Представьте себе материал, который остается целым и невредимым, когда железо рядом с ним не только плавится, но и закипает. Речь идет о вольфраме — самом «выносливом» металле из Периодической системы химических элементов Дмитрия Менделеева. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с вольфрамом, ведь из него делают нити ламп накаливания, детали компьютеров и смартфонов, сверла и режущие инструменты. Из этой статьи вы узнаете об истории использования, основных свойствах, методах получения и областях применения этого металла.
История открытия и использование вольфрама
Металлурги знакомы с вольфрамом как минимум с XVI века. Ремесленники из Саксонии — земли на границе современных Германии и Чехии — считали его своим проклятием. Дело в том, что главным богатством этого региона были оловянные руды, но среди ценных пород горняки часто встречали темные вкрапления некоего тяжелого вещества. Когда такая руда попадала в плавильную печь, происходило необъяснимое. Вместо того чтобы разделяться, металлы образовывали густую грязную пену — шлак, не поддающийся дальнейшей выплавке. Неизвестное им вещество саксонцы сравнивали с волком, пожирающим овец, и именно так образовалось его название. В переводе с немецкого языка на русский «Wolf Rahm» означает «волчья пена».
На протяжении веков термин «вольфрам» оставался скорее профессиональным ругательством. Однако в 1781 году шведский химик Карл Шееле, проводя опыты с образцом породы, обнаружил в нем неизвестную ранее кислоту, позже названную вольфрамовой. Ученый назвал минерал «tung sten», что в переводе со шведского означает «тяжелый камень». Это наименование закрепилось за вольфрамом в англоязычных странах, а содержащий его минерал назвали шеелитом в честь Шееле. Примерно в то же время испанские братья Хуан Хосе и Фаусто д’Элюар открыли еще один минерал — вольфрамит, — из которого им удалось извлечь металл в чистом виде.
До середины XIX века вольфрам оставался лабораторной диковинкой, не находившей практического применения. Однако затем промышленники начали добавлять его в сталь, что существенно улучшило ее свойства. Так в 1868 году британский предприниматель Роберт Мушет изобрел самозакаливающуюся сталь (прим. ред.: ее можно было закалять на воздухе, а не в воде, как это делалось ранее) с 7% вольфрама в составе. Благодаря новому материалу станки могли работать на значительно более высоких скоростях, так как их резцы не теряли остроты при нагреве.
Но настоящая слава пришла к вольфраму в конце XIX века. Один из изобретателей лампочки русский инженер Александр Лодыгин в 1893 году запатентовал вольфрамовую нить накаливания, что впоследствии фундаментально изменило индустрию электрического освещения. Пару десятилетий спустя американский физик Уильям Кулидж доработал изобретение Лодыгина, представив нити из ковкого вольфрама. Продукт из спрессованного вольфрамового порошка, многократно обработанного при высоких температурах, был пластичным и очень прочным, что позволило одновременно увеличить яркость и продлить срок службы ламп накаливания. С того времени вольфрам, с легкостью выдерживающий жар сильного тока, является незаменимым материалом в электротехнике.
Физические и химические свойства вольфрама
Среди всех металлов вольфрам обладает самой высокой температурой плавления — 3 422 °C. Для сравнения — аналогичный показатель у самой выносливой стали составляет 1 500 °C, и, даже когда она закипает при 3 000 °C, вольфрам лишь размягчается. Среди природных веществ по температуре плавления вольфрам превосходят только графит и алмаз, однако они не являются металлами и имеют иные функциональные особенности. Таким образом, тугоплавкость вольфрама делает его незаменимым во множестве отраслей промышленности.
А теперь поговорим и о других значимых физических свойствах вольфрама.
- Плотность. Вольфрам — очень тяжелый металл. По показателю плотности — 19,3 г/см3 — он практически идентичен золоту и совсем немного уступает платине. Кусок вольфрама с объемом, равным литровой бутылке воды, будет весить больше 19 кг.
- Твердость. По шкале Мооса, отражающей относительную твердость материалов, вольфрам имеет 7,5 баллов. Этот показатель больше, чем у титана и некоторых видов закаленной стали.
- Механические свойства. Несмотря на значительную твердость, вольфрам очень хрупок и легко раскалывается от небольших физических воздействий. Этот «недостаток» нивелируется с помощью ковки или создания сплавов, например, с железом и никелем.
