Вольфрам
Элемент №74 причисляют обычно к редким металлам: его содержание в
земной коре оценивается в 0,0055%; его нет в морской воде, его не
удалось обнаружить в солнечном спектре. Однако по популярности вольфрам
может поспорить со многими отнюдь не редкими металлами, а его минералы
были известны задолго до открытия самого элемента. Так, еще в XVII в. во
многих европейских странах знали «вольфрам» и «тунгстен» – так называли
тогда наиболее распространенные минералы вольфрама – вольфрамит и
шеелит. А элементарный вольфрам был открыт в последней четверти XVIII в.
Очень скоро этот металл получил практическое значение – как
легирующая добавка. А после Всемирной выставки 1900 г. в Париже, на
которой демонстрировались образцы быстрорежущей вольфрамовой стали*,
элемент №74 стали применять металлурги во всех более или менее
промышленно развитых странах. Главная особенность вольфрама как
легирующей добавки заключается в том, что он придает стали
красностойкость – позволяет сохранить твердость и прочность при высокой
температуре. Более того, большинство сталей при охлаждении на воздухе
(после выдержки при температуре, близкой к температуре красного каления)
теряют твердость. А вольфрамовые – нет.
* В нашей стране вольфрамовая сталь была впервые изготовлена на Мотовилихском заводе на Урале в 1865 г.
Инструмент, изготовленный из вольфрамовой стали, выдерживает огромные
скорости самых интенсивных процессов металлообработки. Скорость резания
таким инструментом измеряется десятками метров в секунду.
Современные быстрорежущие стали содержат до 18% вольфрама (или
вольфрама с молибденом), 2...7% хрома и небольшое количество кобальта.
Они сохраняют твердость при 700...800°C, в то время как обычная сталь
начинает размягчаться при нагреве всего до 200°C. Еще большей твердостью
обладают «стеллиты» – сплавы вольфрама с хромом и кобальтом (без
железа) и особенно карбиды вольфрама – его соединения с углеродом. Сплав
«видна» (карбид вольфрама, 5...15% кобальта и небольшая примесь карбида
титана) в 1,3 раза тверже обычной вольфрамовой стали и сохраняет
твердость до 1000...1100°C. Резцами из этого сплава можно снимать за
минуту до 1500...2000 м железной стружки. Ими можно быстро и точно
обрабатывать «капризные» материалы: бронзу и фарфор, стекло и эбонит;
при этом сам инструмент изнашивается совсем незначительно.
Главные свойства
Вольфрам отличается от всех остальных металлов особой тяжестью,
твердостью и тугоплавкостью. Давно известно выражение: «Тяжелый, как
свинец». Правильнее было бы говорить: «Тяжелый, как вольфрам». Плотность
вольфрама почти вдвое больше, чем свинца, точнее – в 1,7 раза. При этом
атомная масса его несколько ниже: 184 против 207.
По тугоплавкости и твердости вольфрам и его сплавы занимают высшие
места среди металлов. Технически чистый вольфрам плавится при 3410°C, а
кипит лишь при 6690°C. Такая температура – на поверхности Солнца!
А выглядит «король тугоплавкости» довольно заурядно. Цвет вольфрама в
значительной мере зависит от способа получения. Сплавленный вольфрам –
блестящий серый металл, больше всего напоминающий платину. Вольфрамовый
порошок – серый, темно-серый и даже черный (чем мельче зернение, тем
темнее).
Сплавы
Почти со всеми металлами вольфрам образует сплавы, однако получить их
не так-то просто. Дело в том, что общепринятые методы сплавления в
данном случае, как правило, неприменимы. При температуре плавления
вольфрама большинство других металлов уже превращается в газы или весьма
летучие жидкости. Поэтому сплавы, содержащие вольфрам, обычно получают
методами порошковой металлургии.
Во избежание окисления все операции проводят в вакууме или в атмосфере аргона.
Делается это так. Сначала смесь металлических порошков прессуют,
затем спекают и подвергают дуговой плавке в электрических печах. Иногда
прессуют и спекают один вольфрамовый порошок, а полученную таким путем
пористую заготовку пропитывают жидким расплавом другого металла:
получаются так называемые псевдосплавы. Этим методом пользуются, когда
нужно получить сплав вольфрама с медью и серебром.
