かんたん動画マニュアル作成ツール「tebiki」を展開する現場改善ラボ編集部です。
寸法不良や納品後のクラックなど、モノづくり現場を悩ませる不具合の多くは「残留応力」が原因です。その対策として必要なのが「アニール処理（焼きなまし）」ですが、現場では「理論通りにやっても失敗する」「人によって仕上がりが違う」という課題があります。
本記事では、JIS規格に基づく基礎定義から、金属・樹脂それぞれの適正条件、そして品質のばらつきを無くすための「標準化」の具体的手法までを徹底解説します。不具合の再発を防ぎ、強い現場を作るために本記事をお役立てください。
目次
アニール処理とは？定義や基本原理をわかりやすく解説
アニール処理とは、材料を適切な温度で加熱し時間をかけて冷却することで、内部の「残留応力」を取り除く熱処理技術のことです。ここではさらに深掘りして以下の2点を解説します。
- アニール処理（アニーリング）とは｜焼きなましとの違いと意味
- 熱処理技術の中でのアニール処理の役割
アニール処理（アニーリング）とは｜焼きなましとの違いと意味
結論から言うと「アニール処理」と「焼きなまし」は、工学的には全く同じ意味を持つ言葉です。JISG0201:2000 鉄鋼用語（熱処理）＊1に基づくと、焼きなましは以下のように定義されています。
「適切な温度に加熱及び均熱した後、室温に戻ったときに、平衡に近い組織状態になるような条件で冷却することからなる熱処理」
つまり、加工によって無理な力がかかっている材料を、最も安定した「自然な状態」へ戻す操作のことです。一般的に、金属加工の現場では日本語の「焼きなまし」という呼称が好んで使われます。
一方で、樹脂や半導体の分野では英語由来の「アニール（Annealing）」が定着しました。呼び方は違っても、目的は内部のひずみを取り除き、素材本来の性質を取り戻すことにあります。
熱処理技術の中でのアニール処理の役割
熱処理技術の中で、アニール処理は「寸法の安定化」と「不具合の予防」という、製品の信頼性を守る役割を担います。切削や成形を経た材料の内部には、加工時の負荷によって「残留応力」が潜んでいるからです。もしアニール処理を省くと、時間経過とともに内部の歪みが大きくなり、製品が勝手に反ったり割れたりするトラブルが発生します。
特に樹脂製品においては、ソルベントクラックに対する耐性を確保するために必須の工程です。「焼入れ」が急冷による相変態を利用して硬度を高める工程であるのに対し、アニールは組織を熱力学的に安定な平衡状態へ戻す工程と位置づけられます。
なぜアニール処理が必要なのか【目的と得られる効果】
アニール処理が必要な工学的理由は、加工で材料内部に蓄積された「残留応力」を除去し、製品の寸法安定性を確保するためです。ここではなぜアニール処理が必要なのかについて以下の5点を解説します。
- なぜ成形・加工後にアニール処理を行うのか
- 残留応力・内部応力を除去する
- 反り・割れ・収縮などの不具合を防ぐ
- 寸法精度のばらつきを抑え、品質を安定させる
- 製品の耐久性・信頼性を高める
なぜ成形・加工後にアニール処理を行うのか
成形や加工の直後にアニール処理を行う理由は、製品が熱力学的に「非平衡な状態」にあるためです。射出成形や切削加工では、融点からの急冷や物理的なせん断により、材料に急激な熱的・力学的負荷がかかります。こうした成形直後の段階では、内部組織は不均一なまま凍結されており、寸法や物性が安定していません。
非平衡状態のまま放置すると、材料はより安定した状態（平衡状態）へ移行しようと経時変化を起こします。これが、出荷後の寸法変化や変形の原因となります。特に樹脂製品の場合、成形時の冷却勾配によって生じる内部ひずみは避けられません。
そこで、後工程としてアニール処理を行い、こうした歪みを無くす必要があります。比喩的な表現を使えば、アニール処理は、無理やり形を留めている製品を「本来あるべき落ち着いた形状」に馴染ませてあげる作業と言えるでしょう。
