NICKEL, JHRG. 35, Nr. 3, 2020

MAGAZINE

NICKEL

DIE FACHZEITSCHRIF T FÜR NICKEL UND SEINE ANWENDUNGEN NICKEL, JHRG. 35, NR. 3, 2020

Nickel vergrößert die Bandbreite an den Extremen Bei arktischen Temperaturen alles unter Kontrolle

Größere Reichweite von Elektrofahrzeugen dank Innovationen

Nickellegierungen im Weltall widerstehen Hitze und Kälte

Die Tintagel-Brücke wurde von Ney & Partners (leitende Architekten und Statikingenieure) und William Matthews Associates (mitwirkende Architekten) entworfen. Mit den Stahlarbeiten wurde Underhill Engineering Ltd. beauftragt; die Bauaufsicht hatte American Bridge.

Das Steel Construction Institute (SCI) und Arup Materials untersuchten die Korrosivität am Standort und waren beratend an der Materialauswahl beteiligt.

MILLSTOCK STAINLESS

DAVID-LEVENE FÜR WILLIAM MATTHEWS ASSOCIATES

FALLSTUDIE 20 TINTAGEL-BRÜCKE Die Ruinen der Burg Tintagel im englischen Cornwall werden schon seit langem mit dem legendären König Arthur und den Rittern der Tafelrunde in Verbindung gebracht. Ein Teil der Ruinen befindet sich auf einer Landzunge, die durch eine schmale Schlucht mit steilen Felsklippen vom Festland getrennt ist. Bis vor kurzem musste zur Überquerung dieses Abgrunds einem schwer begehbaren Pfad nach unten gefolgt werden, an dessen Ende eine kurze Fußgängerbrücke stand, und auf der anderen Seite musste ein ähnlicher Pfad nach oben erklommen werden.

Die Schlucht wird jetzt über eine 2019 fertig gestellte Fußgängerbrücke in höherer Lage überquert. Diese neue Brücke besteht aus zwei Auslegerteilstücken, die hoch über der Schlucht aufeinander treffen.

Wegen der schmalen Wege zu dieser Sehenswürdigkeit und der begrenzten Einsatzfähigkeit von Hubausrüstungen wurde eine Bauweise gewählt, bei der sechs relativ einfach handzuhabende, vorgefertigte Stahlkomponenten mit geringem Gewicht vor Ort zusammengebaut wurden.

Die als Spezialanfertigung hergestellten Duplex-T-Stücke wurden von Millstock Stainless geliefert und von Montanstahl in der Schweiz hergestellt.

NICKEL, JHRG. JHRG. 35, 35, NR. NR. 3, 3, 2020 2020 22 || NICKEL,

Um in dieser Meeresumgebung langfristige Stabilität und Lebensdauer sowie hohe Festigkeit und ein glitzerndes Äußeres zu gewährleisten, wurden wichtige Elemente der Brücke aus 20 Tonnen nickelhaltigem Duplex-Edelstahl 2205 (UNS S32205) gefertigt. Dieses Material wurde für die Diagonalstreben zur Verbindung der unteren und oberen

Gurte, die Querbalken, Querträger, Brückendeck-Verstrebungen und das Geländer sowie für zwei Deckausrichtungskegel in einer Größe von 50 mm (Durchmesser) x 430 mm, maschinell bearbeitete Verbindungsblocks für die Auslegerteilstücke, polierte Stangen (30-65 mm Durchmesser) zur Verbindung der oberen und unteren Brückengurte, Tabletts zur Fixierung der Schieferplatten des Brückendecks sowie für die polierten Balustradenkomponenten verwendet. Außerdem wurden ca.

2,7 Tonnen von im Lichtbogen-LaserHybridverfahren spezialangefertigten, ungleichmäßigen T-Stücken (272 Stäbe, 70 mm x 60 mm hoch) verbaut.

Diese elegante, 66 m lange und 2,4 m breite Brücke ermöglicht jetzt einen viel einfacheren Zugang für Besucher, die diese Burgruine Jahr für Jahr auf den Spuren des legendären Königs Arthur besuchen.

EDITORIAL: NICKEL AN DEN EXTREMEN

Das vergangene Jahr war ein Jahr der Extreme. Fast alle von uns mussten auf die eine oder andere Weise mit den besonderen Herausforderungen des Jahres 2020 fertig werden. An den Extremen zu operieren, also in der größtmöglichen Entfernung von dem bisher als „normal“ geltenden Punkt, ist für uns jetzt nichts Neues mehr. Und nicht jeder Anwärter besteht die mit diesen besonderen Bedingungen einhergehenden Prüfungen!

ex|trem

Definitionen unter: Politik

Logik

Adjektiv am größten 1. einen hohe oder den höchsten Punkt erreichen; sehr groß. „extrem kalt“

Ähnlich:

äußerst

am äußersten

sehr viel

2. am weitesten von der Mitte oder einem bestimmten Punkt entfernt; am äußersten Punkt. „der extreme Nordwesten Schottlands“ Ähnlich:

am weitesten

weit entfernt

am weitesten entfernt

ganz weit draußen

Genauso verhält es sich auch in der Ingenieurwissenschaft und im Konstruktionswesen. Um unsere Ziele zu erfüllen, Lösungen bereitzustellen, die den menschlichen Anforderungen und steigenden Erwartungen genügen, um das Extrem zu erreichen und neue Möglichkeiten zu erkunden und dabei stets Nachhaltigkeit, längere Lebensdauer und einen möglichst niedrigen Kostenpunkt im Auge zu behalten, haben wir einen wichtigen Helfer: Nickel.

In dieser Ausgabe des Nickel Magazine untersuchen wir einige der Anforderungen an Materialien und wie sie mit Nickel erfüllt werden können – vom Widerstand gegen Temperaturextremen in chemischen Reaktionen und bei der Stromerzeugung bis zur Resilienz in extremen arktischen oder Meeresumgebungen. Mit der Aussicht auf die „Millionen-Meilen“-Batterie für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation macht Nickel dank seiner hohen Widerstands- und Leistungsfähigkeit eine extreme Zykluslebensdauer von Stromzellen möglich, aber auch Nickellegierungen, die an den Extremen unseres Universums zum Einsatz kommen. Das Leben auf dem Mars wird nur mit nickelhaltigen Materialien möglich sein, denen die niedrigen Temperaturen auf dem roten Planeten nichts anhaben können.

