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Q 高速鋼的歷史
A 高速鋼的歷史 多年來,高速鋼牌號主要為高速切割應用而開發,但也用于生產工具和模具。每個牌號的性能各不相同,但共同的性能包括高耐磨性和出色的韌性。高速鋼牌號還具有高達500℃的耐熱性,這使它們非常適合高速使用,因此被稱為高速鋼。 通過熱處理,這些鋼可以達到很高的洛氏硬度,例如,M2高速鋼通常被硬化到64HRC,而M42可以被硬化到高達70HRC,盡管它通常被硬化到66-68 HRC。 高速鋼牌號的化學成分結合了碳、鉻、鉬、釩、鎢和鈷的部分或全部合金元素。結合碳、釩和鎢的牌號可以提供最高的耐磨性。鈷牌號提供了更好的熱硬度和可清洗性,但韌性下降。 歷史 1868年,Robert Meashet發明了一種自硬化/空氣硬化鋼。這是第一種已知的特殊鋼,在鍛造和冷卻時獲得一定程度的硬度。它被廣泛用于工程工具,并在當時獲得了專利,其化學成分仍然保密。我們現在知道,8%的鎢含量是決定該鋼性能的關鍵。1870年,英國塞爾弗里德的塞繆爾-奧斯本公司購買了鋼鐵的大規模生產。 在十九世紀的美國,為賓夕法尼亞州伯利恒鋼鐵公司工作的弗雷德里克-泰勒和英國人毛塞爾-懷特,對鋼做了許多測試和實驗,以了解其特性。在這些實驗中,他們發現在8%的鎢鋼中加入3.8%的鉻,可以使其在高溫下進行淬火和回火(接近鋼的熔點))。在所使用的服務中,它可以更快的速度工作,因此命名為高速鋼。 T1是第一批大規模生產的高速鋼之一。它在1910年被開發和生產,并由美國新澤西州的坩堝鋼鐵公司獲得專利。1937年,美國的W Breelor公司發明了鎢鉬高速鋼M2。 在隨后的幾年里,許多新牌號的高速鋼被開發出來。在英國,許多專業的鋼鐵生產商(主要在謝菲爾德)制造了許多高速鋼以及工具鋼牌號。對于每個制造商來說,普遍存在的情況是為每個牌號提供獨特的公司鋼品牌。例如,塞繆爾-奧斯本公司就是一個很好的例子,該公司以在其高速鋼牌號中使用穆謝特的名字而自豪。 塞繆爾-奧斯本品牌 AISI BS4659 * Dual Particle ND T1 BT1 triple wheat floor GZ T4 BT4 mushet MKK M2 BM2 Meashet Special VG M15 BM15 * (1971年推出) 通用高速鋼規格 給予工具和高速鋼的許多品牌名稱讓買家感到困惑。1971年,英國標準協會對英國使用的所有主要類型的工具和高速鋼采用了一個新的標準,稱為BS4659。現在最流行的牌號是M2、M35和M42,有圓棒、扁棒和板材。 M2高速鋼 由于其鎢鉬組合,M2高速鋼在淬火后具有很高的耐磨性。由于具有更好的韌性和良好的切削力,它現在已經被取代為最受歡迎的高速鋼牌號。T1已經很少生產或庫存。 M35高速鋼 M35中加入了鈷,使其具有比M2更好的耐熱性能。 M42高速鋼 具有較高的硬度(高達70Hrc),由M42刀具制成的工具具有良好的熱硬度,提供了良好的服務性。 應用范圍 高速鋼規格通常用于工具頭、切削工具、絲錐、鉆頭、刀具和帶狀刀片。利用其高硬度和高耐磨性,高速鋼通常用于工具的應用,如沖頭和模具的部件。 -
Q 中國的工具鋼如何?
A
中國的工具鋼如何?
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要求高,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代進口。
國產模具鋼的性價比高,高端市場國產替代的空間大。由于我國的模具制造技術水平總體進步很大,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 具行業主營業務收入的 15%。近 5 年來,我國進口模具的國產化替代較為順利,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賴進口,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 50.82 億美元增長至 62.46 億美元,累計 增長 22.9%,出口市場年均增長 2.91 億美元;同期模具進口金額從 24.85 億美元降至 19.39 億美元, 累計下降 22.0%,進口年均減少 1.37 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 62.27%、19.30%,進口占比分別為 44.96%、40.92%。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賴度較大,主要是因為上述大尺寸規格的產品對組織、性能均勻性的控制要求更高。
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,對于同樣規格的產品,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進的冶煉設備,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。
隨著我國制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 鋼與國際先進水平相比,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,主要是精密的、長壽命 的模具鋼,幾乎占據了整個模具鋼高端市場的 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、組織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 凈度要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。
我國的高端模具產業長期依賴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危險系數。政治局會議提出提升國內大循環的主體地位,維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賴進口的 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。
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Q 工具鋼如何生產?
