Чи потрібні коментарі? - "Вовча піна". - Відкриття великого аптекаря. - До братів приходить удача. - "Самокал Мюшета". - Пасувати не має наміру. - Колір персика. - Досліди в Петербурзі. -Успіх німецьких інженерів. - Голота на вигадки хитра. - Ласий шматочок. - Тримай кишеню ширше. - Нудне мовчання. - "Ділянка" князів Владимировичей. - До бісової матері. - "Допомога" з боку. - В холод і спеку. - Повернення "втікачів". - У поверхні Сонця. - Мільярди блискавок. - Хвилини і століття. - "Уран-1" в Монреалі. - Вага в суспільстві. - Ювелірна точність. - "Вуса" входять в моду. - "Пухнастий" вольфрам. - Листкове дзеркало. - За програмою "Союз" - "Аполлон".
Назви багатьох елементів говорять самі за себе: водень - "породжує воду" вуглець - "породжує вугілля" менделевий, эйнштейний, фермій, кюрій, курчатовий названі на честь видатних учених; європій, америцій, францій, германій, каліфорній - похідні від географічних понять. Але є елементи, назви яких, як мовиться, потребують коментарів. До таких елементів відноситься вольфрам.
Навіть переклад слова "вольфрам" - вовча піна - навряд чи пояснить походження цієї назви. Справді, що може бути спільного у елемент VI групи Періодичної системи Менделєєва Д. І. з лісовим хижаком?
...Ще в давні часи металурги не раз стикалися з дивним явищем: час від часу з абсолютно незрозумілих причин виплавка олова з руди різко падала. Оскільки техніко-економічні показники плавки не могли не хвилювати і наших предків, вони стали уважно придивлятися до олов'яної руди, що йде в плавку. Незабаром їм вдалося помітити таку закономірність: неприємності виникали тоді, коли в руді зустрічалися важкі камені бурого або жовтувато-сірого кольору. Висновок напрошувався сам собою: камінь "пожирає олово, як вовк вівцю". А коли так, то нехай і зветься цей злий камінь "вовчої піною" - вольфрамітові. В деяких інших країнах, наприклад у Швеції, зустрічався подібний мінерал тунгстен, що означає "важкий камінь".
Відкриття вольфраму пов'язано з ім'ям знаменитого шведського хіміка Карл Вільгельм Шеєле. Фармацевт за фахом, він працював в аптеках ряду міст, де і проводив свої чудові дослідження, чимало збагатили науку. У 1781 році Шеєле встановив, що тунгстен (згодом названий шеелитом) являє собою сіль невідомої тоді кислоти, і виділив з неї білий порошок - оксид нового елемента. Але далі цього у нього справа не пішла.
Тунгстеновой проблемою всерйоз зацікавилися іспанські хіміки брати Фаусто і Хуан Хосе д Элуяр, почали проводити досліди з вольфрамітові і тунгстеном. Лише через два роки до них прийшла удача. Змішавши білий порошок, отриманий з вольфраміту, з товченим деревним вугіллям, вони сильно нагріли суміш в тиглі. Коли охолоджений після досвіду тигель був відкритий, у ньому виявилася темно-коричнева маса, розсипані в руках. Озброївшись лупою, дослідники помітили в порошку крихітні металеві кульки - один, другий, третій. Це був вольфрам. Могли думати брати д Элуяр, дивлячись на крупиці нового металу, що йому судилося провести справді переворот у промисловості?
У 1864 році англієць Роберт Мюшет вперше ввів вольфрам (приблизно 5%) як легирующую добавку в сталь. Сталь, яка увійшла в історію металургії під назвою "самокал Мюшета", могла витримувати червоне каление, не тільки зберігаючи, але і збільшуючи свою твердість, тобто володіла властивістю самозакалки. Різці, виготовлені з цієї сталі, дозволили в півтора рази підвищити швидкість різання металу ( 7,5 метра в хвилину замість 5).
