超硬材料的特性使其在精密加工领域具备显著优势，推动了行业规模的不断扩展。金刚石刀具主要用于高速加工有色金属和非金属材料，如耐磨有色金属及非金属材料。而立方氮化硼刀具由于对铁族金属具有化学惰性，广泛应用于黑色金属等难以加工的材料的高速切削领域。超硬刀具凭借材料的独特优势，在汽车工业、模具制造和机床加工等应用领域取得了显著成果，不仅优化了工艺流程，还大幅提升了加工效率。中国在超硬材料领域拥有显著的资源优势，上游原材料市场竞争充分且供应充足。2023年，我国超硬刀具行业的市场规模突破70亿元，尽管国外品牌在行业竞争中占据了优势地位，国内企业虽然起步较晚，但正在快速追赶，市场差距逐步减小。
随着下游新应用场景的不断拓展，超硬刀具有望在部分领域中成为优先选择。新材料的不断迭代，使行业呈现出多种刀具材料并存的态势。由于刀具的应用领域广泛，且各类产品需求存在较大差异，因此很难形成单一的主流产品，性价比成为市场占有率的重要决定因素。一方面，超硬材料刀具技术含量较高，生产工艺复杂，许多工业制造工序已经难以继续使用传统的硬质合金刀具。另一方面，现阶段超硬刀具的价格远高于硬质合金刀具，价格差距使得其在规模化生产中的成本优势难以显现。然而，随着未来生产成本的下降，超硬刀具有望在某些应用场景中脱颖而出。具体应用包括：1) 汽车行业，超硬刀具已广泛用于精密加工，技术较为成熟；2) 航空航天，超硬刀具凭借其刀具寿命、加工精度和稳定性，逐步进入该领域；3) 消费电子，3C行业的精密结构件加工开始引入钛合金等高端材料，使用超硬刀具的性价比优势开始显现；4) 人形机器人，超硬刀具能够满足硬铣加工的要求，有助于提升滚珠丝杠的性能和生产能力，人形机器人应用场景也因此具有了更广泛的想象空间。
行业规模及应用领域不断拓宽，规模效应有望促进成本下降
刀具材料的选择对加工精度、表面质量、刀具寿命、切削效率以及生产成本等方面都有显著影响。由于刀具在切削过程中需承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等多种作用力，因此刀具材料必须具备以下基本性能：首先，材料的硬度和耐磨性至关重要，刀具材料的硬度应高于工件材料，且硬度越高，其耐磨性越好。其次，材料需要具备较高的强度和韧性，以承受切削时的力、冲击和振动，防止刀具的脆性断裂或崩刃。此外，刀具材料还需具备良好的耐热性，能够在高温环境下保持稳定，并具备出色的抗氧化能力。最后，刀具材料应具有良好的工艺性能，如锻造、热处理、焊接和磨削等，同时具备较高的经济性，确保在满足加工需求的同时实现较高的性价比。
超硬刀具是在现代工程材料加工对生产效率和加工质量提出更高要求的背景下应运而生的。超硬刀具材料主要包括金刚石和立方氮化硼（CBN）两类，其化学成分和硬度的形成机制与其他刀具材料如硬质合金和高速钢有所不同。立方氮化硼具有面心立方体的晶体结构，而金刚石则由碳元素构成，其晶体结构与立方氮化硼相似。相比其他材料，它们具有极高的硬度，同时表现出优异的耐磨性和耐热性、良好的导热性能、工艺性能，以及较低的摩擦系数。在实际应用中，人造金刚石复合片（PCD）刀具和立方氮化硼复合片（PCBN）刀具是市场的主导产品。
金刚石刀具
金刚石刀具可分为三种类型：①单晶金刚石刀具；②聚晶金刚石刀具（PCD）：20世纪60年代诞生，以石墨为原料，加入催化剂后在高温高压条件下烧结而成，生产成本明显低于天然金刚石；③CVD金刚石刀具：通过化学气相沉积技术，在不同基材（如硬质合金或陶瓷）表面生成金刚石涂层，具备与天然金刚石相近的结构与性能，广泛用于木材加工和刀具修整等领域。
金刚石具备独特的特性，是目前发现的最硬的天然材料，显微硬度高达10000HV，其耐磨性是硬质合金的60到120倍，加工高硬度材料时，使用寿命可比硬质合金刀具长10到数百倍。单晶金刚石的刀刃钝圆半径一般为0.1-0.5μm，天然金刚石刀具甚至可达到0.005-0.008μm，适合超薄切削和超精密加工。此外，金刚石与有色金属之间的摩擦系数较低，约为0.1-0.3，是硬质合金刀具的一半左右，从而显著降低切削力。金刚石的热导率为硬质合金的1.5-9倍，而其热膨胀系数仅为高速钢的1/10，切削热容易散出，变形极小，特别适用于精密加工。
