Mit einem neuen bahnbrechenden Vakuumbeschichtungsverfahren präsentiert sich die SMS group als Technologieführer in der Vakuumbeschichtung von Stahlbändern für anspruchsvollste Anwendungen. In ihrer weltweit einzigartigen Pilotanlage in Karlstein am Main entwickelt der Anlagenbauer gemeinsam mit dem Vakuum-Spezialisten NEOVAC innovative Physical Vapor Deposition (PVD)-Verfahren, die die bisherigen Grenzen gängiger Beschichtungsverfahren durchbrechen. Im exklusiven Interview mit heat processing stellen Dr. Holger Behrens (Executive Vice President Flachprodukte, SMS group), André Herzog (CTO NEOVAC) und Tim Ovelgönne (CEO NEOVAC) erstmals ihre revolutionäre Technologie und deren Potenzial für die Industrie einer breiteren Öffentlichkeit vor.
METALVERSE: Nach drei Jahren intensiver Entwicklungsarbeit präsentieren Sie jetzt erstmals öffentlich Ihre Vakuumbeschichtungstechnologie. Was hat Sie überzeugt, dass jetzt der richtige Zeitpunkt gekommen ist?
Dr. Holger Behrens: Bei bedeutenden Entwicklungen ist es uns wichtig, die Technologie sicher zu beherrschen und die physikalischen Zusammenhänge erarbeitet zu haben, bevor wir an Kunden und den Markt herantreten. In den letzten zwei Jahren haben wir auf unserer Pilotanlage diverse Tests zur Bandbeschichtung von Stahlband durchgeführt und sehr gute und reproduzierbare Ergebnisse erzielt. Daher sind wir jetzt in der Lage, Testmaterial von interessierten Kunden zu beschichten und die Möglichkeiten dieses Verfahrens darzustellen. Wir bieten den Vorteil, mit einem kontinuierlichen Verfahren Oberflächenbeschichtungen mit Zink bei Bandbreiten bis 650 mm durchzuführen.
METALVERSE: Welchen Herausforderungen der klassischen Beschichtungstechnologie haben Sie sich mit Ihrer neuen Anlage gestellt?
Tim Ovelgönne: Wir haben zwei fundamentale Probleme der konventionellen Verzinkung gleichzeitig gelöst. Bei höchstfesten Stählen mit 1200 bis 1900 MPa Zugfestigkeit versagen sowohl Feuerverzinkung als auch elektrolytische Verzinkung. Beim Feuerverzinken mit 460 °C können sich die Materialeigenschaften negativ verändern – der Stahl verliert an Zugfestigkeit. Bei der elektrolytischen Verzinkung kann wiederum verfahrensbedingt Wasserstoff entstehen, der zu Materialversprödung führen kann. Unser Vakuumbeschichtungsverfahren läuft als „kalter Prozess“ unter 200 °C ab. Damit können wir erstmals auch hochsensitive Stahllegierungen beschichten, ohne deren Eigenschaften negativ zu beeinträchtigen.
METALVERSE: Das klingt nach einem echten technologischen Durchbruch. Was macht Ihre Vakuumbeschichtungstechnologie so revolutionär gegenüber dem, was es schon gibt?
André Herzog: Das Entscheidende ist die quasi kalte Beschichtung, die eine völlige Entkopplung der thermischen Materialbehandlung von der Beschichtung ermöglicht. Durch den geringen thermischen Eintrag des Beschichtungsprozesses werden die Materialeigenschaften des Coils nicht mehr verändert. Die Beschichtung funktioniert ähnlich wie ein sehr präziser Lackierprozess: Das Stahlband durchläuft zuerst eine Nassreinigung und wird im Anschluss ins Vakuum eingeschleust. Dort startet der eigentlich Vakuum-Prozess mit einer Plasma-Vorbehandlung zur Feinreinigung des Bandes. Anschließend erfolgt mittels Magnetronsputtern eine Vorbeschichtung, vergleichbar mit einer Grundierung. Der entscheidende Schritt ist die thermische Verdampfung: Zink wird verflüssigt und aus der Dampfphase kontrolliert über ein Düsensystem aufgebracht. Wie Wasserdampf, der am kalten Spiegel kondensiert – nur präzise steuerbar.
