北交所行业主题报告：刀具加工进入“超硬”时代，受益高端制造升级放量

超硬刀具替代普通刀具成为工业趋势，2021年中国超硬刀具规模57.80亿元刀具作为工业机床的“牙齿”，是高档数控机床的重要组成部分，在机械加工中发挥着不可替代的关键作用。根据四届切削刀具用户调查分析报告数据，目前我国刀具市场应用最多的是硬质合金，约占刀具市场的53%以上，随着难加工材料应用的增加，超硬刀具的使用量日益增长，份额提升至14%。超硬刀具是指用立方氮化硼以及金刚石为代表的超硬材料制成的刀具总称。根据富耐克招股说明书数据显示，2021年中国超硬刀具市场规模57.80亿元，其中PCBN刀具占据主导地位，规模为33亿元，占比为57%左右，金刚石刀具市场规模为24.80亿元，占比43%左右。 国内尚未形成行业内龙头，市场份额有望向富耐克等领跑企业集中 目前全球超硬刀具行业呈现寡头竞争格局，市场参与者由上而下分为欧美、日韩、中国三个梯队。全球超硬刀具高端市场份额被欧美所占据，国内方面，我国超硬刀具相关制造企业已超千家，但市场较为分散，整体集中度低，尚未形成龙头企业。近年来随着国内消费结构调整加速、刀具企业不断提高技术水平，相关企业竞争力有所提升。到目前国内已经出现了沃尔德、富耐克、威硬工具、奔朗新材、中天超硬等一批领跑企业，根据华经产业研究院数据显示，2020年我国超硬刀具市场中，沃尔德占比为4%，富耐克占比为2.9%，威硬工具占比为1.6%。 机床数控化渗透率提高+“1+N”下游应用布局共促超硬刀具行业向好发展随着全球市场对于制造加工的高端化需求增加，高档数控机床需求的占比有望提高，预期带动机床的核心零部件及重要耗材——超硬刀具的需求增加。根据中商情报网数据显示，2021年我国金属切削机床数控化率已达到44.85%，但与美国等发达国家80%左右的数控化率水平仍存在较大差距。《中国制造2025》战略纲领中明确提出：“2025年中国的关键工序数控化率预期从现在的33%提升到64%。”在政策鼓励、经济发展和产业升级等因素影响下，在增量替代与存量更新的趋势下，未来我国数控机床行业将迎来广阔的发展空间。超硬刀具作为现代机械加工必不可少的耗材之一，通过发挥其加工效率高、精度高等优势，下游能广泛应用于汽车工业、电子信息等产业的切削加工，有望推动相关下游应用领域的革命性变革。下游产业的发展，也反之带动了立方氮化硼刀具的更新迭代，创造了新的市场需求。汽车工业是我国超硬刀具最大的下游应用领域，占比约为70%左右，超硬刀具主要用于对汽车发动机、变速器、制动盘等核心汽车零部件的切削加工。根据国家统计局数据显示，2021年我国汽车零部件制造业营收规模达40668亿元。在国家政策的支持下，后期超硬刀具市场应用将围绕“1+N”市场发展快速扩张，从而推动了我国超硬刀具行业发展。从公司标的来看，富耐克、奔朗新材拟登陆北交所，威硬工具在新三板市场挂牌。 风险提示：宏观经济波动及产业政策变化、市场竞争加剧、国际贸易摩擦 1、行业概览：切削刀具是工业机床的“牙齿”，超硬刀具替代 普通刀具成为工业市场趋势 1.1、2021年我国刀具市场规模达477亿元，国产化刀具市场份额达71% 刀具是高档数控机床的重要组成部分。刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。《中国制造2025》围绕实现制造强国的战略目标，明确了九项战略任务和重点，将高档数控机床和机器人列为大力推动突破发展的重点领域之一，指出要开发一批精密、高速、高效、柔性数控机床与基础制造装备及集成制造系统。而刀具作为工业机床的“牙齿”，是高档数控机床的重要组成部分，对于提升机床的精密、高速和高效等方面的性能有直接的影响，以高精度、高效率、高可靠性为特点的现代切削刀具已成为现代制造体系中的高端最终执行部件，在机械加工中发挥着不可替代的关键作用。 图1：刀具是工业机床的“牙齿”，是数控机床重要组成部分 国产刀具占比逐年提升，2021年达71%。根据中国机床工具工业协会工具分会数据显示，我国刀具市场总规模从2020年的421亿元增长到2021年的477亿元，同比增长13.3％。