2025年有色金属铸造模具磨损量评估题库(附答案)

2025年有色金属铸造模具磨损量评估题库(附答案)一、单项选择题（每题2分，共40分）1.有色金属铸造模具的粘着磨损主要发生在以下哪种工况下？A.模具表面温度低于材料再结晶温度B.模具与熔融金属接触时界面发生局部焊合C.模具表面存在硬质颗粒刮擦D.模具受周期性热应力导致表面微裂纹扩展答案：B解析：粘着磨损的本质是接触表面因分子间作用力发生局部焊合，在相对运动中焊合点断裂形成磨损，常见于高温高压的铸造界面。2.以下哪种因素对铝合金压铸模具热磨损影响最小？A.模具材料的热导率B.脱模剂的润滑性能C.铸件的壁厚均匀性D.模具的表面粗糙度Ra值答案：C解析：热磨损主要与模具-金属界面的热传递效率（热导率）、界面摩擦（润滑性）及表面微观结构（粗糙度）相关，铸件壁厚均匀性主要影响凝固收缩应力，对热磨损直接影响较小。3.采用三维光学扫描法测量模具磨损量时，关键技术参数是？A.扫描设备的重量B.点云数据的配准精度C.操作人员的经验D.扫描环境的温度波动答案：B解析：三维扫描通过点云数据对比评估磨损，配准精度（即原始模型与磨损后模型的对齐误差）直接决定测量结果的准确性。4.某铜合金重力铸造模具使用H13钢（硬度48HRC），若需降低磨粒磨损，最有效的改进措施是？A.提高模具预热温度至300℃B.在模具表面制备CrN涂层（硬度1800HV）C.增加铸件拔模斜度至3°D.缩短金属液浇注时间答案：B解析：磨粒磨损由硬质颗粒（如氧化皮、金属间化合物）刮擦引起，提高表面硬度（CrN涂层硬度远高于H13钢）可显著增强抗磨粒磨损能力。5.模具磨损量评估中，体积磨损率的单位通常表示为？A.mm³/(N·m)B.μm/次C.MPa·sD.g/cm³答案：A解析：体积磨损率定义为单位载荷与滑动距离下的体积损失，单位为体积/(力×距离)，即mm³/(N·m)。6.以下哪种磨损类型属于表面疲劳磨损？A.压铸模因周期性冷热循环导致表面网状裂纹B.砂型铸造模因型砂颗粒刮擦形成沟槽C.重力铸造模与金属液接触区局部熔焊后撕裂D.低压铸造模因顶杆反复运动导致配合面划伤答案：A解析：表面疲劳磨损是材料在循环应力（如热应力）作用下，表面或次表面萌生裂纹并扩展导致的材料剥落，表现为网状裂纹或麻点。7.评估镁合金压铸模具热磨损时，需重点监测的参数是？A.模具材料的冲击韧性B.金属液的浇注速度C.模具型腔的温度场分布D.铸件的力学性能答案：C解析：热磨损与界面温度梯度、热应力直接相关，通过监测温度场（如使用红外热像仪）可分析热磨损的分布规律。8.某铝合金低压铸造模具使用5000次后，关键尺寸从100mm磨损至99.8mm，假设磨损为均匀线性增长，其线磨损率为？A.0.04μm/次B.0.4μm/次C.4μm/次D.40μm/次答案：B解析：线磨损量=100-99.8=0.2mm=200μm，磨损率=200μm/5000次=0.4μm/次。9.以下哪种检测方法无法直接测量模具表面磨损层厚度？A.超声波测厚仪B.轮廓仪C.扫描电子显微镜（SEM）D.涡流检测仪答案：C解析：SEM主要用于观察磨损表面形貌（如裂纹、剥落特征），无法直接测量厚度；超声波、轮廓仪、涡流检测可通过信号反射或接触扫描获取厚度数据。10.为降低锌合金压铸模具的粘着磨损，应优先调整的工艺参数是？A.增加模具冷却水量B.降低金属液浇注温度C.提高脱模剂的成膜温度D.减小压射比压答案：B解析：粘着磨损随界面温度升高而加剧（高温促进原子扩散焊合），降低浇注温度可减少界面温度，从而抑制粘着磨损。11.模具磨损量评估中，“相对磨损率”的定义是？A.磨损体积与模具原始体积的比值B.特定工况下的磨损率与基准工况磨损率的比值C.单位时间内的磨损量D.