超硬刀具：邁向88億國內(nèi)市場

超硬刀具是機(jī)械制造中用于切削加工的工具，以其高硬度、高耐磨性及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在航空航天、汽車工業(yè)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。中國市場規(guī)?？焖僭鲩L，預(yù)計2027年將增至88.1億元人民幣。中國企業(yè)在超硬材料合成和刀具制造方面取得顯著成就，株洲鉆石、沃爾德和鄭州市鉆石精密制造等領(lǐng)軍企業(yè)以技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品性能在國內(nèi)外市場贏得認(rèn)可。

高效、精密加工

超硬刀具是機(jī)械制造中用于切削加工的工具，以其高硬度、高耐磨性及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造和電子工業(yè)等領(lǐng)域。20世紀(jì)50年代人造金剛石合成以來，超硬刀具經(jīng)歷了多次技術(shù)突破，為現(xiàn)代制造業(yè)的高效、精密和綠色加工提供支持。

超硬刀具概念。超硬刀具是機(jī)械制造中用于切削加工的工具，具有高硬度、高耐磨性和低韌性的特點(diǎn)。它們主要為金剛石與立方氮化硼兩類，能夠在高速、高精度和高效率的加工過程中，對硬質(zhì)材料如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃等進(jìn)行切削，實現(xiàn)鏡面或超精密加工效果，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、電子信息、航空航天等領(lǐng)域。近年來，隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和高端裝備的發(fā)展，超硬刀具行業(yè)迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇。

超硬刀具發(fā)展歷程。超硬刀具的發(fā)展歷程始于20世紀(jì)50年代，人造金剛石的成功合成為這一領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，?美國GE公司壓出CBN(立方氮化硼)單晶粉，并且在70年代初制成聚晶的PCBN刀具；蘇聯(lián)也在1972年制成了PCBN刀具。2000-2015年，由于放電加工技術(shù)（如線切割、火花機(jī)）的突破，PCD（聚晶金剛石）刀具的制造工藝得到顯著改進(jìn)，使得金剛石刀具在金屬切削領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。2015年前后，德國DMG公司在市場上推出五軸激光加工設(shè)備，開啟了金剛石刀具制造的全新時代。近年來，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了采用新型結(jié)合劑技術(shù)的超硬刀具，這種技術(shù)允許刀具在更高的速度和更嚴(yán)苛的條件下工作。超硬刀具的技術(shù)突破，為現(xiàn)代制造業(yè)的高效、精密和綠色加工提供了強(qiáng)有力的支持。

納米金剛石涂層技術(shù)、超硬材料的定向結(jié)晶技術(shù)以及精密磨削技術(shù)是超硬刀具的核心技術(shù)。納米金剛石涂層技術(shù)通過在工具表面形成超薄金剛石層，增強(qiáng)了工具的耐磨性與熱穩(wěn)定性。定向結(jié)晶技術(shù)通過精確控制晶體生長方向，優(yōu)化刀具材料性能。精密磨削技術(shù)則利用超硬磨料實現(xiàn)刀具刃口的精細(xì)加工。

納米金剛石涂層技術(shù)。納米金剛石涂層技術(shù)是一種先進(jìn)的表面處理技術(shù)，能夠顯著提升刀具的性能。這種技術(shù)通過在刀具表面涂覆一層由納米級金剛石顆粒組成的薄膜來顯著提升刀具的性能，被形象地比喻為給工具“穿上金剛外衣”。這層涂層不僅繼承了金剛石的高硬度、高熱導(dǎo)率和極佳的化學(xué)穩(wěn)定性，而且具有更高的表面能和附著力，能夠顯著提升工具的耐磨性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性。例如，在機(jī)械加工領(lǐng)域，納米金剛石涂層的刀具在切削高硬度材料時，展現(xiàn)出了極低的磨損率和更長的使用壽命，尤其在高速切削和干切削條件下，這些涂層刀具能夠有效減少工具的換刀頻率，提高加工效率和工件的加工質(zhì)量。