Hier auf unserer Erde unterstützt das Nickel Institute Ingenieure und Werkstoffspezialisten bei der zuverlässigen Spezifikation nickelhaltiger Materialien. Zu diesem Zweck aktualisieren wir auch ständig unsere umfassende Bibliothek kostenlos verfügbarer technischer Literatur. Unsere neueste Publikation zu Meerwasser-Kühlsystemen finden Sie auf Seite 15.

© INTERNATIONAL POLAR FOUNDATION - RENÉ ROBERT

ex•trem

Die Princess-Elizabeth-Forschungsstation muss den extremen Bedingungen in der Antarktis standhalten. Dazu besteht die Fassade aus nickelhaltigem Edelstahl 304L, der wegen seiner Festigkeit und Widerstandsfähigkeit bei Temperaturen deutlich unter -60 °C gewählt wurde.

Ungeachtet der vielen Ungewissheiten, die das nächste Jahr mit sich bringen wird, wissen wir eines mit Bestimmtheit: Nickel wird weiterhin dazu beitragen, viele unserer derzeitigen Herausforderungen zu meistern, auf zwar auf sichere, saubere, zuverlässige und zielgerichtete Weise.

Clare Richardson Redaktion, Nickel

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INHALT 03 04 06 08 11 12 14 15 15 15 16

Fallstudie Nr. 20 Tintagel-Brücke Editorial An den Extremen Beachtenswertes zum Thema Nickel

NICKEL

„Millionen-Meilen“-Batterie Nickelhaltige EinkristallKathoden Temperaturen unter Null Mit Edelstahl alles unter Kontrolle Extreme Hitze Nickel packt das An den Extremen Nickellegierungen im Weltall Technische Fragen und Antworten Injektionsnadeln und Nickelallergie Steve Barnett 1954-2020 Neue Publikation Meerwasser-Kühlsysteme UNS-Details Zukunftsfest machen Harlem Fire Watchtower restauriert

Faszinierender Klang Der britische Gong-Hersteller Philip James (Turiya sounds) stellt alle seine Instrumente aus Neusilber her. „Der Klang eines Gongs ist einzigartig“, erklärt James, „weil er den Hörer beim Erreichen eines tief meditativen, transzendierenden Bewusstseinszustands hilft.“ Neusilber ist ein ideales Material für die Gongherstellung und hat unübertroffene Resonanzmerkmale. „Als ich zum ersten Mal einen Gong hörte, transportierte mich der Klang an einen magischen Ort“, so James. „Seitdem bin ich von Gongs fasziniert.“ Das britische Unternehmen Columbia Metals lieferte Bleche aus NS104 (UNS C75700) in einer Stärke von 0,8 bis 1,6 mm, die 12 % Nickel enthalten und viel korrosionsund anlaufbeständiger sind als herkömmliche Messingmaterialien. „Bei der Gongherstellung reicht wirklich nichts an Neusilber heran“, so James. „Es ist einfach erstaunlich.“

PHILIP JAMES

02

BEACHTENSWERTES ZUM THEMA

Das Nickel Magazine ist eine Publikation des Nickel Institute www.nickelinstitute.org Dr. Hudson Bates, Verbandspräsident Clare Richardson, Chefredakteurin

Autoren und Mitarbeiter: Parvin Adeli, Gary Coates, Catherine Houska, Richard Matheson, Geir Moe, Kim Oakes, Ken Rudisuela, Frank Smith, Benoît Van Hecke, Odette Ziezold Entwurf: Constructive Communications 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 Titelseite: © International Polar Foundation - René Robert Bildnachweise: S. 6 iStock©Jae Young Ju

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ROYAL CANADIAN MINT

communications@nickelinstitute.org

Produktiver Pflanzenmagnetismus Die unverkennbare neonblau-grüne Farbe von Harz signalisiert einen Nickelgehalt von bis zu 25 % in seltenen Pflanzen, die hohe Metallkonzentrationen lieben und deren Wurzeln Metalle anziehen wie ein Magnet. Bis heute wurden weltweit ca. 700 solcher so genannter Hyperakkumulatoren entdeckt. In Feldstudien wurde die Fähigkeit dieser Pflanzen, in metallreichen Böden besonders gut zu gedeihen, untersucht. Diese Pflanzen können im sog. Phytomining abgebaut werden, bei dem das Harz gesammelt und dann verarbeitet wird, um reines Nickel zu extrahieren oder nickelhaltige Chemikalien herzustellen, die z. B. beim Galvanisieren eingesetzt werden können.

Während der herkömmliche Bergbau zum Abbau von Metallen aus hochwertigen Lagerstätten sehr viel wirtschaftlicher ist, ist Phytomining in nicht ganz so hochwertigen ANTONY VAN DER ENT

Oberflächenlagerstätten in ultramafischen Böden in tropischen Regionen wie Kuba, Neukaledonien, Australien und Malaysia verbreitet. Es wurde festgestellt, dass der Boden nach dem Phytomining fruchtbarer und besser für den Anbau von Nutzpflanzen

CWTEC

NATIONAL UNIVERSITY OF SINGAPORE

geeignet ist.

Auf der Nase

Ananas-Blätter-Upcycling Mit dieser tollen neuen Idee können Tonnen von Ananas-Abfall in ein ultraleichtes, kostengünstiges Mehrzweck-Aerogel umgewandelt werden. Forscher der National University of Singapore (NUS) haben eine Methode entwickelt, mit der Fasern aus Ananas-Blättern mit dem chemischen Stoff Diethylentriamin (DETA) beschichtet werden, um umweltfreundliche Aerogele herzustellen, die vier Mal mehr Nickelionen aus Industrieabwasser entfernen können als herkömmliche Methoden. Dazu Duong Hai-Minh, Teamleiter und Privatdozent: „Aufgrund ihrer hohen Porosität sind umweltfreundliche Aerogele beim Entfernen von Metallionen sehr effizient, und das auch in verdünnten Lösungen mit geringen Mengen an Metallionen. Der Behandlungsprozess ist einfach und kostengünstiger und er verursacht keinen Sekundärmüll. Umweltfreundliche Aerogele können die Metallionen leicht absorbieren und mehrmals wiederverwendet werden, wodurch die Kosten noch mehr gesenkt werden können. Dieses vierjährige Projekt, bei dem andere nützliche Anwendungen entwickelt wurden, bedeutet einen großen Schritt hin zu einem nachhaltigen Agrar- und Müllmanagement.“

Sie kennen das Gefühl, wenn ein nicht ganz richtig sitzender COVIDMund-Nasen-Schutz dazu führt, dass die Brille beschlägt? Mit Nickel lässt sich dieses Problem beheben und für unsichtbaren Komfort sorgen.

