鋳鉄の熱処理は、鋼の熱処理と類似点もあれば相違点もある。鋳鉄の熱処理では、元の組織中のグラファイトの形態や分布を改善することはできない。特に灰鋳鉄においては、フレーク状グラファイトが引き起こす応力集中効果が鋳鉄の性能を左右する主要因であるため、熱処理による強化効果は鋼やダクタイル鋳鉄に比べてはるかに小さい。したがって、灰鋳鉄の熱処理工程には主に焼なましや正火などが含まれる。
一方、ダクタイル鋳鉄では、グラファイトが球状であることから、マトリックスに対する割れの影響が大幅に低減される。そのため、熱処理によってマトリックス組織を十分に活かすことができ、球状化による機械的特性の向上が顕著に図られる。従って、鋼と同様に、ダクタイル鋳鉄にも焼なまし、正火、焼入れ・焼き戻し、多温度焼入れ、誘導加熱焼入れ、表面化学熱処理などの各種熱処理プロセスが用いられる。
鋳鉄の熱処理プロセス：
1. 応力除去焼なまし
鋳造品は肉厚が不均一であるため、加熱・冷却および相変態の過程で有効応力や組織応力が生じる。さらに、大型部品では加工後に内部応力が残りやすく、これらすべての内部応力を除去する必要がある。応力緩和焼なましの一般的な加熱温度は500～550℃で、保持時間は2～8時間とし、その後は炉冷（灰鋳鉄）または空冷（ダクタイル鋳鉄）を行う。この処理により鋳物の内部応力の90～95％を除去できるが、鋳鉄の組織そのものは変化しない。なお、温度が550℃を超えるか、保持時間が長すぎると、逆にグラファイト化が進行して鋳物の強度や硬度が低下するおそれがある。
2. 白鋳口の除去を目的とした高温グラファイト化焼なまし
鋳物の冷却時に、表面層や薄肉部ではしばしば白鋳口が発生する。白鋳口の微細組織は硬く脆く、加工性が悪く剥離しやすい。そのため、白鋳口を除去するには焼なまし（または正火）の方法を採用する必要がある。焼なまし工程は、550～950℃まで加熱し2～5時間保持した後、炉内で500～550℃まで冷却し、最後に炉外で空冷するものである。高温保持中に、遊離セメンタイトおよび共晶セメンタイトがグラファイトとフェライトに分解され、さらに二次セメンタイトや共析セメンタイトもその後の冷却過程で分解されてグラファイト化が進行する。セメンタイトの分解により硬度が低下し、結果として加工性が向上する。
3. ダクタイル鋳鉄の正火処理
ダクタイル鋳鉄を正火処理する目的は、パーライト基体組織を得て、結晶粒を微細化し、組織を均一化することで、鋳造品の機械的性質を向上させることである。場合によっては、正火処理はダクタイル鋳鉄の表面焼入れを行うための組織的な前処理としても用いられる。正火処理は高温正火と低温正火に分けられる。高温正火の温度は一般に950～980℃を超えないが、低温正火では一般的に共析温度範囲である820～860℃まで加熱される。正火処理後には、通常、正火中に生じた内部応力を除去するための処理が必要となる。
4. ダクタイル鋳鉄の焼入れおよび焼戻し
ダクタイル鋳鉄の機械的特性を向上させるため、一般的には鋳件をAfc1（加熱時のA相生成の終了温度を示す）より30～50℃高い温度まで加熱し、保温後に油中急冷してマルテンサイト組織を得る。急冷後の残留応力を適切に低減するため、通常は急冷後に焼戻し処理を行う。低温焼戻しでは、焼戻しマルテンサイト＋ベイナイト＋球状黒鉛の組織となり、優れた耐摩耗性を有するため、高い耐摩耗性と高強度が要求される部品に用いられる。中温焼戻しの温度範囲は350～500℃で、焼戻し後は焼戻しトロースタイト＋球状黒鉛の組織となり、良好な耐摩耗性と一定の安定性および弾性を備えた厚肉部品に適している。高温焼戻しの温度範囲は500～600℃で、焼戻し後は焼戻しソルバイト＋球状黒鉛の組織となり、靭性と強度の両面で優れた総合性能を示すため、生産現場で広く使用されている。
5. ダクタイル鋳鉄の等温焼入れ
ダクタイル鋳鉄は、等温焼入れ処理を行うことで高い強度と優れた塑性および靭性を獲得できます。等温焼入れ時の加熱温度の選定は、主に元の組織を完全なオーステナイト組織とし、残留フェライトを残さないことに加え、オーステナイトの粒界成長を抑制することを考慮して行います。一般的には、下ベイナイト組織で総合的な機械的特性が得られるよう、Afc1温度より30～50℃程度上昇した温度で加熱します。レアアース・マグネシウム・アルミニウム系球状黒鉛鋳鉄を等温焼入れした場合、引張強度σbは1200～1400MPa、衝撃靭性αkは3～3.6J/cm²、硬度HRCは47～51となります。ただし、等温焼入れ後には必ず焼き戻し工程を追加する必要があります。
6. 表面硬化処理
一部の鋳件において表面硬度、耐摩耗性および疲労強度を向上させるため、表面焼入れが利用できる。グレーチャンネルやダクタイル鋳鉄製の鋳件についても表面焼入れが可能であり、一般的には高周波（中周波）誘導加熱による表面焼入れや電気接触式表面焼入れが用いられる。
7. 化学的熱処理
表面の耐摩耗性、耐酸化性および耐食性が求められる鋳件については、鋼材と同様の化学熱処理プロセスを採用することができる。例えば、ガス軟クロム化、クロム化、ボロン化、硫化などがある。