超硬材料的特性使其在精密加工領(lǐng)域具備顯著優(yōu)勢，推動了行業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)展。金剛石刀具主要用于高速加工有色金屬和非金屬材料，如耐磨有色金屬及非金屬材料。而立方氮化硼刀具由于對鐵族金屬具有化學(xué)惰性，廣泛應(yīng)用于黑色金屬等難以加工的材料的高速切削領(lǐng)域。超硬刀具憑借材料的獨(dú)特優(yōu)勢，在汽車工業(yè)、模具制造和機(jī)床加工等應(yīng)用領(lǐng)域取得了顯著成果，不僅優(yōu)化了工藝流程，還大幅提升了加工效率。中國在超硬材料領(lǐng)域擁有顯著的資源優(yōu)勢，上游原材料市場競爭充分且供應(yīng)充足。2023年，我國超硬刀具行業(yè)的市場規(guī)模突破70億元，盡管國外品牌在行業(yè)競爭中占據(jù)了優(yōu)勢地位，國內(nèi)企業(yè)雖然起步較晚，但正在快速追趕，市場差距逐步減小。

       隨著下游新應(yīng)用場景的不斷拓展，超硬刀具有望在部分領(lǐng)域中成為優(yōu)先選擇。新材料的不斷迭代，使行業(yè)呈現(xiàn)出多種刀具材料并存的態(tài)勢。由于刀具的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，且各類產(chǎn)品需求存在較大差異，因此很難形成單一的主流產(chǎn)品，性價比成為市場占有率的重要決定因素。一方面，超硬材料刀具技術(shù)含量較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，許多工業(yè)制造工序已經(jīng)難以繼續(xù)使用傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具。另一方面，現(xiàn)階段超硬刀具的價格遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具，價格差距使得其在規(guī)?；a(chǎn)中的成本優(yōu)勢難以顯現(xiàn)。然而，隨著未來生產(chǎn)成本的下降，超硬刀具有望在某些應(yīng)用場景中脫穎而出。具體應(yīng)用包括：1) 汽車行業(yè)，超硬刀具已廣泛用于精密加工，技術(shù)較為成熟；2) 航空航天，超硬刀具憑借其刀具壽命、加工精度和穩(wěn)定性，逐步進(jìn)入該領(lǐng)域；3) 消費(fèi)電子，3C行業(yè)的精密結(jié)構(gòu)件加工開始引入鈦合金等高端材料，使用超硬刀具的性價比優(yōu)勢開始顯現(xiàn)；4) 人形機(jī)器人，超硬刀具能夠滿足硬銑加工的要求，有助于提升滾珠絲杠的性能和生產(chǎn)能力，人形機(jī)器人應(yīng)用場景也因此具有了更廣泛的想象空間。

       行業(yè)規(guī)模及應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，規(guī)模效應(yīng)有望促進(jìn)成本下降 

       刀具材料的選擇對加工精度、表面質(zhì)量、刀具壽命、切削效率以及生產(chǎn)成本等方面都有顯著影響。由于刀具在切削過程中需承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動等多種作用力，因此刀具材料必須具備以下基本性能：首先，材料的硬度和耐磨性至關(guān)重要，刀具材料的硬度應(yīng)高于工件材料，且硬度越高，其耐磨性越好。其次，材料需要具備較高的強(qiáng)度和韌性，以承受切削時的力、沖擊和振動，防止刀具的脆性斷裂或崩刃。此外，刀具材料還需具備良好的耐熱性，能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定，并具備出色的抗氧化能力。最后，刀具材料應(yīng)具有良好的工藝性能，如鍛造、熱處理、焊接和磨削等，同時具備較高的經(jīng)濟(jì)性，確保在滿足加工需求的同時實(shí)現(xiàn)較高的性價比。

       超硬刀具是在現(xiàn)代工程材料加工對生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量提出更高要求的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。超硬刀具材料主要包括金剛石和立方氮化硼（CBN）兩類，其化學(xué)成分和硬度的形成機(jī)制與其他刀具材料如硬質(zhì)合金和高速鋼有所不同。立方氮化硼具有面心立方體的晶體結(jié)構(gòu)，而金剛石則由碳元素構(gòu)成，其晶體結(jié)構(gòu)與立方氮化硼相似。相比其他材料，它們具有極高的硬度，同時表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性和耐熱性、良好的導(dǎo)熱性能、工藝性能，以及較低的摩擦系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，人造金剛石復(fù)合片（PCD）刀具和立方氮化硼復(fù)合片（PCBN）刀具是市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。

       金剛石刀具

       金剛石刀具可分為三種類型：①單晶金剛石刀具；②聚晶金剛石刀具（PCD）：20世紀(jì)60年代誕生，以石墨為原料，加入催化劑后在高溫高壓條件下燒結(jié)而成，生產(chǎn)成本明顯低于天然金剛石；③CVD金剛石刀具：通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在不同基材（如硬質(zhì)合金或陶瓷）表面生成金剛石涂層，具備與天然金剛石相近的結(jié)構(gòu)與性能，廣泛用于木材加工和刀具修整等領(lǐng)域。

       金剛石具備獨(dú)特的特性，是目前發(fā)現(xiàn)的最硬的天然材料，顯微硬度高達(dá)10000HV，其耐磨性是硬質(zhì)合金的60到120倍，加工高硬度材料時，使用壽命可比硬質(zhì)合金刀具長10到數(shù)百倍。單晶金剛石的刀刃鈍圓半徑一般為0.1-0.5μm，天然金剛石刀具甚至可達(dá)到0.005-0.008μm，適合超薄切削和超精密加工。此外，金剛石與有色金屬之間的摩擦系數(shù)較低，約為0.1-0.3，是硬質(zhì)合金刀具的一半左右，從而顯著降低切削力。金剛石的熱導(dǎo)率為硬質(zhì)合金的1.5-9倍，而其熱膨脹系數(shù)僅為高速鋼的1/10，切削熱容易散出，變形極小，特別適用于精密加工。