Das deutsche Unternehmen cwTec nutzt ein feines, nickelhaltiges Edelstahlband der Norder Band AG, damit die Masken von Mitarbeitern in systemrelevanten Berufen wie z. B. im Gesundheitswesen, die Brillen tragen und trotzdem stets den Durchblick behalten müssen, besser sitzen. Das keinerlei Allergien verursachende Band ist nicht nur einfach zu beschaffen, sondern kann zusammen mit den anderen Materialien des MundNasen-Schutzes recycelt werden. Ein tolles Ergebnis, und das mit nur einem Gramm nickelhaltigen Edelstahls!

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EINE NEUE, KRISTALLKLARE LÖSUNG INNOVATION ZUR VERGRÖSSERUNG DER REICHWEITE VON ELEKTROFAHRZEUGEN Für die Hersteller von Elektrofahrzeugen und die Entwickler von Akkus hat das Überwinden der Reichweitenvorbehalte der Verbraucher hohe Priorität. Professor Jeff Dahn von der Dalhousie University und sein Team am Institut für Physik und Atmosphärenwissenschaften im kanadischen Nova Scotia arbeiten an einer bahnbrechenden Einzelkristall-Technologie, die heute ein vielversprechender Kandidat ist, der dieses Problem in Zukunft lösen kann.

Bei Labortests konnte sein Team nachweisen, wie Einzelkristall-Technologie in nickelhaltigen Kathoden dem sog. Microcracking (Bildung von mikroskopischen

Auf die Herkunft des Begriffs „Millionen-Meilen“-Batterie angesprochen, meint Dahn: „Das hat sich bei unserer Arbeit einfach so ergeben. Wir veröffentlichten einen Aufsatz und in einem Satz der Kurzfassung hieß es: ‚Wir haben nachgewiesen, dass Elektrofahrzeuge mit Akkus wie diesen eine Million Meilen fahren könnten.‘ Das ist bei den Medien wohl hängen geblieben.“

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Rissen) widerstehen kann, das bei typischen Elektrodenmaterialien auftritt.

Dahn: „Typische Kathodenpartikel sind in der Regel in zufälligen Richtungen angeordnet. Beim Laden und Entladen, wenn Lithium wiederholt zwischen Schichten der Kathode eingeführt und dann extrahiert wird, ändert sich das Volumen. Diese Änderungen sind nicht in allen Richtungen gleich, und die Änderungen in der senkrecht zu den Schichten verlaufenden Richtung sind

DANNY ABRIEL VON DER DALHOUSIE UNIVERSITY

„Unser Ziel ist es, die Kosten zu senken, die Energiedichte zu erhöhen und die Lebensdauer von Li-Ionen-Zellen zu verbessern“, so Professor Dahn, ein anerkannter Pionier bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus, wie sie weltweit in Laptopcomputern und Mobiltelefonen eingesetzt werden.

sehr groß. Wenn sich zwei Primärpartikel

über eine Strecke von mehr als

berühren, kommt es zu diesem

1,6 Millionen Kilometer anzutreiben und

Volumenunterschied und dadurch evtl.

ihre Stromspeicherfähigkeit mindestens

auch zum Microcracking des Partikels,

20 Jahre lang zu behalten.“

wodurch dieses in viele kleine Teile

20 Jahre Lebensdauer

zerbricht. Damit gehen der elektrische

Dadurch könnten die Akkupacks von

Kontakt und der Zugang zur aktiven

Elektrofahrzeugen so lange wie das

Masse der Kathode verloren.“

damit betriebene Fahrzeug selbst halten.

„Ein Einzelkristall-Partikel hingegen

Darüber hinaus entstehen durch den

ist ein Kristallit, also ein etwa zwei

Wechsel auf einen Einzelkristall keine

bis drei Mikrometer großes Partikel.

nennenswerten Mehrkosten.

Dabei handelt es sich um einen ganzen

„Wenn wir in unserem Labor Einzel-

Einzelkristall ohne Körnungsgrenzen,

kristalle herstellen, nehmen wir

sodass das gesamte Partikel als Ganzes

lediglich bei der Kristallzüchtung

expandiert und sich zusammenzieht.

geringfügige Änderungen vor und

Das bedeutet, dass das Aufrechterhalten

behandeln den Kristall dann mit einer

einer elektrischen Verbindung mit diesen

etwas höheren Temperatur. Beim

Partikeln während ihrer Expansion und

gesamten Syntheseprozess gibt es keine

Kontraktion recht einfach ist. Mit einem

fundamentalen Unterschiede.“

Einzelkristall kann während des gesam-

Im Endeffekt geht es um die Entwicklung

ten Lade-Entladezyklus eine 100-prozenti-

der „Millionen-Meilen“-Batterie.

ge Verbindung mit der aktiven Masse der Kathode aufrechterhalten werden – eine aufregende Sache!“

„Das zeigt, dass es wichtig ist, Tests über sehr lange Zeiträume durchzuführen.

Von den in diesem Millionen-Meilen-

(A, a), SEM-Bilder eines gewerblichen Einzelkristalls von Li[Ni0,5Mn0,3Co0,2] O2 (NMC532) (sog.SC-532) Material mit großer Korngröße von ca. 3 μm 1.

(B, b) SEM-Bilder von gewerblichem Polykristallin (NMC532) ohne Beschichtung (UC-532) 1.

Das Dalhousie-Team arbeitet an ver-

Batterie-Aufsatz beschriebenen Zellen

schiedenen nickelhaltigen Einzelkristall-

werden manche immer noch getestet.

