超硬刀具需求占比穩(wěn)步提升

       按照刀具材料不同，目前工業(yè)切削刀具可以主要分為高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷以 及超硬材料四類產(chǎn)品。機械加工早期主要采用高速鋼刀具；隨后，以硬質(zhì)合金和陶瓷刀具為代表的新型材料刀具開始逐步替代原有高速鋼刀具。隨著產(chǎn)業(yè)升級與技術進 步，超硬材料刀具開始廣泛應用于工業(yè)加工，并在部分領域替代硬質(zhì)合金和陶瓷刀具。

       超硬刀具屬于機械加工中用于切削、切割、磨削、銑削等工藝的高效加工工具， 屬于工業(yè)刀具的一部分，被譽為“工業(yè)的牙齒”。刀具的性能， 很大程度上決定了工業(yè)加工能力與生產(chǎn)效率。隨著社會的發(fā)展，機械加工工件的結(jié)構愈發(fā)復雜，下游產(chǎn)品市場需求不斷擴大，加工技術進入“高速、高效、復合、環(huán)保” 的發(fā)展新階段。同時，不斷涌現(xiàn)的難加工材料如硬質(zhì)金屬、 陶瓷、復合材料等，對加工刀具的性能提出了更高的要求，也加快了加工刀具的損耗速度。

       （一）人造金剛石

       金剛石刀具兼具硬度、耐磨性、導熱性等性能，但耐熱性和強度有所欠缺。主要用于高速條件下精細車削及鏜削有色金屬及其合金和非金屬材料，特別是加工高硬度耐磨難加工有色金屬合金以及非金屬材料，更能突出其壽命長等優(yōu)越性。以人造金剛石為材料制作而成的刀具分為天然金剛石、人造聚晶金剛石及復合聚晶金剛石刀具，我國研發(fā)的 FJ、JRS-F、JYF 等即屬于復合聚晶金剛石刀具。不同類別刀具性能存在一定差異，但對機床性能的總體要求較高，適用于精細加工。

       （二）立方氮化硼CBN 

       兼具硬度、耐磨性、穩(wěn)定性及高熱導率等性能，但強度及韌性較低。CBN 刀具有聚晶燒結(jié)塊和復合刀片兩種，F(xiàn)D、DLS-F、LDP-J-CF、CBNY 等即為我國研 發(fā)的復合刀片牌號。此類刀具適用于加工高硬度淬火鋼、高溫合金等，但因容易產(chǎn)生嚴重的積屑瘤會導致表面質(zhì)量惡化，一般不適于加工塑性大的鋼鐵金屬和鎳基合金、 鋁合金及銅合金。同時由于 CBN 脆性大，不宜低速切削，通常采用負前角高速切削 以發(fā)揮其在高溫時的硬度優(yōu)勢。

       刀具材料的切削性能和零件材料的切削加工性能以及加工條件為決定刀具選擇的關鍵因素。主要遵循原則為：（1）加工普通工件材料時，一般選用普通高速鋼與硬質(zhì)合金，加工難加工材料時，可選用高性能和新型刀具材料牌號，只有在加工高硬材 料或精密加工中常規(guī)刀具材料難以勝任時，才考慮用超硬材料立方氮化硼和金剛石。 （2）由于任何刀具材料在強度、韌性和硬度耐磨性兩者之間總是難以完全兼顧的， 在選擇刀具材料牌號時，根據(jù)零件材料切削加工性和加工條件，通常先考慮耐磨性， 崩刃問題盡可能用最佳幾何參數(shù)解決，如果因刀具材料性脆還要崩刃，再考慮降低耐磨性要求，選強度和韌性較好的牌號。一般來說，低速切削時，切削過程不平穩(wěn)，容易產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，宜選強度和韌性好的刀具材料，高速切削時，高的切削溫度對刀具材料的磨損影響最大，應選擇耐磨性好的刀具材料牌號。

       超硬刀具使用量占比逐年提升。超硬材料刀具所用的超硬材料主要是與天然金剛石的硬度、性能相近的人造金剛石和 CBN（立方氮化硼）。由于天然金剛石價格比較昂貴，所以生產(chǎn)上大多采用人造聚晶金剛石（ PCD）、聚晶立方氮化硼（ PCBN）， 以及它們的復合材料。以 PCD 和 PCBN 刀具為代表的超硬刀具具有比硬質(zhì)合金、 陶瓷刀具更高的硬度和更優(yōu)良的耐磨性能, 能適應更高的切削速度。

       超硬刀具國產(chǎn)替代空間廣闊

       超硬刀具行業(yè)上游原材料供應穩(wěn)定，下游應用領域廣泛。 超硬刀具行業(yè)的上游主要為生產(chǎn)聚晶金剛石（PCD）及復合片、聚晶立方氮化硼（PCBN）及復合片、大 尺寸單晶金剛石的企業(yè)。國內(nèi)廠商包括中南鉆石、黃河旋風等，行業(yè)的上游原材料市場競爭較為充分，供應充足；中游為從事超硬刀具生產(chǎn)制造業(yè)務的企業(yè)，主要包括鄭州鉆石精密、威海威硬、中天超硬、鼎泰高科、沃爾德等；下游刀具終端用戶包括美國卡特彼勒、韓國LG、京東方、華星光電、天馬微電子、友達光電、東旭光電等國內(nèi)外企業(yè)。

