Периодическая система элементов Менделеева - Вольфрам

Названия многих элементов говорят сами за себя: водород—«рождающий воду»; углерод—«рождающий уголь»; менделевий, эйнштейний, фермий, кюрий, курчатовий названы в честь выдающихся ученых; европий, америций, франции, германий, калифорний — производные от географических понятий. Но есть элементы, названия которых, как говорится, нуждаются в комментариях. К таким элементам относится вольфрам.

Даже перевод слова «вольфрам»—волчья пена—вряд ли объяснит происхождение этого названия. В самом деле, что может быть общего у элемента VI группы Периодической системы Д. И. Менделеева с лесным хищником?

...Еще в давние времена металлурги не раз сталкивались со странным явлением: время от времени по совершенно непонятным причинам выплавка олова из руды резко падала. Поскольку технико-экономические показатели плавки не могли не волновать и наших предков, они стали внимательно присматриваться к оловянной руде, идущей в плавку. Вскоре им удалось подметить такую закономерность: неприятности возникали тогда, когда в руде встречались тяжелые камни бурого или желтовато-серого цвета. Вывод напрашивался сам собой: камень «пожирает олово, как волк овцу». А коли так, то пусть и называется этот злой камень «вольфрамом». В некоторых же странах минерал получил другое название «тунгстен», что означает «тяжелый камень».

Вольфрам был открыт знаменитым шведским химиком Карлом Шееле. Аптекарь по профессии, Шееле в своей маленькой лаборатории провел много замечательных исследований. Он открыл кислород, хлор, барий, марганец. Незадолго до смерти, в 1781 году, Шееле—к этому времени уже член Стокгольмской Академии наук — обнаружил, что минерал тунгстен (впоследствии названный шеелитом) представляет собой соль неизвестной тогда кислоты. Спустя два года испанские химики братья д'Элуяр, работавшие под руководством Шееле, сумели выделить из этого минерала новый элемент — вольфрам, которому суждено было произвести переворот в промышленности. Однако это произошло через целое столетие.

В 1864 году англичанин Роберт Мюшет впервые ввел вольфрам (примерно 5%) как легирующую добавку в сталь. Сталь, вошедшая в историю металлургии под названием «само-кал Мюшета», могла выдерживать красное каление, не только сохраняя, но и увеличивая свою твердость, т. е. обладала свойством «самозакалки». Резцы, изготовленные из этой стали, позволили в полтора раза повысить скорость резания металла (7,5 метров в минуту вместо 5).

Спустя примерно 40 лет появилась быстрорежущая сталь, содержащая уже до 8% вольфрама. Теперь скорость резания металла достигла 18 метров в минуту. Прошло еще несколько лет, и скорость обработки металла возросла до 35 метров в минуту. Так примерно за полвека вольфрам сумел повысить производительность металлорежущих станков в 7 раз!

Ну, а как еще выше поднять скорость резания? Стали это уже было не под силу, и даже вольфрам не мог ей ничем помочь. Неужели достигнут предел? Неужели быстрее резать металл невозможно?

Ответ дал все тот же вольфрам. Нет, он не исчерпал еще своих возможностей и не намерен пасовать перед температурой в битве за скорость обработки металла. В 1907 году был создан сплав, состоящий из вольфрама, хрома и кобальта—стеллит, ставший родоначальником широко известных ныне твердых сплавов, которые позволили еще более повысить скорость резания. В наши дни она достигает уже 2000 метров в минуту.

От 5 до 2000! Такой громадный путь пройден техникой металлообработки. И вехами на этом пути были все новые и новые соединения вольфрама.

Современные сверхтвердые сплавы представляют собой полученную спеканием смесь карбидов вольфрама и некоторых других элементов (титана, ниобия, тантала). При этом зерна карбидов как бы цементируются кобальтом. Такие материалы, называемые металлокерамическими, не теряют твердости даже при 1000°С, допуская тем самым колоссальные скорости обработки металла. Твердость одного из сплавов на основе карбида вольфрама—«рэлита» настолько велика, что, если по образцу из этого сплава провести напильником, то на нем (на напильнике!) остается борозда.

