108 身心障礙特考三等 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量考生對「黑色金屬材料（Ferrous Metals）」之分類界線、相圖相變態原理，以及「微觀組織決定巨觀機械性質」此一材料科學核心邏輯的掌握程度。評分關鍵在於：

1. 鐵碳平衡圖（$\text{Fe-Fe}_3\text{C}$ Phase Diagram）分界：以沃斯田鐵（$\gamma-\text{Fe}$）之最大固溶碳量 $2.14\text{ wt}\%\text{ C}$ 作為鑄鋼與鑄鐵之理論分水嶺。
2. 組織與成分連動機制：碳（$\text{C}$）與矽（$\text{Si}$）含量如何誘發石墨化（Graphitization）或形成雪明碳鐵（$\text{Fe}_3\text{C}$）。
3. 機械性質的結構敏感性：游離石墨型態對差排運動、應力集中（Notch Effect）及振動吸收（Damping）所造成的力學響應。

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解題方法

國家考試申論題若遇「比較異同」題型，最有效率且能拿高分的架構為「條列深入論述」搭配「整合對照表格」。解題切入點如下：

• 成分切入：明確給出碳、矽等關鍵元素的質量百分比範圍，並指出元素所扮演的角色（如矽對石墨化的催化作用）。
• 性質切入：不能僅泛稱「強度好」或「較脆」，必須精確使用材料力學專有名詞，分別由「抗拉／抗壓強度」、「延性與衝擊韌性」、「減震阻尼能」、「硬度與耐磨性」四個構面系統化對比。

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申論內容深入分析

一、 化學成分之主要差異

1. 碳含量（Carbon Content）

• 鑄鋼（Cast Steel）：碳含量一般界於 $0.15\text{ wt}\% \sim 0.60\text{ wt}\%$ 之間，極少超過 $1.0\text{ wt}\%$，理論上嚴格限制在 $2.14\text{ wt}\%$ 以下。顯微組織依碳含量主要由肥粒鐵（Ferrite）與波來鐵（Pearlite）構成，具有連續金屬基質。
• 鑄鐵（Cast Iron）：碳含量介於 $2.14\text{ wt}\% \sim 4.5\text{ wt}\%$（工程常見多在 $2.5\text{ wt}\% \sim 4.0\text{ wt}\%$）。由於碳含量高於固溶極限，凝固過程中大量游離碳以「石墨（Graphite）」型態析出，或與鐵結合成共晶雪明碳鐵（Ledeburite / Cementite）。

2. 矽含量（Silicon Content）

• 鑄鋼：矽僅作為脫氧劑殘留，含量通常受到抑制，約在 $0.2\text{ wt}\% \sim 0.8\text{ wt}\%$。
• 鑄鐵：矽是不可或缺的「石墨化促進元素」，含量較高，一般為 $1.0\text{ wt}\% \sim 3.0\text{ wt}\%$。矽能促使介穩定系統（$\text{Fe-Fe}_3\text{C}$）向穩定系統（$\text{Fe-C}$）轉變，引導游離碳形成石墨。

3. 雜質與合金元素

• 鑄鋼：對有害雜質磷（$\text{P}$）、硫（$\text{S}$）的管制極為嚴格（通常均要求 $\le 0.04\text{ wt}\%$），常依工況添加 $\text{Cr}$、$\text{Ni}$、$\text{Mo}$ 等合金元素製成合金鑄鋼。
• 鑄鐵：對磷、硫容許度較高（磷可增加鐵水流動性，硫則強烈阻礙石墨化促成白鑄鐵）。

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二、 機械性質之主要差異

1. 抗拉強度與抗壓強度（Tensile vs. Compressive Strength）

• 鑄鋼：具備優異且對稱的抗拉與抗壓強度。抗拉強度隨碳含量增加而提升（約 $400 \sim 800\text{ MPa}$），其抗壓降伏強度與抗拉降伏強度大致相等。
• 鑄鐵（以普通灰鑄鐵為例）：抗拉強度極低（僅約 $100 \sim 350\text{ MPa}$），主因是內部片狀石墨（Flake Graphite）尖端產生嚴重應力集中，極易形成微裂紋；但其抗壓強度極高，約為抗拉強度的 3 至 4 倍（可達 $600 \sim 1000\text{ MPa}$），此非對稱性為其顯著特徵。

