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加工品の変形を防ぐ処理「アニール処理」についてプラスチック加工のワンポイント講座


加工品の変形を防ぐ処理「アニール処理」

1. アニール処理とは?
熱を加えることによって材料・商品の残留応力を取り除く処理を、アニール処理といいます。
残留応力をそのままにしておくと歪みが生じたり、外力が加わった時や塗料や溶剤に触れた時、そこから応力を逃がそうと割れてしまったりする可能性があります。
そこで、寸法や形状を安定させるためにアニール処理が行われています。

2. 残留応力とは?
応力とは物体内部に生じる力のことであり、残留応力とは外力を除去した後でも物体内に存在する応力のことです。
残留応力は弊社で行っている切削・研削などの機械加工時に発生する他に、溶接など加熱した時、熱処理や窒化処理などで材質が変化したときにも発生します。
成形時にも生じるため、成形加工によって作られた部品にはよくアニール処理が施されます。

① 残留応力の種類
残留応力には引張残留応力と圧縮残留応力の2方向の力があり、物体外部へ向かう方向が引張残留応力、物体内部へ向かう方向が圧縮残留応力です。
引っ張り残留応力がある状態では、物体の強度は低下する場合が多く、折れ目や切れ目などの部分が起点となり破れる可能性があります。
一方圧縮残留応力は強度を向上させるため、わざと圧縮残留応力を付与するショットピーニングという処理もあります。

残留応力
材料成形時には外側から冷えて固まるため、内側が先に冷えた外側に引っ張られます。このため切削材料には引張応力が残りがちになります。
一般的に残留応力は外側から内側に向かうに連れて大きくなります。

② 加工によって生じる残留応力
材料を加工すると様々な残留応力が生じます。
溶接等加熱を伴う加工では材料の一部が温度の上昇により膨らむため、膨らんだ部分から冷たい部分を押す方向に力が発生します。
曲げ加工では曲げの外側部分は引き伸ばされ、内側部分は圧縮されます。それぞれに戻る力が発生するので、加工後は内側の曲げ角度が大きくなる方向に変形し、外側と内側の力の釣り合いの取れるところで変形が止まります。

切削加工で残留応力が生じる原因には2種類あります。
1つは材料自体の残留応力によるものです。応力の釣り合いが取れている状態だった材料から1部を取り去ることで、力のバランスが変化し変形が起こります。
その為残留応力の大きい素材は小さいものより反りやすくなっています。反りを避けるために、材料にアニール処理が施されているものを用いることもあります。
もう1つは加工面に新たに生じる残留応力です。切削加工では表面に刃物で力を加えて加工しているため、必ず応力が残ります。
切削加工で残る応力は材料の深部にまでは届きませんが、比較的大きな力となります。
切削加工によって生じる応力は形状によって様々ですが、大きく切り欠いた部分や残り部分の肉厚が薄い場合、変形が生じやすくなります。片側からのみの加工では変形が大きくなる場合、あえて加工の必要のない反対側も同様に刃物で切削することで残留応力による変形を小さくするなど、加工現場では変形を小さくするために最適な方法で加工を行います。

成形加工でも残留応力は必ず発生します。成形時には加わる圧力や冷却される速度が部分ごとに異なるため、応力が発生します。そのため樹脂成形品にはよくアニール処理が施されています。

プラスチックのアニール処理

プラスチックには結晶性樹脂と非晶性樹脂があり、それぞれでアニール処理の温度と効果が異なります。

▼ 結晶性樹脂
ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、
ナイロン樹脂(MCナイロン、6ナイロン)、ポリアセタール(POM/ジュラコン®)、
ポリブチレンテレフタレート(PBT)、
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE/テフロン)、
ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)
▼ 非晶性樹脂
ポリスチレン(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ABS樹脂、アクリル樹脂(PMMA)、
ポリカーボネート(PC)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)

① 結晶性樹脂のアニール処理
結晶性樹脂にアニール処理を行う場合、ガラス転移点(Tg)以上の温度で加熱します。さらに、使用時の寸法安定性を確保するためには実際に使用する際の最高温度よりも10℃~30℃ほど高い温度で行います。
PEEKなどガラス転移点が水の沸点よりも高い場合は、まず120℃~150℃程度の温度で水分を除去してからアニール処理温度で加熱します。一度に加熱すると樹脂内の水分が膨張することで、不具合が生じる可能性があるためです。

結晶性樹脂内には結晶化している部分としていない部分が混在しているため、加熱により結晶化度を高めることで寸法安定性を向上させる事ができます。

② 非晶性樹脂のアニール処理
非晶性樹脂にアニール処理を行う場合、ガラス転移点(Tg)より20℃~30℃ほど低い温度、もしくは荷重たわみ温度より5℃~10℃ほど低い温度で加熱します。

非晶分子のみで構成される、または結晶化している分子の極めて少ない非晶性樹脂を加熱すると非晶分子が自由に動けるようになるため、応力が開放され反りやクラックの防止になります。

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金属のアニール処理

金属に施すアニール処理は一般的に焼きなましと呼ばれます。金属材料には様々な熱処理が行われ、焼きなましもその1つです。樹脂に比べて硬度の高い金属では、軟らかくして加工しやすくしたり、硬さを均一にすることで加工ムラを防いだり、完成品の硬さのばらつきを押さえます。
焼きなましには幾つか種類があり、「応力除去焼きなまし」「拡散焼きなまし」「球場焼きなまし」「等温変態焼きなまし」「完全焼きなまし」などを目的によって使い分けます。

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