硬質(zhì)合金頂錘行業(yè)研究人造金剛石與培育鉆石帶動頂錘需求釋放

硬質(zhì)合金頂錘行業(yè)研究-人造金剛石與培育鉆石帶動頂錘需求釋放1頂錘是高溫高壓法合成人造金剛石等超硬材料的關(guān)鍵部件1.1頂錘：合成人造金剛石的關(guān)鍵部件硬質(zhì)合金頂錘是高溫高壓法合成人造金剛石等超硬材料的關(guān)鍵部件。頂錘是合成壓機內(nèi)部的重要耗材，合成壓機是生產(chǎn)金剛石單晶和培育鉆石的核心裝備。由于頂錘要承受復(fù)雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應(yīng)力的作用，加上加熱時瞬時錘面溫度達500～600℃，要求近萬次反復(fù)使用壽命，因此頂錘大多采用鎢鉆系列硬質(zhì)合金制成，具有硬度高、剛性好、強度高、耐熱優(yōu)良的特性。隨著超硬材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級，工業(yè)用大單晶得到廣泛應(yīng)用，疊加培育鉆石進入消費領(lǐng)域，形成千億級珠寶市場，帶動超硬材料產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。為滿足大規(guī)格超硬材料產(chǎn)品的合成，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，壓機大型化成為超硬材料行業(yè)的發(fā)展趨勢，六面頂壓機缸徑從550mm擴大為850mm，甚至1100mm。壓機大型化帶動頂錘大型化發(fā)展，為超大規(guī)格頂錘（直徑≥185mm）的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的機遇。合成壓機是生產(chǎn)金剛石單晶和培育鉆石的核心裝備，硬質(zhì)合金頂錘是合成壓機內(nèi)部的重要耗材。合成壓機的合成腔體可以為金剛石單晶合成創(chuàng)造一個超高溫

（>1400℃）、超高壓（>5GPa）的生長環(huán)境，促使活性碳原子生長成穩(wěn)定的金剛石晶體。我國所采用自主研發(fā)的六面頂壓機經(jīng)過不斷的研發(fā)突破和技術(shù)改進，其在壓機噸位、油缸結(jié)構(gòu)、油缸直徑、整機精度、同步性和控制系統(tǒng)等方面不斷提升。硬質(zhì)合金頂錘位于產(chǎn)業(yè)鏈中部，以碳化鎢為主要原材料。上游硬質(zhì)合金產(chǎn)品鏈較長，各環(huán)節(jié)都有較大的增值空間，下游人造金剛石應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可用于制作金剛石線鋸等工業(yè)制品和鉆戒等輕奢飾品。1.2引進硬質(zhì)合金先進技術(shù)，錘耗逐步降低碳化鎢占六面頂壓機頂錘質(zhì)量分數(shù)87.5%以上。硬質(zhì)合金頂錘基本采用WCCo（8%～10%Co，質(zhì)量分數(shù)）合金或其改進型，在成分上并不十分特殊，但其制備技術(shù)大有考究。硬質(zhì)合金頂錘的工藝流程主要包括壓制、燒結(jié)、材質(zhì)鑒定、機加工、外觀檢測和包裝。目前國內(nèi)頂錘生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)引進了冷等靜壓技術(shù)、新的濕磨工藝、壓制工藝，采用了低壓燒結(jié)等硬質(zhì)合金先進技術(shù)，對產(chǎn)品制造中的缺陷進行了重點控制，產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性得到很大提高。隨著壓機大型化及硬質(zhì)合金技術(shù)進步，錘耗逐步下降。