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manbetx:鋼鐵行業專題報告高性能工模具鋼是我國

时间:2020-09-04 作者:manbetx体育 浏览次数: 162

manbetx体育《論語》有曰:工欲善其事,必先利其器。工具鋼(Toolsteel),堪稱工業之母,是用以建造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的鋼。一般的工具鋼具有較高的硬度和在高溫下能保持高硬度、紅硬性、高的耐磨性和適當的韌性等特點,manbetx体育特殊請求還包括熱處理變形小、耐蝕性和可加工性好等。根據化學成分不同,工具鋼分為碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼(實質上是高合金工具鋼)三大類;按用途則可分為刃具鋼、模具鋼、量具鋼三大類。

(1)碳素工具鋼:碳素工具鋼的碳含量較高,在065-135%之間。碳素工具鋼熱處理后表面可得到較高的硬度和耐磨性,心部有較好的韌性;退火硬度低(不大于HB207),加工性能良好,manbetx体育但紅硬性差,當工作溫度達250℃時,鋼的硬度和耐磨性急劇下降,manbetx体育硬度下降到HRC60以下。碳素工具鋼的淬透性低,較大的工具不能淬透(水中淬透直徑為15mm),水淬時表面淬硬層與中心部位硬度相差很大,在淬火時易產生變形或形成裂紋。此外,其淬火溫度范圍窄,在淬火時應嚴格控制溫度。防止過熱、脫碳和變形。

manbetx体育碳素工具鋼鋼號冠以T,以免與其他鋼類相混;鋼號中的數字表示碳含量,以平均碳含量的千分之幾表示。例如,T8表示平均碳含量為08%;錳含量較高者,在鋼號最后標出Mn,例如T8Mn;高級優質碳素工具鋼的磷、硫含量比一般優質碳素工具鋼低,在鋼號后面加注字母A以示區分。

(2)合金工具鋼是指為了改善工具鋼的性能而特地加入一些合金元素的鋼,常用的合金元素有鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)、鈦(Ti)等,合金元素的含量總和一般不超過5%。合金工具鋼的淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性均比碳素工具鋼高,按用途大致可分為刃具、模具和量具用鋼3類,模具鋼的產量占合金工具鋼的80%左右。其中碳含量高的鋼(wc大于080%)多用于建造刃具、量具和冷作模具,這類鋼淬火后的硬度在HRC60以上,且具有充足的耐磨性;碳含量中等的鋼(wt035%~070%)多用于建造熱作模具,這類鋼淬火后的硬度稍低,為HRC50~55,但韌性良好。

(3)高速工具鋼是一種高合金工具鋼,一般指高速鋼。含碳量一般在070~165%之間,含合金元素量較多,總量可達10~25%,其中含有C,Mn,Si,Cr,V,W,Mo,Co。能用來做高速扭轉切割工具,具有紅硬性高、耐磨性好、強度高等特性,就是其中Cr,V,W,Mo得比例比較大。當切削溫度高達600℃時,硬度仍無明顯下降。通常采用電爐生產,采用粉末冶金方法生產高速鋼,使碳化物呈極細小的顆粒均勻地分布在基體上,可以提高使用壽命。高速鋼刀具約占國內刀具總量的75%。

按所含合金元素不同可分為: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,按含釩量的不同又分一般含釩量(含釩1~2%)和高含釩量(含釩25~5%)的高速鋼;⑤鈷高速鋼(含鈷5~10%)。

按用途不同高速鋼又可分為通用型和特殊用途兩種。①通用型高速鋼:主要用于建造切削硬度HB≤300的金屬材料的切削刀具(如鉆頭、絲錐、鋸條)和精密刀具(如滾刀、插齒刀、拉刀),常用的鋼號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。②特殊用途高速鋼:包括鈷高速鋼和超硬型高速鋼(硬度HRC68~70),主要用于建造切削難加工金屬(如高溫合金、鈦合金和高強鋼等)的刀具,常用的鋼號有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。

