模具材料及表面處理試題與標(biāo)準(zhǔn)答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.以下哪種材料屬于典型的冷作模具鋼？A.45鋼B.Cr12MoVC.H13D.3Cr2W8V答案：B解析：冷作模具鋼主要用于常溫下的沖壓、剪切等工藝，需高硬度和耐磨性。Cr12MoV為高碳高鉻鋼，屬于冷作模具鋼；H13（4Cr5MoSiV1）和3Cr2W8V為熱作模具鋼，45鋼為普通結(jié)構(gòu)鋼。2.熱作模具鋼的核心性能要求是？A.高室溫硬度B.良好的紅硬性和抗熱疲勞性C.優(yōu)異的耐蝕性D.低摩擦系數(shù)答案：B解析：熱作模具（如壓鑄模、熱鍛模）工作時(shí)接觸高溫金屬，需在高溫下保持強(qiáng)度（紅硬性），同時(shí)反復(fù)受熱冷卻易產(chǎn)生熱疲勞，因此抗熱疲勞性是關(guān)鍵。3.以下表面處理技術(shù)中，屬于化學(xué)氣相沉積（CVD）的是？A.離子滲氮B.氣相沉積TiNC.電鍍硬鉻D.鹽浴滲釩（TD處理）答案：B解析：CVD是利用氣相化學(xué)反應(yīng)在工件表面沉積薄膜的技術(shù)，TiN氣相沉積符合此定義；離子滲氮為化學(xué)熱處理，電鍍?yōu)殡娀瘜W(xué)沉積，TD處理為鹽浴滲金屬。4.模具表面處理中，“PVD”的中文全稱是？A.物理氣相沉積B.化學(xué)氣相沉積C.等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積D.熱噴涂答案：A解析：PVD（PhysicalVaporDeposition）即物理氣相沉積，通過物理方法（如蒸發(fā)、濺射）使材料沉積到表面。5.以下哪種模具失效形式主要與表面處理質(zhì)量直接相關(guān)？A.整體斷裂B.熱疲勞裂紋C.刃口磨損D.塑性變形答案：C解析：表面處理（如滲碳、PVD涂層）主要提升表面硬度和耐磨性，因此刃口磨損（表面失效）與表面處理直接相關(guān)；斷裂、塑性變形與基體強(qiáng)度有關(guān)，熱疲勞與材料熱強(qiáng)性有關(guān)。6.冷作模具鋼淬火后通常采用的回火工藝是？A.低溫回火（150-250℃）B.中溫回火（350-500℃）C.高溫回火（500-650℃）D.不回火答案：A解析：冷作模具需高硬度（HRC58-62），低溫回火可保留馬氏體組織，同時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力，避免高溫回火導(dǎo)致硬度下降。7.以下哪種材料適合制造鋁合金壓鑄模？A.Cr12B.W18Cr4VC.H13D.Q235答案：C解析：鋁合金壓鑄模需承受高溫（600-800℃）和熱循環(huán)，H13（4Cr5MoSiV1）含Cr、Mo、V，具有良好的熱強(qiáng)性、抗熱疲勞性和淬透性，是壓鑄模常用材料。8.鹽浴滲釩（TD處理）的主要目的是？A.提高表面耐蝕性B.形成高硬度碳化物層（如VC）C.改善切削加工性D.降低表面粗糙度答案：B解析：TD處理通過鹽浴將釩滲入模具表面，與碳結(jié)合形成VC（硬度HV2800-3200），顯著提高耐磨性，適用于高負(fù)荷冷作模具。9.以下關(guān)于模具材料“紅硬性”的描述，正確的是？A.材料在常溫下保持硬度的能力B.材料在高溫下保持硬度的能力C.材料抵抗塑性變形的能力D.材料抵抗沖擊載荷的能力答案：B解析：紅硬性（熱硬性）指材料在高溫下保持高硬度的性能，是熱作模具鋼的關(guān)鍵指標(biāo)。10.以下哪種表面處理技術(shù)可同時(shí)提高模具表面硬度和耐蝕性？A.滲碳B.鍍硬鉻C.低溫滲氮D.噴丸強(qiáng)化答案：B解析：鍍硬鉻層（Cr）硬度高（HV700-1000），且鉻的化學(xué)穩(wěn)定性好，可提高耐蝕性；滲碳主要提高硬度，耐蝕性提升有限；滲氮可提高硬度和耐蝕性，但效果弱于鍍鉻；噴丸強(qiáng)化主要改善疲勞性能。11.以下冷作模具鋼中，碳化物偏析最嚴(yán)重的是？