Was Ist Graphit?

Naturgraphit ist ein Mineral, das aus graphitischem Kohlenstoff (Cg) besteht; es wird meist aus primären Quellen, d. h. aus dem Bergbau, gewonnen. Naturgraphit sollte nicht mit synthetischem Graphit verwechselt werden, der aus kalziniertem Petrolkoks und Steinkohlenteerpech hergestellt wird, die eine geringere Kristallinität aufweisen.

 

Naturgraphit wird klassifiziert als:

  • kristalliner Adergraphit
  • Mikrokristalliner (amorpher) Graphit
  • Flockengraphit

Graphitarten

Flockengraphit

Flockengraphit kommt in metamorphen Gesteinen vor und hat die Form von Flocken oder flachen Partikeln unterschiedlicher Größe. Sie werden in der Regel als fein (-100 bis +200 mesh), mittel (-80 bis +100 mesh), groß (-48 bis +80 mesh) oder gigantisch (+48 mesh) bezeichnet und können bis zu 90 bis 97 % Kohlenstoff enthalten. Die Kohlenstoffkonzentration in Flockengraphitlagerstätten reicht von etwa 2 % bis 40 % Cg. Nach dem Abbau wird das Flockengraphiterz in der Regel durch Schaumflotation aufbereitet, um Flockengraphit zu gewinnen. Das Ergebnis ist ein Konzentrat mit einem Graphitgehalt von 80 bis 90 %.

Mikrokristalliner Graphit

Mikrokristalliner Graphit, der auch als „amorph“ bezeichnet wird, ist der am wenigsten graphitische unter den natürlichen Graphiten. Amorpher Graphit findet sich in Form winziger Partikel (-200 mesh oder <75 Mikrometer) in metamorphem Anthrazit oder in kohlenstoffhaltigen Kohleflözen. Der Graphitgehalt schwankt je nach geologischem Umfeld zwischen 25 % und 85 %.

Hochkristalliner Graphit

Diese Art von Graphit kann als „Ader-“ oder „Klumpengraphit“ bezeichnet werden. Er kommt in der Regel in Form von Adern oder gefüllten Klüften in magmatischem und kristallinem metamorphen Gestein vor. Die einzigen kommerziellen Lagerstätten befinden sich in Sri Lanka, wo die Adern bis zu 3 m dick sein sollen und in einer Tiefe von 30 bis 650 m abgebaut werden. Das Erz wird von handwerklichen Bergleuten von Hand abgebaut, wobei ein hochwertiges Produkt mit mehr als 90 % graphitischem Kohlenstoff entsteht.

Anwendungsgebiete

Naturgraphit ist ein feuerfestes Material mit einem hohen Schmelzpunkt von 3650 °C und ist ein guter Wärme- und Stromleiter. Graphit wird u. a. in Batterien, Schmiermitteln, feuerfesten Materialien, Beschichtungen und Farben, in der Metallurgie und als Moderatorenstab in Kernkraftwerken verwendet.

Anoden für Elektrofahrzeuge

Graphit ist derzeit ein essenziell wichtiges Element für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Die weltweite Nachfrage nach Naturgraphit und Kugelgraphit in Batteriequalität für Anoden wächst schnell und wird ab 2022 exponenziell ansteigen. Die Batterien werden hauptsächlich für Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeuge benötigt.

Neben der Stahlindustrie ist Graphit auch ein wichtiger Rohstoff für leichtere Materialien wie Kohlenstofffasern und verstärkte Kunststoffe, die in Automobilen und bei der Herstellung von Flugzeugteilen verwendet werden.

Graphitanodenanlagen befinden sich hauptsächlich in China und produzieren etwa 5 bis 10 000 Tonnen pro Jahr. Die weltweite Nachfrage steigt. Die derzeitige Gesamtproduktion von Naturgraphit beträgt 1,1 Millionen Tonnen. Mit der schrittweisen Abschaffung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren könnte die Graphitnachfrage allein für Elektrofahrzeugbatterien auf 5 Millionen Tonnen ansteigen, was die Eröffnung Dutzender neuer Graphitminen in den nächsten 5 bis 10 Jahren ermöglichen würde.