Через чотири десятиліття з'явилася швидкорізальна сталь, що містить вже до 8% вольфраму. Тепер швидкість різання металу досягла 18 метрів в хвилину. Минуло ще кілька років, і швидкість обробки металу зросла до 35 метрів в хвилину. Так приблизно за півстоліття вольфрам зумів підвищити продуктивність металорізальних верстатів в сім разів!
Ну, а як ще вище підняти швидкість різання? Стали це вже було не під силу, і навіть вольфрам не могла їй нічим допомогти. Невже досягнуть межа? Невже швидше різати метал неможливо?
Відповідь дав все той же вольфрам. Ні, він не вичерпав ще своїх можливостей і не має наміру відступати перед температурою в битві за швидкість обробки металу. У 1907 році був створений сплав, що складається з вольфраму, хрому і кобальту - стеллит, став родоначальником широко відомих нині твердих сплавів, які дозволили ще більше підвищити швидкість різання. В наші дні вона досягає вже 2000 метрів в хвилину.
Від 5 до 2000! Такий величезний шлях пройдено технікою металообробки. І віхами на цьому шляху були все нові і нові вольфрамові матеріали.
Сучасні тверді сплави являють собою отриману спіканням суміш карбідів вольфраму і деяких інших елементів (титану, ніобію, танталу). При цьому зерна карбідів як би цементуються кобальтом. Такі матеріали не втрачають твердості навіть при 1000°С, допускаючи тим самим колосальні швидкості обробки металу. Твердість одного із сплавів на основі карбіду вольфраму - "рэлита" настільки велика, що якщо за зразком з цього сплаву провести напилком, то на ньому (на напилку!) залишається борозна.
Металообробка була основним, але не єдиним напрямом, за яким вольфрам втручався в техніку. Ще в середині минулого століття було помічено, що тканини, просочені натрієвою сіллю вольфрамової кислоти, набували вогнетривкість. Широке поширення отримали тоді ж і фарби, що містять вольфрам, жовті, сині, білі, фіолетові, зелені, блакитні. Ці фарби використовували в живопису, у виробництві кераміки і порцеляни. До речі, до цих пір збереглися виготовлені ще в XVII столітті в Китаї за замовленням імператора дивовижні порцелянові вироби, пофарбовані в надзвичайно красивий колір - "цвіт персика". За переказами, щоб домогтися цього, стародавнім майстрам довелося провести близько восьми тисяч дослідів з різними мінералами і з'єднаннями. Як показав аналіз, проведений вже в наші дні, своєю ніжною забарвленням фарфор зобов'язаний оксиду вольфраму.
У 1860 році нагріванням чавуну з вольфрамовою кислотою був отриманий сплав заліза з вольфрамом. Твердість цього сплаву зацікавила багатьох хіміків і металургів. Незабаром вдалося розробити промисловий спосіб виробництва ферровольфрама - це стало потужним поштовхом до використання вольфраму в металургії.
Минуло ще кілька років, перш ніж були зроблені перші спроби ввести вольфрам у рушничну і орудийную сталь. В кінці минулого століття таку сталь виплавив на Путилівському заводі в Петербурзі професор В.М. Липин - один з організаторів виробництва легованої сталі в Росії (згодом член-кореспондент Академії наук СРСР). Навіть невелика кількість вольфраму, доданий до сталі, значно підвищувало опірність рушничних і гарматних стволів роз'їдання пороховими газами. Раніше інших це зуміли оцінити німецькі інженери. У роки першої світової війни легкі німецькі гармати витримували до п'ятнадцяти тисяч пострілів, в той час як російські і французькі гармати виходили з ладу вже після шести-восьми тисяч пострілів.
Природно, що в ці роки видобуток вольфрамової руди різко зросла. Якщо в 90-х роках минулого століття у світі щорічно видобувалося лише 200-300 тонн вольфрамової руди, то вже в 1910 році видобуток її склала 8 тисяч тонн, а в 1918 році досягла 35 тисяч тонн.
