ВОЛЬФРАМ (лат. Wolframium) W - химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; атомный номер 74, атомная масса 183,85. Тугоплавкий тяжёлый металл светло-серого цвета. В природе встречается ( в виде смеси пяти стабильных изотопов с массовыми числами 180, 182, 183, 184 и 186; изотопы 182W, 184W и 186W - преобладающие (26,41 %; 30,64 % и 28,41 % соответственно).
Ещё в XIV-XVI вв. мастера, выплавлявшие олово, заметили, что при прокаливании одной из руд с углём много олова теряется, уходя в шлак. Руду назвали Wolf Rahm - «волчья пена». Говорили, что вольфрам «похищает олово и пожирает его, как волк овцу». Теперь мы знаем, что «волк» - это примесь минерала вольфрамита (Fe,Mn)WO4, препятствующая выплавке олова из касситерита SnO2.
Другой минерал В. - «тяжёлый камень» (tungsten) был хорошо известен в Англии и Швеции. В 1781 г. шведский химик К. Шееле выделил из тунгстена (впоследствии названного шеелитом CaWO4) окисел WO3.
Два года спустя испанские .химики братья д'Элуяр выделили WO3 из вольфрамита; они же впервые получили сам металл восстановлением WO3 углём. «Вольфрам» - международное название элемента, однако же в США, Англии, Франции и Италии сохраняется и другое его наименование - «тунгстен».
В.- редкий элемент, по содержанию в земной коре (1,3.10-4 % по массе) он стоит лишь на 55-м месте. В свободном состоянии в природе В. не встречается. Вольфрамит и шеелит - наиболее распространённые его минералы. В СССР значительные месторождения вольфрамовых руд обнаружены на Урале, Кавказе, в Киргизии и Забайкалье, а также в Амурской области, на Енисее и в других районах.
В. - самое тугоплавкое (за исключением алмаза) и одно из самых тяжёлых (плотность 19,3 г/см3) простых веществ. Плавится В. при 3410 °С, а кипит при 5900 °С. Чистый металл пластичен, хорошо поддаётся ковке и прокатке. Даже при высоких температурах В. испаряется очень мало (что особенно важно для его применения в электрических лампах накаливания).
В соответствии с положением В. в периодической системе Менделеева его атом имеет шесть валентных электронов (конфигурация 5d46s2. В соединениях В. проявляет степени окисления от +2 до +6 (соответственно валентности от II до VI). Наиболее устойчивы соединения шестивалентного В. По химическим свойствам В. чрезвычайно близок к молибдену. В обычных условиях металл химически устойчив. Но при нагревании выше 400 °С он заметно окисляется на воздухе до W03. При высоких температурах В. окисляется также в газах - NO2, СО, СO2 и в парах воды, например:
W + 3H2O = WO3 + 3H2
Если бы не газовая коррозия, В. мог бы стать образцовым термостойким конструкционным материалом. Ведь из всех тугоплавких металлов он сохраняет наибольшую механическую прочность при высоких температурах. В. научились защищать и от газовой коррозии - его либо легируют (то есть вводят в него добавки Сu, Ni, Nb, Та и др.), либо покрывают защитными тугоплавкими окислами, например А12O3 или ВеО.
Фтор реагирует с В. при комнатной температуре, другие галогены - при высоких. При этом в отсутствии влаги или кислорода образуются галогениды В.: WF6, WC16, WBr5, WI2. А в присутствии следов влаги или O2 - оксигалогениды, например:
W + ЗС12 + Н2O = WOCl4 + 2НС1
На холоду В. практически не реагирует ни с одной минеральной кислотой, но легко растворяется в смеси HNO3 и HF. Окись WO3 растворяется в едких щелочах с образованием вольфраматов - солей вольфрамовой кислоты:
WO3 + 2NaOH = Na2WO4 + Н2O
Промышленные руды бедны вольфрамом (всего 2 % WO3). Поэтому сначала их обогащают - получают вольфрамитовые и шеелитовые концентраты, содержащие 50-60 % WO3. Переработку концентратов проводят в три этапа: получение чистой WO3; восстановление WO3 до металла водородом при 900 °С; превращение порошка В. в компактный металл. Первые два этапа для химика обычны. Но получение компактного В. из его порошка потребовало особой технологии, так как вследствие очень высокой тугоплавкости В. не представляется возможным расплавить и отлить его в форму. На помощь пришла металлокерамика, или порошу новая металлургия.
