工具鋼行業(yè)競爭壁壘高

中國在中高端市場取得了突破

01

工具鋼行業(yè)技術(shù)壁壘高

1.1

工具鋼種類繁多

嚴格的性能指標

《論語》有曰：工欲善其事，必先利其器。工具鋼（Tool steel）它可以被稱為工業(yè)之母，是一種用于制造切割工具、 測量工具、模具和耐磨工具的鋼。一般工具鋼硬度高，在高溫下能保持高硬度、紅硬度、耐磨性高、韌性適當，特殊要求包括熱處理變形小、耐腐蝕性好、加工性好等。根據(jù)不同的化學(xué)成分，工具鋼 分為碳工具鋼、合金工具鋼、高速鋼（本質(zhì)上是高合金工具鋼）三類，可分為刀具鋼、模具鋼、 量具鋼三類。

(1)碳工具鋼:碳工具鋼碳含量高，0.65%~1.35%之間。碳工具鋼熱處理后，表面硬度和耐磨性高，心臟韌性好；退火硬度低(不超過207)HB），當工作溫度達到250時，加工性能好，但紅硬性差℃當鋼的硬度和耐磨性急劇下降，硬度下降到60HRC以下。碳工具鋼淬透性低，大工具不能淬透(水中淬透直徑15mm），水淬時，表面淬火層與中心硬度差異較大，淬火時容易變形或開裂。此外，淬火溫度范圍窄，淬火時應(yīng)嚴格控制溫度。防止過熱、脫碳和變形。

碳素工具鋼號T，以免與其它鋼混合；鋼號中的數(shù)字表示碳含量，以平均碳含量的千分之幾表示。T88表示平均碳含量為0.8%錳含量高的，最后在鋼號上標注Mn”，例如T8Mn；高品質(zhì)碳素工具鋼的磷硫含量低于普通優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。在鋼號后面加字母A以示區(qū)別。

(2)合金工具鋼:是指專門添加一些合金元素的鋼，以提高工具鋼的性能。常用的合金元素是鎢（W）、鉬 （Mo）、鉻（Cr）、釩（V）、鈦（Ti）等等，合金元素的總含量一般不超過5%。合金工具鋼的淬火性、淬火性、耐磨性和韌性均高于碳具鋼。根據(jù)用途，大致可分為刀具、模具和量具鋼三類。模具鋼的產(chǎn)量約占合金工具鋼的80%。碳含量高的鋼(大于0).80%)主要用于制造刀具、量具和冷模，鋼淬火后硬度為60%HRC以上，耐磨性足夠；碳含量中等的鋼(0.35%~0.70%)主要用于制造熱作模具。 這種鋼淬火后硬度稍低，為50%~55HRC，但韌性好。(3)高速工具鋼:是一種高合金工具鋼，一般指高速鋼。碳含量一般為0.70%～1.合金元素含量在65%之間，總量可達10%~25%C，Mn，Si，Cr，V，W，Mo，Co。它可作高速旋轉(zhuǎn)切割工具，具有紅硬度高、耐磨性好、強度高等特點Cr，V，W，Mo比例較大。當切削溫度高達600時℃當硬度沒有顯著降低時。高速鋼通常通過電爐和粉末冶金生產(chǎn)，使碳化物以極小的顆粒均勻分布在基體上，從而提高使用壽命。高速鋼刀約占國內(nèi)刀具總量的75%。可分為：① 鎢系高速鋼(含鎢9%~18%)；② 鎢鉬系高速鋼(含鎢5%~12%，含鉬2%~6%)；③ 高鉬系高速鋼(含鎢0~2%，含鉬5%~10%)；④ 釩高速鋼分為一般釩含量(1%~2%)和高釩含量(2%).5%~5%)高速鋼；⑤ 鈷高速鋼(含鈷5%~10%)。

不同用途的高速鋼可分為通用型和特殊用途：

① 通用高速鋼：主要用于制造切削硬度≤300HB金屬切割刀具(如鉆頭、絲錐、鋸條)和精密刀具(如滾刀、插齒刀、拉刀)，常用鋼號W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

② 特殊用途高速鋼:鈷高速鋼和超硬高速鋼(硬度68~700HRC），主要用于制造切削難加工金屬（如高溫合金、鈦合金、高強度鋼等）的刀具。W12Cr4V5Co5、 W2Mo9Cr4VCo8等。

1.2

工具鋼工藝流程長

生產(chǎn)控制要求高

工具鋼的發(fā)展已有百年歷史，各種工具鋼既有共同的要求，如硬度高、耐磨性和一定的強韌性等，又有各自的特殊要求，如紅硬性、耐沖擊、尺寸穩(wěn)定性、抗熱疲勞性和良好的綜合力學(xué)性能等。工具鋼的生產(chǎn)工序主要包括冶煉、鑄造、加工和熱處理等。為了滿足不同的要求，生產(chǎn)上采用各種不同冶金成分的工具鋼，并通過恰當?shù)淖冃魏蜔崽幚砉に噥磉_到其性能要求，因此高性能的工具鋼生產(chǎn)具有極高的技術(shù)壁壘。