残留応力・内部応力を除去する
アニール処理の主目的は、材料内部に残留する「内部応力」を除去することです。残留応力とは、外力が作用していない状態でも材料内部に残存し、引張や圧縮として釣り合っている力のことです。
例えば、樹脂成形の冷却過程では、表面と内部の冷却速度差により体積収縮のタイミングがずれ、内部に応力が固定された状態となります。固定された応力が残留応力です。残留応力が大きい状態は、材料が本来持つ許容強度を低下させ、設計値以下の負荷での破壊を招く要因となります。
アニール処理で材料を適切な温度まで加熱すると、分子の再配列によって内部のひずみが解消され、残留応力が極めて小さくなります。
反り・割れ・収縮などの不具合を防ぐ
アニール処理は、納品後に発生する「反り」や「割れ（クラック）」といった遅れ破壊を防止するための工程です。残留応力が残存している製品は、部材の周囲の温度の変化をきっかけに、歪みを減らす方向へ変形しようとします。
特に樹脂製品において顕著なのが、溶剤や油分が作用して発生する「環境応力割れ（ソルベントクラック）」です。残留応力によって引き伸ばされた分子鎖の隙間に溶剤が浸透すると、分子間結合が切れ、脆性破壊に至ります。適切なアニール処理により事前に応力を除去しておけば、こうした破壊といったリスクを減らせます。
寸法精度のばらつきを抑え、品質を安定させる
アニール処理には、製品個々の組織状態を均質化し、ロット間の寸法精度や品質のばらつきを低減する効果があります。成形条件の揺らぎや材料ロットの微差は、製品ごとの残留応力の差として顕在化します。応力のばらつきが、後工程での切削精度の乱れや組立時の嵌合不良（部材の結合が不完全な状態）を引き起こす主要因です。
残留応力が不均一な材料を切削すると、歪みが生じ、材料が逃げたり反ったりし、狙った寸法が出にくくなります。こうした問題は、加工機の精度や作業者の技量だけでは制御しきれません。
アニールによって組織を均一化することで、品質を安定させられ、工程能力指数の向上が期待できるでしょう。
製品の耐久性・信頼性を高める
アニール処理は、材料の結晶構造を安定させ、製品の耐久性と信頼性を向上させます。特に結晶性樹脂においては、成形時の急冷によって結晶化が不十分なまま固化してしまうケースが少なくありません。そこで再加熱を行うと、分子の再配列が促進され、結晶化度が高まります。結果として、結晶構造が緻密になり、剛性や耐熱性、耐クリープ性といった耐久性の改善が期待できます。
アニール処理の方法と条件
アニール処理の成否は、適切な「加熱温度」「保持時間」「冷却速度」の管理で決まります。ここでは深掘りして、アニール処理の方法と条件について以下の順で解説します。
- アニール処理の基本工程（加熱・保持・冷却）
- 温度設定のポイント｜Tg（ガラス転移点）・高温条件との関係
- アニール処理の推奨条件・基準の考え方
- 処理条件が品質に与える影響
アニール処理の基本工程（加熱・保持・冷却）
アニール処理の基本工程は「昇温（加熱）」「均熱（保持）」「徐冷（冷却）」の3段階です。
まず「昇温」で材料を規定温度までゆっくり上げ、急激な熱衝撃を避けながら分子運動を活発にさせます。「均熱」では、一定時間を保持することで製品表面と内部の温度差をなくし、材料の隅々まで構造を緩和します。
そして、工程の中で最も重要となるのが「徐冷」です。JISにおいても「平衡に近い組織状態になるような条件で冷却する」と定義されている通り、時間をかけて常温に戻すプロセスが必須です。「徐冷」を疎かにすれば、残留応力を除去しきれません。
温度設定のポイント｜Tg（ガラス転移点）・高温条件との関係
温度設定のポイントは、樹脂が硬いガラス状から柔らかいゴム状へ変化する境目である「ガラス転移点（Tg）」の把握にあります。
ポリカーボネートやABSなどの「非晶性樹脂」は、Tgを超えると軟化して自重で変形してしまうため、一般的にTgより10〜20℃低い温度で処理します。対して、POMやPEEKなどの「結晶性樹脂」は、分子を動かして結晶化を完了させる必要があるため、Tg以上の高温（推奨は実使用温度＋α）で加熱せねばなりません。