       隨著制造業(yè)高端化需求逐漸增多，超硬刀具憑借其在穩(wěn)定性、加工壽命和效率上的巨大優(yōu)勢，市場規(guī)模大體呈現(xiàn)增長趨勢。越來越多地應用在汽車、航空航天、軍工、 新能源、電子等行業(yè)的關鍵設備及零部件加工中，市場規(guī)模大體呈現(xiàn)增長趨勢。2021 年我國超硬刀具行業(yè)市場規(guī)模從 2013 年的 33.8 億元增長到 57.8 億元，預計 2023 年有望達到 73.12 億元。

       超硬刀具價格顯著高于硬質(zhì)合金刀具。雖然超硬刀具擁有的低損耗、耐用性、高精度等優(yōu)勢區(qū)間，但目前幾年超硬刀具的價格水平是硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)品的五-十倍，價格水平的鴻溝使得產(chǎn)品優(yōu)勢無法在生產(chǎn)中得到體現(xiàn)。目前從沃爾德 2022 年年報可 知，超硬刀具是硬質(zhì)合金刀具價格的四倍。

       超硬材料刀具制造強度大，技術門檻高，目前主要為發(fā)達國家制造商所控制，中國所占的市場份額較小，技術水平與美國、日本等發(fā)達國家相比還存在較大的差距。 中國能夠規(guī)?；a(chǎn)用于加工汽車、航空航天關鍵零件的超硬材料刀具企業(yè)數(shù)量較少， 高精度復雜結(jié)構的超硬材料刀具設計制造技術水平有待提高。在精加工領域，我國還需要進口一定量的超硬材料刀具。

       產(chǎn)品以中低端為主，國產(chǎn)替代空間巨大。超硬刀具制造中采用的合成技術、激光 加工技術等工藝要求高、掌握難度大，因此市場份額主要為海外供應商占據(jù)。我國超硬刀具生產(chǎn)商有近千家，但能夠規(guī)?；a(chǎn)用于汽車、航空航天等高端制造業(yè)精密刀具的企業(yè)較少，主要產(chǎn)品集中在中低端。從進出口情況來看，從行業(yè)進出口貿(mào)易情況 來看，隨著近年來國產(chǎn)替代進程的持續(xù)推進，我國超硬刀具進口量呈下降趨勢，出口量呈上漲趨勢。雖然我國超硬刀具出口量遠大于進口量，但由于進口主要以高附加值 的高端產(chǎn)品為主，使得我國超硬刀具進口金額較出口金額差距不大。具體來看，2021 年我國超硬刀具進口量為 130.65 噸，進口金額為 1.06 億美元；出口量為 9742.75 噸，出口金額為 2.43 億美元。

       差距不斷縮小，國內(nèi)龍頭企業(yè)產(chǎn)品性能遠高于行業(yè)標準。例如我國硬質(zhì)刀具龍頭沃爾德，在包括中國、歐美、日韓等在內(nèi)的全球范圍內(nèi)與瑞典山特維克集團、日本住友電氣工業(yè)株式會社、日本三星鉆石工業(yè)株式會社等業(yè)內(nèi)國際一流品牌企業(yè)直接競爭。 沃爾德的鉆石刀輪、部分高精密切削刀具打破了國外一流廠商在行業(yè)內(nèi)的壟斷，實現(xiàn)了在高端加工領域的進口替代，并逐步提升在全球市場的份額。產(chǎn)品的終端用戶包括美國卡特彼勒、韓國 LG、京東方、華星光電、天馬微電子、友達光電、東旭光電等 國內(nèi)外企業(yè)，以及德國奔馳、奧迪、寶馬等汽車廠商的核心部件供應商。

       下游行業(yè)加速開拓，消費電子復蘇打破行業(yè)天花板

       超硬刀具性能優(yōu)勢更為凸顯，終端應用領域不斷擴展。 超硬刀具有加工效率高、 使用壽命長和加工質(zhì)量好等特點，過去主要用在汽車制造、航天航空、電子信息等產(chǎn)業(yè)精加工，通過改進人造超硬刀具材料的生產(chǎn)工藝，控制原料純度和晶粒尺寸，不斷擴展其應用領域， 廣泛應用于包括各類型顯示屏、觸摸屏切割、電子產(chǎn)品的殼體加 工，汽車關鍵零部件加工，航空航天、軍工、新能源等行業(yè)關鍵設備及零部件加工，石材雕刻，硬質(zhì)塑料、陶瓷寶石加工領域。

       （一）汽車行業(yè)