Kathoden mit dem Vorteil, dass sie viel-

Ich habe sie mir erst neulich wieder

fache Lade- und Entladezyklen tolerieren

angesehen. Sie sind jetzt seit drei Jahren

und gleichzeitig eine hohe Energiedichte

in Betrieb. Die Zimmertemperatur-Zellen

bieten. Ein von Dahn und seinem Team

haben inzwischen ca. 9500 Zyklen hinter

D., Chatzidakis M., Allen J., Botton G. A. und

im Journal of The Electrochemical Society

sich (das ist weit mehr als eine Million

Dahn J. R. 2017 J. Electrochem. Soc. 164 1534

veröffentlichter Aufsatz kommt zu dem

gefahrene Meilen), und das bei einem

Schluss, dass „Zellen dieses Typs in der

Leistungsverlust von nicht einmal 10

Lage sein sollten, ein Elektrofahrzeug

Prozent. Ist das nicht unglaublich?“

1.

Li J., Cameron A. R., Li H., Glazier S., Xiong

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©ROLAND MOURON

ALLES IM GRIFF MIT NICKEL BEI TEMPERATUREN UNTER NULL

Wenn es kälter wird oder gar gefriert, verlieren wir leicht die Kontrolle. Ob Menschen oder Fahrzeuge – wir sind alle schon mal auf Glatteis geraten. Aber wie kann uns Nickel helfen, Technologien buchstäblich „im Griff“ zu behalten, wenn die Temperatur Richtung absolutes Minimum sinkt?

Inneres eines LNG-Tankers mit dem von GTT entwickelten Mark III FrachtContainment-System aus Edelstahl.

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Werkstoffe für Temperaturen

keit eines Werkstoffs, Energie zu absor-

unter Null

bieren, ohne zu brechen; dies ist in vielen

Austenitischer Edelstahl (in der Regel mit

technischen Anwendungen von höchster

einem Nickelanteil von 7 bis 25 %) besitzt

Bedeutung. Baustahl weist eine hohe

eine hervorragende Festigkeit bei sehr

Festigkeit bei Zimmertemperatur auf;

niedrigen (kryogenen) Temperaturen.

wenn die Temperatur aber sinkt, wird die

Unter Festigkeit versteht man die Fähig-

ferritische Struktur zunehmend spröder,

weshalb solche Stähle für den Einsatz bei kryogenen Temperaturen ungeeignet sind.

Im Gegensatz dazu bewahren die meisten nickelhaltigen austenitischen Edelstähle ihre Festigkeit selbst bei der Temperatur von flüssigem Helium.

Bruchfestigkeit des Basismetalls für den arktischen Einsatz aufweisen. Bei einer geringeren Festigkeit der Schweißnaht kommt es unabhängig von der Qualität des Basismetalls zum Bruch.

LNG Mit dem Anstieg der Energienachfrage sowie des Energietransport- und -speicherbedarfs bietet Flüssigerdgas (Liquefied Natural Gas, LNG) aufgrund seines Verhältnisses zwischen Volumen und Energiedichte gewisse Vorteile. Das Volumen von Erdgas in seinem flüssigen Zustand ist ca. 600 Mal kleiner als das Volumen in Gasform in einer ErdgasPipeline. Durch die Verflüssigung kann Erdgas an Orte transportiert werden, an denen es keine Erdgas-Pipelines gibt, und es kann sogar als Treibstoff eingesetzt werden. All das wäre ohne Nickel nicht möglich, denn Erdgas wird erst unter -163 °C flüssig. Wie bereits beschrieben sind austenitische Edelstähle und Nickellegierungsstähle die besten Lösungen für die Herstellung von Speicher- und Transportbehältern sowie den Transport von Flüssigerdgas bei derart niedrigen Temperaturen.

Einsatz in der Arktis Es ist kompliziert, in arktischen Regionen Personal anzuwerben, Metall zu schweißen und Waren zu transportieren.

Der wichtigste Faktor in Bezug auf Stähle im arktischen Einsatz ist die Temperatur.

Temperaturen von -50 °C oder noch weniger sind keine Ausnahme und liegen unterhalb der Duktil-Spröd-Übergangstemperatur für die meisten kohlenstoffoder manganhaltigen Baustähle, die bei Bauprojekten in arktischen Ölfeldern zum Einsatz kommen.

Andere Faktoren, die die Werkstoffauswahl für den Einsatz in der Arktis in der Öl- und Gasindustrie beeinflussen, sind die Korrosionsbeständigkeit und Schweißfähigkeit. Erstere ist für Statikanwendungen nicht so wichtig wie für Produktion und Transport von korrosivem Öl und Gas. Es ist wichtig, dass die Schweißnähte die erhöhte

© INTERNATIONAL POLAR FOUNDATION - RENÉ ROBERT

Ein weiteres Beispiel stammt aus der wissenschaftlichen Infrastruktur in der Antarktis, wo 2008 eine belgische Forschungsstation gebaut wurde. Die Fassade bestand aus 1,5 mm starken Paneelen aus Edelstahl 304L (UNS S30403). Dieser Werkstoff wurde gewählt, weil austenitischer Edelstahl (304L) selbst bei Temperaturen unter -60 °C ausreichende Stärke und Festigkeit aufweist.

Eine zweite Werkstofffamilie mit guten kryogenen Eigenschaften sind nickellegierte Stähle. Wenn die Stahlmatrix um weitere 1,5 bis 9 % Ni ergänzt und einer entsprechenden Wärmebehandlung unterzogen wird, kann die notwendige Festigkeit und Stärke bei Temperaturen von -60 bis -200 °C erzielt werden. Enthält der Mix kein Chrom, sind diese Stähle im Gegensatz zu Edelstahl aber nicht inhärent korrosionsbeständig.

Princess Elisabeth Station, Antarktis.

Die Fassade besteht aus 1,50 mm starken 304L(S30403)Edelstahl-Paneelen.