磨损深度与模具总厚度的比值答案：B解析：相对磨损率用于对比不同工况或材料的抗磨损性能，通常以某一基准（如未处理模具）的磨损率为参考，计算目标对象的比值。12.以下哪种模具材料的抗热磨损性能最优？A.45钢（硬度220HB）B.H13钢（硬度48HRC，热导率25W/(m·K)）C.钨基合金（硬度90HRA，热导率170W/(m·K)）D.铝合金（硬度120HB，热导率160W/(m·K)）答案：C解析：抗热磨损需高硬度（抵抗塑性变形）和高热导率（降低界面温度梯度），钨基合金同时具备高硬度和高热导率，综合性能最优。13.某铜合金离心铸造模具出现局部沟槽状磨损，最可能的原因是？A.金属液中存在氧化夹杂物B.模具预热温度过高C.脱模剂中含石墨成分D.模具材料韧性不足答案：A解析：沟槽状磨损是典型的磨粒磨损特征，金属液中的氧化夹杂物（硬质颗粒）随流动刮擦模具表面形成沟槽。14.采用重量法测量模具磨损量时，需注意的关键问题是？A.测量前需彻底清除表面残留金属屑B.只需测量磨损区域的重量变化C.模具尺寸越大，测量误差越小D.无需考虑温度对重量的影响答案：A解析：残留金属屑（如未清理的铸件飞边）会导致重量测量值偏高，必须彻底清除以保证准确性。15.以下哪种磨损机理会导致模具表面硬度升高？A.粘着磨损B.磨粒磨损C.热磨损D.表面疲劳磨损答案：C解析：热磨损过程中，模具表面因高温发生氧化或析出第二相（如H13钢的二次硬化），可能导致局部硬度升高；其他磨损类型以材料去除为主，硬度通常降低。16.评估模具磨损寿命时，“临界磨损量”的确定依据是？A.模具材料的断裂韧性B.铸件尺寸公差要求C.模具制造成本D.操作人员的经验答案：B解析：临界磨损量是指模具磨损至导致铸件尺寸超差的极限值，由铸件的尺寸公差（如IT10级公差对应±0.05mm）直接决定。17.以下哪种表面处理技术最适合提高模具的抗粘着磨损性能？A.渗碳（表面硬度60HRC）B.氮化（表面硬度1000HV）C.激光熔覆（表面硬度55HRC）D.电镀铬（表面硬度900HV，摩擦系数0.15）答案：D解析：粘着磨损与界面摩擦系数相关，电镀铬层硬度高且摩擦系数低（降低焊合概率），抗粘着磨损效果优于其他处理。18.某铝合金压铸模使用3000次后，磨损量突然增大，可能的原因是？A.模具材料的疲劳裂纹扩展至临界长度B.金属液浇注温度降低5℃C.脱模剂用量增加20%D.模具冷却水流量提高15%答案：A解析：初期磨损（跑合期）后进入稳定磨损期，若突然加速磨损，通常是表面疲劳裂纹扩展导致材料大块剥落，进入剧烈磨损期。19.采用有限元模拟评估模具磨损时，需输入的关键参数不包括？A.模具材料的本构方程B.金属液的流动速度场C.操作人员的操作频率D.界面摩擦系数答案：C解析：有限元模拟关注物理场（应力、温度、流动）与材料性能的关系，操作人员频率属于人为因素，不直接影响磨损模拟结果。20.以下哪种有色金属铸造工艺的模具磨损最严重？A.砂型铸造（模具为木模）B.金属型铸造（模具为铸铁）C.压力铸造（模具为热作模具钢）D.低压铸造（模具为铝合金）答案：C解析：压力铸造在高压（50-150MPa）、高速（10-50m/s）下填充，界面温度高（金属液温度600-700℃）、接触压力大，导致模具磨损远高于其他工艺。二、判断题（每题1分，共10分）1.模具磨损量仅与材料硬度有关，与韧性无关。（×）解析：韧性不足会导致表面易萌生裂纹，加速疲劳磨损，因此韧性也是影响磨损的重要因素。2.热磨损的主要特征是模具表面出现平行于金属流动方向的沟槽。（×）解析：沟槽是磨粒磨损的特征，热磨损通常表现为局部氧化层剥落或网状热裂纹。3.重量法测量磨损量适用于所有铸造模具，包括复杂型腔模具。（×）解析：复杂型腔模具表面易残留金属屑或脱模剂，难以彻底清理，重量法误差较大，更适合简单形状模具。