钢铁行业专题报告：高性能工模具钢是我国战略新兴产业1、工具钢行业的竞争壁垒高，我国在中高端市场已有突破1.1 工具钢行业的技术壁垒高1.1.1 工具钢的种类繁多，性能指标严苛《论语》有曰：工欲善其事，必先利其器。

工具钢（Tool steel），堪称‚工业之母‛，是用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢。

一般的工具钢具有较高的硬度和在高温下能保持高硬度、红硬性、高的耐磨性和适当的韧性等特点，特殊要求还包括热处理变形小、耐蚀性和可加工性好等。

根据化学成份不同，工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢、高速钢（实质上是高合金工具钢）三大类；按用途则可分为刃具钢、模具钢、量具钢三大类。

（1）碳素工具钢：碳素工具钢的碳含量较高，在 0.65-1.35%之间。

碳素工具钢热处理后表面可得到较高的硬度和耐磨性，心部有较好的韧性；退火硬度低（不大于HB207），加工性能良好，但红硬性差，当工作温度达250℃时，钢的硬度和耐磨性急剧下降，硬度下降到HRC60 以下。

碳素工具钢的淬透性低，较大的工具不能淬透（水中淬透直径为 15mm），水淬时表面淬硬层与中心部位硬度相差很大，在淬火时易产生变形或形成裂纹。

此外，其淬火温度范围窄，在淬火时应严格控制温度。

防止过热、脱碳和变形。

碳素工具钢钢号冠以‚T‛,以免与其他钢类相混；钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。

例如，T8 表示平均碳含量为0.8%；锰含量较高者，在钢号最后标出‚Mn‛，例如‚T8 Mn‛；高级优质碳素工具钢的磷、硫含量比一般优质碳素工具钢低，在钢号后面加注字母 A 以示区别。

（2）合金工具钢是指为了改善工具钢的性能而特意加入一些合金元素的钢，常用的合金元素有钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）、钛（Ti）等，合金元素的含量总和一般不超过 5%。

合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢 3 类，模具钢的产量占合金工具钢的 80%左右。

其中碳含量高的钢（wc 大于0.80%）多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度在 HRC60 以上，且具有足够的耐磨性；碳含量中等的钢（wt0.35%~0.70%）多用于制造热作模具，这类钢淬火后的硬度稍低，为 HRC50~55，但韧性良好。

（3）高速工具钢是一种高合金工具钢，一般指高速钢。

含碳量一般在 0.70～1.65%之间，含合金元素量较多，总量可达 10～25%，其中含有 C，Mn，Si，Cr，V，W，Mo，Co。

能用来做高速旋转切割工具，具有红硬性高、耐磨性好、强度高等特性，就是其中 Cr，V，W，Mo 得比例比较大。

当切削温度高达600℃时，硬度仍无明显下降。

通常采用电炉生产，采用粉末冶金方法生产高速钢，使碳化物呈极细小的颗粒均匀地分布在基体上，可以提高使用寿命。

高速钢刀具约占国内刀具总量的 75%。

按所含合金元素不同可分为：①钨系高速钢（含钨9～18%）；②钨钼系高速钢（含钨 5～12%,含钼 2～6%）；③高钼系高速钢（含钨 0～2%,含钼5～10%）；④钒高速钢，按含钒量的不同又分一般含钒量（含钒 1～2%）和高含钒量(含钒2.5～5%)的高速钢；⑤钴高速钢（含钴 5～10%）。

按用途不同高速钢又可分为通用型和特殊用途两种。

①通用型高速钢：主要用于制造切削硬度 HB≤300的金属材料的切削刀具(如钻头、丝锥、锯条)和精密刀具（如滚刀、插齿刀、拉刀），常用的钢号有 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 等。

②特殊用途高速钢：包括钴高速钢和超硬型高速钢（硬度 HRC68～70），主要用于制造切削难加工金属（如高温合金、钛合金和高强钢等）的刀具，常用的钢号有 W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8 等。