其中国产刀具约339亿元，占比71%，同比增长17%；进口刀具138亿元，占比29%，同比增长5.3%。 图2：2021年中国刀具市场规模达477亿元 图3：2021年国产刀具市场规模达339亿元，占比71% 刀具按照材料可分为硬质合金、高速钢、陶瓷、超硬材料(立方氮化硼、金刚石)四大类。不同物质的刀具因其化学、物理性能的不同，分别适用于不同的加工场景。 表1：PCBN、PCD刀具分别适合黑色金属以及有色金属或者非金属的切削加工 表2：不同物质的刀具因其化学、物理性能的不同，分别适用于不同的加工场景 纵观2008年到2018年间第二至四届切削刀具用户调查分析报告数据，目前应用最多的是硬质合金，约占刀具的53%以上，高速钢的用量约占21%以上，随着难加工材料应用的增加，陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增长，虽然硬质合金材料市场份额仍占比较高，但相比往年已逐渐降低，陶瓷、超硬材料刀具都分别有一定的份额提升，份额分别提升至8%及14%。这三种材料使用量的变化与切削速度及被加工工件表面精度的提升密不可分。 图4：硬质合金、高速钢刀具份额下降至53%及21% 图5：超硬材料刀具份额提升至14% 1.2、超硬刀具逐渐替代硬质合金刀具等市场份额，2021年我国超硬刀具市场规模达57.8亿元 超硬刀具是指用立方氮化硼以及金刚石为代表的超硬材料制成的刀具总称。随着我国工业的不断快速发展，机械加工工件的结构愈发复杂，加工技术进入“高速、高效、复合、环保”的发展新阶段。同时，不断涌现的难加工材料如硬质金属、陶瓷、复合材料等，对加工刀具的性能提出了更高的要求，这也促使国内相关厂商在超硬刀具领域加大了相应资金投入和技术研发力度。超硬刀具具有高速、高效和高精切削加工的优异性能，替代硬质合金等普通刀具的发展趋势已不可逆转。 表3：立方氮化硼具备更好的热稳定性、化学惰性等，金刚石拥有更好的硬度 在国家政策的支持下，超硬刀具行业正迎来历史性的战略发展机遇，根据智研咨询数据显示，2021年中国超硬刀具市场规模57.80亿元，其中PCBN刀具占据主导地位，规模为33亿元，占比为57%左右，金刚石刀具市场规模为24.80亿元，占比43%左右。 图6：2021年中国超硬刀具市场规模达57.8亿元 图7：我国PCBN、金刚石刀具市场规模达33、27.8亿元 目前，我国超硬刀具相关制造企业已超千家，主要分布于长江三角洲、珠江三角洲和环渤海等市场经济和民营经济较为发达的地区，技术水平较低的生产企业为主，高端超硬刀具生产企业并不多，行业集中度较低。根据华经产业研究院数据显示，2020年我国超硬刀具市场中，沃尔德占比为4%，富耐克占比为2.9%，威硬工具占比为1.6%。随着我国制造业企业由粗放式生产向精细化生产转变，对刀具的质量、品牌提出更高要求，传统小型刀具厂商逐步退出，市场份额有望逐步向技术领先、品质更高的头部企业集中。 图8：我国高端超硬刀具生产企业所占市场份额较少，行业集中度低 本篇报告上述介绍了超硬刀具材料分为立方氮化硼以及金刚石两类，下述将分开详细介绍两类材料的具体情况。 立方氮化硼 立方氮化硼是氮与硼的化合物，是以六方晶系的六方氮化硼为原料，在约5-7GPa高压及1500℃-1800℃高温下合成的具备高耐磨、耐高温、耐腐蚀等特性的新型超硬材料。相较于金刚石，立方氮化硼对铁族金属元素有较大的化学惰性，是目前已知的加工黑色金属较为理想的高效、节能环保材料。 磨料是指在磨削加工过程中起磨削作用的硬质材料的总称，主要用于制作磨具，也可作为产品直接用于研磨、抛光，磨具主要包括砂轮、砂布和砂纸等。按硬度不同，磨料可分为超硬磨料和普通磨料，其中超硬磨料主要为立方氮化硼磨料和金刚石磨料，普通磨料主要包括刚玉和碳化硅。立方氮化硼磨料亦是立方氮化硼超硬刀具的主要原材料。 图9：立方氮化硼磨料是立方氮化硼超硬刀具的主要原材料 表4：立方氮化硼磨料具有良好的硬度、抗压强度及导热性 立方氮化硼刀具主要由聚晶立方氮化硼制成，聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼作为主要原材料与结合剂在高温(1200-200℃)超高压(4.5-9.0GPa)条件下烧结而成的聚晶体。 