1 、頂錘是高溫高壓法合成人造金剛石等超硬材料的 關鍵部件

       1.1 頂錘：合成人造金剛石的關鍵部件

       硬質合金頂錘是高溫高壓法合成人造金剛石等超硬材料的關鍵部件。頂錘是合成壓機內部的重要耗材，合成壓機是生產金剛石單晶和培育鉆石的核心裝備。由于頂錘要承受復雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應力的作用，加上加熱時瞬時錘面溫度達 500～600℃，要求近萬次反復使用壽命，因此頂錘大多采用鎢鉆系列硬質合金 制成，具有硬度高、剛性好、強度高、耐熱優良的特性。隨著超硬材料產業的技術升級，工業用大單晶得到廣泛應用，疊加培育鉆石進入消費領域，形成千億級珠寶市場，帶動超硬材料產業高速發展。為滿足大規格超硬材料產品的合成，提高產品質量和生產效率，壓機大型化成為超硬材料行業的發展趨勢，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展，為超大規格頂錘（直徑≥185mm）的應用創造了良好的機遇。

       合成壓機是生產金剛石單晶和培育鉆石的核心裝備，硬質合金頂錘是合成壓 機內部的重要耗材。合成壓機的合成腔體可以為金剛石單晶合成創造一個超高溫 （>1400℃）、超高壓（>5GPa）的生長環境，促使活性碳原子生長成穩定的金剛 石晶體。我國所采用自主研發的六面頂壓機經過不斷的研發突破和技術改進，其在 壓機噸位、油缸結構、油缸直徑、整機精度、同步性和控制系統等方面不斷提升。

       硬質合金頂錘位于產業鏈中部，以碳化鎢為主要原材料。上游硬質合金產品 鏈較長，各環節都有較大的增值空間，下游人造金剛石應用領域廣泛，可用于制作金剛石線鋸等工業制品和鉆戒等輕奢飾品。

       1.2 引進硬質合金先進技術，錘耗逐步降低

       碳化鎢占六面頂壓機頂錘質量分數 87.5%以上。硬質合金頂錘基本采用 WCCo（8%～10%Co，質量分數）合金或其改進型，在成分上并不十分特殊，但其制備技術大有考究。硬質合金頂錘的工藝流程主要包括壓制、燒結、材質鑒定、機加工、外觀檢測和包裝。目前國內頂錘生產企業陸續引進了冷等靜壓技術、新的濕磨 工藝、壓制工藝，采用了低壓燒結等硬質合金先進技術，對產品制造中的缺陷進行 了重點控制，產品質量和穩定性得到很大提高。

       隨著壓機大型化及硬質合金技術進步，錘耗逐步下降。我國硬質合金頂錘的質量從最早的不足 3 kg 發展到現今50 kg 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，也是硬質合金技術進步的結果。隨著對人 造金剛石合成設備、原輔材料、合成工藝等方面不斷優化設計和有效控制，我國六面頂壓機合成人造金剛石技術不斷取得突破性進展，逐漸縮小與國際先進技術水平 的差距，且生產成本明顯低于國際水平。大頂錘實際應用效果已達到相當高的水平， 金剛石生產錘耗已控制在<1kg /萬克拉，最好效果為 0.15～0.3kg /萬克拉。影響 硬質合金頂錘質量的因素主要包括孔隙、碳含量、WC 晶粒度、鈷相、內應力及加 工應力。

       在噴霧干燥方面，濕磨+噴霧干燥生產工藝自動化水平高，整個干燥流程都在 密閉狀態下進行，能對密閉設備的氧含量進行實時監控，從而確保混合料的氧含量在允許范圍內，生產出的混合料流動性能好，松裝密度穩定，粒度分布均勻，產量大。在壓制成型方面，等靜壓成形是制備大規格尺寸壓坯最好的成形方式，它能有效地減少壓坯內部孔隙，使燒結后的合金組織結構致密、均勻，從而提高合金的抗 斷裂強度和使用壽命。在脫蠟燒結方面，脫除成型劑、燒結、熱等靜壓一次完成的工藝，流程短，效率高，人為影響因素少，碳量控制更穩定，結構更均勻。

       2 大型化和精密化是硬質合金頂錘的發展趨勢

       2.1 頂錘行業主要企業情況

       株洲硬質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”期間建設的 156 項重點工程之一，被譽為“我國硬質合金工業的搖籃”。公司 目前是國內最大的硬質合金生產、科研、經營和出口基地，是中國鎢業及硬質合金 行業的龍頭企業。公司主要生產碳化鎢粉、鎢鉬制品、棒型材等各種硬質合金產品， 現有硬質合金深加工產能 700 噸（軋輥 500 噸，頂錘 200 噸），2020 年實際產量 634 噸。

       洛陽金鷺硬質合金工具有限公司為廈門鎢業子公司，原為洛陽鉬業的全資子 公司洛陽鉬業集團硬質合金有限公司，主要從事硬面材料、硬質合金頂錘、硬質合金輥環、復合片基體、鑿巖工具及工程工具等鎢系列產品的生產與銷售。公司頂錘 產品以優良細顆粒 WC 為原料，具有粉末粒度分布集中、雜質含量少、合金抗壓 強度高等優勢，綜合指標處于世界先進水平。公司采用先進技術和設備，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）2019 年產能為 1000 噸，2019 年實際年產量為 366.31 噸。