Металлообработка была основным, но не единственным направлением, по которому вольфрам вторгался в технику. Еще в середине прошлого века было замечено, что ткани, пропитанные натриевой солью вольфрамовой кислоты, приобретали огнеупорность. Широкое распространение получили тогда же и краски, содержащие вольфрам, — желтые, синие, белые, фиолетовые, зеленые, голубые. Эти краски использовали в живописи, в производстве керамики и фарфора. Кстати, до сих пор сохранились изготовленные в Китае еще в XVII веке изумительные фарфоровые изделия, окрашенные в необычайно красивый цвет—«цвет персика». Химический анализ, проведенный уже в наши дни, показал, что своей нежной окраской фарфор обязан вольфраму.

В 1860 году нагревом чугуна с вольфрамовой кислотой был получен сплав железа с вольфрамом. Твердость этого сплава заинтересовала многих химиков и металлургов. Вскоре удалось разработать промышленный способ производства ферровольфрама—это послужило мощным толчком к использованию вольфрама в металлургии.

В 1882 году были сделаны первые попытки ввести вольфрам в ружейную и орудийную сталь. В 1896 году в Петербурге на Путиловском заводе профессор В. Н. Липин выплавил вольфрамовую сталь. Даже небольшое количество вольфрама, добавленное к стали, значительно повышало сопротивляемость ружейных и орудийных стволов разъеданию пороховыми газами. Раньше других это сумели оценить немецкие инженеры. В годы первой мировой войны легкие германские пушки выдерживали до 15 тысяч выстрелов, в то время как русские и французские орудия выходили из строя уже после 6—8 тысяч выстрелов.

Естественно, что в эти годы добыча вольфрамовой руды резко возросла. Если в 90-х годах прошлого века в мире ежегодно добывалось лишь 200—300 тонн вольфрамовой руды, то уже в 1910 году добыча ее составила 8 тысяч тонн, а в 1918 году достигла 35 тысяч тонн.

И все же вольфрама не хватало. Особенно остро это чувствовала Германия, почти не располагавшая собственными источниками этого металла. Правда, готовясь к войне, дальновидные немцы запаслись впрок вольфрамовой рудой, но вскоре эти запасы иссякли, а военная промышленность продолжала настойчиво требовать вольфрамовую сталь.

Нужда заставила немецких металлургов поломать голову. Но, ведь недаром говорят: «голь на выдумки хитра». Выход из трудного положения был найден: вспомнили, что «волчья пена», съедая олово, увлекала его с собой в шлаки, а на территории Германии, где начиная с XII века выплавлялся этот металл, скопились целые горы оловянных шлаков. Вскоре металлурги уже начали получать из них вольфрам. Разумеется, полностью утолить вольфрамовый голод шлаки не могли, но «заморить червячка» с их помощью удалось.

В царской России даже в период общего подъема вольфрамовой промышленности добыча этого ценнейшего металла была ничтожной:

в 1915 году с Забайкальского месторождения на Ижорский завод поступило всего 1,4 тонны вольфрамовой руды, а в 1916 году Мотовилихинскому заводу было отгружено 8,7 тонны. Производство ферровольфрама на одном из петроградских заводов составило в эти годы лишь 60 пудов.

На Забайкальское месторождение, как на лакомый кусочек, поглядывали многие иностранные фирмы, главным образом шведские и японские. Летом 1916 года геологи одной японской фирмы провели в тех краях поисковую разведку в районе горы Антана. Должно быть, результаты их поисков были многообещающими, так как руководители фирмы предприняли не одну попытку «прибрать к рукам» это месторождение, однако в аренде его им было отказано.