我國硬質(zhì)合金頂錘的質(zhì)量從最早的不足3kg發(fā)展到現(xiàn)今50kg左右，而且隨著頂錘直徑的加大，錘耗在逐步下降，這得益于壓機大型化的促進，也是硬質(zhì)合金技術(shù)進步的結(jié)果。隨著對人造金剛石合成設(shè)備、原輔材料、合成工藝等方面不斷優(yōu)化設(shè)計和有效控制，我國六面頂壓機合成人造金剛石技術(shù)不斷取得突破性進展，逐漸縮小與際先進技術(shù)水平的差距，且生產(chǎn)成本明顯低于國際水平。大頂錘實際應(yīng)用效果已達到相當(dāng)高的水平，金剛石生產(chǎn)錘耗已控制在<1kg/萬克拉，最好效果為0.15～0.3kg/萬克拉。影響硬質(zhì)合金頂錘質(zhì)量的因素主要包括孔隙、碳含量、WC晶粒度、鈷相、內(nèi)應(yīng)力及加工應(yīng)力。在噴霧干燥方面，濕磨+噴霧干燥生產(chǎn)工藝自動化水平高，整個干燥流程都在密閉狀態(tài)下進行，能對密閉設(shè)備的氧含量進行實時監(jiān)控，從而確?；旌狭系难鹾吭谠试S范圍內(nèi)，生產(chǎn)出的混合料流動性能好，松裝密度穩(wěn)定，粒度分布均勻，產(chǎn)量大。在壓制成型方面，等靜壓成形是制備大規(guī)格尺寸壓坯最好的成形方式，它能有效地減少壓坯內(nèi)部孔隙，使燒結(jié)后的合金組織結(jié)構(gòu)致密、均勻，從而提高合金的抗斷裂強度和使用壽命。在脫蠟燒結(jié)方面，脫除成型劑、燒結(jié)、熱等靜壓一次完成的工藝，流程短，效率高，人為影響因素少，碳量控制更穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)更均勻。2大型化和精密化是硬質(zhì)合金頂錘的發(fā)展趨勢2.1頂錘行業(yè)主要企業(yè)情況株洲硬質(zhì)合金集團有限公司是中鎢高新子公司。1954年開始建廠，是國家“一五”期間建設(shè)的156項重點工程之一，被譽為“我國硬質(zhì)合金工業(yè)的搖籃”。公司目前是國內(nèi)最大的硬質(zhì)合金生產(chǎn)、科研、經(jīng)營和出口基地，是中國鎢業(yè)及硬質(zhì)合金行業(yè)的龍頭企業(yè)。公司主要生產(chǎn)碳化鎢粉、鎢鉬制品、棒型材等各種硬質(zhì)合金產(chǎn)品，現(xiàn)有硬質(zhì)合金深加工產(chǎn)能700噸（軋輥500噸，頂錘200噸），2020年實際產(chǎn)量634噸。洛陽金鷺硬質(zhì)合金工具有限公司為廈門鎢業(yè)子公司，原為洛陽鉬業(yè)的全資子公司洛陽鉬業(yè)集團硬質(zhì)合金有限公司，主要從事硬面材料、硬質(zhì)合金頂錘、硬質(zhì)合金輥環(huán)、復(fù)合片基體、鑿巖工具及工程工具等鎢系列產(chǎn)品的生產(chǎn)與銷售。公司頂錘產(chǎn)品以優(yōu)良細顆粒WC為原料，具有粉末粒度分布集中、雜質(zhì)含量少、合金抗壓強度高等優(yōu)勢，綜合指標(biāo)處于世界先進水平。公司采用先進技術(shù)和設(shè)備，如全自動粉末液壓成型機、德國PVA進口低壓爐，大制品（包括頂錘、輥環(huán)）2019年產(chǎn)能為1000噸，2019年實際年產(chǎn)量為366.31噸。橫店東磁是中國電子元件行業(yè)協(xié)會輪值理事長單位，全國磁性行業(yè)的龍頭企業(yè)。橫店東磁硬質(zhì)合金廠始建于1993年，建有年生產(chǎn)400噸碳化鎢粉生產(chǎn)線和200噸頂錘生產(chǎn)線，為東磁股份有限公司的骨干企業(yè)。主導(dǎo)產(chǎn)品有鎢粉、碳化鎢粉、硬質(zhì)合金，包括高速線材軋輥、頂錘等，為中國兵科院的科研合作單位，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鋼鐵、軍工、礦山、機械電子、金剛石復(fù)合等行業(yè)。