高性能工具钢已成为中国战略性新兴产业

工具钢行业竞争壁垒高

中国在中高端市场取得了突破

01

工具钢行业技术壁垒高

1.1

工具钢种类繁多

严格的性能指标

《论语》说：工欲善其事，必先利其器。（Tool steel）它可以被称为工业之母，是一种用于制造切割工具、 测量工具、模具和耐磨工具的钢。一般工具钢硬度高，在高温下能保持高硬度、红硬度、耐磨性高、韧性适当，特殊要求包括热处理变形小、耐腐蚀性好、加工性好等。根据不同的化学成分，工具钢 分为碳工具钢、合金工具钢、高速钢（本质上是高合金工具钢）三类，可分为刀具钢、模具钢、 量具钢三类。

(1)碳工具钢:碳工具钢碳含量高，在0.65%~1.35%之间。碳工具钢热处理后，表面硬度和耐磨性高，心脏韧性好；低退火硬度（不大于）207HB），当工作温度达到时，加工性能好，但红硬性差250℃当钢的硬度和耐磨性急剧下降，硬度下降到60HRC以下。碳工具钢淬透性低，大工具不能淬透(水中淬透直径为15mm），水淬时，表面淬火层与中心硬度差异较大，淬火时容易变形或开裂。此外，淬火温度范围窄，淬火时应严格控制温度。防止过热、脱碳和变形。

碳素工具钢号T，以免与其它钢混合；钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。T8平均碳含量为0.8%；锰含量高的，更后在钢号上标注Mn”，例如T8Mn；高品质碳素工具钢的磷硫含量低于普通优质碳素工具钢。在钢号后面加字母A以示区别。

(2)合金工具钢:是指专门添加一些合金元素的钢，以提高工具钢的性能。常用的合金元素是钨（W）、钼 （Mo）、铬（Cr）、钒（V）、钛（Ti）等等，合金元素的总含量一般不超过5%。合金工具钢的淬火性、淬火性、耐磨性和韧性均高于碳具钢。根据用途，大致可分为刀具、模具和量具钢三类。模具钢的产量约占合金工具钢的80%。碳含量高的钢(大于0.80%)主要用于制造刀具、量具和冷模具。这种钢淬火后的硬度60HRC以上，耐磨性足够；碳含量中等的钢（0.35%~0.70%)主要用于制造热作模具。 这种钢淬火后硬度稍低50~55HRC，但韧性好。(3)高速工具钢:是一种高合金工具钢，一般指高速钢。碳含量一般在0.70%～1.65含合金元素较多，总量可达10%~25%C，Mn，Si，Cr，V，W，Mo，Co。它可作高速旋转切割工具，具有红硬度高、耐磨性好、强度高等特点Cr，V，W，Mo比例较大。当切削温度高达时600℃当硬度没有显著降低时。高速钢通常通过电炉和粉末冶金生产，使碳化物以极小的颗粒均匀分布在基体上，从而提高使用寿命。高速钢刀约占国内刀具总量的75%。可分为：① 钨系高速钢(含钨9%~18%)；② 钨钼系高速钢(含钨5%~12%，含钼2%~6%)；③ 高钼系高速钢(含钨0~2%，含钼5%~10%)；④ 钒高速钢分为一般钒含量(1%~2%)和高钒含量（2.5%~5%)高速钢；⑤ 钴高速钢(含钴5%~10%)。

不同用途的高速钢可分为通用型和特殊用途：

① 通用高速钢：主要用于制造切削硬度≤300HB金属切割刀具(如钻头、丝锥、锯条)和精密刀具(如滚刀、插齿刀、拉刀)，常用钢号W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

② 特殊用途高速钢:钴高速钢和超硬高速钢(硬度68~70HRC），主要用于制造切削难加工金属（如高温合金、钛合金、高强度钢等）的刀具。W12Cr4V5Co5、 W2Mo9Cr4VCo8等。