工具鋼的發展已有百年歷史,各種工具鋼既有共同的請求,如硬度高、耐磨性和一定的強韌性等,又有各自的特殊請求,如紅硬性、耐沖擊、尺寸穩定性、抗熱疲勞性和良好的綜合機械性能等。工具鋼的生產工序主要包括冶煉、鍛造、加工和熱處理等。為了滿足不同的請求,生產上采用各種不同冶金成分的工具鋼,并通過恰當的變形和熱處理工藝來達到其性能請求,因此高性能的工具鋼生產具有極高的技術壁壘。

工具鋼的冶煉一般采用電弧爐+二次精煉的雙聯法,二次精煉工藝有鋼包精煉(LF)、真空處理(VD)、噴粉精煉等多種方法,生產高性能合金工具鋼則采用電弧爐+電渣重熔(ESR)或真空自耗(VAR)法。工具鋼的熱加工包括熱處理和熱變形,熱處理分為形變前熱處理和形變后熱處理。形變前熱處理是進行均勻化處理以減少鋼的偏析;形變后熱處理主如果去應力退火處理。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,可以避免帶狀構造的形成或減輕帶狀構造的嚴重程度。

合金工具鋼以模鑄為主,為保證鋼錠質量,廣泛采用防止二次氧化技術,包括保護氣體澆鑄、真空澆鑄。為提高收得率、降低成本,國內外部分特殊鋼廠已采用連鑄生產低合金工具鋼。對于截面大的模具材料,通常選用大截面連鑄機,例如日本大同特殊鋼采用二流弧形大方坯連鑄機,鑄坯尺寸為370×380mm,德國蒂森特殊鋼公司的立式二流連鑄機,結晶器截面尺寸為340×475mm。

以高速鋼為例,碳化物經熱加工后破碎成顆粒,稱為一次碳化物;從基體中析出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等性能有很大影響。碳化物的數量、類型與鋼的化學成分有關,而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量和熱處理工藝有關。

模具的使用壽命和制成的精度、質量、表面性能,除與模具的設計、建造精度以及機床和操作等條件有關外,與模具材料及其熱處理工藝也有密切關系。占據關的統計表明,模具的早期失效因材料選擇不當和內部缺點引起的約占10%左右,由熱處理不當引起的約占50%左右。

工具鋼行業具有非常高的競爭壁壘,主要體現在兩個方面:(1)先發優勢帶來的技術壁壘,新進入者短期很難超越。例如,國外的工具鋼生產企業對我國長期實施技術封鎖,同時不斷的開發新鋼種、新牌號以保持技術優勢。(2)認證周期長和替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在10萬次左右,服役周期為2年。如果某客戶想要驗證新模具鋼的性能,需要長達2年以上的認證周期,因此主機廠傾向于不輕易更換模具鋼供應商。此外,以汽車為代表的下游高端客戶對模具性能請求高,會指定模具鋼供應商,例如多采用瑞典、德國和日本企業生產的模具鋼,新參與者想進入上述高端市場是比較困難的。根據產業調研了解到,目前長城、比亞迪等國內車企已逐步采用國產模具鋼來替換進口。

模具鋼是用來建造模具的鋼種,目前我國模具鋼需求較大的下游行業主要有汽車、家電、電子設備和建材等建造業。受益于環球化和建造業向我國轉移,過去20年我國模具行業主營營業收入的復合增速約為20%,近10年的復合增速約為10%,我國模具產值已占天下的三分之一。隨著低端建造業向外轉移和中低端模具市場日益飽和,國內模具建造業有朝著大型化、精密化升級的趨勢,對我國的模具鋼也提出更高的品質請求。

汽車行業是模具及模具鋼消耗的第一大行業,占市場總量35%左右;家用電器行業消耗模具鋼約占市場總量的20%;電腦、手機、電子設備等電子通信行業用模具鋼約占市場的20%;塑料門窗、PVC水管等建材模具年需消耗模具鋼約占市場容量的15%。

2018-2020年受汽車等下游行業周期和疫情的影響,我國的模具行業的市場規模在2017年創下歷史新高后有所收縮。盡管云云,從汽車、家電和電子等行業的成長性看,我國的模具行業和模具鋼的市場仍舊有成長空間。疫情沖擊后我國的汽車、家電行業的需求拐點即將到來,同時5G滲透率提拔后將迎來電子設備的更新潮,模具鋼的需求有望逐步回暖。

