ELCH Entlang der norwegischen Europastraße E3 ragt ein majestätischer, 11,5 m langer und 10,3 m hoher Elch in den Himmel – die weltweit größte Elch-Skulptur überhaupt. Zur Belustigung der Reisenden, die hier eine Pause einlegen, hat der Mammut-Elch – von den Norwegern als „Storelgen“ (großer Elch) bezeichnet – auf der gesamten Raststätte seine Elchfladen hinterlassen. Der Ort wurde gewählt, um Autofahrern einen Anlass zu bieten, eine Pause einzulegen und sich die Beine zu vertreten, sie aber auch auf die Gefahren des Die Fertigstellung des Storelgen nahm sechs Monate in Anspruch. Die Statue wurde in mehreren Teilen aus China geliefert.

Wildwechsels aufmerksam zu machen. Bis

Sie ist 50 cm größer als Kanadas „Mac the Moose“.

Storelgen ist ein Werk der norwegischen

16 NICKEL, | NICKEL, JHRG. JHRG. 34,34, NR.NR. 1, 2019 1, 2019

zum Bau des Storelgen im Oktober 2015 wurden allein in jenem Jahr 1000 Elche angefahren. Künstlerin Linda Bakke in Kooperation

mit dem norwegischen Amt für öffentliche Straßen. Das Werk kostete rund 236.000 US-Dollar. Die Statue wurde in China aus spiegelpoliertem Edelstahl des Typs 316 (UNS S31600) hergestellt, „damit das Werk so widerstandsfähig und wartungsfrei wie möglich ist“, wie die Künstlerin betont. „Unser Ziel war auch, den kanadischen ‚Mac the Moose‘ noch zu übertreffen und die größte wie auch schönste ElchSkulptur der Welt zu schaffen.“