焼きなましは、材料の物理的特性、場合によっては化学的特性を変化させる熱処理プロセスであり、通常は延性を高め、硬度を下げて機械加工や作業を容易にします。
アニーリングの概要
焼鈍とは、金属を適切な温度まで加熱し、一定時間保持した後、室温までゆっくりと冷却（通常は炉冷）する熱処理プロセスです。焼鈍の本質は、鋼を完全にオーステナイト化させるまで加熱し、その後、パーライト変態を促進するゆっくりとした冷却プロセスを経て、ほぼ平衡状態のミクロ組織を得ることです。
アニーリングの機能
アニーリングは、いくつかの重要な目的を達成するために実行されます。
- 粒子の微細化と微細構造の均質化: 粒子構造を微細化し、内部微細構造を均質化し、化学的な偏析を減らして、後続の熱処理プロセスに向けて材料を構造的に準備します。
- 応力緩和: ワークピース内の残留内部応力を除去し、応力によって発生する可能性のある亀裂や過度の変形を防止します。
- 硬度の低下と可塑性の向上: 材料の硬度を低下させ、可塑性を高めます。これは、その後の冷間加工、冷間成形、機械加工操作を強化するために重要です。
アニーリングプロセスは、一般的に 3 つの主要な段階に分けられます。
- 回復段階: 回復段階では、炉またはその他のタイプの加熱装置を使用して、材料の温度を内部応力が解放される温度まで上げます。
- 再結晶段階：再結晶段階では、材料は再結晶温度以上に加熱されますが、融点以下に保たれます。これにより、応力のない新しい結晶粒が形成されます。
- 結晶粒成長段階：新しい結晶粒が形成されると、結晶粒は完全に成長を続けます。この成長は、材料を所定の速度で冷却することによって制御されます。
3段階の熱処理を完了すると、材料の延性が向上し、硬度が低下します。場合によっては、焼鈍処理に続いて後続の工程が加えられ、材料の機械的特性がさらに改善されることもあります。
アニーリングの種類
アニーリング法は、臨界温度（Ac1 または Ac3）に対する加熱温度に基づいて大きく分類されます。
相変態再結晶焼鈍（Ac1 または Ac3 以上）には、完全焼鈍、拡散焼鈍、不完全焼鈍、球状化焼鈍が含まれます。
臨界温度以下（Ac1 または Ac3 未満）での焼鈍処理には、再結晶焼鈍処理と応力緩和焼鈍処理が含まれます。
フルアニーリング
このプロセスでは、鋼を Ac3 線より 20 ～ 30°C 高い温度に加熱し、一定時間保持した後、ゆっくり冷却（炉冷）して、ほぼ平衡の微細構造（完全なオーステナイト化を達成）を実現します。
- 用途: 主に亜共析鋼 (炭素含有量 0.3% ～ 0.6%)、通常は中炭素鋼と低炭素合金鋼の鋳物、鍛造品、熱間圧延形状品、場合によっては溶接物に使用されます。
- 目的：結晶粒組織を微細化し、ミクロ組織を均質化し、内部応力を除去し、硬度を低下させ、鋼の被削性を向上させる。亜共析鋼では、フェライト＋パーライト（F+P）組織となる。
- 注意： 生産においては、生産性を高めるために、部品が 500°C 程度に達したら炉から取り出して空冷することがよくあります。
等温アニーリング
完全焼鈍は、特に比較的安定した過冷却オーステナイトを含む合金鋼の場合、非常に時間がかかることがあります。等温焼鈍は、オーステナイト化された鋼をAr1よりわずかに低い温度まで急速冷却し、等温保持してオーステナイト（A）をパーライト（P）に変態させ、その後室温まで空冷することで、焼鈍時間を大幅に短縮します。
高炭素鋼（C > 0.6%）、合金工具鋼、高合金鋼（総合金含有量 > 10%）など、安定したミクロ組織を持つ鋼材に適しています。均一なミクロ組織と安定した特性の実現に役立ちます。ただし、断面の大きな鋼材部品や大型の炉負荷には適していません。負荷全体にわたって均一な等温温度を実現することが困難な場合があるためです。
