一般齿轮需芯部需要较软，需要一定的韧性，而表面需要一定的硬度，以保证其齿根处的强度，及齿面的耐磨性。一般齿轮对于低碳钢为正火后机加工，滚齿完后渗碳处理，可以表面硬度达到HRC60-62,。对于中碳钢为粗车后调质（淬火+高温回火），后精加工滚齿，要求高的可以中间安排低温退火（释放机加工过程中塑性变形的冷作硬化），为最终热处理渗氮做准备。
要回答“齿轮为什么要进行热处理”，首先要搞清楚热处理的概念，用比较通俗的语言来说，热处理就是将金属材料通过加热、保温和冷却的手段，改变材料表面或内部的化学成分与组织，获得所需性能的一种金属热加工技术，所以这是一门很神奇且精益的技术，现代齿轮如果没有经过热处理，那将是没有灵魂的，齿轮作为传统的机械零件应用广泛，热处理技术为其赋予了新的性能和生命。
根据不同的承载能力和使用寿命要求，齿轮热处理采用的主要方式有调质、渗碳淬火、渗氮、感应加热淬火等，工业齿轮箱中的齿轮加工制造流程一般要经过下料、滚齿、热处理、磨齿等步骤，如下图所示。
可以看出热处理处在中间环节，钢材加工成齿轮以后，为什么不可以直接使用，而需要进行热处理后才能使用呢？我们可以从以下三个方面来说明。
齿轮传动历史悠久，中国最早可考证的齿轮出现在距今3000年的指南车上，早期齿轮不考虑齿距和齿形，可称其为原始齿轮。而现代齿轮起源于欧洲，人们以科学的方式研究齿轮，出现啮合原理、强度计算，并以渐开线齿轮为主，广泛应用，我们可称其为现代齿轮。中国指南车模型（图片来源网络）渐开线齿轮（图片来源网络）
现代齿轮啮合，体现着机械传动之美，齿轮啮合过程中，既有滚动、又有滑动，一方面齿面承受着高接触应力的挑战，另一方面齿根承受着高弯曲应力的考验，这就要求制作齿轮的材料同时具备两种技能：一是齿轮表面具有足够的硬度，二是齿轮芯部要有足够的强度和韧性，就像一位“钢铁直男”，坚毅的外表下有着一颗温柔的内心。齿轮啮合过程应力变化（图片来源网络）钢铁直男代表（图片来源网络）
研究中人们认识到，齿面的硬度越高强度越大，因此根据齿轮表面硬度，现代齿轮的发展可划分为两个时期：软齿面齿轮和硬齿面齿轮。
软齿面齿轮是指齿面硬度小于350HBS的齿轮，五十年代的中国齿轮多是软齿面，接触强度比较差，使用寿命也短，但随着传递扭矩不断提高，齿轮制作的尺寸越来越大，并且在啮合过程中由于齿面承受很大的接触应力，这些都开始制约齿轮传动的发展，需要新的技术改变这一瓶颈。
表面硬化齿轮（case hardened）应运而生，通过热处理技术可帮助齿轮实现表面硬化，同时保持芯部韧性，如同具备了武装色霸气的路飞，工业齿轮通常采用渗碳淬火的热处理工艺来完成华丽转身。渗碳淬火技术由来已久，从20世纪初开始，经历了大约100多年的发展，到今天已经相对成熟。
提到硬齿面齿轮（case hardened），就不得不说弗兰德齿轮箱。2005年弗兰德集团被西门子自动化与驱动集团收购，成为西门子家庭的新成员。作为齿轮传动的百年制造者，弗兰德也是早在1985年就发文指出：对于大功率重载齿轮，渗碳淬火的硬齿面齿轮是未来的发展趋势。而中国在七五期间，机械部委托北起所和西重所对世界上著名减速机厂家进行考察，以弗兰德集团的技术制定了我国硬齿面减速机的国家标准，也足见其对硬齿面齿轮发展的贡献。渗碳淬火后的齿轮
钢经渗碳淬火后形成了一种复合组织：高碳含量的渗层和低碳含量的芯部。覆盖渗层的齿面硬度可提高到60HRC，因其充分发挥了齿面和齿根强度的潜力，使齿轮箱重量和尺寸大幅度减小，从而使功率密度（Power Density）提高到前所未有的高度，至此代表着更经济、更高技术的硬齿面齿轮时代到来。
