机床、汽车、拖拉机中速度的调节和功率的传递主要靠齿轮，因此齿轮在机床、汽车和拖拉机中是一种十分重要、使用量很大的零件。

1.齿轮的受力及性能要求

1） 齿轮工作时的一般受力情况

（1） 齿轮承受很大的交变弯曲应力。

（2） 齿轮在换挡、启动或啮合不均匀时承受冲击力。

（3） 齿面相互滚动滑动，并承受接触压应力。

所以，齿轮的损坏形式主要是折断和齿面的剥落及过度磨损。

2） 对齿轮材料主要性能的要求

（1） 齿轮具有较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。

（2） 齿面具有较高的硬度和耐磨性。

（3） 齿轮中心具有足够的强度和韧性。

此外，还要求齿轮有较好的热处理工艺性。

2.齿轮的选材及热处理

齿轮选材及热处理方法主要是根据齿轮的传动方式（开式或闭式）、载荷性质与大小（齿面接触应力和冲击载荷等）、传动速度（节圆线速度） 和精度要求等工作条件而定的。

齿轮选材绝大多数是钢（锻钢或铸钢），某些开式传动的低速齿轮可以用铸铁，特殊情况还可以用非铁金属和工程材料。

1） 钢材齿轮

用钢材制造齿轮时，有型材和锻件两种毛坯形式。由于锻造齿轮毛坯的纤维组织与轴线垂直，分布合理，故有重要用途的齿轮都采用锻造毛坯。

钢件齿轮按齿面硬度分为硬齿面和软齿面齿轮，齿面硬度不大于350 HBS 为软齿面齿轮，齿面硬度大于350 HBS 为硬齿面齿轮。

（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Q255、Q275、40、45、50、50Mn 等制造。

这种齿轮主要用于标准系列减速箱齿轮、冶金机械、重型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40、50Mn、40Gr、42SiMn 等制造。

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。它适用于工作条件较为恶劣的汽车、拖拉机的变速箱的齿轮。(www.daowen.com)

从实际情况来看，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，而且可以被应用于中碳钢或中碳合金钢，所以许多齿轮用碳氮共渗来代替渗碳工艺。

（4） 精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮（如内齿轮）。

这类齿轮主要要求精度高、热处理变形小，宜采用碳化钢，如35CrMo、38CrMoAlA 等制造，多用于载荷平稳、润滑良好的精密传动齿轮和磨齿困难的内齿轮。

近年来，由于软渗氮和离子渗氮工艺的发展，工艺周期缩短，选用钢种变宽，选用氮处理的齿轮逐渐变多。

2） 铸钢齿轮

某些尺寸较大（如直径大于400 mm）、形状复杂并受一定冲击的齿轮难以铸造成型，需要采用铸钢。

齿轮采用的碳素铸钢为ZG35、ZG45、ZG55 等； 载荷较大的采用合金铸钢，如ZG40Gr、ZG35CrMo、ZG42MnSi 等。

3） 铸铁齿轮

一般开式传动的齿轮较多采用灰铸铁制造。灰铸铁组织中的石墨能起润滑作用，减摩性较好，不易胶合，而且切削加工性好，成本低。它只适用于制造一些轻载、低速、不受冲击且精度要求不高的齿轮。

常用灰铸铁的牌号有HT200、HT250、HT300 等。在闭式齿轮中，有用球墨铸铁（如QT600 -3、QT450 -10、QT400 -15 等） 代替铸钢的趋势。

4） 非金属材料齿轮

在仪表中或接触腐蚀介质的轻载齿轮常用一些抗蚀、耐磨的非铁金属型材制造，常用的有黄铜、铝黄铜、硅青铜、锡青铜、硬铝和超硬铝，其可制造质量较小的齿轮。

5） 工程塑料齿轮

在仪表、小型机械中的轻载、无润滑条件下工作的小齿轮可以选用工程塑料制造，常用的有尼龙、聚碳酸酯、夹布层压热固性树脂等。工程塑料具有密度小、摩擦系数小、减振、工作噪声小等优点； 其缺点是强度低、工作温度不高，所以它不能用作承受较大载荷的齿轮。

下面以机床齿轮为例讨论齿轮的选材及热处理。

机床变速箱的传动齿轮是传递力矩和调节速度的重要零件，工作中承受一定程度的弯曲、扭转载荷及周期性冲击力的作用，齿轮表面承受一定程度的磨损，齿轮运转较平稳，速度中等。齿轮一般选用45 钢或40Cr 钢制造，其热处理条件为： 5154，230 ～280 HBW； 齿表面，521，250 ～54 HRC。

（1） 加工工艺路线。

下料锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→高频感应淬火和低温回火→精磨。

（2） 热处理工序的作用。

正火处理对锻造齿轮毛坯是必需的热处理工序，它可以使同批坯料具有相同的硬度，使组织均匀，并消除锻造应力，便于切削加工。对于一般齿轮，正火处理也可以作为高频淬火前的最后处理工序。正火的硬度一般为180 ～207 HBW。

调质处理可以使齿轮具有较高的综合力学性能，提高齿轮中心的强度和韧性，使齿轮能承受较大的弯曲应力和冲击力。调质后的齿轮由于组织为回火索氏体，故在淬火时变形更小。调质后的硬度为33 ～48 HRC。

高频淬火及低温回火是赋予齿轮表面性能的关键工序，通过高频淬火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，并使齿轮表面有压应力存在而增强抗疲劳破坏的能力。为了消除淬火应力，高频淬火后进行低温回火（或自行回火），这对防止研磨裂纹的产生和提高抗冲击能力极为有利。