4.模具预热温度越高，越有利于降低热磨损。（×）解析：预热温度过高会导致模具与金属液的温差减小，热传递效率降低，界面温度更高，可能加剧热磨损。5.表面粗糙度Ra值越小，模具抗磨损性能一定越好。（×）解析：Ra过小（如镜面）可能导致界面接触面积增大，粘着磨损风险提高，存在最优粗糙度值。6.纳米涂层（如TiAlN）可同时提高模具的硬度和热稳定性，从而降低磨损。（√）解析：纳米涂层具有高硬度（2000-3000HV）和良好的热稳定性（抗氧化温度800-1000℃），能有效抵抗粘着、热磨损。7.铸造模具的磨损量与金属液的浇注次数呈严格线性关系。（×）解析：磨损分为跑合期（初期快速磨损）、稳定期（线性磨损）和剧烈期（裂纹扩展后加速磨损），并非全程线性。8.涡流检测法可用于测量模具表面磨损层的厚度，无需接触被测表面。（√）解析：涡流检测通过电磁感应原理检测导电材料的厚度变化，属于非接触式测量。9.为评估模具磨损对铸件质量的影响，需同时测量磨损量和铸件尺寸偏差。（√）解析：磨损量是模具的状态参数，铸件尺寸偏差是其对产品质量的直接影响，两者需结合分析。10.镁合金铸造模具的磨损速率通常高于铝合金模具，因镁的化学活性更高。（√）解析：镁液更易与模具材料发生化学反应（如Fe-Mg界面反应），形成脆性化合物层，加速剥落磨损。三、简答题（每题5分，共30分）1.简述有色金属铸造模具的主要磨损类型及其形成机理。答案：主要磨损类型包括：（1）粘着磨损：模具与熔融金属接触时，界面局部高温高压导致原子扩散，形成焊合点；相对运动时焊合点断裂，造成材料转移或剥落。（2）磨粒磨损：金属液中的硬质颗粒（如氧化夹杂物、未熔合金相）或模具脱落的磨损碎屑随流动刮擦模具表面，犁削出沟槽。（3）热磨损：模具受周期性热循环（浇注时升温、冷却时降温）产生热应力，导致表面氧化、微裂纹扩展及塑性变形，最终形成剥落层。（4）表面疲劳磨损：模具在循环机械应力（如压射力、脱模力）作用下，表面或次表面萌生裂纹，裂纹扩展交汇后导致材料片状剥落。2.列举三种常用的模具磨损量检测方法，并说明其适用场景。答案：（1）三维光学扫描法：通过激光或结构光扫描模具表面，生成点云数据并与原始模型对比，计算磨损区域的体积或深度。适用于复杂型腔模具（如压铸模）的全尺寸磨损评估，精度可达±5μm。（2）轮廓仪测量法：利用触针沿模具表面直线扫描，记录表面轮廓曲线，通过对比原始轮廓计算磨损深度。适用于平面或规则曲面（如模具分型面、顶杆孔）的局部磨损测量，精度可达±0.1μm。（3）超声波测厚法：向模具表面发射超声波，根据反射回波的时间差计算剩余壁厚（原始壁厚-磨损量）。适用于厚壁模具（如重力铸造模的底板）的快速非破坏检测，精度受材料声速稳定性影响，通常±0.05mm。3.分析模具材料的热导率对热磨损的影响机制。答案：热导率是材料传递热量的能力，对热磨损的影响体现在：（1）高导热率模具可快速将界面热量导出，降低模具表面与金属液的温差，减少热应力幅值（热应力与温差成正比），从而抑制热裂纹的萌生。（2）界面温度降低可减少金属液与模具的原子扩散，降低粘着磨损的焊合概率。（3）高导热率有助于均匀模具温度场，避免局部过热导致的氧化加剧或塑性变形集中，减少局部剥落磨损。例如，H13钢（热导率约25W/(m·K)）比4Cr5MoSiV1（热导率22W/(m·K)）更适合高温压铸，因其导热性更好，热磨损更慢。4.说明脱模剂在降低模具磨损中的作用机理。答案：脱模剂的作用机理包括：（1）润滑减摩：在模具-金属液界面形成隔离膜（如石墨、氮化硼），降低界面摩擦系数（从0.3-0.5降至0.1-0.2），减少粘着磨损的焊合概率。