2021年，橫店東磁硬質(zhì)合金廠已升級為合金材料事業(yè)部，該部95千克頂錘的生產(chǎn)技術(shù)已十分成熟，產(chǎn)品銷量占國內(nèi)市場份額的90%以上，2021年又研制出了單只120多千克的頂錘，實現(xiàn)了該部頂錘產(chǎn)品出口零的突破。濟南市冶金科學(xué)研究所有限責(zé)任公司是通裕重工的子公司，是我國江北地區(qū)最大的硬質(zhì)合金生產(chǎn)基地之一，主要從事硬質(zhì)合金及相關(guān)產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)和銷售，年產(chǎn)能1500噸。生產(chǎn)過程以碳化鎢、鈷粉等為原材料，通過混料、壓制、燒結(jié)、深加工等工序，生產(chǎn)包括金剛石壓機生產(chǎn)用頂錘、棒材、盾構(gòu)刀具、數(shù)控金屬切削工具等，產(chǎn)品遠銷美國、加拿大、意大利、德國、日本、韓國等。2.2大型化和精密化是硬質(zhì)合金頂錘的發(fā)展趨勢頂錘是金剛石制造過程中主要耗材之一。硬質(zhì)合金頂錘的原材料主要為碳化鎢和鈷，下游領(lǐng)域主要為人造金剛石。根據(jù)力量鉆石原材料采購情況，2020年公司采購頂錘金額達到1157.04萬元，占采購金額比重13.54%，是人造金剛石生產(chǎn)過程中主要的耗材。2020年力量鉆石采購員頂錘單價有所升高，主要原因是合成腔體大型化，導(dǎo)致硬質(zhì)合金頂錘大型化，頂錘的重量增加，單個頂錘價格上漲。在中國進行金剛石等超硬材料研發(fā)中，合成設(shè)備進行過多種類型的探索，開始有兩面頂、四面頂、六面頂?shù)龋髞砭哂兄袊厣牧骓攭簷C挺立潮頭。由于擴大腔體不僅能提高產(chǎn)量，更帶來質(zhì)量的提升，壓機大型化和精密化成為技術(shù)創(chuàng)新的重點，大型化也成為硬質(zhì)合金頂錘發(fā)展趨勢，在大單晶、PDC、NPD以及其他材料的高溫高壓合成領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。3人造金剛石與培育鉆石市場發(fā)展帶動頂錘需求釋放3.1頂錘下游需求以人造金剛石和培育鉆石為主金剛石領(lǐng)域是頂錘行業(yè)的核心下游需求。頂錘作為靜壓法構(gòu)成超高壓高溫裝置合成人造金剛石的關(guān)鍵部件，多用于安裝在六面合金頂壓機活塞的大墊塊頂部，是頂壓機的核心構(gòu)件。頂壓機被廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)金剛石與培育鉆石等領(lǐng)域，人造金剛石和培育鉆石從而成為頂錘行業(yè)的核心下游需求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，頂壓機也逐漸用于高壓科學(xué)研究領(lǐng)域，如國內(nèi)科研所使用的一級大腔體壓機基本采用國產(chǎn)六面頂壓機，配備WC一級頂錘，在壓力低于5.5GPa、溫度低于1800K的溫壓區(qū)開展實驗研究，與國內(nèi)工業(yè)合成所用的六面頂壓機性能差別不大。國內(nèi)人造金剛石的制備方法主要是高溫高壓法（HPHT）。人造金剛石的制備方法主要有高溫高壓法（HPHT）和等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD）。HPHT法即在高溫高壓的環(huán)境下，石墨“自發(fā)地”變成金剛石，是人類歷史上首次成功合成技術(shù)，也是國內(nèi)目前主要方法；熱力學(xué)上HPHT和天然金剛石鉆石生成機理幾乎沒有任何區(qū)別，天然的金剛石是在地底下受到了高溫高壓生成的，HPHT法是人造了一個這樣的環(huán)境用于制備金剛石。HPHT法由于其中觸媒的存在做出來的金剛石純度往往不太理想，應(yīng)用在光學(xué)和半導(dǎo)體等領(lǐng)域時會略顯疲態(tài)?