1.1.2 工具钢的工艺流程长，生产控制要求高工具钢的发展已有百年历史，各种工具钢既有共同的要求，如硬度高、耐磨性和一定的强韧性等，又有各自的特殊要求，如红硬性、耐冲击、尺寸稳定性、抗热疲劳性和良好的综合机械性能等。

工具钢的生产工序主要包括冶炼、铸造、加工和热处理等。

为了满足不同的要求，生产上采用各种不同冶金成份的工具钢，并通过恰当的变形和热处理工艺来达到其性能要求，因此高性能的工具钢生产具有极高的技术壁垒。

工具钢的冶炼一般采用电弧炉+二次精炼的双联法，二次精炼工艺有钢包精炼（LF）、真空处理（VD）、喷粉精炼等多种方法，生产高性能合金工具钢则采用电弧炉+电渣重熔（ESR）或真空自耗（VAR）法。

工具钢的热加工包括热处理和热变形，热处理分为形变前热处理和形变后热处理。

形变前热处理是进行均匀化处理以减少钢的偏析；形变后热处理主要是去应力退火处理。

为了提高工具钢的等向性能和使用寿命，采用多向锻造或多向轧制，可以避免带状组织的形成或减轻带状组织的严重程度。

合金工具钢以模铸为主，为保证钢锭质量，广泛采用防止二次氧化技术，包括保护气体浇铸、真空浇铸。

为提高收得率、降低成本，国内外部分特殊钢厂已采用连铸生产低合金工具钢。

对于截面大的模具材料，通常选用大截面连铸机，例如日本大同特殊钢采用二流弧形大方坯连铸机，铸坯尺寸为 370×380mm，德国蒂森特殊钢公司的立式二流连铸机，结晶器截面尺寸为 340×475mm。

以高速钢为例，碳化物经热加工后破碎成颗粒，称为一次碳化物；从基体中析出的碳化物称为二次碳化物。

碳化物特别是二次碳化物，对钢的晶粒度和二次硬化等性能有很大影响。

碳化物的数量、类型与钢的化学成分有关，而碳化物的颗粒度和分布则与钢的变形量和热处理工艺有关。

模具的使用寿命和制成的精度、质量、表面性能，除与模具的设计、制造精度以及机床和操作等条件有关外，与模具材料及其热处理工艺也有密切关系。

据有关的统计表明，模具的早期失效因材料选择不当和内部缺陷引起的约占10%左右，由热处理不当引起的约占 50%左右。

1.2 国产工具钢在中高端市场已有突破工具钢行业具有非常高的竞争壁垒，主要体现在两个方面：（1）先发优势带来的技术壁垒，新进入者短期很难超越。

例如，国外的工具钢生产企业对我国长期实施技术封锁，同时不断的开发新钢种、新牌号以保持技术优势。

（2）认证周期长和替换成本高带来的市场壁垒。

以模具钢为例，一般模具钢的使用寿命在 10 万次左右，服役周期为 2 年。

如果某客户想要验证新模具钢的性能，需要长达 2 年以上的认证周期，因此主机厂倾向于不轻易更换模具钢供应商。

此外，以汽车为代表的下游高端客户对模具性能要求高，会指定模具钢供应商，例如多采用瑞典、德国和日本企业生产的模具钢，新参与者想进入上述高端市场是比较困难的。

根据产业调研了解到，目前长城、比亚迪等国内车企已逐步采用国产模具钢来替代进口。

2. 我国的工具钢消费趋高端化，国产替代的市场容量大2.1 产业升级加速中高端工具钢市场的成长2.1.1 后疫情时代我国模具行业将逐步回暖，产业升级拉动高品质模具钢的需求模具钢是用来制造模具的钢种，目前我国模具钢需求较大的下游行业主要有汽车、家电、电子设备和建材等制造业。

