2.1.2. Вольфрам

Вольфрам – химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 74, атомная масса 183.92; тугоплавкий тяжелый металл светло-серого цвета. Природный Вольфрам состоит из смеси пяти стабильных изотопов с массовыми числами ¹⁸⁰W (0.2 %), ¹⁸²W (26.4 %), ¹⁸³W (14.4 %), ¹⁸⁴W (30.6 %) и ¹⁸⁶W (28.4 %). Вольфрам мало распространен в природе; его содержание в земной коре 1·10^–4 % по массе.

Физические свойства. Металлический вольфрам существует в двух полиморфных модификациях: W_α и W_β. W_α – обычная стабильная форма, кристаллизующая в объемноцентрированной кубической решетке с периодом а = 3.156 Å. W_β – неустойчивая модификация и при нагревании до 600…700 °С необратимо превращается в W_α. W_β – тоже кристаллизуется в объемноцентрированной кубической решетке, но образуются ячейки иного типа: в центре граней по два атома, а параметр а = 5.038 Å.

Электрические свойства вольфрама характеризуются высоким значением удельного сопротивления и его резким изменением с изменением температуры: при 20 °С – 5.5 ·10^–6 ом·см и при 2700 °С – 90.4, что позволяет быстро нагревать тело накала. Скорость испарения вольфрама изменяется с температурой: при 2730 °С она составляет 10^–7 (кг/м² с), при давлении насыщенных паров 10^–2 Па, и в 50 раз меньше при 2330 °С. Мелкозернистый вольфрам испаряется быстрее, чем крупнозернистый. Механические свойства вольфрама зависят от предшествующей обработки. Предел прочности при растяжении (кгс/мм²) для спеченного слитка 11, для обработанного давлением от 100 до 430; модуль упругости для проволоки 35000…38000 кгс/мм² и для монокристаллической нити 39000…41000; твердость по Бринеллю для спеченного слитка 200…230 кгс/мм², для кованного слитка 350…400. При комнатной температуре вольфрам малопластичен.

Химические свойства. В обычных условиях вольфрам химически стоек. При 400…700 °С компактный металл заметно окисляется на воздухе до WO₃. Пары воды интенсивно окисляют его выше 600 °С до WO₃. Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с вольфрамом при высоких температурах (фтор с порошкообразным вольфрамом – при комнатной). С водородом вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500 °С образует нитрид. При обычных условиях вольфрам стоек к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100 °С слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. В растворах щелочей при нагревании вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей – быстро; при этом образуются вольфраматы.

Вольфрам образует четыре оксида: высший WO₃ (вольфрамовый ангидрид), низший – WO₂ и два промежуточных W₁₀О₂₉ и W₄O₁₁. Вольфрамовый ангидрид – кристаллический порошок лимонно-желтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов.

Карбиды вольфрама WC (t_пл = 2900 °C) и W₂C (t_пл = 2750 °С) –тугоплавкие соединения повышенной хрупкости, получающиеся при взаимодействии вольфрама с углеродом при температуре 1000…1500 °С.

Применение. Вольфрам широко применяется в современной технике в виде чистого металла и в ряде сплавов, наиболее важные из которых – легированные стали, твердые сплавы на основе карбида вольфрама, износоустойчивые и жаропрочные сплавы. Вольфрам входит в состав ряда износоустойчивых сплавов, используемых для покрытия поверхностей деталей машин (клапаны авиадвигателей, лопасти турбин и другие). В авиационной и ракетной технике применяют жаропрочные сплавы вольфрама с других тугоплавкими металлами. В различных областях техники используют некоторые химические соединения вольфрама, например Na₂WO₄ (в лакокрасочной и текстильной промышленности), WS₂ (катализатор в органических синтезе, эффективная твердая смазка для деталей трения).

Тугоплавкость и низкое давление пара при высоких температурах делают вольфрам незаменимым для изготовления деталей электровакуумных приборов в радиоэлектронике и рентгенотехнике. Допустимая температура в вакууме 2560 °C. Применение чистого вольфрама ограничено из-за низкой температуры рекристаллизации (1000… 1100 °C). Проволока марки ВА, содержащая алюминиевую и кремнещелочную присадку (0.03 % Al₂O₃, 0.45 % SiO₂, 0.45 % KCl), способствующая повышению температуры рекристаллизации, используется для изготовления катодов прямого накала высоковольтных выпрямителей, магнетронов, а также в качестве навивочного материала сеток приемно-усилительных ламп и подогревателей катодов косвенного накала.