材料特性を無視した温度設定は、製品を溶かして寸法を狂わせたり、逆に全く効果が得られなかったりするリスクがあります。事前の物性確認が必須と言えるでしょう。
アニール処理の推奨条件・基準の考え方
処理条件を決める際は、材料メーカーが推奨するデータシートの値を基準にしつつ、製品形状や肉厚に応じた補正を行うべきです。樹脂は金属に比べて極めて熱伝導率が低いため、炉内の空気が設定温度に達しても、製品の中心部はまだ冷たいケースが多々あるからです。
一般的には、製品内部まで熱が浸透する時間を考慮し、肉厚1mmあたり数分〜数十分の保持時間を基本設定に上乗せして計算します。また、リブやボスなど肉厚差がある複雑な形状ほど、昇温・冷却時の熱の入り方にムラが生じやすくなります。
実際のワークに熱電対を埋め込んで内部温度を測定するなど、現場の実データに基づいた条件設定を行ってください。
処理条件が品質に与える影響
処理条件のわずかなズレは、寸法精度の狂いや強度の低下といった品質不良につながります。加熱温度や時間が不足していれば応力が残る原因となるからです。
特に「冷却速度」の管理ミスは致命的です。生産性を優先してファンで強制冷却などを行えば、表面と内部の収縮差により、除去したはずの残留応力が再び発生してしまいます。「見た目の色は変わっていないが、納品後にすぐ割れた」という不具合は、不適切な冷却条件に起因することが少なくありません。
適切な条件管理は、製品の寿命そのものを決めるという意識を持ちましょう。
材料別に見るアニール処理のポイント
アニール処理は「残留応力を除去して組織を安定させる」という目的は共通していますが、対象となる材料によって温度設定や管理すべきポイントが大きく異なります。ここでは、金属、プラスチック（樹脂）、ゴムという代表的な3つの素材について、以下の順にそれぞれの特性に合わせた処理の要点を解説します。
- 金属材料におけるアニール処理（焼きなまし）
- 樹脂・プラスチックのアニール処理（結晶性／非晶性）
- ゴム素材におけるアニール処理の考え方
- 素材・形状・種類によって注意すべき点
金属材料におけるアニール処理（焼きなまし）
金属のアニールは、主に「加工硬化の除去」と「組織の軟化」を目的に行われます。JIS G 0201:2000「鉄鋼用語（熱処理）」＊1においても、冷間加工で硬化した鋼を軟化させる「中間焼なまし」や、硬さを低下させる「軟化焼なまし」といった定義が明記されています。展延性を回復させ、次の加工をしやすくするために必須な工程です。
具体的には、再結晶温度以上の適切な温度まで加熱し、長時間保持した後に炉内でゆっくりと冷却（炉冷）します。すると、加工で歪んだ結晶粒が歪みのない新しい結晶粒（再結晶粒）へ置き換わり、内部応力が除去されます。
また、溶接構造物などでは、変形防止のために低温で行う「応力除去焼なまし（SR処理）」も一般的です。金属は炭素量で相変態の挙動が異なるため、状態図に基づいた緻密な温度管理が求められます。
樹脂・プラスチックのアニール処理（結晶性／非晶性）
樹脂のアニールで押さえておきたいのは、「結晶性樹脂」と「非晶性樹脂」で温度基準が真逆になる点です。
POMやPEEKなどの「結晶性樹脂」は、ガラス転移点（Tg）以上の高温で処理し、分子運動を活発化させて結晶化を促進させます。結晶密度を高めることで、剛性や耐熱性といった物性を向上させる狙いがあるからです。
対してポリカーボネート等の「非晶性樹脂」は、Tgを超えると軟化して自重変形するため、Tgより10〜20℃低い温度で処理します。こちらは分子構造を変えず、無理な歪みをゆっくり緩和させることが主目的です。
ゴム素材におけるアニール処理の考え方
ゴム素材のアニールは、一般的に「二次加硫」や「ポストキュア」と呼ばれ、最終物性を決定づける重要工程です。金型内での成形（一次加硫）だけでは化学反応が完了しておらず、揮発成分が残留しているケースが多いためです。
