Вольфрам - металл с максимальной тугоплавкостью

Прочный и красивый металл с твёрдостью алмаза

Чистый вольфрам немного похож на платину — серебристый, светлый, блестящий. Но в природе он встречается обычно в составе разнообразных и достаточно сложных соединений. Открытие его, как и большинство подобных находок, происходило одновременно в нескольких странах.

Первооткрывателями признаны испанские химики братья Д'Эльхуяр. Они получили чистый вольфрам из руды 250 лет назад. Серьёзный вклад внесли и другие учёные восемнадцатого столетия, в первую очередь Карл Вильгельм Шееле — тот самый, который открыл марганец и хлор.

Пик карьеры самого тугоплавкого металла начался с момента изобретения Александром Лодыгиным вольфрамовой нити накаливания. В новаторскую металлическую нить входили и другие химические элементы — палладий, осмий, иридий. Запатентовано изобретение было в 1890 году.

Сейчас этот уникальный металл незаменим в самых различных сферах научной и хозяйственной деятельности. С его помощью создаются:

• ювелирные украшения;
• элементы осветительных приборов;
• кинескопы;
• сердечники снарядов;
• электроды для сварки;
• компоненты для рентгеновской установки;
• режущие детали инструментов;
• шатуны и коленвалы.

Другие задачи, которые выполняет этот тугоплавкий металл, менее уникальны, но более распространены: в качестве ингредиента красок, катализаторов, пигментов.

Есть у этого редкого металла и необычная «работа»: порошок из вольфрама используется при подготовке клюшек для игры в гольф — такая обработка помогает увеличить силу удара, а следовательно, его дальность.

Вольфрам рекордсмен по тугоплавкости

Вольфрам — редкоземельный металл, атомный номер 74 в таблице Менделеева, удельный вес которого от 19,1 до 19,3 грамм на 1 кубический см. Выполняет разнообразные задачи не только благодаря необычайной твёрдости, но и рекордным параметрам тугоплавкости, а также устойчивости к деформации.

Важно: Можно назвать десяток тугоплавких металлов. Но для реального использования большинство из них не подходит, поскольку не обладают нужными свойствами:

1. одни слишком радиоактивны;
2. другие чрезвычайно хрупкие;
3. третьи — не могут противостоять коррозии.

Впрочем, не последнюю роль играет и финансовая сторона: работа с некоторыми металлами экономически нецелесообразна из-за сложности добычи и обработки.

Широкая сфера применения самого тугоплавкого металла (от космических ракет до текстильной промышленности) объясняется не только температурными характеристикам, но и высокой механической прочностью, а также химической инертностью.

Что означает «тугоплавкий»

Если коротко — то этот термин составляет температуру плавления. Вольфрам плавится при 3422°C, что сравнимо с температурой солнечной фотосферы. Температура кипения металла— 6 190°С. Благодаря тугоплавкости открываются широкие возможности для использования в металлургии, но это же свойство ограничивает способы работы с вольфрамом: при комнатной температуре он теряет прочность и становится хрупким.

Высоконадёжные сплавы металлурги получают, используя порошковые технологии. После такой обработки сплавы с тугоплавким металлом приобретают универсальные качества:

1. Жаропрочность.
2. Износостойкость.
3. Максимальная твёрдость.
4. Невосприимчивость к воздействию кислот.
5. Сопротивление истиранию.

Результат — такие сплавы позволяют производить детали для авиации, прочную танковую броню и хирургические инструменты высокой прочности.

Вольфрам входит в состав сплавов для производства оболочек снарядов и торпед, а также служит надёжным материалом при изготовлении герметичных контейнеров, предназначенных для хранения радиоактивных веществ. Благодаря тугоплавкости это один из основных компонентов жаростойкой смазки, которая сохраняет свои рабочие характеристики при t=500°C.

Как добывают вольфрам

В чистом виде добыча редкоземельных металлов практически невозможна. Поэтому работать приходится с рудой, в которой содержится целый набор примесей. Точный состав зависит от конкретного месторождения.

Основные способы добычи:

1. Карьерный — руда после обвалки элементарно транспортируется на переработку.
2. В шахте — основная часть работы проходит на глубине: обрушение горизонтальных слоёв, магазинирование (накопление в блоки), а только затем подъём на поверхность.

При добыче горняки работают с такими минералами, как шеелит и вольфрамит.

Где добывают руду

В одних государствах осуществляются все этапы производства от добычи до переработки. В других — только часть производственного цикла. В третьих сосредоточены большие запасы, работа с которыми ещё в будущем.

Несомненным лидером является Китай. Всего в мире 10 крупных разведанных месторождений, и в КНР находятся пять из них. Также солидные запасы в России и Вьетнаме, США и Руанде, Боливии, Казахстане и Канаде. А в Европе добычей и переработкой занимаются Австрия и Португалия. Разработка месторождений в Великобритании заморожена с 2018 года.

Получение тугоплавкого металла из руды

В большинстве случаев используется стандартный алгоритм:

• обогащение добытой руды для получения ангидрида вольфрама;
• восстановление в ходе реакций с участием углерода или водорода (этот метод позволяет получить высококачественный вольфрамовый порошок);
• прессование и спекание — именно эти этапы механической и термической обработки необходимы для изготовления твёрдых слитков.

Производство прутков — это технологический процесс при Т 1500°C и обработка на спецоборудовании. Для получения проволоки прутки проходят этап волочения, нагрев до 1000 градусов, после остывания — отжиг, полировку и электролитическое травление.

Основные виды изделий из этого универсального материала:

• прутки;
• проволока;
• порошок;
• электроды;
• листы;
• фольга;
• полосы;
• ленты;
• пластины.

Самыми высокими, без преувеличения, уникальными параметрами жаростойкости обладает сплав с рением. Проволока, состоящая на 20% из рения и на 80% из вольфрама, используется при производстве высокотемпературных термопар. Они позволяют проводить измерения в широком диапазоне температур, верхняя граница превышает 2000 градусов по Цельсию.

Забавный факт: вольфрам успешно используется в мире фальсификаторов: благодаря плотности, близкой к характеристикам золота, он успешно применяется для подделки золотых слитков. Брусок может быть просто сверху позолочен. Но возможен и более хитрый вариант: слиток золота просверливается, и «начинкой» становятся вольфрамовые стержни.

Работа с твёрдым и одновременно хрупким металлом — процесс достаточно трудоёмкий, требующий высокую квалификацию специалистов и высокотехнологичное оборудование. Но сфера его применения расширяется с каждым годом. Начав карьеру с обычной осветительной лампочки, самый тугоплавкий металл стал незаменимым для авиакосмической промышленности (включая изготовление сопла ракет), для производства медицинских и бытовых приборов, а теперь участвует и в ядерной энергетике.