如下图所示，经过软齿面到硬齿面的技术变革，在传递同样功率的情况下齿轮箱的重量减小为原来的三分之一，并且具有更高的强度和更长的寿命，其中FZG硬齿面齿轮箱更是先进技术的集大成者，一举成为行业标杆，在工业齿轮箱领域引领风骚数十年。
第二，热处理是齿轮的必修课，经烈火淬炼、终涅槃重生
齿轮渗碳淬火的过程，就如同个人成长过程中经历的困难和历练，通过硬化变身，它让一个齿轮变得强大和自信，在面对恶劣工况的时候发挥出惊人的承载力。
齿轮的渗碳过程是指在950℃高温下用化学方法把碳元素渗入到齿轮的表层，使表层碳含量增加，形成一定碳浓度梯度，这样就获得表层高碳、芯部仍保持原有成分的状态。齿轮穿上了一层“盔甲”，等待淬火完成最后的涅槃。
古代的宝剑核心之一在于淬火，同样的道理，齿轮最终机械性能决定于渗碳后的淬火工艺，这是因为淬火的过冷作用可以使奥氏体进行马氏体转变。
从材料的晶格结构角度看，奥氏体是面心立方结构（FCC face centered cubic），马氏体是体心立方结构（BCC body centered cubic），转变之后的面心立方结构独立包含一个碳原子，有着更高的碳含量意味着更高的硬度。因此渗碳层的基本组织是马氏体，坚硬而耐磨，芯部保持奥氏体组织，缓冲而坚韧。奥氏体→马氏体
硬齿面齿轮技术没有专利，但它是国际上行业认可的一种技术，齿轮通过表面硬化的热处理技术完成了一次技术变革，在这次技术更新中，人们认识到优良的齿轮材料是前提，热处理工艺是关键，两者结合才能将齿轮的潜力开发到最大。
渗碳淬火后的齿轮齿面硬度提高倍数远高于齿根强度提高幅度，需弥补水桶中短板，均衡齿面和齿根强度，需要从原材料层面严格把控，采用优质合金钢18CrNiMo7-6作为齿轮的加工材料。18CrNiMo7-6有着很高的综合机械性能，具有高强度、高韧性和高淬透性等优点，在重载减速器、风电行业的关键件是主导应用材料。
为确保其产品的高效性、可靠性，这对材料质量技术指标不断提出新的要求，同时对材料的晶粒度、含氧量、淬透性、非金属夹杂等提出更高的标准，为齿轮传动的金字塔打下了坚实的基础，也同时成就了FLENDER 减速器在重载、恶劣工况下所表现出的超高品质及可靠性。
最后总结：
齿轮传动因其高可靠性而应用广泛，而热处理技术激发了齿轮的深层潜力，使其应用无处不在，但随着齿轮传递功率不断增加、材料性能不断提高，也会促进新的热处理技术发展，因为得到使用强度高、寿命长、质量高的产品性能一直是热处理技术的终极追求。而渗碳淬火技术作为工业齿轮最常用的热处理手段，也势必会往更加精准的工艺控制、更加合理的渗碳深度、更加节能的渗碳工艺方向发展，未来的齿轮与热处理技术结合更加紧密，相辅相成，传动万钧。
最后以蓝色经典美图结尾~
内容来源：1． 浅谈中国热处理技术的演变及发展，熊俊强，贺冬秋2． 我国齿轮热处理技术概况及发展趋势，阎承沛3． 弗兰德FZG样本MD20.1 20094． High Power Transmission with Case-hardened Gears，FLENDER5． www.flender.com 6． 国外齿轮技术的某些发展趋势，卢兴炎7． 齿轮钢材和热处理质量及其控制，陈国民
本文由西门子工程师撰文回答，希望对题主和关注这个话题的知友们提供帮助
西门子自动化与驱动集团 弗兰德传动系统有限公司
研发中心 研发主管 刘子强
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表面要硬，但硬了不要切削加工。所以，先让胚料软，成型后，通过热处理让表面变硬。
齿轮为什么要做热处理及热处理方法
