工业机床行业刀具加工进入超硬时代，受益高端制造升级放量

　　（报告出品方/分析师：浙商证券 诸海滨 赵昊）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。
　　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%。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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%。
　　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。
　　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。
　　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、清洁能源、勘探采掘等诸多领域。
　　工业金刚石按照产业链上下游划分主要分为：上游金刚石单晶、微粉的生产，中游金刚石工具的制备和下游应用于矿产、精密制造、光伏、半导体及军工等领域。
　　随着我国人造金刚石生产技术的不断提高，人造金刚石行业进入快速发展周期。
　　根据观研天下数据中心数据显示，2015 年至 2020 年，我国工业金刚石产量由 156 亿克拉增加至 207 亿克拉，CAGR 为 5.7%。根据观研报告网数据显示，截至 2020 年，我国金刚石单晶产量占全球总产量的 90%以上。
　　根据中国机床协会超硬材料分会数据显示，2021 年中国人造金刚石出口总量 48.1 亿克拉，同比大增 49.6%；出口金额 2.12 亿美元，同比大增 59.2%；出口目的地国家和地区总数为 66 个，同比增加 4 个；前 7 名占出口量和出口额的比例分别为 75%、74%，其他 59 个占出口量和出口额的比例分别为 25%、26%。前 7 名中，出口印度数量最多，占比 24%，金额也最多，占 16%。
　　根据华经产业研究院数据显示，2021 年中国金刚石微粉产量为 53.9 亿克拉，2018 年后金刚石微粉市场供求保持持续增长态势。
　　未来，随着智能制造国家战略的深入推进，超高速、超精密、智能数控、精细加工等先进制造技术不断创新应用，精密机械加工、清洁能源、消费电子、半导体等新兴行业快速发展有望带动金刚石微粉产品市场需求不断增长。
　　2、竞争格局：国内尚未形成行业龙头，市场份额有望向富耐克等领跑企业集中
　　2.1、全球高端定制刀具市场被欧美占据，国内超硬刀具企业集中度低
　　目前全球超硬刀具行业呈现寡头竞争格局。
　　市场参与者分为三个梯队；其中第一梯队是以山特维克、肯纳金属为代表的欧美企业；第二梯队是以住友电气、京瓷、三星钻石、新韩金刚石为代表的日韩刀具企业；第三梯队是沃尔德、富耐克、四方达、威硬工具、奔朗新材、中天超硬为代表的中国刀具企业。
　　欧美刀具企业方面，目前山特维克、肯纳金属等企业具有历史悠久、技术力量雄厚等优势，主导高端定制化刀具市场。
　　日韩刀具企业方面，相关产品具有通用性高、稳定性好、性价比高等优势，在非定制化刀具市场受青睐，代表企业为日本住友电气、京瓷、三星钻石、韩国新韩金刚石。
　　国内方面，市场较为分散，整体集中度低。
　　具体来看，高端应用市场由欧美、日韩刀具企业占据，特别是用于航空航天、军工、汽车发动机等领域的刀片产品严重依赖进口。
　　国产企业主要集中在中低端市场，参与者众多，生产技术含量较低，小厂商简化工艺、拼凑组装，无标、无序生产现象较为严重。
　　预计我国刀具消费结构调整加速，需求转型推动产能升级，产业政策推动产业整合与产品升级，行业集中度有望提升。
　　到目前国内已经出现沃尔德、富耐克、四方达、威硬工具、奔朗新材、中天超硬等一批领先企业。
　　2.2、 国内超硬刀具企业技术竞争力有所提升，富耐克等企业行业领跑
　　富耐克
　　公司自设立以来一直专注于超硬材料行业，是行业细分领域立方氮化硼 (CBN)的领军企业之一，主要从事以立方氮化硼为核心的超硬材料、超硬复合材料、超硬刀具及制品和培育钻石的研发、生产和销售。
　　公司为工信部第一批专精特新＂小巨人＂企业，1997 年成功合成高强度黑色立方氮化硼磨料开始，通过持续不断的技术研发、装备升级和管理创新，形成了以立方氮化硼为主的＂超硬材料—超硬复合材料—超硬刀具及制品＂全产业链产品体系，拥有专利 374 项，其中包括发明专利 93 项。
　　公司主要产品分为超硬磨料、超硬刀具和其他超硬材料制品。超硬磨料包括立方氮化硼磨料和金刚石磨料；超硬刀具包括立方氮化硼超硬刀具和金刚石超硬刀具；其他超硬材料制品包括金刚石复合片、切割打磨工具、培育钻石。
　　公司产品广泛应用于汽车、航空、钢铁、消费电子、智能制造和时尚消费品等领域。
　　2021 年公司主营业务收入为 2.94 亿元，其中立方氮化硼超硬刀具以及立方氮化硼磨料占主营业务收入比例最高，分别为 50.22%、30.39%。
　　奔朗新材