MINDESTTEMPERATUR

TWI – GENE MATHERS

-273 °C

-196 °C

-130 °C

-101 °C

-60 °C

-60 °C

PlattierungsSpezifikation

ASTM 304L EN 10088-1

ASTM A353/ A553 EN 10028-4

ASTM A645 EN10028-4

ASTM A203GrE EN 10028-4

ASTM A203GrB

Stahltyp

Austenitischer Edelstahl

9 % Ni-Stahl

5 % Ni-Stahl

3,5 % Ni-Stahl

2,5 % Ni-Stahl

1,5 % Ni-Stahl

Typische Lageranwendung

Stickstoff, Wasserstoff, Helium

LNG, Sauerstoff, Argon

Ethylen

Kohlendioxid, Acetylen, Ethan

Ammoniak, Propan, Schwefelkohlenstoff

Ammoniak, Propan, Schwefelkohlenstoff

EN10028-4

Temperatur und Korrosionsbeständigkeit sowie Schweißfähigkeit sind entscheidende Faktoren für die Auswahl der Werkstoffe für den Einsatz in der Öl- und Gasindustrie in arktischen Regionen.

Zunehmender Ni-Anteil Abnehmende Speichertemperatur NICKEL, JHRG. 35, NR. 3, 2020 | 9

Tankerbauweise LNG-Tanker stechen meist von Katar

als Vorgängerstoff von Ammoniak in

und Australien aus in See und steuern

der Düngemittelindustrie verwendet.

Regionen mit hohem Energiebedarf

Außerdem besitzt er eine Menge Potential,

wie Japan, China und Südkorea an.

um fossile Brennstoffe im Energiemix

Beim Bau moderner Tanker wird

zu ersetzen. Wenn genug Wasserstoff

der Raum im Schiffsrumpf optimal

erzeugt werden kann (vorzugsweise

genutzt. Das Flüssigerdgas wird in

auf umweltfreundliche Art mithilfe von

einer doppelten Metallmembran mit

Wind- oder Solarenergie), entsteht beim

Isolierung gespeichert. Für diese

Verbrennen als Kraftstoff nur Wasser und

Fracht-Containment-Systeme wird ein (Expansion und Kontraktion ermöglichender) wabenförmiger Edelstahl 304L geringer Stärke oder die dünnere und flache Legierung

CO2-Bilanz durch den erhöhten Einsatz von Wasserstoff zu verbessern.

Legierung mit niedriger thermischer

möglich. Wasserstoff ist ein leichter und

Auf der Temperaturskala von LNG mit -163 °C noch weiter unter angesiedelte Gase sind:

© ITER.ORG

Hersteller versuchen schon jetzt, ihre

Ohne Flüssiggase wäre keine Raumfahrt

Weitere verflüssigte Gase

10 | NICKEL, JHRG. 35, NR. 3, 2020

kein Kohlendioxid. Die Stahlindustrie ist besonders energieintensiv und mehrere

36 (K93600), eine 36-prozentige NiExpansion, eingesetzt.

Querschnitt des ITER, des International Thermonuclear Experimental Reactor in Frankreich, der mit einem FlüssigheliumKühlsystem mit einer Kühlleistung bis 4,5 Kelvin ausgestattet ist.

Wasserstoff wird bereits jetzt häufig

• -183 °C: flüssiger Sauerstoff • -196 °C: flüssiger Stickstoff • -253 °C: flüssiger Wasserstoff

sehr leistungsfähiger Raketentreibstoff.

In Kombination mit einem Oxidator wie flüssigem Sauerstoff hat sich flüssiger Wasserstoff als der effizienteste aller Raketentreibstoffe erwiesen.

Und schließlich die Frage: Was könnte einen supraleitenden Magneten so abkühlen, dass er einen Plasmazustand erreicht? Die Antwort ist einfach: Flüssig-

• -269 °C: Flüssighelium

helium. Alles andere als einfach ist aber

Viele Anwendungsbereiche sind in der Industrie zu finden, die diese Produkte in regasifizierter Form verwendet.

das Temperaturproblem. Bei -269 °C oder 4 Kelvin lässt Nickel hier alle seine Muskeln spielen ...

NICKEL GERÄT NICHT SO LEICHT INS SCHWITZEN

MCDERMOTT

Umformerrohre werden aus Gussnickellegierungen hergestellt und können in aufkohlenden Umgebungen über Hunderte von Betriebsstunden bei Temperaturen von 800-1000 °C eingesetzt werden.

Sie werden in Verbindung mit Dampf und Kohlenwasserstoffen zur Herstellung von Wasserstoff verwendet.

Die vier wichtigsten Eigenschaften bei der Wahl eines Werkstoffs für eine Hochtemperatur-Anwendung sind Festigkeit, Stabilität über Zeit, begrenzte Reaktionen mit der Umgebung und einfache Ausrüstungsherstellung.

Entstehung dieser Phasen, und Ni-Cr-Fe-

Mit dem Anstieg der Temperatur werden Metalle schwächer. Es gibt viele Stähle, die bei mäßig erhöhten Temperaturen eine höhere Festigkeit aufweisen als Edelstähle der Serie 300. Bei 540 °C bieten Edelstähle aber bessere Leistungen als die meisten dieser anderen Stähle.

Bei über 650 °C zeichnen sich nickelhaltige Legierungen besonders aus. Ab 540 °C sind aber Kriechfestigkeit und Kriechbruchfestigkeit die wichtigsten Eigenschaften.

Chrom und Aluminium bieten zusätz-

Bei hohen Temperaturen kann es mit der Zeit zu metallurgischen Veränderungen kommen. Besonders problematisch ist es, wenn das Metall harte Sprödphasen bildet, wodurch es so zerbrechlich wie Glas werden kann. Nickel verlangsamt die

Legierungen mit einem Nickelanteil von mind. 33 % sind dagegen immun.

Bei sehr hohen Temperaturen kann das Metall mit seiner Umgebung reagieren.

In der Luft oxidiert es. Legierungen mit

GEWALZTE LEGIERUNGEN

Die meisten chemischen Prozesse reagieren bei hohen Temperaturen schneller und die Stromerzeugung ist effizienter. Aber halten die Werkstoffe der Belastung stand? In der Praxis wird die maximale Temperatur für viele Prozesse durch die Materialeignung eingeschränkt. Hier kann Nickel zu Hilfe kommen.

Strahlrohre heizen Öfen indirekt.