；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD）是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)的途徑生成固態(tài)薄膜的技術(shù)。CVD沉積金剛石時使用的是700–800°C和3kPa這個參數(shù)（比天然金剛石形成環(huán)境要求強度低很多），原因在于導(dǎo)入的氫氣可以在振蕩電場中生成氫原子，氫原子等會猛沖到基底表面，大量的石墨會被“濺射清洗”掉，少量的金剛石核心因為可以經(jīng)受這種打擊所以可以繼續(xù)長大結(jié)晶。MPCVD技術(shù)是目前國內(nèi)外制備單晶金剛石應(yīng)用最廣泛的方法。3.2金剛石市場穩(wěn)定增長，帶動頂錘行業(yè)需求釋放中國人造金剛石產(chǎn)量位居全球第一。自1963年12月中國合成出國內(nèi)第一個金剛石以來，在50多年的時間里，中國人造金剛石產(chǎn)量不斷提升。2000年，中國人造金剛石年產(chǎn)量第一次突破10億克拉，成為世界上人造金剛石產(chǎn)量最大的國家。2011年，中國人造金剛石年產(chǎn)量突破100億克拉，到2020年，年產(chǎn)量再次突破200億克拉，占據(jù)全球總產(chǎn)量90%以上，始終保持全球第一。在國內(nèi)，金剛石產(chǎn)量主要集中在河南省，河南產(chǎn)量占全國產(chǎn)量的80%，主要廠商中南鉆石、黃河旋風(fēng)、鄭州華晶、力量鉆石占據(jù)全球市場70%的份額。工業(yè)金剛石占據(jù)金剛石市場主流。根據(jù)磨料磨具網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國工業(yè)金剛石總產(chǎn)量207億克拉，壟斷全球95%工業(yè)金剛石原料市場份額。根據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會超硬材料分會統(tǒng)計，截至2020年12月31日，行業(yè)內(nèi)用于生產(chǎn)金剛石單晶和培育鉆石的六面頂壓機約為8000臺。工業(yè)金剛石發(fā)展前景廣闊，帶動頂錘行業(yè)需求量不斷增加。目前中國金剛石下游應(yīng)用主要以傳統(tǒng)的建筑領(lǐng)域和石材切割為主，隨著航空航天等領(lǐng)域?qū)σ怨I(yè)金剛石為原料的PCD刀具和微鉆等需求的不斷增加，疊加先進制造領(lǐng)域中的光伏新能源和第三代半導(dǎo)體規(guī)模化應(yīng)用孕育新興需求，工業(yè)用金剛石需求旺盛，帶動頂錘行業(yè)需求釋放。國內(nèi)多個金剛石在建項目帶動頂錘行業(yè)需求旺盛。根據(jù)河南省《2022年補短板“982”工程實施方案》規(guī)劃，在工業(yè)金剛石領(lǐng)域，河南省政府將規(guī)劃建設(shè)多個工業(yè)用金剛石生產(chǎn)項目，所有項目投產(chǎn)后將會大大增加金剛石產(chǎn)能和產(chǎn)量放量，進一步拉動對于頂壓機及頂錘的需求量增長，頂錘行業(yè)需求前景廣闊。3.3培育鉆石迎來黃金發(fā)展期全球培育鉆石市場規(guī)模不斷攀升。2017-2021年，全球培育鉆石產(chǎn)量由150萬克拉增長至900萬克拉。根據(jù)貝恩咨詢預(yù)測數(shù)據(jù)，2025年全球培育鉆石市場規(guī)模將從2020年的167億元增至368億元，其中我國培育鉆石市場規(guī)模將由83億元增至295億元。中國培育鉆石市場規(guī)模全球第一。2021年全球培育鉆石產(chǎn)量共有900萬克拉，其中中國產(chǎn)量約400萬克拉，占比40%以上，位居全球第一，其次是印度、美國和新加坡等國家。