冷卻也是熱處理工藝過(guò)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(zhì)、控制冷卻時(shí)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(zhì)和冷卻方法。
冷卻速度的選擇首先應(yīng)當(dāng)是要滿足于工藝要求，在材料確定的條件下，尺寸效應(yīng)就是我們要考慮的問(wèn)題。合理的冷卻速度應(yīng)當(dāng)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(chǎn)生過(guò)大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，減少變形與開(kāi)裂。同時(shí)熱處理工藝中材料在某一溫度范圍內(nèi)發(fā)生變化是有一定的時(shí)間關(guān)系的（珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)）。在某一溫度范圍內(nèi)冷卻速度快慢對(duì)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(nèi)（如Ms點(diǎn)以下），冷卻速度相對(duì)而言就不重要了。這就要求我們?cè)诓牧洗_定的前提下合理掌握各溫度范圍內(nèi)的冷卻速度。
冷卻速度一般來(lái)說(shuō)，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(jìn)行淬硬。
冷卻速度不當(dāng)所產(chǎn)生的熱處理缺陷為：
1.淬火：變形、開(kāi)裂、軟點(diǎn)、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(zhì)很多，空氣（包括爐內(nèi)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(zhì)（如聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液）等等，與熱處理工藝性質(zhì)的要求（淬火、正火、退火、回火）和材料性能有關(guān)。理想冷卻介質(zhì)的特性是符合TTT冷卻曲線特點(diǎn)的介質(zhì)，即冷卻特性理想的是慢—快—慢，但是目前的使用的冷卻介質(zhì)沒(méi)有一種能夠能夠達(dá)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(zhì)到今天為止還是一項(xiàng)重要研究課題，另一方面理想冷卻介質(zhì)還應(yīng)該具有安全、可靠、無(wú)毒、不易老化、來(lái)源充分易得、成本低等特點(diǎn)。
對(duì)于不同熱處理工藝性質(zhì)的要求（淬火、正火、退火、回火）選擇冷卻介質(zhì)方法：
1.退火又稱燜火，代號(hào)Th，是將鋼件加熱到Ac1或Ac3以上（30~50℃），保溫一段時(shí)間，然后再緩慢的冷卻，一般用爐內(nèi)空冷。
2.正火又稱明火，代號(hào)Z，是將鋼件加熱到Ac3或Acm以上（30~50℃），保溫一段時(shí)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(qū)別是，正火是完全退火的一種變態(tài)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(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，對(duì)于未經(jīng)淬火的鋼，回火是沒(méi)有意義的，而淬火鋼不經(jīng)回火一般也不能直接使用。為避免淬火件在放置過(guò)程中發(fā)生變形或開(kāi)裂，鋼件經(jīng)淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火，所以回火冷卻介質(zhì)一般是爐內(nèi)空冷，而對(duì)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(guò)共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時(shí)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(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)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(guò)程的熱處理工藝稱為淬火。
工件進(jìn)行淬火冷卻所使用的介質(zhì)稱為淬火冷卻介質(zhì)（或淬火介質(zhì)）。理想的淬火介質(zhì)應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生的熱應(yīng)力；在“鼻子”處冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證過(guò)冷奧氏體不發(fā)生非馬氏體轉(zhuǎn)變；在“鼻子”下方，特別是Ms點(diǎn)以下溫度時(shí)，冷卻速度應(yīng)盡量小，以減小組織轉(zhuǎn)變的應(yīng)力。
C曲線圖：
常用的淬火介質(zhì)有水、水溶液、礦物油、熔鹽、熔堿等。
●水
水是冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)。來(lái)源廣、價(jià)格低、成分穩(wěn)定不易變質(zhì)。缺點(diǎn)是在C曲線的“鼻子”區(qū)（500～600℃左右），水處于蒸汽膜階段，冷卻不夠快，會(huì)形成“軟點(diǎn)”；而在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)（300～100℃），水處于沸騰階段，冷卻太快，易使馬氏體轉(zhuǎn)變速度過(guò)快而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，致使工件變形甚至開(kāi)裂。當(dāng)水溫升高，水中含有較多氣體或水中混入不溶雜質(zhì)（如油、肥皂、泥漿等），均會(huì)顯著降低其冷卻能力。因此水適用于截面尺寸不大、形狀簡(jiǎn)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(zhì)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(zhì)在高溫區(qū)的冷卻能力。其缺點(diǎn)是介質(zhì)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％?？捎米魈间摷暗秃辖鸾Y(jié)構(gòu)鋼工件的淬火介質(zhì)，使用溫度不應(yīng)超過(guò)60℃，淬火后應(yīng)及時(shí)清洗并進(jìn)行防銹處理。