І все ж вольфраму не вистачало. Особливо гостро потребувала в ньому Німеччина, майже не маючи власними джерелами цього металу. Правда, готуючись до війни, далекоглядні німці запаслися запас вольфрамової рудою, але незабаром ці запаси вичерпалися, а військова промисловість продовжувала наполегливо вимагати вольфрамову сталь.
Нужда змусила німецьких металургів поламати голову. Але ж недарма кажуть: голота на вигадки хитра. Вихід з тяжкого положення був знайдений: згадали, що "вовча піна", з'їдаючи олово, захоплювала його з собою в шлаки, а на території Німеччини, де кілька століть выплавлялся цей метал, назбиралися цілі гори олов'яних шлаків. Незабаром металурги вже почали отримувати з них вольфрам. Зрозуміло, повністю вгамувати вольфрамовий голод шлаки не могли, але "заморити черв'ячка" з їх допомогою вдалося.
В царській Росії навіть в період загального підйому вольфрамової промисловості видобуток цього цінного металу була незначною. У 1915 році з Забайкальського родовища на Іжорський завод поблизу Петрограда надійшло всього 1,4 тонни вольфрамової руди, а в 1916 році Мотовилихинскому заводу в Пермі було відвантажено 8,7 тонни. Виробництво ферровольфрама у Росії в ці роки становила лише кілька десятків пудів.
На Забайкальское родовище, як на ласий шматочок, поглядали багато іноземні фірми, головним чином шведські і японські. Влітку 1916 року геологи однієї японської компанії провели в тих краях пошукову розвідку. Повинно бути, результати пошуків були багатообіцяючими, так як керівники компанії зробили не одну спробу прибрати до рук цей підземний скарб, проте в оренді його їм було відмовлено.
Найбільш велике тутешнє родовище вольфраму в ті роки орендували на паях промисловець Толмачов і гірський інженер Зікс. Ці ділки вважали вигідним для себе передати оренду шведській фірмі, представники якої, обстеживши родовище, вельми ним зацікавилися. Толмачов вже мав намір заробити 30 тисяч рублів в якості авансу за договором з фірмою, але цієї суми не судилося перекочувати в його кишеню: запідозривши, що Толмачов умисно занизив передбачувані запаси вольфраму, геологічний комітет запропонував зважаючи на труднощі воєнного часу реквізувати толмачевские рудники і передати їх у відання кабінету царського двору. Найвища згоду на цю акцію незабаром було отримано.
У своїх спогадах про те періоді академік А.Є. Ферсман писав: "До Жовтневої революції робота комісії природних продуктивних сил Академії наук не могла розвернутися. У важких умовах, в яких перебувала тоді російська наука, ініціатива вчених наштовхувалася на незліченні перешкоди. Навіть на розробку такої винятково важливої проблеми, як освоєння родовищ вольфраму, протягом двох років Академія наук не могла отримати самих нікчемних кредитів".
На жаль, перед вченими стояли не тільки фінансові, а й інші, мабуть, ще більш складні проблеми. Показовим у цьому сенсі епізод, про який згадує в одній зі своїх книг найбільший вчений-кораблебудівник академік О.М. Крилов. У січні 1917 року, тобто в останні тижні царювання Миколи II, комісія природних продуктивних сил Академії наук обговорювала питання про родовища вольфраму, якого так не вистачало тоді Росії. Доповідач - впливовий царський сановник - повідомив, що поклади руд цього металу є на території Туркестану і для спорядження експедиції туди потрібно 500 рублів. Після його доповіді настало мовчання. Майже всі присутні на засіданні знали про те, що вольфрамом багаті надра Алтаю, але заговорити про це ніхто не наважувався: адже весь Алтайський край - один з найбагатших районів руської землі - належав близьким родичам царя великим князям Владимировичам, а про те, щоб в їх володіннях проводити геологорозвідувальні роботи, грішно було навіть подумати.