A.Cr12B.9CrWMnC.Cr6WVD.GCr15答案：A解析：Cr12為高碳（C≈2.0%）高鉻（Cr≈12%）鋼，共晶碳化物含量高，易形成嚴(yán)重的網(wǎng)狀或帶狀偏析，需通過反復(fù)鐓拔改善。12.熱作模具鋼H13的淬火加熱溫度通常為？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，需較高溫度（1000-1050℃）使合金碳化物充分溶解，保證淬透性和回火穩(wěn)定性。13.以下表面處理工藝中，屬于“擴(kuò)散處理”的是？A.電鍍B.化學(xué)鍍C.滲硼D.氣相沉積答案：C解析：擴(kuò)散處理是通過原子擴(kuò)散在表面形成合金層的工藝，滲硼（硼原子滲入基體）屬于此類；電鍍、化學(xué)鍍?yōu)槌练e層，氣相沉積為物理/化學(xué)沉積。14.模具早期失效中，“啃傷”現(xiàn)象主要由哪種原因引起？A.表面硬度不足B.材料韌性過低C.熱處理變形D.潤滑不良答案：B解析：啃傷（崩刃）是局部沖擊導(dǎo)致的脆性斷裂，與材料韌性不足（如回火不充分、碳化物過多）直接相關(guān)。15.以下哪種材料適合制造高精度冷沖模（要求尺寸穩(wěn)定性好）？A.Cr12MoVB.9Mn2VC.W6Mo5Cr4V2D.5CrNiMo答案：B解析：9Mn2V為低合金冷作模具鋼，含V可細(xì)化晶粒，淬火變形?。ㄎ⒆冃武摚m合高精度模具；Cr12MoV變形較大，W6Mo5Cr4V2為高速鋼（成本高），5CrNiMo為熱作模具鋼。二、填空題（每空1分，共20分）1.模具材料按用途可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼和（）四大類。答案：硬質(zhì)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損、（）、（）和塑性變形。答案：斷裂；崩刃（或脆性斷裂）3.熱作模具鋼H13的含碳量約為（）%，主要合金元素為Cr、（）和V。答案：0.35-0.45；Mo4.表面處理中，“滲碳”的主要目的是提高（）和（）。答案：表面硬度；耐磨性5.物理氣相沉積（PVD）的常見工藝有（）、（）和離子鍍。答案：真空蒸發(fā)鍍；濺射鍍6.模具材料的“淬透性”是指材料（）的能力。答案：在淬火時(shí)獲得馬氏體組織的深度7.冷作模具鋼Cr12MoV中，“Mo”的主要作用是（）和（）。答案：細(xì)化碳化物；提高淬透性8.熱疲勞裂紋的產(chǎn)生與模具材料的（）和（）性能密切相關(guān)。答案：熱導(dǎo)率；熱膨脹系數(shù)9.塑料模具鋼P(yáng)20屬于（）類模具鋼，其預(yù)處理工藝通常為（）。答案：預(yù)硬型；調(diào)質(zhì)處理10.TD處理（鹽浴滲釩）形成的表面強(qiáng)化層主要成分為（），其硬度可達(dá)（）HV。答案：VC（碳化釩）；2800-3200三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）1.模具鋼中，合金元素含量越高，綜合性能越好。（）答案：×解析：合金元素過高會(huì)導(dǎo)致碳化物偏析嚴(yán)重（如Cr12），降低韌性，需合理控制含量。2.熱作模具鋼的回火溫度應(yīng)低于其工作溫度，以保證高溫硬度。（）答案：×解析：熱作模具鋼需在高于工作溫度下回火（如H13回火550-600℃，工作溫度600℃以下），避免使用中再次回火導(dǎo)致軟化。3.滲氮處理可在較低溫度（500-580℃）下進(jìn)行，因此模具變形小。（）答案：√解析：滲氮溫度低，相變少，模具尺寸穩(wěn)定性好，適合精密模具。4.冷作模具鋼Cr12MoV的淬火溫度越高，硬度越高，因此應(yīng)盡量提高淬火溫度。（）答案：×解析：Cr12MoV淬火溫度過高會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大、碳化物溶解過多，殘余奧氏體增加，硬度反而下降，且韌性降低。5.