109 專技高考高等考試 冶金工程技師 金屬加工學（包括鑄、鍛、銲與熱處理） 考古題詳解

核心觀念

本題要能把「材料牌號、用途與製程」連在一起說明。作答時，先依材料種類各舉一例，再交代該材料適合的產品，以及製程如何利用材料的凝固、塑性變形或熱處理特性來成形或改善性能。

以下牌號採常見 JIS 表示方式；實際採用時，應依產品設計及適用規範確認材料標準與供貨狀態。

解題方法

選材時可由材料的主要特性切入：鑄鐵適合鑄造複雜形狀；鋼可藉鍛造與熱處理調整強韌性；銅適合利用延展性製成導電零件；鋁合金兼具低密度與可熱處理強化的特性；鎂合金密度低，常以壓鑄大量生產薄壁零件。

一、鐵：灰口鑄鐵 FC250

• **用途：**工具機床身、泵浦殼體等承受壓縮載荷、需要吸振且形狀較複雜的零件。
• **加工方法：**砂模鑄造。
• **原理：**將熔融鑄鐵澆入砂模，液態金屬填滿模穴後冷卻凝固，形成所需形狀。灰口鑄鐵中的片狀石墨有助於吸振及切削，但也會造成應力集中，因此不適合承受高衝擊或拉伸載荷。

二、鋼：中碳鋼 S45C

• **用途：**軸、齒輪、螺栓等需要一定強度與耐磨性的機械零件。
• **加工方法：**鍛造後調質處理，即淬火加高溫回火。
• **原理：**鍛造時使鋼材在適當溫度下受壓變形，改善鑄態組織並使材料成形；淬火使鋼形成高硬度組織，再以高溫回火降低脆性、提高韌性，使強度與韌性取得平衡。

三、銅：韌銅 C1100

• **用途：**電線、匯流排、電氣端子等導電零件。
• **加工方法：**熱軋或冷軋成板、帶或線材，必要時進行退火。
• **原理：**軋輥施壓使銅材產生塑性變形，逐步減薄或改變截面。

核心觀念

本題考查鋼製緊固件（螺絲、螺帽）之完整工業製造鏈，涵蓋材料前處理、塑性加工、切削加工、熱處理冶金、表面工程及品質檢驗等核心冶金製程：

1. 金屬塑性變形與加工硬化機構：利用冷鍛（打頭）與滾牙之冷間塑性流動保留連續「金屬流線（Grain Flow）」，使加工硬化與殘留壓應力強化製品抗疲勞與抗拉剪強度。
2. 物理冶金與相變態控制：

• 盤元線材之球化退火（Spheroidizing Annealing），使片狀雪明碳體（$\text{Fe}_3\text{C}$）球狀化以降低變形阻力並防止冷作開裂。
• 最終強度調控之調質熱處理（淬火＋高溫回火，獲得回火麻田散鐵）或低碳鋼之表面滲碳硬化。
• 熱處理氣氛之碳勢（Carbon Potential）控制，防止表面「脫碳（Decarburization）」造成疲勞破壞或「過滲碳」引發脆裂。

3. 電化學腐蝕防護與氫脆延遲斷裂：電鍍防蝕層（如鍍鋅、鋅鎳合金）之保護機制；以及酸洗與電鍍引入之原子氫（$\text{H}$）在高張應力區聚集誘發**氫脆（Hydrogen Embrittlement）之物理機構，必須藉由去氫退火（Baking）**以高溫擴散逸出。

---

解題方法

本題採「鋼鐵緊固件完整製程生命週期」為切入點，由前端原料進料展開至末端包裝出貨，將流程系統化拆解為六大階段： $\text{原料前處理} \longrightarrow \text{冷鍛成型} \longrightarrow \text{螺紋成型} \longrightarrow \text{熱處理} \longrightarrow \text{表面處理與除氫} \longrightarrow \text{檢驗出貨}$ 針對題目要求的每一項流程，均以三大構面嚴謹論述：

• 原理：說明該步驟背後的微觀組織演變、力學變形機制或電化學反應。
• 目的：說明該製程在產線中所欲達成的幾何、機械性質或物理功能。
• 影響最終產品之關鍵因素：列出實務工程參數（如溫度、應變率、氣氛、公差等），凸顯對成品良率、機械性能與破壞失效之決定性影響。

---

選項分析

本題為專技高考之申論題型，無選項。 閱卷評分關鍵在於製程流程排序之邏輯正確性、專業冶金名詞之精確度（如區分「螺絲滾牙」與「螺帽攻牙」），以及是否完整涵蓋「球化退火」、「氣氛控制（防脫碳）」、「氫脆與去氫退火」等高階冶金技術細節。