●油
冷卻介質(zhì)一般采用礦物質(zhì)油（礦物油）。如機(jī)油、變壓器油和柴油等。機(jī)油一般采用10號(hào)、20號(hào)、30號(hào)機(jī)油，油的號(hào)越大，黏度越大，閃點(diǎn)越高，冷卻能力越低，使用溫度相應(yīng)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(qū)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(dāng)?shù)呐浔认嗷セ旌希ㄟ^(guò)提高特性溫度來(lái)提高高溫區(qū)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(chǎn)實(shí)踐表明，高速淬火油在過(guò)冷奧氏體不穩(wěn)定區(qū)冷卻速度明顯高于普通淬火油，而在低溫馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)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(fù)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(zhì)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(chǎn)物懸浮起來(lái)，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(zhì)。真空淬火油必須具備低的飽和蒸汽壓，較高而穩(wěn)定的冷卻能力以及良好的光亮性和熱穩(wěn)定性，否則會(huì)影響真空熱處理的效果。
●鹽浴和堿浴
鹽浴和堿浴淬火介質(zhì)一般用在分級(jí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％～0.3％之間的水溶液，共冷卻能力介于水和油之間。當(dāng)工件淬入該溶液時(shí)，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(jìn)入沸騰階段后，薄膜破裂，工件冷卻加快，當(dāng)達(dá)到低溫時(shí)，聚乙烯醇凝膠膜復(fù)又形成，工件冷卻速度又下降，所以這種溶液在高、低溫區(qū)冷卻能力低，在中溫區(qū)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(shí)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(shí)由于濃度極高，流動(dòng)性差，冷卻能力接近于油，故其可代替水－油雙介質(zhì)淬火。
淬火冷卻方法
生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)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(jí)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(zhì)種，一直冷卻到室溫的淬火操作方法。單液淬火介質(zhì)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(jiǎn)單，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。其缺點(diǎn)是冷速受介質(zhì)冷卻特性的限制而影響淬火質(zhì)量。單液淬火對(duì)碳素鋼而言只適用于形狀較簡(jiǎn)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(qiáng)的介質(zhì)，在鋼件還未達(dá)到該淬火介質(zhì)溫度之間即取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻，如先水后油、先水后空氣等。雙液淬火減少變形和開(kāi)裂傾向，操作不好掌握，在應(yīng)用方面有一定的局限性。
● 馬氏體分級(jí)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(diǎn)的液態(tài)介質(zhì)（鹽浴或堿浴）中，保持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，待鋼件的內(nèi)、外層都達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火工藝，也稱分級(jí)淬火。
分級(jí)淬火由于在分級(jí)溫度停留到工件內(nèi)外溫度一致后空冷，所以能有效地減少相變應(yīng)力和熱應(yīng)力，減少淬火變形和開(kāi)裂傾向。分級(jí)淬火適用于對(duì)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(fù)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(zhuǎn)變溫度區(qū)間（260～400℃）等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的淬火工藝，有時(shí)也叫等溫淬火。一般保溫時(shí)間為30～60min。
● 復(fù)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(qū)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(yù)淬時(shí)形成的馬氏體可促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，在等溫時(shí)又使馬氏體回火。復(fù)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(kāi)裂傾向。
特殊工件也采用壓縮空氣淬火、噴霧淬火、噴流淬火。
