轴承是机械传动系统中的基础零件，套圈、滚道和滚动体在服役过程中承受高赫兹接触应力、交变载荷和滚动接触疲劳，因此对材料硬度、耐磨性、尺寸稳定性和纯净度要求很高。高碳铬轴承钢（典型牌号 AISI 52100、JIS SUJ2，对应国产 GCr15）是应用最广泛的轴承材料，其碳含量约 1%、铬含量约 1.5%，依靠淬火后获得的马氏体基体上均匀分布细小碳化物，实现高硬度和耐磨性能。轴承零件的最终性能很大程度上由热处理工艺决定，组织控制贯穿退火、淬火和回火全过程。
热轧或锻轧态的轴承钢通常含有层片状珠光体、片状或网状碳化物，组织硬度偏高、切削加工困难。球化退火是轴承钢进入机加工前的必要工序：材料加热至 750-800℃ 保温 4-6 小时，使珠光体中的层片状渗碳体断裂并球化，再以不大于 20℃/小时的速度缓慢冷却至 600℃ 左右后空冷，最终得到铁素体基体上均匀分布球状碳化物的组织。球化退火后硬度通常降至 207 HB 以下，切削性明显改善，同时为后续淬火准备均匀的原始组织，避免粗大碳化物和带状组织造成淬火硬度不均和变形。
淬火与回火决定轴承零件的最终硬度和组织。常规工艺为将中小尺寸套圈加热至 830-860℃ 奥氏体化，保温后油淬或聚合物淬火冷却，随后在 Ac1 临界点以下进行低温回火。淬火后组织为马氏体、残余奥氏体和未溶碳化物；研究表明，奥氏体化温度升高会增加残余奥氏体含量，硬度和耐磨性随之变化，因此必须根据零件截面和尺寸选择合适的淬火温度。回火的主要作用是消除淬火内应力、提高韧性和尺寸稳定性，回火温度直接影响最终硬度——温度过低应力消除不足，过高则硬度和耐磨性下降。对于精密轴承，还可通过附加冷处理或二次回火控制残余奥氏体，保证长期尺寸稳定。
在实际生产中，轴承钢热处理需要同时控制碳化物粒度、残余奥氏体含量、淬火硬度均匀性和变形开裂倾向。连续式球化退火炉、保护气氛淬火炉和回火炉配合精密温控，可保证批量零件工艺一致性；金相检验中通过观察碳化物形态、马氏体级别和残余奥氏体含量判定热处理质量。轴承零件服役工况从汽车轮毂、电机到风电主轴、精密机床，对硬度等级和疲劳寿命的要求各不相同，设备与工艺设计应结合零件尺寸、材料牌号和批量，提供从退火到回火的完整热处理方案，使轴承在长期交变载荷下保持精度和可靠性。