Dabei werden verschiedene Nickellegierungen mit Temperaturen bis zu 1150 °C verwendet, auch wenn das Metall selbst 1200 °C tolerieren kann.

lichen Schutz. Bei der Reduzierung in Umgebungen mit viel Kohlenmonoxid ©WIRCO_GOODRODFRAMBASKET

sind es wiederum Nickel und Silizium, welche die Aufkohlung reduzieren.

Für die widrigsten Umgebungen, wenn eine rapide Aufkohlung (auch als Metal Dusting bezeichnet) stattfinden kann, werden derzeit neue Legierungen entwickelt und getestet, die alle einen hohen Nickelanteil aufweisen.

Schließlich müssen die nötigen Ausrüstungen hergestellt werden. Dabei muss Metall geformt und geschweißt werden, und auch hier bieten nickelhaltige Edelstähle und Nickellegierungen hervorragende Eigenschaften.

Wärmebehandlungskörbe nehmen die in Glühöfen zu behandelnden Teile auf. Welche nickelhaltige Legierung verwendet wird, hängt davon ab, ob die Atmosphäre oxidierend oder reduzierend ist. Diese Produkte sind in der Regel für besonders widrige Einsatzbedingungen vorgesehen.

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AN DEN EXTREMEN NICKELLEGIERUNGEN IM WELTALL

2020 markierte den Beginn einer aufregenden neuen Dekade in der Raumfahrt.

Innovationen mit nickelhaltigen Legierungen spielen beim Bau von Raketen, Rädern und Katalysatoren, um nur einige Anwendungen zu nennen, eine wichtige Rolle.

NASA.GOV

SpaceX, ein US-Unternehmen, das sich der Produktion für die Raumfahrt und wiederverwendbaren Raumtransporten verschrieben hat, stellte seine Raketenstufen Starship und Super Heavy aus einer Version eines nickelhaltigen Edelstahls 304 (S30400) her. SpaceX entschied sich aufgrund der im Vergleich zu Kohlenfaserstoff niedrigeren Kosten für Edelstahl. (Kohlenfaserstoff kostet pro Kilogramm mehr als das 60-fache.)

Außerdem ist Edelstahl hitzebeständiger als Kohlenfaserstoff oder andere Metalle wie Aluminium und erfordert daher einen geringeren oder möglicherweise gar keinen weiteren Hitzeschild.

In der Zwischenzeit forscht die NASA an anderen potenziellen Anwendungen für nickelhaltige Materialien: in den Rädern der Rover-Fahrzeuge der USRaumfahrtbehörde. Gummiräder sind auf dem Mond oder Mars unpraktisch, weshalb die Räder der ursprünglichen Apollo-Mondrover aus Federstahl bestanden. Federstahlräder verformen sich aber an den für den Einsatz auf dem Mars konzipierten größeren und schwereren Fahrzeugen. Um dies zu verhindern, entwickelt die NASA derzeit ein Metallgitterrad aus Nitinol (UNS N01555), eine Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtnis-Eigenschaften, die

NASA.GOV

NASA-Ingenieure testen die neueste Version des SMA-Federrads auf einem Prüfstand. Diese Version wiegt 7 kg und kann die doppelte Last befördern als die vorherige Version. Außerdem bietet sie bei den im Weltraum herrschenden Temperaturen bessere Leistungen.

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Das SpaceX Starship mit RaptorRaketentriebwerk, das irgendwann einmal Menschen zum Mars befördern soll, ist eines der ersten Raumfahrzeuge, das mit Flüssigmethan und flüssigem Sauerstoff angetrieben wird und für 1000 Wiederverwendungen vorgesehen ist. Die Entscheidung fiel für Methan, weil für die Rückreise Raketentreibstoff auf dem Mars erzeugt werden soll. Methan kann mittels der Sabatier-Reaktion aus Kohlendioxid und Wasserstoff hergestellt werden. Dabei reagiert Wasserstoff mit Kohlendioxid bei erhöhten Temperaturen (im Idealfall 300-400 °C) und hohem Druck mit einem Katalysator, um Methan und Wasser zu erzeugen. Einer der möglichen Katalysatoren ist Nickel.

Die Atmosphäre auf dem Mars besteht zu 95 % aus Kohlendioxid. Die NASA hat Wasservorkommen auf dem Mars bestätigt, also die zur Erzeugung von Methan und Sauerstoff als Raketentreibstoff sowie zur Erzeugung von Sauerstoff für die Deckung des Atmungsbedarfs der Astronauten erforderlichen Rohstoffe. Aufgrund der niedrigen Umgebungstemperatur auf dem roten Planeten und der für den Transport von Flüssigmethan, Wasserstoff und Sauerstoff erforderlichen niedrigen Temperaturen sind ebenfalls nickelhaltige Materialien erforderlich.

Die Ni-Cu-Legierung K-500 (N05500) weist auch eine hervorragende Duktilität bei kryogenen Temperaturen und in reinem Sauerstoff eine Resistenz gegen Zündquellen auf. Dadurch eignet sie sich ideal für den Einsatz in SauerstoffBoosterpumpen, die das Raketentriebwerk mit Sauerstoff versorgen.

Raketentriebwerke aus einem Stück Aufgrund ihrer hohen Härte und Festigkeit wird Legierung 718 (N07718), eine Ausscheidungshärtungs-Nickel/ChromLegierung, die in Düsentriebwerken von Flugzeugen eingesetzt wird, auch in Raketentriebwerken und Druckbehältern verwendet, damit sie kryogenen, verflüssigten Treibgasen bei Temperaturen bis -250 °C widerstehen kann. Aufgrund der

Eigenschaften der Legierung 718 sind Formen und Zerspanen aber schwieriger als bei anderen Werkstoffen. Ein Feinguss kann problematisch sein, weil Legierung 718 gegenüber Porosität und Auftrennung empfindlich ist und sehr grobe Korngrößen aufweist. Dadurch sind mehrere aufeinanderfolgende Bearbeitungsschritte erforderlich.

Die Lösung? 3D-Druck ermöglicht eine effizientere Nutzung von nickelbasierten Legierungen wie Legierung 718 in Hochleistungsanwendungen auf der Basis einer komplizierten Konstruktion.

