アニーリング（材料科学）

冶金学および材料科学において、焼鈍とは、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て延性を高め、硬度を下げ、加工しやすくする熱処理のことです。焼鈍には、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、冷却することが含まれます。

焼きなましでは、原子が結晶格子内を移動し、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、再結晶します。炭素鋼を含む多くの合金では、最終的に材料の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。焼きなましプロセス後の熱間加工または冷間加工により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が行われる場合があります。組成と状態図の知識があれば、熱処理を使用して、より硬く脆い状態からより柔らかく延性の高い状態へと調整できます。

鋼などの鉄金属の場合、焼きなましは材料をしばらく加熱（通常は赤熱するまで）し、その後静止空気中で室温までゆっくりと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と冷却するか、水中で急冷することができます。 ^[1]このようにして、金属は柔らかくなり、成形、スタンピング、または成型などのさらなる作業に備えられます。

ガラスやプラスチックフィルムを含む他の多くの材料では、完成した特性を改善するためにアニーリングが使用されています。^{[2] [3]}

焼きなましは固体材料内の原子の拡散によって起こり、材料は平衡状態に向かって進みます。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高めます。原子の動きは金属および（程度は低いものの）セラミックの転位を再分配して除去する効果があります。既存の転位がこのように変化することで、金属物体はより容易に変形し、延性が向上します。^[4]

変形された金属におけるプロセス開始ギブス自由エネルギーの量も、焼鈍処理によって減少します。実務上および業界では、このギブス自由エネルギーの減少は応力緩和と呼ばれています。^[要出典]

内部応力の緩和は熱力学的には自発的なプロセスですが、室温では非常に遅いプロセスです。アニーリングが発生する高温は、このプロセスを加速させる役割を果たします。^{[引用が必要]}

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体内の格子空孔勾配の除去を伴います。格子空孔の生成はアレニウスの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ます。^[5]

鋼鉄では、鋼鉄表面での反応、炭素原子の格子間拡散、鋼鉄内部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化メカニズムがあります。^[6]

材料の温度が上昇するにつれて進行する焼鈍プロセスの 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、主に線状の欠陥である転位と、それが引き起こす内部応力が除去され、金属が軟化します。回復は、すべての焼鈍プロセスの中で最も低温の段階で、新しいひずみのない粒子が出現する前に発生します。粒子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、新しいひずみのない粒子が核生成して成長し、内部応力によって変形した粒子を置き換えます。^[7]再結晶が完了した後も焼鈍を続けると、粒成長(3 番目の段階) が発生します。粒成長では、微細構造が粗くなり始め、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] [出典が必要]}

焼鈍処理の高温により金属表面が酸化され、スケールが発生する場合があります。スケールの発生を避けたい場合は、吸熱ガス（一酸化炭素、水素ガス、窒素ガスの混合ガス）などの特殊な雰囲気で焼鈍処理を行います。また、焼鈍処理は、水素と窒素の混合 ガスであるフォーミングガスでも行われます。

ミューメタル（エスペイコア） の磁気特性は、合金を水素雰囲気中で焼鈍処理することによって導入されます。

通常、アニーリング処理には大型のオーブンが使用されます。オーブンの内部は、ワークピースを循環する加熱空気に最大限さらされる位置に配置できるほどの大きさです。大量処理のアニーリングでは、ガス燃焼式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の部品の場合は、作業者が部品を簡単に出し入れできるように車底炉が使用されます。アニーリング処理が正常に完了すると、部品が制御可能な方法で冷却されるように、ワークピースがオーブン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オーブン内に残されますが、他の材料や合金はオーブンから取り出されます。オーブン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プロセスで急速に冷却されます。材料を焼入れ硬化させる一般的な方法では、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) の形で焼入れの媒体として使用されます。塩水は水よりも冷却速度が速くなります。これは、物体を水中で急冷すると、物体の表面に蒸気の泡が形成され、水が接触する表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での蒸気の泡の形成を減らします。つまり、物体が水と接触する表面積が大きくなり、物体から周囲の水への熱伝導が改善されます。急冷硬化は一般に一部の鉄合金に適用できますが、銅合金には適用できません。^[要出典]

半導体業界では、イオン注入などの工程で生じた原子レベルの不規則性を修復するためにシリコンウェハーをアニール処理します。この工程では、ドーパント原子（通常はホウ素、リン、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のドーパントとして適切に機能できるようになります。

