東北大學(xué)真空冶金理論與技術(shù)期末復(fù)習(xí)題及答案

1、真空冶金理論與技術(shù)復(fù)習(xí)題及答案真空基礎(chǔ)1.什么是（氣體）分子密度？分子的平均自由程、分子入射率、吸附、解吸、物質(zhì)的蒸發(fā)速率、流量？2.計(jì)算粗真空、中真空、和高真空環(huán)境中氣體分子的密度。3.簡述黏滯流、分子流的基本特征。4.真空系統(tǒng)由哪些部件構(gòu)成？真空系統(tǒng)應(yīng)滿足哪些基本要求？5.真空系統(tǒng)中要達(dá)到0.1Pa的壓強(qiáng)，需要什么抽氣和測(cè)壓設(shè)備？6.流導(dǎo)的大小由什么確定？用公式推證流導(dǎo)對(duì)有效抽速的影響？7.擴(kuò)散泵為什么要在較低壓強(qiáng)下工作？其抽氣原理是什么？8.金屬高真空系統(tǒng)包括哪些結(jié)構(gòu)部件？如何進(jìn)行操作和維護(hù)？9.麥?zhǔn)险婵沼?jì)的工作原理是什么？為何可以作為校核其他真空計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)？10.一套真空系統(tǒng)在開始使用后

2、發(fā)現(xiàn)真空度達(dá)不到要求，可能由哪些因素構(gòu)成？如何解決？11.真空冶金的主要特點(diǎn)是什么？真空蒸餾1. 環(huán)境壓力如何影響金屬的蒸發(fā)速率？如何解釋環(huán)境壓力與金屬蒸發(fā)速率之間的關(guān)系？2. 金屬在真空中蒸發(fā)和在大氣中蒸發(fā)有何區(qū)別？如何利用其為生產(chǎn)服務(wù)？3. 什么是蒸氣密度？如何判斷合金中各組分用真空蒸餾分離的可能性？4. 試分析鉛鉍合金用真空蒸餾分離的可能性？5. 已知鋅在1179K、763K、692.5K時(shí)的飽和蒸氣壓分別為1.013105Pa、1.33102Pa、13.3Pa，試計(jì)算鋅在三種條件下的蒸氣密度，并計(jì)算鋅蒸氣從沸點(diǎn)降至熔點(diǎn)時(shí)鋅的冷凝率？6. 如何利用真空技術(shù)制備超細(xì)金屬粉末？7. 一級(jí)蒸餾

3、和多級(jí)蒸餾各自的特點(diǎn)有哪些？8. 如何進(jìn)行鉛鉍合金的真空蒸餾分離？真空基礎(chǔ)1. 什么是（氣體）分子密度？分子的平均自由程、分子入射率、吸附、解吸、物質(zhì)的蒸發(fā)速率、流量？氣體分子密度：理想狀態(tài)下單位體積內(nèi)的分子數(shù)。平均自由程：一個(gè)分子連續(xù)兩次碰撞之間移動(dòng)的距離稱為“自由程”。在此距離內(nèi)分子自由運(yùn)動(dòng)，沒有發(fā)生碰撞。眾多分子自由程的平均值被稱作“平均自由程”。氣體分子自由程由氣體分子速度和分子間的碰撞數(shù)來確定。分子入射率：單位時(shí)間內(nèi)向單位面積的器壁上碰撞的分子數(shù)目。吸附：表面吸附：當(dāng)氣體分子碰撞固體表面時(shí)，就可能被該表面所“捕獲”，暫時(shí)停留在其上面。物理吸附：在一個(gè)原子距離內(nèi)氣體分子受到固體離子電場

4、吸引的結(jié)果?；瘜W(xué)吸附：由表面剩余價(jià)鍵力所引起，與氣體種類、溫度等有關(guān)。氣體解吸（脫附）：吸附在固體表面上的氣體分子釋放出來的過程。在真空中（分子流的條件下），物質(zhì)表面的分子飛向空間形成的蒸發(fā)（由液相變?yōu)闅庀啵┗蛏A（由固體變成氣體），達(dá)到平衡時(shí)飛出的分子數(shù)等于分子入射率，即為物質(zhì)的蒸發(fā)速率。流量（氣體量流率）：單位時(shí)間流過特定界面的氣體量，Pa·m3/s。2. 計(jì)算粗真空、中真空、和高真空環(huán)境中氣體分子的密度。PV=nRT=PMRTR=8.314J·mol-1·K-1，T=293.15K,M=29g/mol計(jì)算得粗真空、中真空、和高真空的氣體分子密度：真空度壓強(qiáng)/

