2025/03/14 017｜銑刀硬度：材料測試、區分與選擇（下集）

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017｜銑刀硬度探討（下集）

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一、金屬硬度對於立銑刀的影響

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暨上一集的材質概論與範疇，原來光是材料材質議題就能討論不少東西，基本上我們可從金屬、陶瓷、高分子材料（塑膠）、複合材料等大類來討論，但本次一樣著重在金屬層面、立銑刀和相關模具材質為主，每種材質都有獨特特性和應用，這些將影響製造業的效率與能力，在加工高硬度材料時，選擇合適的刀具材料、合適的刀具結構、合理的幾何參數、優異的加工方式等，這些因素都是提高加工效率的策略，其中，高硬度材質測試種類，也將於待會兒有詳細介紹。
 
以目前來說，洛氏硬度 (Rockwell, HRC / HRB) 以及維氏硬度 (HV) 在立銑刀的測試中較為常見，而維氏硬度測試較為精細，因為它的壓痕尺寸較小且測試載荷可變，適用於超硬材料（如 PCD、PCBN）和微小區域測試（如刀具塗層、薄膜）、精密加工與微觀結構研究等，不過相對也需要較為昂貴與精細的儀器，另一個常見的洛氏硬度 (HRC) 則適合大工件與快速測試，例如金屬刀具、齒輪或模具的硬度評估，都具備不錯的良好效果。
 
一般來說，立銑刀的性能與壽命在很大程度上受到「金屬硬度」的影響，首先是硬度與刀具壽命之間的影響，刀具的材質硬度越高，相對磨耗和崩刃、斷裂的可能性也會提高，尤其對上高硬度的工件材質時，反而降低整體效率，因此一昧強求刀具的高硬度並不是優良的選擇，反而要採取「高韌度」的材質，如鎢鋼、超硬合金、塗層刀具等，不只具備高硬度也具備耐磨性、抗崩裂能力、耐熱性、排屑設計與塗層技術等考量，這些「技術」才是讓立銑刀延長壽命與效益的策略，因此，使用高硬度、高耐磨的刀具材料（如鎢鋼、超硬合金或 PVD/TiAlN 塗層刀具）是必要的。
 
此外，在於硬度與切削速度之間，當金屬硬度（如鋁合金、黃銅）較低時，立銑刀可以使用較高的切削速度來提高加工效率，而針對高硬度材料，則需要降低切削速度並搭配適當的冷卻液，以防止刀具過熱與崩裂，再來是硬度與加工精度，高硬度材料較不易變形，因此能提供較高的尺寸精度與表面品質，但同時也增加了加工難度，這時，選擇合適的刀具幾何角度、刃口處理與進給參數，能有效提升銑削穩定性。
 
總之，金屬硬度直接影響立銑刀的選擇與加工策略，在高硬度材料加工中，使用耐磨性高的刀具材料與適當的切削參數，不僅能提升加工品質，還能延長刀具壽命，提高生產效率，接著本文介紹如何做材料的硬度測試，標準雖然有很多種方式，但基本上分成三大類。

二、材料硬度測試

材料在不同條件下表現不同，例如有些材料可能承受巨大的一次性衝擊，但不能承受連續載荷，因此必須執行材料硬度的相關測試和分類來滿足之後應用的需要，我們可以將材料硬度分為三類，在這些不同類型的硬度下，材料具有不同的值，他們包括：划痕硬度、回彈硬度、壓痕硬度，這三種硬度測試方法在材料科學與機械加工中有不同的應用，主要區別在於測試方式與適用範圍。

1. 回彈硬度 (Rebound Hardness / Dynamic Hardness)

定義：回彈硬度是一種測量材料彈性特性的硬度指標，又稱為衝撞硬度和馬爾特氏硬度，主要透過物體撞擊材料表面後的回彈高度來評估材料的硬度，這種測試方式適合測量具有一定彈性的材料，例如金屬、塑膠和橡膠等，最常見的測試方式是Leeb 硬度測試（里氏硬度, HL）：

▶ 測試方法（里氏硬度）
◼ 步驟一：
釋放一個標準質量的撞擊體（如金屬小球或硬質合金錘頭）讓其以固定速度撞擊被測材料表面，測量回彈的速度和初始速度的比值來計算材質的硬度。
◼ 步驟二：
測量撞擊後回彈的高度或速度變化，回彈高度越高，表示材料的回彈硬度越大。
◼ 步驟三：
計算回彈係數（E/E₀），即回彈動能（E）與撞擊初始動能（E₀）的比值並轉換為硬度值。

▶ 回彈硬度的應用
(1) 金屬材料測試
◼ 用於大型工件或固定設備的硬度檢測，例如機械零件、鋼結構、模具等。
◼ 里氏硬度計（Leeb Hardness Tester）常用於檢測鋼、鋁、銅、合金等材料。

