机床行业系列专题（五）：刀具——超硬刀具行业浅析

刀具材料不同会较大程度地影响加工精度、表面加工质量、刀具寿命、切削加工效率和生产成本等诸多方面，因此刀具材料应具备高硬度、高强度及韧性、耐磨耐热性好、加工性能优良、性价比高等特点。超硬刀具即是在现代工程材料加工对于生产效率及加工质量的更高要求下应运而生的。超硬刀具主要为金刚石与立方氮化硼两类五小类，其中以人造金刚石复合片（PCD）刀具及立方氮化硼复合片（PCBN）刀具占主导地位。 依托超硬材料特性在精加工环节占据优势，行业规模不断增大。 金刚石刀具多用于高速状态下加工有色金属和非金属材料，如各种耐磨有色金属及非金属。立方氮化硼刀具由于其对铁族金属的化学惰性，可广泛应用于黑色金属等难切削加工材料的高速切削加工。超硬刀具凭借材料特性优势，带动如硬切削技术在汽车工业、模具、机床等应用领域得到了极佳的效果，既缩短了工艺路线，又提高了加工效率。我国在超硬材料方面具有明显的资源优势，行业上游原材料市场竞争充分，供应充足。2021年我国超硬刀具行业市场规模已增长至57.80亿元，预计2023年市场规模有望达到73.12亿元。国外品牌占据行业竞争优势地位，国内企业起步较晚不断追赶。 下游新应用场景不断涌现，有望成为部分场景下的优选。新兴材料不断迭代，最终形成行业内多种材料刀具共存态势。刀具下游应用领域广泛、产品需求差异大，难以出现绝对主流，性价比是影响市占率的关键。一方面，超硬材料刀具整体上技术含量更高，生产工艺更为复杂，工业生产制造过程中部分工件的加工已无法继续使用传统硬质合金刀具。另一方面，现阶段超硬刀具的价格水平是硬质合金刀具产品的十数倍乃至几十倍，价格水平的鸿沟使得本来超硬刀具拥有的低损耗、耐用性、高精度等优势区间，在规模化生产中无法体现出优势。未来生产成本若能逐步降低，有望成为部分应用场景下的更优选择。一）汽车。超硬刀具已大量应用在汽车行业的精密加工中，加工技术成熟；二）航空航天。超硬刀具凭借刀具寿命、加工精度及稳定性优势打开航空航天领域市场；三）消费电子。3C行业精密结构件开始引入钛合金等高端材料，使用超硬刀具加工性价比优势显现；四）人形机器人。超硬刀具能够满足硬铣工艺要求，提升滚珠丝杠性能及产能，人形机器人打开滚柱丝杠想象空间。 风险提示： 超硬刀具市场竞争加剧风险；下游新应用场景起量不达预期风险；国内制造业复苏不及预期风险。 1超硬刀具行业：行业规模及应用领域不断拓宽，规模效应有望促进成本下降 1.1依托超硬材料特性在精加工环节占据优势，行业规模不断增大 刀具材料不同会较大程度地影响加工精度、表面加工质量、刀具寿命、切削加工效率和生产成本等诸多方面。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。因此，刀具材料应具备如下一些基本性能： （1）硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。 （2）强度和韧性：刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刃。 （3）耐热性：刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。 （4）工艺性能和经济性：刀具材料应具备好的锻造、热处理、焊接、磨削加工性能等，而且要追求高的性价比。 图表1：不同刀具材料性能参数对比 超硬刀具即是在现代工程材料加工对于生产效率及加工质量的更高要求下应运而生的。超硬刀具材料，主要为金刚石与立方氮化硼两类，其化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料（硬质合金、高速钢等）不同，立方氮化硼（CBN）晶体结构为面心立方体，金刚石由碳元素转化而成，其晶体结构与立方氮化硼相似。它们的硬度大大高于其他物质，同时具备高耐磨耐热性、良好的导热性、工艺性以及较低的摩擦系数等特点。实际使用中，尤以人造金刚石复合片（PCD）刀具及立方氮化硼复合片（PCBN）刀具占主导地位。 