Глава XIII. Взгляни на лампочку (Вольфрам, молибден)

Светить всегда, светить везде...

В. Маяковский

Каких только ламп не бывает на свете! Самые маленькие - микроминилампочки загораются в механизмах электронно-вычислительных машин. Лампочки чуть больше зерна пшеницы глотают пациенты, если врачу необходимо воочию увидеть: что же все-таки болит у больного! А самые огромные лампы-солнца?! Прожекторы маяков пробивают лучом плотную мглу океана. Софиты заливают светом сцену, где радуются и страдают герои пьес. Юпитеры слепят глаза, плавят грим на лицах киноактеров, чтобы потом уже другие, более скромные лампочки кинопроекторов перенесли нас с вами в гущу захватывающих кинособытий.

Есть еще лампочки карманных фонариков и сигнальные лампы кораблей и самолетов, не боящиеся вибраций и атмосферных перипетий. И даже мини-лампочки наручных часов! И все же самые главные лампы на свете - те, которые, чуть смеркнется, изо дня в день загораются в квадратиках окон всех домов на всем белом свете... Им нет числа...

А впрочем, все же есть - в мире ежегодно выпускается несколько миллиардов электроламп.

Так взглянем на свою лампу. Глаза сразу слепнут, и по потолку плывут розовые и голубые змейки, повторяя изгибы спирали. Еще бы, ведь спираль (нить накаливания) обыкновенной электрической лампочки раскалена до +2500°С! При такой температуре светоотдача в 1000 раз больше, чем при "прохладной" температуре плавки стали. (Все познается в сравнении: +1400°С рядом с +2500°С почти прохлада!) Какой же металл способен на такие ежедневные подвиги? Вольфрам!

Вольфрам - первый металл по тугоплавкости: он плавится лишь при +3410°С! А закипает лишь при температуре поверхности Солнца +6000°С! Светоносный вольфрам имеет немало других талантов. И среди них главный - твердость. Придавать твердость сплавам - его главная роль в технике. Впервые этот талант вольфрама проявился во время первой мировой войны. Утром 15 сентября 1916 г. в районе Альбер-Перрона на реке Сомме англичанами была предпринята первая в мире танковая атака. Первой реакцией врага была тотальная паника. Но вскоре ситуация резко переменилась; броня перестала делать экипаж неуязвимым: немецкие снаряды нового образца с бронебойной головкой из вольфрама легко прошивали ее насквозь. Тогда англичане выставили вольфрам против вольфрама - ввели этот металл в состав броневой стали. В отчаянной схватке устояла и выиграла сражение броня.

И снова вольфрам во главе снаряда: из вольфрамовых сплавов конструируются головки американских баллистических ракет. Твердость часто сопровождается хрупкостью. Тогда конструкторы решили соединить самое твердое и хрупкое с самым упругим и мягким - вольфрам и каучук. Вискеры - игольчатые монокристаллы вольфрама - придают твердость и долговечность баллонам автомашин, работающих на горных дорогах, ведущих ежедневные бои с трением на крутизне и каменном грунте.

Неоднократно выигрывал вольфрам самые разные мирные и военные бои... Главный из них - бой за скорость. Начался этот бой еще в 1864 г., когда англичанин Роберт Мюшет добавил вольфрам в инструментальную сталь и сразу выиграл во времени обработки металла новыми резцами, позволявшими резать металл в 7 раз быстрее. Сегодня вольфрамовые стали, применяемые в металлообрабатывающей промышленности, помогли увеличить скорость резания до 2000 оборотов в минуту! Фантастика! Твердые металлокерамические сплавы - еще одна страница в биографии вольфрама.

Спекание порошковой смеси карбидов вольфрама, титана, ниобия, тантала рождает твердые сплавы необычайной прочности. Если кузнечный штамп из лучшей легированной стали способен произвести не более 10 тыс. ударов, твердосплавный штамп выдерживает более миллиона.

Все слыхали про твердый сплав с названием победит. Прославленный победит - пионер в своем деле. Он был изготовлен в 1929 г. на Московском электроламповом заводе. На ⁹/₁₀ победит состоял из карбида вольфрама и на ¹/₁₀ - из кобальта. Победитовые резцы, сверла, коронки буров для проходки твердых пород решили множество важных хозяйственных вопросов эпохи первых пятилеток.

