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冶金学および材料科学において、焼きなましとは、材料の延性を高め、硬度を低下させて加工性を向上させるために、材料の物理的性質、場合によっては化学的性質を変化させる熱処理のことである。焼きなましは、材料を再結晶温度以上に加熱し、適切な温度を適切な時間維持した後、冷却することによって行われる。
焼きなまし処理では、結晶格子内で原子が移動し、転位の数が減少して、延性と硬度が変化します。材料が冷却されると再結晶化します。炭素鋼を含む多くの合金では、最終的に材料特性を決定する結晶粒径と相組成は、加熱速度と冷却速度に依存します。焼きなまし処理後の熱間加工または冷間加工によって金属構造が変化するため、必要な特性を得るためにさらに熱処理を行う場合があります。組成と相図に関する知識があれば、熱処理によって、より硬く脆い状態からより柔らかく延性のある状態へと調整することができます。
鋼鉄などの鉄系金属の場合、焼きなましは、材料を（一般的には赤熱するまで）しばらく加熱し、その後静止空気中で室温までゆっくり冷却することによって行われます。銅、銀、真鍮は、空気中でゆっくり冷却するか、水で急冷することによって急速に冷却することができます。[ 1 ]このようにして、金属は軟化し、成形、プレス加工、または加工などの後続の作業の準備が整います。
ガラスやプラスチックフィルムなど、他の多くの材料も、最終的な特性を向上させるために焼きなまし処理を利用している。[ 2 ] [ 3 ]
焼きなましは、固体材料内部での原子の拡散によって起こり、材料が平衡状態へと向かう。熱は、結合を切断するために必要なエネルギーを提供することで拡散速度を増加させる。原子の移動は、金属および（程度は低いが）セラミックス中の転位を再分布させ、除去する効果を持つ。既存の転位のこの変化により、金属物体はより容易に変形できるようになり、延性が向上する。[ 4 ]
変形した金属における加工開始に必要なギブズ自由エネルギー量も、焼きなまし処理によって減少する。実際、産業界では、このギブズ自由エネルギーの減少は応力緩和と呼ばれる。
内部応力の緩和は熱力学的に自発的なプロセスですが、室温では非常にゆっくりとしたプロセスです。焼きなましが行われる高温は、このプロセスを加速させる役割を果たします。
冷間加工された金属を応力のない状態に戻す反応には多くの反応経路があり、そのほとんどは金属内部の格子空孔勾配の除去に関係している。格子空孔の生成はアレニウス式によって支配され、格子空孔の移動/拡散はフィックの拡散法則によって支配される。[ 5 ]
鋼には、鋼表面での反応、炭素原子の格子間拡散、鋼内部での炭化物の溶解という3つの異なる事象として説明できる脱炭メカニズムが存在する。 [ 6 ]
材料の温度上昇に伴って進行する焼きなましプロセスの 3 つの段階は、回復、再結晶、および粒成長です。最初の段階は回復であり、転位と呼ばれる主に線状の欠陥と、それらが引き起こす内部応力の除去によって金属が軟化します。回復は、すべての焼きなましプロセスの低温段階で発生し、新しい歪みのない粒が出現する前に起こります。粒のサイズと形状は変化しません。[ 7 ] 2 番目の段階は再結晶であり、内部応力によって変形した粒を置き換えるために、新しい歪みのない粒が核生成して成長します。[ 7 ]再結晶が完了した後も焼きなましを続けると、粒成長(3 番目の段階) が発生します。粒成長では、微細構造が粗大化し始め、金属が元の強度のかなりの部分を失う可能性があります。ただし、これは硬化によって回復できます。[ 8 ]
焼きなましの高温は金属表面の酸化を引き起こし、スケールの発生につながる可能性がある。スケールを避ける必要がある場合は、吸熱ガス（一酸化炭素、水素ガス、窒素ガスの混合物）などの特殊な雰囲気中で焼きなましを行う。焼きなましは、水素と窒素の混合物である成形ガス中で行われることもある。 [ 9 ]
一般的に、焼きなまし工程には大型の炉が使用されます。炉の内部は、ワークピースが循環する加熱空気に最大限さらされる位置に設置できるほど十分に広くなっています。大量生産の焼きなまし工程では、ガス燃焼式のコンベア炉がよく使用されます。大型のワークピースや大量生産の部品には、作業員が部品を容易に出し入れできる台車式炉が使用されます。焼きなまし工程が正常に完了すると、ワークピースは制御された方法で冷却されるように炉内に残されることがあります。一部のワークピースは制御された方法で冷却するために炉内に残されますが、他の材料や合金は炉から取り出されます。炉から取り出されたワークピースは、多くの場合、焼入れ硬化と呼ばれる工程で急速に冷却されます。材料の焼入れ硬化の一般的な方法には、空気、水、油、塩などの媒体が使用されます。塩は、通常、塩水（塩水）の形で焼入れ媒体として使用されます。塩水は水よりも速い冷却速度を提供します。これは、物体を水中で急冷すると、物体の表面に蒸気泡が発生し、水との接触面積が減少するためです。塩水に含まれる塩分は、物体の表面における蒸気泡の発生を抑制するため、物体と水との接触面積が大きくなり、物体から周囲の水への熱伝導が促進されます。焼入れ硬化は一般的に一部の鉄合金には適用可能ですが、銅合金には適用できません。