A
工具鋼如何生產?
工具鋼的發展已有百年歷史,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、鑄造、加工和熱處理等。為了滿足不同的要求,生產上采用各種不同冶金成份的工具鋼,并通 過恰當的變形和熱處理工藝來達到其性能要求,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;形變后熱處理主要是去應力退火處理。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,可以避免帶狀組織的形成或減輕帶狀組織的嚴重程度。
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。u 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、制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。據有關的統計表明,模具的早期失效因材料選擇不當 和內部缺陷引起的約占 10%左右,由熱處理不當引起的約占 50%左右。
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Q 工具鋼有哪些種類?
A
工具鋼有哪些種類?
工具鋼是用以制造切削刀具、 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,特殊要求還包括熱處理變形小、耐蝕性和可加工性好等。根據化學成份不同,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。
碳素工具鋼:
碳素工具鋼的碳含量較高,在 0.65-1.35%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,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,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。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 0.8%;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 以示區別。
合金工具鋼
是指為了改善工具鋼的性能而特意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 0.80%)多用于制造刃具、量具和冷作模具,這類鋼淬火 后的硬度在 HRC60 以上,且具有足夠的耐磨性;碳含量中等的鋼(wt0.35%~0.70%)多用于制造熱作模具, 這類鋼淬火后的硬度稍低,為 HRC50~55,但韌性良好。
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 0.70~1.65%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。能用來做高速旋轉切割工具,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%。
u 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 2.5~5%)的高速鋼;⑤鈷高速鋼(含鈷 5~10%)。
u 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:主要用于制造切削硬度 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), 主要用于制造切削難加工金屬(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。
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Q 什么是塑料模具鋼?
A
什么是塑料模具鋼?
塑膠模具鋼以P來表示為主,也叫塑料模具鋼或注塑模具鋼,共分為五類。 滲碳型塑料模具鋼:P1,P2,P3,P4,P5,P6。這類鋼含碳量很低,主要是美國早期及用擠壓成型制模法,要求冷塑性好,有高的擠壓性能,成型后表面滲碳淬火提高表面硬度,使用壽命長。芯調質型塑料模具:P20,P21。目前塑料模具中P20的用量很大,已成為主體,大多數在預硬狀態時使用。 中碳合金工具鋼用于熱固性塑料模。鋼號有H13,而L2和S7,O1和A2也有應用。 不銹鋼用于耐蝕性要求高的塑料模,主要鋼號有420,414L,440,416。 時效鋼是經過時效處理而獲得高的使用性能。目前市場上主要熱衷于ANK系列、ASSAB系列和DESON系列。
模具鋼有什么要求?
冷作模具鋼在工作時.由于被加工材料的變形抗力比較大,模具的工作部分承受很大的壓力、彎曲力、沖擊力及摩擦力。因此,冷作模具的正常報廢原因一般是磨損.也有因斷裂、崩力和變形超差而提前失效的。冷作模具鋼與刃具鋼相比.有許多共同點。要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗彎強度和足夠的韌性,以保證沖壓過程的順利進行、其不同之處在于模具形狀及加I工藝復雜.而且摩擦面積大.磨損可能性大.所以修磨起來困難。因此要求具有更高的耐磨化模具工作時承受沖壓力大.又由于形狀復雜易于產生應力集中,所以要求具有較高的韌性;模具尺寸大、形狀復雜.所以要求較高的淬透性、較小的變形及開裂傾向性。總之,冷作模具鋼在淬透性、耐磨性與韌性等方面的要求要較刃具鋼高一些.而在紅硬性方面卻要求較低或基本上沒要求(因為是冷態成形),所以也相應形成了一些適于做冷作模具用的鋼種,例如,發展了高耐磨、微變形冷作模具用鋼及高韌性冷作模具用鋼等。
如何選擇工模具鋼?