Млосну паузу порушив О.М. Крилов: "Щодо туркестанських рудників справа досить просто - ось п'ятсот рублів, - і, витягнувши папірець з портретом Петра I, він передав її головуючого на засіданні А.Є. Ферсману. - Складніше справа з Алтаєм. Доповідач не сказав, що рудники знаходяться на землях великих князів Владимировичей. Вольфрам - це швидкорізальна сталь, тобто більш ніж подвоєння вичинки шрапнелей. Якщо де доречна реквізиція або експропріація, то саме тут: не буде шрапнелей - це означає програш війни, а тоді не тільки Володимировичі, але і вся династія до чортової матері полетить".
Ще однією перешкодою, гальмували розвиток вольфрамової промисловості в нашій країні, була "допомога" зарубіжних спеціалістів. В 1931 році в музеї Московського університету, розбираючи старі мінералогічні колекції, вчені натрапили на зразки шеелита з невідомого до того часу родовища в Таджикистані. Виявилося, що ці зразки були знайдені ще в 1912 році і надіслані до Москви для дослідження. Однак залучені в якості консультантів німецькі геологи забракували родовище як нерентабельне, і царський уряд поставив на ньому хрест. Комісія, спрямована в Таджикистан через кілька місяців після музейної знахідки, виявила там великі поклади вольфраму.
Приблизно в ці ж роки відомий радянський геолог академік С. С. Смирнов разом зі своїми учнями розгорнув на території нашої країни широкі пошуки вольфрамових родовищ. Не одну тисячу кілометрів у холод і спеку довелося подолати геологам. Пішки, на собаках, на оленях вони об'їздили вздовж і впоперек багато районів країни. І там, де проходили мужні розвідники надр - у Забайкаллі, Якутії, на Охотському узбережжі, виникали нові рудники, будувалися нові заводи - створювалася радянська вольфрамова промисловість.
У наш час приблизно 80% всього видобутого в світі вольфраму металургія споживає якісних сталей, близько 15% йде на виробництво твердих сплавів, решта 5% промисловість використовує у вигляді чистого вольфраму - металу, що володіє дивовижними властивостями.
Щоб розплавити вольфрам, його треба нагріти до такої температури, при якій більшість металів вже випаровується - до 3410°С. Сам же вольфрам міг би залишатися в рідкому стані навіть поблизу самого Сонця: температура кипіння його майже 6000 °С. Тугоплавкість цього елемента і забезпечила йому застосування в одній з найважливіших галузей промисловості - електротехніки.
З тих пір, як на початку XX століття вольфрамова нитка витіснила застосовувалися раніше для виготовлення електричних ламп вугільні, осмиевые і танталові нитки, кожен вечір в наших будинках спалахують крихітні вольфрамові блискавки. Щорічно в світі виробляють кілька мільярдів електроламп. Мільярди вогнів!.. А чи багато це? Судіть самі: з початку нашого літочислення людство прожило лише трохи більше мільярда хвилин (29 квітня 1902 року в 10 годин 40 хвилин час початок відраховувати другий мільярд хвилин нової ери).
Вчені та інженери постійно удосконалюють електричну лампу, прагнучи до того, щоб її життя тривала як можна довше. Подібно до того як тане горить воскова свічка, при включенні лампи вольфрам починає випаровуватися з поверхні нитки розжарювання. Щоб зменшити випаровування і тим самим продовжити термін служби лампи, в неї під тиском зазвичай вводять різні інертні гази. А нещодавно запропоновано використовувати для цієї мети пари йоду, який, як з'ясувалося, грає цікаву роль: він ловить випарувалися молекули вольфраму, вступає з ним в хімічну зв'язок, а потім осідає на нитки, тим самим повертаючи їй "втікачів". Така лампа набагато довговічніші.