半導体産業では、シリコンウェハーはイオン注入などの工程で生じた原子レベルの欠陥を修復するためにアニール処理されます。この工程では、ドーパント原子（通常はホウ素、リン、またはヒ素）が結晶格子内の置換位置に移動し、これらのドーパント原子が半導体材料中のドーパントとして適切に機能するようになります。
正規化処理は、鉄合金に均一な微細粒組織を与え、鋼の過度の軟化を防ぐために行われる焼きなまし処理です。この処理では、鋼を 上部臨界点より20～50℃高い温度まで加熱し、その温度で短時間保持した後、空気中で冷却します。鋼を上部臨界点よりわずかに高い温度まで加熱すると、オーステナイト粒（以前のフェライト粒よりもはるかに小さい）が生成され、冷却中にさらに微細な粒径を持つ新しいフェライト粒が形成されます。この処理により、より靭性と延性に優れた材料が得られ、鋳造時に発生することがある柱状結晶粒や樹枝状偏析が解消されます。正規化処理は部品の被削性を向上させ、さらに熱処理を施した場合の寸法安定性も高めます。
プロセスアニーリング（中間アニーリング、亜臨界アニーリング、または工程内アニーリングとも呼ばれる）は、冷間加工中の製品の延性をある程度回復させ、破損することなくさらに冷間加工できるようにする熱処理サイクルである。
プロセス焼鈍の温度範囲は、対象となる合金によって260 ℃（500 °F）から760 ℃（1400 °F）までです。このプロセスは主に低炭素鋼に適しています。材料は鋼の下限臨界温度よりわずかに低い温度まで加熱されます。冷間加工された鋼は通常、硬度が高く延性が低いため、加工が困難になります。プロセス焼鈍はこれらの特性を改善する傾向があります。これは主に、線引き鋼、遠心鋳造ダクタイル鋳鉄管などの冷間圧延鋼に対して行われます。
完全焼鈍は、金属合金の場合、金属が取り得る2番目に延性の高い状態をもたらします。その目的は、金属の相図平衡微細構造に最も近い均一で安定した微細構造を生成することであり、これにより、金属は比較的低い硬度、降伏強度、および極限強度で、高い塑性と靭性を得ることができます。たとえば、鋼に完全焼鈍を行うには、鋼をオーステナイト温度よりわずかに高い温度まで加熱し、材料が完全にオーステナイトまたはオーステナイト-セメンタイト粒構造を形成するのに十分な時間保持します。その後、材料を非常にゆっくりと冷却して平衡微細構造を得ます。ほとんどの場合、これは材料を炉冷することを意味します（炉の電源を切り、鋼を炉内で冷却します）が、場合によっては空冷します。鋼の冷却速度は、オーステナイトがベイナイトまたはマルテンサイトに変化するのではなく、完全にパーライトとフェライトまたはセメンタイトに変化するように十分に遅くする必要があります。これは、非常に硬化しやすい鋼（つまり、比較的低い冷却速度でマルテンサイトを形成しやすい鋼）は炉冷する必要があることを意味します。プロセスの詳細は、金属の種類と使用される合金の種類によって異なります。いずれの場合も、結果として延性は向上しますが、降伏強度と引張強度は低下します。このプロセスは、鉄鋼業界では層状パーライトのためのLP焼鈍とも呼ばれ、微細構造を指定せず、材料を軟化させることのみを目的とするプロセス焼鈍とは対照的です。多くの場合、機械加工される材料は焼鈍され、その後、最終的な望ましい特性を得るためにさらに熱処理されます。
短時間サイクル焼鈍は、通常のフェライトを展性フェライトに変化させるために用いられる。これは、加熱、冷却、そして再び加熱を4～8時間繰り返す工程からなる。
抵抗加熱は銅線の効率的な焼きなましに利用できる。この加熱システムは、制御された電気短絡を利用する。他の焼きなまし方法のように温度調節機能付きの炉を必要としないため、利点がある。
このプロセスは、引き伸ばされたワイヤが通過する2 つの導電性プーリー(ステッププーリー) で構成されています。2 つのプーリー間には電位差があり、ワイヤが短絡します。ジュール効果により、ワイヤの温度は約 400 °C まで上昇します。この温度は、プーリーの回転速度、周囲温度、および印加電圧によって影響を受けます。ここで、tはワイヤの温度、Kは定数、Vは印加電圧、rは 1 分あたりのプーリーの回転数、t aは周囲温度です。
定数Kは、プーリーの直径と銅の抵抗率によって決まる。
銅線の温度という観点から言えば、プーリーシステムを通過する銅線の速度を上げることは、抵抗を減らすことと同じ効果をもたらす。