Никола Карно, французский физик-теплотехник, один из создателей термодинамики, в трактате "Размышления о движущей силе огня" впервые установил, что коэффициент полезного действия любой тепловой машины зависит от разности внутренней и внешней температур. Конструкторы моторов стремились увеличить рабочий диапазон температур сколько можно. Но при температуре около +1000°С даже самые стойкие сплавы начинают размягчаться и корродировать. Металлургам пришлось создать принципиально новые жаростойкие электросплавы на основе таких дефицитных металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий, тантал, молибден и пионера термостойкости - вольфрама. Проблему моторов, впервые поставленную Карно, решили жаростойкие металлы.

Сегодня по широте проникновения в самые разные сферы науки и техники у вольфрама мало соперников: от таких сложных вещей, как дуговые термовакуумные печи, миниатюрные прокатные станы размером со средний чемодан или двигатели реактивных самолетов, до наших домашних лампочек и крошечных шариков в шариковых ручках, победивших благодаря вольфраму "вечное перо".

Но вот что удивительно. Как и железо, медь, кобальт, экстраметалл вольфрам начал свое знакомство с человеком с мира красок! Еще в XVII в. в Китае умели делать поразительно красивый фарфор цвета персика. Нежный цвет персика рождался соединениями вольфрама. В наше время древний секрет императорского китайского фарфора разгадан и вольфрамовые пигменты активно используются в красках, лаках и эмалях.

А что за странное имя у этого столь щедро одаренного металла? Ведь по-немецки "вольф" - волк! А "рам" - пена, копоть. "Волчья пена" - странное слово! Оно возникло в средние века. Вы помните, что рудокопам встречались словно "заговоренные" руды серебра и меди? Точно так же обстояло дело и с оловом. Бывало, оловянная руда при выплавке металла покрывалась желто-серой пеной. Если в плавку попадал неприметный серо-желтый камень, ценное олово уносилось серой пеной. Металлурги говорили, что "вольфрам похищает олово, как волк овцу". Замечательный шведский химик Карл Вильгельм Шееле, уже обеспечивший себе к тому времени лавры бессмертия открытием кислорода, азота, марганца и хлора, установил, что "волчья пена" является солью неизвестной еще кислоты. Он назвал соединение "тунгстен"-тяжелый камень. (Высокая плотность - еще один характернейший признак вольфрама и его минералов. 1 см³ из вольфрама достигает более 19 г.) Но в минералогии этот важнейший рудный минерал вольфрама (CaWO₄) получил другое имя - шеелит, в честь Карла Вильгельма Шееле. И именно из этого минерала два года спустя испанские химики братья д'Элуяр впервые получили новый элемент. Свое имя "вольфрам" новый металл приобрел в память о дурной славе "волка - пожирателя овец".

Вольфрамит

Подчас необычайно выглядит вольфрамовый рудник. Гиганты машины хватают ковшами-пастями глыбы руды. Крутится карусель груженных рудой и опустошенных "БелАЗов" и "КрАЗов" в слаженном ритме - словно в заводной игрушке великана! И вдруг заминка: исчезло рудное тело - не видна на глаз тонкораспыленная вкрапленность рудного минерала вольфрама шеелита. На помощь приходит физика: в ультрафиолетовых лучах люминесцентной лампы шеелит светится: стена забоя расцветает светящимися голубыми точками. Голубое волшебно-люминесцирующее свечение - самая яркая особенность одного из основных минералов вольфрамовой руды - шеелита. Этот минерал имеет привычку прятаться среди похожих на него серых, кремовых или зеленовато-желтых полевых шпатов и кварца. Отличается шеелит формой кристаллов: они напоминают сплющенные октаэдры. Блеск у него алмазный или жирный. Но главное отличие шеелита - тяжесть. Тунгститом называют и сейчас шеелит в Англии. Твердость шеелита меньше твердости кварца и полевых шпатов, к тому же он очень хрупок. Шеелит может быть вкрапленным в отдельные участки кварц-полевошпатовой породы, а может встречаться и в виде сплошных шеелитовых жил. Высокая плотность удерживает минерал в песке речных долин.