工具鋼冶煉一般采用電弧爐 二次精煉雙聯(lián)法，二次精煉工藝包括鋼包精煉（LF）、真空處理（VD）、 噴粉精煉等方法，生產(chǎn)高性能合金工具鋼采用電弧爐 電渣重熔（ESR）或真空自耗（VAR）方法。工具鋼的熱處理包括熱處理和熱變形。熱處理分為變形前熱處理和變形后熱處理。變形前熱處理是均勻處理，減少鋼的分析；變形后熱處理主要是去應(yīng)力退火處理。為了提高工具鋼的等向性能和使用壽命，采用多向鍛造或多向軋制，可以避免帶狀組織的形成或減少帶狀組織的嚴重性。

合金工具鋼主要是模具鑄造。為了保證鋼錠的質(zhì)量，廣泛采用防止二次氧化的技術(shù)，包括保護氣體鑄造和真空鑄造。為了提高收益率，降低成本，國內(nèi)外一些特殊鋼廠采用連續(xù)鑄造生產(chǎn)低合金工具鋼。對于截面較大的模具材料， 通常選擇大截面連接鑄造機。例如，日本大同特種鋼采用二流弧形大方鋼坯連接鑄造機，鋼坯尺寸為370mm×380mm，德國蒂森特種鋼鐵公司的立式二流連鑄機截面尺寸為340mm×475mm。

以高速鋼為例，碳化物經(jīng)熱處理后破碎成顆粒，稱為一次碳化物；從基體中沉淀的碳化物稱為二次碳化物。碳化物，特別是二次碳化物，對鋼的晶粒度和二次硬化性能有很大的影響。碳化物的數(shù)量和類型與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，碳化物的粒度和分布與鋼的變形和熱處理工藝有關(guān)。

除了模具的設(shè)計、制造精度、機床和操作條件外，模具的使用壽命和制造精度、質(zhì)量和表面性能也與模具材料及其熱處理工藝密切相關(guān)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，模具早期故障約占材料選擇不當和內(nèi)部缺陷造成的10%，約占熱處理不當造成的50%。

02

國產(chǎn)工具鋼在中高端市場取得了突破

工具鋼行業(yè)競爭壁壘很高，主要體現(xiàn)在兩個方面:(1)先發(fā)優(yōu)勢帶來的技術(shù)壁壘，新進入者短期內(nèi)難以超越。比如國外工具鋼生產(chǎn)企業(yè)長期封鎖中國，不斷開發(fā)新鋼種、新品牌，保持技術(shù)優(yōu)勢。(2)認證周期長、更換成本高帶來的市場壁壘。以模具鋼為例，一般模具鋼的使用壽命約為10萬次，使用壽命為2年。如果客戶想驗證新模具鋼的性能，需要2年以上的認證周期，所以主機廠 傾向于不輕易更換模具鋼供應(yīng)商。此外，以汽車為代表的下游高端客戶對模具性能要求較高，會指定模具鋼供應(yīng)商，如瑞典、德國、日本企業(yè)生產(chǎn)的模具鋼。新參與者很難進入上述高端市場。據(jù)行業(yè)調(diào)查，長城、比亞迪等國內(nèi)汽車企業(yè)逐步采用國產(chǎn)模具鋼代替進口。

我國工具鋼消費趨高端化

國內(nèi)替代市場容量大

01

加快中高端工具鋼市場產(chǎn)業(yè)升級增長

1.1

疫情后，中國模具行業(yè)將逐步回暖

產(chǎn)業(yè)升級拉動了對優(yōu)質(zhì)模具鋼的需求

模具鋼是一種用于制造模具的鋼材。目前，我國模具鋼需求量較大的下游產(chǎn)業(yè)主要包括汽車、家電、電子設(shè)備、建材等制造業(yè)。由于全球化和制造業(yè)向中國的轉(zhuǎn)移，過去20年中國模具行業(yè)主營業(yè)務(wù)收入的復(fù)合增長率約為20%，近10年復(fù)合增長率約為10%。中國的模具產(chǎn)值占世界的三分之一。隨著低端制造業(yè)的向外轉(zhuǎn)移和中低端模具 市場的日益飽和，國內(nèi)模具制造業(yè)有大規(guī)模、精密升級的趨勢，對中國模具鋼也提出了更高的質(zhì)量要求。

汽車工業(yè)是模具和模具鋼消費最大的行業(yè)，約占市場總量的35%；家電行業(yè)消費模具鋼約占市場總量的20%；電腦、手機、電子設(shè)備等電子通信行業(yè)約占市場的20%；塑料門窗PVC水管等建材模具每年消耗約15%的模具鋼。