---

解題技巧

1. 邏輯串聯口訣：退、酸、抽、打、牙、熱、鍍、烘、檢（退火 $\to$ 酸洗潤滑 $\to$ 抽線 $\to$ 冷打成型 $\to$ 滾牙/攻牙 $\to$ 熱處理 $\to$ 電鍍 $\to$ 烘烤除氫 $\to$ 光學檢驗）。
2. 分流區分陷阱：

• 螺絲（外螺紋）：標準製程採用「冷間滾牙（輾牙）」，屬塑性流動，不可寫成切削螺紋。
• 螺帽（內螺紋）：多數採「攻牙（Tapping）」，屬切削加工。

3. 高分必備關鍵名詞：答題時務必寫出「晶粒纖維流線（Grain Flow）」、「脫碳層（Decarburization Depth）」、「去氫退火（Baking）」、「殘留應力（Residual Stress）」與「延遲脆斷（Delayed Fracture）」，展現技術深度。

---

【答案】

鋼製螺絲與螺帽從原料至出貨之完整加工與生產流程，依先後次序說明如下：

一、 原料檢驗與前處理階段（Raw Material Pretreatment）

線材原料通常為低碳鋼（如 SAE 1018/1022）、中碳鋼（如 SAE 1045）或低合金鋼（如 SCM435）之熱軋盤元（Wire Rod）。

1. 球化退火（Spheroidizing Annealing）

• 原理：將鋼材加熱至亞共析鋼變態點 $Ac_1$ 附近溫度（約 $700 \sim 760^\circ\text{C}$）長時間保溫，藉由擴散使介穩的層狀波來鐵（Pearlite）中高界面能的片狀雪明碳體（$\text{Fe}_3\text{C}$）斷裂、聚集並球狀化，形成肥粒鐵基地上分佈微細球狀碳化物的平衡組織。
• 目的：大幅降低熱軋盤元之硬度與降伏強度，顯著提升材料之延展性與冷加工變形能力（冷作鍛造性），避免後續大變形量冷打頭時產生剪切開裂，並延長成型模具壽命。
• 影響最終產品的關鍵因素：
• 退火溫度、均溫性與冷卻速率：溫度過低球化不完全（殘留片狀波來鐵易裂）；溫度過高或冷卻過慢造成碳化物粗大化，導致冷鍛加工硬化率異常。
• 爐內保護氣氛控制：保護氣體不佳將導致材料表面脫碳，直接破壞最終成品頭部與桿部的疲勞極限。

2. 酸洗與皮膜潤滑處理（Pickling & Surface Coating）

• 原理：利用鹽酸（$\text{HCl}$）或硫酸（$\text{H}_2\text{SO}_4$）水溶液溶解並剝離線材熱軋過程產生的氧化鐵皮（Scale）；接著浸泡磷酸鹽槽形成微孔性磷酸鋅（$\text{Zn}_3(\text{PO}_4)_2$）轉化皮膜，再浸潤金屬皂液（硬脂酸鈉），於皮膜孔隙生成硬脂酸鋅化學潤滑層。
• 目的：徹底去除磨耗性極高的氧化皮以防模具磨損；建立高附著力的極壓潤滑載體層，大幅降低後續抽線與冷打頭時的金屬接觸摩擦阻力，防止模具咬死（Galling）。
• 影響最終產品的關鍵因素：
• 酸洗時間與溫度：酸洗不足會殘留氧化皮磨損模具並造成成品表面壓傷；過酸洗（Over-pickling）會引發鋼材點蝕與氫脆萌生。
• 皮膜結晶厚度與潤滑均勻性：皮膜過薄潤滑失效導致模具拉傷；皮膜過厚或結合力不佳在冷打時易剝落形成積垢。

3. 伸線／抽線（Cold Drawing）

• 原理：以抽線機將盤元強制拉過硬質合金（碳化鎢）眼模（Draw Die），使金屬產生均勻的冷間塑性拉拔減面變形，並產生加工硬化現象。
• 目的：獲得高精度的線徑尺寸公差與優良真圓度（滿足冷打剪料與進料精度）；適度提高線材強度，使下料剪切斷面平整、無毛邊。
• 影響最終產品的關鍵因素：
• 減面率（Reduction Ratio）與抽線速度：加工硬化程度控制不良會導致後續冷打頭部破裂或剪斷面傾斜。
• 模具孔徑精度與潤滑狀態：抽線刮傷會在後續鍛造時轉化為嚴重的縱向表面裂紋。