- Электропроводность. Вольфрам хорошо проводит электрический ток, хотя и заметно уступает по этому показателю серебру, меди и золоту. Кроме того, при нагреве его сопротивление увеличивается — с каждым градусом примерно на 0,5%. Тем не менее вольфрам ценится за то, что остается стабильным проводником при температурах свыше 3 000 °C.
С точки зрения химии можно отметить достаточно высокую инертность вольфрама. При комнатной температуре он устойчив к коррозии и не покрывается ржавчиной на воздухе или под воздействием влаги. Однако при нагреве от 400 °C ситуация меняется, и начинает формироваться налет в виде оксида вольфрама (WO3). Это соединение легко отслаивается и испаряется, что ведет к быстрой потере массы вольфрамового изделия. Поэтому при высокой рабочей температуре вольфрам защищают от кислорода, помещая в вакуум или емкости, заполненные инертными газами. Например, внутренняя полость лампы накаливания заполнена аргоном, и при попадании туда кислорода вольфрамовая нить моментально испарится.
Одним из наиболее функциональных веществ является карбид вольфрама — химическое соединение с равным количеством атомов углерода и вольфрама (WC). Карбид имеет экстремальную твердость — с 9,5 баллов по шкале Мооса он уступает только алмазу и отлично подходит для обработки большинства других материалов. В форме карбида вольфрам уже не «боится» кислорода, что позволяет работать с ним на воздухе при нагреве до температур, приближающихся к 3 000 °C. Кроме того, несмотря на нарушенные металлические связи, материал обладает хорошей электропроводностью и также находит применение в электротехнике.
Месторождения вольфрама и мировые лидеры добычи
Безоговорочным мировым лидером как по запасам вольфрама, так и по его добыче является Китай. По данным за 2024 год, в месторождениях КНР содержится 2,4 млн тонн этого стратегически важного для человечества металла — немного больше, чем у всех остальных стран мира вместе взятых. При этом в данном объеме учтены только рентабельные запасы, то есть те, которые можно добывать с расчетом на будущую прибыль. Компании из этой страны ежегодно добывают от 67 000 до 80 000 тонн вольфрама, контролируя примерно 80% глобального рынка.
Также среди лидеров по добыче вольфрама можно отметить следующие страны (прим. ред.: в скобках указаны показатели среднегодовой добычи и рентабельных запасов, в тысячах тонн):
- Вьетнам (5,3 / 140). В последние годы страна является одним из самых стабильных поставщиков вольфрама на мировые рынки. Этому способствуют как активная разведка новых месторождений, так и развитие перерабатывающей инфраструктуры.
- Россия (2,6 / 400). Наша страна обладает значительными запасами вольфрама, однако они распределены по десяткам небольших месторождений на огромной территории. Такая разрозненность предполагает колоссальные логистические затраты, что сказывается на общей добыче.
- Северная Корея (1,4 / 29). Данные о добыче в одной из самых закрытых стран мира весьма скудны, а потому основаны на косвенных показателях. Тем не менее КНДР активно поставляет вольфрам в Китай, который стремится замещать собственную добычу более дешевым импортом.
- Боливия (1,1 / 100). Исторически в Боливии вольфрам добывают и обрабатывают преимущественно кустарными методами, что сказывается на объемах добычи. Только в последние годы в этой южноамериканской стране наблюдается развитие технологического комплекса для увеличения масштабов производства.
В природной среде вольфрам находится не в чистом виде, а в составе минеральных соединений. В основном к ним относятся вольфрамит — соединение с железом и марганцем, — а также шеелит, в котором вольфрам соединен с кальцием. Давайте поговорим о крупных месторождениях, которые внесли заметный вклад в развитие всей вольфрамовой отрасли.
- «Шичжуюань» (Китай). Месторождение в провинции Хунань — это самая настоящая «вольфрамовая столица» мира. Там содержится примерно 500 000 тонн металла — пятая часть всех китайских запасов, больше, чем в любой другой стране мира.
- «Нуйфао» (Вьетнам). Разработка месторождения началась в 2014 году, и именно оно позволило Вьетнаму подняться на 2 строчку в глобальном рейтинге добычи вольфрама. Помимо него там добывают золото, титан, молибден и цирконий.