       橫店東磁是中國電子元件行業協會輪值理事長單位，全國磁性行業的龍頭企 業。橫店東磁硬質合金廠始建于 1993 年，建有年生產 400 噸碳化鎢粉生產線和 200 噸頂錘生產線，為東磁股份有限公司的骨干企業。主導產品有鎢粉、碳化鎢粉、硬質合金，包括高速線材軋輥、頂錘等，為中國兵科院的科研合作單位，產品 廣泛應用于鋼鐵、軍工、礦山、機械電子、金剛石復合等行業。2021 年，橫店東 磁硬質合金廠已升級為合金材料事業部，該部95千克頂錘的生產技術已十分成熟， 產品銷量占國內市場份額的 90%以上，2021 年又研制出了單只 120 多千克的頂 錘，實現了該部頂錘產品出口零的突破。

       濟南市冶金科學研究所有限責任公司是通裕重工的子公司，是我國江北地區 最大的硬質合金生產基地之一，主要從事硬質合金及相關產品的研制、生產和銷售， 年產能 1500 噸。生產過程以碳化鎢、鈷粉等為原材料，通過混料、壓制、燒結、 深加工等工序，生產包括金剛石壓機生產用頂錘、棒材、盾構刀具、數控金屬切削 工具等，產品遠銷美國、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合金頂錘的發展趨勢

       頂錘是金剛石制造過程中主要耗材之一。硬質合金頂錘的原材料主要為碳化 鎢和鈷，下游領域主要為人造金剛石。根據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，導致硬質合金頂錘大型化，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中，合成設備進行過多種類型的探索，開始有兩面頂、四面頂、六面頂等，后來具有中國特色的六面頂壓機挺立潮頭。由于擴大腔體不僅能提高產量，更帶來質量的提升，壓機大型化和精密化成為技術創新 的重點，大型化也成為硬質合金頂錘發展趨勢，在大單晶、PDC、NPD 以及其他 材料的高溫高壓合成領域都有著良好的應用前景。

       3 人造金剛石與培育鉆石市場發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

       金剛石領域是頂錘行業的核心下游需求。頂錘作為靜壓法構成超高壓高溫裝 置合成人造金剛石的關鍵部件，多用于安裝在六面合金頂壓機活塞的大墊塊頂部， 是頂壓機的核心構件。頂壓機被廣泛應用于制造工業金剛石與培育鉆石等領域，人造金剛石和培育鉆石從而成為頂錘行業的核心下游需求。

       隨著科學技術的不斷發展，頂壓機也逐漸用于高壓科學研究領域，如國內科研 所使用的一級大腔體壓機基本采用國產六面頂壓機，配備 WC 一級頂錘，在壓力 低于 5.5GPa、溫度低于 1800K 的溫壓區開展實驗研究，與國內工業合成所用的 六面頂壓機性能差別不大。 國內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）和等離子體化學氣相沉積法（PCVD）。HPHT 法 即在高溫高壓的環境下，石墨“自發地”變成金剛石，是人類歷史上首次成功合成 技術，也是國內目前主要方法；熱力學上 HPHT 和天然金剛石鉆石生成機理幾乎 沒有任何區別，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，應用在光學和半導體等領域時會略顯疲態。

       化學氣相沉積法（CVD）是利用氣態的先驅反應物，通過原子、分子間化學反應的途徑生成固態薄膜的技術。CVD 沉積金剛石時使用的是 700–800 °C 和 3kPa 這個參數（比天然金剛石形成環境要求強度低很多），原因在于導入的氫氣 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受這種打擊所以可以繼續長大結晶。 MPCVD 技術是目前國內外制備單晶金剛石應用最廣泛的方法。

       3.2 金剛石市場穩定增長，帶動頂錘行業需求釋放

       中國人造金剛石產量位居全球第一。自 1963 年 12 月中國合成出國內第一個 金剛石以來，在 50 多年的時間里，中國人造金剛石產量不斷提升。2000 年，中 國人造金剛石年產量第一次突破 10 億克拉，成為世界上人造金剛石產量最大的國 家。2011 年，中國人造金剛石年產量突破 100 億克拉，到 2020 年，年產量再次突破 200 億克拉，占據全球總產量 90%以上，始終保持全球第一。在國內，金剛 石產量主要集中在河南省，河南產量占全國產量的 80%，主要廠商中南鉆石、黃 河旋風、鄭州華晶、力量鉆石占據全球市場 70%的份額。