（2）隔热降温：有机脱模剂（如水性高分子）受热分解产生气体层，或无机脱模剂（如氧化铝）本身导热系数低（约1W/(m·K)），可降低界面热传递效率，减少热应力和热磨损。（3）保护表面：脱模剂膜可防止金属液直接与模具反应（如铝合金与钢的Fe-Al金属间化合物生成），避免脆性层剥落导致的磨粒磨损。5.简述基于Archard磨损模型的模具磨损量预测步骤。答案：Archard模型表达式为：V=k·F·L/H，其中V为磨损体积，k为磨损系数，F为法向载荷，L为滑动距离，H为材料硬度。预测步骤如下：（1）确定工况参数：测量或计算模具与金属液的接触压力（F/A，A为接触面积）、金属液在模具表面的流动距离（L，与充型速度和时间相关）。（2）获取材料参数：通过硬度测试（如维氏硬度计）确定模具表面硬度H，通过摩擦磨损试验（如销盘试验）确定特定工况下的磨损系数k。（3）建立数学模型：将F、L、H、k代入Archard公式，计算单次浇注的磨损体积V₀。（4）预测累计磨损：假设磨损为线性累积，总磨损量V总=V₀×N（N为浇注次数），结合铸件尺寸公差确定临界磨损量，从而预测模具寿命。6.列举影响铝合金压铸模具磨损的5个关键工艺参数，并说明其影响规律。答案：（1）压射比压：比压增大（如从50MPa增至100MPa），界面接触压力升高，粘着磨损和磨粒磨损加剧。（2）浇注温度：温度升高（如从650℃增至700℃），金属液流动性提高但界面温度更高，原子扩散增强，粘着磨损和热磨损加速。（3）模具冷却速度：冷却速度过快（如冷却水流量过大），热应力幅值增大，表面疲劳磨损（热裂纹）更易发生；冷却过慢则界面温度高，热磨损加剧，存在最优冷却速率。（4）充型速度：速度提高（如从20m/s增至40m/s），金属液对模具的冲刷力增大，磨粒磨损（夹杂物刮擦）和粘着磨损（高速摩擦生热）均增加。（5）脱模剂喷涂量：喷涂量不足时，界面润滑不足，粘着磨损加剧；过量则可能导致脱模剂残留烧结，形成硬质颗粒，反而增加磨粒磨损，存在最佳喷涂量。四、计算题（每题8分，共24分）1.某锌合金压铸模具的关键尺寸为Φ80mm（直径），使用2000次后测量得Φ79.92mm。假设磨损为均匀径向磨损，模具材料密度为7.8g/cm³，计算：（1）线磨损量；（2）体积磨损量；（3）若模具硬度为45HRC（对应布氏硬度约440HB），接触压力为80MPa，滑动距离为每次0.5m，试根据Archard模型计算磨损系数k（已知1HRC≈10HB，Archard公式V=kFL/H，H单位为MPa）。答案：（1）线磨损量=初始直径-磨损后直径=80-79.92=0.08mm（径向磨损量为0.04mm，通常线磨损量指直径方向变化，故取0.08mm）。（2）体积磨损量=π×(R₀²-R₁²)×L（假设模具为圆柱体，长度L=100mm）。R₀=40mm，R₁=39.96mm，体积V=π×(40²-39.96²)×100=π×(1600-1596.8016)×100=π×3.1984×100≈1005.3mm³=1.0053cm³。（3）Archard公式中H需转换为MPa，440HB≈440×9.807≈4315MPa（1HB≈9.807MPa）。F=接触压力×面积=80MPa×π×(0.08m/2)²=80×10⁶Pa×π×0.0016m²≈402123N（注：此处假设接触面积为直径80mm的圆，实际应根据模具具体结构调整，此处为简化计算）。单次滑动距离L=0.5m，总滑动距离L总=0.5×2000=1000m。总磨损体积V=1005.3mm³=1.0053×10⁻⁶m³。由V=kFL/H得：k=V×H/(F×L总)=1.0053×10⁻⁶m³×4315×10⁶Pa/(402123N×1000m)≈(4348.3)/(4.02123×10⁸)≈1.08×10⁻⁵。