國內(nèi)的主要培育鉆石生產(chǎn)企業(yè)有中兵紅箭、黃河旋風(fēng)和力量鉆石等。消費者對培育鉆石認知程度的改變以及培育鉆石合成技術(shù)提升推動培育鉆石市場規(guī)模快速擴大。近些年，由于毛坯天然鉆石產(chǎn)量有不斷下降的趨勢，但全球鉆石消費需求卻不斷增加，供需失衡趨勢為培育鉆石發(fā)展帶來了機遇。國內(nèi)多家培育鉆石企業(yè)，包括力量鉆石、中晶公司等積極布局培育鉆石新增產(chǎn)能項目，帶動頂壓機需求增加。根據(jù)力量鉆石2022年向特定對象發(fā)行股票募投項目，力量鉆石將利用募集資金采購1800臺六面頂壓機用于生產(chǎn)制造，頂壓機需求的不斷增長直接帶動了頂錘行業(yè)需求旺盛。3.4高壓科學(xué)研究等領(lǐng)域成為頂錘下游需求的另一方向國內(nèi)科研院所使用頂壓機具有較強的國產(chǎn)化替代前景。目前國內(nèi)部分科研院所，包括吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室、燕山大學(xué)亞穩(wěn)相材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室、中國科學(xué)院物理所、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）等使用的二級大腔體高壓裝置均為國外進口裝置；國外裝置存在價格昂貴，易損件、配套器件和高壓腔組裝件均需進口，運行成本高等問題。隨著國內(nèi)具備自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化高壓裝置的不斷研發(fā)，中國目前的先進高壓裝置已具有趕超世界先進水平的實力，未來各大科研院所用于科學(xué)研究中的高壓裝置領(lǐng)域的國產(chǎn)化替代進程有望加快。3.5測算：預(yù)計到2025年消耗的頂錘量將達到2940.3噸，2021-2025年復(fù)合增長率10.1%。預(yù)計2025年人造金剛石領(lǐng)域?qū)⑾捻斿N需求量達2939.4噸，年復(fù)合增長率為10.1%。2021年國內(nèi)人造金剛石產(chǎn)量達223億克拉，其中依賴頂錘生產(chǎn)的HPHT法生產(chǎn)的人造金剛石產(chǎn)量為200億克拉。假設(shè)每萬克拉人造金剛石生產(chǎn)消耗頂錘數(shù)量為0.9-1kg左右。預(yù)計到2025年國內(nèi)HPHT法生產(chǎn)人造金剛石數(shù)量將達327億克拉，帶動消耗頂錘需求量為2939.4噸，2021-2025年復(fù)合增長率為10.1%。預(yù)計2025年培育鉆石領(lǐng)域?qū)⑾捻斿N需求量0.8噸，年復(fù)合增長率為23.9%。2021年國內(nèi)培育鉆石產(chǎn)量達400萬克拉，其中依賴頂錘生產(chǎn)的HPHT法生產(chǎn)的培育鉆石產(chǎn)量為360萬克拉。預(yù)計到2025年國內(nèi)HPHT法生產(chǎn)培育鉆石數(shù)量將達944萬克拉，帶動消耗頂錘需求量為0.8噸，年復(fù)合增長率達到23.9%。結(jié)合培育鉆石以及人造金剛石領(lǐng)域來看，預(yù)計到2025年消耗的頂錘量將達到2940.3噸，2021-2025年復(fù)合增長率10.1%。4投資分析人造金剛石與培育鉆石市場快速發(fā)展帶動頂錘需求釋放。2011年中國人造金剛石年產(chǎn)量突破100億克拉，到2020年，年產(chǎn)量突破200億克拉，占據(jù)全球總產(chǎn)量90%以上。隨著航空航天等領(lǐng)域?qū)τ谝怨I(yè)金剛石為原料的PCD刀具和微鉆等需求的不斷增加，疊加先進制造領(lǐng)域中的光伏新能源和第三代半導(dǎo)體規(guī)?；瘧?yīng)用孕育新興需求，工業(yè)用金剛