---

二、 冷鍛成型階段（Cold Heading & Forming）

1. 螺絲冷打頭（Cold Heading）與螺帽冷成型（Nut Forming）

• 原理：在室溫條件下（低於再結晶溫度），利用自動冷鍛機（多沖程打頭機或螺帽成型機）以高速衝擊對剪斷之線材胚料進行多道次閉模或開模體積塑性壓縮與擠伸加工。金屬內部滑移面產生連續塑性流動，金屬結晶流線（Grain Flow Lines）順應外型連續彎曲分佈，不被機械切斷。
• 目的：
• 螺絲：完成下料、桿部縮徑（供滾牙預備）、頭部外型衝鍛（六角頭、圓頭、十字槽等）及成型頭下倒角（R 角）。
• 螺帽：依序完成剪料、預成型、衝六角（或八角）外型、平整端面及內孔衝通（Punch Hole）。
• 影響最終產品的關鍵因素：
• 鍛造模具同心度與間隙：決定工件之偏心度、頭桿垂直度與六角對邊公差。
• 下料端面垂直度與潤滑充填：衝擊變形不均會產生摺痕（Cold Shut）、頭下 R 角剪切裂紋或十字槽凹陷充填不滿。

核心觀念

本題考查鋼鐵材料銲接冶金學（Welding Metallurgy）之核心理論，涵蓋銲接熱循環、顯微組織演變、銲接缺陷機構及製程控制：

1. 銲接熱歷程與峰值溫度（Peak Temperature, $T_p$）：銲接為局部急速加熱與急速冷卻過程，距離銲道中心不同位置受到的最高加熱溫度不同，對應鐵碳平衡圖（$\text{Fe-Fe}_3\text{C}$ 相圖）產生固相與液相反應。
2. 接頭分區定義：包含熔融區（Fusion Zone, FZ）、不完全熔融區／半熔融區（Partially Melted Zone, PMZ）、熱影響區（Heat-Affected Zone, HAZ）及不受熱影響之母材（Base Metal, BM）。
3. HAZ 次分區相變態：依加熱峰值溫度與變態點 $A_1$、$A_3$ 之關係，細分為粗晶區（CGHAZ）、細晶區（FGHAZ）、兩相區（ICHAZ）與亞臨界回火區（SCHAZ）。
4. 熱輸入量公式（Heat Input）： $HI = \eta \frac{V \times I}{v}$ 式中 $\eta$ 為熱效率因子、$V$ 為電弧電壓（$\text{V}$）、$I$ 為銲接電流（$\text{A}$）、$v$ 為走銲速度（$\text{mm/s}$）。熱輸入量決定了冷卻速率（$\Delta t_{8/5}$）與晶粒生長歷程。
5. 碳當量公式（Carbon Equivalent, IIW 定義）： $C_{eq} = \text{C} + \frac{\text{Mn}}{6} + \frac{\text{Cr} + \text{Mo} + \text{V}}{5} + \frac{\text{Ni} + \text{Cu}}{15}\quad(\text{wt}\%)$ 用以評估材料硬化傾向與冷裂敏感性。

---

解題方法

本題為典型的申論題，答題架構應秉持「圖文並茂、因果連結、對症下藥」之原則：

1. 繪製示意圖：以低碳鋼或低合金高強度鋼（HSLA）為基準，繪製「接頭剖面顯微組織分區」與「峰值溫度分佈曲線」的對照圖，精準標記液相線（$T_L$）、固相線（$T_S$）、$A_3$ 與 $A_1$ 變態線。
2. 分區品質問題說明：針對各區冶金特性深入探討，特別著重於問題最嚴重的「熔融區（偏析、氣孔、熱裂）」與「熱影響區之粗晶區（淬硬、麻田散鐵變態、冷裂、低溫衝擊韌性劣化）」。
3. 對應改善方法：從「冶金設計（成分控制、低氫管理）」與「製程參數（熱輸入量控制、預熱、銲後熱處理 PWHT）」兩大構面提出工程對策。

---

選項分析

本題為專技高考之申論題型，無選項。閱卷評分重點與各子題配分邏輯解析如下：

1. 分區圖繪製（約佔 35% 分數）：是否能精確畫出熔融區、融合線、以及熱影響區的次分區（CGHAZ、FGHAZ、ICHAZ、SCHAZ），並標明對應溫度範圍。若僅寫出「銲道、HAZ、母材」三大塊，缺乏次分區及溫度界線，將被大幅扣分。
2. 品質問題剖析（約佔 35% 分數）：能否準確指出各區對應之缺陷機制，如粗晶區脆化、氫致延遲裂紋（HIC）、凝固熱裂等，切忌只泛論「會裂開」而未提冶金微觀成因。
3. 改善對策（約佔 30% 分數）：所提對策是否具體且符合冶金原理，如指出「預熱可降低冷卻速率以避免生成麻田散鐵並利於擴散氫逸出」，而非空泛提及「注意施工溫度」。