目前，行业内习惯将聚晶立方氮化硼和聚晶立方氮化硼复合片统称为PCBN。立方氮化硼以六方氮化硼为原材料，六方氮化硼由于其优异的性能（如化学惰性，导热性，高电阻等）而在不同的垂直行业中得到了应用，会在未来几年加速全球需求的创造。 根据市场研究未来（MRFR）数据显示，全球六方氮化硼市场预计在2017年至2023年以6.00%的复合年增长率发展，预计市场规模从2017年的6.10亿美元达到2023年的9.17亿美元；根据QYResearch调研数据显示，2021年全球立方氮化硼市场规模大约为2950亿元，预计2028年达到6138亿元，2021-2028期间CAGR为11.03%。 图10：预计2023年全球六方氮化硼规模达9.17亿美元 图11：预计2028年全球立方氮化硼规模达6138亿元 2012年之前，国内立方氮化硼的开发和应用尚处于成长阶段，主要原因是立方氮化硼磨料作为一种新材料，客户对其认知度不高，市场推广较为缓慢，并且立方氮化硼磨料合成技术门槛高，制约了其磨料市场的发展。2012年后，随着立方氮化硼磨具在汽车、航空航天、轴承、齿轮等领域的应用，其优异的加工特性及稳定性得到了机械加工行业的认可，立方氮化硼磨料的核心生产技术也取得了较大的突破，立方氮化硼磨料产业进入了一个快速发展时期。 表5：2018年我国立方氮化硼年产量达5.4亿克拉 金刚石 金刚石按照成因可分为天然金刚石和人造金刚石。天然金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产，其中质优粒大、可用于制作饰品的宝石级金刚石被称为天然钻石，矿藏储量不高且采掘难度较大，无法被大范围应用于工业领域。 全球工业用金刚石主要是人造金刚石，人造金刚石是通过人工模拟天然金刚石结晶条件和生长环境采用科学方法合成出来的金刚石晶体，不仅具有超硬、耐磨和抗腐蚀等优异力学特性，还具有其他材料无可比拟的热学、光学、声学、电学和化学等优异性能，属于高效、高精、半永久性、节能、绿色环保型材料，对其他高新技术产业的支撑作用极大，享有“材料之王”的美誉。 目前全球人造金刚石行业主要有高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）两大类生产方法。化学气相沉积法（CVD）的发展并非替代高温高压法（HTHP），因为两者采用完全不同的合成原理和合成技术，生产出的产品类型和产品特点也各不相同，主要产业应用也侧重在不同的终端领域。就我国目前人造金刚石行业的实际发展情况而言，主要采用高温高压法（HTHP），在未来相当长的时间内，高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）预计保持共同发展的态势，这是人造金刚石行业的基本特色。 表6：HTHP法合成的产品突出力学性能，CVD法突出光、电、磁等性能 金刚石微粉是金刚石单晶经过破碎、球磨等加工后形成的微米级或亚微米级超细金刚石粉体，主要用于制造磨削工具，在材料的精细加工中应用普遍，终端应用领域侧重精密机械加工、清洁能源、消费电子、半导体等领域。随着下游金刚石工具产品升级和应用领域不断拓展，对金刚石微粉产品性能和品质提出更高要求，行业集中化趋势不断加强。 人造金刚石的工业应用主要包括两个方面，一是利用人造金刚石超硬、耐磨、抗腐蚀的力学特性，可制作各类金刚石工具，其一般可划分为锯切工具、磨削工具和钻进工具，应用于金属及合金材料、高硬脆材料、软韧材料及其他难加工材料的加工；二是利用人造金刚石在光、电、声、磁、热等方面的特殊性能，作为重要的功能性材料，应用于电子电器、装备制造、航空航天、国防军工、医疗检测和治疗等高科技领域。 金刚石工具广泛应用于石材、玻璃、陶瓷、硅片、硬质金属、合金、宝石、玛瑙、玉器等各类材料的切、削、磨、钻，其终端应用已涵盖建材石材、装备制造、汽车制造、家用电器、电子电器、清洁