齒輪鋼材比較：20CrMnTi、40Cr、42CrMo 與 17CrNiMo6

熱處理路線優先，牌號名稱其次

沒有任何一種鋼材牌號本身能決定齒輪的表現。真正決定表現的是牌號與熱處理的搭配。拿同一根 40Cr 棒料來說：調質處理，或表面硬化，兩者的結果差距超過一倍。

三種路線涵蓋了大部分工作：

• 調質（Q&T） — 零件先淬火，再在高溫下保溫，產生回火索氏體。HB 240–320 是常見的硬度範圍。韌性與強度同時獲得，足以應付中低速齒輪，其齒面不需要特別硬。
• 滲碳淬火 — 低碳牌號在 920–950°C 的富碳氣氛中保溫，然後淬火。碳使齒面提升為麻田散鐵，而內部仍保持低碳與韌性：軟芯外覆硬皮。承受嚴重接觸應力的齒輪是自然的應用場景。
• 氮化 — 在約 500–570°C 下，含氨氣體將氮驅入表面，形成氮化硬化區。由於溫度低，變形量保持很小，但層深較淺（常規做法為 0.3–0.6 mm），這限制了它只能用於無需最終研磨的小模數精密齒輪。

決策順序：先算出齒根彎曲應力與齒面接觸應力。這會告訴你表面是否必須硬化。如果必須，下一個問題就是滲碳鋼還是氮化鋼。

簡而言之：先確定熱處理路線，再選牌號。中低速、中等負載的齒輪通常採用調質 40Cr（調質後 HB 260–300）；42CrMo（HB 280–320）則在截面較大、較重時接手。若重載下必須有硬齒面，則滲碳：20CrMnTi 表面可達 HRC 58–62，芯部 HRC 30–42。小模數精密齒輪，若在意變形，適合 38CrMoAl 氮化，表面硬度約 HV 950–1100。在相同毛坯上，滲碳鋼的成本約為調質鋼的 1.3–1.5 倍——選擇材料本質上就是花更多錢換取疲勞壽命。

將常用齒輪鋼材對應到工作需求

這些成本假設毛坯尺寸相同，且不含熱處理費用。滲碳鋼的溢價所換取的是接觸疲勞壽命：在相同負載下，滲碳齒面通常比調質齒面更能抵抗點蝕，好上一個等級。

40Cr 與 42CrMo：調質搭檔

在中國，40Cr 是最常見的調質齒輪鋼——便宜且容易取得。42CrMo 硬化深度更大，因此厚重截面能淬透；這個特性正是大模數與大直徑軸齒輪採用它的原因。當負載中等、模數低於 8 且齒寬有限時，調質 40Cr 通常就能勝任。

20CrMnTi 與 17CrNiMo6：滲碳搭檔

20CrMnTi 的淬透性僅屬中等，但油淬仍能達到所需硬度——這就是它在中國主導中小模數重載齒輪的原因，並反覆出現在汽車變速箱與客製齒輪工作中。更深的硬化層與更韌的芯部是 17CrNiMo6 的優勢，適合大模數與強衝擊負載，但價格更高。

38CrMoAl：氮化的選擇

氮化後的 38CrMoAl 零件兼具高表面硬度與極小變形，通常不需要最終研磨。淺層是它的缺點：接觸疲勞能力有限，因此無法承受重齒面負載。僅在接觸應力計算結果低於極限時使用。

完整的圖面會完整註明材料

完成後的齒輪圖面，材料欄包含三項：鋼材牌號、熱處理、硬度範圍。若省略熱處理，只寫「40Cr」，供應商只能猜測，驗收時就會變成爭議。

向鋼材供應商取得鋼廠品質證明——爐號、化學成分、巨觀組織——通常依 GB/T 3077。由於即使同一牌號，不同鋼廠的淬透性帶也不同，量產時應鎖定單一鋼廠。

實務要點：在我們的精密齒輪加工階段進行圖面審核時，會做三項檢查：齒面接觸應力是否低於該材料的容許值、模數與齒寬所隱含的截面尺寸是否落在淬透性範圍內，以及硬度要求與量測位置是否明確標示。返工通常源於材料或標註，而非加工。我們運行的每一批滲碳件都附帶隨爐試棒；CHD 與表面硬度都會量測並歸檔，日後若失效可追溯至其爐次。若要檢視選材方案，請瀏覽齒輪產品範圍；製程資訊在我們的能力頁面。

材料選錯會以失效形式顯現

我們的記錄中有三個具啟發性的案例：

1. 在指定 20CrMnTi 之處使用了 40Cr。 減速機輸出齒輪在約 2,000 運轉小時後爆發點蝕。HB 285 的調質 40Cr 齒面，其接觸疲勞強度低於滲碳層，因此結果可預期——只是圖面上沒有人做過接觸應力檢查。
2. 大模數齒輪以 20CrMnTi 滲碳。 模數 12、齒寬 120 mm 的齒輪，芯部硬度僅有 HRC 25–28，低於 HRC 30 的要求；因此齒根彎曲強度不足，斷齒風險攀升。厚截面在 20CrMnTi 中無法淬透；這個工件需要的是 17CrNiMo6。
3. 40Cr 調質但未表面硬化，齒面磨損殆盡。 在齒面速度高、滑動比大的場合，調質硬度無法抵抗磨損。感應表面硬化至 HRC 45–52 解決了這個問題。

下游無論做什麼，都無法彌補從一開始就選錯的材料。

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