       工業金剛石占據金剛石市場主流。根據磨料磨具網數據顯示，2020 年我國工 業金剛石總產量 207 億克拉，壟斷全球 95%工業金剛石原料市場份額。根據中國機床工具工業協會超硬材料分會統計，截至2020 年12月31 日，行業內用于生 產金剛石單晶和培育鉆石的六面頂壓機約為 8000 臺。 工業金剛石發展前景廣闊，帶動頂錘行業需求量不斷增加。目前中國金剛石下游應用主要以傳統的建筑領域和石材切割為主，隨著航空航天等領域對以工業金 剛石為原料的 PCD 刀具和微鉆等需求的不斷增加，疊加先進制造領域中的光伏新 能源和第三代半導體規模化應用孕育新興需求，工業用金剛石需求旺盛，帶動頂錘 行業需求釋放。

       國內多個金剛石在建項目帶動頂錘行業需求旺盛。根據河南省《2022 年補短 板“982”工程實施方案》規劃，在工業金剛石領域，河南省政府將規劃建設多個工業用金剛石生產項目，所有項目投產后將會大大增加金剛石產能和產量放量，進 一步拉動對于頂壓機及頂錘的需求量增長，頂錘行業需求前景廣闊。

       3.3 培育鉆石迎來黃金發展期

       全球培育鉆石市場規模不斷攀升。2017-2021 年，全球培育鉆石產量由 150 萬克拉增長至 900 萬克拉。根據貝恩咨詢預測數據，2025 年全球培育鉆石市場規模將從 2020 年的 167 億元增至 368 億元，其中我國培育鉆石市場規模將由 83 億元增至 295 億元。

       中國培育鉆石市場規模全球第一。2021 年全球培育鉆石產量共有 900 萬克 拉，其中中國產量約 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。國內的主要培育鉆石生產企業有中兵紅箭、黃河旋風和力量 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提升推動培育鉆石 市場規模快速擴大。近些年，由于毛坯天然鉆石產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展帶來了機遇。國內多家培育 鉆石企業，包括力量鉆石、中晶公司等積極布局培育鉆石新增產能項目，帶動頂壓 機需求增加。根據力量鉆石 2022 年向特定對象發行股票募投項目，力量鉆石將利 用募集資金采購 1800 臺六面頂壓機用于生產制造，頂壓機需求的不斷增長直接帶 動了頂錘行業需求旺盛。

       3.4 高壓科學研究等領域成為頂錘下游需求的另一方向

       國內科研院所使用頂壓機具有較強的國產化替代前景。目前國內部分科研院 所，包括吉林大學超硬材料國家重點實驗室、燕山大學亞穩相材料制備技術與科學 國家重點實驗室、中國科學院物理所、中國地質大學（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。隨著國內具備自主知識產權的國產化高壓裝 置的不斷研發，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研究中的高壓裝置領域的國產化替代進程有望加快。

       3.5 測算：預計到 2025年消耗的頂錘量將達到 2940.3噸， 2021-2025 年復合增長率 10.1%。

       預計 2025 年人造金剛石領域將消耗頂錘需求量達 2939.4 噸，年復合增長率 為 10.1%。2021 年國內人造金剛石產量達 223 億克拉，其中依賴頂錘生產的 HPHT 法生產的人造金剛石產量為 200 億克拉。假設每萬克拉人造金剛石生產消 耗頂錘數量為 0.9-1kg 左右。預計到 2025 年國內 HPHT 法生產人造金剛石數量 將達327 億克拉，帶動消耗頂錘需求量為 2939.4 噸，2021-2025 年復合增長率 為 10.1%。 預計 2025 年培育鉆石領域將消耗頂錘需求量 0.8 噸，年復合增長率為 23.9%。 2021 年國內培育鉆石產量達 400 萬克拉，其中依賴頂錘生產的 HPHT 法生產的 培育鉆石產量為 360 萬克拉。預計到 2025 年國內 HPHT 法生產培育鉆石數量將 達 944 萬克拉，帶動消耗頂錘需求量為 0.8 噸，年復合增長率達到 23.9%。 結合培育鉆石以及人造金剛石領域來看，預計到 2025 年消耗的頂錘量將達 到 2940.3 噸，2021-2025 年復合增長率 10.1%。

       4 投資分析

       人造金剛石與培育鉆石市場快速發展帶動頂錘需求釋放。2011年中國人造金 剛石年產量突破100億克拉，到2020年，年產量突破200億克拉，占據全球總產 量90%以上。隨著航空航天等領域對于以工業金剛石為原料的PCD刀具和微鉆等 需求的不斷增加，疊加先進制造領域中的光伏新能源和第三代半導體規模化應用 孕育新興需求，工業用金剛石需求旺盛，預計2021-2025年中國金剛石產量 CAGR達到13%。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提升 推動培育鉆石市場規模快速擴大，預計2021-2025年中國培育鉆石產量CAGR達 到27.25%。 測算2025年人造金剛石及培育鉆石領域消耗頂錘2940.3噸，2021-2025年 CAGR達到10.1%。隨著壓機大型化及頂錘直徑的加大，高溫高壓法生產人造金 剛石錘耗有所下滑，截至2015年，萬克拉錘耗量在1kg左右。謹慎假設錘耗量在 0.9-1kg/萬克拉，測算2025年人造金剛石及培育鉆石領域消耗頂錘2940.3噸， 2021-2025年CAGR達到10.1%。