5、Pa粗真空1.01×105133.31.591.2103g/m3中真空133.31.33×10-11.5910-31.59g/m3高真空1.33×10-11.33×10-51.5910-71.5910-3g/m33.簡述黏滯流、分子流的基本特征。黏滯流：湍流狀態(tài)：氣體的壓強(qiáng)和流速較高，氣體的流動(dòng)是慣性力起作用, 氣體流線不直。層流狀態(tài)：氣體壓強(qiáng)仍然較高，分子間的碰撞數(shù)多于與容器壁的碰撞數(shù)，內(nèi)摩擦力起主要作用，氣體的流線呈直線。分子流狀態(tài)：氣體壓強(qiáng)較低，分子與容器壁碰撞為主，內(nèi)摩擦力已不存在，通過管道的氣體量與管道兩端的壓差成正比。3. 真空系統(tǒng)由哪些部件

6、構(gòu)成？真空系統(tǒng)應(yīng)滿足哪些基本要求？真空系統(tǒng)：由真空泵、真空計(jì)及其他元件（如閥門、冷阱等）按一定要求組合而成，具有抽氣功能的裝置。真空系統(tǒng)的基本要求（1）在被抽器件（工作室）中獲得所需的極限真空度和工作真空度。極限真空度：系器件無漏氣、無放氣時(shí)所能達(dá)到的真空度。工作真空度：器件在進(jìn)行真空處理時(shí)所能維持的真空。 2）在被抽器件（工作室）中獲得所需的抽速。抽速大小取決于達(dá)到工作真空度所需的時(shí)間。（3）在被抽器件（工作室）中有合適的殘氣成分。例如：排氧化物陰極器件的真空系統(tǒng)，殘氣中不應(yīng)含有硫、氯或其化合物；排高壓器件的真空系統(tǒng)，不應(yīng)含有碳?xì)浠衔铩４送猓赫婵障到y(tǒng)須滿足結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便，價(jià)格便宜等

7、要求。同時(shí)，根據(jù)要求選擇泵、確定管道尺寸及配置、確定裝配工藝等。5.真空系統(tǒng)中要達(dá)到0.1Pa的壓強(qiáng)，需要什么抽氣和測(cè)壓設(shè)備？由于不同的泵所處的壓強(qiáng)工作范圍不同，因此單個(gè)的泵有可能無法達(dá)到工作目的，應(yīng)當(dāng)使用不同的真空泵組合，或者使用多級(jí)真空泵來達(dá)到目的。假設(shè)是對(duì)常壓進(jìn)行抽真空，那么可以采用這樣的設(shè)備來達(dá)到目的。（1） 二級(jí)旋片真空泵（105Pa到10-1Pa）油擴(kuò)散泵（1.33Pa到1.33×10-7Pa）（2） 五級(jí)蒸氣噴射泵（1.013×105Pa到4Pa）渦輪分子泵（13.3Pa到6.67×10-8Pa）6.流導(dǎo)的大小由什么確定？用公式推證流導(dǎo)對(duì)有效抽速的影

8、響？由流導(dǎo)的公式，知流導(dǎo)C由兩端壓差（p1-p2）和流量Q確定。推證如下：式中：S0 -泵的抽速； Se -有效抽速；C-管道的流導(dǎo)；p1、 p2-容器、泵入口處的壓強(qiáng)由于C、 S0 均為正數(shù)，所以總有Se S0 。只有當(dāng)C時(shí)，才有Se S0 ，即流導(dǎo)很大時(shí)，有效抽速才接近泵的抽速。在C很小時(shí)，有Se C ，這時(shí)有效抽速與泵的抽速無關(guān)。7.擴(kuò)散泵為什么要在較低壓強(qiáng)下工作？其抽氣原理是什么？以油擴(kuò)散泵為例：油擴(kuò)散泵，是一種蒸氣流泵，是利用低壓、高速和定向流動(dòng)的油蒸氣射流抽氣的真空泵，因而在低壓1010-7Pa范圍內(nèi)有較大抽速。工作原理：電加熱器將泵內(nèi)的油加熱，油蒸氣沿中心導(dǎo)管上升至各層的傘形噴嘴