Наиболее известное тогда Букукинское месторождение, а также Олдан-ду в те годы арендовали на паях промышленник Толмачев и горный инженер Зикс. Эти дельцы сочли выгодным для себя передать аренду шведской фирме Мортимера и Богаю, представители которой, обследовав месторождение, весьма им заинтересовались. Толмачев уже намеревался отхватить 30 тысяч рублей в качестве аванса по договору с фирмой, но этой сумме не суждено было перекочевать в его карман: заподозрив, что Толмачев умышленно занизил предполагаемые запасы вольфрама, геологический комитет предложил ввиду трудностей военного времени реквизировать толмачевские рудники и передать их в ведение кабинета царского двора. Высочайшее согласие на эту акцию вскоре было получено.

В своих воспоминаниях о том периоде академик А. Е. Ферсман писал: «До Октябрьской революции работа комиссии естественных производительных сил Академии наук не могла развернуться. В тяжелых условиях, в которых находилась тогда русская наука, инициатива ученых наталкивалась на бесчисленные препятствия. Даже на разработку такой исключительно важной проблемы, как освоение месторождений вольфрама, в течение двух лет Академия наук не могла получить самых ничтожных кредитов».

К сожалению, перед учеными стояли не только финансовые, но и другие, пожалуй, еще более сложные проблемы. Показателен в этом смысле эпизод, о котором вспоминает в одной из своих книг крупнейший ученый-кораблестроитель академик А. Н. Крылов. В январе 1917 года, т. е. в последние недели царствования Николая II, комиссия естественных производительных сил Академии наук обсуждала вопрос о месторождениях вольфрама, в котором Россия ощущала большую нужду. Докладчик— влиятельный царский сановник—сообщил, что залежи руд этого металла имеются на территории Туркестана и для снаряжения туда экспедиции требуется 500 рублей. После его доклада наступило молчание. Почти все присутствующие на заседании знали о том, что вольфрамом богаты и недра Алтая, но заговорить об этом никто не решался: ведь весь Алтайский край — один из богатейших районов русской земли — принадлежал близким родственникам царя великим князьям Владимировичам, а о том, чтобы в их владениях проводить геологоразведочные работы, грешно было даже подумать.

Томительную паузу нарушил А. Н. Крылов: «Насчет туркестанских рудников .дело обстоит весьма просто—вот пятьсот рублей,—и, вынув бумажку с портретом Петра I, он передал ее председательствовавшему на заседании А. Е. Ферсману. Сложнее дело с Алтаем. Докладчик не сказал, что рудники находятся на землях великих князей Владимировичей. Вольфрам — это быстрорежущая сталь, т. е. более чем удвоение выделки шрапнелей. Если где уместна реквизиция или экспроприация, то именно здесь: не будет шрапнелей—это значит проигрыш войны, а тогда не только Владимировичи, но и вся династия к чертовой матери полетит».

Как в воду глядел смелый ученый: спустя месяц династия Романовых в полном составе уже «летела» по указанному им адресу.

Еще одним препятствием, тормозившим развитие вольфрамовой промышленности в нашей стране, была «помощь» зарубежных специалистов. В 1931 году в музее Московского университета, разбирая старые минералогические коллекции, ученые обнаружили образцы шеелита из неизвестного до того времени месторождения Могол-Тау в Таджикистане. Оказалось, что эти образцы были найдены еще в 1912 году и присланы в Москву для исследования. Однако привлеченные в качестве консультантов крупные немецкие геологи забраковали месторождение как нерентабельное, и царское правительство поставило на нем крест. Комиссия, направленная в Таджикистан спустя уже несколько месяцев после находки в Московском университете, установила, что Могол-Тау — одно из богатейших месторождений вольфрама.

Примерно в эти же годы крупный советский геолог академик С. С. Смирнов вместе со своими учениками развернул на территории нашей страны широкие поиски вольфрамовых месторождений. Не одну тысячу километров в холод и зной пришлось преодолеть геологам. Пешком, на собаках, на оленях исколесили они вдоль и поперек многие районы страны. И там, где проходили мужественные разведчики недр— в Забайкалье, Якутии, на Охотском побережье, возникали новые рудники, строились новые заводы—создавалась советская вольфрамовая промышленность.

