113 專技高考高等考試 機械工程技師 機械製造 考古題詳解

核心觀念

鑄造流動性是熔融金屬在凝固前，流經澆道並充填鑄模型腔、重現鑄件形狀與細部的能力。它是鑄造現場的綜合性質，不等同於一般流體力學中「流動性等於黏度倒數」的定義；實際表現同時受熔融金屬性質、鑄造條件、鑄模與型腔形狀影響。

金屬在鑄模內流動時會持續向鑄模散熱，溫度下降、黏度上升，並可能開始凝固。當固相在流道中累積而阻塞流動，金屬便無法繼續充填。因此，本題的解題主軸是：先說明流動性定義，再分別整理熔融金屬特性與鑄造參數，並說明其對流動、散熱及凝固的作用。

流動性可用螺旋流動試驗等方法比較：在相同合金、澆注條件及試驗模具下，熔融金屬在螺旋通道內流動的長度越長，表示流動性越好。試驗結果受模具與澆注條件影響，不能視為只由合金本身決定的固定常數。

（一）何謂鑄造作業熔融金屬流動性？（7 分）

熔融金屬流動性，是指金屬液在尚未凝固、失去流動能力之前，能在澆注壓力與鑄模條件下流過流道並充滿型腔的能力。流動性良好時，金屬液較能充填薄壁、狹窄或形狀複雜的部位，降低冷隔、澆不足等缺陷。

流動性與一般液體的黏度有關，但兩者不可直接畫上等號。一般而言，黏度較低有利於流動；然而鑄造中的金屬液會同時發生冷卻、凝固、氧化及與鑄模的熱交換，因此充填能力也受到凝固模式、潛熱、過熱度、鑄模散熱、澆注速度及型腔設計左右。

（二）影響金屬鑄造作業之熔融金屬特性為何？（8 分）

熔融金屬本身的特性主要包括下列各項：

1. 黏度及其隨溫度的變化 黏度越高，金屬液越不易流動，流動性通常較差。金屬液降溫時黏度會增加；接近液相線時，黏度增加及初生固相形成會使流動更容易受阻。

2. 合金成分與凝固範圍 合金由液相線至固相線的溫度範圍稱為凝固範圍。純金屬及共晶合金通常在較窄的溫度區間凝固；凝固範圍較寬的合金則可能在流動途中逐步形成固相，增加流動阻力並提早阻塞，因而降低薄壁充填能力。

3. 過熱度與熔化溫度 過熱度定義為澆注溫度高於液相線溫度的差值： $\Delta T_{\mathrm{sh}}=T_{\mathrm{pour}}-T_{\mathrm{liquidus}}$ 過熱度增加，金屬液在降至液相線前可釋出更多顯熱，通常能延長可流動時間、提升流動性。過熱度過高則可能增加氧化、吸氣、合金元素燒損及鑄模反應等問題。

4. 比熱與熔化潛熱 比熱及熔化潛熱較大時，金屬液在冷卻至開始凝固及完成凝固的過程中，可釋出較多熱量；在其他條件相同時，這有助於延緩流道金屬冷卻、增加充填距離。

5. 表面張力與潤濕性 表面張力會影響金屬液前端形狀，以及金屬液對鑄模表面的潤濕情形。表面張力較大或潤濕性較差時，金屬液較不易進入細窄通道與細部；實際影響須配合鑄模表面性質判斷。

6. 氧化物、夾雜物及金屬液潔淨度 氧化膜或非金屬夾雜物會干擾金屬液前端連續流動，也可能堵塞狹小通道或形成表面缺陷，降低充填能力。適當的熔湯處理及澆注操作有助於維持金屬液潔淨度。

核心觀念

研磨加工是利用砂輪或其他研磨工具上的大量磨粒，對工件表面進行微量切削，以達到材料移除、尺寸修整及表面平坦化的加工方法。它的材料移除機制與單刃車刀、銑刀不同：磨粒數量多、尺寸小，且各磨粒的突出高度、方向與切入深度並不完全相同；因此加工過程會同時出現切削、犁削與摩擦。

本題可依序從「磨粒如何移除材料」、「砂輪與工件如何構成切削系統」，以及「粒度如何影響加工」作答。

（一）研磨加工的磨削作用原理

砂輪由磨粒、結合劑及氣孔構成。磨粒是切削刃，結合劑負責固定磨粒並維持砂輪形狀，氣孔則提供容屑空間與冷卻液通道。

砂輪與工件相對運動時，突出於砂輪表面的磨粒依序與工件接觸。各磨粒的作用可分成三種：

1. 切削作用：磨粒切入工件，形成切屑並移除材料。
2. 犁削作用：磨粒壓入工件，使材料向切削刃兩側隆起或流動，卻未形成完整切屑。
3. 摩擦作用：磨粒與工件表面滑擦，產生摩擦熱，但材料移除量很少。

