在做齿轮的材料选型时，必须考虑几个基本要求：一是加工和热处理要求，其中包括钢的机械加工性能、铸造性能、锻造性能和热处理性能等；二是使用性能要求，不同的工作条件对性能有不同的要求，包括疲劳强度、热处理规范和其他性能指标；三是经济性要求，很多工程师做设计时会忽略成本的因素，我们要退给用户最具性价比的技术方案。
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一、齿轮的主要材料有哪些？
1、齿轮用钢的选择：
（1）下表是调质及表面淬火齿轮用钢，汽车中应用比较多
（2）下表是渗氮齿轮用钢，日本发动机的齿轮系用渗氮的较多
（3）下表是渗碳齿轮用钢，较为大型的齿轮
2、合金元素在钢中的作用：
齿轮钢材中常用的合金元素应用也比较多，其在钢中的作用列于下表，可供选择齿轮钢材，制定热处理工艺参考。
齿轮钢材的冶金质量：
齿轮钢材的冶金质量取决于原材料厂家能力，该指标不仅影响到产品的机械性能，特别是疲劳性能，而且还影响到齿轮生产过程中的冷热加工性能及热处理工艺性能。
所以在设计时必须要对齿轮钢材的冶金质量有各种规定和要求。
3、铸铁材料
灰铸铁性质脆，抗冲击性和耐磨性差，但抗粘着性和抗点蚀性好。它通常用于运行稳定、速度低、功率低的情况。
4、非金属材料的应用
为了降低噪音，非金属材料(如胶木、尼龙等。)经常被用作小齿轮，而大齿轮仍然是由钢或铸铁制成的。为了使齿轮具有足够的耐磨性和抗点蚀性，齿面的硬度应为250 ~ 350 HBS。
二、不同使用环境的材料的选择
1、轻载、低速或中速、冲击力小、精度较低的 一般齿轮 , 选用中碳钢。
如 Q235、Q275、40、45、50、50Mn等钢制造 ,常用正火或调质等热处理制成软齿 面齿轮 ,正火硬度 HBS160～200;一般调质硬度 HBS200～280。因硬度适中 ,精切齿廓可在热处理后进行 ,工艺简单 ,成本低。齿面硬度不高则易于磨合 ,但承载能力也不高。这种齿轮主要用于标准系列减速箱齿轮、冶金机械、中载机械和机床中的一些次要齿轮。
2、中载、中速、承受一定冲击载荷、运动较为平稳的齿轮 ,选用中碳钢或合金调质钢 。
如 45、50Mn、40Cr、42SiMn等钢 ,也可采用 55Tid、60Tid 等低淬透性 钢。其最终热处理采用高频或中频淬火及低温回火 ,制成硬齿面齿轮 ,可达齿面硬度 HRC50～55,齿轮心 部保持正火或调质状态 ,具有较好的韧性。由于感应加热表面淬火的齿轮变形小 ,若精度要求不高 (如 7级以下 ), 可不必再磨齿。机床中绝大多数齿轮就是这种类型的齿轮。对表面硬化的齿轮 ,应注意控制硬化层深度及硬化层沿齿廓的合理分布。
3、重载、高速或中速 , 且受较大冲击载荷的齿 轮 ,选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢
如 20Cr、20CrMnTi、20CrNi3、18Cr2Ni4WA、40Cr、30CrMnTi等 钢。其热处理采用渗碳、淬火、低温回火 ,齿轮表面获得 HRC58～63的高硬度 ,因淬透性较高 ,齿轮心部有较高的强度和韧性。这种齿轮的表面耐磨性、抗疲劳强度和齿根的抗弯强度及心部抗冲击能力都比表面淬火的齿轮高 ,, 精度要求较高时 ,最后一般要安排磨削。它适用于工作条件较为恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥齿轮。 碳氮共渗与渗碳相比 ,热处理变形小 , 生产周期短 , 力学性能高 ,而且还应用于中碳钢或中碳合金钢 ,所以许多齿轮可用碳氮共渗来代替渗碳工艺。 内燃机坦克、飞机上的变速齿轮的负载和工作条件比汽车的更重、更恶劣 ,要求材料的性能更高 ,应选用含合金元素高的合金渗碳钢 ,以获得更高的强度和耐磨性
4、精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮 (如内齿轮 ), 主要要求精度高 ,热处理变形小 , 宜采 用氮化钢 ,如 35CrMo、38CrMoAlA等钢。热处理采用调质及氮化处理 ,氮化后齿面硬度高达 HV850～1200(相当于 HRC65～70), 热稳定性好 (在 500～550℃仍能保持高硬度 ), 并有一定的抗蚀性。其缺 点是硬化层薄 ,不耐冲击 , 故不适用于载荷频繁变动的重载齿轮 ,而多用于载荷平稳、润滑良好的精密传动齿轮或磨齿困难的内齿轮。 近年来 ,由于软氮化和离子氮化工艺的发展 ,使工艺周期缩短 ,选用钢种变宽 ,选用氮化处理的齿轮逐渐广泛。
三、热处理相关
设计时必须要考虑，通过热处理实现性能。对钢铁材料齿轮进行适当热处理（如正火与退火、整体淬火回火、调质、渗碳、渗氮、表面淬火等），其目的是为了能够提高钢铁的使用性能，充分发挥材料的能力，同时也能够改善钢材的切削性能，提高齿轮加工质量，延长齿轮的使用寿命。
齿轮用各类钢铁材料和热处理的特点及适用条件如下：
1、调质钢
钢号：45、35SiMn、42SiMn、37SiMn2MoV、40MnB、45MnB、40Cr、45Cr、35CrMo、42CrMo等.