　　奔朗新材是一家专注于超硬材料制品的研发、生产和销售的高新技术企业，是我国超硬材料制品行业的龙头企业之一，在全球陶瓷加工金刚石工具细分市场的份额排名前列。
　　公司产品包括金刚石工具（含树脂结合剂金刚石工具、金属结合剂金刚石工具以及精密加工金刚石工具）、稀土永磁元器件以及碳化硅工具等，其中金刚石工具是公司主要产品，主要应用于陶瓷、石材、混凝土、耐火材料等硬脆材料的磨削、抛光、切钻等加工过程，并随着产品开发与应用的拓展，延伸至精密机械零部件、磁性材料、3C 电子产品等高精密加工领域。公司及子公司新兴奔朗均为高新技术企业，新兴奔朗被认定为广东省＂专精特新＂中小企业。
　　2021 年公司营业收入以及毛利率分别达 7.73 亿元及 44.01%，同比上升 28.84%、2.24pcts。其中树脂结合剂金刚石工具以及金属结合剂金刚石工具占营业收入构成比例最高，分别为 54.05%、29.99%；毛利率分别达 55.41%、40.44%。
　　威硬工具
　　威海威硬工具股份有限公司成立于2000年，一直专注于超硬材料——金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）与高端硬质合金非标刀具的研发与生产。产品广泛覆盖应用于各种加工中心、加工流水线、专机等国内外高端设备上，进行汽车发动机及其零部件的高效、高速、高精度加工。
　　产品主要包括：车镗刀、槽刀、加工淬硬钢刀具、角度成型刀、高速铣刀片、铣刀，可转位刀片、刀具，高精度复合旋转刀具，硬质合金专用刀具等几大系列。刀具质量与稳定性国内领先，替代进口，出口欧美。
　　2021年公司营业收入以及毛利率分别达 1.02 亿元以及 45.43%，营业收入同比上升 21.86%，毛利率同比下降 6.4pcts。其中平面类刀具以及旋转类刀具占营业收入构成比例相当，分别为 47.44%、52.56%；毛利率分别达 45.49%、45.37%。
　　沃尔德
　　公司 2006 年创立于中关村电子城科技园区,是一家主要从事超硬刀具及超硬材料制品研发、生产和销售业务的高新技术企业，公司重点产品包括各类超高精密及高精密的超硬刀具、CVD 金刚石等超硬材料制品，广泛应用于消费类电子产品中的触摸屏、液晶面板等消费电子玻璃的超高精密切割，汽车动力系统等核心部件的高精密切削等先进制造领域。
　　公司在包括中国、欧美、日韩等在内的全球范围内与瑞典山特维克集团、日本住友电气工业株式会社、日本三星钻石工业株式会社等业内国际一流品牌企业直接竞争。
　　公司钻石刀轮、部分高精密切削刀具打破了国外一流厂商在行业内的垄断，实现了在高端加工领域的进口替代，并逐步提升在全球市场的份额。
　　2021年公司营业收入以及毛利率分别达 3.26 亿元及 49.22%，营业收入、毛利率同比上升 34.73%、1.34pcts。其中高精密刀具以及超高精密刀具占主营业务收入比例最高，分别为 56.14%、30.99%；毛利率分别达 47.44%、61.96%。
　　3、需求驱动：机床数控化渗透率提高+＂1+N＂下游应用布局共同促进超硬刀具行业向好发展
　　3.1、高端制造需求促进机床产业发展，数控机床存量替换+国产替代推动
　　超硬刀具需求增加随着全球市场对于制造加工的高端化需求增加，高速度、高精度、高价值的高档数控机床需求的占比也预期提高，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。
　　机床是制造机器的机器，根据九方智投数据显示，在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占机器制造工作总量的 40%~60%，是现代工业发展的重要基石。
　　按照运动控制方法，机床可分为传统机床和数控机床，传统机床主要通过人工手动控制完成切削工作，加工的精度和效率较低，而数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，较好地解决了复杂、精密、批量、多品种的零件加工问题，是一种典型的机电一体化产品，代表了现代机床控制技术的发展方向。
　　超硬刀具通常安装在数控机床上进行对于下游工业产业所需的零部件进行精密加工，数控机床的工艺操作流程包括零件加工工艺性分析、数控机床选择、确定零件基准和坐标系、零件装夹紧和定位方式确定、刀具选择、加工方式和加工路线确定、数控编程、满足零件要求、零件试切割、满足零件要求以及零件实际加工。
　　根据中商情报网数据显示，2015-2019 年我国金属切削机床及数控金属切削机床总体呈逐年下降态势，2020 年二者产量扭转下降趋势，恢复增长。
　　2021 年我国金属切削床产量达 60.2 万台，同比增长 35.0%；根据前瞻产业研究院、智研咨询数据显示，中国数控金属切削机床产量为 27 万台，同比增长 39.9%。
　　随着我国制造业转型升级，对加工精细度需求不断提升的驱动下，我国数控机床的渗透率在逐年提升。
　　根据前瞻产业研究院、智研咨询、普华有策数据显示，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计从现在的 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，未来我国数控机床行业预期迎来广阔的发展空间。