       輕量化與高強度是電機外殼這類大型薄壁缸體的特征，除了很高的加工精度要求，還要達到必要的形狀精度，超硬刀具在滿足用戶精度要求的同時，給予客戶更高效的加工體驗。包括電驅(qū)系統(tǒng)電機殼、電驅(qū)后端蓋殼體、電驅(qū)變速箱殼體、卡鉗加工 方案、轉(zhuǎn)向節(jié)加工方案、轉(zhuǎn)向器齒條殼體、轉(zhuǎn)向器助力系統(tǒng)、球籠萬向節(jié)加工方案以 及空調(diào)壓縮機-渦旋盤等。

       新能源車高速發(fā)展，助推超硬刀具市場擴容。當前我國新能源車正處于高速發(fā)展期，2021 年、2022 年產(chǎn)量分別同比增長 154.81%/89.29%。目前來看，新能源車市已從政策驅(qū)動轉(zhuǎn)向市場拉動，呈現(xiàn)規(guī)模、質(zhì)量雙升局面，其精密化加工需求有望為超硬刀具創(chuàng)造廣闊市場容量，新能源車自主品牌的崛起也為超硬刀具的國產(chǎn)化提供機 會。

       （二）消費電子

       作為電子信息產(chǎn)業(yè)重要的配套，PCB 行業(yè)的技術通常需要適應下游電子終端設備的需求并向高密度化、高性能化方向發(fā)展，多層板、 HDI 板、高頻高速板、封裝 基板等產(chǎn)品占比將逐步提升。下游行業(yè)的應用需求對 PCB 刀具的精密度和穩(wěn)定性也提出了更高的要求，精細度較高的微鉆（規(guī)格在 0.2mm 及以下的鉆針）在未來 PCB 刀具產(chǎn)品中的應用占比將會呈現(xiàn)逐漸擴大的趨勢。 中國智能手機市場出貨量有望在 2023 年第四季度迎來拐點，實現(xiàn)近 10 個季度的首次反彈。隨著8月以來多個爆款新品的上市，中國智能手機市場熱度回暖，社會各界對于智能手機的關注度明顯高于上半年，消費者需求出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。IDC 中國手機月 度 sale out 零售數(shù)據(jù)顯示，今年第三季度中國智能手機實際零售量已實現(xiàn)同比增長 0.4%，10 月上半月依然延續(xù)同比增長趨勢。隨著各品牌大量競爭力十足的新產(chǎn)品集中上市以及年終電商平臺的促銷推動，新一輪換機周期逐漸開始。

       小米、三星、OPPO、華為等 3C 大廠紛紛推出鈦合金材質(zhì)打造零部件的產(chǎn)品。 2023 年 10 月 26 日，小米發(fā)布新機 Xiaomi 14 Pro，并推出鈦金屬特別版，是全球 首款使用鈦金屬作為中框的安卓手機。此前，2023 年 10 月 19 日，OPPO 發(fā)布新機 折疊屏 Find N3，鉸鏈采用航天級 MIM 合金，重量降低 7%，強度大幅提升，其中“潛 航黑”配色版以鈦合金作為攝像頭圓環(huán)材質(zhì)，是對鈦合金 3C 零部件的初步探索。更 早之前，2023 年 7 月，榮耀發(fā)布折疊屏手機 Magic V2，鉸鏈的軸蓋部分首次采用 鈦合金 3D 打印工藝，成為 3D 打印在手機上的首次規(guī)?；瘧?；9 月，蘋果發(fā)布 iPhone 15 Pro/Pro Max 采用鈦合金外殼。 鈦合金的難加工性提升消費電子對超硬刀具的需求量。電子產(chǎn)品金屬結(jié)構件一 般以不銹鋼和鋁合金為主，不銹鋼光澤感好，但重量不占優(yōu)勢；鋁合金有輕量優(yōu)勢， 但硬度一般。而鈦合金的強度高于不銹鋼，重量卻只有同體積不銹鋼的一半，能同時 做到硬度和重量兩者兼顧。由于鈦合金的傳統(tǒng)加工難度大，良率低，未來對刀具的要 求也越來越高。

       作為切削加工工藝研究體系中的核心要素，刀具技術的發(fā)展可為切削加工技術 帶來新的變革。為實現(xiàn)鈦合金構件的高質(zhì)高效切削加工，需要科學選用或設計開發(fā)高 性能切削刀具，相關技術包括刀具材料與刀具結(jié)構設計、刀具涂層制備、刀具切削參 數(shù)優(yōu)選、刀具加工狀態(tài)監(jiān)控及切削數(shù)據(jù)庫開發(fā)等。

       根據(jù)中國超硬材料網(wǎng)，超硬刀具在 3C 行業(yè)的應用，主要是在 3D 玻璃、陶資及 金屬外殼、中框加工以及鈦合金領域。隨著高速切削機床和超硬刀具材料的出現(xiàn)和發(fā)展，高速切削逐漸成為主流鈦合金加工工藝。眾所周知，高速切削可以大大提高加 工效率，使被加工工件的表面質(zhì)量提高 1~2 級，加工費用降低 20%~50%。同時，PCD 與 PCBN 兩種超硬刀具在鈦合金的高速切削中均具有刀具使用壽命長和加工 質(zhì)量高等明顯優(yōu)勢，未來批量化生產(chǎn)鈦合金結(jié)構件時，超硬刀具逐漸成為可選項。