「二次加硫」や「ポストキュア」を行う主な目的は、架橋反応を完全に終わらせてゴム弾性を安定させることと、不要なガス成分を除去することにあります。例えばフッ素ゴム等では、ポストキュアを行わないと圧縮永久ひずみが悪化し、パッキンとして使用した際に早期のヘタリが生じます。
また、残留成分がガス化して放出されると、周辺金属の腐食や電気接点不良（接点障害）を引き起こしかねません。ゴム製品においては寸法安定性に加え、化学的な安定性を確保するためのプロセスと捉えてください。
素材・形状・種類によって注意すべき点
条件設定においては製品の「形状」や「肉厚」を考慮した現物合わせの調整が必須です。特に樹脂やゴムは金属に比べて熱伝導率が極めて低いため、炉の設定温度と製品内部の実温度にタイムラグが生じやすい傾向にあります。
厚肉製品や複雑形状の場合、表面だけが先に温まり、内部まで熱が届いていない「加熱不足」が頻発します。逆に冷却時は、表面のみが急冷されて新たな残留応力が発生する「逆効果」のリスクも高まるでしょう。
こうした問題を防ぐには、肉厚に応じて保持時間を長く設定したり、冷却時に断熱材で覆って徐冷速度を緩めたりする工夫が必要です。また、自重で変形しやすい薄肉品には、専用の矯正治具を用いることも有効な手段と言えるでしょう。
なぜアニール処理は現場で「失敗」するのか？
アニール処理が失敗する原因は、設備の設定値と実際のワークが受ける熱履歴に「物理的な乖離」があるためです。樹脂の低い熱伝導率や応力緩和の挙動を無視した現場では、予期せぬ変形やクラックは防げません。ここでは深掘りして以下の2点を解説します。
- 炉内設定温度とワーク実温にラグがあり熱衝撃（サーマルショック）が発生するから
- 残留応力の時間経過による緩和があるから
炉内設定温度とワーク実温にラグがあり熱衝撃（サーマルショック）が発生するから
アニール失敗の多くは、炉内の空気温度と製品の実温度に生じる「タイムラグ」と、それに伴う「熱衝撃」が原因です。樹脂は金属に比べて熱伝導率が極めて低く、炉のセンサーが設定温度に達しても、製品内部まで熱が伝わるには時間がかかります。こうしたタイムラグを考慮せず、加熱不足のまま終了すれば十分な効果は得られません。
さらに危険なのが冷却工程での失敗です。生産性を優先し、まだ高温の状態で炉から出すと、製品は室温との急激な温度差による「熱衝撃（サーマルショック）」を受けます。表面だけが瞬時に冷えて固まり、まだ熱い内部との間に収縮差が生じるため、除去したはずの応力が再生成されてしまいます。
80℃程度でも、室温20℃に出せばその差は60℃にもなり、樹脂にとっては致命的な急冷となり得るでしょう。空気温度ではなく、ダミーサンプル等を用いたワーク中心部の実測温度に基づく厳密な管理が必要です。
残留応力の時間経過による緩和があるから
納品後に不具合が出るのは、残留応力が「時間の経過とともに緩和しようとする力」を持っているからです。加工直後の製品は、無理な力が内部に閉じ込められた熱力学的に不安定な状態にあります。残留応力は、時間経過や温度変化をきっかけに部材内部で働き、それが後発的な「反り」や「変形」を引き起こします。
特に警戒すべきは、薬品や油分が触れることで発生する「環境応力割れ（ソルベントクラック）」でしょう。残留応力で引張られている分子の隙間に溶剤が浸透すると、分子間結合が断ち切られ、わずかな力で脆性破壊に至ります。
アニール処理は、こうしたリスク要因を事前に取り除き、製品寿命を全うさせるための必須工程と言えます。
不具合が繰り返される本当の原因
アニール処理の品質を安定させる鍵は、「ワーク実温度の測定」と「治具の活用」に尽きます。現場で多発する失敗は、炉内の空気温度だけを信じて管理しているケースです。樹脂は熱伝導率が悪く、炉が設定温度に達していても、製品内部は冷たいままという事態が頻繁に起こります。多くの現場ではなぜこうした事態が繰り返されるのかについて以下の3つの視点で解説します。