電鍍硬鉻層的厚度越厚，模具耐磨性越好，因此應(yīng)盡量增加鍍層厚度。（）答案：×解析：硬鉻層脆性大，厚度過厚（>0.1mm）易剝落，通?？刂圃?.02-0.05mm。6.塑料模具鋼需具備良好的耐蝕性，因此常用不銹鋼（如4Cr13）制造透明塑料模具。（）答案：√解析：透明塑料（如PMMA）易受模具表面銹蝕污染，4Cr13（馬氏體不銹鋼）耐蝕性好，適合此類模具。7.熱作模具的表面氧化皮可起到隔熱作用，因此無需去除。（）答案：×解析：氧化皮會(huì)加劇熱疲勞裂紋擴(kuò)展，且可能脫落導(dǎo)致模具表面損傷，需定期清理。8.粉末冶金模具鋼（如ASP23）因碳化物細(xì)小均勻，其耐磨性和韌性均優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造模具鋼。（）答案：√解析：粉末冶金工藝避免了傳統(tǒng)鑄造的碳化物偏析，材料性能更均勻，強(qiáng)韌性更優(yōu)。9.模具表面處理中的“噴丸強(qiáng)化”主要通過增加表面壓應(yīng)力提高疲勞壽命。（）答案：√解析：噴丸通過高速彈丸撞擊表面，產(chǎn)生壓應(yīng)力層，抑制裂紋萌生，提高疲勞強(qiáng)度。10.冷作模具的“軟氮化”（氮碳共滲）可同時(shí)提高表面硬度和抗咬合性。（）答案：√解析：軟氮化形成的化合物層（如ε相）硬度高，且含氮、碳元素，可改善摩擦性能，減少咬合。四、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述冷作模具鋼與熱作模具鋼在性能要求上的主要差異。答案：冷作模具鋼工作于常溫，主要承受沖擊、擠壓、摩擦等載荷，失效形式以磨損、斷裂為主，因此要求高硬度（HRC58-62）、高耐磨性、足夠的韌性和尺寸穩(wěn)定性。熱作模具鋼工作于高溫（500-1000℃），需承受熱循環(huán)、高溫金屬?zèng)_刷，失效形式以熱疲勞、高溫磨損為主，因此要求良好的紅硬性（高溫硬度）、抗熱疲勞性、熱強(qiáng)性（高溫強(qiáng)度）和熱穩(wěn)定性（抗氧化性）。2.分析H13鋼作為熱作模具鋼的主要優(yōu)勢（從成分和性能角度）。答案：H13鋼（4Cr5MoSiV1）成分特點(diǎn)：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，提高熱強(qiáng)性；V（0.8-1.2%）細(xì)化晶粒，形成VC提高耐磨性；Si（0.8-1.2%）增強(qiáng)抗氧化性。性能優(yōu)勢：良好的淬透性（空冷可淬硬），高溫強(qiáng)度高（600℃下硬度HRC40-45），抗熱疲勞性優(yōu)異（熱導(dǎo)率較高，熱膨脹系數(shù)較低），耐磨性和韌性平衡好，適合制造壓鑄模、熱鍛模等。3.比較TD處理與PVD涂層在模具表面強(qiáng)化中的適用場景及優(yōu)缺點(diǎn)。答案：適用場景：TD處理（鹽浴滲釩）適合高負(fù)荷冷作模具（如沖裁模、冷鐓模），需極高耐磨性；PVD涂層（如TiN、TiAlN）適合精密模具（如塑料模、輕載冷沖模），需低摩擦、高硬度。優(yōu)點(diǎn)：TD處理層（VC）硬度極高（HV2800-3200），結(jié)合力強(qiáng)（冶金結(jié)合），耐磨壽命長；PVD涂層溫度低（<500℃），變形小，可涂覆復(fù)雜形狀，且可根據(jù)需求選擇不同涂層（如TiCN提高耐磨性，CrN提高耐蝕性）。缺點(diǎn)：TD處理溫度高（850-1050℃），模具變形大，需后續(xù)校直；PVD涂層厚度薄（1-5μm），承載能力低于TD處理層。4.簡述模具材料選擇的基本原則（需結(jié)合具體模具類型舉例）。答案：（1）根據(jù)工作條件選擇：冷沖模（如汽車覆蓋件沖裁模）需高耐磨性，選Cr12MoV或粉末冶金鋼（如ASP2023）；熱鍛模（如發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛模）需抗熱疲勞，選H13或5CrNiMo。