冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是冷卻速度，包括選擇合適冷卻介質、控制冷卻時間、掌握冷卻方法等；冷卻速度主要取決于所選擇的冷卻介質和冷卻方法。
冷卻速度的選擇首先應當是要滿足于工藝要求，在材料確定的條件下，尺寸效應就是我們要考慮的問題。合理的冷卻速度應當是滿足工藝性能的前提下，采用較為緩和的冷速度，這主要是防止產生過大的組織應力和熱應力，減少變形與開裂。同時熱處理工藝中材料在某一溫度范圍內發生變化是有一定的時間關系的（珠光體轉變區和貝氏體轉變區）。在某一溫度范圍內冷卻速度快慢對工藝性能是有決定性因素的（最低冷卻速度）。而在其它溫度范圍內（如Ms點以下），冷卻速度相對而言就不重要了。這就要求我們在材料確定的前提下合理掌握各溫度范圍內的冷卻速度。
冷卻速度一般來說，冷卻速度從大到小依次為：淬火、正火、回火、退火；退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快，但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進行淬硬。
冷卻速度不當所產生的熱處理缺陷為：
1.淬火：變形、開裂、軟點、硬度不足。
2.回火：回火脆性、回火不足。
3.正火和退火：組織異常（魏氏組織、球化不良、石墨化等)
熱處理冷卻介質很多，空氣（包括爐內自然冷卻）、水（包括水溶液）、礦物油、熔鹽、熔堿以及相互混合液和其它新型溶液介質（如聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液）等等，與熱處理工藝性質的要求（淬火、正火、退火、回火）和材料性能有關。理想冷卻介質的特性是符合TTT冷卻曲線特點的介質，即冷卻特性理想的是慢—快—慢，但是目前的使用的冷卻介質沒有一種能夠能夠達到，水冷太快、油冷太慢，因此，人們找到合成淬火液，但是也不理想，因此，熱處理理想冷卻介質到今天為止還是一項重要研究課題，另一方面理想冷卻介質還應該具有安全、可靠、無毒、不易老化、來源充分易得、成本低等特點。
對于不同熱處理工藝性質的要求（淬火、正火、退火、回火）選擇冷卻介質方法：
1.退火又稱燜火，代號Th，是將鋼件加熱到Ac1或Ac3以上（30~50℃），保溫一段時間，然后再緩慢的冷卻，一般用爐內空冷。
2.正火又稱明火，代號Z，是將鋼件加熱到Ac3或Acm以上（30~50℃），保溫一段時間，然后在空氣中冷卻，冷卻速度比退火稍快。
退火與正火的主要區別是，正火是完全退火的一種變態或特例，二者僅是冷卻速度不同，通常退火是隨爐冷而正火是在空氣中冷卻。
3.回火是工件淬硬后加熱到AC1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，對于未經淬火的鋼，回火是沒有意義的，而淬火鋼不經回火一般也不能直接使用。為避免淬火件在放置過程中發生變形或開裂，鋼件經淬火后應及時進行回火，所以回火冷卻介質一般是爐內空冷，而對于回火中有高溫回火脆性（第二類回火脆性）的需要快冷，可采用水冷。
4.淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體1化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。通常也將鋁合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理或帶有快速冷卻過程的熱處理工藝稱為淬火。
工件進行淬火冷卻所使用的介質稱為淬火冷卻介質（或淬火介質）。理想的淬火介質應具備的條件是使工件既能淬成馬氏體，又不致引起太大的淬火應力。這就要求在C曲線的“鼻子”以上溫度緩冷，以減小急冷所產生的熱應力；在“鼻子”處冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證過冷奧氏體不發生非馬氏體轉變；在“鼻子”下方，特別是Ms點以下溫度時，冷卻速度應盡量小，以減小組織轉變的應力。
C曲線圖：
常用的淬火介質有水、水溶液、礦物油、熔鹽、熔堿等。
●水
水是冷卻能力較強的淬火介質。來源廣、價格低、成分穩定不易變質。缺點是在C曲線的“鼻子”區（500～600℃左右），水處于蒸汽膜階段，冷卻不夠快，會形成“軟點”；而在馬氏體轉變溫度區（300～100℃），水處于沸騰階段，冷卻太快，易使馬氏體轉變速度過快而產生很大的內應力，致使工件變形甚至開裂。當水溫升高，水中含有較多氣體或水中混入不溶雜質（如油、肥皂、泥漿等），均會顯著降低其冷卻能力。因此水適用于截面尺寸不大、形狀簡單的碳素鋼工件的淬火冷卻。
