Volframi

Ominaisuudet

Ominaisuuksiltaan volframi on kova ja tiheä. Kovuutensa takia sitä käytetään paljon metalliseoksissa. Puhtaana alkuaineena se on sitkeä, mutta alhaisissa lämpötiloissa se on kuitenkin hauras. Väriltään volframi on hopeanvalkoinen, mutta tummuu ilmassa, koska se muodostaa suojaavan oksidikerroksen. Jauheena se on harmaata. Volframilla on kaikista metalleista korkein sulamispiste ja suurin vetolujuus. Tämän lisäksi sillä on myös korkea lämmönjohtokyky ja korroosion kestokyky.
Yhdisteissä se on kaikkein yleisimmin hapetusluvulla VI. Volframi on yksi viidestä tärkeimmästä tulenkestävästä metallista (muut ovat niobium, molybdeeni, tantaali ja renium). Näitä metalleja yhdistävät suuri kulumisen ja lämmön kestokyky.
Sen lisäksi, että volframi on haurasta alhaisissa lämpötiloissa, käyttöä rajoittavat uudelleenkiteytymisestä johtuva hauraus ja säteilyn aiheuttamat vauriot. Seostamalla voidaan kuitenkin parantaa volframin ominaisuuksia. Esimerkiksi tantaalia, titaania, vanadiumia ja molybdeenia käytetään parantamaan volframin mekaanisia ominaisuuksia.

Historia

Vuonna 1781 Carl Wilhelm Scheele keksi, että uutta volframihappoa voisi tehdä scheliitistä. Scheele ja Torbern Bergman ehdottivat, että happoa pelkistämällä voisi löytyä uusi metalli. 1783 veljekset Juan José ja Fausto Elhuyar analysoivat tinakaivoksesta otettua wolframiittinäytettä ja huomasivat sen olevan uuden hapon rauta- ja mangaanisuola. Veljekset huomasivat wolframiitista tehdyn hapon olevan samanlaista volframihapon kanssa. Myöhemmin samana vuonna veljekset onnistuivat valmistamaan puhdasta volframia pelkistämällä tätä happoa kivihiilellä.
1847 Robert Oxlandille myönnettiin patentti, johon sisältyi natriumvolframaatin valmistaminen, volframihapon muodostuminen ja metalliseen muotoon pelkistäminen öljyllä, tervalla tai hiilellä. Tämä merkitsi suurta askelta modernissa volframikemiassa ja avasi ovia teollistumiseen.
Toisen maailmansodan aikaan volframia tuottavat valtiot joutuivat molempien sodan osapuolien painostuksen alaiseksi, sillä volframikarbidi oli kovuutensa ansiosta laajalti käytössä leikkuutyökaluissa. Volframilla vahvistettu teräs oli myös tärkeä hyödyke.

Esiintyminen

Volframia esiintyy volframiitissa (Fe,Mn)WO₄, joka on ferberiitin FeWO₄ ja hübneriitin MnWO₄ kiinteä seos, sekä scheliitissä CaWO₄. Luonnossa volframi ei esiinny puhtaana alkuaineena vaan se on aina yhdisteenä. Malmeista volframi saadaan pelkistämällä niissä esiintyvä volframioksidi vedyn ja hiilen avulla. Volframilla on 33 isotooppia. Isotooppien massaluvut ovat väliltä 158–190.
Luonnossa esiintyvä volframi on sekoitus viidestä näistä isotoopeista seuraavien suhteiden mukaan: ¹⁸⁰W (0,1 %), ¹⁸²W (26,5 %), ¹⁸³W (14,3 %), ¹⁸⁴W (30,6 %) ja ¹⁸⁶W (28,4 %).