Ab 2020 sollen vier neue Anoden-Megafabriken 60.000-100.000 Tonnen pro Jahr produzieren. Es ist absehbar und wird auch von vielen Experten vorausgesagt, dass es in den nächsten 2 Jahren zu Versorgungsproblemen mit Rohstoffen für diese Batterie-Megafabriken kommen wird. Es gibt 76 Lithium-Ionen-Batterie-Megafabriken. Das sind 35 mehr als vor einem Jahr. 46 weitere befinden sich im Bau. Weitere werden folgen. Die Menge an Graphit, die in diesen Megafabriken benötigt wird, beträgt Millionen von Tonnen. Derzeit beträgt der Anodenraum etwa 165.000 Tonnen pro Jahr, aber wir werden bis 2030 weit über 1,6 Millionen Tonnen pro Jahr benötigen, wenn alle diese Pläne verwirklicht werden. Im Jahr 2020 entfielen 62 % der Naturgraphitproduktion auf China, das nun dabei ist, seine Produktionskapazitäten aufgrund der Erschöpfung der Ressourcen und von Umweltbedenken zu rationieren.

Schmierstoffe, Fette

Graphit wird als trockener Festschmierstoff verwendet und hat sich zu einem der traditionellsten und wichtigsten Trockenschmierstoffe weltweit entwickelt. Er wird z. B. als Schmiermittel für Schmiedewerkzeuge, Stanzteile aus Stahl, Titan, Edelstahl, speziellen Superlegierungen sowie beim Gesenkschmieden und beim Warm- und Fließpressen eingesetzt.

Graphit hat hervorragende Schmier-, Trenn- und Entformungseigenschaften. Er hat ein hohes Deckvermögen und garantiert eine hervorragende Werkzeugbenetzung. Die Verwendung von sehr reinem Graphit und hochraffinierten Ölen führt zu geringem Gravur- und Werkzeugverschleiß und geringen Rückständen.

Refraktärwerkstoffe für Stahl, Schmelztiegel usw.

Die elektrische Leitfähigkeit von Graphit ist etwa einhundertmal höher als die von allgemeinen nichtmetallischen Mineralien. In der Stahlproduktion wird Graphit als Schutzmittel für den Stahlblock und zur Auskleidung des Hüttenofens verwendet.

Graphit wird auch bei der Aluminiumherstellung, als Legierungsbestandteil in Gusseisen und in der Halbleiterindustrie verwendet.

Graphit in Form von Flocken oder expandiertem Graphit bietet die Möglichkeit, Metall-Graphit-Verbundwerkstoffe zu entwickeln. Je nach Gehalt und Ausrichtung des eingearbeiteten Graphits kann dieser als Wärmespreizmaterial für das Wärmemanagement, als passives Dämpfungselement für den Anlagen- und Maschinenbau oder als Lagermaterial für langsam drehende Gleitlager eingesetzt werden. Durch die Kombination von Werkstoffen können Eigenschaften wie Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Dämpfungsfaktor, Wärmeausdehnungskoeffizient und Elastizitätsmodul gezielt auf den jeweiligen Einsatzzweck abgestimmt werden. Die pulvermetallurgische Herstellung erlaubt es, den Karbidgehalt gezielt zu steuern und Graphitanteile von bis zu 90 Volumenprozent porenfrei zu realisieren. Eine mechanische Nachbearbeitung ist daher auch bei sehr hohen Graphitgehalten möglich.

Bremsbelag

Graphit wird bei der Herstellung von Bremsbelägen verwendet. Die Verwendung von Graphitpulver dient vor allem der Feststoffschmierung und Reibungsstabilisierung und kann sowohl als Reibmittel als auch als Bindemittel für Bremsbeläge dienen.

Bleistifte

Graphit hat eine lange Tradition in der Herstellung von Bleistiften. Seit dem 19. Jahrhundert wird die Bleistiftmine aus einer Mischung von Graphit und Ton gebrannt. Während Ton für Härte und Blässe sorgt, verleiht Graphit einem Bleistift die Eigenschaften, die man am besten als Schwärze und Weichheit beschreiben kann.