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金刚石行业分析报告正文
金刚石行业分析报告
一、金刚石产业基础知识
1、人造金刚石产业简介
产业发展壮大的必然性:
超硬材料主要是指金刚石和立方氮化硼。
金刚石是目前已知的世界上最硬的物质,立方氮化硼的硬度仅次于金刚石。
这两种材料的硬度都远高于其他材料,包括磨具材料刚玉、碳化硅以及刀具材料硬质合金、高速钢。
因此,金刚石(立方氮化硼)工具与上述传统的硬质材料工具相比,在工业加工过程中,寿命更长、损耗更小、效率更高,尤其在加工硬质材料方面,具有无可比拟的优越性。
随着人造金刚石生产技术的不断成熟以及产量的不断提高,金刚石制品的价格呈现长期下降趋势,性价比的凸显不断推动其对传统硬质材料工具的替代。
可以确定,未来世界工业的持续增长以及替代效应将会不断促进人造金刚石产业规模的扩大。
我国是世界人造金刚石生产基地:
人类发现天然金刚石已经有3000年的历史。
早期,人们使用粗颗粒的天然金刚石制造各种加工工具,但由于矿藏稀少、开采困难、价格昂贵,应用相当受限。
20世纪中叶,随着人造金刚石的问世,金刚石工具在工业应用中得到迅速发展。
21世纪初以来,随着我国在设备、技术、原料合成领域的突破,国内人造金刚石产量迅速增长,由2001年的16亿克拉增加至2009的54亿克拉,年均复合增长率16.4%,今年预计90亿克拉左右。
目前我国已是世界最大的超硬材料生产基地,占据世界总产量的70%以上。
2、金刚石应用领域介绍
磨具、钻探工具、锯切工具、切削刀具是四大主要应用领域。
金刚石磨具、刀具主要应用于机械加工工业和光学玻璃工业,锯切工具广泛应用于建筑材料中天然石材和人造石材的切割加工,钻探工具主要应用于地质勘探和油气井的钻进,拉丝模具专用于拉制导线和筛网用的各种金属丝。
3、人造金刚石生产
(1)产业链介绍
单晶、微粉、聚晶是金刚石三大产品类别。
石墨是人造金刚石单晶的原材料,由单晶可以进一步加工成微粉,微粉是生产聚晶的原材料。
单晶、微粉、聚晶是金刚石产业链中的三大产品类别。
静压触媒法是单晶金刚石的主流合成方法。
单晶金刚石的人工合成模拟的是天然金刚石高温高压的生长环境。
静压触媒法是国内外工业生产上应用最为广泛的方法,99%的人造金刚石是用这种方法生产的。
所谓静压触媒法是指在恒定的超高压高温和触媒参与的条件下合成金刚石的方法,即以石墨为原料,以过渡金属或合金做触媒,用液压机产生恒定高压,以直流或交流电产生持续高温,使石墨转化为金刚石,转化条件一般为5~7GPa,1300-1700℃。
机械粉碎法是微粉的主流生产方法。
目前,国内外普遍使用机械粉碎发生产微粉。
其生产过程主要包括破碎、提纯和分级几个步骤,工艺流程如下:
将原料(静压法合成的54μm以粗的单晶)经过球磨粉碎整形、碱处理、水洗、酸处理、水洗、烘干、超声波分散、粒度分级、酸处理、检查一系列工序最后制得金刚石微粉。
烧结法是金刚石聚晶的主流合成方法。
聚晶的生产装备与单晶类似,都是液压机,金刚石微粉与粘结剂(过渡金属及其合金等)形成的混料在高温高压的条件下,烧结形成聚晶。
(2)行业壁垒及企业差异化介绍
原辅材料、合成工艺、合成设备是金刚石人工合成的三大关键环节,共同决定了人造金刚石的单次产量、合成时间、高品级率、转化率,进而影响公司产品的产量、成本、质量。
因此,上述三大环节是决定金刚石生产企业竞争力的核心要素,下面我们将对之进行详细的介绍和分析。
①差异化之一:
工艺
温度压强是最重要的工艺参数。
金刚石的合成可以分为两个过程,一是晶粒的形成,二是晶粒的生长。
晶粒的形成涉及到转化率的问题,晶粒的生长涉及生长速率和晶粒品质的问题。
