本发明公开了一种针对无铝超高碳钢的三步退火工艺，所述超高碳钢的组分及含量表达式为Fe-1.58C-1.97Cr-0.26Si-0.73Mn-0.09Mo，所述热处理工艺的整个过程均在空气环境条件下进行，步骤如下：首先，材料在840～880℃进行奥氏体化等温；之后以3～8℃/s的冷却速度冷却到750～790℃；再在750～790℃下等温，等温处理后炉冷至室温。本发明通过一个包含关联组合三步骤的热处理退火过程，既保证碳化物的有效溶解又避免超高碳钢完全奥氏体化后重新析出大块或网状碳化物，使材料获得由珠光体和细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织，材料的韧性得以提高。