Mittels 3D-Druck kann die Bearbeitung der Legierung 718 vereinfacht werden und die Materialeigenschaften bleiben intakt. Bei diesem Prozess ist weder ein Schweißen noch eine Zerspanung erforderlich, sodass die Materialverschwendung minimiert wird.

Der Vorteil dieser Fertigungsmethode zeigt sich in dem per 3D-Druck hergestellten Raketentriebwerk-Prototyp aus Legierung 718, der in seiner Gesamtheit unter Nutzung künstlicher Intelligenz vom deutschen Softwareunternehmen Hyperganic entwickelt wurde.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Raketentriebwerken, die aus individuell konstruierten und anschließend montierten Teilen bestehen, ist der per 3D-Druck entwickelte Prototyp ein homogenes Element. Er umfasst die Brennkammer, in der Treib- und Sauerstoff verbrannt werden, sowie die Oberflächenkanäle, durch die der Treibstoff zirkuliert wird, um die Kammer zu kühlen und ein Überhitzen zu verhindern. Durch die Konstruktion aus einem Stück werden ein möglichst geringes Gewicht bei effektiver Kühlfunktion und die höchstmögliche Raketenleistung erzielt.

Das 3D-Druckverfahren wurde auch von der University of California in San Diego beim Ignus-II-Raketentriebwerk aus Legierung 718 für das Vulcan-IIRaketenprojekt der Universität eingesetzt.

Mit jeder neuen Anwendung hilft Nickel der Raumfahrt einen Schritt weiter auf dem Weg in die Zukunft.

HYPERGANIC TECHNOLOGIES AG

ein Dreißigfaches der Verformung von Federstahlrädern aushält.

Raketentriebwerk aus einem Stück, per 3D-Druck aus Legierung 718 hergestellt Legierung 718 ist das Arbeitstier unter den Superlegierungen. Diese korrosionsbeständige Nickel-Chrom-Legierung mit ihrer hohen Festigkeit wird im Temperaturbereich von -252 bis +700 °C eingesetzt. Dank ihrer Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen ist sie die ideale Lösung für Raketentriebwerke.

Ihre Duktilität bei kryogenen Temperaturen ermöglicht ihren Einsatz in Tanks für verflüssigten Raketentreibstoff.

NICKEL, JHRG. 35, NR. 3, 2020 | 13

FRAGEN AN EXPERTEN FAQ VON DER TECHNISCHEN BERATUNGSLEITUNG DES NICKEL INSTITUTE

F A

F: Ich habe eine Nickelallergie. Wie steht es um die Verfügbarkeit von Injektionsnadeln ohne Nickel?

A: Nickel ist ein grundlegender

freisetzen. Typ 304 hingegen ist Schweiß

Bestandteil von Edelstählen wie

gegenüber äußerst korrosionsbeständig

denen vom Typ 304 (S30400). Er bietet

und setzt nur sehr wenig Nickel frei;

die hohe Duktilität und Form- und

außerdem sind Injektionsnadeln nur

Schweißbarkeit, die für die Produktion

wenige Sekunden mit der Haut in

von Injektionsnadeln vorausgesetzt

Berührung.

Geir Moe, P. Eng., ist Technical Inquiry Service Coordinator am Nickel Institute. Zusammen mit anderen Werkstoffexperten in aller Welt unterstützt er Endanwender und Spezifikateure nickelhaltiger Materialien, die um technischen Support ersuchen. Das Team ist jederzeit bereit, Fragesteller zu einer breiten Palette von technischen Anwendungen – etwa zu Edelstahl, Nickellegierungen und Nickelplattierungen – kostenlos zu beraten, damit sie Nickel bedenkenlos und zuversichtlich einsetzen können.

Ein Beispiel: Injektionsnadeln können aus einem flachen, 18 mm breiten und 0,5 mm starken Band hergestellt werden, das auf einer großen Rolle aufgewickelt ist. Das Band wird durch eine Reihe von Walzen gepresst, wo es zu einer Röhre mit einem Durchmesser von ca. 6 mm geformt wird.

Die beiden Kanten werden verschweißt.

Die geschweißte Röhre bewegt sich auf der Fertigungsstraße weiter durch eine Reihe immer kleinerer Öffnungen bzw. Gesenke. Der Durchmesser wird reduziert, wodurch die Festigkeit der Röhre zunimmt; von Zeit zu Zeit muss sie durch Erhitzen wieder erweicht werden.

Der anfängliche Durchmesser von 6 mm wird auf 0,35 mm verkleinert – das entspricht einer Reduzierung um 95 %.

Mit abnehmendem Außendurchmesser nimmt auch die Wandstärke ab. Nach dem letzten Ziehen ist das kaltgewalzte Material fest und hart.

Die meisten allergischen Reaktionen auf Nickel werden durch billigen, vernickelten Schmuck verursacht, der längere Zeit mit der Haut in Kontakt bleibt. Die Nickelplattierung kann bei Kontakt mit Hautschweiß Nickel

14 | NICKEL, JHRG. 35, NR. 3, 2020

Unter dem folgenden Link werden Nickelallergien ausführlicher besprochen: nickelinstitute.org/science/human-healthfact-sheets/fact-sheet-1-nickelallergic-contact-dermatitis/

NICKEL

O N L I N E

werden.

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG

ABONNIEREN Sie das Nickel Magazine kostenlos und erhalten Sie eine Druckversion oder eine Ankündigung per E-Mail, wenn eine neue Ausgabe online verfügbar ist. www.nickelinstitute.org LESEN Sie das Nickel Magazine online in verschiedenen Sprachen. www.nickelinstitute.org/library/ DURCHSUCHEN Sie ältere Ausgaben des Nickel Magazine in unserem Online-Archiv, das Exemplare enthält, die bis ins Jahr 2009 zurückreichen. www.nickelinstitute.org/library/ FOLGEN SIE UNS auf Twitter @NickelInstitute BESUCHEN SIE UNS auf der LinkedIn-Seite des Nickel Institute SCHAUEN Sie sich Videos zum Thema „Nickel“ auf dem YouTube-Kanal des Nickel Institute an. www.youtube.com/user/NickelInstitute

STEVE BARNETT 1954-2020 Den Haag und Johannesburg beteiligt.

