熱処理炉（焼鈍）
熱処理炉（焼鈍）は金属材料を所定温度で加熱し、一定の保持後に炉冷または緩冷することで硬さ低下、残留応力除去、組織均一化、加工性・寸法安定性の向上を図る装置である。鋼では完全焼鈍・球状化焼鈍・応力除去焼鈍など目的別に温度域や冷却条件を最適化する。炉はバッチ式や連続式、ベル型、箱型、トンネル型、真空・保護雰囲気式など多様で、対象は炭素鋼、合金鋼、ステンレス、銅・銅合金、アルミニウム合金、電磁鋼板など広い。品質は温度均一性、雰囲気制御、炉体保温、搬送の整合で決まり、エネルギー効率や自動化も重要である。
原理と目的
焼鈍は拡散を伴う再結晶・相変態・炭化物の球状化を利用して冷間加工硬化を回復し、粒径と析出状態を整える熱処理である。鋼ではフェライト・パーライトの均一化、炭化物の粗大化抑制、残留応力除去により機械加工性や曲げ・深絞り性を改善する。非鉄では再結晶焼鈍で延性・導電率を回復し、板・線の成形品質を安定させる。
炉の形式
バッチ式は多品種少量に適し、治具で段積みして均熱する。連続式（トンネル・メッシュベルト・雰囲気連続炉）は量産ラインで安定品質を得られる。ベル型（フード炉）は鋼板コイルの焼鈍用に普及し、加熱・冷却フードを交換して高い温度均一性を確保する。真空炉は脱炭・酸化を抑え、精密部品に向く。
加熱方式と炉体
加熱はガス・油バーナー、電気ヒータ（シース・カンタル等）、誘導加熱を用いる。炉体は耐火れんがやファイバーブランケットで断熱し、対流ファンや均熱板で温度ムラを低減する。ドアやシール部の漏れ対策、熱ひずみ抑制のための伸縮機構も重要である。
雰囲気制御
酸化を避けるため窒素、窒素＋水素、分解アンモニア、エンドガスなどを用い、露点と酸素濃度を監視する。ステンレスや合金鋼は真空または高純度水素で清浄表面を得る。銅は還元雰囲気、電磁鋼板は脱炭を伴う制御雰囲気が有効である。
温度制御と均一性
多ゾーンPID制御、熱電対の補正、装入量に応じたレシピ化で±（5～10）℃の炉内均一性を狙う。実体熱電対で製品温度追従を確認し、ソーク短縮や過熱防止を両立する。校正・トレーサビリティの維持は硬さや組織再現性の鍵である。
代表的な焼鈍サイクル
炭素鋼の完全焼鈍はAc3（またはAc1）上で保持後、炉冷でパーライトを微細化する。球状化焼鈍は共析温度近傍を往復・長時間保持し、切削性を高める。応力除去焼鈍は500～700℃程度で成形・溶接応力を低減する。Al合金は200～400℃で再結晶焼鈍、Cuは200～500℃で導電率と延性を回復する。
装入・治具と変形対策
積載は対流を妨げない通気と熱容量バランスが肝要で、治具材は耐熱鋼やSiCを用いる。薄板はスペーサで段積みし、線材やコイルは緩巻きと端部拘束で形状を守る。冷却は炉冷主体とし、必要に応じて制御冷却で残留応力起点の反りを抑える。
表面品質と脱炭
露点やCO/CO2比が不適だと脱炭・スケール・煤が発生する。鋼は表面炭素を保持し、ステンレスは焼鈍酸洗（BA/2B）条件で光輝を維持する。銅は還元雰囲気で酸化皮膜を抑え、必要に応じて後工程で酸洗・ブラシングを行う。
品質管理
ロットごとに硬さ（HB/HV/HRC）、引張特性、金属組織、脱炭深さ、寸法変化を評価する。炉内記録（温度プロファイル、雰囲気、露点、酸素濃度）を保存し、異常時はサイクル見直しや治具改良、装入密度の最適化で再発を防ぐ。
エネルギー効率と自動化
高断熱化、バーナー燃焼最適化、排熱回収、アイドル低減、装入スケジューリングで原単位を削減する。MES連携でレシピ・トレーサビリティ・保全を統合し、デジタルツインでサイクル短縮と均一性を両立させる。
安全と保守
水素使用時は爆発下限を常時監視し、パージ手順とインターロックを厳守する。シール・ファン・ヒータの予兆保全、耐火材のスポーリング点検、ガス漏えい検知器の定期校正を行い、停電時はフェイルセーフで炉内の安全を確保する。
適用例
自動車用鋼板コイルの連続焼鈍、ばね・線材の球状化、ステンレスの光輝焼鈍、銅条の再結晶、Al缶材の中間焼鈍などが典型例である。高力ボルトでは溶接・機械加工後の応力除去焼鈍により遅れ破壊リスクと寸法変化を抑える。
トラブルシュート
軟化不足は保持不足や装入過多、温度ムラが原因で、ゾーン設定と通気を見直す。表面黒化は露点悪化や燃焼不良、脱炭は酸素リークが疑われる。変形は急冷や治具支持不良が多く、冷却勾配と支持点の再設計で改善する。