球化退火炉通过精准控温的加热、保温与冷却工艺，将钢中硬脆的片状或网状碳化物转化为软韧的球状碳化物，核心目标是降低钢的硬度、改善切削加工性，同时为后续淬火提供均匀组织，其工作原理围绕 “碳化物溶解 - 析出球化” 展开，分三大核心阶段：
一、加热升温：促碳化物初步溶解
加热温度需严格控制在 Ac1（珠光体转奥氏体起始温度）至 Ac3（铁素体转奥氏体终了温度）之间，通常为 700-750℃（如轴承钢 GCr15 的 Ac1 约 730℃），避免温度过高导致奥氏体晶粒粗大。
炉内加热元件（电阻丝或燃气烧嘴）通过辐射与对流传热，精密温控系统（配 PID 算法与多点热电偶）将升温速率控制在 5-10℃/min，防止工件因温差大产生热应力开裂。温度升至 Ac1 以上后，钢中珠光体开始转奥氏体，片状渗碳体（Fe₃C）边缘逐步溶解，形成碳浓度不均的奥氏体；未完全溶解的渗碳体碎片，成为后续碳化物球化的 “核心”，为球化奠定基础。
二、保温阶段：育球状碳化物核心
保温是关键环节，需在 Ac1 稍上 10-30℃恒温 2-6 小时，借原子扩散实现碳化物形态转变。
此温度下，奥氏体中碳呈过饱和状态且原子具备扩散能力：一方面，未溶解的渗碳体碎片表面能量高，吸引周围奥氏体中的碳原子沉积；另一方面，片状渗碳体棱边、尖角处曲率半径小、表面能高，碳原子易向曲率大的平面扩散，使尖锐边缘变圆润。同时，未溶解的碳化物颗粒通过 “Ostwald 熟化” 效应 —— 小颗粒因溶解度高溶解，大颗粒因溶解度低长大，最终形成分散均匀的球状碳化物核心。此阶段炉内需通氮气、氨分解气等中性 / 弱氧化性气氛，维持氧含量≤0.1%，防止工件表面氧化脱碳。
三、缓慢冷却：保碳化物稳定球化
冷却需以 1-3℃/min 的极慢速率降至室温，为球状碳化物稳定析出创造条件。
温度降至 Ac1 以下后，奥氏体开始转珠光体，过饱和的碳原子优先在前期形成的球状核心上析出，而非重新形成片状渗碳体。缓慢冷却为碳原子提供充足扩散时间，使其均匀附着在球状核心表面，长成直径 0.5-2μm、分布弥散的球状碳化物。若冷却过快，碳原子来不及扩散，易形成片状或针状碳化物，导致球化失败；温度低于 600℃后，可将冷却速率提至 5-8℃/min 缩短周期，此时碳化物形态已稳定，不影响效果。
此外，两大辅助系统保障工艺稳定：一是气氛控制系统，通保护气氛防氧化脱碳，确保碳化物成分与形态稳定；二是热风循环系统，炉内风机推热空气强制循环，配合导流板使炉内温差≤±3℃，避免工件局部球化不均（如局部仍呈片状碳化物）。
综上，球化退火炉以 “低温加热 - 恒温孕育 - 缓慢冷却” 的工艺组合，利用原子扩散与碳化物演变规律，实现钢的软化与组织均匀化，为后续加工或热处理提供优质基材，广泛应用于轴承钢、工具钢、模具钢等需改善加工性能的钢材处理。
