前言：由于机械生产中的工作强度大及其他相关因素，机械齿轮失效问题出现频繁，严重时会导致机械设备瘫痪，降低机械生产的效率，甚至会导致安全事故，必须加以改进。因此，加大对机械齿轮的研究，对现有的机械齿轮材料进行相关选择和比较，并对设计存在的不足进行优化，期望对于我国机械齿轮寿命的增加具有一定幫助作用。
1、机械齿轮材料选择的原则
如果齿轮轮齿的冲击载荷能力和自身的刚度有所不足，则要应用有着较强韧性的材料，比如将低碳钢来进行渗碳淬火的方式来进行处理，以此来提高材料刚度。如果闭式变速器和齿轮面在工作中容易出现点蚀，则可以就用具有较高齿面硬度的材料，将碳钢进行表面硬化处理就可以取得较好的效果。对于运行速度较低、中度荷载并且较易折断同时较易出现磨损的齿轮，可以应用具有较高机械强度和硬度的材料，可能将碳钢进行调质精切，以此来提高材料的综合机械性。为了可以便于管理，需要尽量保证所有的齿轮应用相同的材料来进行加工，这对材料的供应也有一定的要求。如果对于齿轮零件有着较高的尺寸精度需要，可以应用合金钢材料，其有着较强的耐磨性，可以适合于使用需要。
2、机械齿轮的材料选择及加工工艺
2.1机械齿轮的选材
世界其他各国主要采用铬镍和铬镍钼的碳钢，其和我国机械齿轮所常用的锰铬钢系相比，强度和韧性方面均存在较大程度的优势。我国小功率机械一般采用18铬锰钛、20铬锰钛及20锰VB等，近年来多使用18铬2镍4钨和20铬2镍等钢种，主要原因在于其不仅韧性和淬透性相对较高，在经过淬火后表明仍具有耐磨和硬度较高等优点，在低温状态下冲击韧性相对较好，正火后切削性相对较好，除此之外，18铬2镍4钨和20铬2镍4钢齿轮要比8铬锰钛、20铬锰钛和20锰的使用寿命更长。
以上两种钢系齿轮都具有铬、镍、锰等元素，其中铬元素可以让钢的淬透性提高，镍能够降低钢表面碳浓度过高的概率和平衡浓度发生剧烈变化，对于碳钢的强度和韧性也有较大的提高作用，而锰元素相对铬元素不仅能够提高碳钢的强度和韧性，对于碳钢的热加工能力也有较大程度的提升作用。
钼元素主要作用是溶解奥氏体形成碳化合物，从而达到固溶强化和沉淀强化的目标，并使碳钢在仍具有较高韧性特点的同时，强度也能得到进一步提高。
2.2 合金与中碳素钢
当前，在机械齿轮材料市场上，由于碳素钢自身具有成本价格、操作性、加工性等优势，因此得以广泛的应用。然而机械齿轮设计人员在工作中还是发现了一些问题：碳素钢自身存在一定的缺陷。例如，碳素钢具有较低的韧性与强度；超过中等形状的零部件材料难以进行热加工及淬透作业等。基于碳素钢材料暴露出的这些缺陷，使得机械齿轮设计人员在选择材料的过程中受到了较多的限制。通过不断深入研究我们发现，只需要给碳素钢中添加一定量合金原色就可将其加工成合金钢。与碳素钢相比，合金钢具有更高的韧性与强度，如果设计人员选用了合金钢做机械材料，就相当于给机械零部件添加了特殊的性能，主要有耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能。然而，在很多人看来，合金钢虽然比碳素钢性能好得多，但是其只适合用在对外荷载力有较高要求及需要对大断面做淬透处理的情况下，这些情况下才适合选用合金钢，而其他情况下还是急需选择碳素钢。
2.3铸钢材料
如果所需要加工的齿轮有着较大的外廓尺寸，则多应用和铸钢材料，铸钢材料有着较强的承载能力，可以用于制造结构更为复杂的齿轮，但是和锻钢齿轮相比起来，铸钢齿轮的强度要低一些。农用机械对于齿轮机械的精度要求并不高，所以并不需要进行特殊处理，但是用作传动结构当中的齿轮，则需要进行处理来保证整体结构的精度，在这种情况下，可以从加工工艺的过程入手，通过正火和退火处理来将应力不符合标准的材料加以处理和消除，保证切削加工性能，让其可以更适合于复杂加工的需要。如果铸钢齿轮的要求较低，并且工作中的转动速度较低，则可以应用表面淬火处理，这对于其耐磨性能的提来也说也非常有利。ZG270-500、ZG310-570等铸钢齿轮，铸造之后正火，粗加工后表面淬火+低温回火，可满足性能要求。