9、高速噴出，形成一定方向的射流。射流上方的氣體分子因密度差而向油蒸氣中擴(kuò)散，并被射流攜帶到水冷的泵壁處，油蒸氣大部分被冷凝成油滴沿泵壁回流至油鍋，而氣體分子則被推送壓縮至前級(jí)泵抽空系統(tǒng)而排出。氣體分子在每一個(gè)噴口被壓縮一次，各噴口處的壓強(qiáng)都不一樣，越往上越低。8.金屬高真空系統(tǒng)包括哪些結(jié)構(gòu)部件？如何進(jìn)行操作和維護(hù)？構(gòu)件：由電離規(guī)管、真空室、擴(kuò)散泵、熱電偶管、擋板閥、放氣閥、電磁閥、機(jī)械泵等部件構(gòu)成。操作和維護(hù)：機(jī)械泵與雙通活栓用膠管連接；當(dāng)系統(tǒng)使用完畢后，將活栓通向大氣，防止機(jī)械泵返油，保持?jǐn)U散泵真空。需要高真空時(shí)，可在擴(kuò)散泵上加液氮冷阱。預(yù)抽時(shí)氣體通過擴(kuò)散泵再到機(jī)械泵，將因路程長而耗費(fèi)更多的時(shí)

10、間；設(shè)置預(yù)抽閥時(shí)，預(yù)抽時(shí)開啟此閥，達(dá)到要求后關(guān)閉。當(dāng)擴(kuò)散泵返油嚴(yán)重時(shí)，需要加擋板，如要求更高真空，可加冷阱。設(shè)置的前置真空室可起到前級(jí)壓強(qiáng)穩(wěn)定作用。為防止突然停電時(shí)會(huì)自動(dòng)封閉真空系統(tǒng)，可采用電磁閥。9. 麥?zhǔn)险婵沼?jì)的工作原理是什么？為何可以作為校核其他真空計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)？麥?zhǔn)险婵沼?jì)工作原理圖玻璃球麥?zhǔn)险婵沼?jì)：玻璃球的內(nèi)部體積包括A-A線以上部分（V），上部還連接一玻璃毛細(xì)管（內(nèi)徑不宜小于1mm）；玻璃球右邊設(shè)有玻璃管，其頂部（D）接待測(cè)系統(tǒng)；玻璃球下端管（E）接水銀貯槽，升降和轉(zhuǎn)動(dòng)水銀貯槽時(shí)整個(gè)儀器內(nèi)的水銀面可以升降。工作時(shí)先將水銀面降至A-A線以下，此時(shí)玻璃球、毛細(xì)管、右邊管中壓強(qiáng)相等。升高水銀面

11、至A-A線，此時(shí)玻璃球和毛細(xì)管的體積之和為V+V(其中V是毛細(xì)管的容積），則體積與壓強(qiáng)之積為 p×(V+V)繼續(xù)升高水銀面，右側(cè)管內(nèi)水銀面可升至 C-C 線，而左側(cè)只能升至 F-F 線，左右兩邊水銀面高度差為 h。設(shè)h高的毛細(xì)管內(nèi)體積為 V，其所受壓強(qiáng)為 ： p+ h，則體積與壓強(qiáng)之積為 (p+h) × V。由?，敹桑旱么郎y(cè)壓強(qiáng) p：由于V比V-V大百倍以上，因此可將V-V忽略，則：設(shè)毛細(xì)管的內(nèi)徑為d,得 ，得：設(shè)，則：將毛細(xì)管高度對(duì)應(yīng)的P值刻度出來，使用時(shí)讀數(shù)即可。麥?zhǔn)险婵沼?jì)是直接測(cè)壓計(jì)，不涉及將物理量轉(zhuǎn)化電信號(hào)，因而比較可靠，故可用來校核一些間接讀數(shù)的真空計(jì)。10.

