焼鈍・焼きなましの教科書｜種類と目的、図面指示まで解説

ここでは　焼き入れと間違われがちな金属熱処理である「焼鈍（焼きなまし）」についてのメモをしています。

以前、私は「焼鈍」や「焼きなまし」という言葉は知っていても、その多様な種類や、響きの似た「焼きならし」との違いを明確に説明できませんでした。　これらの熱処理は、目的も工程も全く異なり、適切な選択が後工程の成否や製品の品質を大きく左右　します。

多くの情報サイトでは、焼鈍の種類や目的が個別に解説されています。　しかし、それらが製造プロセス全体の中でどのように連携し、設計者の判断にどう影響するのかという、一貫した流れで解説されているものは多くありません。

この記事では、まず焼鈍・焼きなましの基本的な目的と金属組織に与える影響を深く掘り下げ、そこから具体的な種類、メリット・デメリットへと展開します。　　そして最終的には、設計者として最も重要なJIS規格と正しい図面指示の方法まで、一気通貫で説明します。　この記事を最後まで読めば、自信を持って適切な熱処理を選択し、図面に指示できるようになるはずです。

焼鈍・焼きなましの種類と焼きならしとの違い

焼鈍の基本的な目的とは

焼鈍、または焼きなましとは、金属材料を特定の温度に加熱した後、ゆっくりと冷却することで、材料を軟らかくし、加工しやすくするための熱処理です 。

鋼を硬くする　「焼入れ」　とは正反対の目的を持つ処理と考えると分かりやすいかもしれません 。

なぜなら、鍛造や圧延、溶接といった加工を経た金属材料の内部は、目には見えない「応力」が蓄積し、結晶組織も不均一な状態になっているからです 。　　このような状態のまま切削加工などを行うと、工具の刃がすぐに摩耗してしまったり、加工中や加工後に予期せぬ変形が生じたりする原因となります。

言ってしまえば、焼鈍は金属が抱える「疲れ」や「歪み」を取り除き、後工程のために扱いやすく素直な状態へとリセットする作業です。　主な目的は大きく3つ　に分けられます。

1. 軟化による加工性の向上：材料の硬度を下げ、延性（伸びやすさ）を高めることで、切削やプレス加工を容易にします 。
2. 内部応力の除去：加工によって生じた残留応力を取り除き、寸法安定性を高め、割れや変形を防ぎます 。
3. 組織の均一化：不均一になった金属の結晶組織を整え、機械的性質のばらつきをなくし、後の熱処理効果を安定させます 。

さらに、焼鈍は機械的な特性だけでなく、特定の物理的特性を最適化するためにも利用されます。　　その代表例が、モーターのコアやトランスなどに使われる軟磁性材料の性能を最大限に引き出すための　「磁気焼鈍」　です 。　　これは、加工によって劣化した磁気特性を、熱処理によって回復させる特殊な焼なましです。

主要な焼なましプロセスの比較

焼なましには様々な種類があり、それぞれ目的やプロセスが異なります。以下の表は、設計者が適切なプロセスを迅速に選択できるよう、主要な焼なましの種類をまとめたものです。

焼鈍による金属組織の変化

焼鈍が材料の性質を変化させる秘密は、熱処理サイクル中の金属内部、原子レベルで起こる組織の変化にあります。　　このプロセスは、主に「回復」「再結晶」「結晶粒成長」という3つの段階を経て進行します 。

まず、加熱プロセスの初期段階、比較的低い温度で「回復」が起こります。　　これは、冷間加工などによって乱れた結晶格子のズレ（転位）が、熱エネルギーを得て動きやすくなり、整列し直すことで内部の応力が緩和される現象です 。

さらに温度を上げていくと、次に「再結晶」が始まります。　　これは、歪んだ古い結晶粒から、歪みのない新しい結晶核が生まれ、それが成長していくプロセスです 。　　この新しい結晶粒が古い組織を置き換えることで、加工によって硬くなった材料は延性を回復し、大幅に軟らかくなります。