---

解題技巧

1. 閱卷得分關鍵在「HAZ 四分區」：歷年考生常犯錯誤是把熱影響區視為均質區塊。答題時務必寫出粗晶區、細晶區、兩相區、亞臨界區四個層次，並與 $\text{Fe-Fe}_3\text{C}$ 相圖之 $A_1$、$A_3$ 連動。
2. 冷裂三大要素連動思考：回答冷裂改善時，必須直扣冷裂形成的三大充要條件：

• 淬硬組織（麻田散鐵） $\rightarrow$ 透過預熱、控制 $C_{eq}$ 改善。
• 擴散氫存在 $\rightarrow$ 透過低氫銲條、烘烤、坡口乾燥改善。
• 拘束拉應力 $\rightarrow$ 透過接頭設計、銲後熱處理（PWHT）消除應力。

3. 熱輸入量的雙面刃陷阱：調整熱輸入量時需注意平衡，熱輸入量過大會使粗晶區晶粒嚴重粗化導致韌性暴跌；熱輸入量過小則冷卻過快促成麻田散鐵硬化誘發冷裂。

---

【答案】

一、銲接材料受到不同熱歷程之分區示意圖

以碳鋼及低合金鋼之單道銲接接頭為例，沿銲道中心向母材方向，因最高峰值溫度（$T_p$）逐漸遞減，顯微組織依熱歷程劃分如下圖所示：

 最高峰值溫度 Tp
 ▲
 │ [熔融區] [熱影響區 (HAZ)] [母材]
 1538℃ ┼─ ─ ─ ─ ─ ─┐
 │ (完全熔化) │
TL(~1500℃)───────┤ [半熔融區]
 │ │ (固液共存)
TS(~1450℃)───────┴────────────────────────┐
 │ │
 │ 粗晶區 (CGHAZ, 1100℃ ~ TS) │
1100℃ ┼─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │
 │ 細晶區 (FGHAZ, A3 ~ 1100℃) │
 A3 ┼─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │
 │ 兩相區 (ICHAZ, A1 ~ A3) │
 A1 ┼─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │
 │ 亞臨界區 (SCHAZ, 500℃ ~ A1) │
 500℃ ┼─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┴───────────────
 │ 不受熱影響之母材 (BM)
 └────────────────────────────────────────────────────────► 距銲道中心距離

各區域熱歷程與顯微組織特徵：

1. 熔融區（Fusion Zone, FZ / 銲道金屬 Weld Metal）：

• 熱歷程：$T_p \ge T_L$（液相線溫度以上）。
• 組織特徵：經歷完全重熔與凝固，呈現柱狀晶（Columnar Grains）與樹枝晶（Dendrites）之鑄造組織；常由針狀肥粒鐵（Acicular Ferrite, AF）、晶界肥粒鐵及變韌鐵構成。

2. 不完全熔融區／半熔融區（Partially Melted Zone, PMZ）：

• 熱歷程：$T_S \le T_p < T_L$（介於固相線與液相線之間）。

核心觀念

本題為國家考試「金屬加工學」中鑄造單元的經典申論題，測驗考生對金屬鑄造製程全貌之掌握程度與分類邏輯。核心觀念聚焦於：

1. 鑄造（Casting）基本定義：將金屬加熱熔化成液態，注入具備特定形狀之模穴（Cavity）中，經冷卻凝固、清砂或脫模，獲得所需形貌與性能之金屬工件。
2. 分類架構依據：現代製造工程通常依模具使用壽命與材質分類，主要分為：

• 消耗模鑄造（Expendable Mold Casting）：模具僅能使用一次，破模取件（如砂模、脫蠟精密鑄造、消失模鑄造、殼模鑄造）。
• 永久模鑄造（Permanent Mold Casting）：金屬製模具可重複使用多次（如重力金屬模鑄造、壓鑄、低壓鑄造、離心鑄造、擠壓鑄造）。
• 特殊連續製程：連續鑄造（Continuous Casting）。