12、一套真空系統(tǒng)在開始使用后發(fā)現(xiàn)真空度達(dá)不到要求，可能由哪些因素構(gòu)成？如何解決？1、 真空泵工作不正常，抽氣不好。如工作時(shí)部件受損、轉(zhuǎn)子和定子上出現(xiàn)縫痕而結(jié)合不好、裝配時(shí)密封不好、長期使用后進(jìn)入灰塵、水汽或油變質(zhì)。2、 系統(tǒng)放氣，不易抽到應(yīng)有的真空度。如部件吸氣、揮發(fā)性的氣源、使用前除氣不夠。3、 漏氣。系統(tǒng)各部件、管道接頭處可能存在縫隙，部件焊縫處存在孔和縫，部件材料本身可能有微小孔隙。 若為漏氣，可用充氣法、抽氣法檢查漏氣位置。充氣法：將受檢的零件或系統(tǒng)的一部分隔開，往里面充氣（5atm），此時(shí)里面壓強(qiáng)大于外界，漏氣的孔隙就向外界噴氣，用特定物質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)可確定漏氣部位（如火苗、聲音、肥皂水、氨

13、氣等）。由氣泡的大小、形狀、氣泡形成的快慢可以估計(jì)漏孔的大小。抽氣法：將待測(cè)的系統(tǒng)抽空，則漏的地方就會(huì)滲入氣體，在系統(tǒng)與泵之間安裝一種儀器來檢定漏人氣體的成分。用一種特定的氣體向系統(tǒng)可能漏氣的地方噴吹，吹至漏氣處則氣體被吸入，儀器上就會(huì)反映此氣體存在于系統(tǒng)內(nèi)，可決定漏孔的位置。11.真空冶金的主要特點(diǎn)是什么？1、有利于一切增容反應(yīng)2、真空中氣體稀薄，很少有氣體參加反應(yīng)3、可控制系統(tǒng)內(nèi)外物質(zhì)流動(dòng)4、沒有污染5、氣體分子小真空蒸餾1. 環(huán)境壓力如何影響金屬的蒸發(fā)速率？如何解釋環(huán)境壓力與金屬蒸發(fā)速率之間的關(guān)系？（1）一定溫度下當(dāng)系統(tǒng)壓強(qiáng)大于臨界壓強(qiáng)Pcrit時(shí)，隨著系統(tǒng)壓強(qiáng)的減小，金屬的蒸發(fā)速率明顯

14、提高；而當(dāng)系統(tǒng)壓強(qiáng)小于臨界壓強(qiáng)Pcrit時(shí)，金屬的蒸發(fā)速率趨向于一個(gè)定值。（2）金屬蒸發(fā)速率的表達(dá)式：當(dāng)PiP殘時(shí)，Pi可省略，而溫度一定和設(shè)備不變時(shí)，、x、k皆為定值，則：當(dāng)Pi P殘時(shí)，即在Pcrit附近，則：當(dāng)PiP殘時(shí)，P殘可省略，則：2. 金屬在真空中蒸發(fā)和在大氣中蒸發(fā)有何區(qū)別？如何利用其為生產(chǎn)服務(wù)？兩者蒸發(fā)速率不同。溫度一定時(shí)，真空度越大，單位體積分子數(shù)越少，大氣條件下，氣體中含有的氣體分子數(shù)較多，分子間距離較小，因而碰撞程度很大，必然減小蒸發(fā)速率，而真空條件下，氣體中含有的氣體分子數(shù)較少，分子間距離也較大，因而碰撞不那么頻繁，蒸發(fā)所受阻力小，蒸發(fā)速率增加。生產(chǎn)上，為了增加真空蒸發(fā)

15、的速度，可以通過增大系統(tǒng)的真空度，使待蒸餾物質(zhì)蒸發(fā)速率增加，進(jìn)而提高生產(chǎn)的效率。增加真空度，亦可以使金屬蒸發(fā)的溫度降低。3. 什么是蒸氣密度？如何判斷合金中各組分用真空蒸餾分離的可能性？(1)蒸氣密度用表示，其等于氣體中的分子密度與單個(gè)分子的質(zhì)量之積：(2)引入比例系數(shù)A，也稱為分離系數(shù)，分離系數(shù)可用于判斷能否用蒸餾法分離或分離的難易程度。A1不易分離；A1，容易分離。4. 試分析鉛鉍合金用真空蒸餾分離的可能性？可用分離系數(shù)值A(chǔ)值來判斷鉛鉍合金能否用真空蒸餾方法分離，且這種方法亦較為可靠。對(duì)鉛鉍二元系進(jìn)行熱力學(xué)分析與計(jì)算表明:當(dāng)Bi在0.600.99時(shí)，A值在1.2722.277之間, 即A&