- 温度・時間・冷却条件の「考え方」が正しく共有されていない
- 工程全体の流れが断片的に理解されている
- 暗黙知や感覚的な判断に頼った運用になっている
温度・時間・冷却条件の「考え方」が正しく共有されていない
設定値の意味が現場に正しく伝わっていないことが、トラブルの温床です。なぜその長さが必要なのかという物理的な根拠が欠けていれば、現場は生産性を優先したくなります。樹脂は熱伝導率が低く、炉内温度とワーク中心温度には必ずタイムラグが生じます。
「熱の伝わり方の遅さ」を理解せず、炉の表示温度だけで判断すれば、加熱不足や急冷によるクラックは防げません。作業者全員が「なぜ温度・時間・冷却条件があるのか？」を納得できる教育が必要です。
工程全体の流れが断片的に理解されている
作業員がアニール処理を「加熱作業」と捉え、その後の冷却工程を軽視している可能性があります。しかし、品質を決めるのは、加熱後の「徐冷」プロセスです。加熱で応力を除去しても、取り出しが早すぎて急冷されれば、表面と内部の収縮差により新たな応力が固定されてしまいます。
昇温から常温に戻るまでの一連の熱履歴すべてがアニール処理です。「安全な温度域まで管理しなければならない」と工程全体のつながりを再教育する必要があります。部分的な作業ではなく、トータルな熱管理として捉え直しましょう。
暗黙知や感覚的な判断に頼った運用になっている
現場の品質を不安定にさせる要因は、温度設定以外の「段取り」が作業者の感覚に委ねられている点です。特に、炉内への「製品の並べ方」や「積載量」のルールが定まっていなければ致命的なミスにつながりかねません。効率を優先して隙間なく詰め込めば、熱風の通り道が塞がれ、配置場所による深刻な焼きムラが発生します。
また、終了の判断も曖昧な基準では、取り出しタイミングが作業者によってズレてしまいます。これでは、熱衝撃を受けるリスクを排除できません。物理条件を統一するため、配置図や積載上限、取り出し温度をすべて数値でマニュアル化し、誰が作業しても同じようになる環境を整えるべきです。
アニール処理の品質を現場で定着させ、標準化するための3つのアプローチ
設備やルールをどれほど整備しても、実際にアニールを行うのは「ヒト」です。作業者ごとのバラつきや自己流の判断をなくし、組織全体で品質を底上げするために事例を交えながら以下の3つのアプローチを紹介します。
- 温度変化や工程の流れを視覚化し、処理の目的・原理・条件を一貫して理解させる
- 正誤パターンの対比で見本を提示し、感覚に頼った判断による不良見逃しを防ぐ
- 熟練者の所作をマニュアルで共有し、指導のばらつきによる品質の個人差を解消する
温度変化や工程の流れを視覚化し、処理の目的・原理・条件を一貫して理解させる
目に見えないリスクや原理の「可視化」がルール定着に有効です。文字だけの指示書では現場のリスクが伝わらず、「自分は大丈夫」という意識を払拭できません。
明和工業株式会社では、作業場にディスプレイやQRコードを設置し、即座に動画マニュアルを呼び出せる仕組みで標準作業を徹底させました。これをアニール工程に応用し、「なぜこの温度条件なのか」「破るとどうなるか」をその場で確認できる環境を作ることが有効です。
理屈ではなく「品質」と「危険」を自分事として捉えられるようになれば、不適切な設定変更を未然に防ぎ、安全意識を根付かせられるでしょう。
正しい作業方法を動画で示して標準化
「誰がやっても同じ結果にする」標準化には、正誤パターンの対比が効果的です。手順書の「適切に」といった言葉は個人の解釈に依存し、判断ミスを招きます。
こうした解釈のズレに対し、児玉化学工業株式会社では、言葉では伝えにくい「力加減」や「正しい動作」を視覚化し、動画マニュアルを導入して成果を上げました。
「ヤスリを爪に当てすぎると折れるので優しく削る」という具体的な注意点を解説しています。