1.2

工具钢工艺流程长

生产控制要求高

工具钢的发展有百年的历史。各种工具钢具有高硬度、耐磨性和一定韧性等共同要求，以及红硬度、抗冲击性、尺寸稳定性、耐热疲劳性和良好的综合力学性能等特殊要求。工具钢的生产工艺主要包括冶炼、铸造、加工和热处理。为了满足不同的要求，采用不同冶金成分的工具钢，并通过适当的变形和热处理工艺满足其性能要求，因此高性能工具钢的生产具有很高的技术障碍。

工具钢冶炼一般采用电弧炉 二次精炼双联法，二次精炼工艺包括钢包精炼（LF）、真空处理（VD）、 喷粉精炼等方法，生产高性能合金工具钢采用电弧炉 电渣重熔（ESR）或真空自耗（VAR）方法。工具钢的热处理包括热处理和热变形。热处理分为变形前热处理和变形后热处理。变形前热处理是均匀处理，减少钢的分析；变形后热处理主要是去应力退火处理。为了提高工具钢的等向性能和使用寿命，采用多向锻造或多向轧制，可以避免带状组织的形成或减少带状组织的严重性。

合金工具钢主要是模具铸造。为了保证钢锭的质量，广泛采用防止二次氧化的技术，包括保护气体铸造和真空铸造。为了提高收益率，降低成本，国内外一些特殊钢厂采用连续铸造生产低合金工具钢。对于截面较大的模具材料， 通常选择大截面连接铸造机。例如，日本大同特种钢采用二流弧形大方钢坯连接铸造机，钢坯尺寸为370mm×380mm，德国蒂森特种钢铁公司的立式二流连铸机的截面尺寸为340mm×475mm。

以高速钢为例，碳化物经热加工后破碎成颗粒，称为一次碳化物；从基体中析出的碳化物称为二次碳化物。碳化物特别是二次碳化物，对钢的晶粒度和二次硬化等性能有很大影响。碳化物的数量、类型与钢的化学成分有关，而碳化物的颗粒度和分布则与钢的变形量和热处理工艺有关。

除了模具的设计、制造精度、机床和操作条件外，模具的使用寿命和制造精度、质量和表面性能也与模具材料及其热处理工艺密切相关。据相关统计，模具早期故障约占材料选择不当和内部缺陷造成的10%，约占热处理不当造成的50%。

02

国产工具钢在中高端市场取得了突破

工具钢行业竞争壁垒很高，主要体现在两个方面:(1)先发优势带来的技术壁垒，新进入者短期内难以超越。比如国外工具钢生产企业长期封锁中国，不断开发新钢种、新品牌，保持技术优势。(2)认证周期长、更换成本高带来的市场壁垒。以模具钢为例，一般模具钢的使用寿命约为10万次，使用寿命为2年。如果客户想验证新模具钢的性能，需要2年以上的认证周期，所以主机厂 倾向于不轻易更换模具钢供应商。此外，以汽车为代表的下游高端客户对模具性能要求较高，会指定模具钢供应商，如瑞典、德国、日本企业生产的模具钢。新参与者很难进入上述高端市场。据行业调查，长城、比亚迪等国内汽车企业逐步采用国产模具钢代替进口。

我国工具钢消费趋高端化

国内替代市场容量大

01

加快中高端工具钢市场产业升级增长

1.1

疫情后，中国模具行业将逐步回暖

产业升级拉动了对优质模具钢的需求

模具钢是一种用于制造模具的钢材。目前，我国模具钢需求量较大的下游产业主要包括汽车、家电、电子设备、建材等制造业。由于全球化和制造业向中国的转移，过去20年中国模具行业主营业务收入的复合增长率约为20%，近10年复合增长率约为10%。中国的模具产值占世界的三分之一。随着低端制造业的向外转移和中低端模具 市场的日益饱和，国内模具制造业有大规模、精密升级的趋势，对中国模具钢也提出了更高的质量要求。

汽车工业是模具和模具钢消费更大的行业，约占市场总量的35%；家电行业消费模具钢约占市场总量的20%；电脑、手机、电子设备等电子通信行业约占市场的20%；塑料门窗PVC水管等建材模具每年消耗约15%的模具钢。