　　近年来，国内中高档数控机床市场成长起了一批具备一定核心技术的民营企业，未来将紧跟国产化替代的浪潮，进一步扩大高端市场份额。
　　根据共研网数据显示，2017-2021 年我国数控机床产业规模总体保持增长，2021 年达 3719 亿元，同比增长 7.08%，在增量替代与存量更新的趋势下，我国高端数控机床市场未来发展潜力较大，预计 2022 年中国数控机床市场规模达到 4024 亿元。
　　3.2、 超硬刀具凭借加工效率、精度高等优势，广泛应用于下游车辆等行业零件加工
　　超硬刀具作为现代机械加工必不可少的耗材之一，发挥其加工效率高、使用寿命长和加工精度高等优势，下游广泛应用于汽车工业、金属冶炼、航天航空、矿山机械和电子信息等产业的切削加工，推动了相关下游应用领域的革命性变革。
　　下游产业的发展，也反之带动了氮化硼刀具的更新迭代，创造了新的市场需求。
　　汽车工业
　　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，在国家政策的支持下，后期超硬刀具市场应用将围绕＂汽车+（航空航天/海洋装备/新材料/高端装备）＂等＂1+N＂市场发展强势扩张。
　　随着新能源汽车的逐渐普及，车身轻量化已成为未来发展的必经之路，铝合金等轻质材料在汽车工业中的运用比例迅速攀升，推动了我国超硬刀具行业快速发展。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。随着中国经济持续增长、人均收入提高、公路交通设施不断完善，我国汽车工业规模预期保持长期增长。汽车及汽车零部件的发展将为以 PCBN 为主的超硬刀具的需求提供了增长的市场空间。
　　消费电子
　　LED 照明产品持续增长，推动金刚石工具市场空间扩大。
　　LED 作为一种能量转化效率高、寿命长、多用途和节能环保的光源，蓝宝石由于其优越的透光性能和耐磨性能被用于 LED 发光组件的基体。
　　由于蓝宝石具有硬脆特点且价格昂贵，在加工过程中通常要求精度高、效率快、材料损失率低、工作环境洁净，因此金刚石工具是加工蓝宝石材料的最佳选择。
　　根据中商产业研究院数据显示，我国 LED 行业市场规模逐年增长，由2017年6358亿元增至2020年8627亿元，年均复合增长率为10.71%，预测 2022 年我国 LED 行业市场规模可达 10085 亿元。
　　LED 照明产品已经对传统的白炽灯和荧光灯形成逐步替代的趋势，未来蓝宝石行业市场空间有望进一步扩大，推动金刚石工具行业持续发展。
　　家电制造行业尤其制冷家电是人造金刚石磨具和刀具的主要应用领域之一。
　　家用空调、冰箱所使用压缩机的三大部件活塞、气缸、上下轴承座主要使用金刚石工具进行加工，全球 70%以上的压缩机生产企业在中国，市场上约 90%的压缩机产自中国。
　　制冷家电压缩机制造所用金刚石工具原来几乎全部使用国外产品，随着我国金刚石工具产品质量提升，目前已基本替代国外产品，是超硬材料精密加工中替代国外产品的成功范例。
　　钢铁加工
　　立方氮化硼超硬刀具主要用于对轧辊进行粗加工或半精加工，使其达到预设形状和精度。而轧辊作为轧钢生产中的主要消耗备件之一，轧辊消耗成本约为轧钢生产成本的5%-15%，因此，钢铁行业的市场状况也直接影响上游耗材超硬刀具的需求。
　　根据国家统计局数据显示，根据 Wind 数据显示，2021年我国生铁、粗钢、钢材的产量分别为8.69、10.35、13.37亿吨，为超硬刀具的需求量提供了增长的市场空间。
　　并且未来随着钢铁行业的结构调整和产业升级，钢材产品逐渐向高端化方向发展，从而间接推动超硬刀具的稳定增长。
　　建筑及装饰
　　基建和房地产投资规模扩大，超硬刀具可用于石材加工、木材切割，在建材石材领域需求增长。当前，我国正处于城镇化快速推进的关键时期，城镇基础设施建设、房地产开发持续推进，城镇社会房屋和基础设施建设投资保持较大规模。
　　根据 Wind 数据显示，我国房地产投资规模自 2011 年的 6.18 万亿元增长至 2021 年 14.76 万亿元，年复合增长率为 9.10%；我国房地产施工面积自 2011 年的 50.68 亿平方米增长至 2021 年的 97.54 亿平方米，年复合增长率为 6.77%。
　　风电行业
　　近年来，我国风电行业持续发展，轴承和齿轮作为风电设备的核心精密零部件，其产品性能的优劣与否直接影响风电设备的使用寿命和后续维护成本，因此，轴承和齿轮等精密部件经常使用立方氮化硼刀具代替传统刀具进行切割加工。根据华经产业研究院数据显示，2021 年风电累计装机容量达到 328.5GW。
　　总结而言，随着我国乃至全球高端制造趋势下对高档数控机床需求量的提升，机床的核心零部件及重要耗材——超硬刀具的需求也有望快速增加。在此背景下，我们认为超硬刀具行业预期受益。
　　4、 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。
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