METALVERSE: Das hört sich sehr komplex an. Können Sie uns den praktischen Ablauf in Ihrer Anlage beschreiben?
Herzog: In unserer Pilotanlage wird ein unbeschichtetes Coil ins Vakuumsystem eingebracht, die Kammer verschlossen und die Luft abgepumpt. Im Produktionsmaßstab kann dieser Schritt selbstverständlich auch inline passieren, um einen kontinuierlichen Prozess zu ermöglichen. Dann erfolgt der dreistufige Beschichtungsprozess des Stahlbands im Durchlaufverfahren – Plasmareinigung, Vorbeschichtung, Zinkbeschichtung. Ein wesentlicher Punkt hierbei ist die von uns entwickelte Plasma-Enhanced-Evaporation, ein neuartiges Aufdampfverfahren mit dem die Schichteigenschaften gezielt beeinflusst werden können. Anschließend wird das Band wieder aufgewickelt, die Anlage geflutet und das Coil ausgeschleust. Wenn im Schichtbetrieb gearbeitet wird, ist es möglich in 24 Stunden 5-6 Coils, mit bis zu 5 Tonnen je Coil, zu beschichten.
METALVERSE: Gibt es denn nicht schon PVD-Verfahren am Markt? Wie unterscheidet sich Ihr Ansatz?
Herzog: Es gibt bereits kommerzielle PVD-Verfahren wie die Jet Vapor Deposition, aber die sind nicht für höchstfeste Stähle konzipiert. Unsere Anlage hat bereits erfolgreich Metallbänder mit einer Zugfestigkeit von >1.500 MPa beschichtet. Wir haben den Prozess von Grund auf neu entwickelt: Wie die Prozessstufen hintereinandergeschaltet werden, wie wir die Verdampfung organisieren, wie die Vorbeschichtung abläuft – das ist unser spezifisches Know-how. Das Verfahren ist daher sehr interessant für höchstfeste Materialien und auch Umformstähle mit hohen Anforderungen an Korrosionsschutz und Oberflächenqualität.
Die Pilotanlage von NEOVAC in Karlstein am Main (Quelle: SMS group)
Die Pilotanlage von NEOVAC in Karlstein am Main (Quelle: SMS group)
METALVERSE: Aber warum ausgerechnet höchstfeste Stähle? Wie kamen Sie auf dieses spezielle Marktsegment?
Dr. Behrens: Der Impuls kam von Partnern aus der Stahlindustrie. Sie haben uns auf ein Problem bei der Verzinkung von hochfesten Stählen mit zum Beispiel martensitischen Gefügestrukturen hingewiesen. Besonders bei diesen Stahlgüten können die aufgeführten Nachteile und Limitationen wie Entfestigung und Versprödung auftreten. Weiterhin gibt natürlich der Anwendermarkt, d.h. die Stahlverarbeiter und Presswerke als Kunden unserer Kunden, einen zusätzlichen Impuls für unsere Entwicklungsschwerpunkte. Automobilbauer zum Beispiel verwenden Bleche einer gewissen Qualität mit komplexen Eigenschaften, – daraus leiten wir wiederum ab, welche Technologie unser Kunde, der Stahlhersteller, benötigt. Unser Verfahren ist neben den gerade genannten Stahlgüten ebenfalls für andere Stähle und Metalle geeignet.
METALVERSE: Das klingt einleuchtend, aber sicher war die Umsetzung nicht einfach. Welche technischen Herausforderungen mussten Sie bewältigen?
Ovelgönne: Eine zentrale Herausforderung ist das Temperaturgefälle: Das Zink wird bei über 600 °C verdampft, das Band bleibt aber unter 200 °C Temperatur. Bei einem so hohen Temperaturgefälle muss die Schicht sehr schnell und kontrolliert abgeschieden werden. Wir müssen ein gerichtetes Schichtwachstum mit definierten Korngrößen erreichen, damit bei der späteren Umformung der Bleche die Schicht komplett haftet und nicht aufbricht – sonst wäre der erforderliche Korrosionsschutz nicht im ausreichenden Maße gegeben.
