模具材料及表面处理试题与标准答案

模具材料及表面处理试题与标准答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.以下哪种材料属于典型的冷作模具钢？A.45钢B.Cr12MoVC.H13D.3Cr2W8V答案：B解析：冷作模具钢主要用于常温下的冲压、剪切等工艺，需高硬度和耐磨性。Cr12MoV为高碳高铬钢，属于冷作模具钢；H13（4Cr5MoSiV1）和3Cr2W8V为热作模具钢，45钢为普通结构钢。2.热作模具钢的核心性能要求是？A.高室温硬度B.良好的红硬性和抗热疲劳性C.优异的耐蚀性D.低摩擦系数答案：B解析：热作模具（如压铸模、热锻模）工作时接触高温金属，需在高温下保持强度（红硬性），同时反复受热冷却易产生热疲劳，因此抗热疲劳性是关键。3.以下表面处理技术中，属于化学气相沉积（CVD）的是？A.离子渗氮B.气相沉积TiNC.电镀硬铬D.盐浴渗钒（TD处理）答案：B解析：CVD是利用气相化学反应在工件表面沉积薄膜的技术，TiN气相沉积符合此定义；离子渗氮为化学热处理，电镀为电化学沉积，TD处理为盐浴渗金属。4.模具表面处理中，“PVD”的中文全称是？A.物理气相沉积B.化学气相沉积C.等离子体增强化学气相沉积D.热喷涂答案：A解析：PVD（PhysicalVaporDeposition）即物理气相沉积，通过物理方法（如蒸发、溅射）使材料沉积到表面。5.以下哪种模具失效形式主要与表面处理质量直接相关？A.整体断裂B.热疲劳裂纹C.刃口磨损D.塑性变形答案：C解析：表面处理（如渗碳、PVD涂层）主要提升表面硬度和耐磨性，因此刃口磨损（表面失效）与表面处理直接相关；断裂、塑性变形与基体强度有关，热疲劳与材料热强性有关。6.冷作模具钢淬火后通常采用的回火工艺是？A.低温回火（150-250℃）B.中温回火（350-500℃）C.高温回火（500-650℃）D.不回火答案：A解析：冷作模具需高硬度（HRC58-62），低温回火可保留马氏体组织，同时消除内应力，避免高温回火导致硬度下降。7.以下哪种材料适合制造铝合金压铸模？A.Cr12B.W18Cr4VC.H13D.Q235答案：C解析：铝合金压铸模需承受高温（600-800℃）和热循环，H13（4Cr5MoSiV1）含Cr、Mo、V，具有良好的热强性、抗热疲劳性和淬透性，是压铸模常用材料。8.盐浴渗钒（TD处理）的主要目的是？A.提高表面耐蚀性B.形成高硬度碳化物层（如VC）C.改善切削加工性D.降低表面粗糙度答案：B解析：TD处理通过盐浴将钒渗入模具表面，与碳结合形成VC（硬度HV2800-3200），显著提高耐磨性，适用于高负荷冷作模具。9.以下关于模具材料“红硬性”的描述，正确的是？A.材料在常温下保持硬度的能力B.材料在高温下保持硬度的能力C.材料抵抗塑性变形的能力D.材料抵抗冲击载荷的能力答案：B解析：红硬性（热硬性）指材料在高温下保持高硬度的性能，是热作模具钢的关键指标。10.以下哪种表面处理技术可同时提高模具表面硬度和耐蚀性？A.渗碳B.镀硬铬C.低温渗氮D.喷丸强化答案：B解析：镀硬铬层（Cr）硬度高（HV700-1000），且铬的化学稳定性好，可提高耐蚀性；渗碳主要提高硬度，耐蚀性提升有限；渗氮可提高硬度和耐蚀性，但效果弱于镀铬；喷丸强化主要改善疲劳性能。11.以下冷作模具钢中，碳化物偏析最严重的是？A.Cr12B.9CrWMnC.Cr6WVD.GCr15答案：A解析：Cr12为高碳（C≈2.0%）高铬（Cr≈12%）钢，共晶碳化物含量高，易形成严重的网状或带状偏析，需通过反复镦拔改善。12.热作模具钢H13的淬火加热温度通常为？A.850-900℃B.1000-1050℃C.1150-1200℃D.1300-1350℃答案：B解析：H13含Cr、Mo、V等合金元素，需较高温度（1000-1050℃）使合金碳化物充分溶解，保证淬透性和回火稳定性。13.以下表面处理工艺中，属于“扩散处理”的是？A.电镀B.化学镀C.渗硼D.气相沉积答案：C解析：扩散处理是通过原子扩散在表面形成合金层的工艺，渗硼（硼原子渗入基体）属于此类；电镀、化学镀为沉积层，气相沉积为物理/化学沉积。14.模具早期失效中，“啃伤”现象主要由哪种原因引起？A.表面硬度不足B.材料韧性过低C.热处理变形D.润滑不良答案：B解析：啃伤（崩刃）是局部冲击导致的脆性断裂，与材料韧性不足（如回火不充分、碳化物过多）直接相关。15.以下哪种材料适合制造高精度冷冲模（要求尺寸稳定性好）？