在水中加入適量的食鹽和堿，使高溫工件浸入該冷卻介質后，在蒸汽膜階段析出鹽和堿的晶體并立即爆裂，將蒸汽膜破壞，工件表面的氧化皮也被炸碎，這樣可以提高介質在高溫區的冷卻能力。其缺點是介質的腐蝕性大。一般情況下，鹽水的濃度為10％，苛性鈉水溶液的濃度為10％～15％。可用作碳鋼及低合金結構鋼工件的淬火介質，使用溫度不應超過60℃，淬火后應及時清洗并進行防銹處理。
●油
冷卻介質一般采用礦物質油（礦物油）。如機油、變壓器油和柴油等。機油一般采用10號、20號、30號機油，油的號越大，黏度越大，閃點越高，冷卻能力越低，使用溫度相應提高。目前使用的新型淬火油主要有高速淬火油、光亮淬火油和真空淬火油三種。
高速淬火油是在高溫區冷卻速度得到提高的淬火油。獲得高速淬火油的基本途徑有兩種，一種是選取不同類型和不同黏度的礦物油，以適當的配比相互混合，通過提高特性溫度來提高高溫區冷卻能力；另一種是在普通淬火油中加入添加劑，在油中形成粉灰狀浮游物。添加劑游磺酸的鋇鹽、鈉鹽、鈣鹽以及磷酸鹽、硬脂酸鹽等。生產實踐表明，高速淬火油在過冷奧氏體不穩定區冷卻速度明顯高于普通淬火油，而在低溫馬氏體轉變區冷速與普通淬火油相接近。這樣既可得到較高的淬透性和淬硬性，又大大減少了變形，適用于形狀復雜的合金鋼工件的淬火。
光亮淬火油能使工件在淬火后保持光亮表面。在礦物油中加入不同性質的高分子添加物，可獲得不同冷卻速度的光亮淬火油。這些添加物的主要成分是光亮劑，其作用是將不溶解于油的老化產物懸浮起來，防止在工件上積聚和沉淀。另外，光亮淬火油添加劑中還含有抗氧化劑、表面活性劑和催冷劑等。
真空淬火油是用于真空熱處理淬火的冷卻介質。真空淬火油必須具備低的飽和蒸汽壓，較高而穩定的冷卻能力以及良好的光亮性和熱穩定性，否則會影響真空熱處理的效果。
●鹽浴和堿浴
鹽浴和堿浴淬火介質一般用在分級淬火和等溫淬火中。
●新型淬火劑
有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。
聚乙烯醇常用質量分數為0.1％～0.3％之間的水溶液，共冷卻能力介于水和油之間。當工件淬入該溶液時，工件表面形成一層蒸汽膜和一層凝膠薄膜，兩層膜使加熱工件冷卻。進入沸騰階段后，薄膜破裂，工件冷卻加快，當達到低溫時，聚乙烯醇凝膠膜復又形成，工件冷卻速度又下降，所以這種溶液在高、低溫區冷卻能力低，在中溫區冷卻能力高，有良好的冷卻特性。
三硝水溶液由25％硝酸鈉+20％亞硝酸鈉+20％硝酸鉀+35％水組成。在高溫（650～500℃）時由于鹽晶體析出，破還蒸汽膜形成，冷卻能力接近于水。在低溫（300～200℃）時由于濃度極高，流動性差，冷卻能力接近于油，故其可代替水－油雙介質淬火。
淬火冷卻方法
生產實踐中應用最廣泛的淬火分類是以冷卻方式的不同劃分的，主要有單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等。
● 單液淬火
是將奧氏體化工件浸入某一種淬火介質種，一直冷卻到室溫的淬火操作方法。單液淬火介質有水、鹽水、堿水、油及專門配制的淬火劑等。一般情況下碳素鋼淬火，合金鋼淬油。
單液淬火操作簡單，有利于實現機械化和自動化。其缺點是冷速受介質冷卻特性的限制而影響淬火質量。單液淬火對碳素鋼而言只適用于形狀較簡單的工件。
● 雙液淬火
是將奧氏體化工件先浸入一種冷卻能力強的介質，在鋼件還未達到該淬火介質溫度之間即取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質中冷卻，如先水后油、先水后空氣等。雙液淬火減少變形和開裂傾向，操作不好掌握，在應用方面有一定的局限性。
● 馬氏體分級淬火
是將奧氏體化工件先浸入溫度稍高或稍低于鋼的馬氏體點的液態介質（鹽浴或堿浴）中，保持適當的時間，待鋼件的內、外層都達到介質溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火工藝，也稱分級淬火。
分級淬火由于在分級溫度停留到工件內外溫度一致后空冷，所以能有效地減少相變應力和熱應力，減少淬火變形和開裂傾向。分級淬火適用于對于變形要求高的合金鋼和高合金鋼工件，也可用于截面尺寸不大、形狀復雜地碳素鋼工件。
● 貝氏體等溫淬火
是將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉變溫度區間（260～400℃）等溫保持，使奧氏體轉變為貝氏體的淬火工藝，有時也叫等溫淬火。一般保溫時間為30～60min。
● 復合淬火
將工件急冷至Ms以下獲得10％～20％馬氏體，然后在下貝氏體溫度區等溫。這種冷卻方法可使較大截面地工件獲得組織M+B組織。預淬時形成的馬氏體可促進貝氏體轉變，在等溫時又使馬氏體回火。復合淬火用于合金工具鋼工件，可避免第一類回火脆性，減少殘余奧氏體量即變形開裂傾向。
特殊工件也采用壓縮空氣淬火、噴霧淬火、噴流淬火。