В наше время примерно 80% всего добываемого в мире вольфрама потребляет металлургия качественных сталей, около 15% идет на производство твердых сплавов, остальные 5% промышленность использует в виде чистого вольфрама — металла, обладающего удивительными свойствами.

Чтобы расплавить вольфрам, его нужно нагреть до такой температуры, при которой большинство металлов уже испаряется—почти до 3400°С. Сам же вольфрам мог бы оставаться в жидком состоянии даже вблизи самого Солнца: температура кипения его свыше 5500°С. Тугоплавкость этого элемента и обеспечила ему применение в одной из важнейших отраслей промышленности — электротехнике.

С тех пор как в 1906 году вольфрамовая нить вытеснила применявшиеся ранее для изготовления электрических ламп угольные, осмиевые и танталовые нити, каждый вечер в наших домах вспыхивают крохотные вольфрамовые молнии. Ежегодно в мире производят несколько миллиардов электроламп. Миллиарды огней!.. А много ли это? Судите сами:

с начала нашего летоисчисления человечество прожило лишь немногим более миллиарда минут (29 апреля 1902 года в 10 часов 40 минут время начало отсчитывать второй миллиард минут новой эры).

Ученые и инженеры постоянно совершенствуют электрическую лампу, стремясь к тому, чтобы ее «жизнь» продолжалась как можно дольше. Подобно тому как тает горящая восковая свеча, при включении лампы вольфрам начинает испаряться с поверхности нити накаливания. Чтобы уменьшить испарение и тем самым продлить срок службы лампы, в нее под давлением обычно вводят различные инертные газы. А недавно предложено использовать для этой цели пары иода, который, как выяснилось, играет любопытную роль: он «ловит» испарившиеся молекулы вольфрама, вступает с ним в химическую связь, а затем оседает на нити, возвращая ей тем самым «беглецов»,—лампа становится намного долговечнее.

Ассортимент электрических ламп, выпускаемых промышленностью, весьма разнообразен: от миниатюрных «бусинок», используемых в медицине, до мощных прожекторных «солнц».

На Всемирной выставке в Монреале в павильоне СССР демонстрировалась установка радиационного нагрева «Уран-1», одним из главных элементов которой служит лампа оригинальной конструкции, снабженная водяным и воздушным охлаждением. В сравнительно небольшой колбе из жаростойкого кварца, наполненной инертным газом ксеноном, находятся два вольфрамовых электрода. При включении лампы между электродами вспыхивает газовая плазма, раскаленная до 8000°С. Специальный зеркальный отражатель, по сравнению с которым обычные зеркала кажутся тусклыми жестянками, направляет инфракрасные лучи искусственного «солнца» (лампа воссоздает солнечный спектр) в оптическую систему установки, где они фокусируются в единый поток диаметром чуть больше сантиметра. Температура в фокусе пучка лучей достигает 3000°С. В этом горячем режиме «Уран-1» может непрерывно работать сотни часов.

Широкое применение в технике находят так называемые катодные лучи, которые представляют собой поток электронов, вырывающихся с поверхности металлического катода в вакуум («электронная эмиссия»). Как показала практика, одним из лучших материалов для катодов оказался вольфрам.

Вольфрам не только самый тугоплавкий металл. В чистом виде он обладает и колоссальной прочностью: его сопротивление разрыву достигает 40 тонн на квадратный сантиметр, значительно превышая прочность лучшей стали. И такие характеристики металл «ухитряется» сохранять даже при 800°С!

Высокая прочность металлического вольфрама сочетается с хорошей пластичностью: из него можно вытянуть тончайшую проволоку, 100 километров которой весят всего 250 граммов!