调质或正火
1）经调质后具有较好的强度和韧性，常在220~300HBW的范围内使用。
2）当受刀具的限制而不能提高调质小齿轮的硬度时，为保持大小齿轮之间的硬度差，可使用正火处理的大齿轮，但强度较调质者差。
3）齿面的精切齿可在热处理后进行，以消除热处理畸变，保持齿轮精度。
4）不需要专门的热处理设备和齿面精加工设备，制造成本低。
5）齿面硬度较低，易于跑合，但是不能充分发挥材料的承载能力。、
适用条件：广泛用于对强度和精度要求不太高的一般中低速齿轮，以及热处理和齿面精加工比较困难的大型齿轮。
表面淬火（感应淬火、火焰淬火）
1）齿面硬度高，具有较强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有较好的韧性，表面经硬化后产生残余应力，大大提高了齿根强度；通常的齿面硬度范围为：合金钢45~55HRC，碳素钢40~50HRC。
2）为进一步提高心部强度，往往在表面淬火前先进行调质处理。
3）感应淬火时间短。
4）表面硬化层深度和硬度沿齿面不等。
5）因急速加热和冷却，容易淬裂。
适用条件：广泛用于要求承载能力高、体积小的齿轮。
2、渗碳钢
钢号：20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、20CrMo、22CrMo、20CrNiMo、18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4A等。
渗碳淬火
1）齿面硬度很高，具有很强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有很好的韧性，表面经硬化后产生的残余应力，大大提高了齿根强度；一般齿面硬度范围为56~63HRC。
2）切削性能较好。
3）热处理畸变较大，热处理后应磨齿，增加了加工时间和成本，但是可以获得高的精度。
适用条件：广泛用于要求承载能力高、耐冲击性能好、精度高、体积小的中型以下齿轮。
3、渗氮钢
钢号：38CrMoAlA、30CrMoSiA、25Cr2MoV等。
渗氮处理
1）可获得很高的齿面硬度，具有较强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有较好的韧性，为提高心部强度，对中碳钢往往先进行调质处理。
2）由于加热温度低，故热处理畸变很小，渗氮处理后不需要磨齿。
3）硬化层很薄，故承载能力不及渗碳淬火齿轮，不宜用于有冲击载荷的场合。
4）渗氮处理周期长，加工成本较高。
适用条件：适用于较大且较平稳的载荷下工作的齿轮，以及没有齿面精加工设备而又需要硬齿面的场合。
4、铸钢
钢号：ZG310-570、ZG340-640、ZG42SiMn、ZG50SiMn、ZG40Cr1、ZG35CrMnSi等。
正火或调质，以及表面淬火
1）可以制造复杂形状的大型齿轮
2）其强度低于同种牌号和热处理的调质钢
3）容易产生铸造缺陷
适用条件：用于不能锻造的大型齿轮。
5、铸铁
钢号：各种灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。
1）材料低廉。
2）耐磨性好。
3）可制造复杂形状的大型齿轮。
4）有较好的铸造和切削工艺性。
5）承载能力低
适用条件：灰铸铁和可锻铸铁用于低速、轻载、无冲击的齿轮；球墨铸铁可用于载荷和冲击较大的齿轮。
四、加工性能
齿轮加工的工艺性能，是指不同材料能够适应不同的加工工艺要求。齿轮常见的制造形式有铸造、锻造、切削加工和热处理等几种工艺形式。工艺性能的不同直接影响到齿轮材料的选择。
其中，铸造齿轮的内部组织较差，强度低，成本较低，可在一般的工况条件下应用。锻造齿轮的内部组织较严密，强度高，但成本较高，可在比较严格的工况条件下应用。
另外，塑料、球墨铸铁、灰铸铁、铸钢的切削加工的工艺性能较好，但其强度不够高，淬透性较差，机械性能一般，只能在一般的工作条件下使用。调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢及渗氮钢等合金钢，具有较好的淬透性较高强度。
但由于锻造及切削加工的工艺性能较差，使其加工成本较大，不利于大面积推广使用，只能在高端及附加值高的设备中使用。
五、经济性
经济性主要体现在尽量使用最小的费用，来取得最大的经济效益。即选择齿轮材料时，在满足设计要求的性能下，尽量降低所选齿轮材料的总成本。
可以从材料自身价格来考虑如何降低成本，如塑料、球墨铸铁、灰铸铁、铸钢的材料价格相对比较低廉，同时还具有较好的加工工艺性能，可以在满足零件机械性能的前提下优先选用，实现降低成本，最大经济效益。另外，从稀有金属资源及材料的供应环节着手，尽量减少 Mn、 Mo、Ti、Cr等稀有金属的使用量，尽可能多的使用国产材料来代替价格昂贵的进口材料。
可以从加工和热处理来考虑如何降低成本，如尽量采用加工费用相对较低的热处理方法，或通过对现有热处理工艺进行改进或提升，以实现降低成本。还可以通过提升模锻件生产的模锻工艺，或在生产中采用成组技术与工艺，实现提供成型毛坯无切削或模锻与机械精加工相结合，部分或全部取代切削加工，从而实现提高产品质量及生产效率，并降低成本。
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综上所述，在选择齿轮材料时，必须在兼顾齿轮的工作条件、机械性能、机加工艺性及以经济性的前提条件下，选择的齿轮材料才能具有较高的机械性能、较简单的工艺性能及较低的成本。