核心觀念

本題的核心在於「金屬切削力學」與「刀具磨耗機制對加工系統之影響」。

1. 刀具磨耗歷程與幾何改變：刀具磨耗主要包含後隙面磨耗（Flank Wear，磨耗寬度以 $V_B$ 表示）與前斜面磨耗（Crater Wear，深度以 $K_T$ 表示）。當磨耗進入第三階段（加速磨耗期），刃口圓角半徑增大（刀刃鈍化），前角減小且後隙角失去消除摩擦之功能。
2. 切削力學與熱效應：切削機制由剪切（Shearing）轉變為嚴重的擠壓與摩擦（Plowing and Rubbing）。主切削力 $F_c$、進給力 $F_f$ 與推力（背向力）$F_t$ 劇增，切削能量轉換為熱能之比例大幅攀升。
3. 系統交互影響：物理狀態參數（切削力、溫度、振動）與工件最終品質（幾何精度、表面粗糙度、表面完整性）呈現高度的因果連動。

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解題方法

本題屬申論題型，答題切入點應建立「刀刃幾何劣化 $\rightarrow$ 物理狀態改變 $\rightarrow$ 工件品質損壞」之嚴密因果鏈，並精準區分兩大提問範疇：

1. 加工參數與切削現象之影響：著重探討切削力、切削功率、切削溫度、加工穩定性（顫振）及切屑形成等動態物理參數。
2. 切削工件品質之影響：依據機械製造品管標準，由外而內分層論述「尺寸與幾何公差」、「微觀表面粗糙度」及「材料表面完整性（冶金組織與殘留應力）」。

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選項分析

本題為申論題，無選項。考生作答時應將答案分項編號，層次分明，切忌以大段文字混雜作答。

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解題技巧

1. 記憶口訣與構思架構：

• 影響加工參數（物理動態）：「力、功、熱、振、屑」（切削力增大、功率暴增、溫度升高、顫振引發、切屑型態惡化）。
• 影響工件品質（加工結果）：「精、粗、性、邊」（尺寸幾何精度下降、表面粗糙度劣化、表面完整性受損、邊緣毛邊產生）。

2. 閱卷陷阱與得分關鍵：

• 常見陷阱：將「加工參數」僅狹隘理解為機台設定值（如主軸轉速、進給率）。在金屬切削學中，過度磨耗直接迫使現場必須調降切削速度或停機，並直接改變加工過程中的物理狀態參數（切削力、切削功率 $P = F_c \times V$ 等），兩者皆應論及。
• 加分亮點：工件品質除了提及「表面粗糙度」與「尺寸變大／變小」外，必須寫出​「表面完整性（Surface Integrity）」，包括加工硬化、殘留拉應力及微裂紋，這是三等考試拿高分的關鍵分水嶺。

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【答案】

在金屬切削過程中，當刀具產生過度磨耗（如後隙面磨耗 $V_B$ 過大、前斜面月牙窪 $K_T$ 過深或刀鼻磨損）時，切削刃由鋒利的剪切邊緣轉變為鈍化的圓弧狀，造成加工參數（物理動態）及工件品質兩方面的嚴重衝擊，分述如下：

一、 對加工參數與加工動態之影響

1. 切削力與背向力（推力）劇增

• 刃口鈍化造成擠壓區（Plowing zone）擴大，後隙面與工件過度摩擦。
• 切削力（$F_c$）、進給力（$F_f$）及背向力（$F_t$）顯著上升，其中以背向力（推力）之增幅最為劇烈，極易使工件與刀桿產生彈性撓曲。

核心觀念

本題旨在考驗金屬塑性加工（體積成型）於電機材料領域之工業實務應用，核心觀念涵蓋以下四項：

1. 主要加工法定義：製造線材的核心加工法為伸線加工（Wire Drawing，又稱抽線、拉線）。屬於冷作體積塑性變形，利用外力拉動金屬胚料通過小於其斷面的模孔，以達到縮小直徑、延長長度並提升尺寸精度與表面粗糙度之目的。
2. 加工硬化與組織恢復：純銅（如無氧銅 OFC、韌銅 ETP）在冷伸線過程中，內部晶粒破碎、差排密度劇增，產生顯著的加工硬化（Strain/Work Hardening）​現象，導致強度提高、延展性急速下降。為使後續能繼續減面並確保最終導線的導電度與柔軟度，必須配合再結晶退火（Recrystallization Annealing）。
3. 前置毛胚成型：大斷面銅胚轉化為直徑約 $8\text{ mm}$ 之粗銅盤元（Rod）時，係採用連續鑄造與熱軋（Continuous Casting and Hot Rolling）。
4. 表面處理與潤滑機制：熱加工後表面的氧化皮膜（$\text{CuO}$、$\text{Cu}_2\text{O}$）會刮傷模具，必須實施酸洗（Pickling）；且高速冷抽伸需搭配液體潤滑劑（水性乳化油）以散熱並降低摩擦阻力。

