Открытие вольфрама связано с именами шведского химика Карла Вильгельма Шееле (известного своими научными исследованиями и открытиями многих веществ, в частности, он первый открыл хлор), а также испанских химиков, братьев д’Элуяр (д’Эльгуайр).
В 1781 году Шееле, исследуя минерал тунгстен, в переводе на русский язык тяжелый камень, установил, что он является соединением кальция с неизвестной кислотой, которую К. Шееле назвал тунгстеновой. Эту же кислоту в 1783 году обнаружили братья д’Элуяр в другом минерале в вольфрамите. Вольфрамит был известен давно и часто встречался в оловянных рудах. Знаменитый ученый XVI века Агрикола сказал о нем «пожирает олово, как волк овцу», так как при плавке оловянных руд вместе с вольфрамитом в пену шлака всплывало значительное количество олова. Именно поэтому Агрикола назвал этот минерал волчья пена. У нас на Урале вольфрамит был известен как «волчец».
Получив тунгстеновую кислоту (сейчас она называется вольфрамовой) из вольфрамита, братья д’Элуяр при помощи углерода сумели из нее извлечь новый элемент в виде чистого металла, который по аналогии с исходным минералом был назван вольфрамом. Во многих странах, в частности в Англии и Соединенных Штатах Америки, этот минерал имеет название тунгстен, а термин вольфрам иногда употребляется применительно к минералу вольфрамиту.
Следует заметить, что тунгстен, минерал, в котором К. Шееле впервые установил новый элемент, переименован и назван в честь этого химика шеелитом.
Вольфрам в химически чистом виде минерал серебристо-стального (светло-серого) цвета, отличающийся большой твердостью и тугоплавкостью. Он плавится при температуре около 3 410°С (для сравнения: температура плавления олова 232°С, свинца 328°С, золота 1 063°С, железа 1 539°С), при температуре около 1 600°С поддается ковке и может вытягиваться в очень тонкую нить. Для кипения расплавленный вольфрам необходимо нагреть до 5 900°С, то есть до температуры поверхности солнца (железо кипит при 3 000°С). Соляная, серная и плавиковая кислоты слабо действуют на вольфрам; в азотной кислоте, в смеси азотной и плавиковой кислот, а также в «царской водке» он растворяется и образует вольфрамовую кислоту.
В природных условиях известно десять вольфрамовых минералов. Один из них — тунгустит (вольфрамовая кислота), восемь соединения (соли) вольфрамовой кислоты с железом, марганцем, кальцием, молибденом, свинцом, медью (вольфра-маты) и один — тунгстенит соединение серы с вольфрамом (сульфид). Основные минералы, из которых извлекается вольфрам, вольфрамит и шеелит.
Вольфрамит это тяжелый, непрозрачный минерал буровато-черного цвета с зеркальным или жирным блеском, легко царапается стальным ножом, хрупкий, при ударе раскалывается на пластинки. Если вольфрамитом поцарапать осколок фарфора, то на осколке остается темно-бурая черта. Вольфрамит электромагнитен электромагнит притягивает его частицы; сильные магниты также способны притягивать этот минерал. Встречается в виде сростков продолговатых пластинок.
Шеелит также тяжелый, непрозрачный минерал серого, желтого, зеленовато-желтого, бурого, редко красного цвета, иногда бесцветный, имеет жирновато-зеркальный блеск, хорошо царапается ножом, хрупкий, но, раскалываясь, пластинок не образует, на фарфоре оставляет белую черту. Встречается в зернистых массах, реже в виде восьмигранных кристаллов.
Получение металлического вольфрама очень трудоемкий, сложный и длительный процесс. Добытую горняками вольфрамовую руду, в которой . обычно содержится меньше одного процента вольфрама, перерабатывают на обогатительных фабриках. Затем на специальных машинах отделяют тяжелые минералы от более легких. Этот процесс называется гравитационной сортировкой. Вольфрамит и шеелит вместе с другими минералами, близкими им по удельному весу, попадают в гравитационный концентрат, а основную, более легкую, часть руды выбрасывают. В гравитационном концентрате обычно содержится много вредных для вольфрама примесей сульфидов других металлов. Чтобы их удалить, используют так называемую флотацию. Гравитационный концентрат поступает в флотационные агрегаты, и одновременно в них подается вода с добавкой разнообразных веществ, способных образовывать пену. В процессе флотации сульфиды обволакиваются этими веществами, как бы прилипают к пузырькам пены, этими пузырьками выносятся на поверхность и механически удаляются. Флотация повторяется неоднократно на нескольких машинах, но и после этого не получается необходимой чистоты концентрата. В оставшейся после флотации зернистой кашице вместе с вольфрамовыми минералами содержатся ненужные и в большинстве своем вредные минералы, которые также необходимо удалить. Но иногда легче выбрать вольфрамовый минерал-примесь. Так, если имеется смесь вольфрамита и касситерита, то ее просушивают и пропускают через узел электромагнитной сепарации. Там электромагниты притягивают вольфрамит, и он поступает в вольфрамовый концентрат, тогда как немагнитный или слабо магнитный касситерит остается в оловянном концентрате.