在应用方面，金刚石刀具主要用于高速切削有色金属和非金属材料，如耐磨的硅铝合金、铜及其合金，以及陶瓷、石墨、塑料、橡胶和玻璃纤维等非金属材料。然而，金刚石刀具也存在一些局限性。首先，其热稳定性较差，切削温度超过700℃时硬度会下降；其次，它不适合切削黑色金属，因为高温下金刚石中的碳原子会与铁原子发生反应，导致刀具受损。
金刚石刀具实物图 图源：公开网络
立方氮化硼刀具
立方氮化硼（CBN）是一种通过高温高压技术人工合成的超硬刀具材料。由于单晶CBN颗粒较小且具有易劈裂的“解理面”，无法直接用于刀具制造，通常使用的是聚晶立方氮化硼（PCBN）。PCBN是在高温高压下通过结合相（如TiC、TiN、Al、Ti等）将细小的CBN材料烧结而成的多晶材料。PCBN刀具可分为两类：①整体PCBN刀片，刀片全由PCBN烧结而成，适合大切削量和高速切削；②PCBN复合刀片，将PCBN焊接在硬质合金基体上，兼具高硬度和耐磨性，以及较好的韧性。
CBN的显微硬度达8000-9000HV，热导率为79.54W/m·K，硬度和热导率仅次于金刚石，且其热稳定性可达1300~1500℃，是金刚石的两倍左右。同时，CBN对黑色金属有很高的化学稳定性，在1200-1300℃下与铁系材料不发生反应，并具有优良的抗氧化能力，广泛应用于铸铁和淬硬钢等材料的切削加工。
在应用上，CBN刀具由于对铁族金属具有化学惰性，适用于黑色金属的高速切削，如淬火硬钢、高锰钢、灰铸铁、冷硬铸铁和合金铸铁等难加工材料。然而，CBN刀具也有局限性：不适合用于低速或冲击载荷大的粗加工，也不适合切削塑性大、硬度低的材料，如软铁、铜合金和铝合金等，这些材料在切削时容易产生积屑瘤，影响加工表面质量，并降低刀具寿命。
随着超硬刀具的应用，一些新的加工理念逐渐兴起，如绿色加工、以车代磨、硬切削、高速切削和干式切削等。例如，在汽车工业、模具和机床领域，硬切削技术借助CBN刀具对高硬度材料进行直接加工，既缩短了工艺流程，又提高了加工效率，带来了显著的经济效益。
立方氮化硼刀具 图源：公开网络
产业链情况
我国超硬刀具行业上游原材料市场竞争激烈，供应充足，主要集中在聚晶金刚石、立方氮化硼及其复合片、大尺寸单晶金刚石等领域。国外知名厂商包括英国元素六、韩国日进集团和美国DI公司等，国内则有中南钻石、黄河旋风、四方达等多家企业。中国在超硬材料领域占据全球资源优势，目前金刚石产量占全球总产量的80%以上，立方氮化硼产量占60%以上。2020至2022年，中国人造金刚石的年产量分别达到148.74亿克拉、162.35亿克拉和162.95亿克拉，已成为全球最大的超硬材料生产国。
在下游应用方面，超硬刀具被广泛用于多个行业，包括显示屏、触摸屏切割，电子产品壳体加工，汽车关键零部件制造，航空航天、军工及新能源领域的设备与零部件加工等。其中，汽车工业是超硬刀具最大的应用市场，占比接近70%。新能源汽车的快速发展推动了车身轻量化的需求，铝合金等轻质材料在汽车制造中的使用大幅增加，进一步促进了超硬刀具行业的快速增长。
尽管国内超硬刀具行业发展迅速，但目前欧美和日本的企业仍占据主导地位。国际知名企业如瑞典山特维克、美国肯纳金属和日本住友等，不仅技术先进，还提供从上游材料到下游产品的全产业链服务，竞争力强。虽然国内超硬刀具制造企业数量已超过千家，主要集中在长江三角洲、珠江三角洲和环渤海等经济发达地区，但相对起步较晚，主要通过性价比优势逐步扩大市场。代表性企业包括上市公司北京沃尔德超硬工具有限公司，以及非上市公司如郑州钻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。