從模具銷售分類來看，注塑模具占銷售比最大，占45%；其次，沖壓模具占37%，包括冷模具和熱模具；鑄造模具和其他模具占9%。

2018-2020年，受汽車等下游行業(yè)周期和疫情影響，2017年中國模具行業(yè)市場規(guī)模創(chuàng)歷史新高后收縮。然而，從汽車、家電、電子行業(yè)的增長來看，中國模具行業(yè)和模具鋼市場仍有增長空間。疫情沖擊后，中國汽車家電行業(yè)需求拐點即將到來，同時5G在電子設(shè)備的滲透率上升后，模具鋼的需求有望逐漸回升。

汽車行業(yè)90%以上的零件都是模具成型的，主要是冷模具鋼、塑料模具和熱模具鋼。沖壓模具約占三種模具的一半。一般來說，制造普通汽車需要大約1500個模具，包括近1000個沖壓模具和200多個內(nèi)飾模具。

我國目前的汽車產(chǎn)銷量與理論峰值之間還有很大的差距，同時傳統(tǒng)燃油車和新能源汽車新車型的數(shù)量持續(xù)增加。中國的汽車所有權(quán)遠低于美國和日本，汽車市場容量非常大；從銷量來看，美國和日本的日均銷量GDP隨著國民可支配收入的增長，汽車銷量持續(xù)增長到400萬/億以上，2019年中國汽車銷量為184萬/億，理論上汽車市場至少有一倍的增長空間。

由于國內(nèi)需求和出口的強勁推動，我國大型家電產(chǎn)銷總體保持增長，小型家電的滲透率仍有很大的提高空間。80%的家電行業(yè)零部件是通過模具形成的，最大的使用是塑料模具鋼（代表鋼號）P20和718)。預(yù)計未來家電行業(yè)將對模具鋼的需求增長提供強有力的支撐。

電子通訊行業(yè)60%~80%的零件依賴于模具成型，其中精密沖壓模具和精密塑料模具約占模具市場的20%。過去，中國的計算機、通信和電子設(shè)備制造業(yè)保持了快速擴張的趨勢G隨著滲透率的提高和電子設(shè)備更新周期的到來，中國電子設(shè)備的生產(chǎn)和銷售有望扭轉(zhuǎn)2018年以來的下降趨勢。

1.2

高性能切削材料在產(chǎn)業(yè)升級下

需求持續(xù)增長

2018年，中國刀具行業(yè)市場規(guī)模達到新高，2009年以來10年復(fù)合增長率為5.65%。目前，我國的切削工具市場主要是普通高速鋼刀具。隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和加工材料機械性能的提高，高性能高速鋼、硬合金等先進切削材料的使用和比例不斷上升。雖然我國切削工具的產(chǎn)量繼續(xù)下降，但單一產(chǎn)品的價值顯著提高 是市場持續(xù)擴張的重要原因。

中國對金屬切割機床需求最大的行業(yè)是汽車，占45%，其次是機械和軍工。據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會工具分會統(tǒng)計，2018年會員企業(yè)刀具產(chǎn)品總產(chǎn)值為117.其中，高速鋼刀產(chǎn)值54億元.40億元，占460億元.5%。高速鋼刀是目前我國刀具產(chǎn)品中所占比例最大的一類，但硬質(zhì)合金刀具與排名第二的比例縮小到2.3個百分點。

使用硬合金時，切割速度是高速鋼的兩倍多，切割工件的表面質(zhì)量和尺寸精度也大大提高。硬合金刀具在發(fā)達國家市場占據(jù)主導(dǎo)地位，在我國高速鋼刀具和硬合金刀具共同主導(dǎo)市場。根據(jù)國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)據(jù)統(tǒng)計，硬質(zhì)合金刀具占世界刀具消費總額的55%，高速鋼刀具占40%，超硬刀具占5%。近20年來，高速鋼刀具產(chǎn)值每年下降1%.25%，而硬質(zhì)合金刀具則每年遞升1.1%。

合金含量較高的高速鋼應(yīng)用于高精度、高壽命要求等關(guān)鍵領(lǐng)域，但傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的高合金含量組織會有嚴重的偏析缺陷和粗碳化物組織，從而影響斷裂韌性。噴射成型和粉末冶金技術(shù)制備的高合金工具鋼具有晶粒小、組織均勻、宏觀偏析小等特點，具有很好的市場前景。粉末冶金高速鋼刀具的性能優(yōu)于普通高速 鋼，硬質(zhì)合金刀具可在沖擊負荷大的切割加工場合替代。預(yù)計市場規(guī)模復(fù)合增長率將超過10%。

粉末冶金方法首先采用霧化法制備低氧高速工具鋼預(yù)合金粉末，然后用冷、熱等靜壓機將粉末壓實成完全致密的鋼坯，然后鍛造、軋制成材料。粉末高速工具鋼碳化物小，分布均勻，韌性好，可磨性好，尺寸穩(wěn)定性好，可生產(chǎn)高合金元素含量的超硬高速工具鋼。

高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼的應(yīng)用比例增加 趨