材料工程的最新进展为齿轮材料提供了替代方案。
齿轮是现代机械的常见部件，存在于齿轮箱、手表、电机、熔炉和自动化设备中。由于易于制造和可用的合金种类繁多，金属合金是齿轮最常用的材料。然而，也有其他选择：陶瓷和金属注射成型具有更高的强度和其他性能，使它们成为理想的选择。
金属合金和齿轮设计
齿轮使用的材料取决于强度和使用条件。使用条件的示例包括磨损和噪音。铸铁是一种常见的齿轮材料，因为它具有良好的耐磨性能、可加工性以及易于通过金属铸造生产复杂形状。蜗轮蜗杆倾向于使用磷青铜，因为该材料具有耐磨性。碳钢或合金钢因其高强度值而常用。这些钢经过热处理，以实现韧性和齿硬度的适当组合。
这三种材料的硬度范围如上图所示。块状金属玻璃位于金属和陶瓷的中间，因为金属最适合严重磨损，而陶瓷最适合最大硬度。
而硬度是齿轮设计中的一个重要因素：材料的硬度越高，所用齿轮的尺寸和重量就越能减小。例如，让我们比较两组齿轮组，其中第一组的布氏硬度数 （BHN） 为 2,000 N/mm2，第二组的 BHN 为 6,000 N/mm2。由于第二组的硬度更高，齿轮组更小，设计更紧凑。第二组的重量仅为第一组的 1/8，同时仍提供相同的功率。
硬度越高也表明表面耐久性或耐磨强度。表面耐久性越高，其抵抗齿面失效或“点蚀”的能力就越强，例如，由接触应力引起的疲劳。表面耐久性是抗压强度的函数，与硬度成正比。表面淬火通常通过表面硬化工艺实现：在齿轮表面产生坚硬的外壳，但使核心保持柔软。这样做，而不是通过硬化，因为增加硬度会导致材料更脆。
硬度值的一些例子是铸铁等级 35 的 BHN 最小值为 300 N/mm2。磷青铜离心铸件的 BHN 为 90 N/mm2。AISI 9310 是一种 300°F 的表面硬化钢合金，用于承受高负载和以高螺距线速度运行的航空航天齿轮。AISI 9310 的 BHN 值为 250 至 350 N/mm2。
陶瓷和金属注射齿轮
在选择齿轮的替代材料时，陶瓷和金属注射材料已成为流行的选择。原因很简单，对于需要高度耐磨的小尺寸应用，陶瓷和金属注射件可以大批量生产，并且比典型的钢合金更容易生产。
Maxon Motors的上述齿轮箱采用陶瓷轴，与金属合金相比，其最大连续扭矩为0.5至2.0 Nm，使用寿命更长。
这两种材料都是通过注塑成型工艺制成的。制备陶瓷和金属粉末作为原料。氧化锆 （ZrO2） 是一种用于注射工艺的常见陶瓷。对于金属粉末，用户可以制备他们想要的合金组合物混合物。一个例子是铁、铜、镍和钼（FeCr19Ni9Mo2）的 316L 混合物，用于其综合强度和耐腐蚀性。氧化铝（AlO2）是另一种常见的金属粉末。
蜡和聚合物结合添加剂用陶瓷和金属粉末加热。冷却后，它们被加工成颗粒状颗粒作为原料。然后，粉末在注塑机上加工。注塑成型件称为绿色压块。一旦离开机器，绿色粉饼就会被拆包。除胶从绿色压块中提取粘合材料。
下一步是将零件放入熔炉中进行烧结。烧结将压块加热到高温，以完成合金化和冶金键的形成。在烧结过程中会发生收缩，根据材料的不同，收缩率可能高达 30%。金属注射成型 （MIM） 的烧结温度约为 1,300°C，陶瓷注射成型 （CIM） 的烧结温度约为 1,500°C。可能需要对零件进行返工以达到所需的形状。使用经典的金属加工工艺，陶瓷部件使用金刚石工具。
陶瓷：优点和缺点
陶瓷在传统上金属合金会失效的应用中表现出色，例如，需要非磁性部件的条件，如真空或医疗应用。磨损优化是陶瓷理想的另一个条件。金属合金在磨损过程中往往会分解（磨损）。氧化锆的硬度为 1,200 维氏 （HV） 或更大。将其转换为 BHN 可提供 1140 N/mm2 的硬度。氧化锆的抗弯强度大于800 N/mm2，热膨胀系数为10 x10-6 °C-1。
与合金钢相比，氧化锆具有耐磨性和耐热性。相比之下，钢合金的热膨胀系数范围在 11 至 13 x 10-6 °C-1 之间。该值越低，扩展的可能性越小。陶瓷也是非磁性和生物相容性的。这使得它们非常适合生物技术和真空环境。陶瓷具有良好的隔电和耐热性，并具有抗摩擦性能。