После всех процессов обогащения получается вольфрамовый концентрат, содержащий до 50 процентов вольфрама с оставшимися примесями других минералов, от которых на обогатительных фабриках полностью избавиться не удается. Этот концентрат (вольфрамитовый или шеелитовый) поступает на металлургические заводы.
Вольфрам долгое время не находил практического применения. И только в конце XIX века замечательные свойства этого металла стали использоваться в промышленности. В настоящее время около 80 процентов добываемого вольфрама применяется в вольфрамовых сталях, около 15 процентов вольфрама используют для производства твердых сплавов. Важной областью применения чистого вольфрама и чистых сплавов из него является электротехническая промышленность, где он используется при изготовлении нитей накаливания электрических ламп, для деталей радиоламп и рентгеновских трубок, автомобильного и тракторного электрооборудования, электродов для контактной, атомно-водородной и аргоно-дуговой сварки, нагревателей для электропечей и др. Соединения вольфрама нашли применение в производстве огнестойких, водоустойчивых и утяжеленных тканей, как катализаторы в химической промышленности.
Купить вольфрам ценность которого особенно повышает его способность образовывать сплавы с различными металлами железом, никелем, хромом, кобальтом, молибденом, которые в различных количествах входят в состав стали. Вольфрам, добавленный в небольших количествах к стали, вступает в реакции с содержащимися в ней вредными примесями серы, фосфора, мышьяка и нейтрализует их отрицательное влияние. В результате сталь с добавкой вольфрама получает высокую твердость, тугоплавкость, упругость и устойчивость против кислот. Всем известно высокое качество клинков из дамасской стали, в которой содержится несколько процентов примеси вольфрама. Еще в. 1882 году вольфрам стали использовать при изготовлении пуль. В орудийной стали, бронебойных снарядах также содержится вольфрам. Сталь с присадкой вольфрама идет на изготовление прочных рессор автомобилей и железнодорожных вагонов, пружин и ответственных деталей различных механизмов. Рельсы, изготовленные из вольфрамовой стали, выдерживают намного большие нагрузки, и срок их службы значительно дольше, чем рельсов из обычных сортов стали. Замечательным свойством стали с добавкой 9-18 процентов вольфрама является ее способность к самозакаливанию, то есть при увеличении нагрузок и температуры эта сталь становится еще прочнее. Эго свойство явилось основанием для изготовления целой серии инструментов из так называемой «быстрорежущей инструментальной стали». Применение резцов из нее позволило в свое время в несколько раз увеличить скорость обработки деталей на металлорежущих станках.
И все же инструменты, изготовленные из быстрорежущей стали, по скорости резания в 35 раз уступают инструментам из твердых сплавов. К их числу относятся соединения вольфрама с углеродом (карбиды) и бором (бориды). Эти сплавы по твердости близки к алмазам. Если условная твердость самого твердого из всех веществ алмаза выражается 10 баллами, то твердость вольфрамо-карбида (вокара) 9,8. К числу этих сплавов относится и широко известный победит сплав углерода с вольфрамом и добавкой кобальта. Сам победит вышел из употребления, но это название сохранилось применительно к целой группе твердых сплавов. В машиностроительной промышленности из твердых сплавов изготавливают также штампы для кузнечных прессов. Они изнашиваются примерно в тысячу раз медленнее стальных.
Особенно важной и интересной областью применения вольфрама является изготовление элементов накала (нитей) электрических ламп накаливания. Для изготовления нитей электроламп используют чистый вольфрам. Свет, излучаемый раскаленной нитью вольфрама, близок к дневному. А количество света, излучаемое лампой с вольфрамовой нитью, в несколько раз превышает излучение ламп из нитей, изготовленных из других металлов (осьмия, тантала). Световое излучение (световая отдача) электроламп с вольфрамовой нитью в 10 раз выше, чем у ранее применявшихся ламп с угольной нитью. Яркость свечения, долговечность, экономичность в потреблении электроэнергии, небольшие затраты металла и простота изготовления электрических ламп с вольфрамовой нитью обеспечили им самое широкое применение при освещении.