汽車行業90%以上的零件由模具成型,主如果冷作模具鋼、塑料模具和熱作模具鋼,三類模具中沖壓模具要占到一半左右。一般情況下,建造一輛普通轎車本身便需要約1500個模具,當中有接近1000個的沖壓模具和超過200個的內飾件模具。

我國目前的汽車產銷量與理論峰值之間還有很大的差距,同時傳統燃油車和新能源汽車新車型的數量持續增長。我國的汽車保有量遠低于美、日,汽車市場容量非常大;從販賣量看,美國和日本隨著日均GDP和國民可安排收入的增長,汽車銷量持續增長至400萬輛/億人以上,我國2019年的汽車銷量為184萬輛/億人,汽車市場理論上最少有1倍的成長空間。

得益于內需和出口的強勁拉動,我國的大家電產銷量團體保持增長,同時小家電滲透率尚有較大的提高空間。家電行業零件的80%靠模具成型,使用量最大的是塑料模具鋼(代表鋼號為P20和718)。我們預計未來家電行業對模具鋼的需求增長有較強的支撐。

電子通信行業60%-80%的零部件都要依靠模具成型,其中精密沖壓模具和精密塑料模具約占模具市場的20%左右。過去我國的計算機、通信和電子設備建造業保持了高速擴張的態勢,隨著5G滲透率提拔和電子設備更新周期的到來,我國的電子設備產銷量有望扭轉自2018年以來的下滑趨勢。

2018年我國刀具行業的市場規模創新高,從2009年以來10年的復合增速為565%。目前,我國的切削工具市場以普通高速鋼刀具為主,隨著建造業轉型升級和加工材料的機械性能提拔,高性能高速鋼、硬質合金等先輩切削材料的使用量和占比不斷攀升。盡管我國切削工具的產量持續下降,但刀具的單品價值提拔明顯是市場持續擴張的重要原因。

我國金屬切削機床需求最大的行業是汽車,占比達到45%,其次是機械和軍工。根據中國機床工具工業協會工具分會統計,2018年會員企業刀具產品的總產值為11709億元,其中高速鋼刀具產值為5440億元,占比達到465%。高速鋼刀具是現階段我國刀具產品中占比最大的品類,但與排名第二的硬質合金刀具占比差距減少至23個百分點。

采用硬質合金時,切削速率比高速鋼提高兩倍以上,切削加工出的工件表面質量和尺寸精度也大大提高。在發達國家市場中硬質合金刀具占據主導地位,在我國高速鋼刀具與硬質合金刀具共同主導市場。根據國際生產工程學會(CIRP)統計,硬質合金刀具已占天下刀具消耗總額的55%,高速鋼刀具為40%,超硬刀具為5%。近20年高速鋼刀具產值每年遞減125%,而硬質合金刀具則每年遞升11%。

在高精度、高壽命請求等關鍵領域要使用合金含量更高的高速鋼,但傳統工藝生產的高合金含量的構造會有嚴重的偏析缺點和粗大碳化物構造,進而影響斷裂韌性。噴射成形和粉末冶金技術制備的高合金工具鋼有晶粒細小、構造均勻、宏觀偏析小等特點,具有非常好的市場前景。粉末冶金高速鋼刀具的性能優于普通高速鋼,而且在沖擊負荷大的切削加工場合可替換硬質合金刀具,預計市場規模的復合增速在10%以上。

粉末冶金方法首先用霧化法制取低氧高速工具鋼預合金粉末,然后用冷、熱等靜壓機將粉末壓實成全致密的鋼坯,再經鍛、軋成材。粉末高速工具鋼的碳化物細小、分布均勻,韌性、可磨削性和尺寸穩定性等均很好,可生產用鑄錠法沒法生產的更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應用比例呈增長趨勢,在發達國家高性能高速鋼應用比例達到30%以上,粉末冶金高速鋼也已達到20%左右。粉末冶金高速鋼構造細小,其強度和韌性分別是熔煉高速鋼的2倍和25~3倍。目前環球粉末冶金高速鋼已占高速鋼年產量的10%以上,美國應用粉末冶金高速鋼的比例超過15%。我國高性能高速鋼的應用比例只有10%左右,粉末冶金高速鋼應用比例則更低。