不幸的是，陶瓷的断裂韧性较低，典型值小于 1 MPa*m1/2。它们的高熔点在铸造时会产生一些复杂性。陶瓷的最终成型过程也很昂贵。由于使用金刚石工具，如果需要任何精加工工作，陶瓷的成本可能会上升。陶瓷部件的尺寸也会影响成本。当零件体积小且数量大时，陶瓷效果最佳。大零件或短时间的零件并不能抵消制造成本。
金属注射成型：优点和缺点
MIM技术可以制造出形状复杂的大型钢制零件。可以生产螺纹和翅片等复杂特征，通常不需要二次加工工艺。成型工艺可生产出几乎不需要返工的高表面质量零件。材料特性与铸钢或轧钢非常相似。例如，MIM零件的密度是同类钢零件的96%至98%。例如，外科不锈钢是使用最广泛的MIM合金之一。
金属注射成型可以制造包括外壳和齿轮在内的零件，如上面Maxon Motors的电机组件所示。这有助于降低高度复杂零件的机器成本。
17-4 PH 成分 （AISI 630） 由铁、17% 铬、4% 镍、4% 铜和低含量的锰、硅和铌（或钽）组成。烧结和热处理至H1025后，屈服强度范围为965 MPa至1,040 MPa。与金属合金相比，MIM零件具有耐腐蚀性。MIM 部件能够替换整个组件，有助于减少所需的组件数量。例如，可以使用用于气门驱动的复合齿轮组来代替使用压制或焊接连接。
MIM具有与陶瓷类似的缺点。断裂韧性是在某些情况下可能很低，具体取决于材料。例如，V型缺口冲击试验表明，17-4 PH的断裂能仅为锻造材料的15%。制造的零件通常很小（10 毫米至 15 毫米）且数量很大。对于大零件和小批量来说，成本太高了。MIM的多步骤工艺也会导致昂贵的加工成本。初始成本和材料成本通常也很高。然而，额外的好处是，任何未使用的材料都可以回收以备将来使用，从而实现 100% 的材料使用。
金属玻璃作为未来的替代品
替代齿轮材料的未来可能取决于块状金属玻璃（BMG）的产生。BMG是一种设计的化合物，可以具有陶瓷和结晶金属的综合机械性能。与陶瓷类似，BMG具有高强度和耐磨性，但熔化温度较低。较低的温度将有助于零件的制造，而陶瓷和MIM的初始成本往往很高。其非结晶非晶态结构使其与钢一样坚固，但又像塑料一样具有延展性。BMG还具有耐腐蚀性，并具有高断裂韧性的潜力。
加州理工学院的威廉·约翰逊（William Johnson）提供的图表突出显示了某些材料与典型拉伸强度相比的弹性极限。
困扰金属、陶瓷和MIM零件的问题是它们的脆性，抗疲劳性差。然而，在BMG的情况下，导致裂纹轮廓的剪切带塑性有助于提高抗疲劳性。在BMG材料中，剪切带很容易形成，产生像齿轮齿一样互锁的裂纹。这些齿有助于限制裂缝的打开和闭合。BMG中的高体积剪切刚度比抵消了玻璃材料的脆性，因为形成剪切带所需的能量低于将它们转化为材料裂纹所需的能量。
伯克利实验室材料科学部的材料科学家罗伯特·里奇（Robert Ritchie）表示：“多重剪切带的影响是多方面的。剪切带的形成导致广泛的裂纹尖端钝化，从而导致内在增韧，而由此产生的裂纹挠度和闭合导致裂纹尖端屏蔽，从而导致外在增韧。
Richie和加州理工学院（California Institute of Technology）的教授威廉·约翰逊（William Johnson）共同研究了块状金属玻璃的制造。在接受Nature Materials采访时，Johnson继续描述了BMG生产的未来优势和当前障碍。目前，生产BMG所需的高加热和快速冷却是一个问题。压铸 BMG 需要超过 1,000°C 的热液体，然后快速冷却至玻璃化转变温度。
退火引起的脆化，紧随其后的是玻璃结晶，是金属玻璃生产中反复出现的问题，因为它阻碍了一致和均匀的制造。所需的高纯度材料，如纯氧化锆，推动了BMG的生产成本。
BMG生产的未来将依赖于使用替代原材料，如黑色金属（铁、镍和铬）来制造金属玻璃，并能够使用超冷变形而不是压铸。在过冷温度区域，金属玻璃的作用类似于热塑性塑料，更易于操作。