С хромом и молибденом, ниобием и танталом вольфрам дает обычные
(гомогенные) сплавы при любых соотношениях. Уже небольшие добавки
вольфрама повышают твердость этих металлов и их устойчивость к
окислению.
Сплавы с железом, никелем и кобальтом более сложны. Здесь, в
зависимости от соотношения компонентов, образуются либо твердые
растворы, либо интерметаллические соединения (химические соединения
металлов), а в присутствии углерода (который всегда имеется в стали) –
смешанные карбиды вольфрама и железа, придающие металлу еще большую
твердость.
Очень сложные соединения образуются при сплавлении вольфрама с
алюминием, бериллием и титаном: в них на один атом вольфрама приходится
от 2 до 12 атомов легкого металла. Эти сплавы отличаются жаропрочностью и
устойчивостью к окислению при высокой температуре.
На практике чаще всего применяются сплавы вольфрама не с одним
каким-либо металлом, а с несколькими. Таковы, в частности,
кислотостойкие сплавы вольфрама с хромом и кобальтом или никелем
(амалой); из них делают хирургические инструменты. Лучшие марки
магнитной стали содержат вольфрам, железо и кобальт. А в специальных
жаропрочных сплавах, кроме вольфрама, имеются хром, никель и алюминий.
Из всех сплавов вольфрама наибольшее значение приобрели
вольфрамсодержащие стали. Они устойчивы к истиранию, не дают трещин,
сохраняют твердость вплоть до температуры красного каления. Инструмент
из них не только позволяет резко интенсифицировать процессы
металлообработки (скорость обработки металлических изделий повышается в
10...15 раз), но и служит намного дольше, чем тот же инструмент из
другой стали.
Вольфрамовые сплавы не только жаропрочны, но и жаростойки. Они не
корродируют при высокой температуре под действием воздуха, влаги и
различных химических реагентов. В частности, 10% вольфрама, введенного в
никель, достаточно, чтобы повысить коррозионную устойчивость последнего
в 12 раз! А карбиды вольфрама с добавкой карбидов тантала и титана,
сцементированные кобальтом, устойчивы к действию многих кислот –
азотной, серной и соляной – даже при кипячении. Им опасна только смесь
плавиковой и азотной кислот.
Где применяется вольфрам
Из вольфрамовой стали и других сплавов, содержащих вольфрам или его
карбиды, изготовляют танковую броню, оболочки торпед и снарядов,
наиболее важные детали самолетов и двигателей.
Вольфрам – непременная составная часть лучших марок инструментальной
стали. В целом металлургия поглощает почти 95% всего добываемого
вольфрама. (Характерно, что она широко использует не только чистый
вольфрам, но главным образом более дешевый ферровольфрам – сплав,
содержащий 80% W и около 20% Fe; получают его в электродуговых печах).
Вольфрамовые сплавы обладают многими замечательными качествами. Так
называемый тяжелый металл (из вольфрама, никеля и меди) служит для
изготовления контейнеров, в которых хранят радиоактивные вещества. Его
защитное действие на 40% выше, чем у свинца. Этот сплав применяют и при
радиотерапии, так как он создает достаточную защиту при сравнительно
небольшой толщине экрана.
Сплав карбида вольфрама с 16% кобальта настолько тверд, что может частично заменить алмаз при бурении скважин.
Псевдосплавы вольфрама с медью и серебром – превосходный материал для
рубильников и выключателей электрического тока высокого напряжения: они
служат в шесть раз дольше обычных медных контактов.
О применении вольфрама в волосках электроламп говорилось в начале
статьи. Незаменимость вольфрама в этой области объясняется не только его
тугоплавкостью, но и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама
вытягивается проволока длиной 3,5 км, т.е. этого килограмма достаточно
для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных лампочек. Именно
благодаря этому свойству мировая электротехническая промышленность
потребляет всего около 100 т вольфрама в год.
В последние годы важное практическое значение приобрели химические
соединения вольфрама. В частности, фосфорно-вольфрамовая
гетерополикислота применяется для производства лаков и ярких, устойчивых
на свету красок. Раствор вольфрамата натрия Na2WO4
придает тканям огнестойкость и водонепроницаемость, а вольфраматы
щелочноземельных металлов, кадмия и редкоземельных элементов применяются
при изготовлении лазеров и светящихся красок.