Наиболее высокую работоспособность зубчатых колес обеспечивают стали, которые являются основным материалом для их изготовления. Реже применяют чугуны, бронзы и пластмассы.
При выборе марки стали необходимо учитывать, что работоспособность зубчатых колес растет с увеличением твердости поверхности, особенно по основному критерию - контактной выносливости. Увеличение твердости сопровождается повышением допустимых напряжений, снижением габаритов деталей и в целом массы передачи.
В зависимости от твердости поверхности шестерен применяемые стали делятся на две группы:
а) без упрочненного поверхностного слоя, с одинаковой твердостью по сечению зуба (HRC 35 - 45);
б) с упрочненным поверхностным слоем (HRC 58 - 63) и вязкой сердцевиной (HRC 30-42).
Первую группу образуют среднеуглеродистые улучшаемые и нормализованные стали с содержанием углерода до 0,50%: 40, 45, 50, 40Х, 45Х, 40ХН, 35ХГСА, 40ХФА, 35ХМА, БСт5, БСт6 и др. Они значительно уступают сталям второй группы по нагрузочной способности, но превосходят их по технологичности. Кроме того, они не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках.
Улучшаемые стали применяют для мало- и средненагруженных передач при отсутствии жестких требований к их габаритам.
Стали, используемые в нормализованном состоянии, преимущественно применяют для колес во вспомогательных механизмах, например, в механизмах ручного управления.
Вторую группу образуют низкоуглеродистые стали (до 0,3%С), подвергаемые цементации, нитроцементации, азотированию и среднеуглеродистые (до 0,5%С) упрочняемые поверхностной закалкой.
Однако эти стали более сложны в технологическом отношении, поскольку требуют нарезания зубьев до термической обработки. Термическая обработка вызывает значительные изменения размеров деталей, коробления зубьев, для устранения которых необходимы дополнительные операции механической обработки (шлифование, притирка, обкатка и др.). Стали этой группы преимущественно используют в условиях крупносерийного и массового производства. Стали, применяемые с упрочнением поверхности деталей цементацией и нитроцементацией, обеспечивают наиболее высокую контактную выносливость, а также прочность зубьев при изгибе и сопротивлению заеданию. Их применяют для изделий, в которых масса и габариты передач имеют решающее значение. Это стали: 10, 15, 20, 15ХФ,20Х, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18ХНВА, 20ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 20ХНР, АС14ХГН, АС20ХГНМ и др. Работоспособность таких зубчатых колес зависит от свойств диффузионного слоя и сердцевины. Свойства диффузионного слоя определяются содержанием в нем углерода или углерода + азота; наличием в поверхностных слоях количества цементита, остаточного аустенита, а при нитроцементации - карбонитридов, содержащихся в мартенсите. Легирующие элементы оказывают косвенное влияние, изменяя в слое содержание углерода, образуя карбиды или карбонитриды (Cr, W, Mo, V, Ti и др.). Их присутствие благоприятно сказывается также и на интенсивность науглероживания. Некарбидообразующие элементы (Ni, Si, B и др.) наоборот снижают степень науглероживания, чем уменьшают охрупчивание стали, повышая значения ее ударной вязкости, понижая порог хладноломкости.
Твердость поверхности этих сталей на готовом изделии составляет HRC 58 - 63. При постоянной твердости поверхности контактная выносливость растет с увеличением толщины упрочненного слоя и твердости сердцевины. Толщина цементованного или нитроцементованного слоя принимается равной 0,1-0,15 мм толщины зуба, или (0,28m - 0,007m) + 0,2 мм, но не более 2,0 мм. Твердость сердцевины HRC 30 - 42.
Если твердость сердцевины недостаточна, возможно, продавливание упрочненного слоя. Излишне высокая твердость (42 HRC) увеличивает опасность хрупкого разрушения зубьев от напряжений изгиба. Прочность зубьев на изгиб растет по мере увеличения прочности сердцевины; достигает максимума при в 1290-1400 МПа и снижения шероховатости поверхности у основания зуба, а также формирования остаточных напряжений сжатия. При высоких динамических нагрузках важное значение приобретает сохранение высокой вязкости сердцевины. Это свойство в наибольшей степени присуще низкоуглеродистым сталям, содержащим никель.
Для повышения остаточных напряжений сжатия у основания зуба до 1200-1500 МПа окончательно обработанные механически зубчатые колеса можно подвергать поверхностному упрочнению пластическим деформированием: обдувкой дробью, обкаткой, роликом и др.
Цементуемые и нитроцементуемые стали еще можно подразделить по другим признакам:
1) теплостойкие сложнолегированные стали, сохраняющие высокую твердость поверхности при нагреве до 300оС;
2) хромоникелевые стали, обладающие высокой прокаливаемостью, прочностью и вязкостью сердцевины, противостоящие ударным нагрузкам.
Стали обеих групп применяют для крупных (150-160 мм) зубчатых колес соответственного назначения.

К недостаткам этих сталей относятся высокая стоимость и сложный цикл химико-термической обработки, который включает цементацию, высокий отпуск, сложную закалку, обработку холодом, низкий отпуск. Химико-термическая обработка вызывает значительную деформацию колес. Для изготовления колес 5-6-й степеней точности необходимо зубошлифование, что усложняет технологию их изготовления.

