球化退火工艺主要用于低碳钢、中碳钢、低碳合金结构钢中碳合金结构钢的冷镦、冷挤压前的预先热处理。其目的是降低硬度，增大基体塑性指标，防止冷镦和冷挤压时零件开裂。目前在螺纹紧固件和中小型渗碳件、碳氮共渗件的初始成形中运用较多。
对于高碳钢及高碳合金工具钢，球化退火可用来降低硬度，便于切削加工，提高表面精度。并能减少最终热处理的变形开裂。
球化不均匀的原因是：退火加热温度低，保温时间短，最终生成细片状珠光体和点状碳化物；加热温度高，加热时间过长，产生大颗粒碳化物及粗片状珠光体；球化退火前用正火消除网状组织或大块状碳化物。
退火加热温度低，使奥氏体化不均匀，原始组织中渗碳体未完全断裂，碳原子扩散不充分。通过共析转变温度时，在富碳区，未溶解碳化物迅速长大，并按球状析出，在球状碳化物周围伴随铁素体形成；在贫碳区，首先形成细片状珠光体，若在Ar1以下停留时间过短，使渗碳体不能充分球化，最终冷却后，形成条状组织、多角形及人字形组织。
加热温度太高时，渗碳体全部溶解，球化时失去渗碳体核心，不利于球化，而导致球化不均匀。
低碳钢在球化退火时，因碳化物少，球化时碳原子扩散距离大，球化困难，易形成片状组织，故操作时应注意控制温度和保温时间。
亚共析钢中存在大块状的铁素体和珠光体，球化退火后，碳化物分布极不均匀。原始组织为片状珠光体时，当只用少于A1以下温度低温球化退火时，即使长时间保温，球化还是很困难的。
在相同的含碳量下，球化温度一定时，球化退火时间越长，碳化物晶粒越粗大，硬度越低。在相同的球化时间内，球化温度低的硬度高。从奥氏体化温度冷却到等温时的冷速越快，转变温度越低，使铁素体和渗碳体扩散越困难，越不利于形成球状组织。故应以10~20℃/h的冷速缓慢冷却。
过共析碳钢或高碳合金钢常出现欠热组织（未溶解的片状碳化物），该组织硬度高，淬火加热易溶解，使淬火开裂倾向增大，残留奥氏体增多。可通过补充低温球化退火改进，同时应严控球化退火的奥氏体化温度、时间及冷却规范。
低碳钢和中碳钢球化体评级见JB/T 5074-2007标准，冷镦、冷挤压时的组织一般4～6级合格。
滚动轴承钢球化退火后按GB/T 7813-1998标准评级，一般2~4级合格。
碳素工具钢球化退火后按GB 1298-2008有关标准评级，合金工具钢球化退火后按GB 1299-2000有关标准评级，高速钢球化退火后按GB 9943-2008标准规定评级。