图表2：超硬刀具材料主要分类 金刚石刀具主要分为①单晶金刚石刀具；②聚晶金刚石刀具：20世纪60年代发展起来，以石墨为原料加入催化剂经高温高压烧结而成，成本远低于天然金刚石；③CVD金刚石刀具：采用化学气相沉积的方法，在异质基体（如硬质合金、陶瓷等）上合成金刚石膜，拥有与金刚石相似的结构和特性，在木材加工和修整刀具上有一定的应用。 特性方面，首先，金刚石是目前已经发现的自然界中最硬的材料，显微硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的60-120倍，在加工高硬度材料时，寿命是硬质合金刀具的十到一百甚至数百倍。其次，单晶金刚石的刀刃钝圆一般达0.1-0.5μm，天然金刚石刀具可高达0.005-0.008μm，能够进行超薄切削和超精密加工。同时，其与有色金属之间的摩擦系数通常在0.1-0.3之间，约为硬质合金刀具的一半，加工时切削力小。另外，金刚石的热导率为硬质合金的1.5-9倍，热膨胀系数为硬质合金的几分之一，约为高速钢的1/10。切削热容易散出，因切削热变形情况也很小，非常适合精密加工。 应用方面，金刚石刀具多用于高速状态下加工有色金属和非金属材料，如各种耐磨有色金属（硅铝合金、铜和铜合金、硬质合金等）、耐磨非金属（陶瓷材料、石墨材料、塑料橡胶、玻璃钢等）。不足之处一是热稳定性相对较差，在切削温度超过700℃时，硬度就会变低，二是不适合切削黑色金属，因为金刚石中的碳原子在高温下容易与铁原子作用，造成刀具损坏。 图表3：金刚石刀具实物图 图表4：立方氮化硼刀具实物图 立方氮化硼（CBN）是利用高温高压技术人工合成的又一超硬刀具材料，由于单晶CBN的粒径小，且存在易劈裂的“解理面”，无法直接用于制造刀具，所以用于切削刀具的大多数是聚晶立方氮化硼（PCBN）。PCBN是在高温高压下将细微的CBN材料通过结合相（TiC、TiN、Al、Ti等）烧结在一起的多晶材料，PCBN刀具可分为①整体PCBN刀片：通体由PCBN烧结而成，切削刃多，适合大切削、高速切削；②PCBN复合刀片：是在强度和韧性较好的硬质合金基体上焊接PCBN，可以兼顾较好的韧性和较高的硬度及耐磨性，分为整体焊接、整体复合及复合焊接等。 特性方面，CBN的显微硬度可达8000-9000HV，热导率为79.54W（m·K），在硬度和热导率方面仅次于金刚石，且热稳定性（1300~1500℃）非常好，比金刚石高出近一倍，同时其对于黑色金属有极强的化学稳定性，与铁系材料在1200-1300℃时也不起化学反应，并具有很高的抗氧化能力，目前广泛应用于铸铁和淬火硬钢制品的切削加工中。 应用方面，鉴于立方氮化硼刀具材料对于铁族金属的化学惰性，可广泛应用于黑色金属的高速切削加工，如淬火硬钢、高锰钢、灰铸铁、冷硬铸铁、合金铸铁等难切削加工材料。CBN刀具的不足之处一是不宜用于低速、冲击载荷较大的粗加工，二是不适合切削塑性大、硬度低的材料，如软的铁系金属、铜合金、铝合金等，因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤，在精加工过程中使加工表面恶化，刀具耐用度降低。 许多加工新概念如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬切削加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的应用而起，例如超硬刀具带动的硬切削技术（对高硬度材料直接进行切削加工）在汽车工业、模具、机床等应用领域得到了极佳的效果，直接采用CBN刀具加工铸铁件和淬硬钢件，既缩短了工艺路线，又提高了加工效率，取得了较好的经济效果。 图表5：超硬刀具产业链上下游 行业上游原材料市场竞争充分，供应充足。超硬刀具行业上游主要为生产聚晶金刚石及复合片、聚晶立方氮化硼及复合片、大尺寸单晶金刚石的企业。国外厂商主要有英国元素六、韩国日进集团、美国DI公司等，国内厂商主要有中南钻石、黄河旋风、四方达等大量企业。我国在超硬材料方面具有明显的资源优势，目前我国金刚石产量占世界总产量的80%以上，立方氮化硼产量占世界总产量的60%以上，2020-2022年我国人造金刚石产量分别为148.74亿克拉、162.35亿克拉、162.95亿克拉，中国已经是世界第一大超硬材料生产国。 