16、gt;1，表明此時(shí)鉍將在氣相中富集；當(dāng)Bi在0.10.30時(shí)，A值在0.5470.73, 即A<1，表明鉛將在氣相中富集；當(dāng)Bi在0.400.50 時(shí),A值在0.9061.056,A接近于1，此時(shí)可能存在恒沸點(diǎn)混合物，難以用蒸餾法把鉍和鉛分離開。蒸餾操作時(shí)，一般需經(jīng)多級(jí)蒸餾才能得到精鉍和精鉛，最佳條件為將蒸餾條件控制在溫度850,真空度40Pa,料層厚度30g,蒸餾時(shí)間40min, 經(jīng)兩段真空蒸餾可將鉍中的含鉛從2%降到0.01%,可達(dá)到符合國標(biāo)2號(hào)精鉍的要求。5. 已知鋅在1179K、763K、692.5K時(shí)的飽和蒸氣壓分別為1.013105Pa、1.33102Pa、13.3Pa，試計(jì)

17、算鋅在三種條件下的蒸氣密度，并計(jì)算鋅蒸氣從沸點(diǎn)降至熔點(diǎn)時(shí)鋅的冷凝率？由克拉伯龍方程PV=nRT,得=PMRT,將各物理量代入，得到下表：鋅的沸點(diǎn)1179K,熔點(diǎn)692.5K，采用公式計(jì)算蒸氣密度改變值。將Pi,=1.013105Pa、Pi,=13.3Pa代入，得i=7.29310-4Pa,冷凝率為99.9%。6. 如何利用真空技術(shù)制備超細(xì)金屬粉末？（1） VEROS法蒸發(fā)室為厘米的水冷不銹鋼鐘罩，在其中央的上部有一帶有中心小孔的圓盤，由變速馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。冷卻液體從圓盤中心孔供給，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，借離心力作 用，供給的液體在圓盤下面形成連續(xù)膜，當(dāng)金屬原子與液體相遇，隨即冷凝彌散于液體中,并隨之帶走

18、，積于收集器中。（2） 冷凍法制粉時(shí)先將試樣放在鎢絲加熱器中，蒸發(fā)室抽至10-6托以下，關(guān)閉真空閥，引入有機(jī)溶劑（如乙醚），再將盛液氮的容器升至蒸發(fā)室底部，使有機(jī)溶劑凝固，并通入少量氦氣，然后加熱蒸發(fā)，金屬蒸氣在固態(tài)有機(jī)溶劑表面上冷凝沉積下來；當(dāng)表面變?yōu)榈稚珪r(shí)，停止蒸發(fā)，移下液氮容器，有機(jī)溶劑回復(fù)為液體，沉積的細(xì)粉則彌散于溶劑中。返復(fù)操作，直至溶劑中收集所希望的粉量為止。最后蒸發(fā)溶劑，即得超細(xì)粉末。7. 一級(jí)蒸餾和多級(jí)蒸餾各自的特點(diǎn)有哪些？一級(jí)蒸餾的特點(diǎn)：方法簡單，但不易處理復(fù)雜情況。粗金屬中雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)性與主體金屬差別不大，雜質(zhì)揮發(fā)量很大，難以達(dá)到分離要求。粗金屬中雜質(zhì)濃度發(fā)生變化，其在真空蒸餾開始階段和后續(xù)階段的揮發(fā)速率不同，會(huì)導(dǎo)致總的揮發(fā)效率降低。一級(jí)蒸餾為間斷作業(yè)，單臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)效率低。多級(jí)蒸餾的特點(diǎn)：相當(dāng)于多次的一級(jí)蒸餾，產(chǎn)品質(zhì)量高，設(shè)備生產(chǎn)效率顯著增加。8. 如何進(jìn)行鉛銻合金的真空蒸餾分離？圖1不同溫度下Pb-Sb合金分離系數(shù) 圖2 不同溫度時(shí)Pb-Sb合金中Sb在氣相和液相中的成分分布圖從圖1可以明顯看出，在Pb-Sb二元合金體系，Pb-Sb合金Sb分離系數(shù)在同一成分下隨著溫度的升高而降低，在相同溫度條件下分離系數(shù)隨合金中Sb含量的增加而增加，其原因?yàn)闇囟壬摺b含量增大導(dǎo)致