通常接模具鋼的使用條件,可以將鋼種選擇分為以下四種情況:
1)尺寸小、形狀簡單、輕負荷的冷作模具。例如.小沖頭,剪落鋼板的剪刀等可選用T7A、 T8A、T10A、T12A等碳素工具鋼制造。這類鋼的優點是;可加工性好、價格便宜、來源容易。但其缺點是:淬透性低、耐磨性差、淬火變形大。因此,只適于制造一些尺寸小、形狀簡單、輕負荷的工具以及要求硬化層不深并保持高韌性的冷像模等。
2)尺寸大、形狀復雜、輕負荷的冷作模具。常用的鋼種有9SiCr、CrWMn、GCr15及9Mn2V等低合金刃具鋼。這些鋼在油中的淬透直徑大體上可達40mm以上。其中9Mn2V鋼是我國發展的一種不含Cr的冷作模具用鋼.可代替或部分代替含Cr的鋼。9Mn2V鋼的碳化物不均勻性和淬火開裂傾向性比CrWMn鋼小、脫碳傾向性比9SiCr鋼小,而淬透性比碳素工具鋼大.其價格只比后者高約30%因此是一個值得推廣使用的鋼種。但9Mn2V鋼也存在一些缺點如沖擊韌性不高,在生產使用中發現有碎裂現象.另外回火穩定性較差,回火溫度一般不超過180℃在200℃回火時抗彎強度及韌性開始出現低值。9Mn2V鋼可在硝鹽、熱油等冷卻能力較為緩和的淬火介質中淬火。對于一些變形要求嚴格而硬度要求又不很高的模具,可采用奧氏體等溫淬火。
3)尺寸大、形狀復雜重負荷的冷作模具。須采用中合金或高合金鋼.如Cr12Mo、Crl2MoV、Cr6WVCr4W2MoV等,另外也有選用高速鋼的。用高速鋼做冷作模具的傾向巴日趨增大、但應指出,此時已不再是利用高速鋼所特有的紅硬性長處.而用它的高淬透性和高耐磨性。為此.在熱處理工藝上也應有所區別。選用高速鋼做冷模具時.應采用低溫淬火.以提高韌性。例如W18Cr4V鋼做刃具時常用的淬火溫度為1280-1290℃。而做冷作模具時,則應采用1190℃的低溫淬火。又如W6Mo5Cr4V2鋼.采用低溫淬火后可使壽命大大提高、特別是顯著減少了折損率。
4)受沖擊負荷且刀間單薄的冷作模具。如上所述.前三類冷作模具用鋼的使用性能要求均以高耐磨性為主為此均采用高碳過共析鋼乃至榮氏體鋼。而對有的冷作模具加切邊樓、沖裁模等.其對口單薄.使用時又受沖擊負荷作用則應以要求高的沖擊韌性為主。為了解決這一矛盾.可采取以下措施.①降低合碳量.采用亞共折鋼.以避免由于一次及二次碳化物而引起鋼的韌性下降;②加入Si.、Cr等合金元素.以提高鋼的回火穩定性和回火溫度(240一270℃回火)這樣有利于充分消除淬火應力使嘰提高.而又不致降低硬度;②加入W等形成難熔碳化物的元素以細化晶粒、提高韌性。常用的高韌性冷作模具用鋼有6SiCr、4CrW2Si;、5CrW2Si等。
工模具鋼性能如何?
在用Cr12型鋼或高速鋼做冷作模具時,一個很突出的問題是鋼的脆性大.使用中易開裂。為此,必須用充分鍛打的方法細化碳化物.除此之外應發展新鋼種。發展新鋼種的著眼點,應是降低鋼的含碳量及碳化物形成元素的數量。國內研制并推廣以下幾種新鋼種。Cr4W2MoV 鋼具有高硬巨、高耐磨性和淬透性好等優點.并具有較好的回火穩定性及綜合力學性能.用干制造硅鋼片沖模等.可使壽命比Cr12MoV鋼提高1~3倍以上但此鋼鍛造溫區范圍較窄,鍛造河縣開裂.應嚴格控制鍛造溫度和操作規認Cr2Mn2SiWMoV鋼淬火溫度低、淬火變形小、淬透性高.有空淬微變形模具鋼之稱7W7Cr4MoV鋼可代W18Cr4V和Cr12MoV鋼.其特點是鋼的碳化物不均勻性和韌性得到很大的改善。
工模具鋼使用壽命
⒈夾雜物的含量增加
鋼中的夾雜物是工模具內部產生裂紋的起源。尤其是脆性氧化物和硅酸鹽等夾雜物,在熱加工是不發生塑性變形,從而引起脆性的碎裂而形成微裂紋,在進一步的熱處理和使用中,該裂紋進一步引起模具的開裂。例如。Cr4W2MoV鋼制造的沖壓手表零件用的冷沖模,其沖頭經粗加工、熱處理并磨削加工后,發現頭部中心有許多小孔洞,致使一批沖頭全部報廢,經分析發出鋼中含有大量的呈鏈狀分布的硅酸鹽夾雜物,經機加工后剝落而造成小孔洞。
⒉碳化物分布不均勻引起的失效
Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1等萊氏體型模具鋼,具有大量共晶碳化物,當鍛造比小或澆注溫度控制不適當時,在鋼材中易呈帶狀或網狀碳化物的偏析,使模具零件在淬火時常常出現沿著帶狀或網狀碳化物嚴重的部位裂紋,或在使用過程中內部裂紋進一步擴展而引起失效。例如,采用Φ50mm的共晶碳化物不均勻度超過4級的鋼材制造沖頭在使用過程中易發生斷裂。
⒊鍛造質量不好引起的失效
鋼材的鍛造質量的好壞,直接影響模具的使用壽命。鍛造的加熱制度與變形工藝不當,會引起鋼材產生過燒、表面裂紋、內裂、角裂等缺陷。這些會降低模具的使用壽命,甚至直接報廢。對于高碳高鉻的萊氏體鋼,由于導熱性較差,若鍛造加熱時加熱速度過快,保溫時間不足,造成鍛造時鋼坯內外溫差大,產生內部裂紋。
⒋表面質量差
合金模具鋼材如果表面脫碳嚴重,在機加工后,仍有殘留脫碳層,這樣在模具最終的熱處理時,由于內外層組織不同而造成明顯的應力,從而導致模具的淬火裂紋;另一方面,淬火后模具表面層的硬度偏低,且截面硬度分布不均勻,降低了模具的使用壽命。
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Q 中國的刀具用鋼如何?
A
中國的刀具用鋼如何?
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。由于制造業轉型升級對高性能刀具的需求增加,我國進口的主要是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費規模達到 421 億元,創 歷史最高記錄,同比增長 8.5%。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%。
從過去我國切削工具進出口的單價看,我國切削工具進口的單價遠高于出口,而且進口切削工具的價格漲幅顯著高于出口,從 2007 年的 18675 美元/噸上漲至 2012 年 98931 美元/噸。
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;剔除硬質合金后進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 18.64 億、13.61 億和 9.12 億元。