不完全アニーリング
鋼は、Ac1 から Ac3 (亜共析鋼の場合) または Ac1 から Acm (過共析鋼の場合) の温度に加熱され、均熱された後、ゆっくり冷却されて、ほぼ平衡の微細構造が得られます。
過共析鋼では、球状パーライト組織を得るために球状化焼鈍が施され、内部応力の除去、硬度の低下、被削性の向上に役立ちます。球状化焼鈍は不完全焼鈍の一種です。
球状化焼鈍
鋼中の炭化物を球状化させ、粒状パーライト（球状炭化物）構造を得るための特殊な熱処理プロセス。材料はAc1より20～30℃高い温度に加熱され、適切な時間（通常2～4時間）保持された後、通常は炉内で徐冷するか、Ar1より約20℃低い温度で長時間等温保持される。
主に炭素工具鋼、合金工具鋼、軸受鋼などの共析鋼や過共析鋼に使用されます。
過共析鋼の鍛造後または圧延後の組織（セメンタイトネットワークを持つラメラパーライト）は硬く、脆く、 CNCマシン最終段階で変形や割れが発生しやすい 球状化焼鈍により、微細な球状セメンタイト粒子がフェライトマトリックス中に分散した球状パーライト組織が得られます。この組織は硬度が低く、被削性が向上するだけでなく、その後の焼入れ処理におけるオーステナイト粒の粗大化を防ぐという重要な特性があり、変形や割れの発生を低減します。
過共析鋼にセメンタイトネットワークが存在する場合、球状化焼鈍を効果的に進める前に、正規化によってセメンタイトネットワークを除去する必要があります。
拡散アニーリング
インゴット、鋳物、または大型鍛造品を固相線よりわずかに低い温度まで加熱し、長時間保持した後、ゆっくりと冷却して化学的不均一性（樹枝状および局所的な偏析）を除去します。
加熱温度は非常に高く、偏析の程度と鋼種に応じて、通常Ac3またはAccmより100～200℃高くなります。均熱時間は通常10～15時間です。
インゴットの凝固中に生成される偏析を排除し、化学組成と微細構造を均質化します。
通常、拡散焼鈍の後に完全焼鈍または正規化が行われ、粗粒構造が改良されます。
これは主に、偏析の問題が深刻な高級合金鋼や合金鋼鋳物またはインゴットに適用されます。
応力緩和焼鈍
応力除去焼鈍処理では、鋼部品をAc1より低い特定の温度（通常500～650℃）に加熱し、その温度に保持（均熱）した後、ゆっくりと冷却（炉冷）します。応力除去焼鈍処理に用いられる温度はA1臨界線より低いため、この処理によって微細組織の変化は発生しません。これは、部品内の残留内部応力を除去することを目的としています。
再結晶焼鈍
冷間加工された金属を再結晶温度以上の温度に適切な時間加熱する。このプロセスにより、変形した結晶粒が均一な等軸結晶粒に変態し、加工硬化と残留応力が除去される。
加熱温度は、最低再結晶温度（鋼の場合、約450℃）より100～200℃高い温度とする必要があります。最低再結晶温度は、通常、Tc = 0.4*Tm（絶対温度）です。
アニーリングの選択に関する考慮事項
適切なアニーリング方法の選択は、一般的に次の原則に従います。
- 亜共析組織を有する鋼の場合、通常は完全焼鈍が選択されます。焼鈍時間を短縮するために等温焼鈍を選択することもできます。
- 過共析鋼では、一般的に球状化焼鈍が選択されます。要求条件が厳しくない場合は、不完全焼鈍を選択することもできます。工具鋼および軸受鋼では、一般的に球状化焼鈍が選択されます。低炭素鋼または中炭素鋼の冷間押出部品および冷間圧造部品にも、球状化焼鈍が使用されることがあります。
- 加工硬化を除去するために再結晶焼鈍を選択できます。
- 応力除去焼鈍は、様々な製造工程で生じる内部応力を除去するために選択できます。拡散焼鈍は、一部の高級合金鋼の大型鋳物において、微細組織と化学組成の不均一性を改善するためによく選択されます。
