球化退火(Spheroidizing annealing):球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。
将钢加热到Ac1以上20~30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却到略低于Ac1的温度，并停留一段时间，使组织转变完成，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。
适用范围球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢经轧制、锻造后空冷，所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这种组织硬而脆，不仅难以切削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。另外对于一些需要改善冷塑性变形(如冲压、冷镦等)的亚共析钢有时也可采用球化退火。
球化退火加热温度为Ac1+(20~40)℃或Acm-(20~30)℃，保温后等温冷却或直接缓慢冷却。在球化退火时奥氏化是"不完全"的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。
工艺方法球化退火工艺方法很多，最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20~30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。和普通球化退火相比，等温球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。
球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢(如制造刃具，量具，模具所用的钢种)。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。 这种工艺有利于塑性加工和切削加工，还能提高机械韧性。尤其对于轴承钢、工具钢等钢种而言，如在淬火前实施球化退火，即可获得下列效果:
轴承钢
淬火效果均一;
减少淬火变形;
提高淬火硬度;
改善工件切削性能;
提高耐磨性和抗点蚀性等轴承的性能。
工具钢
淬火效果均一;
抑制淬裂、淬弯等现象;
提高耐磨性、刀刃锋利程度及使用寿命。
根据钢种和退火目的，球化退火可分以下几种:
(1)普通球化退火，即将钢加热到730~740℃保温足够时间，然后以小于20℃/h的速度缓冷到650℃出炉。这种退火工艺适用于共析成分附近的碳素工具钢。
(2)周期球化退火，也叫循环退火。它是在A点附近的温度反复进行加热和冷却，一般进行3~4个周期，使片状珠光体在几次溶解一析出的反复过程中，碳化物得以球化。该工艺生产周期较长，操作不方便，难以控制，适用于片状珠光体比较严重的钢。
(3)等温球化退火。一般加热到800±10℃，保温后快冷到700±10℃(A1附近)再进行较长时间保温，之后，以30~50℃/h的速度冷却到600℃出炉。一般轴承钢多采用此工艺。
(4)变形-球化退火。将塑性变形与球化退火工艺结合在一起，由于塑性变形的作用，钢内位错密度和畸变能增加，促使片状碳化物在退火时加速溶断和球化，从而加快球化速度，缩短球化退火时间。
根据变形制度的不同，又可分为:
(1)将钢材加热到Acm和Ac1，之间的温度进行塑性变形，然后冷却到稍低于Ac1，温度进行球化退火;
(2)钢材在高温终轧后快冷到一定温度后直接进行等温处理的球化退火;
(3)钢材冷变形后加热到稍低于Ac1，温度而进行的球化退火。
球化退火的加热温度是影响球化程度完全与否的关键因素。加热温度选择合适，既能保证片状珠光体消失，又能保留一部分未完全溶于奥氏体的碳化物，作为球化核心，最终形成较粗大的颗粒状碳化物的正常球化组织。奥氏体化温度很高时，碳化物全部溶解并均匀化，冷却后总是得到片状珠光体。冷却速度直接影响着碳化物颗粒的大小和均匀性。冷却太快，碳化物颗粒太细，并有形成片状碳化物的可能，使硬度偏高。冷却过慢时碳化物颗粒又过于粗大。
球化前的珠光体细薄、碳化物细小而分散时，经形变热处理而得到的退化珠光体组织等最易于球化，并能缩短球化时间，提高球化质量和钢的疲劳寿命。