- «Тырныаузское» (Россия). Хотя большая часть отечественного вольфрама распределена по Дальнему Востоку, крупнейшее его месторождение находится в Кабардино-Балкарии. В начале XXI века шахта была законсервирована по экономическим причинам, однако в настоящее время ведутся работы по ее повторному вводу в эксплуатацию.
Методы добычи и переработки вольфрама
В земной коре вольфрам встречается крайне редко — среди всех элементов его доля составляет немногим более одной десятитысячной процента. В рудах этого металла также содержится совсем мало — разработка месторождения считается экономически целесообразной, если доля вольфрама в руде составляет не меньше 0,1%. Сейчас мы с вами реконструируем путь, который проходит вольфрам от заключения в скальных породах до выхода на рынок металлов.
Выбор метода добычи вольфрамовой руды зависит от ее близости к поверхности. При глубине до 200, а в отдельных случаях и до 400 метров предпочтение отдается открытому методу — разработке карьеров. Важным условием является невысокая мощность вскрышных пород, то есть земли, скрывающей под собой руду. Открытый метод позволяет экономить время и деньги, однако при глубоком залегании рудных жил или их расположении под горными массивами, как в Тырныаузе, специалистам приходится прибегать к закрытому методу — строительству шахт. Прокладывание километров туннелей требует серьезных финансовых вложений, а потому подземные рудники оправдывают себя при достаточно высокой доле содержания вольфрама в породах.
После извлечения из недр Земли шеелит или вольфрамит подвергаются многоэтапной трансформации. Вольфрам невозможно получить с помощью обычной выплавки в печи по двум уже известным нам причинам: сверхвысокая тугоплавкость и реакция с кислородом, который в значительных количествах содержится в обоих минералах. Процесс переработки вольфрама делится на 3 основных этапа.
- Обогащение. Так как содержание вольфрама в руде очень невелико, сначала ее превращают в концентрат. Сперва породы мелко дробят для высвобождения минералов. В случае с более плотным вольфрамитом используют метод гравитационного разделения — под воздействием вибрации в тонком слое воды его тяжелые частицы оседают на дно емкости. Для извлечения шеелита предпочтительнее флотация — сырье смешивают с водой и реагентами, в результате чего пузырьки подхватывают зернистый минерал и выносят его на поверхность в виде пены.
- Гидрометаллургия. В готовом концентрате содержание вольфрама возрастает до 60 – 70%, и следующей важной задачей является удаление примесей. Первоначально сырье смешивают с щелочными компонентами, часто с содой, и помещают в автоклав — герметичное устройство, внутри которого создаются условия с температурой до 250 °C и давлением до 3,5 МПа. В результате выщелачивания образуется раствор вольфрамата натрия, который все еще содержит нежелательные для качественного металла примеси: мышьяк, фосфор и кремний. Их отделяют с помощью химических реагентов, после чего в очищенном растворе посредством химических реакций натрий «подменяется» аммонием. В результате получается порошкообразный паравольфрамат аммония (ПВА) — основная товарная форма вольфрама.
- Извлечение вольфрама. Чтобы получить из ПВА металл, сначала его прокаливают, получая оксид вольфрама — ту самую летучую «ржавчину», о которой мы говорили в начале статьи. Полученную массу подвергают воздействию потока горячего водорода, который активно забирает кислород из оксида. В результате образуется водяной пар и чистый вольфрамовый порошок. В отличие от других металлов, вольфрам не отливают в слитки, а прессуют в плотные брикеты. В бескислородной среде их доводят почти до температуры плавления, благодаря чему межатомные связи усиливаются, и получается пластичный ковкий вольфрам, полностью готовый к использованию на производстве.
Вольфрам в металлургии и производстве сплавов
В металлургии вольфрам редко используют в чистом виде, однако он является одним из ключевых компонентов для улучшения других металлов. Больше половины всей мировой добычи вольфрама идет на производство сплавов. Для их изготовления специалисты могут использовать ферровольфрам — сплав вольфрама с железом, получаемый с помощью химических реакций восстановления углеродом. Ферровольфрам имеет более низкую температуру плавления, часто не превышающую 2 000 °C, благодаря чему подходит для традиционных методов металлургии. Сплавы с вольфрамом можно разделить на следующие основные группы.
