110 關務特考三等 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

本題考查鋼鐵的表面硬化處理：使工件表面具備高硬度與耐磨性，同時保留心部的韌性。滲碳法與氮化法都是將硬化元素擴散進入鋼材表層，再利用表層組織或化合物提升硬度；兩者主要差別在於擴散元素、處理溫度、是否需要淬火，以及硬化層的深度與硬度分布。

解題方法

作答時可依序比較兩法的處理介質與溫度、硬化機制、後續處理、硬度分布及硬化深度。滲碳主要靠碳擴散及後續淬火形成高碳馬氏體；氮化則靠氮擴散及氮化物形成硬化層，通常不需淬火。

滲碳法

**處理過程：**將低碳鋼或低碳合金鋼置於含碳介質中，常在約 $900\text{–}950^\circ\mathrm{C}$ 的奧氏體區加熱，使碳原子擴散至工件表面。滲碳後進行淬火，使富碳表層轉變為高硬度馬氏體；常配合低溫回火，以降低淬火應力及脆性。心部含碳量較低，淬火後仍保有較好的韌性。

**硬度分布：**表面硬度最高，從表面向心部逐漸降低。原因是碳濃度由表面向內遞減，淬火後表層與心部形成不同的硬化程度。

**硬化深度：**滲碳層通常較深，常見有效硬化深度約為 $0.5\text{–}2.0\,\mathrm{mm}$，依鋼種、溫度、時間及淬火條件而異。延長滲碳時間或提高溫度，通常可增加碳的擴散深度。

氮化法

**處理過程：**將含有鋁、鉻、鉬等氮化物形成元素的合金鋼，置於含氮介質中，常在約 $500\text{–}550^\circ\mathrm{C}$ 加熱，使氮擴散進入表面，並與合金元素形成

核心觀念

本題考查以熔體紡絲法（melt spinning）製造非晶質合金的原理與流程。金屬液體必須以極快速度冷卻，使原子來不及排列成規則晶格，便凝固成原子排列無長程週期性的非晶質結構。

熔體紡絲是一種快速凝固製程：將合金熔融後，從噴嘴射出並噴到高速旋轉的冷卻輪上，熔體在輪面形成薄帶並迅速冷卻、凝固。製程能否得到非晶質，關鍵在於冷卻速度足以抑制晶核形成與晶粒成長。

解題方法

作答時依「熔化與噴射 → 冷卻輪急冷 → 凝固成帶 → 收捲」說明製程，並標示噴嘴、熔融合金、旋轉冷卻輪、急冷薄帶及收捲裝置。圖中也應呈現冷卻輪的旋轉方向與薄帶離輪方向。

 惰性氣體壓力
 ↓
 ┌─────────┐
 │ 合金熔湯 │
 └────┬────┘
 │ 噴嘴
 ▼
 熔體細流／熔體射流
 \
 \ 急冷後的合金薄帶
 \______________________→ 收捲輪
 ╲
 ┌─────╲────────┐
 │ ● │
 │ 旋轉冷卻輪 │ ↻
 └───────────────┘
 水冷銅輪

核心觀念

選擇性雷射燒結（Selective Laser Sintering, SLS）是粉末床式積層製造法。製程依據三維 CAD 模型，將零件切成許多薄層，再以雷射逐層掃描並燒結粉末；每完成一層，粉床下降一個層厚，鋪上新粉末，重複加工至零件完成。

SLS 的核心是「逐層選擇性燒結」。未被雷射照射的粉末留在粉床中，能支撐零件懸空或突出部分，因此通常不需要另外設計支撐結構。常見材料包括高分子粉末、金屬粉末及陶瓷粉末；實際燒結、熔融程度與後處理方式，依材料和設備而異。

製程示意圖

 雷射光束
 ↓
 ┌────掃描振鏡────┐
 └──────┬────────┘
 ↓
 ┌───────────────────┐
 │ 雷射選擇性掃描區 │
刮刀／滾筒 → │──────粉末床───────│
 │ 已成形零件 │
 │ 未燒結粉末 │
 ├───────────────────┤
 │ 成形平台 │ ↓ 每層下降 h
 └───────────────────┘
 粉末供料缸
 （逐層供應新粉末）

圖示為概念示意：粉末供料機構將粉末送至成形區，再由刮刀或滾筒鋪平；雷射依該層截面輪廓掃描，使指定區域的粉末結合。

解題方法與製程步驟

本題要求「分別繪圖且詳述」製程，作答時應同時交代設備構成、逐層加工順序，以及粉末與雷射各自的作用。依製程先後說明如下：

1. 建立三維模型並切層 以 CAD 建立零件三維模型，輸入 SLS 設備後，依設定層厚切分為一系列二維截面資料。各層截面決定雷射在該層的掃描範圍。

2. 準備粉末與成形環境 粉末由供料缸供應，成形平台位於成形缸內。設備依材料需求設定加工條件；加工金屬粉末時，常需控制氧化並使用惰性氣氛。

核心觀念

切削中的振動可分為強制振動與自激振動，判別重點在於振動能量的來源：

• 強制振動：由外部週期性激振力引起，例如主軸或工件偏心、齒輪與軸承的週期性誤差、斷續切削、相鄰機台振動，以及切削力週期性變動。振動頻率通常與激振源頻率或其倍頻相關。
• 自激振動：振動由切削過程本身與工具機結構的動態交互作用維持。刀具與工件的相對振動改變切削厚度及切削力，切削力又反過來加劇振動，形成正回饋；最典型的例子是再生顫振。振動頻率通常接近工具機或切削系統的固有頻率。

本題要比較兩類振動對工件品質、刀具、工具機的共同不利影響，並指出自激振動常因振幅大、持續發展而使損害更嚴重。

解題方法

按題目指定的三個對象逐一說明，並從振動造成的相對位移、交變切削力與衝擊負荷推導後果：

1. 刀具與工件相對位移，使實際切削深度及切削厚度不穩定，影響工件表面與尺寸。
2. 切削力反覆變化或產生衝擊，使刀刃承受交變應力，加速刀具磨耗與破損。
3. 振動力傳至主軸、軸承、導軌及機台結構，增加負荷與疲勞，降低加工系統精度及壽命。

振動對各方面的不利影響

一、對工件品質

• 表面粗糙度惡化：刀具相對工件振動，會在已加工表面留下振紋、波紋或顫振痕跡；嚴重時表面品質明顯下降。
• 尺寸與形狀精度降低：振動造成切深及切削厚度變動，使工件尺寸不穩定，也可能產生圓度、平面度等形狀誤差。
• 表面完整性受損：反覆振動與衝擊可能造成表面撕裂、毛邊或局部缺陷；表面加工硬化及殘留應力也可能增加。
• 加工穩定性與重現性變差：即使平均切削條件相同，振動也會使加工結果在不同位置或不同工件間產生差異。

二、對切削刀具