3. 製程評估關鍵指標：模具成本、尺寸公差、表面粗糙度（$Ra$）、鑄造缺陷（氣孔、縮孔、偏析）、適用合金熔點及量產經濟批量。

---

解題方法

本題配分通常為 20 至 25 分，若缺乏架構容易淪為雜亂條列。應採取「先綱後目、層次分明、圖表歸納」之答題策略：

1. 架構建立：先以分類樹狀層次說明鑄造之分類依據（消耗模 vs. 永久模），展現對學科宏觀體系的掌握。
2. 重點深入：挑選工業上最具代表性、考頻最高的五種核心方法進行詳解——砂模鑄造、精密脫蠟鑄造、壓鑄、離心鑄造與連續鑄造。
3. 標準項目闡述：每種方法嚴格按題目要求，分項說明「原理與方法」及「優點與缺點」。
4. 綜合比較表：末尾附上多維度對比矩陣，讓閱卷委員能在一眼之內檢視各工法之精度、粗糙度、適用材料與量產性。

---

選項分析

本題為專技高考之申論題（非選擇題），無個別選項。作答時各類別之納入與權衡考點剖析如下：

• 砂模鑄造（Sand Casting）：各類鑄造法之基準工法，歷史最久、適用範圍最廣，必須列為首要項目。
• 脫蠟精密鑄造（Investment Casting）：消耗模中精度與表面光度之極致代表，適用於高熔點、難加工幾何複雜件（如渦輪葉片），為考卷必答題眼。
• 壓鑄（Die Casting）：永久模之高速、高壓大量生產極致代表，重點在於區分冷室與熱室壓鑄之金屬熔點限制。
• 離心鑄造（Centrifugal Casting）：特殊力場輔助充填之代表，利用離心力排除夾雜物並成形中空件，具特殊工藝價值。
• 連續鑄造（Continuous Casting）：現代鋼鐵廠與非鐵合金廠上游扁鋼胚、鋼胚生產之主流，若能補充此法，能凸顯考生兼具產線宏觀與細部工藝之視野。

---

解題技巧

1. 名詞英漢對照：專有名詞寫出英文（如 Investment Casting、Die Casting、Chill block 等），顯現專業度。
2. 避開常見盲點：

• 避免將「模具（Mold / Pattern）」與「心型（Core）」混淆。
• 壓鑄通常不適用於黑色金屬（鋼、鐵）及高熔點合金，原因為高溫會迅速損壞鋼製模具；且壓鑄件通常不宜實施高溫熱處理（內部捲入高壓氣孔受熱會鼓起變形）。
• 精密鑄造可鑄造高熔點超合金，不可誤記為受限於低熔點。

3. 時間掌控法則：申論題 25 分題作答時間約 30 分鐘，篇幅約 1.5～2 頁。每種工法原則採「原理 2 行、方法 2 行、優缺點各 2～3 點」之節奏配置。

---

【答案】

金屬鑄造法依模具材料與使用壽命，主要分為「消耗模鑄造法」與「永久模鑄造法」兩大系統，另有廣泛應用於原材成型之「連續鑄造法」。各主要鑄造方法之原理、方法與優劣點分明如下：

一、砂模鑄造（Sand Casting）

1. 原理與方法：

• 原理：利用耐火砂粒與黏結劑混練成型為模穴，金屬液靠重力充填，凝固後破壞砂模取出鑄件。
• 方法：先製作木製或金屬原模（Pattern）；將原模置於砂箱中填砂緊實，取出原模形成模穴；若有中空構造則置入砂心（Core）；組裝上模與下模，完成澆注系統（澆口杯、下澆道、橫澆道、內澆口、冒口），注入熔融金屬，冷卻凝固後破模、清砂、切除澆冒口。

2. 優缺點：

• 優點：模具成本最低、生產彈性大；工件尺寸限制最小（自數公克至數十噸皆可）；適用幾乎所有金屬與合金（含高熔點鑄鋼與鑄鐵）。
• 缺點：尺寸公差大、表面粗糙度差（$Ra \approx 6.3 \sim 25\,\mu\text{m}$）；鑄造缺陷率高（易產生夾砂、縮孔、氣孔）；生產週期長，厚件冷卻速度慢致晶粒粗大。

二、脫蠟精密鑄造（Investment Casting / Lost Wax Casting）

1. 原理與方法：

• 原理：利用熱熔性蠟料製成精密模型，表面覆覆耐火陶瓷漿並撒砂硬化成陶模，加熱將蠟融化流出形成無分模線模穴，經高溫燒結後高溫澆鑄。
• 方法：利用金屬模壓製蠟模；將數個蠟模組裝於澆道樹上；浸覆耐火陶瓷漿後淋砂，重複數次使其乾燥硬化形成陶瓷外殼；