（2）考慮失效形式：以磨損為主的模具（如拉深模）需高硬度表面處理（如滲硼、TD處理）；以斷裂為主的模具（如厚板沖裁模）需提高材料韌性（如選用9CrSi代替Cr12）。（3）經(jīng)濟(jì)性：小批量模具可選低成本的T10A（碳素工具鋼）；大批量模具需選高性能鋼（如H13）以延長壽命。（4）加工工藝性：精密模具選微變形鋼（如9Mn2V），避免熱處理變形；復(fù)雜形狀模具選易切削鋼（如P20預(yù)硬鋼）。5.分析模具表面處理“滲碳”與“滲氮”的工藝差異及適用模具類型。答案：工藝差異：溫度：滲碳溫度高（900-950℃），滲氮溫度低（500-580℃）。時(shí)間：滲碳時(shí)間短（3-10h），滲氮時(shí)間長（20-100h）。表層成分：滲碳表層為高碳馬氏體（含碳量1.0-1.2%），滲氮表層為氮化物（如Fe4N、CrN）。適用模具類型：滲碳：用于低碳或中碳低合金模具鋼（如20Cr、20CrMnTi），制造受沖擊、需表面高硬心部韌性的模具（如冷鐓模、小型沖頭）。滲氮：用于中碳合金模具鋼（如38CrMoAl、42CrMo）或工具鋼（如Cr12MoV），制造精密模具（如塑料模、冷擠壓模），需變形小、表面耐磨耐蝕的場景。五、綜合分析題（每題10分，共20分）1.某企業(yè)生產(chǎn)汽車輪轂軸承套圈冷擠壓模，模具材料為Cr12MoV，熱處理工藝為1020℃淬火+200℃回火（硬度HRC60-62）。使用1000件后，模具型腔出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，表面有黏著物（金屬黏附），導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸超差。試分析失效原因，并提出改進(jìn)措施（材料選擇、熱處理、表面處理）。答案：失效原因分析：（1）材料方面：Cr12MoV雖硬度高，但碳化物偏析嚴(yán)重（共晶碳化物呈網(wǎng)狀分布），導(dǎo)致表面均勻性差，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，磨損后局部剝落，加劇黏著磨損。（2）熱處理方面：淬火溫度（1020℃）可能偏低，未充分溶解碳化物，殘余碳化物粗大，降低表面耐磨性；回火溫度（200℃）為低溫回火，殘余奧氏體含量較高（約15-20%），長期使用中殘余奧氏體分解，導(dǎo)致尺寸變化和硬度下降。（3）表面處理：未進(jìn)行表面強(qiáng)化，Cr12MoV基體硬度（HRC60-62）不足以抵抗高應(yīng)力冷擠壓的磨損，且表面缺乏減摩層，易發(fā)生金屬黏附。改進(jìn)措施：（1）材料選擇：改用碳化物分布更均勻的模具鋼，如粉末冶金鋼（如ASP2023），其碳化物細(xì)小彌散，耐磨性和韌性更優(yōu)；或選用高釩冷作模具鋼（如Cr8MoV2Si），V形成高硬度VC，提高抗黏著磨損能力。（2）熱處理優(yōu)化：提高淬火溫度至1050-1080℃，促進(jìn)碳化物充分溶解，減少殘余碳化物；采用多次回火（如200℃×3次），減少殘余奧氏體含量（<5%），穩(wěn)定尺寸。（3）表面處理：采用TD處理（鹽浴滲釩），形成VC硬化層（HV3000），顯著提高耐磨性；或PVD鍍TiAlN涂層（硬度HV2500），同時(shí)TiAlN的高抗氧化性可減少金屬黏附；也可進(jìn)行氮碳共滲（軟氮化），形成ε相（Fe2-3N），提高表面硬度和抗咬合性。2.某鋁合金壓鑄模（材料為H13）在使用5000模次后，模具表面出現(xiàn)網(wǎng)狀熱疲勞裂紋，局部區(qū)域裂紋深度達(dá)0.5mm，需頻繁修模。結(jié)合H13鋼的特性及熱作模具失效機(jī)理，分析裂紋產(chǎn)生原因，并提出預(yù)防措施。答案：裂紋產(chǎn)生原因：（1）材料特性：H13鋼雖抗熱疲勞性較好，但長期受冷熱循環(huán)（鋁液溫度680℃，模具冷卻后約200℃），表面反復(fù)膨脹-收縮，產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料