- Быстрорежущие стали — содержат от 6 до 19% вольфрама. В такие сплавы добавляют и другие выносливые металлы, такие как молибден, хром и кобальт. В результате режущие инструменты и сверла сохраняют свою функциональность, когда работают на столь высоких скоростях, что раскаляются докрасна.
- Жаропрочные сплавы — никелевые суперсплавы содержат до 10 – 16% вольфрама. В основном их используют в аэрокосмической промышленности, где жаропрочность особенно важна при создании турбин реактивных двигателей.
- Тяжелые сплавы — содержат до 97% вольфрама с добавками никеля, железа или меди. Такие материалы превосходят свинец по плотности как минимум в 1,5 раза. Они в значительной степени поглощают рентгеновское и гамма-излучение, а потому находят применение в сфере радиационной защиты.
Применение вольфрама в электронике и электротехнике
В электронике и электротехнике ценится не только стойкость вольфрама, но и его способность проводить ток в экстремальных условиях. Область применения этого металла уже давно не ограничивается нитями накаливания в лампах и электронно-лучевых трубках. Вольфрам играет особую роль в производстве многочисленных высокотехнологичных устройств. Перечислим некоторые из них.
- Центральные и графические процессоры. В современных процессорах могут размещаться десятки миллиардов транзисторов, управляющих потоками электричества. Крошечные вольфрамовые столбики обеспечивают стабильный контакт между слоями микросхемы, предотвращая их деградацию при нагреве.
- Рентгеновские трубки. В медицине, научных исследованиях, дефектоскопии и ряде других областей вольфрам необходим для создания рентгеновских снимков. Когда мощный поток электронов на огромной скорости врезается в металлическую мишень — анод, — ей необходимо выдержать «бомбардировку» и не расплавиться. Кроме того, вольфрамовые детали в медицинских приборах защищают врачей от излучения.
- Силовая электроника. В электрощитах или системах зажигания автомобилей, где достигается колоссальная сила тока, медные контакты могут привариться друг к другу или буквально испариться. Проблема решается с помощью композитного материала с внешней вольфрамовой оболочкой. Даже если медь внутри начинает плавиться, вольфрам не позволяет ей потерять форму и спасает контакты от разрушения в критической ситуации.
- Смартфоны и портативные гаджеты. Иногда в вольфраме ценят не только электропроводность — благодаря ему наши телефоны могут вибрировать. Чтобы создать вибрацию в таком маленьком корпусе, микромотор должен быть оснащен специальным грузиком, который будет иметь достаточный вес при минимальном размере. Ни один материал не справляется с задачей лучше, чем вольфрам.
Вольфрам в военной и космической промышленности
В современной военной промышленности на первый план выходит колоссальная плотность вольфрама. Из него создают снаряды, способные пробивать броню не за счет взрыва, а благодаря огромной массе, сконцентрированной в малом объеме. Снаряды из вольфрамовых сплавов имеют вытянутую форму. В момент выстрела они достигают скорости более 5 000 км/ч и, попадая в броню, не расплющиваются, а проходят ее насквозь. Также вольфрам используют для производства смертоносных осколочных боеприпасов. Тысячи металлических шариков помещают внутрь боевой части ракеты, и при взрыве они разлетаются во все стороны с огромной скоростью.
В космической отрасли термостабильность материалов имеет колоссальное значение. Во время работы ракетных двигателей, когда другие металлы достигают своих температурных пределов, вольфрам стабильно выдерживает жар от раскаленных газов. Кроме того, сильно разогреваются спускаемые модули, входящие в земную атмосферу на гиперзвуковой скорости. Вольфрамовые сплавы в составе тепловых экранов и элементов обшивки принимают на себя основной удар, способствуя благополучному возвращению космонавтов или оборудования на Землю.
Экономическое значение вольфрама и мировая торговля
По большому счету, рынок вольфрама представляет собой монополию, так как Китай в отдельные периоды контролирует до 85% всего мирового производства этого металла. Страна использует этот ресурс как рычаг не только экономического, но и геополитического давления. Одной из наиболее значимых тенденций последних лет являются экспортные ограничения — на конец 2025 года множество традиционных каналов поставок оставались в фактически замороженном состоянии. Глобальный дефицит способствует устойчивому росту цен на сырье. При этом востребованность вольфрама в промышленности также стремительно растет — в оборонной промышленности и «зеленой» энергетике заменить его другими металлами крайне сложно.
