超硬材料的特性使其在精密加工領域具備顯著優勢，推動了行業規模的不斷擴展。金剛石刀具主要用于高速加工有色金屬和非金屬材料，如耐磨有色金屬及非金屬材料。而立方氮化硼刀具由于對鐵族金屬具有化學惰性，廣泛應用于黑色金屬等難以加工的材料的高速切削領域。超硬刀具憑借材料的獨特優勢，在汽車工業、模具制造和機床加工等應用領域取得了顯著成果，不僅優化了工藝流程，還大幅提升了加工效率。中國在超硬材料領域擁有顯著的資源優勢，上游原材料市場競爭充分且供應充足。2023年，我國超硬刀具行業的市場規模突破70億元，盡管國外品牌在行業競爭中占據了優勢地位，國內企業雖然起步較晚，但正在快速追趕，市場差距逐步減小。

       隨著下游新應用場景的不斷拓展，超硬刀具有望在部分領域中成為優先選擇。新材料的不斷迭代，使行業呈現出多種刀具材料并存的態勢。由于刀具的應用領域廣泛，且各類產品需求存在較大差異，因此很難形成單一的主流產品，性價比成為市場占有率的重要決定因素。一方面，超硬材料刀具技術含量較高，生產工藝復雜，許多工業制造工序已經難以繼續使用傳統的硬質合金刀具。另一方面，現階段超硬刀具的價格遠高于硬質合金刀具，價格差距使得其在規模化生產中的成本優勢難以顯現。然而，隨著未來生產成本的下降，超硬刀具有望在某些應用場景中脫穎而出。具體應用包括：1) 汽車行業，超硬刀具已廣泛用于精密加工，技術較為成熟；2) 航空航天，超硬刀具憑借其刀具壽命、加工精度和穩定性，逐步進入該領域；3) 消費電子，3C行業的精密結構件加工開始引入鈦合金等高端材料，使用超硬刀具的性價比優勢開始顯現；4) 人形機器人，超硬刀具能夠滿足硬銑加工的要求，有助于提升滾珠絲杠的性能和生產能力，人形機器人應用場景也因此具有了更廣泛的想象空間。

       行業規模及應用領域不斷拓寬，規模效應有望促進成本下降 

       刀具材料的選擇對加工精度、表面質量、刀具壽命、切削效率以及生產成本等方面都有顯著影響。由于刀具在切削過程中需承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動等多種作用力，因此刀具材料必須具備以下基本性能：首先，材料的硬度和耐磨性至關重要，刀具材料的硬度應高于工件材料，且硬度越高，其耐磨性越好。其次，材料需要具備較高的強度和韌性，以承受切削時的力、沖擊和振動，防止刀具的脆性斷裂或崩刃。此外，刀具材料還需具備良好的耐熱性，能夠在高溫環境下保持穩定，并具備出色的抗氧化能力。最后，刀具材料應具有良好的工藝性能，如鍛造、熱處理、焊接和磨削等，同時具備較高的經濟性，確保在滿足加工需求的同時實現較高的性價比。

       超硬刀具是在現代工程材料加工對生產效率和加工質量提出更高要求的背景下應運而生的。超硬刀具材料主要包括金剛石和立方氮化硼（CBN）兩類，其化學成分和硬度的形成機制與其他刀具材料如硬質合金和高速鋼有所不同。立方氮化硼具有面心立方體的晶體結構，而金剛石則由碳元素構成，其晶體結構與立方氮化硼相似。相比其他材料，它們具有極高的硬度，同時表現出優異的耐磨性和耐熱性、良好的導熱性能、工藝性能，以及較低的摩擦系數。在實際應用中，人造金剛石復合片（PCD）刀具和立方氮化硼復合片（PCBN）刀具是市場的主導產品。

       金剛石刀具

       金剛石刀具可分為三種類型：①單晶金剛石刀具；②聚晶金剛石刀具（PCD）：20世紀60年代誕生，以石墨為原料，加入催化劑后在高溫高壓條件下燒結而成，生產成本明顯低于天然金剛石；③CVD金剛石刀具：通過化學氣相沉積技術，在不同基材（如硬質合金或陶瓷）表面生成金剛石涂層，具備與天然金剛石相近的結構與性能，廣泛用于木材加工和刀具修整等領域。

       金剛石具備獨特的特性，是目前發現的最硬的天然材料，顯微硬度高達10000HV，其耐磨性是硬質合金的60到120倍，加工高硬度材料時，使用壽命可比硬質合金刀具長10到數百倍。單晶金剛石的刀刃鈍圓半徑一般為0.1-0.5μm，天然金剛石刀具甚至可達到0.005-0.008μm，適合超薄切削和超精密加工。此外，金剛石與有色金屬之間的摩擦系數較低，約為0.1-0.3，是硬質合金刀具的一半左右，從而顯著降低切削力。金剛石的熱導率為硬質合金的1.5-9倍，而其熱膨脹系數僅為高速鋼的1/10，切削熱容易散出，變形極小，特別適用于精密加工。