超硬材料的定向結(jié)晶技術(shù)。超硬材料的定向結(jié)晶技術(shù)是超硬刀具制造中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它通過精確控制晶體生長的方向來優(yōu)化刀具材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。這一技術(shù)的原理基于晶體生長動力學(xué)，通過在高溫高壓條件下，利用觸媒或黏結(jié)劑促進(jìn)超硬材料如金剛石或立方氮化硼的晶體沿特定晶向生長，形成具有高度有序結(jié)構(gòu)的聚晶材料。這種有序結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了材料的硬度和耐磨性，還提高了其熱穩(wěn)定性和斷裂韌性，從而顯著提升了刀具的切削性能和使用壽命。例如，在制備聚晶金剛石刀具時，定向結(jié)晶技術(shù)能夠確保刀具刃口的金剛石晶體具有一致的取向，減少了晶體間的應(yīng)力集中和微裂紋的產(chǎn)生，使得刀具在高速切削硬質(zhì)材料時表現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性和可靠性。

精密磨削技術(shù)。精密磨削技術(shù)是指通過高精度磨床和超硬磨料來實現(xiàn)刀具刃口的精細(xì)加工。這一技術(shù)的原理是通過磨削輪與刀具刃口的相對運(yùn)動，利用磨削輪上緊密排列的超硬磨粒逐步去除材料，實現(xiàn)對刀具刃口形狀和尺寸的精確控制。磨削過程中，磨粒對刀具材料施加高壓力，產(chǎn)生局部塑性變形和材料去除，同時伴隨有熱量的產(chǎn)生。為了確保磨削過程的穩(wěn)定性和刀具的高精度，精密磨削技術(shù)通常結(jié)合了先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)和磨削液，以降低磨削區(qū)域的溫度，減少磨削力，防止磨削燒傷和裂紋的產(chǎn)生。例如，在制造聚晶金剛石（PCD）刀具時，精密磨削技術(shù)能夠確保刃口的幾何精度和表面光潔度，從而提高刀具的切削性能和加工質(zhì)量。

汽車工業(yè)應(yīng)用最廣

在汽車工業(yè)領(lǐng)域，超硬刀具被用于發(fā)動機(jī)、變速器等核心部件的精密加工。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，PCD和PCBN刀具用于智能手機(jī)、平板電腦的精密加工，確保尺寸精度和表面光潔度。航空領(lǐng)域中，超硬刀具的使用壽命和高加工精度滿足了航空部件復(fù)雜加工的嚴(yán)苛要求。

汽車工業(yè)領(lǐng)域。超硬刀具已大量應(yīng)用在汽車行業(yè)的精密加工中，加工技術(shù)成熟。汽車發(fā)動機(jī)活塞、缸體、缸蓋、汽車輪轂、變速箱齒輪殼體、曲軸和凸輪軸等已廣泛使用超硬材料進(jìn)行加工。金剛石刀具因其極高的硬度和熱穩(wěn)定性，常用于加工發(fā)動機(jī)缸體、曲軸等高精度部件，確保加工精度和表面光潔度。立方氮化硼刀具則因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，特別適合加工硬度高、耐磨性強(qiáng)的合金材料，如齒輪和軸承。此外，超硬刀具在加工鋁合金輪轂、車身面板等輕量化材料時，展現(xiàn)出了卓越的性能，如山特維克可樂滿的Coromant Capto模塊化系統(tǒng)，提供了廣泛的刀具配置選項，以適應(yīng)不同的加工需求。據(jù)開源證券統(tǒng)計，汽車工業(yè)約占我國超硬刀具下游應(yīng)用領(lǐng)域的70%左右。隨著汽車行業(yè)對節(jié)能減排和輕量化的不斷追求，超硬刀具的應(yīng)用前景廣闊。

