淬火冷卻時，既要快速冷卻以保證淬火工件獲得馬氏體組織，又要減少變形，防止裂紋產生。因此，冷卻是關系到淬火質量高低的關鍵操作。
1、理想淬火冷卻速度
由共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線得知，要得到馬氏體，淬火的冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度。但是淬火鋼在整個冷卻過程中并不需要都進行快速冷卻。關鍵是在過冷奧氏體最不穩定的C曲線鼻尖附近，即在650～400℃的溫度范圍內要快速冷卻。而從淬火溫度到650℃之間以及400℃以下，特別是300～200℃以下并不希望快冷。因為淬火冷卻中工件截面的內外溫度差會引起熱應力。另外，由于鋼中的比容（單位質量物質的體積）不同，其中馬氏體的比容最大，奧氏體的比容最小，因此，馬氏體的轉變將使工件的體積脹大，如冷卻速度較大，工件截面上的內外溫度差將增大，使馬氏體轉變不能同時進行而造成相變應力。冷卻速度越大，熱應力和相變應力越大，鋼在馬氏體轉變過程中便容易引起變形與裂紋。
2、常用淬火介質
工件淬火冷卻時，要使其得到合理的淬火冷卻速度，必須選擇適當的淬火介質。目前生產中應用的冷卻介質是水和油。當冷卻介質為20℃的自來水，工件溫度在200～300℃時，平均冷卻速度為450℃/s；工件溫度在340℃時，平均冷卻速度為775℃/s；工件溫度在500～650℃時，平均冷卻速度為135℃/s。因此，水的冷卻特性并不理想，在需要快冷的500～650℃溫度范圍內，它的冷卻速度很小，而在200～300℃需要慢冷時，它的冷卻速度反而很大。
水
水是應用最早、最廣泛、最經濟的淬火介質，它價廉易得、無毒、不燃燒、物理化學性能穩定、冷卻能力強。通過控制水的溫度、提高壓力、增大流速、采用循環水、利用磁場作用等，均可以改善水的冷卻特性，減少變形和開裂，獲得比較理想的淬火效果。但由于這些方法需增加專門設備，且工件淬火后性能不是很穩定，所以沒有能得到廣泛推廣應用。所以說。純水只適合于少數含碳量不高、淬透性低且形狀簡單的鋼件淬火之用。
淬火油
用于淬火的礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎油，它具有閃點高、粘度低、油煙少，抗氧化性與熱穩定性較好，使用壽命長等優點，適合于作淬火油使用。淬火油只使用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀復雜、要求淬火變形小的工件。淬火油對周圍環境的污染大，淬火時容易引起火災。
影響淬火油冷卻能力的主要因素是其粘度值，在常溫下低粘度油比高粘度油冷卻能力大，溫度升高，油的流動性增加，冷卻能力有所提高。適當提高淬火油的使用溫度，也能使油的冷卻能力提高。
熔鹽，熔堿
這類淬火介質的特點是在冷卻過程中不發生物態變化，工件淬火主要靠對流冷卻，通常在高溫區域冷卻速度快，在低溫區域冷卻速度慢，淬火性能優良，淬透力強，淬火邊形小，基本無裂紋產生，但是對環境污染大，勞動條件差，耗能多，成本高，常用于形狀復雜，截面尺寸變化懸殊的工件和工模具的淬火。熔鹽有氯化鈉，硝酸鹽，亞硝酸鹽等，工件在鹽浴中淬火可以獲得較高的硬度，而變形極小，不易開裂，通常用作等溫淬火或分級淬火。其缺點是熔鹽易老化，對工件有氧化及腐蝕的作用。熔堿有氫氧化鈉，氫氧化鉀等，它具有較大的冷卻能力，工件加熱時若未氧化，淬火后可獲得銀灰色的潔凈表面，也有一定的應用。但熔堿蒸氣具有腐蝕性，對皮膚有刺激作用，使用時要注意通風和采取防護措施。
新型淬火介質及其應用
有機聚合物淬火劑
近年來，新型淬火介質最引人注目的 進展是有機聚合物淬火劑的研究和應用。這類淬火介質是將有機聚合物溶解于水中，并根據需要調整溶液的濃度和溫度，配制成冷卻性能能滿足要求的水溶液，它在高溫階段冷卻速度接近于水，在低溫階段冷卻速度接近于油。其優點是無毒，無煙無臭，無腐蝕，不燃燒，抗老化，使用安全可靠，且冷卻性能好，冷卻速度可以調節，適用范圍廣，工件淬硬均勻，可明顯減少變形和開裂傾向，因此，能提高工件的質量，改善工作環境和勞動條件，給工廠帶來節能、環保、技術和經濟效益。目前有機聚合物淬火劑更在大批量、單一品種的熱處理上用得較多，尤其對于水淬開裂，變形大，油淬不硬的工件，采用有機聚合物淬火劑比淬火油更經濟、高效、節能。從提高工件質量、改善勞動條件、避免火災和節能得角度考慮，有機聚合物淬火劑有逐步取代淬火油的趨勢，是淬火介質的主要發展方向。
有機聚合物淬火劑的冷卻速度受濃度，使用溫度和攪拌程度3個基本參數的影響。一般來說，濃度越高，冷卻速度越慢；使用溫度越高，冷卻速度越慢；攪拌程度越激烈，冷卻速度越快。攪拌的作用很重要；1使溶液濃度均勻；2加強溶液的導熱能力從而保證淬火后工件硬度高且分布均勻，減少產生淬火軟點和變形，開裂的傾向。通過控制上述這些因素，可以調整有機聚合物淬火劑的冷卻速度，從而達到理想的淬火效果。一般來說，夏季使用的濃度可低些，冬季使用的濃度可高些，而且要有充分的攪拌。有機聚合物淬火劑大多制成含水的溶液，在使用時可根據工件的特點和技術要求，加水稀釋成不同的濃度，便可以得到具有多種淬火烈度的淬火液，以適應不同的淬火需要。
不同種類的有機聚合物淬火劑具有顯著不同的冷卻特性和穩定性，能適合不同淬火工藝需要。目前世界上使用最穩定，應用面最廣的有機聚合物淬火劑是聚烷二醇（PAG）類淬火劑。這類淬火劑具有逆溶性，可以配成比鹽水慢而比較接近礦物油的不同淬火烈度的淬火液，其濃度易測易控，可減少工件的變形和開裂，避免淬火軟點的產生，使用壽命長，適合于各類感應加熱淬火和整體淬火。