高速工具鋼中含有大量的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素，當加熱溶入奧氏體時，使碳在γ-Fe中的最大固溶度點E顯著左移，因此高速工具鋼鑄態組織中出現了萊氏體組織，屬萊氏體鋼。高速工具鋼的鑄態組織共晶碳化物呈魚骨狀分布。魚骨狀的共晶碳化物硬而脆，不能用熱處理方法去除，必須通過高溫軋制和鍛壓的方法將其粉碎并使其重新分布。不經鍛壓的高速工具鋼，將使刃具的強度、硬度、耐磨性、熱硬性下降，淬火時易變形和開裂，使用時容易崩刃和磨損。因此高速工具鋼在出廠時應規定級別，檢驗碳化物分布的不均勻度。

1)高速工具鋼的退火。由于高速工具鋼的奧氏體穩定性很好，因此鍛造后空冷也會出現馬氏體組織，硬度較高。為消除鍛造應力，降低硬度，改善可加工性，并為淬火做組織準備，必須進行球化退火。生產中常采用等溫球化退火（加熱至860~ 880℃保溫，快冷至720~ 750℃等溫，500℃以下出爐空冷），退火后的組織為索氏體及粒狀碳化物，硬度為207~255HBW。

2)高速工具鋼的淬火及回火。高速工具鋼的熱硬性通過正確的淬火和回火處理后才能夠顯現出來。高速工具鋼屬于高合金工具鋼，組織中的各種碳化物，其分解溫度和溶入奧氏體的溫度都很高，所以高速工具鋼的淬火加熱溫度較高，一般為1200~1300℃。由于高速工具鋼的塑性及導熱性差，若從室溫直接加熱到淬火溫度，會引起較大的熱應力，從而導致變形和開裂，因此必須在800~850℃進行預熱，然后再加熱到淬火溫度。

兩次預熱。為防止刃具表面氧化、脫碳，通常采用鹽浴爐加熱，淬火冷卻一般采用油冷淬火或鹽浴爐分級淬火。高速工具鋼淬火后的正常組織為隱針狀的馬氏體、粒狀碳化物及20%～25%的殘留奧氏體。為了消除淬火應力，穩定組織，減少殘留奧氏體量，達到所要求的性能指標，高速工具鋼淬火后必須及時進行回火（一般進行兩次）。隨回火溫度提高，開始時硬度是降低的，但回火溫度高于300℃后，隨回火溫度提高，鋼的硬度反而又提高了，這是由于在此溫度下，鎢、釩的碳化物(W2C、VC)開始從馬氏體中析出，形成第二相彌散強化的結果。另外，部分的碳及合金元素從殘留奧氏體中析出，使Ms點升高，則在回火的冷卻過程中殘留奧氏體轉變成馬氏體，也使硬度提高，由此造成鋼的二次硬化。在560℃左右回火后，硬度達到最高值，而當回火溫度高于560℃后，由于碳化物的聚集長大，則回火溫度提高，硬度降低。

高速工具鋼淬火后殘留奧氏體量多。有時為了減少回火次數，也可在淬火后，立即進行-60~80℃的冷處理，然后再進行一次560℃回火。高速工具鋼淬火、回火后的組織應為細的回火馬氏體、粒狀碳化物和少量的殘留奧氏體，硬度為63~67HRC。

為了進一步提高高速工具鋼的切削性能和使用壽命，可在淬火、回火后進行某些化學熱處理，如氮碳共滲、硫氮共滲、蒸汽處理，表面氣相沉積等處理，以提高刃具的抗咬合性能、硬度和降低摩擦因數。