A.Cr12MoVB.9Mn2VC.W6Mo5Cr4V2D.5CrNiMo答案：B解析：9Mn2V为低合金冷作模具钢，含V可细化晶粒，淬火变形小（微变形钢），适合高精度模具；Cr12MoV变形较大，W6Mo5Cr4V2为高速钢（成本高），5CrNiMo为热作模具钢。二、填空题（每空1分，共20分）1.模具材料按用途可分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢和（）四大类。答案：硬质合金（或粉末冶金模具材料）2.冷作模具的主要失效形式包括磨损、（）、（）和塑性变形。答案：断裂；崩刃（或脆性断裂）3.热作模具钢H13的含碳量约为（）%，主要合金元素为Cr、（）和V。答案：0.35-0.45；Mo4.表面处理中，“渗碳”的主要目的是提高（）和（）。答案：表面硬度；耐磨性5.物理气相沉积（PVD）的常见工艺有（）、（）和离子镀。答案：真空蒸发镀；溅射镀6.模具材料的“淬透性”是指材料（）的能力。答案：在淬火时获得马氏体组织的深度7.冷作模具钢Cr12MoV中，“Mo”的主要作用是（）和（）。答案：细化碳化物；提高淬透性8.热疲劳裂纹的产生与模具材料的（）和（）性能密切相关。答案：热导率；热膨胀系数9.塑料模具钢P20属于（）类模具钢，其预处理工艺通常为（）。答案：预硬型；调质处理10.TD处理（盐浴渗钒）形成的表面强化层主要成分为（），其硬度可达（）HV。答案：VC（碳化钒）；2800-3200三、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）1.模具钢中，合金元素含量越高，综合性能越好。（）答案：×解析：合金元素过高会导致碳化物偏析严重（如Cr12），降低韧性，需合理控制含量。2.热作模具钢的回火温度应低于其工作温度，以保证高温硬度。（）答案：×解析：热作模具钢需在高于工作温度下回火（如H13回火550-600℃，工作温度600℃以下），避免使用中再次回火导致软化。3.渗氮处理可在较低温度（500-580℃）下进行，因此模具变形小。（）答案：√解析：渗氮温度低，相变少，模具尺寸稳定性好，适合精密模具。4.冷作模具钢Cr12MoV的淬火温度越高，硬度越高，因此应尽量提高淬火温度。（）答案：×解析：Cr12MoV淬火温度过高会导致晶粒粗大、碳化物溶解过多，残余奥氏体增加，硬度反而下降，且韧性降低。5.电镀硬铬层的厚度越厚，模具耐磨性越好，因此应尽量增加镀层厚度。（）答案：×解析：硬铬层脆性大，厚度过厚（>0.1mm）易剥落，通常控制在0.02-0.05mm。6.塑料模具钢需具备良好的耐蚀性，因此常用不锈钢（如4Cr13）制造透明塑料模具。（）答案：√解析：透明塑料（如PMMA）易受模具表面锈蚀污染，4Cr13（马氏体不锈钢）耐蚀性好，适合此类模具。7.热作模具的表面氧化皮可起到隔热作用，因此无需去除。（）答案：×解析：氧化皮会加剧热疲劳裂纹扩展，且可能脱落导致模具表面损伤，需定期清理。8.粉末冶金模具钢（如ASP23）因碳化物细小均匀，其耐磨性和韧性均优于传统铸造模具钢。（）答案：√解析：粉末冶金工艺避免了传统铸造的碳化物偏析，材料性能更均匀，强韧性更优。9.模具表面处理中的“喷丸强化”主要通过增加表面压应力提高疲劳寿命。（）答案：√解析：喷丸通过高速弹丸撞击表面，产生压应力层，抑制裂纹萌生，提高疲劳强度。10.冷作模具的“软氮化”（氮碳共渗）可同时提高表面硬度和抗咬合性。（）答案：√解析：软氮化形成的化合物层（如ε相）硬度高，且含氮、碳元素，可改善摩擦性能，减少咬合。四、简答题（每题6分，共30分）1.简述冷作模具钢与热作模具钢在性能要求上的主要差异。答案：冷作模具钢工作于常温，主要承受冲击、挤压、摩擦等载荷，失效形式以磨损、断裂为主，因此要求高硬度（HRC58-62）、高耐磨性、足够的韧性和尺寸稳定性。热作模具钢工作于高温（500-1000℃），需承受热循环、高温金属冲刷，失效形式以热疲劳、高温磨损为主，因此要求良好的红硬性（高温硬度）、抗热疲劳性、热强性（高温强度）和热稳定性（抗氧化性）。2.分析H13钢作为热作模具钢的主要优势（从成分和性能角度）。答案：H13钢（4Cr5MoSiV1）成分特点：含Cr（4-5%）提高淬透性和抗氧化性；Mo（1.0-1.5%）抑制回火脆性，提高热强性；V（0.8-1.2%）细化晶粒，形成VC提高耐磨性；Si（0.8-1.2%）增强抗氧化性。