Steve Barnett stand dem Nickel Institute in schwierigen Zeiten (2006–2010) als Präsident vor. Seine bemerkenswerte Karriere im Metallsektor erstreckte sich über 40 Jahre. Nach dem Abschluss mit einem MSc-Titel in Metallurgie vom Imperial College im Jahr 1976 und Tätigkeiten bei Davy Process Technology und Rustenburg Platinum wechselte er 1981 zur späteren BHP Billiton. Dort gab er das Ferronickel-Werk Cerro Matoso in Kolumbien in Auftrag und arbeitete an verschiedenen Buntmetallprojekten. Er war an Fusionen und Akquisitionen in

1996 zog er nach Brisbane um, um die Projektentwicklung und HSEC für Billiton Nickel und dann BHP Billiton Stainless Steel Materials zu leiten, bevor er sich dem Nickel Institute anschloss. Steve – talentiert, charismatisch, optimistisch, fähig und mutig – war ein international denkender und handelnder Mensch und blieb dies bis zu seinem viel zu frühen Tod am 4. November 2020 in Brisbane. Er wird seinen Freunden und Kollegen in der Nickel-Industrie sehr fehlen.

NEUE PUBLIKATION Copper alloys versus stainless steels for seawater cooling systems – the pros and cons (Vergleich zwischen Kupferlegierungen und Edelstählen für Meerwasser-Kühlsysteme: Vorund Nachteile, 11027) vergleicht die Anwendung von Kupferlegierungen wie 70/30 und 90/10 Kupfer-Nickel und Nickel-Aluminium-Bronze mit der von

KNOWLEDGE FOR A BRIGHTER FUTURE

Copper alloys versus stainless steels for seawater cooling systems – the pros and cons

austenitischen und Duplex-Edelstählen.

Diese brandaktuelle Publikation aus der Feder des Nickel Institute-Beraters Roger

A GUIDE TO THE USE OF NICKEL-CONTAINING ALLOYS

Francis hilft Konstrukteuren und Werksbetreibern bei der Wahl der richtigen Legierung. Zum kostenlosen Download unter www.nickelinstitute.org verfügbar

UNS-DETAILS

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

UNS

Al

B

C

Co

Cr

Cu

Fe

Mn

Mo

N

Nb

Ni

C75700 S. 4

-

-

-

-

-

63,566,5

0,25 max.

0,50 max.

-

-

-

11,013,5

K93600 S. 10

-

-

0,10 max.

1,0 max.

0,50 max.

-

Rest

0,60 max.

0,50 max.

-

-

35,038,0

N05500 S. 13

2,303,15

-

0,25 max.

-

-

Rest

2,00 max.

1,50 max.

-

-

-

N07718 S. 13

0,0200,080

0,006 max.

0,08 max.

1,0 max.

17,021,0

0,30 max.

Rest

0,35 max.

2,803,30

-

N01555 S. 13

-

-

0,07 max.

0,05 max.

0,01 max.

0,01 max.

0,005 max.

-

-

S30400 S. 12, 14

-

-

0,08 max.

-

18,020,0

-

Rest

2,00 max.

S30403 S. 8

-

-

0,03 max.

-

18,020,0

-

Rest

S31603 S. 16

-

-

0,03 max.

-

16,018,0

-

S32205 S. 2

-

-

0,030 max.

-

22,023,0

-

P

Pb

S

Si

Ti

Zn

0,10 max.

-

-

-

Rest

0,025 max.

-

0,025 max.

0,35 max.

-

-

63,070,0

-

-

0,01 max.

0,50 max.

0,350,85

-

4,755,25

50,055,0

0,015 max.

-

0,015 max.

0,35 max.

0,651,15

-

0,025 max.

0,005 max.

54,057,0

-

-

-

-

Rest

-

-

-

-

8,010,5

0,045 max.

-

0,030 max.

1,00 max.

-

-

2,00 max.

-

-

-

8,012,0

0,045 max.

-

0,030 max.

1,00 max.

-

-

Rest

2,00 max.

2,003,00

-

-

10,014,0

0,045 max.

-

0,030 max.

1,00 max.

-

-

Rest

2,00 max.

3,003,50

0,140,20

-

4,506,50

0,030 max.

-

0,020 max.

1,00 max.

-

-

NICKEL, JHRG. 35, NR. 3, 2020 | 15

ZUKUNFTSFEST MACHEN: MIT EDELBAUSTAHL ALEXANDER SEVERIN ARCHITECTURAL PHOTOGRAPHY

Der Harlem Fire Watchtower in New York wurde 1856 erbaut und ist eine der ältesten noch bestehenden Gusseisenrahmen-Bauten in Nordamerika. Mit seiner Registrierung im National Register of Historic Places steht er unter besonderem Denkmalschutz. Das Bauwerk war aufgrund von Korrosion und Statikbewegungen verfallen und stand kurz vor dem Einsturz.

Das multidisziplinäre Restaurationsteam von Thornton Tomasetti wurde mit der Aufsicht über die Renovierungsarbeiten betraut. Seine Modellierung des Turms gab Mängel im ursprünglichen Statikdesign zu erkennen. Als die restaurierten Turmelemente sorgfältig wieder montiert wurden, wurde ein aufwändiges Stützsystem aus Edelstahl eingebaut, um diese Statikdefizite zu korrigieren und die Erhaltungsziele zu erreichen.

Für die Zugstangen-Querstreben wurde stark korrosionsbeständiger, kaltgewalzter Edelstahl hoher Festigkeit des Typs 316L (UNS S31603) spezifiziert. Durch die hohe Festigkeit des Materials konnte

16 NICKEL, | NICKEL,JHRG. JHRG.35,35,NR. NR.3,3,2020 2020

der Durchmesser der Stangen reduziert werden. Für den Edelstahl wurde eine leicht reflektierende, glasperlengestrahlte Oberfläche gewählt, um das Licht zu streuen und die Konstruktion weniger auffällig zu machen. Der Edelstahl unterscheidet sich optisch vom historischen Eisen und ist, wie vom Denkmalschutz vorgegeben, nur minimal sichtbar.

Das Restaurationsprojekt wurde mit dem 2020 Lucy G. Moses Award für eine hervorragende Konservierungsleistung und dem Municipal Arts Society MASterworks Award für die beste Restaurierung in der Stadt New York ausgezeichnet.