そして、再結晶が終わった後も高温に保ち続けると、新しくできた結晶粒同士が合体し、より大きく成長する「結晶粒成長」の段階に入ります 。

焼鈍の最大の特徴は、これらの組織変化を起こさせた後の「冷却方法」にあります。　　原則として、加熱に使った炉の電源を切り、炉の中でゆっくりと時間をかけて冷やす「炉冷（徐冷）」が行われます 。　　この非常に遅い冷却速度が、原子が最も安定した配置に落ち着くための時間を与え、結果として最も柔らかく安定した組織（例えば、鋼におけるフェライトとパーライト組織）を形成させる鍵となるのです 。

材料の硬さを低下させる効果

焼鈍処理の最も顕著な効果は、材料の硬さが大幅に低下し、その代わりに延性や靭性といった「粘り強さ」が向上することです 。　　これは、機械的特性における一種のトレードオフの関係と考えることができます。

例えば、ある研究データによれば、未処理の鋼材と比較して、焼鈍処理後の材料は引張強さが約23%、ブリネル硬さ（HB）が約35%も低下したと報告されています 。　　この軟化こそが、後工程での被削性を劇的に改善する理由です。硬さが低下すると、切削工具の刃が材料に食い込みやすくなり、切削抵抗が減少します。　　これにより、工具の摩耗が抑えられて寿命が延びるだけでなく、加工面の仕上がりも向上し、高い寸法精度を実現しやすくなります。

一方で、硬さや強さが低下する代わりに、材料が破断するまでにどれだけ伸びるかを示す「延性」や、衝撃に対する抵抗力を示す「靭性」は著しく向上します 。　　これにより、材料は割れにくくなり、プレス加工などで複雑な形状に成形することが可能になります。　　焼鈍は、単に材料を柔らかくするだけでなく、後工程の加工を円滑に進め、製品の信頼性を高めるために、機械的性質のバランスを最適化する処理　なのです。

応力除去で加工性を改善する

鋳造、溶接、大規模な切削加工など、材料に大きな熱や力が加わる工程は、部品内部に「残留応力」と呼ばれる、目に見えない力を蓄積させます 。　　この残留応力は、製品の品質を脅かす厄介な存在で、放置すると加工中や使用中に部品が反ったりねじれたりする「寸法狂い」や、最悪の場合は亀裂の原因にもなり得ます。

この問題に対する最も効果的な解決策が、「応力除去焼なまし」です 。　　この処理は、低温焼なましとも呼ばれ、材料の組織を大きく変化させることなく、内部に溜まった応力だけをピンポイントで解消することを目的としています 。

具体的には、鋼の場合、組織が変化し始める変態点よりも低い温度（通常450～700℃）で加熱します 。　　この温度域では、原子が活発に動けるようになり、結晶格子の乱れが整列し直す「回復」現象が促進され、応力が緩和されます。

特に、高い寸法精度が要求される精密機械のフレームや、溶接で組み立てられた複雑な構造物にとって、応力除去焼なましは不可欠な工程です。　　最終仕上げ加工の前にこの処理を施すことで、加工後の変形を最小限に抑え、製品が長期にわたって設計通りの形状と精度を維持することを保証します。　　これは、製品の信頼性を確保するための重要な品質管理プロセスと言えます。

特殊な光輝焼鈍について

通常の大気中で焼鈍を行うと、鋼材の表面は空気中の酸素と反応して　「酸化スケール」　と呼ばれる黒い膜で覆われてしまいます。　　これは製品の外観を損なうだけでなく、後工程で除去するための手間やコストが発生する原因となります。

この課題を解決するのが「光輝焼鈍（こうきしょうどん）」です 。　　これは、酸素を含まない特殊な雰囲気ガス（例えば、水素、窒素、アルゴンなど）で満たされた炉の中で熱処理を行う技術です 。　　炉内の雰囲気を厳密に管理することで、加熱中に金属表面が酸化するのを防ぎ、処理後も金属本来の美しい光沢を維持することができます 。

光輝焼鈍の最大のメリットは、酸化スケールが発生しないため、処理後の酸洗いや研磨といった後工程を大幅に削減、あるいは省略できる点にあります 。　　これにより、製造リードタイムの短縮とトータルコストの削減に大きく貢献します。

また、この技術は、美しい外観が求められるステンレス製品や、表面の清浄度が重要な精密電子部品などに広く利用されています。　　さらに、炉内で部品同士を接合する「ろう付け」と焼鈍を同時に行うことも可能で、生産効率を飛躍的に向上させることができます 。