图表6：2013-2023E我国超硬刀具行业市场规模、结构及同比增速 超硬刀具行业规模不断扩大，发展前景广阔。根据智研咨询及中商情报网统计预测数据，2021年我国超硬刀具行业市场规模已经从2013年的33.83亿元增长到57.80亿元，期间除2019-2020年受中美贸易摩擦及疫情等因素影响，产业规模有所下滑以外，一直保持两位数的正增长，预计2023年我国超硬刀具行业市场规模有望达到73.12亿元，其中金刚石刀具市场占比43.97%，PCBN刀具市场占比56.03%。 行业下游用途广泛，汽车工业发展为主要推动力。超硬刀具用途十分广泛，下游市场包括各类型显示屏、触摸屏切割，电子产品的壳体加工，汽车关键零部件加工，航空航天、军工、新能源等行业关键设备及部件加工等领域。汽车工业是我国超硬刀具最大的下游应用领域，占比近70%。随着新能源汽车的快速发展和逐渐普及，车身轻量化需求带动铝合金等轻质材料在汽车工业中的运用比例迅速攀升，推动了超硬刀具行业快速发展。 图表7：超硬刀具行业企业竞争格局 国外品牌占据行业竞争优势地位，国内企业起步较晚不断追赶。近年来，我国超硬刀具行业发展迅速，正逐步向中高端市场进军，但现阶段超硬刀具行业占据优势地位的仍然是欧美日等老牌刀具企业，代表企业有瑞典山特维克、美国肯纳金属、日本住友，国际龙头企业能够提供超硬刀具上下游全产业链服务，竞争实力较强。国内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，代表企业主要有上市公司北京沃尔德超硬工具有限公司，非上市的郑州市钻石精密制造有限公司、威海威硬工具股份有限公司、深圳市中天超硬工具股份有限公司等，主要以性价比优势逐步开拓市场。 1.2下游新应用场景不断涌现，有望成为部分场景下的优选 新兴材料不断迭代，最终形成行业内多种材料刀具共存态势。行业早期主要采用高速钢刀具，随后硬质合金和陶瓷刀具出现并逐步替代高速钢刀具，近年来超硬材料刀具发展迅速并在部分领域替代陶瓷和硬质合金刀具，目前看来并非性能参数更优的新材料会一家独大，而是呈现出多种材料刀具共存的情形。 刀具下游应用领域广泛、产品需求差异大，难以出现绝对主流，性价比是影响市占率的关键。超硬刀具与硬质合金、陶瓷刀具在部分领域应用存在重合，刀具下游企业在选择不同材料刀具时会综合考虑加工效率、加工精度与刀具成本。 在低硬度、易加工材料和加工精度相对较低的领域，硬质合金与陶瓷刀具较超硬材料刀具加工效率较低、寿命较短，但是产品单价更具优势，企业通常使用硬质合金与陶瓷刀具进行加工。在高硬度、难加工材料和加工精度要求高的领域，超硬刀具由于使用寿命长，加工效率高，加工精度高，逐渐替代传统硬质合金和陶瓷刀具，有望成为细分领域的市场主流。目前，硬质合金、陶瓷和超硬材料刀具均处于快速发展期间，且硬质合金刀具占据绝大部分市场份额，规模效应显著，超硬刀具只有在加工效率、使用寿命、加工精度和使用成本等多方面因素综合考量中更具综合优势，才能实现在重合应用领域市占率的替代。 超硬刀具有望成为部分应用场景下的更优选择。一方面，相较于硬质合金刀具、陶瓷刀具，超硬材料刀具整体上技术含量更高，生产工艺更为复杂。近年来，随着我国高端制造、精密制造和新材料行业持续稳步发展，工业生产制造过程中部分工件的加工已无法继续使用传统的硬质合金、陶瓷刀具，转而使用金刚石或立方氮化硼刀具。另一方面，现阶段超硬刀具的价格水平是硬质合金刀具产品的十数倍乃至几十倍，价格水平的鸿沟使得本来超硬刀具拥有的低损耗、耐用性、高精度等优势区间，在规模化生产中无法体现出优势。未来，随着超硬刀具生产、加工技术的进步，如果金刚石和立方氮化硼刀具的生产成本能够逐步降低，逐渐显现出相较传统刀具的经济优势，那么在部分有色金属、复合材料加工领域，硬质合金、陶瓷刀具将逐渐被替代，新型超硬刀具将成为性能更佳、效率更高、综合成本更低的选择。 图表8：超硬刀具与硬质合金刀具价格水平 图表9：超硬刀具与硬质合金刀具价格对比 材料为主。由于航空航天零部