       在應用方面，金剛石刀具主要用于高速切削有色金屬和非金屬材料，如耐磨的硅鋁合金、銅及其合金，以及陶瓷、石墨、塑料、橡膠和玻璃纖維等非金屬材料。然而，金剛石刀具也存在一些局限性。首先，其熱穩定性較差，切削溫度超過700℃時硬度會下降；其次，它不適合切削黑色金屬，因為高溫下金剛石中的碳原子會與鐵原子發生反應，導致刀具受損。

金剛石刀具實物圖 圖源：公開網絡

       立方氮化硼刀具

       立方氮化硼（CBN）是一種通過高溫高壓技術人工合成的超硬刀具材料。由于單晶CBN顆粒較小且具有易劈裂的“解理面”，無法直接用于刀具制造，通常使用的是聚晶立方氮化硼（PCBN）。PCBN是在高溫高壓下通過結合相（如TiC、TiN、Al、Ti等）將細小的CBN材料燒結而成的多晶材料。PCBN刀具可分為兩類：①整體PCBN刀片，刀片全由PCBN燒結而成，適合大切削量和高速切削；②PCBN復合刀片，將PCBN焊接在硬質合金基體上，兼具高硬度和耐磨性，以及較好的韌性。

       CBN的顯微硬度達8000-9000HV，熱導率為79.54W/m·K，硬度和熱導率僅次于金剛石，且其熱穩定性可達1300~1500℃，是金剛石的兩倍左右。同時，CBN對黑色金屬有很高的化學穩定性，在1200-1300℃下與鐵系材料不發生反應，并具有優良的抗氧化能力，廣泛應用于鑄鐵和淬硬鋼等材料的切削加工。

       在應用上，CBN刀具由于對鐵族金屬具有化學惰性，適用于黑色金屬的高速切削，如淬火硬鋼、高錳鋼、灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和合金鑄鐵等難加工材料。然而，CBN刀具也有局限性：不適合用于低速或沖擊載荷大的粗加工，也不適合切削塑性大、硬度低的材料，如軟鐵、銅合金和鋁合金等，這些材料在切削時容易產生積屑瘤，影響加工表面質量，并降低刀具壽命。

       隨著超硬刀具的應用，一些新的加工理念逐漸興起，如綠色加工、以車代磨、硬切削、高速切削和干式切削等。例如，在汽車工業、模具和機床領域，硬切削技術借助CBN刀具對高硬度材料進行直接加工，既縮短了工藝流程，又提高了加工效率，帶來了顯著的經濟效益。

立方氮化硼刀具 圖源：公開網絡

       產業鏈情況

       我國超硬刀具行業上游原材料市場競爭激烈，供應充足，主要集中在聚晶金剛石、立方氮化硼及其復合片、大尺寸單晶金剛石等領域。國外知名廠商包括英國元素六、韓國日進集團和美國DI公司等，國內則有中南鉆石、黃河旋風、四方達等多家企業。中國在超硬材料領域占據全球資源優勢，目前金剛石產量占全球總產量的80%以上，立方氮化硼產量占60%以上。2020至2022年，中國人造金剛石的年產量分別達到148.74億克拉、162.35億克拉和162.95億克拉，已成為全球最大的超硬材料生產國。

       在下游應用方面，超硬刀具被廣泛用于多個行業，包括顯示屏、觸摸屏切割，電子產品殼體加工，汽車關鍵零部件制造，航空航天、軍工及新能源領域的設備與零部件加工等。其中，汽車工業是超硬刀具最大的應用市場，占比接近70%。新能源汽車的快速發展推動了車身輕量化的需求，鋁合金等輕質材料在汽車制造中的使用大幅增加，進一步促進了超硬刀具行業的快速增長。

       盡管國內超硬刀具行業發展迅速，但目前歐美和日本的企業仍占據主導地位。國際知名企業如瑞典山特維克、美國肯納金屬和日本住友等，不僅技術先進，還提供從上游材料到下游產品的全產業鏈服務，競爭力強。雖然國內超硬刀具制造企業數量已超過千家，主要集中在長江三角洲、珠江三角洲和環渤海等經濟發達地區，但相對起步較晚，主要通過性價比優勢逐步擴大市場。代表性企業包括上市公司北京沃爾德超硬工具有限公司，以及非上市公司如鄭州鉆石精密制造有限公司、威海威硬工具股份有限公司和深圳市中天超硬工具股份有限公司等。