粉末冶金高速鋼冶煉工藝復雜,建造成本較高;與之相比,噴射成形制備工序少,成本較低,但產品質量較粉末冶金差些。天下上主要由少數發達國家的7家企業生產粉末冶金高速鋼,總產能約24萬噸左右。國內的粉末冶金高速鋼生產才剛起步,以目前我國高速鋼刀具市場規模的20%計將達10億元以上。

國產模具鋼的性價比高,高端市場國產替換的空間大。由于我國的模具建造技術水平團體進步很大,模具在國際采購中具有性價比優勢,我國模具在國際貿易格局中占據著越來越重要的地位,出口金額已達到我國模具行業主營營業收入的15%。近5年來,我國進口模具的國產化替換較為順遂,模具進口金額持續下滑,與此同時模具的出口保持增長。目前我國中高端模具仍依靠進口,模具進口市場規模約為20億美元。

從進出口的市場規模看,2015-2019年我國的模具出口金額從5082億美元增長至6246億美元,累計增長229%,出口市場年均增長291億美元;同期模具進口金額從2485億美元降至1939億美元,累計下降220%,進口年均減少137億美元。

從進出口的產品結構看,塑料橡膠模具、沖壓模具出口占比分別為6227%、1930%,進口占比分別為4496%、4092%。根據我們的產業調研了解到,目前我國在大型塑料模具和超大型熱作模具等高端產品上的進口依靠度較大,主如果因為上述大尺寸規格的產品對構造、性能均勻性的控制請求更高。

國產的模具鋼有著國外鋼廠不可比擬的交貨時間優勢和成本優勢,對于一樣規格的產品,國產模具鋼價格只有國外的1/3。近幾年國內鋼廠不斷引進先輩的冶煉設備,生產工藝和技術已經取得了長足的進步,已經有部分高端模具鋼品質達到歐洲標準模具鋼等級標準,質量等級可以與進口模具鋼媲美。

隨著我國建造業的轉型升級和模具行業的不斷發展,國內市場對中高檔模具的需求量越來越大。我國的模具鋼與國際先輩水平相比,在品種、質量、尺寸規格及使用性能等方面都有差距,尚不能滿足高端市場的需求。根據我們市場調研的數據推測,我國每年約有10萬噸左右的高端模具鋼需要進口,主如果精密的、長壽命的模具鋼,幾乎占據了全部模具鋼高端市場的80%以上。進口的模具鋼價格要比國內的同類產品高出幾倍。

國外模具鋼采用了更多的成分、構造和性能等方面的單項指標。以H13模具鋼為例,國外H13的控制指標最多達8項,而我國的標準只有3項。一般國產H13鋼制的壓鑄模具壽命為3萬~5萬模次,而進口的優質H13的壓鑄模具壽命可達20萬次。在生產工藝上,國外普遍采用電爐+爐外精煉”,對于純凈度請求更高的大部分采用電渣重熔,大截面鍛壓模塊和大型鋼材多采用真空處理。

我國模具鋼的進口來源主要有日本大同、日立金屬、德國葛利茲、瑞典ASSAB、美國芬可樂等。進口模具鋼的牌號包括日本NAK80、SKD61、DC53、SKD11等,瑞典S136、8407、DIEVAR、XW-41等,德國12083、12344、12379,美國牌號H13、D2等。進口模具鋼的規格主如果大尺寸的鍛制模塊(250-800mm×600-1200mm)及大尺寸的模具扁鋼(30-300mm×400-1500mm)。

