Volframi on hopeanvalkeametallinenalkuaine, jonkakemiallinen merkki onW (lat.wolframium). Volframilla on viisi pysyvääisotooppia. Volframi ei ole kovin myrkyllistä; tosin metallipöly ärsyttää ihoa ja silmiä.
Volframin englanninkielinen nimi ontungsten, joka tuleeruotsin kielen sanoistatung (raskas) jasten (kivi). Volframi on varsin kovaa ja tiheää sekä kestää hyvin kulutusta ja lämpöä, minkä myötä sitä käytetään näitä ominaisuuksia vaativissa kohteissa, kutenkovametalliseoksissa. Suuren tiheytensä myötä se on myös yleinen materiaali panssarintorjunta-ammuksissa.
Ominaisuuksiltaan volframi on kova ja tiheä. Kovuutensa takia sitä käytetään paljon metalliseoksissa. Puhtaana alkuaineena se on sitkeä, mutta alhaisissa lämpötiloissa se on kuitenkin hauras.[3] Väriltään volframi on hopeanvalkoinen, mutta tummuu ilmassa, koska se muodostaa suojaavan oksidikerroksen. Jauheena se on harmaata. Volframilla on kaikista metalleista korkein sulamispiste, korkein kiehumispiste[2] ja suurinvetolujuus. Tämän lisäksi sillä on myös korkealämmönjohtokyky jakorroosion kestokyky.[3]
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,vanadiinia ja molybdeenia käytetään parantamaan volframin mekaanisia ominaisuuksia.[4]
Vuonna 1781Carl Wilhelm Scheele keksi, että uuttavolframihappoa voisi tehdäscheeliitistä. Scheele jaTorbern Bergman ehdottivat, että happoa pelkistämällä voisi löytyä uusi metalli. Vuonna 1783 veljekset Juan José ja Fausto Elhuyar analysoivat tinakaivoksesta otettuawolframiittinäytettä 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 happoakivihiilellä.[5]
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.[6]
Toisen maailmansodan aikaan volframia tuottavat valtiot joutuivat molempien sodan osapuolien painostuksen alaiseksi, sillävolframikarbidi oli kovuutensa ansiosta laajalti käytössä leikkuutyökaluissa. Volframilla vahvistettu teräs oli myös tärkeä hyödyke.[7]
Volframia esiintyy wolframiitissa (Fe,Mn)WO4, joka on ferberiitin FeWO4 ja hübneriitin MnWO4 kiinteä seos, sekä scheeliitissä CaWO4.[8] 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 %) ja186W (28,4 %).[3]
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 onKiina, joka tuottaa vuosittain yli 80 prosenttia tuotetusta volframista. Lisäksi volframia tuottavat esimerkiksiVenäjä,Kanada,Bolivia,Vietnam jaPortugali. MyösKongossa tuotetaan volframia, minkä vuoksi volframimineraaleja pidetään konfliktimineraalina. MyösYhdysvalloissa tuotetaan volframia, mutta tuotannon määrää ei tiedetä.[9][10]
Volframia tuotetaan louhituista malmeista ja prosessi vaatii monta vaihetta, jotka on eritelty kuvassa 2.
Kuva 2. Yksinkertaistettu malli volframin tuotantoprosessista. (Muokattu lähteestä 10)
Aluksi louhittu malmi murskataan ja jauhetaan. Saadusta jauheesta erotetaanfotometrisesti tai UV-fluoresenssin ja paineilman avulla ensin enimmät kuona-aineet pois. Sen jälkeen on lisärikastusvaihe, jonka seurauksena seoksen volframipitoisuus on 65–75 %. Lopuksi käytetäänhydrometallurgiaa japyrometallurgiaa, 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.[11]
Lisäksi volframia kierrätetään paljon, sillä se on hyvin arvokasta ja sen tuottaminen on pitkä prosessi. Kierrätyksessä käytetään apuna sinkkiä.[11]
Suurin käyttökohde volframille ovatkovametallit, joissa volframikarbideja käytetään materiaalin lujittamiseen. Volframia käytetään myös seosaineena teräksissä sekä sitä hyödynnetään erilaisissa elektroniikan ja kemian sovelluksissa.
Volframikarbidi (WC) on yksi kovimmista karbideista ja se onkin käytetyin materiaalikovametallien 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.[12] Volframia ja volframikarbidia käytetään myössormuksien valmistuksessa, erityisesti kestävyyssyistä.[13]
Volframia käytetään seosaineena työkaluteräksissä, sillä se tekee materiaalista kovempaa ja sallii suuremmatkierrosnopeudet. Volframia käytetään kuuma- ja kylmätyöstöteräksissä sekäpikateräksissä ja seosmäärät vaihtelevat 0,5 prosentista jopa 20 prosenttiin. Volframi kestää myös erittäin hyvinvirumista ja se on termisesti stabiili, joten sitä käytetään seosaineena teräksissä, joiden tulee kestää korkeita lämpötiloja. Volframia käytetään seosaineena myös joissakinruostumattomissa teräksissä.[12]
Volframin hyvien sähköisten ominaisuuksien ansiosta sitä käytetään laajasti erilaisissa sovelluksissa. Volframia on käytetty pitkäänhehkulamppujenhehkulankoina, koska sillä on korkea sulamispiste sekä matala höyrystymispaine, korkea lujuus ja hyvä virumisenkesto korkeissakin lämpötiloissa. Nykyisin hehkulamput on pitkälti korvattu energiansäästölampuilla, joissa voidaan käyttää volframiaelektrodeina.
Volframia käytetään elektronilähteinä mm.elektronimikroskoopeissa. Alhainen höyrystymispaine korkeissakin lämpötiloissa tarjoaa lisäksi edellytykset moniin sovelluksiin. Teollisuudessa volframia käytetään muun muassa uuneissa kuumennuskäämeinä ja varauksenkuljettajina.[12]
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 huomattaviaenergiansäästöjä erityisesti lämpimissä maissa, joissa niitä voidaan käyttää ilmastointilaitteiden sijasta.[14]
Tyypillisin kemian alan käyttökohde volframille ovatkatalyytit. Öljyteollisuudessa volframikatalyyttejä hyödynnetään useissa eri tuotantovaiheissa. Lisäksi volframia käytetäänväri- javoiteluaineissa.[14]
↑Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC.Artikkelin verkkoversio. Viitattu 16.4.2011. (englanniksi)
↑abZhang, Yiming: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. Journal of Chemical & Engineering Data, 11.1.2011, 56. vsk. Artikkelin verkkoversio.
↑Wen-Li Yan, Hong-Bo Zhou, Shuo Jin, Ying Zhang, Guang-Hong Lu: Dissolution energetics and its strain dependence of transition metal alloying elements in tungsten. Journal of Nuclear Materials, 1.1.2015, nro 456, s. 260–265. doi:10.1016/j.jnucmat.2014.09.045Artikkelin verkkoversio.
↑Stevens, Donald G.: World War II Economic Warfare: The United States, Britain, and Portuguese Wolfram. The Historian, 22.3.1999, nro 3. ISSN 0018-2370Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