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解題方法

回答本題應採「加工原理定性 $\rightarrow$ 製程階段展開」的系統性寫法：

1. 明確界定加工方法：先總結生產銅電線的根本機械加工法為「連續鑄軋（熱加工）」與「多道次伸線／抽線（冷加工）」，輔以「軟化退火（熱處理）」與「絕緣押出（塑膠加工）」。
2. 分段闡述加工流程：按照現代工廠實際製造程序，依序劃分為五大階段詳細說明其加工目的、設備與物理機制：

• 原料熔煉與連鑄連軋（鑄造與熱軋）
• 盤元表面清理（化學/機械除銹）
• 粗抽與中細抽（多模冷伸線）
• 軟化退火處理（消除內應力、恢復延展性）
• 絞線與絕緣被覆成型（裝配與押出）

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選項分析（申論題型之製程替代方案比較）

本題為申論問答題，無固定選項。工業上製造線材有不同途徑，針對不同工藝特點解析如下：

• 連續鑄軋法（連鑄連軋，Continuous Casting and Rolling）： 為現今製造粗銅桿（約 $\phi 8\text{ mm}$）的主流標準工藝。高溫銅液經連鑄機凝固成坯後，不經冷卻直接送入多機架軋延機熱軋，節能且表面品質穩定，產出高延展性長條盤元。
• 熱擠製法（Hot Extrusion）： 傳統製造粗銅管、粗線材時採用正向或反向擠製機將錠料擠出成形。其缺點為非連續性生產、單批產量受限於擠缸容量、端部殘料損失大，故一般規格銅電線已完全被連續鑄軋法取代，僅特殊截面或特硬合金銅材採用。
• 多道次冷伸線法（Multi-die Cold Wire Drawing）： 製造中細電線唯一可達到高真圓度、微米級尺寸公差及高表面光潔度的成型法。透過錐形碳化鎢或聚晶鑽石（PCD）模具連續減面，生產速率可達數十 $\text{m/s}$。
• 熱抽法（Hot Drawing）： 熱抽一般用於高強度難變形金屬（如鎢絲、鉬絲）。銅具備優良的面心立方（FCC）常溫塑性，若採熱抽會導致銅材高溫氧化嚴重、線徑控制精度差且表面粗糙，因此銅線拉拔一律採冷加工。

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解題技巧

1. 掌握關鍵名詞：閱卷標準嚴格鎖定專業術語，答題必須精準寫出「伸線／抽線（Drawing）」、「連續鑄軋（SCR 製程）」、「加工硬化（Work Hardening）」、「再結晶退火（Recrystallization Annealing）」、「伸線模（Drawing Die）」。

核心觀念

本題評量遮蔽金屬電弧銲（Shielded Metal Arc Welding, SMAW，俗稱被覆電銲或手工電弧銲）​中，被覆電銲條表面塗覆之「助銲劑／被覆劑（Flux Coating）」在焊接過程中的物理、化學與冶金功能。

SMAW 是利用心線（Core Wire）與工件間產生的電弧熱熔化母材與銲條。在高溫熔融狀態下，金屬極易與空氣中的氧（$\text{O}_2$）及氮（$\text{N}_2$）劇烈反應，生成脆性氧化物與氣孔，導致銲道機械性質嚴重劣化。此外，交流或直流電弧的穩定性、液態熔池的冷卻速度與熔金成分調整，皆高度依賴助銲劑所提供的各項冶金反應與保護機制。

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解題方法

本題為標準的機械製造學申論題。作答切入點宜採用​「冶金與防護歷程分類法」，依電弧引發、液態熔池燃燒保護、高溫凝固冷卻、乃至最終銲道成形之時序與功能進行結構化陳述。建議劃分為以下六大功效面向，逐項說明「反應原理」及其「對銲道品質的具體貢獻」：

1. 氣體遮蔽作用（產生防護氣體）
2. 熔渣保護與緩冷保溫作用（造渣）
3. 電弧穩定與引弧作用
4. 去氧、去硫與淨化金屬作用（冶金精煉）
5. 添加合金元素（控制銲道化學成分與機械性質）
6. 控制熔填速率與電氣絕緣作用

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選項分析

本題為國家考試之申論問答題，無個別選擇題選項。以下將助銲劑核心化學成分、反應機制與其對應之功能效益進行系統性深入剖析：

1. 氣體遮蔽防護（Gas Shielding）

• 機制：被覆劑內含纖維素（Cellulose）、碳酸鹽（如碳酸鈣 $\text{CaCO}_3$）等有機物或無機礦物，在高溫電弧下分解釋放出 $\text{CO}_2$、$\text{CO}$ 與水蒸氣等保護氣體。
• 效能：在電弧周圍形成氣體屏障，隔絕大氣中的 $\text{O}_2$、$\text{N}_2$ 與氫氣入侵熔池，防止高溫銲道金屬氧化、氮化（形成脆性氮化物）與產生氣孔缺陷。