(2) 橡膠與塑膠測試
◼ 回彈性與彈性模量相關，例如評估運動鞋底、橡膠墊片、聚氨酯材料的性能。
◼ ASTM D2632 標準測試法常用於測量橡膠的回彈硬度。

(3) 建築與工程材料
◼ 測試混凝土結構強度，如使用「施密特回彈儀（Schmidt Hammer）」來評估混凝土的耐久性。

▶ 應用領域
◼ 大型工件、鋼鐵結構（Leeb 硬度適用於無法搬動的大型機械零件）。
◼ 橡膠、塑膠行業（肖氏硬度適用於軟性材料，如輪胎、矽膠）。
回彈硬度的優點是測試快速、無需破壞工件，特別適用於大型設備或現場檢測。如果你是做精密加工的話，可能會用到這類非破壞性測試（NDT）來檢測材料的硬度狀態。

▶ 關於彈性硬度的常見方式
◼ 里氏硬度：以小鋼球或是衝擊體來測試回彈硬度。
◼ 肖氏硬度：透過彈簧施壓探針來撞擊材料表面以測試回談程度。
◼ 巴氏硬度：以圓柱或球型體來撞擊材料表面做回彈測試。
◼ IRHD（國際橡膠硬度 ）：針對橡膠類的材質，利用小球壓入後測量回彈程度。
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2. 划痕硬度 (Scratch Hardness)

定義：是用來測試材料表面抵抗刮擦或劃痕能力的硬度標準，主要應用在測量礦物、金屬、塗層和塑膠等材料的耐刮性能，要說概念的話，可以很直觀，也就是如果一種材料能劃傷另一種材料，那麼它就比較硬，是相對性的測量方式。

▶ 測試方法
使用較硬的材料（如金剛石）在被測材料表面施加壓力並移動，觀察其留下的劃痕深度或是否被劃傷，常見的方式有以下三種：

(1) 莫氏硬度 (Mohs Hardness)
◼ 是將材料與 10 種標準礦物做比較，如常見礦物的硬度由小至大分為十級，即1-滑石、2-石膏、3-方解石、4-螢石、5-磷灰石、6-正長石、7-石英、8-黃玉、9-剛玉、10-金剛石（鑽石）等類別，之後依序刮傷來測試材料硬度。

(2) 馬氏硬度（Martens Hardness, HM）
◼ 主要用於測試塗層、塑膠、薄膜、玻璃等材料。
◼ 透過固定壓力的鑽石針（或其他標準探針）劃傷材料，測量變形深度或劃痕痕跡。
◼ 常應用於塗層耐刮性（如手機螢幕玻璃）、精密材料表面硬度測試。

(3) 奈米/微米級劃痕測試（Nano/Micro Scratch Testing）
◼ 用於「超薄塗層（如 PVD、CVD 塗層）」的硬度測試。
◼ 利用納米壓痕儀（Nanoindenter）測量細微刮痕的形成與臨界載荷（Lc）。
◼ 典型應用：刀具塗層（如 TiAlN、DLC）、光學薄膜、半導體塗層。

(4) 鉛筆硬度測試（適用於塗層與薄膜、手機螢幕、木質地板等）
◼ 透過鉛筆測試抗刮傷能力，主要應用於塗料、塗層、塑膠表面等領域。
◼ 使用6B~9H的標準鉛筆，削平並與表面呈45°（或90°）接觸並以固定壓力推動鉛筆測是刮傷。
◼ 觀察材料表面，紀錄最硬彈不會刮傷表面的鉛筆等級，如4H會刮傷則硬度為3H。

▶ 實際應用
✔ 刀具塗層（TiN, TiAlN, DLC）：檢測塗層耐刮性，確保高耐磨性。
✔ 玻璃螢幕（如 Gorilla Glass）：測試手機螢幕的耐刮能力，確保抗刮耐用。
✔ 寶石與珠寶：評估寶石（如藍寶石、鑽石）相對於其他物質的硬度。
✔ 建築與汽車工業：測試汽車烤漆、建築玻璃塗層的耐刮性。
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3. 壓痕硬度 (Indentation Hardness)

定義：是指材料抵抗壓頭壓入其表面的能力，通常用於測量金屬、塑膠、橡膠及其他材料的硬度，測試方式透過特定形狀壓頭（如球形、圓錐形、金剛石四棱錐）對材料施加一定壓力達到測量壓痕的深度或大小，指材料抵抗變形時對壓入物的抗力，常用於測試金屬、合金與陶瓷材料。

▶ 測試方法
(1) 洛氏硬度 (Rockwell, HRC / HRB)
◼ 使用鋼球或金剛石圓錐壓頭，適合金屬刀具、齒輪等。
◼ 測量壓痕深度並根據不同標度計算硬度值，施加不同載荷（通常是60、100、150kgf）。
◼ 可快速測試，適合大規模工業應用（如熱處理後的鋼材）且測試材料廣泛。
◼ 測試結果易受表面粗糙度影響，不適用於非常薄的材料。

標準度	針對材料	壓頭類型
HRC	硬鋼、工具鋼	金剛石圓錐壓頭（150 kgf）
HRB	軟鋼、黃銅、鋁合金	1/16" 鋼球（100 kgf）
HRF	軟質金屬（如鉛）	1/16" 鋼球（60 kgf）

