Начальная школа

Русский язык

Литература

История

Биология

География

Математика

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, франций, 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 желтоватосерого 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. Сйустя 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 «самокал 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 Олданду 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 трехокиси 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.

Этот эксперимент - только начало освоения космической технологии. «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.

I

Xe

 

 

Re

Os

Ir

Pt

At

Rn

 

 

Поиск

Блок "Поделиться"

Физика

Химия

Методсовет