       在應(yīng)用方面，金剛石刀具主要用于高速切削有色金屬和非金屬材料，如耐磨的硅鋁合金、銅及其合金，以及陶瓷、石墨、塑料、橡膠和玻璃纖維等非金屬材料。然而，金剛石刀具也存在一些局限性。首先，其熱穩(wěn)定性較差，切削溫度超過700℃時硬度會下降；其次，它不適合切削黑色金屬，因?yàn)楦邷叵陆饎偸械奶荚訒c鐵原子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致刀具受損。

金剛石刀具實(shí)物圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       立方氮化硼刀具

       立方氮化硼（CBN）是一種通過高溫高壓技術(shù)人工合成的超硬刀具材料。由于單晶CBN顆粒較小且具有易劈裂的“解理面”，無法直接用于刀具制造，通常使用的是聚晶立方氮化硼（PCBN）。PCBN是在高溫高壓下通過結(jié)合相（如TiC、TiN、Al、Ti等）將細(xì)小的CBN材料燒結(jié)而成的多晶材料。PCBN刀具可分為兩類：①整體PCBN刀片，刀片全由PCBN燒結(jié)而成，適合大切削量和高速切削；②PCBN復(fù)合刀片，將PCBN焊接在硬質(zhì)合金基體上，兼具高硬度和耐磨性，以及較好的韌性。

       CBN的顯微硬度達(dá)8000-9000HV，熱導(dǎo)率為79.54W/m·K，硬度和熱導(dǎo)率僅次于金剛石，且其熱穩(wěn)定性可達(dá)1300~1500℃，是金剛石的兩倍左右。同時，CBN對黑色金屬有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，在1200-1300℃下與鐵系材料不發(fā)生反應(yīng)，并具有優(yōu)良的抗氧化能力，廣泛應(yīng)用于鑄鐵和淬硬鋼等材料的切削加工。

       在應(yīng)用上，CBN刀具由于對鐵族金屬具有化學(xué)惰性，適用于黑色金屬的高速切削，如淬火硬鋼、高錳鋼、灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和合金鑄鐵等難加工材料。然而，CBN刀具也有局限性：不適合用于低速或沖擊載荷大的粗加工，也不適合切削塑性大、硬度低的材料，如軟鐵、銅合金和鋁合金等，這些材料在切削時容易產(chǎn)生積屑瘤，影響加工表面質(zhì)量，并降低刀具壽命。

       隨著超硬刀具的應(yīng)用，一些新的加工理念逐漸興起，如綠色加工、以車代磨、硬切削、高速切削和干式切削等。例如，在汽車工業(yè)、模具和機(jī)床領(lǐng)域，硬切削技術(shù)借助CBN刀具對高硬度材料進(jìn)行直接加工，既縮短了工藝流程，又提高了加工效率，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

立方氮化硼刀具 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       產(chǎn)業(yè)鏈情況

       我國超硬刀具行業(yè)上游原材料市場競爭激烈，供應(yīng)充足，主要集中在聚晶金剛石、立方氮化硼及其復(fù)合片、大尺寸單晶金剛石等領(lǐng)域。國外知名廠商包括英國元素六、韓國日進(jìn)集團(tuán)和美國DI公司等，國內(nèi)則有中南鉆石、黃河旋風(fēng)、四方達(dá)等多家企業(yè)。中國在超硬材料領(lǐng)域占據(jù)全球資源優(yōu)勢，目前金剛石產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的80%以上，立方氮化硼產(chǎn)量占60%以上。2020至2022年，中國人造金剛石的年產(chǎn)量分別達(dá)到148.74億克拉、162.35億克拉和162.95億克拉，已成為全球最大的超硬材料生產(chǎn)國。

       在下游應(yīng)用方面，超硬刀具被廣泛用于多個行業(yè)，包括顯示屏、觸摸屏切割，電子產(chǎn)品殼體加工，汽車關(guān)鍵零部件制造，航空航天、軍工及新能源領(lǐng)域的設(shè)備與零部件加工等。其中，汽車工業(yè)是超硬刀具最大的應(yīng)用市場，占比接近70%。新能源汽車的快速發(fā)展推動了車身輕量化的需求，鋁合金等輕質(zhì)材料在汽車制造中的使用大幅增加，進(jìn)一步促進(jìn)了超硬刀具行業(yè)的快速增長。

       盡管國內(nèi)超硬刀具行業(yè)發(fā)展迅速，但目前歐美和日本的企業(yè)仍占據(jù)主導(dǎo)地位。國際知名企業(yè)如瑞典山特維克、美國肯納金屬和日本住友等，不僅技術(shù)先進(jìn)，還提供從上游材料到下游產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)，競爭力強(qiáng)。雖然國內(nèi)超硬刀具制造企業(yè)數(shù)量已超過千家，主要集中在長江三角洲、珠江三角洲和環(huán)渤海等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，但相對起步較晚，主要通過性價比優(yōu)勢逐步擴(kuò)大市場。代表性企業(yè)包括上市公司北京沃爾德超硬工具有限公司，以及非上市公司如鄭州鉆石精密制造有限公司、威海威硬工具股份有限公司和深圳市中天超硬工具股份有限公司等。