受益于全球化和制造业向我国转移，过去 20 年我国模具行业主营业务收入的复合增速约为 20%，近10 年的复合增速约为 10%，我国模具产值已占世界的三分之一。

随着低端制造业向外转移和中低端模具市场日趋饱和，国内模具制造业有朝着大型化、精密化升级的趋势，对我国的模具钢也提出更高的品质要求。

汽车行业是模具及模具钢消费的第一大行业，占市场总量 35%左右；家用电器行业消费模具钢约占市场总量的 20%；电脑、手机、电子设备等电子通讯行业用模具钢约占市场的 20%；塑料门窗、PVC 水管等建材模具年需消耗模具钢约占市场容量的 15%。

从模具的销售额分类看，销售占比最大的是注塑模具，占比达到 45%；其次是冲压模具，占比达到 37%，包括冷作模具和热作模具；铸造模具和其他模具占比为9%。

2018-2020 年受汽车等下游行业周期和疫情的影响，我国的模具行业的市场规模在 2017 年创下历史新高后有所收缩。

尽管如此，从汽车、家电和电子等行业的成长性看，我国的模具行业和模具钢的市场仍然有成长空间。

疫情冲击后我国的汽车、家电行业的需求拐点即将到来，同时 5G 渗透率提升后将迎来电子设备的更新潮，模具钢的需求有望逐步回暖。

汽车行业 90%以上的零件由模具成型，主要是冷作模具钢、塑料模具和热作模具钢，三类模具中冲压模具要占到一半左右。

一般情况下，制造一辆普通轿车本身便需要约 1500 个模具，当中有接近 1000 个的冲压模具和超过 200 个的内饰件模具。

我国目前的汽车产销量与理论峰值之间还有很大的差距，同时传统燃油车和新能源汽车新车型的数量持续增加。

我国的汽车保有量远低于美、日，汽车市场容量非常大；从销售量看，美国和日本随着日均 GDP 和国民可支配收入的增长，汽车销量持续增长至 400 万辆/亿人以上，我国 2019 年的汽车销量为 184 万辆/亿人，汽车市场理论上至少有 1 倍的成长空间。

得益于内需和出口的强劲拉动，我国的大家电产销量总体保持增长，同时小家电渗透率尚有较大的提高空间。

家电行业零件的 80%靠模具成型，使用量最大的是塑料模具钢（代表钢号为 P20 和 718）。

我们预计未来家电行业对模具钢的需求增长有较强的支撑。

电子通讯行业 60%-80%的零部件都要依靠模具成型，其中精密冲压模具和精密塑料模具约占模具市场的20%左右。

过去我国的计算机、通信和电子设备制造业保持了高速扩张的态势，随着 5G 渗透率提升和电子设备更新周期的到来，我国的电子设备产销量有望扭转自2018 年以来的下滑趋势。

2.1.2 产业升级下高性能切削材料的需求持续增长2018 年我国刀具行业的市场规模创新高，从 2009 年以来 10 年的复合增速为 5.65%。

目前，我国的切削工具市场以普通高速钢刀具为主，随着制造业转型升级和加工材料的机械性能提升，高性能高速钢、硬质合金等先进切削材料的使用量和占比不断攀升。

尽管我国切削工具的产量持续下降，但刀具的单品价值提升显著是市场持续扩张的重要原因。

我国金属切削机床需求最大的行业是汽车，占比达到45%，其次是机械和军工。

根据中国机床工具工业协会工具分会统计，2018 年会员企业刀具产品的总产值为117.09 亿元，其中高速钢刀具产值为 54.40 亿元，占比达到 46.5%。

高速钢刀具是现阶段我国刀具产品中占比最大的品类，但与排名第二的硬质合金刀具占比差距缩小至 2.3 个百分点。

采用硬质合金时，切削速度比高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。

在发达国家市场中硬质合金刀具占据主导地位，在我国高速钢刀具与硬质合金刀具共同主导市场。