性能优势：良好的淬透性（空冷可淬硬），高温强度高（600℃下硬度HRC40-45），抗热疲劳性优异（热导率较高，热膨胀系数较低），耐磨性和韧性平衡好，适合制造压铸模、热锻模等。3.比较TD处理与PVD涂层在模具表面强化中的适用场景及优缺点。答案：适用场景：TD处理（盐浴渗钒）适合高负荷冷作模具（如冲裁模、冷镦模），需极高耐磨性；PVD涂层（如TiN、TiAlN）适合精密模具（如塑料模、轻载冷冲模），需低摩擦、高硬度。优点：TD处理层（VC）硬度极高（HV2800-3200），结合力强（冶金结合），耐磨寿命长；PVD涂层温度低（<500℃），变形小，可涂覆复杂形状，且可根据需求选择不同涂层（如TiCN提高耐磨性，CrN提高耐蚀性）。缺点：TD处理温度高（850-1050℃），模具变形大，需后续校直；PVD涂层厚度薄（1-5μm），承载能力低于TD处理层。4.简述模具材料选择的基本原则（需结合具体模具类型举例）。答案：（1）根据工作条件选择：冷冲模（如汽车覆盖件冲裁模）需高耐磨性，选Cr12MoV或粉末冶金钢（如ASP2023）；热锻模（如发动机连杆锻模）需抗热疲劳，选H13或5CrNiMo。（2）考虑失效形式：以磨损为主的模具（如拉深模）需高硬度表面处理（如渗硼、TD处理）；以断裂为主的模具（如厚板冲裁模）需提高材料韧性（如选用9CrSi代替Cr12）。（3）经济性：小批量模具可选低成本的T10A（碳素工具钢）；大批量模具需选高性能钢（如H13）以延长寿命。（4）加工工艺性：精密模具选微变形钢（如9Mn2V），避免热处理变形；复杂形状模具选易切削钢（如P20预硬钢）。5.分析模具表面处理“渗碳”与“渗氮”的工艺差异及适用模具类型。答案：工艺差异：温度：渗碳温度高（900-950℃），渗氮温度低（500-580℃）。时间：渗碳时间短（3-10h），渗氮时间长（20-100h）。表层成分：渗碳表层为高碳马氏体（含碳量1.0-1.2%），渗氮表层为氮化物（如Fe4N、CrN）。适用模具类型：渗碳：用于低碳或中碳低合金模具钢（如20Cr、20CrMnTi），制造受冲击、需表面高硬心部韧性的模具（如冷镦模、小型冲头）。渗氮：用于中碳合金模具钢（如38CrMoAl、42CrMo）或工具钢（如Cr12MoV），制造精密模具（如塑料模、冷挤压模），需变形小、表面耐磨耐蚀的场景。五、综合分析题（每题10分，共20分）1.某企业生产汽车轮毂轴承套圈冷挤压模，模具材料为Cr12MoV，热处理工艺为1020℃淬火+200℃回火（硬度HRC60-62）。使用1000件后，模具型腔出现严重磨损，表面有黏着物（金属黏附），导致产品尺寸超差。试分析失效原因，并提出改进措施（材料选择、热处理、表面处理）。答案：失效原因分析：（1）材料方面：Cr12MoV虽硬度高，但碳化物偏析严重（共晶碳化物呈网状分布），导致表面均匀性差，易产生应力集中，磨损后局部剥落，加剧黏着磨损。（2）热处理方面：淬火温度（1020℃）可能偏低，未充分溶解碳化物，残余碳化物粗大，降低表面耐磨性；回火温度（200℃）为低温回火，残余奥氏体含量较高（约15-20%），长期使用中残余奥氏体分解，导致尺寸变化和硬度下降。（3）表面处理：未进行表面强化，Cr12MoV基体硬度（HRC60-62）不足以抵抗高应力冷挤压的磨损，且表面缺乏减摩层，易发生金属黏附。改进措施：（1）材料选择：改用碳化物分布更均匀的模具钢，如粉末冶金钢（如ASP2023），其碳化物细小弥散，耐磨性和韧性更优；或选用高钒冷作模具钢（如Cr8MoV2Si），V形成高硬度VC，提高抗黏着磨损能力。（2）热处理优化：提高淬火温度至1050-1080℃，促进碳化物充分溶解，减少残余碳化物；采用多次回火（如200℃×3次），减少残余奥氏体含量（<5%），稳定尺寸。（3）表面处理：采用TD处理（盐浴渗钒），形成VC硬化层（HV3000），显著提高耐磨性；或PVD镀TiAlN涂层（硬度HV2500），同时TiAlN的高抗氧化性可减少金属黏附；也可进行氮碳共渗（软氮化），形成ε相（Fe2-3N），提高表面硬度和抗咬合性。2.某铝合金压铸模（材料为H13）在使用5000模次后，模具表面出现网状热疲劳裂纹，局部区域裂纹深度达0.5mm，需频繁修模。结合H13钢的特性及热作模具失效机理，分析裂纹产生原因，并提出预防措施。答案：裂纹产生原因：（1）材料特性：H13钢虽抗热疲劳性较好，但长期受冷热循环（铝液温度680℃，模具冷却后约200℃），表面反复膨胀-收缩，产生循环热应力。当热应力超过材料