从模具销售分类来看，注塑模具占销售比更大，占45%；其次，冲压模具占37%，包括冷模具和热模具；铸造模具和其他模具占9%。

2018-2020年受汽车等下游行业周期和疫情的影响，我国的模具行业的市场规模在2017年创下历史新高后有所收缩。尽管如此，从汽车、家电和电子等行业的成长性看，我国的模具行业和模具钢的市场仍然有成长空间。疫情冲击后我国的汽车、家电行业的需求拐点即将到来，同时5G在电子设备的渗透率上升后，模具钢的需求有望逐渐回升。

汽车行业90%以上的零件都是模具成型的，主要是冷模具钢、塑料模具和热模具钢。冲压模具约占三种模具的一半。一般来说，制造普通汽车需要大约1500个模具，包括近1000个冲压模具和200多个内饰模具。

目前，我国汽车产销量与理论峰值仍存在较大差距，传统燃油汽车和新能源汽车的数量不断增加。中国的汽车所有权远低于美国和日本，汽车市场容量非常大；从销量来看，美国和日本的日均销量GDP随着国民可支配收入的增长，汽车销量持续增长到400万/亿以上，2019年中国汽车销量为184万/亿，理论上汽车市场至少有一倍的增长空间。

由于国内需求和出口的强劲推动，我国大型家电产销总体保持增长，小型家电的渗透率仍有很大的提高空间。80%的家电行业零部件是通过模具形成的，更大的使用是塑料模具钢（代表钢号）P20718)。预计未来家电行业对模具钢需求增长将有很强的支撑。

60%60%的电子通信行业~80%的零件依赖于模具成型，其中精密冲压模具和精密塑料模具约占模具市场的20%。过去，随着计算机、通信和电子设备制造业的快速扩张，中国的计算机、通信和电子设备制造业保持了快速扩张5G随着渗透率的提高和电子设备更新周期的到来，中国电子设备的生产和销售有望扭转2018年以来的下降趋势。

1.2

高性能切削材料在产业升级下

需求持续增长

2018自2009年以来，中国刀具行业市场规模达到新高，复合增长率为10年5.65%。目前，我国的切削工具市场主要是普通高速钢刀具。随着制造业转型升级和加工材料机械性能的提高，高性能高速钢、硬合金等先进切削材料的使用和比例不断上升。虽然我国切削工具的产量继续下降，但单一产品的价值显著提高 是市场持续扩张的重要原因。

中国对金属切割机床需求更大的行业是汽车，占45%，其次是机械和军工。据中国机床工具工业协会工具分会统计，2018年会员企业刀具产品总产值为117.09其中，高速钢刀具产值亿元54.40亿元，占比达到46.5%。高速钢刀具是目前我国刀具产品中所占比例更大的一类，但与排名第二的硬质合金刀具的差距缩小到2.3个百分点。

使用硬合金时，切割速度是高速钢的两倍多，切割工件的表面质量和尺寸精度也大大提高。硬合金刀具在发达**市场占据主导地位，在我国高速钢刀具和硬合金刀具共同主导市场。根据国际生产工程学会(CIRP)据统计，硬质合金刀具占世界刀具消费总额的55%，高速钢刀具占40%，超硬刀具占5%。近20年来，高速钢刀具产值逐年下降1.25而硬质合金刀具则每年增加%1.1%。

合金含量较高的高速钢应用于高精度、高寿命要求等关键领域，但传统工艺生产的高合金含量组织会有严重的偏析缺陷和粗碳化物组织，从而影响断裂韧性。喷射成型和粉末冶金技术制备的高合金工具钢具有晶粒小、组织均匀、宏观偏析小等特点，具有很好的市场前景。粉末冶金高速钢刀具的性能优于普通高速 钢，硬质合金刀具可在冲击负荷大的切割加工场合替代。预计市场规模复合增长率将超过10%。

粉末冶金方法首先采用雾化法制备低氧高速工具钢预合金粉末，然后用冷、热等静压机将粉末压实成完全致密的钢坯，然后锻造、轧制成材料。粉末高速工具钢碳化物小，分布均匀，韧性好，可磨性好，尺寸稳定性好，可生产高合金元素含量的超硬高速工具钢。

高性能高速钢和粉末冶金高速钢的应用比例增加 趋