2. 造渣與緩冷保護（Slag Formation & Thermal Insulation）

• 機制：被覆劑中的二氧化鈦（$\text{TiO}_2$）、矽砂（$\text{SiO}_2$）、螢石（$\text{CaF}_2$）等造渣成分熔化後，密度小於液態金屬，會浮於熔池表面形成液態熔渣。
• 效能：
• 物理隔絕：覆蓋於凝固金屬表面，在銲道冷卻過程中持續隔絕大氣污染。
• 保溫緩冷：降低銲道的冷卻速率（Cooling rate），避免熱影響區（HAZ）與熔融區因急冷形成脆性麻田散鐵（Martensite）組織，降低淬硬傾向與低溫龜裂（Cold Cracking）風險。
• 平整外觀：降低液態金屬表面張力，有助於銲冠平滑過渡，形成優美均勻的魚鱗狀銲道。

3. 穩定電弧與引弧輔助（Arc Stabilization）

• 機制：含有游離能極低的鹼金屬及鹼土金屬化合物（如鉀化合物、鈉化合物、水玻璃、長石）。
• 效能：在高溫下極易電離出電子與正負離子，降低電弧間隙的電離電壓，使引弧容易、電弧燃燒穩定柔和、減少火花與飛濺物（Spatter），並支援交流電（AC）焊接時電流過零點的瞬時重燃。

核心觀念

本題考查永久模鑄造加工法（Permanent Mold Casting，又稱金屬模鑄造）​之製程控制與模具維護關鍵技術——模穴耐火塗層（Die Coating / Mold Wash）​的物理與化學機能。

永久模鑄造通常採用鑄鐵或合金鋼等金屬材料製造模具。由於金屬模具具備高熱傳導率、高剛性以及反覆承受高溫熔湯衝擊的特性，熔湯若直接與金屬模壁接觸，將衍生充填不足、模具熱疲勞損壞以及脫模困難等問題。因此，於模穴表面預先噴塗一層由耐火粉末（如滑石粉、雲母、石墨、矽藻土、氧化鈦、氧化鋯）、黏結劑（如水玻璃／矽酸鈉）及載體（水）組成的耐火塗層，是確保鑄造品質與模具壽命的關鍵工序。

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解題方法

回答申論題時，宜從熱傳控制、模具保護、脫模潤滑與表面品質四大工程維度切入，結合理論機制條理分析：

1. 調控熱傳速率，防止過早凝固並達成「定向凝固」

• 延緩熱散失與防止充填不良：金屬模之熱傳導率遠高於砂模，熔湯注入時熱量迅速被模壁帶走，易引發流動性驟降，導致冷閉（Cold Shut）​或充填不良（Misrun）。塗層由導熱率甚低的耐火材料構成，可形成熱阻層（Thermal Barrier），降低熱傳導速率： $q = \frac{\Delta T}{R_{\text{total}}}$ 其中塗層增加之熱阻 $R_{\text{coating}} = \frac{L}{k}$（$L$ 為塗層厚度，$k$ 為熱傳導率），能有效延緩熔湯降溫，確保薄壁或複雜輪廓完整充填。
• 促進定向凝固（Directional Solidification）：藉由在模穴不同區域噴刷不同厚度的塗層（厚塗處散熱慢、薄塗處散熱快），人為建立溫度梯度，引導金屬液由遠端朝向冒口方向依序凝固，達到良好的補縮效果，消除內部縮孔（Shrinkage Cavity）​與縮鬆（Porosity）。

2. 保護模具免受高溫衝擊，大幅延長模具壽命

• 減緩熱衝擊與熱疲勞（Thermal Fatigue / Heat Checking）：模具反覆經歷「注湯高溫膨脹」與「冷卻開模收縮」的熱循環，表面極易產生龜裂紋路。塗層具備隔熱效果，降低模壁內外表面的急劇溫差，緩解交變熱應力。
• 防止熔蝕與黏模（Soldering / Erosion）：高溫熔融金屬（尤其是鋁、鎂等輕合金）化學活性高，易與鐵基模具產生化學擴散與熔融反應，導致金屬模壁被侵蝕甚至咬死。塗層扮演物理化學屏障，隔絕熔液與金屬模直接接觸。

3. 充當離型劑（Parting Agent），降低摩擦阻力與防止開裂