Сергей Венецкий
Рассказы о металлах

ВОЛЬФРАМ:

ДАЮЩИЙ СВЕТ

Нужны ли комментарии? — "Волчья пена". – Открытие великого аптекаря. — К братьям приходит удача. — "Самокал Мюшета". — Пасовать не намерен. — Цвет персика. — Опыты в Петербурге. —Успех немецких инженеров. — Голь на выдумки хитра. — Лакомый кусочек. — Держи карман шире. — Томительное молчание. — "Делянка" князей Владимировичей. – К чертовой матери. – "Помощь" со стороны. – В холод и зной. — Возвращение "беглецов". — У поверхности Солнца. — Миллиарды молний. — Минуты и века. – "Уран-1" в Монреале. – Вес в обществе. — Ювелирная точность. — "Усы" входят в моду. — "Пушистый" вольфрам. — Слоеное зеркало. — По программе "Союз" – "Аполлон".

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 желтовато-серого цвета. Вывод напрашивался сам собой: камень "пожирает олово, как волк овцу". А коли так, то пусть и зовется этот злой камень "волчьей пеной" - вольфрамитом. В некоторых других странах, например в Швеции, встречался подобный минерал тунгстен, что означает "тяжелый камень".

Открытие вольфрама связано с именем знаменитого шведского химика Карла Вильгельма Шееле. Фармацевт по профессии, он работал в аптеках ряда городов, где и проводил свои замечательные исследования, немало обогатившие науку. В 1781 году Шееле установил, что тунгстен (впоследствии названный шеелитом) представляет собой соль неизвестной тогда кислоты, и выделил из нее белый порошок - оксид нового элемента. Но дальше этого у него дело не пошло.

Тунгстеновой проблемой всерьез заинтересовались испанские химики братья Фаусто и Хуан Хозе д'Элуяр, начавшие проводить опыты с вольфрамитом и тунгстеном. Лишь спустя два года к ним пришла удача. Смешав белый порошок, полученный из вольфрамита, с толченым древесным углем, они сильно нагрели смесь в тигле. Когда охлажденный после опыта тигель был открыт, в нем оказалась темно-коричневая масса, рассыпавшаяся в руках. Вооружившись лупой, исследователи заметили в порошке крохотные металлические шарики - один, другой, третий. Это был вольфрам. Могли ли думать братья д'Элуяр, глядя на крупицы нового металла, что ему суждено произвести поистине переворот в промышленности?

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 метра в минуту вместо 5).

Спустя четыре десятилетия 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 семь 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 вольфрамовые материалы.

Современные твердые 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 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 еще в XVII веке в Китае по заказу императора изумительные фарфоровые изделия, окрашенные в необычайно красивый цвет - "цвет персика". По преданию, чтобы добиться этого, древним мастерам пришлось провести около восьми тысяч опытов с различными минералами и соединениями. Как показал анализ, проведенный уже в наши дни, своей нежной окраской фарфор обязан оксиду вольфрама.

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.

Прошло еще несколько лет, прежде чем были предприняты первые попытки ввести вольфрам в ружейную и орудийную сталь. В конце прошлого века такую сталь выплавил на Путиловском заводе в Петербурге профессор В.Н. Липин - один из организаторов производства легированной стали в России (впоследствии член-корреспондент Академии наук СССР). 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 пятнадцати тысяч выстрелов, в то время как русские и французские орудия выходили из строя уже после шести-восьми 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 нуждалась в нем 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 несколько столетий 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 близ Петрограда поступило всего 1,4 тонны вольфрамовой руды, а в 1916 году Мотовилихинскому заводу в Перми было отгружено 8,7 тонны. Производство ферровольфрама в России в эти годы составляло лишь несколько десятков пудов.

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

Наиболее крупное здешнее месторождение вольфрама в те годы арендовали на паях промышленник Толмачев и горный инженер Зикс. Эти дельцы сочли выгодным для себя передать аренду шведской фирме, 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, которого так не хватало тогда России. 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".

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 натолкнулись на образцы шеелита из неизвестного до того времени месторождения в Таджикистане. Оказалось, что эти образцы были найдены еще в 1912 году и присланы в Москву для исследования. Однако привлеченные в качестве консультантов немецкие геологи забраковали месторождение как нерентабельное, и царское правительство поставило на нем крест. Комиссия, направленная в Таджикистан спустя несколько месяцев после музейной находки, обнаружила там крупные залежи вольфрама.

Примерно в эти же годы известный 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 - до 3410°С. Сам же вольфрам мог бы оставаться в жидком состоянии даже вблизи самого Солнца: температура кипения его почти 6000 °С. Тугоплавкость этого элемента и обеспечила ему применение в одной из важнейших отраслей промышленности - электротехнике.