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 5.65%。目前,我國的切削工 具市場以普通高速鋼刀具為主,隨著制造業轉型升級和加工材料的機械性能提升,高性能高速鋼、硬質合金 等先進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升顯著 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 117.09 億元,其中高速鋼刀具產值為 54.40 億元,占比達到 46.5%。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 金刀具占比差距縮小至 2.3 個百分點。
采用硬質合金時,切削速度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,硬質合金刀具已占世界刀具消費總額的 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 1.25%,而硬質合金刀具則每年遞升 1.1%。在高精度、高壽命要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組織會有 嚴重的偏析缺陷和粗大碳化物組織,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、組織均勻、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代硬質合金刀具,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,可生產用鑄錠法無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加趨勢,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。粉末冶金高速鋼組織細小,其強度和韌性分別是熔煉高速鋼的 2 倍 和 2.5~3 倍。目前全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, 制造成本較高;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。世界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 2.4 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。
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Q 模具鋼的下游產業發展如何?
A
模具鋼的下游產業發展如何?
模具鋼是用來制造模具的鋼種,目前我國模具鋼需求較大的下游行業主要有汽車、家電、電子設備和建材等制造業。受益于全球化和制造業向我國轉移,過去 20 年我國模具行業主營業務收入的復合增速約為 20%, 近 10 年的復合增速約為 10%,我國模具產值已占世界的三分之一。隨著低端制造業向外轉移和中低端模具市場日趨飽和,國內模具制造業有朝著大型化、精密化升級的趨勢,對我國的模具鋼也提出更高的品質要求。
汽車行業是模具及模具鋼消費的第一大行業,占市場總量 35%左右;家用電器行業消費模具鋼約占市場總量的 20%;電腦、手機、電子設備等電子通訊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%。
從模具的銷售額分類看,銷售占比最大的是注塑模具,占比達到 45%;其次是沖壓模具,占比達到 37%, 包括冷作模具和熱作模具;鑄造模具和其他模具占比為 9%。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。盡管如此,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然有成長 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 滲透率提升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,主要是冷作模具鋼、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,制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 續增加。我國的汽車保有量遠低于美、日,汽車市場容量非常大;從銷售量看,美國和日本隨著日均 GDP 和國民可支配收入的增長,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,汽車市場理論上至少有 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總體保持增長,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。電子通訊行業 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、通信和電子設備制造業保持了高速擴張的態勢,隨著 5G 滲透率提升 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。2.1.2 產業升級下高性能切削材料的需求持續增長
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 117.09 億元,其中高速鋼刀具產值為 54.40 億元,占比達到 46.5%。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 金刀具占比差距縮小至 2.3 個百分點。