112 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

滲碳是將低碳鋼或合金鋼加熱至沃斯田鐵區，使碳原子由表面擴散進入工件，再經淬火形成高碳、硬而耐磨的表層；心部則保有較好的韌性。硬化深度主要取決於碳原子擴散的時間、溫度與表面供碳條件。

滲碳深度與擴散行為可用下式掌握：

其中 $x$ 為擴散深度、$t$ 為滲碳時間、$D$ 為碳在沃斯田鐵中的擴散係數。擴散係數受溫度影響，可概略表示為：

因此，延長時間或提高溫度通常會增加滲碳深度；溫度的影響尤其顯著。

解題方法：列出可控制深度的製程參數

題目問的是「可以控制硬化深度的製程參數」，作答時應從碳的擴散條件與表面供碳狀態切入，並說明各參數的影響方向。

1. 滲碳溫度：提高溫度會使碳擴散係數 $D$ 增大，因而加快碳向內擴散、增加有效滲碳深度。溫度過高則可能造成晶粒粗大、變形或氧化等問題。
2. 滲碳時間：時間愈長，碳擴散愈深入；在其他條件相同時，深度約隨時間平方根增加，而非與時間成正比。
3. 碳勢（表面碳濃度）：碳勢決定氣氛在工件表面提供碳的能力。提高碳勢可增加表面碳濃度與濃度梯度，促進滲碳；

核心觀念

刀具壽命是指刀具自開始切削至磨耗達到規定標準、無法維持所需加工品質，或必須重磨、更換前的有效切削時間。刀具壽命受切削條件、刀具與工件材料、刀具幾何形狀、切削環境及機床狀況等因素影響。

切削速度對壽命特別敏感，常以 Taylor 刀具壽命方程式表示：

其中 $V$ 為切削速度、$T$ 為刀具壽命，$n$ 與 $C$ 為由刀具、工件材料及切削條件決定的常數。在其他條件固定時，提高切削速度會明顯縮短刀具壽命；此關係不是線性變化。

解題方法

本題要求「列舉」影響因素，作答時可依「切削條件、刀具、工件、環境與設備」分類，並簡要說明各因素如何影響刀具磨耗或破損。此種分類能避免只羅列速度、進給等少數項目而漏答。

影響刀具壽命的因素

1. 切削速度：速度提高會使切削區溫度上升，加速刀具磨耗、擴散與氧化等熱性磨耗，通常是影響壽命最顯著的切削條件。

2. 進給率：進給增加會提高切屑厚度、切削力及刀刃負荷，促進磨耗，也可能造成刀刃崩裂。

3. 切削深度：切深增加會擴大切削負荷及刀刃承受的熱、力作用，可能加速磨耗；若切深或切削狀態變動劇烈，也會提高破損風險。

4. 刀具材料與硬度：刀具的硬度、紅硬性、韌性、耐磨性及抗熱震性，會影響其抵抗磨耗與崩刃的能力。

5. 工件材料性質：工件的硬度、強度、韌性、加工硬化傾向、化學成分及組織均會影響切削力、切削溫度與磨耗形式。硬度高或易加工硬化的材料，通常較易縮短刀具壽命。

核心觀念

本題比較液靜壓力擠伸與一般機械擠伸的差異。一般機械擠伸由壓頭直接推動胚料，使其通過模具；液靜壓力擠伸則以高壓液體包覆胚料，利用液體壓力將胚料推過模孔。液體在胚料與容器壁之間形成潤滑膜，因此兩者在摩擦、可加工材料、所需力量與設備操作上有所不同。

解題方法

依序比較「胚料受力方式、摩擦與變形、可加工性、製程限制及設備特性」，即可完整說明液靜壓力擠伸的特色。

1. 胚料受力與潤滑 一般機械擠伸的壓頭直接接觸胚料，胚料與容器壁之間有摩擦；液靜壓力擠伸由高壓液體傳遞壓力，液體包覆胚料並形成潤滑膜。液體壓力使胚料在容器中受到近似全向的壓縮，降低胚料與容器壁的直接摩擦。

2. 擠伸力與變形均勻性 容器壁摩擦降低後，擠伸所需力量較小，胚料的變形較均勻，表面品質通常較佳；因受壓狀態較有利於抑制裂縫形成，也可加工較脆或延性較低的材料。

核心觀念

鑄件氣孔是金屬液中的氣體未能在凝固前逸出，而被包在鑄件內部或表面所形成的孔洞。成因可分為兩類：一是氣體在金屬液內形成或析出；二是外來氣體進入型腔，未能順利排出。

常見鑄件氣孔包括：

• 析出氣孔：氣體原先溶解於金屬液，凝固時因溶解度降低而析出，來不及浮出液面便被凝固金屬包住。
• 反應氣孔：金屬液與型砂、水分、氧化物或其他物質反應，產生氣體並滯留於鑄件中。
• 捲入氣孔：澆注時金屬液流動紊亂，捲入空氣或其他氣體，氣體未能排出而形成孔洞。

解題方法

作答時依「氣體來源」逐項說明，並補上氣體滯留的條件：

1. 金屬液本身含氣：熔解、熔煉或澆注過程中，金屬液吸收氣體；凝固時氣體溶解度下降，氣體析出並被困住。鋁合金尤須注意氫氣造成的氣孔。
2. 型砂與砂心產氣：型砂、砂心含水，或黏結劑、塗料、油脂等在高溫下分解，產生水蒸氣及其他氣體。

核心觀念

本題比較兩種以雷射能量加工金屬的方法。兩者都利用聚焦雷射束在局部形成高能量密度熱源，但加工目的不同：

• 雷射切割：使材料沿預定輪廓局部熔化或汽化，再以輔助氣體排出材料，形成切縫並分離工件。
• 雷射焊接：使接合處的母材局部熔化，熔融金屬凝固後形成焊道，將工件接合在一起。

因此，答題時可從「加工目的、熱源作用、材料移除或添加、輔助氣體、加工結果與適用性」逐項比較。

解題方法

以加工結果作為切入點，再說明能量如何作用於材料：

1. 先辨認加工目的：切割是分離材料；焊接是接合材料。
2. 再說明材料變化：切割須形成切縫並排出切除部分；焊接則須熔合接合處，凝固後形成連續接頭。
3. 比較製程條件與效果：補充光束、氣體、熱影響區、精度及常見限制，呈現兩者的製程差異。

雷射切割與雷射焊接比較