アニール現場でも同様に、「正しい製品の並べ方」と「熱風を遮断する悪い詰め方」を映像で比較すれば、言語化しにくい基準も一目でわかります。言葉の壁がある外国人材や新人でも「何がダメなのか」を視覚的に理解でき、迷わず正解を選べるようになることで不良見逃しを防げます。
熟練者の所作をマニュアルで共有し、指導のばらつきによる品質の個人差を解消する
熟練者特有の「カン・コツ」に依存した教育も、品質をばらつかせる要因です。人に頼る指導では教え方が異なり、間違った自己流が広まるリスクがあります。
こうした属人化の解消に成功したのが、児玉化学工業株式会社です。同社はドリル加工の微妙な力加減などを動画化し、言葉で表現しきれない暗黙知を可視化しました。
▼動画マニュアルによる標準化の例▼
アニール工程でも、熱電対の繊細なセット位置や治具の扱いを動画という「同一の手本」で共有すべきです。
まとめ
アニール処理は、残留応力による「反り」や「割れ」を防止する工程です。しかし、理論値と実温度の乖離や、作業者の判断ミスによる品質トラブルは後を絶ちません。
安定した品質を維持するには、炉内の温度管理に加え、作業そのものの「標準化」が必要です。正しい冷却手順や製品の並べ方を動画で可視化し、熟練者のカン・コツを組織全体で共有することで、属人化は確実に解消できます。
本記事で解説した原理原則と管理ノウハウを現場へ落とし込み、誰が担当しても再現できる高い現場を築き上げてください。
アニール処理の補足情報
アニール処理の補足情報として以下の2点を解説します。
- アニール処理に使われる装置・加熱炉の種類
- アニール処理の基本原理【分子レベルで何が起きているか】
アニール処理に使われる装置・加熱炉の種類
アニール処理の品質は、使用する炉の性能でも大きく変わり、樹脂の種類や製品形状に適した「熱の伝え方」ができる装置を選ぶ必要があります。ここでは、代表的な炉の種類と、失敗しない選び方を解説します。
- アニール炉の基本構造と仕組み
- 熱風炉・遠赤外線炉など装置の特徴
- 温度管理・精度管理で重要なポイント
- 装置・メーカー選定時の注意点
アニール炉の基本構造と仕組み
アニール炉の基本的な役割は、庫内を精密に温度制御し、ワーク全体に均一な熱を与えることです。アニール炉は、断熱材で覆われた加熱室、熱源となるヒーター、そして空気を攪拌する循環ファンで構成されています。
アニール炉の仕組みで重要なのが「風の循環」です。静止した空気中では、ヒーターの近くだけが高温になり、場所によって数十度の温度差が生じかねません。これを防ぐため、ファンで熱風を強制的に循環させ、炉内のどこに置いても設定温度との誤差（温度分布）が最小限になるよう設計されています。
また、PID制御と呼ばれる技術により、目標温度に対して行き過ぎ（オーバーシュート）や波打ち（ハンチング）がないよう、ヒーター出力を細かく調整しています。精密なアニール処理には、こうした「均熱性」の高いアニール炉が必要です。
熱風炉・遠赤外線炉など装置の特徴
樹脂用アニール炉には、主に「熱風循環式」と「遠赤外線式」の2種類があり、それぞれ特徴が異なります。
熱風循環式（ガス炉・電気炉）は、温められた空気を媒体として製品を加熱します。最大のメリットは、風が回り込むため複雑な形状でも焼きムラが起きにくい点です。一方、樹脂は熱伝導率が悪いため、中心部まで温まるのに時間がかかります。
遠赤外線炉は、放射熱を利用して樹脂分子を直接振動させて発熱させます。空気を介さず直に加熱できるため、昇温が早く、処理時間を大幅に短縮可能です。特に樹脂やセラミックは遠赤外線の吸収率が高く、効率的な加熱が期待できます。ただし、光が当たらない「影」の部分は温まりにくいため、複雑形状には不向きという特性があります。
温度管理・精度管理で重要なポイント
アニール工程の精度管理において重要なのは、炉の設定温度ではなく「ワークの実温度」を基準とすることです。炉の表示パネルが120℃になっていても、投入された樹脂部品がその温度に達するまでには、物理的なタイムラグが必ず発生します。