Широкие возможности применения вольфрама обнаружились в результате открытия, сделанного известным американским физиком Робертом Уилъямсом Вудом. В одном из опытов Р. Вуд обратил внимание на то, что свечение вольфрамовой нити с торцовой части катодной трубки его конструкции продолжается и после отключения электродов от аккумулятора. Это настолько поразило его современников, что Р. Вуда стали называть чародеем. Исследования показали, что вокруг нагретой вольфрамовой нити происходит термическая диссоциация молекул водорода они распадаются на отдельные атомы. Послеотключения энергии атомы водорода снова соединяются в молекулы, и при этом выделяется большое количество тепловой энергии, достаточное, чтобы раскалить тонкую вольфрамовую нить и вызвать ее свечение. На этом эффекте разработан новый вид сварки металлов атомно-водородный, давший возможность сваривать различные стали, алюминий, медь, латунь в тонких, листах с получением чистого и ровного шва. Металлический вольфрам при этом используется в качестве электродов. Вольфрамовые электроды применяются также и при более широко распространенной аргонодуговой сварке.
В химической промышленности вольфрамовая проволока, очень стойкая против кислот и щелочей, применяется для изготовления сеток различных фильтров. Вольфрам нашел применение также как катализатор с его помощью изменяют скорость химических реакций в технологическом процессе. Группа вольфрамовых соединении в промышленности и лабораторных условиях используется как реактивы для определения белка и других органических и неорганических соединений.
Вольфрамовые соединения используются и в полиграфической промышленности в качестве красок (шафрановая, вольфрамовая синь, вольфрамовая желть). Пиротехники добавляют соединения вольфрама в состав горючих смесей и получают разноцветные огни ракет и фейерверков. В свето-печатании используется бумага, обработанная вольфрамитом натрия. В текстильной промышленности солью вольфрамовой кислоты вольфраматом натрия протравливают ткани при крашении. Такие ткани непромокаемы и не боятся огня. Дерево тоже становится огнестойким, если его обработать этим веществом.
Даже неполный перечень применения вольфрама и его соединений в промышленности дает представление о высокой ценности этого элемента. Сейчас трудно представить, как бы любой из нас смог обходиться даже в повседневной жизни без вольфрама. И конечно, возможности его использования будут раскрываться и дальше.
Почти вся мировая вольфрамовая промышленность в период первой мировой войны была сосредоточена в Германии. Но сырье для нее вольфрамовые концентраты поставлялись из других стран. Поэтому, изолированные от поставщиков сырья, немцы вынуждены были перерабатывать шлаки, скопившиеся около оловянных плавилен (вспомним «волчью пену»!) и получали из них около 100 тонн вольфрама в год.
В это же время потребности военной промышленности в вольфраме вызвали «вольфрамовую лихорадку» во многих странах. В России поставщиками вольфрамовых руд стали Урал и Забайкалье. Стараясь нажиться па «вольфрамовой лихорадке», предприниматели не очень считались с интересами государства. Так, промышленник Толмачев, владевший Забайкальскими месторождениями Букука и Оланду, решил сдать их в аренду шведской фирме. И только своевременное вмешательство Геологического комитета предотвратило это. В условиях военного времени рудники у этого дельца были реквизированы.
Перед началом первой мировой войны в 1913 году в мире было произведено 8 123 тонны вольфрамового концентрата (с содержанием 60 процентов трехокиси вольфрама). Перед второй мировой войной его производство быстро увеличилось и в 1940 году составило 44 013 тонн (без Советского Союза). По данным Горного бюро США, в 1972 году мировое производство вольфрама составило около 38 400 тонн.
Вольфрам малораспространенный элемент. Однако на отдельных участках земной коры вольфрамовые минералы образуют концентрации с содержанием вольфрама до одного процента и более. Большинство месторождений вольфрама располагается по прерывистому кольцу вокруг Тихого океана. Они известны в Китае, Корее,. Японии, Бирме, Новой Зеландии, Перу, Аргентине, Боливии, Мексике, США, Канаде и в других странах. В Советском Союзе кладовые вольфрама открыты в Забайкалье, на Кавказе, в Приморье и в пределах Северо-Востока.