我國的高端模具產業長期依靠進口材料支持其發展,無形中提高了模具產業特別是高端模具產業供應鏈的傷害系數。政治局會議提出提拔國內大循環的主體地位,保護產業鏈供應鏈安全穩定,補齊關鍵環節。為了提高我國模具行業的安全系數,支持我國模具產業健康平穩地發展,我國亟需改善高端模具鋼幾乎依靠進口的局面。我國模具鋼產業要補齊短板和功課:(1)高端化:加強新產品開發,提高模具鋼性能,同時促進品種規格多樣化、制品化;(2)專業化:形成專業化模具鋼生產;(3)品牌化:以質量樹立模具鋼品牌。

我國進口刀具的市場規模尚在不斷增長,過去10年進口刀具占國內市場的份額從15%提高至30%,進口市場規模達到148億。由于建造業轉型升級對高性能刀具的需求增長,我國進口的主如果包括硬質合金制品在內的高端刀具產品,進口刀具的單價遠遠高于國產刀具,剔除硬質合金的高端刀具進口額在40億元以上。

根據中國機床工具工業協會工具分會的統計分析,2018年我國刀具市場總消耗規模達到421億元,創歷史最高記錄,同比增長85%。其中國產刀具約273億元人民幣,占比65%;進口刀具(含境外品牌)148億元人民幣,占比35%。

進口刀具中金額前三分別為經鍍或涂層硬質合金制的金工機械用刀及片、其他材料制工作部件的鉆孔工具、其他硬質合金制的金工機械用刀及片;剔除硬質合金落后口前三分別為其他材料制工作部件的鉆孔工具、其他銑削工具、攻絲工具,2019年的進口金額分別為1864億、1361億和912億元。

工具鋼作為工業之母,高性能工具鋼則是當代工業的基礎。汽車、機械、航空航天、軍工等當代裝備建造業是我國未來重點發展和布局的支柱產業,作為不可或缺基礎材料的高性能工模具鋼一樣受到國家產業政策的大力支持,并成為我國的戰略性新興產業。

2016年11月,國務院發布《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》,提出發展壯大高端裝備和新材料等戰略性新興產業。12月,工信部等部委聯合發布《新材料產業發展指南》,提出推進原材料工業供給側結構性改革,緊緊圍繞高端裝備建造等重點領域需求,加快調整先輩基礎材料產品結構的重點任務。

國家統計局《戰略性新興產業分類(2018)》對新材料產業目錄做了細化完善,并首次將39類先輩鋼鐵材料列入新材料產業目錄,包括先輩鋼鐵材料等7大領域,新增了高性能軸承用鋼加工、高性能彈簧鋼加工、高性能齒輪鋼加工、高性能工模具鋼加工、高技術船舶用鋼加工、高強度汽車用冷軋板加工等。

過去我國的合金工具鋼生產企業是以東北特鋼、寶鋼特鋼、長城特鋼等傳統國營鋼廠為主,上述鋼廠憑借著先輩的特冶裝備和技術優勢在國內的高端工具鋼市場逐漸形成品牌效應,并以高品質獲得了越來越廣泛的市場基礎。我國中低端工具鋼市場相對飽和且競爭更激烈,以天工國際、廣大特材為代表的民營鋼企憑借著靈活、高效的經營體制和專業化、低成本的競爭優勢快速成長。

據Mysteel統計,2019年我國總計61家模具鋼生產企業,共85條生產線,合計約為2256萬噸產能,其中塑料模具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼的比例大體為5:3:2;根據我們產業調研的數據,目前我國模具鋼的年需求量約120萬噸,模具鋼生產線的產能利用率約為50%,團體看并不高。

2017-2019年我國重點優特鋼企業的模具鋼總產量從425萬噸下降為320萬噸,累計下降247%。目前在我國國內模具鋼市場中份額較大的是天工國際、東北特鋼(含撫順特鋼、大連特鋼)、寶武特冶(原寶鋼特鋼)、長城特鋼、齊魯特鋼等。我國目前每年仍需進口高端模具鋼產品約10萬噸,相比于頭部企業的產能而言進口替換的空間還很大。