このように、光輝焼鈍は、機能性と美観を両立させるための付加価値の高い熱処理技術なのです。

焼鈍・焼きなましのメリットと図面指示

焼鈍のメリットとデメリット

焼鈍は多くの利点をもたらす一方で、設計者はそのデメリットや注意点も理解し、総合的に判断する必要があります。

メリット

まず、焼鈍の主なメリットは、これまで述べてきた通り、以下の3点に集約されます。

• 加工性の向上：材料が軟らかくなることで、切削やプレス加工が容易になり、工具の寿命延長や生産性の向上に直接つながります 。
• 寸法安定性の確保：残留応力を除去することで、加工中や経年による部品の変形を防ぎ、製品の寸法精度を長期にわたって維持できます 。
• 信頼性の向上：不均一な組織を均質化することで、材料特性のばらつきをなくし、製品の性能を安定させ、信頼性を高めます 。

ケーススタディ：メリットが活かされる場面

• 加工性の向上：S45Cの鍛造ブロックから複雑な形状の部品を削り出す場合を考えます。　　もし鍛造後の硬い材料のまま加工を始めると、エンドミルなどの切削工具はすぐに摩耗し、頻繁な交換が必要になります。加工面も荒れやすく、寸法精度を出すのに苦労するでしょう。　　ここで加工前に「完全焼なまし」を指示すれば、材料が軟らかくなり、驚くほどスムーズに切削が進みます。結果として、工具費の削減、加工時間の短縮、そして品質の安定化という大きなメリットが得られます。
• 寸法安定性の確保：複数の鋼材を溶接して製作した精密機械の大型フレームを想像してください。　　溶接による大きな残留応力が残ったまま、基準面をフライス盤で精密に仕上げたとします。　　その直後は要求精度を満たしていても、時間が経つにつれて応力が解放され、フレーム全体がわずかに歪んでしまうことがあります。これでは製品として致命的な欠陥です。　　これを防ぐために、仕上げ加工の前に「応力除去焼なまし」を行うことで、後々の変形リスクを未然に防ぎ、長期にわたる寸法安定性を確保できます。

デメリットと注意点

一方で、以下の点も考慮しなければなりません。

• 時間とコスト：特に炉内でゆっくり冷却する完全焼なましなどは、他の熱処理に比べて処理時間が長く、エネルギーコストも高くなる傾向があります 。
• 表面品質の劣化：前述の通り、通常の大気炉では表面に酸化スケールが発生します。これを避けるためには光輝焼鈍などの特別な設備が必要になります。
• 寸法変化：応力解放による変形を防ぐ一方で、熱処理自体の加熱・冷却サイクルによって、部品全体の寸法がわずかに変化する可能性があります 。
• 部品同士の溶着：複数の部品を一度に処理する際、高温下で部品同士が接触面でくっついてしまう「溶着」のリスクがあります 。

ケーススタディ：デメリットによる失敗例

• 時間とコスト：後工程の加工が単純な小ロットの部品に対し、コスト意識なく慣例で「完全焼なまし」を指示したとします。　　結果として、オーバースペックな熱処理のために不要なコストと納期が発生してしまいました。　　この場合、材料の初期状態によっては焼なましを省略するか、より安価な熱処理で十分だったかもしれません。熱処理の要否は、常にトータルコストで判断することが大切です。
• 寸法変化：高精度が要求される大型のベースプレートに、溶接後の応力除去焼なましを施したケースです。　　設計者が熱処理による収縮を考慮しておらず、仕上げ代を十分に設けていませんでした。　　その結果、焼なまし後に全体がわずかに収縮し、重要な穴ピッチが公差を外れてしまい、高価な部品が不良品となってしまいました。
• 部品同士の溶着：コスト削減のため、多数の薄板プレス部品を重ねて一度に焼鈍処理に出したところ、多くの部品が接触面で溶着してしまいました。　　一つ一つ引き剥がすことはできず、大半が廃棄処分となりました。　　これは、熱処理業者と事前に処理方法（重ね方や溶着防止剤の使用など）を十分に打ち合わせなかったことが原因です。