消費(fèi)電子領(lǐng)域。超硬刀具，以其卓越的硬度和耐磨性，在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。在智能手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品的精密加工過程中，超硬刀具如人造金剛石復(fù)合片（PCD）刀具和立方氮化硼復(fù)合片（PCBN）刀具，被廣泛應(yīng)用于玻璃蓋板的切割、攝像頭鏡片的精密銑削以及電路板的微孔鉆孔等工序。這些刀具能夠在高速旋轉(zhuǎn)下保持穩(wěn)定，減少加工過程中的熱影響，從而確保產(chǎn)品尺寸的精確度和表面光潔度。例如，肯納金屬公司（Kennametal Inc.）生產(chǎn)的Korloy品牌刀具，特別是KG系列的超硬刀具，因其高效率和長壽命被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)和平板電腦的玻璃、金屬和其他硬質(zhì)材料的精密加工。此外，在3C行業(yè)，精密構(gòu)件的制造開始采用鈦合金這類高性能材料。依據(jù)艾邦高分子的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鈦合金手機(jī)中框的制造良品率大約在30%到40%之間，這一比例顯著低于鋁合金中框的80%；鈦合金的加工時間是鋁合金加工所需時間的三到四倍。鑒于鈦合金的獨(dú)特性質(zhì)，對加工刀具提出了更高的要求。聚晶金剛石（PCD）刀具，包括其輪廓刀、倒角刀和銑刀，在鈦合金外殼的加工上有著極佳的應(yīng)用表現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)一次性成型，從而提升了加工效率和成品率，并且確保了產(chǎn)品表面的光滑度。2022年，蘋果公司在其高端智能手表的鈦合金表殼制造中，已經(jīng)采用了某個國內(nèi)品牌的超硬刀具。此外，隨著越來越多的智能手機(jī)品牌開始廣泛采用鈦合金材料，以及消費(fèi)電子市場的回暖，超硬刀具在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用前景看好。

航空領(lǐng)域。超硬刀具因其刀具壽命長、加工精度高及穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會以及《第五屆切削刀具用戶調(diào)查分析報告》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年我國刀具市場消費(fèi)總規(guī)模為464億元人民幣，航空航天市場占比約為9.91%，市場消費(fèi)規(guī)模約46億元人民幣。隨著國產(chǎn)大飛機(jī)的商業(yè)運(yùn)行及訂單的持續(xù)落地，預(yù)計航空航天刀具市場空間將進(jìn)一步增加。航空航天領(lǐng)域的主要零部件材料較為固定，主要包括耐高溫的金屬和非金屬材料，以及輕量化材料如復(fù)合材料。由于這些原材料的加工成本極高，對刀具的加工壽命、加工精度和穩(wěn)定性提出了較高要求。例如，在加工航空發(fā)動機(jī)的盤環(huán)類零件時，為保證加工周期和刀具與機(jī)床的適配性，中間不允許換刀，這就對刀具的使用壽命提出了極高的要求。同時，對于發(fā)動機(jī)葉片葉輪等型面的精加工，要求刀具尺寸公差和跳動精度非常高。

超硬刀具行業(yè)面臨材料合成、刀具設(shè)計和多層金剛石釬焊工具修整的技術(shù)難題，同時原材料和生產(chǎn)過程的高成本結(jié)構(gòu)限制了其廣泛應(yīng)用。此外，超硬刀具合成過程中的能源消耗和有害排放，以及磨削和修整產(chǎn)生的粉塵問題，對環(huán)境保護(hù)構(gòu)成挑戰(zhàn)。

技術(shù)難點(diǎn)。超硬刀具行業(yè)的技術(shù)挑戰(zhàn)主要集中在超硬材料的合成與應(yīng)用、刀具設(shè)計等方面。首先，超硬刀具的材料如PCD和PCBN需要通過復(fù)雜的合成過程來獲得所需的物理特性，這需要精確控制的高溫高壓環(huán)境以及后續(xù)的晶體生長和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這些過程對設(shè)備和工藝的要求極高，而技術(shù)難點(diǎn)在于如何進(jìn)一步提升材料的均勻性和性能穩(wěn)定性。其次，刀具設(shè)計方面，超硬刀具的形狀、角度和刃口處理對其性能有直接影響。技術(shù)難點(diǎn)在于如何優(yōu)化刀具的幾何設(shè)計和刃口處理，以達(dá)到更高的切削效率和加工質(zhì)量。此外，多層金剛石釬焊工具的制造技術(shù)雖已成形，但修整困難，嚴(yán)重制約了其產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用。這些難題是當(dāng)前行業(yè)需要重點(diǎn)攻克的技術(shù)瓶頸。

