齿轮是机械、交通、能源、军工等工业领域中机械装备的重要基础零部件，齿轮传动具有功率范围大、传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠、结构紧凑等特点。

航空齿轮钢按合金类型可分为低合金齿轮钢、中合金齿轮钢和高合金齿轮钢等。①低合金齿轮钢。合金元素含量不高于5%。低合金齿轮钢包括渗碳钢12CrNi3A（中国）、10Ni3CrMoA（中国，美国AISI 9310）、16Ni3CrMoA（中国，法国E16NCD13）、18CrNi4A（中国，意大利18NC16）、14CrMnSiNi2MoA（中国）、8620H（美国，中国20CrNiMoA）、18Cr2Ni2MoA（中国，德国18CrNiMo7-6），以及渗氮钢32Cr3MoVA（中国，法国32CDV16）、38CrMoAlA（中国）等钢种。②中合金齿轮钢。合金元素含量5%～10%。中合金齿轮钢包括12Cr2Ni4A（中国）、20Cr2Ni4A（中国）、18Cr2Ni4WA（中国）、16Cr3NiWMoVNbA（中国，俄罗斯16Χ3НВФМБ-Ш）、10CrNi2Mo3Cu2SiV（中国，美国Pyrowear 53）等钢种。③高合金齿轮钢。合金元素含量高于10%。随着齿轮承载能力和耐温性要求的提高，高合金齿轮钢得以发展，而且抗氧化、耐腐蚀等也成为高性能齿轮钢的重要性能指标，发展了C61（美国）、C64（美国）、CSS-42L（美国）、C69（美国）、M50NiL（美国，中国G13Cr4Ni4Mo4V）、Pyrowear 675（美国）等钢种。齿轮钢按不同表层硬化方法还可分为渗碳钢和渗氮钢。其中，渗碳钢采用渗碳、碳氮共渗方法获得表层高（超高）硬度和心部强韧性的配合，渗层深，塑性和韧性较好，可承受较大的交变载荷和冲击载荷。上述大多数的低合金齿轮钢、中合金齿轮钢和高合金齿轮钢都是渗碳钢。渗氮钢主要采用渗氮或氮碳共渗等方法获得表层超高硬度，耐磨性能好，但局限于渗层浅，不能承受过高的冲击载荷。

航空齿轮钢的发展，按照回火及使用温度可划分为三代。每一代齿轮钢的性能指标各有不同。

主要是低合金渗碳钢，150～200℃回火，渗层硬度58～62洛氏硬度（HRC），使用温度不超过150℃，占齿轮钢种的大部分。常用航空齿轮钢，如12CrNi3A、12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、16Ni3CrMoA、16CrNi4MoA、18CrNi4A、20CrNi3A等都属于第一代齿轮钢，通常渗碳淬火并经低温回火后使用。第一代齿轮钢的表层硬度、心部强度和耐热性较低，主要用于制造多种涡轴、涡桨、涡喷发动机和直升机减速器齿轮。

主要包括16Cr3NiWMoVNb、M50NiL、Pyrowear675等。16Cr3NiWMoVNbA含较多碳化物形成元素钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、铌（Nb）等，提高了钢的回火抗力和热稳定性。该钢渗碳后经过淬火和中温回火，表面硬度达到59～62HRC，心部抗拉强度1428兆帕，屈服强度1215兆帕，断裂韧度（KQ）127兆帕·米^1/2，使用温度可达到300℃，具有较好的表层硬化、心部强韧化和耐热性能，已用于制造АЛ-31Ф等航空发动机机械系统中的齿轮。M50NiL钢渗碳后经过淬火和高温回火（530～550℃），表面硬度达到60～64HRC，心部抗拉强度1396兆帕，屈服强度1181兆帕，断裂韧度56兆帕·米^1/2，可在316℃以下使用。Pyrowear 675钢是一种渗碳不锈钢，渗碳后经淬火和510℃回火，渗层表面硬度达到63HRC，心部抗拉强度1276兆帕，屈服强度1062兆帕，断裂韧度（KQ）138兆帕·米^1/2，使用温度可达到375℃，接触疲劳寿命是M50NiL的2.5倍。上述齿轮钢具有较好的表层硬化性能和接触疲劳性能，亦可用于航空轴承制造。

主要包括CSS-42L、C69、C61和C64等，经过渗碳、淬火和高温回火，借助二次硬化作用进一步提高渗层硬度和心部强度。其主要特点为渗层硬度和心部强度高，使用温度达到400℃以上，可用于重载高速齿轮。20世纪90年代美国研制了不锈渗碳齿轮钢CSS-42L，经渗碳和最终热处理后，抗拉强度1764兆帕，屈服强度1200兆帕，断裂韧度113兆帕·米^1/2，渗碳表面硬度达到65～68HRC，使用温度可达到427℃。C69钢中Co含量高达28%，沉淀硬化效果显著，渗碳表面硬度达到65～67HRC，心部抗拉强度1622兆帕，屈服强度1346兆帕，断裂韧度较低，仅44兆帕。C61钢渗碳并最终热处理后，心部达到超高强度水平，抗拉强度1655兆帕，屈服强度1551兆帕，断裂韧度143兆帕·米^1/2，但渗层表面硬度较低（60～62HRC）。C64钢的渗碳表面硬度为62～64HRC，心部抗拉强度1579兆帕，屈服强度1372兆帕，断裂韧度94兆帕·米^1/2。上述钢中CSS-42L和C69具有优越的表层超硬化性能和耐磨性，亦可用于轴承制造。

齿轮服役环境恶劣，承受拉-压交变应力、剪切应力、冲击动应力等复杂应力以及温度、腐蚀介质作用等。齿轮零件失效机理复杂，有多种可能的破坏形式，如齿面磨损、胶合、锈蚀、疲劳剥落、断齿等，要求齿轮钢具有优良的表层硬化性能、高的强韧性和淬透性，良好的尺寸稳定性，较好的工艺性能等。同时，根据服役条件还要求有较好的耐蚀性能。随着齿轮传递能量及速度的增大，啮合表面温度随之升高，对齿轮钢的耐热性能提出了更高要求。

齿轮钢对冶炼工艺的要求与轴承钢一样苛刻，需要严格控制钢中的气体和杂质元素的含量，非金属夹杂物的含量、形态及分布，以及碳化物尺寸和均匀性等。齿轮钢冶炼有电弧炉熔炼、炉外精炼、真空感应（VIM）、电渣重熔（ESR）、真空自耗（VAR）和双真空熔炼（VIM-VAR）等工艺。航空齿轮钢对纯净度要求很高，一般要求采用双真空熔炼。有特殊要求的齿轮钢，还需要采用电炉初炼和炉外精炼进行原材料提纯，以提高纯净度。

为了满足中国航空齿轮提高承载能力、使用温度、耐久性和结构减重等的迫切需求，航空齿轮钢不断向表层超硬、心部超强高韧、耐高温、耐腐蚀等方向发展。2015年以来，中国研制了新一代超强耐热齿轮钢（CH2000），经渗碳和最终热处理后，抗拉强度2030兆帕，屈服强度1825兆帕，断裂韧度达到117兆帕·米^1/2，渗碳表层硬度达到66HRC以上，使用温度可达到450℃。上述齿轮钢优越的表层超硬化性、强韧性、耐热性和耐蚀性，亦可满足重载高速轴承的需求。