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球墨鑄鐵組織中，石墨呈球狀，對基體的削弱和破壞作用比片狀石墨弱。球鐵性能主要取決于基體組織，石墨的影響居次要地位。以各種熱處理方式改善球鐵的基體組織，即可程度不同地提高其力學性能。由于化學成分、冷卻速度、球化劑等因素的影響，在鑄態組織中，尤其是鑄件薄壁處常出現鐵素體+珠光體+滲碳體+石墨的混合組織。熱處理的目的就在于獲得所需要的組織，從而改善力學性能。
球墨鑄鐵常用的熱處理方法如下。
（1）低溫石墨化退火 加熱溫度720~760℃。隨爐冷卻至500℃以下出爐空冷。使共析滲碳體分解，獲得鐵素體基體的球鐵，以提高韌性。
（2）高溫石墨化退火 880~930℃，轉至720~760℃保溫，隨爐冷卻至500℃以下出爐空冷。消除白口組織，獲得鐵素體基體的球鐵，提高塑性，降低硬度，增加韌性。
（3）完全奧氏體化正火 880~930℃，冷卻方式：霧冷、風冷或空冷，為減少應力，增加回火工序：500~600℃，獲得珠光體+少量鐵素體+球狀石墨，提高強度、增加硬度和耐磨性。
（4）不完全奧氏體化正火 820~860℃加熱，冷卻方式：霧冷、風冷或空冷，為減少應力，增加回火工序：500~600℃，獲得珠光體+少量分散的鐵素體組織，得到較好的綜合力學性能。
（5）調質處理 840~880℃加熱，冷卻方式：油或水冷，淬火之后的回火溫度：550~600℃，獲得回火索氏體組織，提高綜合力學性能。
（6）等溫淬火 840~880℃加熱，在250~350℃鹽浴中淬火，獲得綜合力學性能，尤其能提高強度、韌性與耐磨性。
熱處理加熱時，鑄件入爐溫度一般小于350℃，加熱速度視鑄件尺寸與復雜程度而定，在30~120℃/h之間選擇。尺寸大、復雜件的入爐溫度要低，升溫速度要慢。加熱溫度則取決于基體組織和化學成分。保溫時間按鑄件壁厚而定。
此外，球鐵鑄件還可以采用高頻、中頻、火焰等方法作表面淬火，以獲得高硬度、耐磨性以及抗疲勞性能。也可以軟氮化處理，提高鑄件耐磨性。
1.球墨鑄鐵的淬火并回火處理
球墨鑄造件作為軸承需要更高的硬度，常將鑄鐵件淬火并低溫回火處理。工藝是：鑄件加熱到860-900℃的溫度，保溫讓原基體全部奧氏體化后再在油或熔鹽中冷卻實現淬火，后經250-350℃加熱保溫回火，原基體轉換為回火馬氏體及殘留奧氏體組織，原球狀石墨形態不變。處理后的鑄件具有高的硬度及一定韌性，保留了石墨的潤滑性能，耐磨性能更為改善。
球墨鑄鐵件作為軸類件，如柴油機的曲軸、連桿，要求強度高同時韌性較好的綜合機械械性能，對鑄鐵件進行調質處理。工藝是：鑄鐵件加熱到860-900℃的溫度保溫讓基體奧氏體化，再在油或熔鹽中冷卻實現淬火，后經500-600℃的高溫回火，獲得回火索氏體組織(一般尚有少量粹塊狀的鐵素體)，原球狀石墨形態不變。處理后強度，韌性匹配良好，適應于軸類件的工作條件。
2.提高韌性的球墨鑄鐵退火
球墨鑄鐵在鑄造過程中此普通灰口鑄鐵的白口傾向大，內應力也較大，鑄鐵件很難得到純粹的鐵素體或珠光體基體，為提高鑄鐵件的延性或韌性，常將鑄鐵件重新加熱到900-950℃并保溫足夠時間進行高溫退火，再爐冷到600℃出爐變冷。過程中基體中的滲碳體分解出石墨，自奧氏體中析出石墨，這些石墨集聚于原球狀石墨周圍，基體全轉換為鐵素體。
若鑄態組織由(鐵素體＋珠光體)基體，以及球狀石墨組成，為提高韌性，只需將珠光體中滲碳體分解轉換為鐵素體及球狀石墨，為此將鑄鐵件重新加熱到700-760℃的共析溫度上下經保溫后爐冷至600℃出爐變冷。
3.提高球墨鑄鐵強度的正火
球墨鑄鐵正火的目的是將基體組織轉換為細的珠光體組織。工藝過程是將基體為鐵素體及珠光體的球墨鑄鐵件重新加熱到850-900℃溫度，原鐵素體及珠光體轉換為奧氏體，并有部分球狀石墨溶解于奧氏體，經保溫后空冷奧氏體轉變為細珠光體，因此球墨鑄件的強度提高。