Valmistus

Volframia tuotetaan maailmalla yhteensä vuosittain noin 60 000–80 000 tonnia, esimerkiksi vuonna 2012 maailman volframin tuotanto oli 76 400 tonnia. Ylivoimaisesti suurin volframia tuottava valtio on Kiina, joka tuottaa vuosittain yli 80 prosenttia tuotetusta volframista. Lisäksi volframia tuottavat esimerkiksi Venäjä, Kanada, Bolivia, Vietnam ja Portugali. Myös Kongossa tuotetaan volframia, minkä vuoksi volframimineraaleja pidetään konfliktimineraalina. Myös Yhdysvallat tuottavat volframia, mutta tuotannon määrää ei tiedetä.
Volframia tuotetaan louhituista malmeista ja prosessi vaatii monta vaihetta, jotka on eritelty kuvassa 2. 
Aluksi louhittu malmi murskataan ja jauhetaan. Saadusta jauheesta erotetaan fotometrisesti tai UV-fluoresenssin ja paineilman avulla ensin enimmät kuona-aineet pois. Sen jälkeen on lisärikastusvaihe, jonka seurauksena seoksen volframipitoisuus on 65–75 %. Lopuksi käytetään hydrometallurgiaa ja pyrometallurgiaa, joiden seurauksena saadaan joko puhdasta volframia tai sen seoksia, esimerkiksi volframitrioksidia tai -karbidia. Metallurgioissa käytetään hyväksi erilaisia hiilen ja vedyn pelkistysreaktioita. Volframia voidaan valmistaa myös pelkistämällä volframitrioksidia.
Lisäksi volframia kierrätetään paljon, sillä se on hyvin arvokasta ja sen tuottaminen on pitkä prosessi. Kierrätyksessä käytetään apuna sinkkiä.

Käyttökohteet

Suurin käyttökohde volframille ovat kovametallit, joissa volframikarbideja käytetään materiaalin lujittamiseen. Volframia käytetään myös seosaineena teräksissä sekä sitä hyödynnetään erilaisissa elektroniikan ja kemian sovelluksissa. 

Kovametallit  

Volframikarbidi (WC) on yksi kovimmista karbideista ja se onkin käytetyin materiaali kovametallien valmistuksessa. Kovametalleissa volframikarbidi on partikkeleina matriisissa, joka koostuu tyypillisimmin koboltti- tai nikkeliseoksesta. Karbidipartikkelit tuovat materiaalille suuren lujuuden ja kovuuden, metallinen matriisi sitkeyden. Kovametalleita käytetään erityisesti työstökoneiden terissä niiden hyvien mekaanisten ominaisuuksien takia. Volframikarbideja voidaan käyttää myös kovien, kulutuksenkestävien pinnoitteiden valmistuksessa. WC-pinnoitteet ovat termisesti hyvin stabiileja ja suojaavat materiaalia hapettumiselta.      

Terässeokset

Volframia käytetään seosaineena työkaluteräksissä, sillä se tekee materiaalista kovempaa ja sallii suuremmat kierrosnopeudet. Volframia käytetään kuuma- ja kylmätyöstöteräksissä sekä pikateräksissä ja seosmäärät vaihtelevat 0,5 %:sta  jopa 20 %:iin. Volframi kestää myös erittäin hyvin virumista ja se on termisesti stabiili, joten sitä käytetään seosaineena teräksissä, joiden tulee kestää korkeita lämpötiloja. Volframia käytetään seosaineena myös joissakin ruostumattomissa teräksissä.

Elektroniikka- ja sähköteollisuus

Volframin hyvien sähköisten ominaisuuksien ansiosta sitä käytetään laajasti erilaisissa sovelluksissa. Volframia on käytetty pitkään hehkulamppujen hehkulankoina, koska sillä on korkea sulamispiste sekä matala höyrystymispaine, korkea lujuus ja hyvä virumisenkesto korkeissakin lämpötiloissa. Nykyisin hehkulamput on pitkälti korvattu energiansäästölampuilla, joissa voidaan käyttää volframia elektrodeina.  
Volframia käytetään elektronilähteinä mm. elektronimikroskoopeissa. Alhainen höyrystymispaine korkeissakin lämpötiloissa tarjoaa lisäksi edellytykset moniin sovelluksiin. Teollisuudessa volframia käytetään muun muassa uuneissa kuumennuskäämeinä ja varauksenkuljettajina.
Aurinkokennoissa voidaan käyttää volframidiselenidi-ohutkalvopinnoitteita (WSe₂). Volframia käytetään myös ns. älyikkunoissa. Ikkunassa on ohut volframikerros, joka aktivoituu, kun sähkövirta kytketään päälle. Ilman virtaa ikkuna näyttää kirkkaalta, mutta kun virta on päällä volframikerros tummentaa ikkunan. Älyikkunoilla voidaan saavuttaa huomattavia energiasäästöjä erityisesti lämpimissä maissa, joissa niitä voidaan käyttää ilmastointilaitteiden sijasta.

Kemianteollisuus

Tyypillisin kemian alan käyttökohde volframille ovat katalyytit. Öljyteollisuudessa volframikatalyyttejä hyödynnetään useissa eri tuotantovaiheissa. Lisäksi volframia käytetään väri- ja voiteluaineissa.