九十年代后期,大連特鋼、重慶特鋼、寶鋼特鋼等國有綜合特鋼廠調整產品結構并逐步放棄高速鋼市場,天工國際、河冶科技、江蘇精工等專業化生產廠取而代之成為高速鋼生產的主力軍。目前國內市場的高性能高速鋼的生產能力較弱,國內能生產粉末冶金高速鋼的企業僅有天工國際、河冶科技等,其中天工國際在國內粉末冶金高速鋼市場的占據率達到80%以上。

工具鋼生產的高端化、專業化是先發國家產業發展的重要趨勢,可以提高產品質量、降低成本,提拔企業的競爭力。在我國工具鋼市場景氣度下行時期,具有高端化、專業化優勢的合金工具鋼生產企業的市場份額提高,呈現馬太效應。以模具鋼為例,2018年我國重點特鋼企業的模具鋼產量較2017年同比下降256%,同期天工國際為代表的專業化工具鋼生產企業的市場份額均逆勢提高,公司的市場份額從20%提高至282%,同時天下重點優特鋼企業的模具鋼CR5從671%提高至851%。

由于合金工具鋼的生產品種規模多、批量小,因此合金工具鋼的生產已了由分散向集中發展可以共享特殊冶金裝備,完成專業化生產并降低工序成本;同時為了適應環球化競爭的趨勢,天下先輩的模具鋼的生產企業不斷地進行強強聯合,形成具有環球競爭力的工模具生產、研發中心和國際品牌。

目前發達國家一般僅有1-2家生產模具鋼的專業廠家,其產量往往占天下的60%-80%,如瑞典的烏德霍姆公司、奧地利的百樂公司、美國的釩合金鋼公司(Vasco)、日本的日立金屬公司等。目前我國的模具鋼分散幾十家特鋼企業生產,產業集中度仍待提拔,未來將逐步向專業化和品牌化的方向發展。

相較于普鋼,作為產業鏈中游的工具鋼生產企業有較強的紅利能力,其販賣利潤率與下游工模具建造企業相稱。我們認為主要有以下原因:(1)我國合金工具鋼行業的供給相對集中,尤其是在中高端工具鋼方面,而需求相對分散,因此工具鋼生產企業具有較強的議價能力和成本轉嫁能力;(2)原材料占工模具成品的成本比重較低,下游對工具鋼質料價格的容忍度尚可,例如模具鋼成本僅占模具販賣價格的20~30%。

我國共有模具生產企業(廠、點)約3萬家,大部分模具企業規模較小,行業集中度不高。據統計,2014年模具產值在1000萬元以上的生產企業有71家,超過1億元的有25家。據Mysteel統計,我國有模具鋼生產企業約60家,同時我國重點優特鋼企業的模具鋼CR5達到80%左右。在2018年以釩為代表的合金元素價格大漲時,模具鋼生產企業有能力將成本的漲幅轉嫁給客戶,從而保證高販賣毛利率。

我國的模具鋼生產企業高度集中于華東、華中、東北這三個地區,其中華中、華東和華北地區分別有總計17家、16家和11家企業。華東地區的產能占比近半,其次是華中、東北。我國模具鋼的需求主要集中在華東、華南和華北地區,華東占天下的50~55%左右,包括浙江的寧波、臺州市、江蘇昆山和上海嘉定;廣東也是我國最主要的模具市場和最大的模具出口省,天下模具產值有35%以上來自廣東。

與普鋼以鐵礦石、煤焦為主要原燃料不同,合金工具鋼中Cr、Mo、V、W等合金元素占原材料成本的比重較大。以H13模具鋼為例,我們估算目前Cr、Mo、V在其原材料成本中的占比達到70%左右,而廢鋼僅占30%。從原材料的供給格局看,合金工具鋼生產企業能夠避開鐵礦石這個黑色產業鏈的利潤陷阱,是其保持高紅利水平的重要原因之一。

工具鋼是工業之母,后疫情時代的需求修復疊加我國建造業的轉型升級,工具鋼產業的發展將逐步由量增向質升轉變,高端化和專業化是工具鋼產業高質成長的主線。我國工具鋼產業的供給能力不斷提拔,高性價比優勢和保護產業鏈供應鏈安全穩定的發展需要將加速國產替換進程。