磨粒切入工件的深度、磨粒形狀及其突出高度，會影響切削、犁削與摩擦所占的比例。研磨通常具有高速、微量切深及多磨粒同時作用的特性，因此單一磨粒承受的切屑量小，但總體材料移除量仍可累積。

加工時磨粒會逐漸磨耗、鈍化或破碎；結合劑也會磨耗，使鈍化磨粒脫落並露出新的鋒利磨粒，此稱為自銳作用。若磨屑塞滿砂輪氣孔，則會發生堵塞，使切削能力下降並增加熱量。

（二）研磨與車削、銑削在砂輪及工件特性上的差異

核心觀念

本題考查輥軋的基本定義，以及熱輥軋、冷輥軋的加工溫度、變形特性與成品品質差異。輥軋是利用旋轉輥輪施加壓縮力，使金屬產生塑性變形，改變厚度、截面形狀或長度的加工方法。

（一）何謂輥軋？（10 分）

輥軋是將金屬工件送入一對或多對相向旋轉的輥輪之間，利用輥輪與工件間的摩擦力將工件咬入，並施以壓縮力，使工件在塑性範圍內變形的加工方法。常見用途包括將鋼胚軋製成板、帶、棒、線材、型鋼及無縫管等。

輥軋時，工件厚度通常減少，長度及寬度則依變形條件增加；若使用具有特定溝槽或型面的輥輪，也可使工件取得所需截面形狀。加工可連續通過多組輥輪，以逐步達成所需尺寸。

以平板輥軋為例，設入口厚度為 $h_0$、出口厚度為 $h_f$，厚度減少量為：

若輥輪半徑為 $R$，工件入口與出口厚度分別為 $h_0$、$h_f$，幾何咬入條件可表示為：

其中 $\mu$ 為輥輪與工件間的摩擦係數，$\alpha$ 為咬入角。摩擦力須足以將工件帶入輥隙，輥軋才能順利進行。

（二）熱輥軋與冷輥軋的區別及品質差異（15 分）

兩者的主要區別在於加工溫度相對於材料再結晶溫度的高低。熱輥軋在再結晶溫度以上進行；冷輥軋則在再結晶溫度以下進行，通常接近室溫。

核心觀念

本題考查粉末射出成形（PIM）的製程原理、與傳統模壓粉末冶金的差異，以及燒結參數如何影響粉末顆粒間的結合、緻密化與成品品質。

PIM 是將金屬或陶瓷粉末與有機黏結劑混合，製成可流動的喂料，再以類似塑膠射出成形的方式注入模穴。成形後依序脫脂、燒結，使黏結劑移除、粉末顆粒結合並緻密化。其基本流程為：

金屬粉末射出成形稱為 MIM（Metal Injection Molding），陶瓷粉末射出成形稱為 CIM（Ceramic Injection Molding）。燒結通常在主要粉末成分熔點以下進行，藉由原子擴散形成顆粒間的頸部並逐步降低孔隙率；實際燒結條件須依材料與氣氛而定。

解題方法

作答時先以「粉末、黏結劑、射出、脫脂、燒結」說明 PIM 的定義與流程，再從成形自由度、尺寸與密度、成本與製程難度，比較 PIM 與傳統粉末冶金。最後依燒結的控制邏輯，分別說明材料條件、溫度與時間、氣氛及加熱冷卻等參數。

（一）粉末射出成形的定義與流程（7 分）

PIM 是結合粉末冶金與塑膠射出成形特性的製程。它將金屬或陶瓷細粉末與適量熱塑性、蠟類或其他有機黏結劑混合，使喂料具有適合射出的流動性；再將喂料加熱並加壓注入模具，冷卻後取得具有所需形狀的生胚。

生胚內的黏結劑主要用於混料、輸送與維持成形形狀，本身不是最終零件的主要結構材料。因此，成形後須先以溶劑、熱分解、催化或其他適用方式脫除大部分黏結劑，再移除殘留黏結劑，接著燒結，使粉末顆粒結合並達到所需密度及機械性質。燒結時零件會收縮，故模具尺寸須將預期收縮納入設計。

（二）相較於傳統粉末冶金的優缺點（10 分）

此處的傳統粉末冶金主要指「粉末模壓成形後燒結」：將粉末裝入模具，以單軸壓力壓製成形，再燒結。

優點：