成本控制。超硬刀具的成本控制挑戰(zhàn)在于其整個生產(chǎn)鏈的高成本結(jié)構(gòu)，這直接影響到最終產(chǎn)品的市場定價和競爭力。首先，超硬刀具使用的原材料成本高昂，其價格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金和陶瓷刀具。例如，在中國，超硬材料如金剛石材料/復(fù)合片、立方氮化硼材料/復(fù)合片、大尺寸單晶金剛石等占據(jù)了超硬刀具的主要生產(chǎn)成本，合計占比達(dá)到59.2%。其次，超硬刀具的生產(chǎn)過程涉及多個高成本環(huán)節(jié)，包括高溫高壓合成、精密磨削加工以及復(fù)雜的涂層技術(shù)。高溫高壓合成需要特殊的設(shè)備和大量的能源消耗，而精密磨削和涂層工藝則需要高精度的機(jī)床和高技能的操作人員，這些因素都推高了超硬刀具的生產(chǎn)成本，限制了其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

環(huán)境保護(hù)。隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的重視以及環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，超硬刀具的生產(chǎn)和使用面臨著環(huán)境保護(hù)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。首先，超硬材料的合成過程通常需要高溫高壓，消耗大量的能源，同時可能產(chǎn)生有害氣體和固體廢物。例如，工業(yè)金剛石的合成過程中可能釋放出氮?dú)夂图淄椋@些溫室氣體對氣候變化有顯著影響。此外，超硬刀具的磨削和修整過程也會產(chǎn)生大量粉塵和微粒，這些物質(zhì)若未經(jīng)妥善處理，會對空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境造成損害。在政策層面，多國政府已經(jīng)采取了行動，如歐盟的《工業(yè)排放指令》(IED)規(guī)定了工業(yè)設(shè)施的排放限值，并要求企業(yè)采取最佳可用技術(shù)(BAT)減少污染物排放；中國《大氣污染防治法》的實施也對工業(yè)粉塵排放提出了更嚴(yán)格的控制要求。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，超硬刀具的制造商需要不斷創(chuàng)新，開發(fā)更為環(huán)保的生產(chǎn)技術(shù)。

自主技術(shù)推動中國超硬刀具行業(yè)

中國超硬刀具市場因制造業(yè)需求增長而持續(xù)擴(kuò)張，市場規(guī)模預(yù)計2027年增至88.1億人民幣。中國超硬刀具行業(yè)自20世紀(jì)末起快速發(fā)展，成功研發(fā)自主技術(shù)，實現(xiàn)高端制造領(lǐng)域應(yīng)用。

中國超硬刀具市場情況。根據(jù)恒州誠思發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，中國超硬刀具2022年市場規(guī)模為73億元，2018-2022年間中國超硬刀具市場規(guī)模CAGR為12.7%，預(yù)測到2027年，中國超硬刀具市場規(guī)模將增至88.1億元，2022-2027年CAGR為3.8%；未來中國整體刀具市場增速將有所減緩，而超硬刀具增長將優(yōu)于整體刀具市場。細(xì)分市場方面，根據(jù)富耐克招股說明書數(shù)據(jù)顯示，2021年中國超硬刀具市場規(guī)模57.80億元，其中PCBN刀具占據(jù)主導(dǎo)地位，規(guī)模為33億元，占比為57%左右，金剛石刀具市場規(guī)模為24.80億元，占比43%左右。

國產(chǎn)化進(jìn)程。自20世紀(jì)末起，國內(nèi)企業(yè)開始致力于超硬刀具的研發(fā)與生產(chǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著“十五”和“十一五”規(guī)劃的實施，中國超硬刀具行業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展。2005年左右，中國成功研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的金剛石涂層刀具，標(biāo)志著國產(chǎn)超硬刀具技術(shù)的突破。隨后，各類超硬刀具產(chǎn)品如CBN（立方氮化硼）刀具、PCD（聚晶金剛石）刀具相繼問世，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子信息等高端制造領(lǐng)域。2019年，牧激科技進(jìn)一步實現(xiàn)了超精密激光五軸的刀具加工國產(chǎn)化，推出了0.3MM金剛石微鉆，以及530D雙激光五軸設(shè)備，這些設(shè)備在精度上經(jīng)過市場驗證，不低于進(jìn)口設(shè)備，為PCD刀具的定義帶來了新的理解。這些突破展現(xiàn)了中國在超硬刀具技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展和自主創(chuàng)新能力，為推動高端制造業(yè)的進(jìn)步和提升國際競爭力奠定了基礎(chǔ)。