Асортимент електричних ламп, що випускаються промисловістю, досить різноманітний: від мініатюрних "намистинок", що використовуються у медицині, до потужних прожекторних "сонць". У 1967 році на Всесвітній виставці в Монреалі в павільйоні СРСР демонструвалася установка радіаційного нагріву "Уран-1", одним з головних елементів якої служить лампа оригінальної конструкції, обладнана водяним та повітряним охолодженням. У порівняно невеликій колбі з жаростійкого кварцу, наповненій інертним газом ксеноном, знаходяться два вольфрамових електрода. При включенні лампи між електродами спалахує газова плазма, розпечена до 8000 °С. Спеціальний дзеркальний відбивач, у порівнянні з яким звичайні дзеркала здаються тьмяними бляшанками, направляє інфрачервоні промені штучного сонця (лампа відтворює сонячний спектр) в оптичну систему установки, де вони фокусуються в єдиний потік діаметром трохи більше сантиметра. Температура у фокусі пучка променів досягає 3000 °С. В цьому гарячому режимі "Уран-1" може безперервно працювати сотні годин.
Широке застосування в техніці знаходять так звані катодні промені, які являють собою потік електронів, що вириваються з поверхні металевого катода у вакуум (електронна емісія). Як показала практика, одним з найкращих матеріалів для катодів виявився вольфрам.
Одна з важливих особливостей вольфраму - висока щільність: він такий же важкий, як золото. В цьому відношенні вольфрам трохи поступається лише осмію, иридию і платині, але зате він значно поступається їм і в ціні. Для літаків або космічних ракет тяжкість матеріалу, як правило, явний недолік, однак у деяких інших областях техніки це якість, як мовиться, на вагу золота. Але адже не будуть же конструктори і справді застосовувати в таких випадках золото або платину - занадто накладно. А ось вольфрам тут цілком підходить: на його основі створені так звані важкі сплави, вже знайшли собі застосування. З них виготовляють радіаційні екрани (більш надійні, ніж свинцеві), контейнери для радіоактивних ізотопів, всілякі балансири і противаги в годинах та інших пристроях, ротори гіроскопів, сердечники для бронебійних снарядів та інші деталі та вироби, які повинні мати солідний "вагу в суспільстві".
Чистий вольфрам володіє колосальною міцністю: його опір розриву досягає. 40 тонн на квадратний сантиметр, значно перевищуючи міцність найкращої сталі. І такі відмінні характеристики метал ухитряється зберігати навіть при 800°С!
Висока міцність металевого вольфраму поєднується з хорошою пластичністю: з нього можна витягнути найтоншу дріт, 100 кілометрів якій важать всього 250 грамів!
Вольфрамова дріт, широко застосовується в электролампах, знайшла нещодавно ще одну професію: її запропоновано використовувати в якості ріжучого інструменту для обробки крихких матеріалів. Ультразвуковий генератор за допомогою перетворювача надає вольфрамової нитки коливальні рухи, і вона повільно, але вірно врізається в оброблюваний матеріал. Новий "різак" легко справляється з такими примхливими матеріалами, як кварц, рубін, ситал, скло, кераміка, розрізаючи їх з ювелірною точністю на частини або залишаючи в них пази і щілини будь-якої форми, будь-яких розмірів. Але як ні велика міцність вольфрамової дроту, вона не йде ні в яке порівняння з міцністю "вусів" з цього металу - найтонших кристаликів, які в сотні разів тонше людського волосся. Радянські фізики зуміли отримати вольфрамові "вуса" діаметром всього дві мільйонні частки сантиметра. Їх міцність становить 230 тонн на квадратний сантиметр - це майже дорівнює абсолютній стелі міцності, тобто теоретичної межі для земних речовин, визначену розрахунковим шляхом. Але такий диво-метал існує поки тільки в стінах лабораторій.
Використовується ж в техніці чистий вольфрам одержують відновленням його оксиду воднем. Які при цьому утворюються дрібні вольфрамові порошинки пресують і спікають, нагріваючи електричним струмом до 3000°С. З цього вольфраму витягують нитки розжарювання електроламп, штампують деталі радіоламп і рентгенівських трубок, виготовляють контакти для рубильників, електродів, вимикачів.