2.4锻钢
根据齿面的软硬程度，钢制齿轮包括软齿面齿轮和硬齿面齿轮，它们之间的分界线是布氏硬度为350HBS的时候，大于350HBS为硬齿面，反之则是软齿面。
（1）软齿面齿轮。软尺面齿轮，工艺路线：锻造毛坯→正火→粗车→调质、精加工。常用材料；45#、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB等。软齿面齿轮的特点：性能优良，齿面本身的硬度、强度都理想，齿心的韧性好；热处理后切齿精度可达8级；制造简单、经济、生产率高，对精度要求不高。
（2）硬齿面齿轮。采用中碳钢时的加工工艺过程为：锻造毛坯→常化→粗切→调质→精切→高、中频淬火→低温回火→珩齿或研磨剂跑合、电火花跑合。常用材料：45、40Cr、40CrNi。硬齿面齿轮的特点有以下几点：a.齿面硬度高HRC=48-55，接触强度高，耐磨性好。b.齿芯保持调质后的韧性高，耐冲击能力好，承载能力较高。c.精度下降半数，可达7级精度。d.适合批量化生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。
3、机械齿轮设计优化
3.1传动齿轮优化设计
传动齿轮在生产过程当中，对于加工条件的要求较为严格苛刻，因此在施工起重机齿轮传动优化设计时，应当首先从加工工艺入手。为此，应当在传动齿轮加工开始之前，制定传动齿轮加工计划，确定好最终的机械齿轮加工图纸，在之后的加工过程当中严格按照加工图纸来进行齿轮的加工。在传动齿轮加工过程当中可以采取更为先进且精准的数控滚齿的方法，不仅能够进一步提升加工的效率，也能使得齿轮最终的加工质量的到进一步提升。在施工起重机齿轮加工过程当中，在对齿轮齿形进行粗加工之后，为了进一步提升齿轮的硬度，需要在施工起重机的齿轮的表面进行渗碳以及淬火工艺。在数控滚齿以及渗碳、淬火结束之后，施工起重机的机械传动齿轮会出现细微的形变，对其进行低温回火，消除形变，并将齿轮进行喷丸强化，进一步消除形变，提高齿轮强度。为了保证齿轮加工的精度，需要在热处理之后采用磨齿工艺，减少、消除热处理可能带来的形变。可以采用进口成型磨齿机磨齿，并进行齿廓修行和齿向修行，进一步减轻轮齿的冲击振动和噪音，减少动载荷，改善齿面润滑状态，减缓和防止胶合破坏，提高齿轮寿命。
3.2设计优化
由于机械作业多属重负荷、中低速传动，大多启动频繁，并经常承受冲击负荷，因此必须对现有的机械设备进行工业性试验。考虑到轴承和齿轮承受的压力和负荷较大。工业生产中一般工作速度较低，传动功率较大且环境粉尘含量高。设计时必须保证有足够的设计强度。
在机械齿轮正常工作情况下，齿间啮合时产生的接触应力往往较普通齿轮要大得多，而齿轮的硬度没有满足要求，在工作状态下出现裂纹。
考虑到上述情况，需要根据机械设备的工作条件，选择满足齿轮工作要求强度的材料，并进行热处理工艺优化和表面强化处理工艺优化，保证齿轮具有足够的强度和硬度。然后，根据机械齿轮的环境，对齿轮的形状尺寸，进行合理的设计。由于机械齿轮多为低速重载齿轮，接触应力高，接触面的局部弹性不能忽略，还需要根据相关规律与理论计算，计算其润滑参数。
结束语：齿轮材料选择可以直接决定齿轮的成品质量，同时热处理工艺的选择也会在一定程度上提高的齿轮的使用周期，这就需要工作人员可以對于各种材料都有足够的了解，结合齿轮的使用要求和使用环境选择最为合适的加工工艺与设计，保证齿轮材料的质量，确定齿轮设计的合理性。
参考文献
[1] 李存杰.一种大型齿轮组织缺陷及其开裂失效分析[D].大连：大连海事大学，2010.
[2] 顾敏.我国齿轮制造中的热处理技术［J］.金属热处理，2005，30增刊：33-37.
[3] 褚中庭.采煤机械齿轮的优化选材及断裂韧度测试[J].煤矿机械与电气，1982（04）：2-7.