Herzog: Wir haben durch die Zusammenarbeit zwischen SMS und NEOVAC einen Stahlwerkshersteller mit einem Vakuumtechnik-Spezialisten zusammengebracht – das liegt eigentlich diametral auseinander, aber wir haben eine Technologie geschaffen, mit der wir einen wichtigen Schritt in Richtung Qualität machen. Das Joint Venture hat zwei extrem starke Partner dahinter: SMS als Experte im Anlagenbau und das Know-how der SITIZN group Holding AG mit mehreren Jahrzehnten an Erfahrung in der Vakuumtechnologie.
Detailansicht einer 10,5 µm starken kompakten Zinkbeschichtung auf Stahlband (Quelle: NEOVAC)
Detailansicht einer 10,5 µm starken kompakten Zinkbeschichtung auf Stahlband (Quelle: NEOVAC)
METALVERSE: Wenn ich das richtig verstehe, ist Ihre Pilotanlage mit 170 Tonnen Gewicht und 15 Metern Höhe ziemlich beeindruckend dimensioniert. War diese Größe von Anfang an geplant?
Ovelgönne: Innerhalb von dreieinhalb Jahren haben wir mit unserem Expertenteam diese Anlage konzipiert, gebaut und in Betrieb gesetzt. Wir wollten von Anfang an einen Maßstab schaffen, der industrielle Größenanforderungen erfüllt und Testmaterial für Kundenanwendungen wie z.B. Automobil-Presswerke herstellen kann. Unsere Anlage kann Stahlcoils mit einer Zugfestigkeit von bis zu 1900 MPa und einer Länge von bis zu 1000 Metern und einer Breite von bis zu 650 Millimetern kontinuierlich verarbeiten und beschichten.
METALVERSE: Das sind beeindruckende Dimensionen. Welche Schichtdicken und -eigenschaften erreichen Sie damit?
Dr. Behrens: Wir bewegen uns beginnend bei 1 µm zwischen rund 3 bis 30 Mikrometern – für viele Vakuumverfahren sind dies eher dicke Schichten. Die aufgedampfte Schicht kann rein aus Zink bestehen oder aber Anwendungsfall bezogen mit weiteren Metallen wie z.B. Aluminium oder Magnesium ergänzt werden. Einseitige oder doppelseitige Beschichtungen sind in der Pilotanlage herstellbar.
METALVERSE: Sie haben sich auf Zink konzentriert – ist die Technologie auch für andere Beschichtungsmaterialien interessant?
Herzog: Definitiv. Der Verdampfer in unserer Anlage ist im Prinzip ein variabler „Dampfkochtopf”, der an verschiedene Metalle angepasst werden kann. Bei hochschmelzenden Materialien brauchen wir andere Verdampfungsquellen, dieses Wissen und die Erfahrung hierfür ist bei NEOVAC vorhanden. Die Anlage ist modular aufgebaut – wir können sie je nach Partnerschaft und Kundenanforderung für spezifische Produkte adaptieren. Zusätzlich haben wir durch den installierten Prozess des Sputterns / der Kathodenzerstäubung die Möglichkeit gezielt Schichteigenschaften zu optimieren.
METALVERSE: Warum sollte sich ein Stahlhersteller konkret für Ihre Technologie entscheiden?
Dr. Behrens: Wir bieten dem Markt eine Alternative zu einem ähnlichen, aber mit einem Lizenzmodell versehenen Prozess. Unser Prozess ermöglicht die Vakuumbeschichtung höchstfester Stähle mit Zink ohne Lizenzbindung.
METALVERSE: Das klingt vor allem für große Produzenten interessant. Bietet Ihre Technologie auch Möglichkeiten für kleinere Produzenten?
