球化退火爐通過精準控溫的加熱、保溫與冷卻工藝，將鋼中硬脆的片狀或網狀碳化物轉化為軟韌的球狀碳化物，核心目標是降低鋼的硬度、改善切削加工性，同時為后續淬火提供均勻組織，其工作原理圍繞 “碳化物溶解 - 析出球化” 展開，分三大核心階段：
一、加熱升溫：促碳化物初步溶解
加熱溫度需嚴格控制在 Ac1（珠光體轉奧氏體起始溫度）至 Ac3（鐵素體轉奧氏體終了溫度）之間，通常為 700-750℃（如軸承鋼 GCr15 的 Ac1 約 730℃），避免溫度過高導致奧氏體晶粒粗大。
爐內加熱元件（電阻絲或燃氣燒嘴）通過輻射與對流傳熱，精密溫控系統（配 PID 算法與多點熱電偶）將升溫速率控制在 5-10℃/min，防止工件因溫差大產生熱應力開裂。溫度升至 Ac1 以上后，鋼中珠光體開始轉奧氏體，片狀滲碳體（Fe₃C）邊緣逐步溶解，形成碳濃度不均的奧氏體；未完全溶解的滲碳體碎片，成為后續碳化物球化的 “核心”，為球化奠定基礎。
二、保溫階段：育球狀碳化物核心
保溫是關鍵環節，需在 Ac1 稍上 10-30℃恒溫 2-6 小時，借原子擴散實現碳化物形態轉變。
此溫度下，奧氏體中碳呈過飽和狀態且原子具備擴散能力：一方面，未溶解的滲碳體碎片表面能量高，吸引周圍奧氏體中的碳原子沉積；另一方面，片狀滲碳體棱邊、尖角處曲率半徑小、表面能高，碳原子易向曲率大的平面擴散，使尖銳邊緣變圓潤。同時，未溶解的碳化物顆粒通過 “Ostwald 熟化” 效應 —— 小顆粒因溶解度高溶解，大顆粒因溶解度低長大，最終形成分散均勻的球狀碳化物核心。此階段爐內需通氮氣、氨分解氣等中性 / 弱氧化性氣氛，維持氧含量≤0.1%，防止工件表面氧化脫碳。
三、緩慢冷卻：保碳化物穩定球化
冷卻需以 1-3℃/min 的極慢速率降至室溫，為球狀碳化物穩定析出創造條件。
溫度降至 Ac1 以下后，奧氏體開始轉珠光體，過飽和的碳原子優先在前期形成的球狀核心上析出，而非重新形成片狀滲碳體。緩慢冷卻為碳原子提供充足擴散時間，使其均勻附著在球狀核心表面，長成直徑 0.5-2μm、分布彌散的球狀碳化物。若冷卻過快，碳原子來不及擴散，易形成片狀或針狀碳化物，導致球化失敗；溫度低于 600℃后，可將冷卻速率提至 5-8℃/min 縮短周期，此時碳化物形態已穩定，不影響效果。
此外，兩大輔助系統保障工藝穩定：一是氣氛控制系統，通保護氣氛防氧化脫碳，確保碳化物成分與形態穩定；二是熱風循環系統，爐內風機推熱空氣強制循環，配合導流板使爐內溫差≤±3℃，避免工件局部球化不均（如局部仍呈片狀碳化物）。
綜上，球化退火爐以 “低溫加熱 - 恒溫孕育 - 緩慢冷卻” 的工藝組合，利用原子擴散與碳化物演變規律，實現鋼的軟化與組織均勻化，為后續加工或熱處理提供優質基材，廣泛應用于軸承鋼、工具鋼、模具鋼等需改善加工性能的鋼材處理。