С тех пор как в начале XX века 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 йода, который, как выяснилось, играет любопытную роль: он ловит испарившиеся молекулы вольфрама, вступает с ним в химическую связь, а затем оседает на нити, тем самым возвращая ей "беглецов". Такая лампа намного долговечнее.

Ассортимент электрических ламп, выпускаемых промышленностью, весьма разнообразен: от миниатюрных "бусинок", используемых в медицине, до мощных прожекторных "солнц". В 1967 году 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.

Одна из важных особенностей вольфрама - высокая плотность: он такой же тяжелый, как золото. В этом отношении вольфрам немного уступает лишь осмию, иридию и платине, но зато он значительно уступает им и в цене. Для самолетов или космических ракет тяжесть материала, как правило, явный недостаток, однако в некоторых других областях техники это качество, как говорится, на вес золота. Но ведь не будут же конструкторы и в самом деле применять в таких случаях золото или платину - слишком накладно. А вот вольфрам здесь вполне подходит: на его основе созданы так называемые тяжелые сплавы, уже нашедшие себе разнообразное применение. Из них изготовляют радиационные экраны (более надежные, чем свинцовые), контейнеры для радиоактивных изотопов, всевозможные балансиры и противовесы в часах и других устройствах, роторы гироскопов, сердечники для бронебойных снарядов и прочие детали и изделия, которые должны иметь солидный "вес в обществе".

Чистый вольфрам обладает и колоссальной прочностью: его сопротивление разрыву достигает. 40 тонн на квадратный сантиметр, значительно превышая прочность лучшей стали. И такие отменные прочностные 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 капризными 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 составляет 230 тонн на квадратный сантиметр - это почти равно абсолютному потолку прочности, т.е. теоретическому пределу для земных веществ, определенному расчетным путем. Но такой чудо-металл существует пока только в стенах лабораторий.

Используемый же в технике чистый вольфрам получают восстановлением его оксида 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 получен большой монокристалл вольфрама - он весит 10 килограммов . Благодаря высокой чистоте такой металл отличается необычными механическими свойствами: даже при очень низких температурах он сохраняет пластичность, а при значительном нагреве почти не теряет своей прочности. Монокристаллы находят применение во многих электровакуумных приборах.

Ученые обнаружили у вольфрама весьма любопытную способность - активно улавливать и накапливать солнечный свет. Речь, правда, идет не о самом металле, а о его тончайшей пленке, полученной осаждением вольфрама из газовой фазы. Металл с такой поверхностью, нагретый до 500 °С, может долго удерживать эту температуру, если на него будут падать лучи Солнца. Чем же объясняется столь своеобразный тепловой эффект? Если рассмотреть пленку в микроскоп, то она покажется пушистой: поверхность ее представляет собой "заросли" дендритных кристалликов-волосков, в которых и "запутываются" солнечные лучи.

Огромные панели с множеством почти не заметных для глаза волосков вольфрама с нанесенным на них золотым покрытием физики используют для определения траектории движения протонов.

Как известно, рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью. Но у каждой медали есть и обратная сторона: эти лучи не желают ни отражаться, ни преломляться. А жаль: ведь если бы удалось их сфокусировать, ученые могли бы подумать о рентгеновских микроскопах и лазерах - перед наукой открылись бы новые интересные перспективы. Все же недавно удалось создать так называемое рентгеновское зеркало, отражающее некоторую часть лучей, в том числе, и это особенно важно, даже падающих перпендикулярно к поверхности. Зеркало состоит из нескольких десятков чередующихся слоев вольфрама и углерода, осажденных на тонкой кремниевой подложке. Толщина каждого слоя вольфрама меньше 1 нанометра (т.е. одной миллиардной доли метра!), а каждый слой углерода в два раза толще (если только здесь уместен этот термин). Строгое соблюдение размеров слоев нужно для того, чтобы избежать возможной интерференции лучей, значительно ослабляющей их отражение. Общая толщина необычного зеркала всего 0,38 миллиметра , а диаметр 76,2 миллиметра .

Интересный эксперимент, в котором деятельное участие принимал вольфрам, был проведен во время совместного полета советских и американских космонавтов по программе "Союз" - "Аполлон". 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 "этажи" 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 металлы равны - и легкие, и тяжелые, поэтому сплав обещает быть равномерным и по составу, и по структуре. Вот и решено было выплавить в космосе 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, - и в космосе совместными силами мы сможем создать целые заводы. Они займутся совершенно новой металлургией - получением сплавов и материалов, которые невозможно получить в условиях Земли".

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

Список тем