Ovelgönne: Definitiv. Eine normale Feuerverzinkung behandelt zwischen 350.000 und 500.000 Tonnen Stahlband – wer hat schon diesen Markt außer den ganz Großen? Unsere Technologie bietet die Möglichkeit, auch 10.000 oder 30.000 Tonnen zu beschichten. Sie ist folglich hochinteressant für jemanden, der bisher den Markt gemieden hat, weil er nicht so große Tonnage Anforderungen hatte, aber in Zukunft gerne 10.000 Tonnen speziell beschichten und veredeln möchte.
METALVERSE: Wie sieht es energetisch aus – welche Vorteile bietet Ihr Verfahren?
Dr. Behrens: Wir sehen in unserem Verfahren einen energetischen Vorteil gegenüber den bekannten Prozessen wie Feuerverzinken oder elektrolytischem Verzinken. Vakuum zu erzeugen und Material zu verdampfen verbraucht nach unseren Analysen weniger Energie. Wir sprechen je nach Anwendungsfall von einer Energieeinsparung von bis zu 30% gegenüber konventionellen Verfahren. Da die Anlage ohne Verbrennungsprozesse auskommt und rein elektrisch betrieben wird, entsteht während des Betriebs keinerlei CO2. Bei Einsatz von beispielsweise grünem Strom ist der CO₂-Fußabdruck sehr gering. Bei Vergleichen müssen wir beachten, welche Systemgrenzen wir ziehen, aber grundsätzlich sind die Betriebskosten, vor allem beim Energieverbrauch, niedriger.
METALVERSE: Wo sehen Sie denn das größte Potenzial für Ihre Technologie?
Herzog: Überall dort, wo höchstfeste Stähle eine Rolle spielen oder auch hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität bei anderen Stahlsorten bestehen. In der Automobilindustrie natürlich, aber auch in der Batterietechnik wird bahnförmiges Material verarbeitet. Wenn wir Funktionsschichten für andere Anwendungen brauchen – Wärmeübergänge oder ähnliches – können wir mit der Technologie auch dort Lösungen bieten. Wir können mit unserer Pilotanlage ebenfalls Kupferband, Aluminiumband, sogar Folien prozessieren.
METALVERSE: Zurzeit suchen Sie aktiv strategische Partner, um genau diese Möglichkeiten auszutesten – was bieten Sie konkret an?
Ovelgönne: Wir bieten potenziellen Partnern die Chance, hier etwas zu tun, wo sie normalerweise erst ein eigenes Laborsystem über Jahre aufbauen müssten, bis sie etwas testen können. Das ist hier nicht nötig – sie können uns ihr Probematerial senden und die gewünschten Beschichtungen definieren, die sie nach der Beschichtung durch uns für ihre weitergehenden Material- und Produkttests benötigen. Wir sind offen für Interessierte und heißen sie gerne willkommen.
METALVERSE: Können interessierte Unternehmen die Anlage denn auch besichtigen?
Dr. Behrens: Selbstverständlich, unsere Pilotanlage steht interessierten Unternehmen offen. Das NEOVAC Technikum liegt in der Nähe von Frankfurt am Main und ist daher logistisch sehr gut zu erreichen. Uns ist wichtig, mit Interessenten in Kontakt zu kommen, die mit uns diese neue revolutionäre Technologie weiterentwickeln.
METALVERSE: Nach drei Jahren intensiver Entwicklungsarbeit – was ist Ihr erstes Zwischenfazit?
Ovelgönne: Wir haben bewiesen, dass die Technologie funktioniert, jetzt geht es um die Skalierung und Marktdurchdringung. Für den Endmarkt brauchen wir einen Partner, der jetzt mit uns den nächsten Schritt entsprechend seiner industriellen Herausforderungen geht.
Dr. Behrens: Wir haben etwas geschaffen, das völlig neue Möglichkeiten bietet. Mit dieser Art der Anlagentechnologie kann man Vorserien und Vortests durchführen – und dies in einem Maßstab, der vor allem mit Blick auf die hoch- und höchstfesten Stahlsorten von großem Interesse ist. Das ist der Asset, den wir anbieten. Wir sind bereit für die nächste Stufe der Entwicklung mit den richtigen Partnern und freuen uns auf jeden, der mit uns gemeinsam die Zukunft der Stahlbeschichtung gestalten möchte.