2.某铜合金重力铸造模具的磨损速率为0.02mm³/(N·m)，模具与金属液的平均接触压力为20MPa，每次浇注的金属液流动距离为0.3m，模具关键部位的初始体积为5000mm³，临界磨损体积为初始体积的5%。计算该模具的磨损寿命（以浇注次数表示）。答案：临界磨损体积V临界=5000×5%=250mm³。每次浇注的磨损体积V次=k×F×L次。F=接触压力×接触面积，假设接触面积为A（未知），但接触压力p=F/A=20MPa=20N/mm²，故F=20AN。流动距离L次=0.3m=300mm（需统一单位，此处k单位为mm³/(N·m)=mm³/(N×1000mm)=10⁻³mm²/N）。k=0.02mm³/(N·m)=0.02×10⁻³mm³/(N·mm)=2×10⁻⁵mm²/N。每次磨损体积V次=2×10⁻⁵mm²/N×20AN×300mm=2×10⁻⁵×20×300×A=0.12Amm³。模具关键部位的体积V=A×h（h为厚度），初始体积5000mm³=A×h，假设h=10mm（厚度），则A=500mm²（实际A可通过体积反推，此处为简化计算）。V次=0.12×500=60mm³/次。寿命N=V临界/V次=250/60≈4.17次（显然不合理，说明单位转换错误）。正确单位转换：k=0.02mm³/(N·m)=0.02mm³/(N×1000mm)=2×10⁻⁵mm²/N。F=p×A=20N/mm²×Amm²=20AN。L次=0.3m=300mm。V次=k×F×L=2×10⁻⁵mm²/N×20AN×300mm=1.2A×10⁻²mm³。初始体积V=A×h=5000mm³→A=5000/h（h为垂直于接触面积的厚度）。假设h=10mm，则A=500mm²，V次=1.2×500×10⁻²=6mm³/次。寿命N=250/6=41.67≈42次。3.某铝合金低压铸造模具的热磨损速率为0.1μm/次（线磨损），模具初始壁厚为20mm，临界壁厚为15mm（低于此值会导致模具强度不足）。若同时存在磨粒磨损，其线磨损速率为0.05μm/次，计算该模具的总磨损寿命（以浇注次数表示）。答案：总线磨损速率=热磨损速率+磨粒磨损速率=0.1+0.05=0.15μm/次=0.15×10⁻³mm/次。允许的总磨损量=初始壁厚-临界壁厚=20-15=5mm=5000μm。寿命N=总磨损量/总磨损速率=5000μm/(0.15μm/次)≈33333次。五、案例分析题（每题12分，共24分）案例1：某企业采用H13钢模具生产A356铝合金压铸件，模具使用1000次后，型腔表面出现大量网状裂纹，局部区域有金属粘模现象，铸件尺寸超差（公差±0.1mm）。通过检测，模具表面硬度为42HRC（标准要求48-52HRC），热导率为22W/(m·K)（标准值25W/(m·K)），脱模剂为水性石墨，喷涂量为50g/m²（常规80-120g/m²）。问题：（1）分析模具磨损的主要类型及原因；（2）提出改进措施。答案：（1）主要磨损类型及原因：①表面疲劳磨损（热裂纹）：模具硬度低于标准（42HRC<48HRC），抗塑性变形能力不足；热导率偏低（22<25W/(m·K)），热应力无法有效扩散，导致周期性热循环下表面萌生网状裂纹。②粘着磨损（金属粘模）：脱模剂喷涂量不足（50g/m²<80g/m²），界面润滑膜不完整，铝合金液与模具直接接触发生原子扩散焊合，导致粘模。③尺寸超差：裂纹扩展和粘模导致型腔尺寸增大（如凸台磨损后尺寸减小），超过铸件公差要求。（2）改进措施：①模具材料处理：对模具进行重新淬火+回火，将硬度提升至48-52HRC；采用真空热处理减少氧化脱碳，保证热导率达标。②表面强化：在型腔表面沉积TiAlN纳米涂层（硬度2500HV，热导率10W