(2) 維氏硬度 (Vickers, HV)
◼ 適合測試薄材料、微小零件、塗層等材質。
◼ 用金剛石四棱錐壓頭，施加極小載荷，再測量壓痕對角線長度來計算硬度值。
◼ 適用於微小零件、超薄材料（如刀具塗層）且測量精確，可應用於金屬顯微組織分析。
◼ 需要光學顯微鏡來測量壓痕，設備較昂貴。

(3) 布氏硬度 (Brinell, HB)
◼ 使用鋼球壓入材料，適合測量軟金屬、鑄鐵、鋁合金、銅等材料的硬度。
◼ 使用鋼球（或鎢鋼球）壓頭，並施加固定載荷來測量壓痕直徑，並計算硬度值。
◼ 適合測量粗糙表面或非均質材料（如鑄鐵）也適合大面積測試。
◼ 不適用於硬質材料（如高硬度鋼），因為壓痕太小或測試困難。

(4) 努普硬度 (Knoop, HK)
◼ 類似維氏但適用於超薄材料、玻璃、陶瓷與塗層（如微電子、光學薄膜）。
◼ 使用細長形金剛石壓頭對材料施加極小載荷，再測量對角線長度計算硬度值。
◼ 適合測量極薄材料（如手機玻璃、PVD 塗層）也比較不容易破壞脆性材料。
◼ 不過僅適用於微觀測試，不能測量大面積樣品。

▶ 應用領域
◼ 金屬加工（如測試鋼鐵、刀具、模具的硬度）。
◼ 微觀材料分析（如測試塗層、電子元件的硬度）。

4. 總結對比三種硬度類別

硬度類型	測試方式	適用範圍	代表測試標準
回彈硬度	測量撞擊後的回彈速度或高度	大型金屬件、塑膠、橡膠	里氏硬度 (HL) 肖氏硬度 (HS) 巴氏硬度 (HL) 國際橡膠硬度 (IRHD)
划痕硬度	用較硬物體劃傷材料表面	塗層、礦物、玻璃、陶瓷	莫氏硬度 馬氏硬度 奈米、微米測試 鉛筆硬度測試
壓痕硬度	用鋼球或金剛石壓入材料表面	金屬、刀具、塗層	洛氏硬度 (HRC) 維氏硬度 (HV) 布氏硬度 (HB) 努普硬度 (HK)

硬度測試	洛氏硬度 (HRC)	維氏硬度 (HV)
測試方式	以 壓入深度 來測量硬度	以 壓痕對角線長度來計算硬度
測試載荷	150 kgf（HRC）	1～100 kgf，可調整
壓頭種類	120° 金剛石圓錐（HRC）	金剛石四棱錐
適用範圍	中高硬度金屬（適用於 >20 HRC 的材料）	幾乎適用於所有材料，包括超硬合金與微小區域測試
適用產業	刀具、模具、齒輪、機械零件	微小區域測試，如薄膜、塗層、精密零件
測試特點	快速、直接，可適用於大工件	測量精細、適用於微觀硬度分析

三、材料上的區分

材質	硬度 (HRC / HV)	影響與應用
鋁 (Al)	約 HB 15-30	軟且易加工廣泛用於汽車、航空、電子產品外殼
黃銅 (Brass)	約 HB 50-90	耐蝕性佳，適用於水管、裝飾品、樂器
銅 (Cu)	約 HB 35-110	良好導電性，但較軟，適用於電線、散熱器
低碳鋼 (Mild Steel)	約 HRC 10-25	強度適中，易加工，適合建築、機械零件
不鏽鋼 (Stainless Steel)	約 HRC 15-65	耐蝕性佳，應用於刀具、醫療器材、餐具
工具鋼 (Tool Steel)	約 HRC 50-68	高硬度、耐磨，常用於刀具、模具
鈦 (Titanium)	約 HRC 30-40	輕量、耐蝕、高強度，應用於航空、醫療植入物
淬火鋼 (Hardened Steel)	約 HRC 50-65	硬度高但較脆，適合高耐磨零件

材質	硬度	影響與應用
塑膠 (Plastic, ABS, PVC)	Shore D 50-80	輕量、易加工，但耐磨性較差，用於日用品、電子外殼
玻璃 (Glass)	約 Mohs 5-7	硬但脆，耐刮，應用於窗戶、光學鏡片
橡膠 (Rubber) 矽橡膠 (Silicone)	Shore A (邵氏硬度) 20-80	軟而有彈性，耐磨但易變形，用於輪胎、密封件
木材 (Wood)	Janka 硬度 (楊卡硬度) 400-4000N	木頭硬度測試通常分成軟中硬三種，種類不同也影響其耐磨性和適用場景
陶瓷 (Ceramic)	HRC 80-90	超硬、耐刮、耐高溫，但易碎，應用於刀具、瓷器

材質	硬度	影響與應用
碳纖維 (Carbon Fiber)	HRC 50+	高強度、輕量，但易脆，應用於航太、賽車
玻璃纖維 (Fiberglass)	Mohs 5-6	強度高但較脆，常用於船隻、運動器材
PCD (聚晶鑽石)	HRC 100+	超高硬度，應用於超耐磨刀具

四、結論