К третьей группе условно относят безникелевые экономно легированные стали 18ХГТ, 25ХГМ, 30ХГТ, 20ХГР и др., которые применяют в условиях массового производства, например, в автомобилестроении, в агрегатах и аппаратах химического, пищевого и холодильного машиностроения. Они дешевле хромоникелевых и обрабатываются по более упрощенной технологии. Зубчатые колеса из этих сталей подвергают чаще всего нитроцементации. В отличие от цементации этим процессом можно получить слои высокой несущей способности, меньшей толщины (0,6-1,0 мм), что позволяет сократить длительность обработки на несколько часов. Кроме того, нитроцементация проводится при более низкой температуре, сочетается с подстуживанием и непосредственной закалкой. Колеса меньше деформируются. Колеса 7-8-й степеней точности обычно не шлифуются. Указанные безникелевые хромистые стали образуют подгруппу дешевых цементуемых сталей, но уступающих по прочности сталям вышеперечисленных групп, из-за невысокой прокаливаемости. Эти стали применяют для изготовления мелких и средних зубчатых колес сельскохозяйственных машин и приборов. Для изготовления зубчатых колес на станках-автоматах используют автоматные стали, которые содержат 0,15-0,35% Рb, благодаря чему хорошо обрабатываются резанием.

К четвертой группе можно отнести азотируемые легированные стали.
Легированные стали с содержанием алюминия и молибдена обладают после азотирования наиболее высокими твердостью поверхности ( HV 1200) и износостойкостью. Кроме того, азотированный слой имеет высокую теплостойкость (до 500оС), поэтому наиболее стоек к заеданию. Слой обладает высокими антикоррозионными свойствами. Шестерни могут длительно, без разъедания работать в слабых кислотных и щелочных средах. Недостатки этого процесса - малая толщина диффузионного слоя ( 0,3 мм) и длительность процесса (40-80 ч). Тонкие диффузионные слои не позволяют применять азотирование на колесах с высокими контактными нагрузками из-за опасности его продавливания. По этой же причине азотированные стали чувствительны к ударным нагрузкам. Износостойкость азотированных деталей в 2-3 раза выше цементованных.
Важное технологическое преимущество азотирования - минимальное коробление; процесс считают практически бездеформационным. Зубчатые колеса 6-7-й степеней точности изготовляют без шлифовки по зубу. Технологический процесс изготовления азотированных деталей осуществляется по следующей схеме:
1 Термоулучшение (закалка + высокий отпуск) для упрочнения сердцевины, получения микроструктуры сорбит и твердости HRC 28 - 32 по всему сечению детали.
2 Механическая обработка, в т.ч. нарезание зубьев с размерами в пределах допуска на изготовление.
3 Азотирование.
Стали для поверхностной закалки с индукционного нагрева составляют две особые группы. Для них проводятся закалка по контуру зубьев на твердость поверхности HRC 50-55.
1) Первую подгруппу образуют среднеуглеродистые стали 40, 45,40Х, 40ХН, 45ХН, 35ХМА и др. Зубья колес из этих сталей нагревают токами высокой частоты в индукторе. Глубина проникновения тока зависит от его частоты и она же обеспечивает толщину закаленного слоя до 3-5 мм. При интенсивном охлаждении закалку воспринимают только те поверхностные слои, которые нагреваются выше критических точек стали. Сердцевина из-за недогрева остается незакаленной (HRC 20 - 30). Структура слоя из-за высокой скорости нагрева характеризуется мелким строением, что снижает хрупкость слоя. Для ответственных изделий перед закалкой с нагревом ТВЧ заготовку подвергают термоулучшению на сорбит.
2) Вторую подгруппу составляют стали пониженной прокаливаемости: 55ПП, 110ПП и др.
Зубья колес из этих сталей подвергают сквозному (глубинному) индукционному нагреву до температуры выше критических точек. Однако закалку воспринимают только поверхностные слои толщиной 1,0-3,0 мм. Обусловлено это низкой прокаливаемостью этих сталей из-за ограничения в них примесей хрома, марганца, кремния. Стали сравнительно дешевы, обеспечивают высокую работоспособность зубчатых колес и широко применяются взамен цементуемых сталей.
Основная область их применения - средненагруженные зубчатые колеса малых и средних размеров, используемых в автомобиле- и станкостроении.
Вследствие небольшой прокаливаемости деформации колес из этих сталей при закалке незначительные; зубчатые колеса 7-8-й степеней точности после закалки не шлифуют.
Иногда для изготовления зубчатых колес применяют чугуны. По прочности, особенно по ударной вязкости, чугуны значительно уступают сталям, что компенсируется увеличением размеров колес. Для изготовления колес используют серые чугуны СЧ25, СЧ20, СЧ30,СЧ35, СЧ40; высокопрочные чугуны ВЧ45-5, ВЧ50-2 и др.
Для изготовления деталей передаточных механизмов можно применять пластмассы (текстолит, капрон и др.) применяют для колес, работающих на малых скоростях и при малых ударных нагрузках. Их используют для привода спидометров, киноаппаратов, текстильных машин. Достоинства таких колес - отсутствие вибрации и шума, высокая вибро- и коррозионная стойкость в агрессивных средах, низкий коэффициент трения.
Для изготовления небольших колес, работающих в некоторых агрессивных средах, могут использоваться сплавы меди: оловянистые и алюминиевые бронзы, например БрКЦ 4-4, БрОЦС 5-5-5, БрО 10, БрОЦСН 3-7-5-1, БрА7, БрАЖН 10-4-4. Преимущество их состоит в том, что колеса можно получать литьем. Эти сплавы обладают высокой жидкотекучестью и концентрированной усадочной раковиной, которую легко вывести в прибыль.