Вольфрамовая проволока, широко применяющаяся в электролампах, обрела недавно еще одну «профессию»: ее предложено использовать в качестве режущего инструмента для обработки хрупких материалов. Ультразвуковой генератор при помощи преобразователя придает вольфрамовой нити колебательные движения, и она медленно, но верно врезается в обрабатываемый материал. Новый «резак» легко справляется с такими материалами, как кварц, рубин, ситалл, стекло, керамика, разрезая их с ювелирной точностью на части или оставляя в них пазы и щели любой формы, любых размеров.

Но как ни велика прочность вольфрамовой проволоки, она не идет ни в какое сравнение с прочностью «усов» из этого металла—тончайших кристалликов, которые в сотни раз тоньше человеческого волоса. Советские физики сумели получить вольфрамовые «усы» диаметром всего две миллионные доли сантиметра. Их прочность 230 тонн на квадратный сантиметр — это почти равно абсолютному потолку прочности, т. е. теоретическому пределу, предсказанному наукой для земных веществ. Но такой чудо-металл существует пока только в стенах лабораторий.

Используемый же в технике чистый вольфрам получают восстановлением его трёхокиси WO₃ водородом. Образующиеся при этом мельчайшие вольфрамовые пылинки прессуют и спекают, нагревая электрическим током до 3000°С. Из этого вольфрама вытягивают нити накаливания электроламп, штампуют детали радиоламп и рентгеновских трубок, изготовляют контакты для рубильников, электродов, выключателей.

Учеными разработан плазменно-дуговой метод выращивания крупных монокристаллов вольфрама, молибдена и других тугоплавких металлов. В Институте металлургии Академии наук СССР этим методом был получен монокристалл вольфрама весом 10 килограммов. Благодаря высокой чистоте такой металл отличается необычными механическими свойствами: при очень низких температурах он сохраняет пластичность, а при значительном нагреве почти не теряет своей прочности. Монокристаллы находят применение во многих электровакуумных приборах.

Интересный эксперимент, в котором деятельное участие принимал вольфрам, был проведен во время совместного полета советских и американских космонавтов по программе «Союз»-«Апполон». Дело в том, что в земных условиях трудно, а зачастую и невозможно получить сплав металлов, значительно различающихся по плотности: в процессе плавки и кристаллизации частицы более тяжелого компонента будут стремиться в нижние слои слитка, а в верхних «поселятся» частицы более легкого металла. Естественно, что пользоваться сплавом с таким «разношерстным» составом практически нельзя. Иное дело — космическая плавка. Здесь, в условиях невесомости, все равны — и легкие, и тяжелые, поэтому сплав обещает быть равномерным и по составу, и по структуре. Вот и решено было в так называемой «универсальной печи» выплавить сплав легковесного и легкоплавкого алюминия с солидным тяжеловесом — вольфрамом, обладающим к тому же рекордной тугоплавкостью.

Что дал этот эксперимент, пока неизвестно (к моменту подписания книги в печать результаты космической плавки не были еще опубликованы в прессе). «Пройдет немного времени, — говорит один из участников исторического полета Валерий Кубасов. — ив космосе совместными силами мы сможем создать целые заводы. Они займутся совершенно новой металлургией—получением сплавов и материалов, которые невозможно получить в условиях Земли».

Еще в 1929 году в США был сделан любопытный подсчет той экономии, которая получена благодаря внедрению вольфрама в технику. Выяснилось, что появление вольфрамовой нити накаливания в электрических лампочках позволило сэкономить электроэнергии на сумму 400 миллионов рублей. Производство одного автомобиля с помощью инструмента из вольфрамовой стали оказалось на 40 рублей дешевле, чем при использовании для этой цели углеродистой стали. Общие сбережения в машиностроении, «виновником» которых был вольфрам, уже тогда оценивались в 500—600 миллионов рублей в год.

...Много веков металлы верно служат человеку, помогая ему создавать изумительный мир техники. И одно из почетных мест среди них по праву принадлежит вольфраму—металлу, стоящему на огненных рубежах.