これらのデメリットを理解した上で、部品に要求される品質とコストのバランスを取りながら、最適な熱処理を選択することが設計者には求められます。

JIS規格に準拠した熱処理

設計者の意図を製造現場へ正確に伝えるためには、標準化された共通言語を用いることが不可欠です。　　熱処理において、その役割を果たすのがJIS（日本産業規格）です。

焼鈍（焼なまし）と焼ならしに関する基本的な規定は、「JIS B 6911 鉄鋼の焼ならし及び焼なまし加工」に定められています 。　　設計者は、この規格に準拠した記号を用いて図面に指示を行うことで、熱処理業者との認識の齟齬を防ぎ、意図した通りの品質を確保することができます。

JISで定められている主要な焼なましの種類と記号は以下の通りです。

ちなみに、現在のJISでは「焼なまし」が正式な用語として採用されていますが、古くからの慣習で「焼鈍」という言葉も広く使われています 。　　現場によっては、完全焼なましを「焼きなまし」、応力除去焼なましを「焼鈍」と使い分けているケースもあるため 、記号と目的を併記することが誤解を避ける上で有効です。

正しい図面指示のポイント

設計者の意図を製造現場に正確に伝えるための唯一の公用語は、技術図面です。　　熱処理の指示が曖昧であると、それは性能不足や製造トラブルに直結しかねません 。単に図面に「焼鈍のこと」と記述するだけでは、情報として全く不十分です。

誤解のない明確な指示を行うためには、以下の3つの要素を図面の注記欄などに記載することが極めて大切です。

1. 処理方法（何を）：どの種類の焼なましを行うのかを、JIS記号を用いて明確に指定します。例えば、「完全焼なまし (HAF) を行うこと」のように記述します。これにより、処理の目的が業者に伝わります。
2. 適用規格（どのルールで）：「JIS B 6911 に準拠」といった形で、どの規格に基づいて処理を行うかを明記します。これは、品質保証の基準を明確にする上で役立ちます。
3. 要求品質（どうなれば良いか）：これが最も重要な項目です。熱処理後に部品がどのような状態になってほしいのかを、具体的な物理的特性で定義します。一般的には硬さが用いられ、「処理後の硬さ：156～217 HBW とすること」のように、ブリネル硬さやロックウェル硬さの「範囲」で指定します 。単一の数値ではなく範囲で指定することで、製造上の健全なばらつきを許容し、現実的な品質管理が可能になります。

図面指示の記入例

「熱処理：JIS B 6911 に準拠し、完全焼なまし (HAF) を行うこと。処理後の硬さ：156～217 HBW」

このように、目的（処理方法）と結果（要求品質）をセットで指示することで、熱処理業者はその要求を満たすために最適な処理条件を調整することができ、設計者は意図した通りの部品品質を確実に得ることができるのです。

最適な焼鈍・焼きなましを選ぼう

この記事では、機械設計者が知るべき焼鈍・焼きなましの基礎知識から、その種類、特性変化、そして実践的な図面指示の方法までを網羅的に解説しました。　　最後に、最適な熱処理を選択するための要点をまとめます。

• 焼鈍・焼きなましは材料を軟らかくし加工性を向上させる熱処理
• 焼入れとは正反対の目的を持つ処理
• 主な目的は「軟化」「内部応力の除去」「組織の均一化」の3つ
• プロセスは「回復」「再結晶」「結晶粒成長」の段階で進む
• 最大の特徴は炉の中でゆっくり冷やす「徐冷」にある
• 硬さが低下する代わりに延性や靭性が向上する
• 残留応力は寸法狂いや割れの原因となるため応力除去焼なましが有効
• 応力除去焼なましは変態点以下の低温で行われる
• 表面の酸化を防ぐには光輝焼鈍が適している
• 光輝焼鈍は後工程の削減によりトータルコストを低減できる可能性がある
• デメリットとして時間、コスト、寸法変化、溶着リスクが挙げられる
• 熱処理の指示はJIS B 6911に準拠することが基本
• 図面には「処理方法」「適用規格」「要求品質（硬さの範囲）」を明記する
• 曖昧な図面指示は品質トラブルの元となる
• 目的を明確にし、それに合った焼鈍の種類を選択することが鍵となる

以上です。