Вообще говоря, методы, близкие к современной порошковой металлургии, то есть минующие процессы литья, применялись ещё с древних времён. И даже в гробницах египетских пирамид найдены драгоценные металлы в виде порошков. А знаменитая железная колонна в Дели (Индия) была изготовлена сваркой в сочетании с ковкой - ведь расплавить железо в то время не могли.
Порошковая металлургия в её современной форме была разработана русским химиком-металлургом П. Г. Соболевским для производства ковкой платины в середине 20-х гг. XIX в. Но особенно актуально встала эта проблема в начале XX в., и именно в связи с необходимостью покорить тугоплавкий В.
По способу, предложенному в 1910 г. американским учёным У. Д. Кулиджем, порошок В. прессуют в штабики (брусочки), которые спекают при 1300 °С в атмосфере водорода, а затем пропусканием через штабики электрического тока разогревают их до 3000 °С. Зёрна В. свариваются. Такие заготовки подвергают горячей ковке, после чего их протягивают в проволоку или прокатывают в ленты и листы. Вот сколько операций вместо обычного литья!
И хотя описанный метод получения изделий из В. кажется сухо прозаичным, он тонок до ювелирное, и за ним стоит длинная история научных и технических поисков.
Только после того как была разработана, технология получения компактного В., стало возможным промышленное применение чистого металла, главным образом в электротехнике и радиотехнике (нити ламп накаливания, электроды для получения плазмы и атомно-водородной сварки, выпрямители высокого напряжения, обмотка высокотемпературных электропечей, катоды и антикатоды в электровакуумных и газоразрядных трубках - этот список может быть продолжен).
Но ещё до разработки метода порошковой металлургии В. этот металл вводили в сталь для повышения её твёрдости и прочности. Было известно, что стали, содержащие В., сохраняют твёрдость при нагревании до 700-800 °С (вместо 200-250 °С для других, распространённых в то время сталей). Работая резцом из вольфрамовой стали, можно значительно повысить скорость резания: инструмент нагревается до температуры красного каления, но твёрдости не теряет. Сейчас около 85 % добываемого В. идёт на производство быстрорежущих инструментальных сталей. В сталь В. вводят в виде сплава с железом - ферровольфрама (25-30 % Fe), который получают в электрических печах из вольфрамита.
Важное значение имеют и сплавы, в которых В. является главным компонентом. Самый известный из сверхтвёрдых сплавов - победит. Он состоит из карбида вольфрама WC (около 90 %), зёрна которого сцементированы кобальтом. Победит сохраняет прочность при нагревании до 1000-1100 °С, что позволяет увеличивать скорость резания ещё больше - в десятки раз.
Замечательно служит для этой цели и стеллит - сплав трёх металлов (W-Со-Сг). А «тяжёлый сплав» (W-Си-Ni) поглощает радиоактивное излучение в полтора раза лучше свинца и применяется для изготовления защитных устройств.
Находят применение и соединения В. (например, Na2WO4 применяют в производстве утяжелённых огне- и водоустойчивых тканей).
Техническое и хозяйственное значение В. очень велико. Развитие атомной и авиационно-космической техники требует всё возрастающего количества высокотемпературных, прочных, устойчивых материалов. В этом отношении В. весьма перспективен, а потому с уверенностью можно сказать, что В. - один из металлов будущего.
3. А. Старикова.
