球墨铸铁件组织中，石墨呈球状，对基体的削弱和破坏作用比片状石墨弱。球铁性能主要取决于基体组织，石墨的影响居次要地位。以各种热处理方式改善球铁的基体组织，即可程度不同地提高其力学性能。由于化学成分、冷却速度、球化剂等因素的影响，在铸态组织中，尤其是铸件薄壁处常出现铁素体+珠光体+渗碳体+石墨的混合组织。热处理的目的就在于获得所需要的组织，从而改善力学性能。
球墨铸铁件常用的热处理方法如下：
1.低温石墨化退火 加热温度720~760℃。随炉冷却至500℃以下出炉空冷。使共析渗碳体分解，获得铁素体基体的球铁，以提高韧性。
2.高温石墨化退火 880~930℃，转至720~760℃保温，随炉冷却至500℃以下出炉空冷。消除白口组织，获得铁素体基体的球铁，提高塑性，降低硬度，增加韧性。
3.完全奥氏体化正火 880~930℃，冷却方式：雾冷、风冷或空冷，为减少应力，增加回火工序：500~600℃，获得珠光体+少量铁素体+球状石墨，提高强度、增加硬度和耐磨性。
4.不完全奥氏体化正火 820~860℃加热，冷却方式：雾冷、风冷或空冷，为减少应力，增加回火工序：500~600℃，获得珠光体+少量分散的铁素体组织，得到较好的综合力学性能。
5.调质处理 840~880℃加热，冷却方式：油或水冷，淬火之后的回火温度：550~600℃，获得回火索氏体组织，提高综合力学性能。
6.等温淬火 840~880℃加热，在250~350℃盐浴中淬火，获得综合力学性能，尤其能提高强度、韧性与耐磨性。
热处理加热时，球墨铸铁件入炉温度一般小于350℃，加热速度视铸件尺寸与复杂程度而定，在30~120℃/h之间选择。尺寸大、复杂件的入炉温度要低，升温速度要慢。加热温度则取决于基体组织和化学成分。保温时间按铸件壁厚而定。
此外，球墨铸铁件还可以采用高频、中频、火焰等方法作表面淬火，以获得高硬度、耐磨性以及抗疲劳性能。也可以软氮化处理，提高铸件耐磨性。