焼鈍処理は、鉄合金に適用される焼鈍処理で、材料に均一な微細粒構造を与え、鋼の過剰な軟化を防ぎます。この処理では、鋼をその上限臨界点より 20～50 °C 高い温度に加熱し、その温度で短時間浸漬した後、空気中で冷却します。鋼を上限臨界点よりわずかに高い温度に加熱すると、オーステナイト粒子 (以前のフェライト粒子よりもはるかに小さい) が生成され、冷却中に、さらに微細化された粒子サイズの新しいフェライト粒子が形成されます。この処理により、より強靭で延性の高い材料が生成され、鋳造中に発生することがある柱状粒子と樹枝状偏析が除去されます。焼鈍処理により、部品の機械加工性が向上し、さらに熱処理プロセスを受ける場合の寸法安定性が得られます。

プロセスアニーリングは、中間アニーリング、亜臨界アニーリング、またはインプロセスアニーリングとも呼ばれ、冷間加工される製品の延性の一部を回復し、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す。

プロセスアニーリングの温度範囲は、合金の種類に応じて 260 °C (500 °F) から 760 °C (1400 °F) の範囲です。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、硬度が増し、延性が低下する傾向があり、加工が困難になります。プロセスアニーリングは、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で行われます。

完全焼鈍は、通常、金属合金の場合、金属がとり得る 2 番目に延性の高い状態になります。その目的は、金属の状態図の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す。これにより、金属は比較的低いレベルの硬度、降伏強度、極限強度を達成しながら、高い可塑性と靭性を実現できます。たとえば、鋼鉄に完全焼鈍を実行するには、鋼鉄をオーステナイト温度よりわずかに高い温度に加熱し、材料がオーステナイトまたはオーステナイト-セメンタイトの粒構造を完全に形成できるように十分な時間保持します。次に、材料を非常にゆっくりと冷却して、平衡微細構造を実現します。ほとんどの場合、これは材料を炉で冷却することを意味します (炉の電源を切り、鋼鉄を炉内で冷却します) が、空冷する場合もあります。鋼鉄の冷却速度は、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せず、パーライトとフェライトまたはセメンタイトに完全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、中程度に低い冷却速度でマルテンサイトを形成する傾向がある鋼）は炉で冷却する必要があることを意味します。プロセスの詳細は、金属の種類と関連する合金の種類によって異なります。いずれの場合も、結果はより延性のある材料になりますが、降伏強度と引張強度は低くなります。このプロセスは、鉄鋼業界では、微細構造を指定せず、材料を柔らかくすることのみを目的としたプロセスアニールとは対照的に、ラメラパーライトのLPアニールとも呼ばれます。多くの場合、機械加工される材料はアニールされ、その後、最終的な所望の特性を達成するためにさらに熱処理が行われます。

短サイクル焼鈍は、通常のフェライトを展性フェライトに変えるために使用されます。これは、4 ～ 8 時間の加熱、冷却、および再加熱で構成されます。

抵抗加熱は、銅線を効率的に焼鈍するために使用できます。加熱システムでは、制御された電気短絡を使用します。他の焼鈍方法のように温度調節炉を必要としないという利点があります。

このプロセスは、2 つの導電性プーリー(ステップ プーリー) で構成され、ワイヤは引き抜かれた後にこのプーリーを通過します。2 つのプーリーには電位差があり、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 分間のプーリーの回転数、t _aは周囲温度です。

${\displaystyle t={\frac {1}{r}}KV^{2}+t_{a}}$

定数K は、滑車の直径と銅の抵抗率によって異なります。

純粋に銅線の温度に関して言えば、滑車システムを通る銅線の速度が上昇すると、抵抗が減少するのと同じ効果があります。

• アニーリング（ガラス）
• 短絡による焼鈍
• ホロモン・ジャッフェパラメータ
• 低水素アニール
• シミュレーテッドアニーリング
• 焼き入れ（冶金）

• 学位論文、ケーブル製造および一般使用とエネルギーのテスト。ホルヘ・ルイス・ペドラス (1994)、UNI、ファイル、ペルー。
• 「制御された短絡回路を使用した銅線の動的焼鈍」ホルヘ・ルイス・ペドラス（1999）、ペルー：リマ、CONIMERA 1999、INTERCON 99、

• アニーリング – efunda – エンジニアリングの基礎
• 焼鈍 – アルミニウムおよび航空機金属合金