钢铁行业专题报告_高性能工具钢是我国战略性新兴产业

1.1 工具钢行业技术壁垒高

1.1.1 工具钢种类繁多，性能指标严格

《论语》说：工欲善其事，必先利其器。（Tool steel），工业之母是用来制造切削工具、 量具、模具和耐磨工具的钢。一般工具钢硬度高，高温下能保持高硬度、红硬度、耐磨性高 、韧性适当。特殊要求还包括热处理变形小、耐腐蚀性好、加工性好等。根据化学成分的不同，工具钢 分为碳工具钢、合金工具钢和高速钢（本质上是高合金工具钢）三类；根据用途，可分为刀具钢、模具钢和 量具钢。

(1)碳工具钢:碳工具钢碳含量高， 0.65-1.35%之间。碳工具钢热处理后，表面可获得较高的 硬度和耐磨性，心脏韧性好；低退火硬度(不大于 HB207），当工作温度达到 时，加工性能好，但红硬度差250℃当钢的硬度和耐磨性急剧下降，硬度下降到 HRC60 以下。碳工具钢淬透性低，大型工具不能淬透(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 或裂纹。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?,避免与其他钢混合；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 表示平均碳含量 0.8%；锰含量高的，更后在钢号上标出Mn?，例如?T8Mn?；**优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 表示区别。

(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素工具钢。根据用途，大致可分为刃具、模具和量具钢 3 类，模具钢产量约占合金 工具钢 80%。碳含量高的钢（wc 大于 0.80%)主要用于制造刀具、量具和冷模具。这种钢淬火 后的硬度为 HRC60 以上，耐磨性足够；碳含量中等的钢（wt0.35%~0.70%)主要用于制造热作模具， 这种钢淬火后硬度稍低， HRC50~55，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。碳含量一般为 0.70～1.65含合金元素较多，总量可达 10~25%，含 C，Mn，Si，Cr，V，W，Mo，Co。可用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 比例相对较大。切削温度高达 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，可以提高使用寿命。高速钢刀约占国内刀具总量的 75%。

? 可分为不同的合金元素：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钒高速钢根据不同的钒含量分为一般钒含量(含 1~2%)和高钒含量(含钒 2.5~5%)高速钢；⑤钴高速钢(含钴 5~10%)。

? 根据用途不同，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 HB≤300 金属材料的切 (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高速钢的特殊用途：包括钴高速钢和超硬高速钢硬度 HRC68~70)， 主要用于制造切割难加工金属(如高温合金、钛合金、高强度钢等。)，常用的钢号是 W12Cr4V5Co5、 W2Mo9Cr4VCo8 等。

1.1.2 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机械性能等特殊要求。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。变形前热处理是为了减少钢的偏析；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 370×380mm， 德国蒂森特种钢铁公司的式二流连铸机，结晶器截面尺寸 340×475mm。

? 以高速钢为例，碳化物经热处理后破碎成颗粒，称为一次碳化物；从基体中沉淀的碳化物称为二次碳化 。碳化物，特别是二次碳化物，对钢的晶粒度和二次硬化性能有很大影响。碳化物的数量和类型与钢 的化学成分有关，碳化物的粒度和分布与钢的变形和热处理工艺有关。

? 模具的使用寿命、精度、质量和表面性能不仅与模具的设计、制造精度、机床和操作条件有关，还与模具材料及其热处理工艺密切相关。据相关统计，模具的早期故障约占 材料选择不当和内部缺陷的10%，约50%是由热处理不当引起的。

1.2 国产工具钢在中高端市场取得了突破

工具钢行业具有非常高的竞争壁垒，主要体现在两个方面：（1）先发优势带来的技术壁垒，新进入者短期很 难超越。例如，国外的工具钢生产企业对我国长期实施技术封锁，同时不断的开发新钢种、新牌号以保持技 术优势。（2）认证周期长和替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在 10 万次 左右，服役周期为 2 年。如果某客户想要验证新模具钢的性能，需要长达 2 年以上的认证周期，因此主机厂 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高，会指定模具钢供 应商，例如多采用瑞典、德国和日本企业生产的模具钢，新参与者想进入上述高端市场是比较困难的。根据 产业调研了解到，目前长城、比亚迪等国内车企已逐步采用国产模具钢来替代进口。

2.1 中高端工具钢市场的端工具钢市场的增长

2.1.1 疫情过后，我国模具行业将逐步复苏，产业升级将带动对优质模具钢的需求

模具钢是用来制造模具的钢种，目前我国模具钢需求较大的下游行业主要有汽车、家电、电子设备和建材等 制造业。受益于全球化和制造业向我国转移，过去 20 年我国模具行业主营业务收入的复合增速约为 20%， 近 10 年的复合增速约为 10%，我国模具产值已占世界的三分之一。随着低端制造业向外转移和中低端模具 市场日趋饱和，国内模具制造业有朝着大型化、精密化升级的趋势，对我国的模具钢也提出更高的品质要求。

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

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

2018-2020 受汽车等下游行业周期和疫情影响，2017年 创历史新高后，中国模具行业市场规模收缩。然而，从汽车、家电、电子等行业的增长来看，中国模具行业和模具钢市场仍有增长的空间。疫情冲击后，中国汽车家电行业需求拐点即将到来， 5G 渗透率提高后，将迎来电子设备的新潮，对模具钢的需求有望逐步回升。

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 约占三种模具的一半。一般来说，制造普通汽车本身需要大约1500个 模具，包括接近 1000个 的 冲压模具和200多个 的内饰模具。

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新车型数量持续增长。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 GDP 和国民可支配收入的增长，汽车销量持续增长至 400 万辆/亿人以上，我国 2019 年的汽车销量为 184 万辆/亿人，汽车市场理论上至少有 1 倍的成长空间。

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提高 的空间。80%的家电行业零部件由模具成型，塑料模具钢(代表钢号 P20 和 718)。我们预计未来家电行业将对模具钢的需求增长提供强有力的支撑。

电子通信行业 60%-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，中国的计算机、通信和电子设备制造业保持了快速扩张的趋势5G 随着电子设备渗透率的提高和更新周期的到来，我国电子设备的生产和销售有望扭转2018年以来 的下降趋势。

2.1.2 对高性能切削材料的需求在产业升级下持续增长

2018 2009年以来， 10 年的复合增长率为 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。据中国机床工具行业 协会工具分会统计，2018年会员企业刀具产品总产值为 117.09 1亿元，其中高速钢刀产值 54.40 亿元，比例达到 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比例缩小到 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，硬质合金刀具已占世界刀具消费总额的55%，高速钢刀具为 40%，超 硬刀具为 5%。近 20 高速钢刀具年产值每年下降 1.25而硬质合金刀具则每年上升 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 颗粒小、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，在高冲击负荷切割加工场合可替代硬合金刀具 ，