Второй из главных минералов вольфрама - вольфрамит. Столбчатые (и пластинчатые) кристаллы вольфрамита трудно спутать с другими минералами. В пустотках рудных жил они как блестящие черные лопатки торчат между островерхих кристалликов кварца, а в самих кварцевых жилах словно наконечники копий нацелены от кромки жилы (зальбанда) к ее центру.

Для вольфрамита (Fe,Mn)WO₄ - железомарганцевой соли вольфрамовой кислоты - характерно переменное содержание железа и марганца. В разных месторождениях, в разных рудных телах, на разной глубине одного и того же рудного тела могут кристаллизоваться и внешне разные вольфрамиты - от темно-коричневых марганцевых до черных железистых. Некоторые марганцевистые разности слабо просвечивают. Вольфрамит, богатый железом, слабо магнитен. Чисто марганцевая разность гюбнерит отличается красноватым цветом и сильным полуметаллическим блеском.

Молибденит

И в технике, и в рудных телах вольфрам часто неразлучен со вторым важнейшим из жаростойких металлов - молибденом.

Молибден - металл, живущий под чужим именем. Назван он был по его сульфиду - минералу молибдениту - это логично. Но сам-то молибденит назван так явно по недоразумению, ибо слово "молибдос" означает по-гречески "свинец". Правда, в древности так называли не только свинец, но и свинчак (мелкозернистую свинцовую руду, тонкоагрегатную разновидность галенита), а заодно и сходные серые тонкозернистые мажущиеся камни - графит и молибденит.

Надо сказать, что в кристаллах все три минерала различаются довольно просто. Галенит образует блестящие темно-серые кубики. Молибденит кристаллизуется в виде несовершенных шестигранных табличек, гибких и мягких под пальцами, которые легко можно расщепить ногтем на тонкие листочки, и на пальцах при этом остается голубовато-серый, жирный на ощупь порошок. Графит же вообще очень редко образует кристаллы^*. Но в мелкозернистом агрегате эти минералы очень похожи, и их путали не только античные и средневековые натуралисты и рудознатцы, это и до сих пор "любимые" ошибки студентов.

^* (Розетки, и чешуйки графита похожи на молибденитовые, но не эластичны. Чтобы различить их, на помощь приходят также их различная плотность и цвет черты.)

Чтобы различать эти три минерала, нужен всего клочок бумаги. Галенит ее рвет (его твердость 2), а голубоватая черта молибденита отчетливо отличается от серой графита. Свойство молибденита и графита - хорошо чертить бумагу - определило их специальность - в старину из них изготовляли карандаши. Молибденовых голубовато-серых карандашей давно не делают. Пластичность молибденитовых чешуек используют при производстве высокотемпературных смазок.

Основная сфера деятельности молибдена - легирующие добавки к сталям. Близость кристаллической решетки железа и молибдена позволяет им образовать твердые растворы, причем установлено, что даже незначительная добавка молибдена способствует медленному росту зерен стали в период кристаллизации металла, обеспечивая ему равномерную мелкозернистую структуру. Эта особенность молибденовой стали дает великолепный эффект - с возрастанием твердости возрастает и вязкость металла. Недаром молибден, как и вольфрам, долго называли "военным" металлом: броня танков и кораблей, стволы орудий, бронебойные снаряды - основные потребители молибденосодержащей стали. Только "военным" этот металл был задолго до появления танков и пушек: легендарные самурайские мечи, секрет которых в Японии хранился веками, содержали природную примесь молибдена.

В настоящее время основной потребитель молибденовых сталей - авиация.

И еще одно важное применение молибдена. Вы ведь помните, каким мягким, жирноватым на ощупь является природный дисульфид молибдена - молибденит? Это же свойство сохраняется и у его искусственно выращенного родственника. И оказывается, что это вещество может служить великолепной твердой смазкой подшипников и других механизмов там, где обычные смазки отказываются работать, например при температуре -90°С в Антарктиде.