管理のポイントは、製品と同じ材質・形状のダミーサンプルを用意し、その中心部に熱電対を埋め込んでプロファイルを測定することです。実測データに基づき、「昇温に何分かかり、実際に何分間キープできたか」を保証しなければなりません。また、炉内の位置による温度バラつき（温度分布）も定期的に測定すべきです。
装置・メーカー選定時の注意点
装置導入や外注先の設備選定では「常用温度域での安定性」と「安全装置」の2点を必ず確認してください。焼成炉のように1000℃以上の高温が出せても、アニールに必要な100℃〜200℃付近での制御精度が粗ければ意味がありません。
具体的には、常用温度域における温度分布が「±3℃〜5℃以内」に収まる性能を持つメーカーが推奨されます。また、遠赤外線炉を選ぶ場合は、対象ワークが遠赤外線を吸収しやすい素材（樹脂・セラミック）であるかを確認しましょう。
アニール処理の基本原理【分子レベルで何が起きているか】
アニール処理の背後にある物理現象は、熱エネルギーによる「分子運動の活性化」と「自由体積の緩和」です。一見静止している固体の樹脂内部でも、分子レベルでは常にエネルギーの低い安定状態を求めて動こうとする「緩和現象」が続いています。ここでは深掘りして、具体的に以下の3点について解説します。
- 加熱による分子配列・結晶化状態の変化
- 成形・加工時に内部応力が発生するメカニズム
- 冷却条件が材料の安定性を左右する理由
加熱による分子配列・結晶化状態の変化
加熱を行う目的は、凍結された分子鎖を「動きやすい状態」にし、無理なねじれや歪みを解消することです。高分子物理学の「自由体積理論」に基づくと、樹脂をガラス転移点付近まで加熱することで分子間の隙間（自由体積）が拡大します。できた隙間を利用して、高分子鎖は「ミクロブラウン運動」を活発化させ、よりエネルギーの低い安定した配置へと再配列します。
具体的には、非晶性樹脂では絡み合った分子がほぐれる「構造緩和」が進行し、一方でPOMやPEEKなどの結晶性樹脂では、成形時に結晶化しきれなかった非晶部分が整列する「冷結晶化」が発生。結果として、結晶密度が高まり、剛性や耐熱性が向上します。
成形・加工時に内部応力が発生するメカニズム
成形品内部に応力が残る原因は、製造プロセス特有の「冷却速度の不均一さ」と「分子配向」にあります。金沢工業大学と日産自動車の共同研究（新保ら,1996）＊2では、射出成形品内部には、急冷固化する表面（スキン層）と、遅れて固まる内部といった「性質の異なる層」が形成されることが実証されました。
金型に触れた外側は瞬時に固まりますが、断熱性の高い樹脂内部は溶融状態が長く維持されます。遅れて内部が収縮しようとした際、すでに固い殻となった表面に拘束されるため、「縮みたいのに縮めない」という引張応力が内部に蓄積されるメカニズムです。さらに、高圧で充填された分子鎖が引き伸ばされたまま凍結される「分子配向」も、元の形状に戻ろうとする復元力として働きます。こうした複雑に釣り合い、製品内部で互いに引き合っている状態こそが、残留応力の正体と言えるでしょう。
冷却条件が材料の安定性を左右する理由
アニール処理において、加熱と同じかそれ以上に重要なのが「徐冷（Slow Cooling）」のプロセスです。加熱によって分子の歪みが解消されても、その後の冷却が速すぎれば、新たな熱応力が発生して効果が相殺されるからです。
高温状態の材料を急冷すると、表面と内部に再び大きな温度差（温度勾配）が発生します。その結果、成形時と同様に収縮のタイミングにズレが生じ、除去したはずの応力が再生成されてしまうでしょう。こうした事態を防ぐには、材料全体を均一な温度に保ちながら、分子運動が凍結される温度域まで時間をかけて下げる工程が欠かせません。
引用元／参考元
＊1：日本産業規格の簡易便覧「JISG0201:2000 鉄鋼用語（熱処理）」
＊2：射出成形品の残留応力に及ぼす成形条件の影響