Вченими розроблено плазмово-дуговий метод вирощування великих монокристалів вольфраму, молібдену та інших тугоплавких металів. 8 Інституті металургії Академії наук СРСР цим методом отриманий великий монокристал вольфраму - він важить 10 кілограмів . Завдяки високій чистоті такий метал відрізняється незвичайними механічними властивостями: навіть при дуже низьких температурах він зберігає пластичність, а при значному нагріванні майже не втрачає своєї міцності. Монокристали знаходять застосування в багатьох електровакуумних приладах.
Вчені виявили у вольфраму вельми цікаву здатність - активно поглинати та накопичувати сонячне світло. Мова, щоправда, йде не про самому металі, а про його тонкій плівці, отриманої осадженням вольфраму з газової фази. Метал з такою поверхнею, нагріте до 500 °С, може довго утримувати цю температуру, якщо на нього будуть падати промені Сонця. Чим же пояснюється такий своєрідний тепловий ефект? Якщо розглянути плівку в мікроскоп, то вона здасться пухнастою: поверхню її являє собою "зарості" дендритних кристалів-волосків, у яких і "заплутуються" сонячні промені.
Величезні панелі з безліччю майже не помітних для ока волосків вольфраму з нанесеним на них золотим покриттям фізики використовують для визначення траєкторії руху протонів.
Як відомо, рентгенівські промені мають високу проникаючу здатність. Але у кожної медалі є й зворотний бік: ці промені не бажають ні впливати, ні переломлюватися. А шкода: адже якби вдалося їх сфокусувати, вчені могли б подумати про рентгенівських мікроскопах і лазерах - перед наукою відкрилися б нові цікаві перспективи. Все ж недавно вдалося створити так зване рентгенівське дзеркало, що відбиває деяку частину променів, в тому числі, і це особливо важливо, навіть падають перпендикулярно до поверхні. Дзеркало складається з декількох десятків чергуються шарів вольфраму і вуглецю, осаджених на тонкої кремнієвої підкладці. Товщина кожного шару вольфраму менше 1 нанометра (тобто однієї мільярдної частки метра!), а кожен шар вуглецю в два рази товще (якщо тільки тут доречний цей термін). Суворе дотримання розмірів шарів потрібно для того, щоб уникнути можливої інтерференції променів, значно ослабляє їх відображення. Загальна товщина незвичайного дзеркала всього 0,38 міліметра , а діаметр 76,2 міліметра .
Цікавий експеримент, в якому активну участь брав вольфрам, був проведений під час спільного польоту радянських та американських космонавтів за програмою "Союз" - "Аполлон". У земних умовах важко, а часто й неможливо отримати сплав металів, значно розрізняються по щільності: в процесі плавлення та кристалізації частинки більш важкого компонента будуть прагнути в нижні "поверхи" злитка, а у верхніх "оселяться" частинки більш легкого металу. Природно, що користуватися сплавом з таким різношерстим складом практично не можна. Інша справа - космічна плавка. Тут, в умовах невагомості, всі метали рівні - і легкі, і важкі, тому сплав обіцяє бути рівномірним і за складом і за структурою. От і вирішено було виплавити в космосі сплав легковагового і легкоплавкого алюмінію з солідним важковаговиком - вольфрамом, що володіє до того ж рекордної тугоплавкостью.
Цей експеримент - тільки початок освоєння космічної технології. "Пройде небагато часу, - говорить один з учасників історичного польоту Валерій Кубасов, - і в космосі спільними силами ми зможемо створити цілі заводи. Вони займуться абсолютно нової металургією - отриманням сплавів і матеріалів, які неможливо отримати в умовах Землі".
...Багато століть метали вірно служать людині, допомагаючи йому створювати дивовижний світ техніки. І одне з почесних місць серед них по праву належить вольфраму - металу, що стоїть на вогняних рубежах.