Крупные западные и азиатские страны прекрасно осознают опасность зависимости от единственного поставщика. В наши дни разрабатываются и уже реализуются множество масштабных проектов. Южнокорейский рудник Сангдонг простаивал более 30 лет, но был вновь запущен в декабре 2025 года, пока что в тестовом режиме. США инвестируют значительные средства в разработку казахстанских месторождений «Верхнее Кайрактинское» и «Северный Катпар» с целью создания альтернативного хаба вольфрама. В Европе около трети потребностей рынка обеспечивает вторичная переработка, которая также является важной частью экологической политики Евросоюза.
Перспективы развития технологий с использованием вольфрама
Вольфрам — это один из немногих металлов, которые можно перерабатывать практически бесконечно без потери свойств. Если человечеству удастся перейти к «рециклингу» в глобальных масштабах, перед нами откроются интересные перспективы. Вольфрам рассматривают как вероятный компонент в будущих технологиях термоядерного синтеза, квантовых компьютерах, сверхмощных солнечных батареях, самолетах и космических аппаратах. Там, где другие материалы не выдерживают натиска среды, вольфрамовые сплавы продолжают работать, расширяя границы возможного.
Вольфрам в вопросах и ответах
1. Когда и кем был открыт вольфрам?
Вольфрам открыли саксонские металлурги XVI века, которые рассматривали его как серьезную помеху при выплавке олова.
2. Какие уникальные свойства отличают вольфрам от других металлов?
Уникальным свойством вольфрама является его рекордная среди всех металлов тугоплавкость. Температура плавления вольфрама составляет 3 422 °C.
3. Где находятся крупнейшие месторождения вольфрама?
Крупнейшие месторождения вольфрама находятся в Китае, Вьетнаме и России.
4. Какие страны являются лидерами по добыче вольфрама?
Абсолютным мировым лидером по добыче вольфрама с долей более 80% рынка является КНР.
5. Какие методы переработки руды применяются для получения вольфрама?
Для переработки вольфрамовой руды применяют методы обогащения, гидрометаллургии, очистки, восстановления и порошковой металлургии.
6. Почему вольфрам важен для металлургии?
Вольфрам является незаменимым компонентом быстрорежущей стали, жаропрочных и тяжелых сплавов.
7. В каких сплавах используется вольфрам?
В промышленности распространены сплавы вольфрама с железом, кобальтом, никелем, медью и молибденом.
8. Как применяется вольфрам в электронике?
Вольфрам является ключевым компонентом для соединения слоев транзисторов в микросхемах, защиты от повреждений рентгеновских аппаратов и схем силовой электроники.
9. Почему вольфрам используется в военной промышленности?
В военной промышленности вольфрам прежде всего используется для создания высокоэффективных бронебойных снарядов.
10. Какова роль вольфрама в космических технологиях?
Вольфрам входит в состав турбин и других частей реактивных двигателей, а также обшивки космических аппаратов для их защиты от жара и радиации.
11. Как изменялась цена на вольфрам в последние десятилетия?
Цены на вольфрам взлетали в 2000-х и 2020-х годах, оба раза это было связано в первую очередь с изменениями в экспортной политике Китая.
12. Какие экологические последствия имеет добыча вольфрама?
Добыча вольфрама сопряжена с деградацией земель, уничтожением экосистем, загрязнением грунтовых вод и атмосферы.
13. В каких странах наблюдается дефицит вольфрама?
В большей степени дефицит вольфрама ощущают те страны, которые не имеют собственных месторождений: США, Япония и значительная часть Евросоюза.
14. Какие современные технологии зависят от вольфрама?
В сильной зависимости от вольфрама находятся микроэлектроника, медицинские аппараты, военные, аэрокосмические и «зеленые» технологии.
15. Каковы перспективы рынка вольфрама в будущем?
В будущем ожидается дефицит предложения вольфрама, поэтому уже в наши дни возрастает роль его вторичной переработки. Вероятно, вольфрам сыграет важную роль в развитии нанотехнологий и переходу на возобновляемые источники энергии.
Автор текста Иван Стефанов
Изображение на обложке: Freepik