温度、压强是影响转化率、生长速率和品质的根本因素。
温度压强的匹配以及触媒质量是决定转化率的关键:
金刚石的合成过程是一复杂的相变过程,两种形态的碳结构共存,自由能的不同是两者互相转化的动力,自由能高的会向自由能低的转化。
自由能是压力、温度的函数。
自由能之差是两者转化的动力,要实现转变还必须使得石墨具备足够的活化能以越过两者的势垒,触媒的作用就是降低转化所需要的活化能,因此温度、压力、触媒是决定石墨向金刚石转化效率的核心因素。
要想控制石墨的转化率,相对于某一固定压力,需要一个适当的温度,过高过低都不合适,在一定的压力下,最高产量对应有一个最佳温度。
影响晶粒生长环境,决定形成晶粒品质的核心要素有以下三个:
核心要素一:
选择合适的温度压力,使得晶粒的形成速率和长大速率匹配。
选定适当的温度后,如果压力靠近相平衡线,即压力小,结果是成核少而生长快,所得晶粒少而粗大,如果压力远离相平衡线,即压力大,结果是生长快,成核也多,所得晶粒多而细小,总产量也较高。
核心要素二:
保持温度压力的稳定性。
压力和温度不仅要选择适当,而且要在合成过程中保持稳定,不随时间延长而发生大的波动。
否则,容易产生各种晶格缺陷,甚至中止生长,难以获得粗大、完整、均匀的晶粒。
因此,选择合适的温度压力,保持几十分钟以至更长时间是制取高品级粗粒度金刚石的必要条件。
一颗5mm左右的宝石级晶体,可以在一个星期左右时间内长成。
核心要素三:
合适的升温升压路径。
由于形成晶体需要做功,因此,晶粒的生长状况与升温升压途径密切相关。
目前主要有两种升温升压方法:
一次升压和二次升压。
一次升压的结果是晶粒细、结晶量多,连晶多,强度不高。
二次升压,也叫交替升温升压方式可以生产晶形完整、杂质少的高强度粗粒度金刚石。
②差异化之二:
设备
设备水平是企业核心竞争力之一。
设备的区别主要体现在超高压合成腔体(决定了能够使用的合成块直径)、吨位(由活塞直径决定)的大小不同。
一般情况下,压机吨位越大,合成腔体越大,允许使用的合成棒直径也相应增大。
合成腔体的增大,意味着单次产量和产品质量的提高以及成本下降。
因此,金刚石合成技术的发展历程也就是金刚石合成腔体不断扩大的过程。
数据显示,当腔体直径由38mm增加到72mm,单产由70克拉提高至720克拉,增幅接近10倍;成本由0.60元/克拉下降至0.20元/克拉,降幅66.67%;高品级率由17%提高至50%,而高品级产品平均售价是中低品级产品的2倍以上,因此可以推知,腔体直径由38mm增加到72mm时,金刚石产品综合平均售价提高28%以上。
注:
本图中价格为豫金刚石产品价格,其中高品级指SCD40-SCD92型产品,中等品级指SCD10-SCD30型产品,低品级指SCD10以下产品。
国内外设备差异化——两面顶与六面顶的对比:
国内主要采用六面顶压机,国外主要采用两面顶压机。
金刚石生产设备主要是压机,主流的有两种,一是两面顶压机,欧美国家主要采用这种设备,优点是腔体大、压力稳定性好(温度场与压力场相对比较稳定)、产量高、合成产品品级高(适合长时间生长大单晶)等,缺点是控制技术要求高,合成时辅助时间长,生产节拍慢,合成成本较高;另一种是六面顶压机,目前我国5000台左右的压机中,98%是此类型,优点是超高压模具结构简单、价廉、生产操作简单、压机工艺参数容易控制、生产节拍快,比较适合我国国情,缺点是腔体体积较小,压力参数可控性差。
国内企业设备差异化——合成腔体大小不同。
国内基本采用的都是六面顶压机,主要区别在活塞直径及合成腔体不同。
一般而言,活塞直径越大,合成腔体越大;在同一活塞直径下,由于设备的设计工艺不同,合成腔体直径也会有差异,进而影响合成单产。
目前中南钻石、黄河旋风、豫金刚石三家国内单晶生产龙头的主流压机直径已经逐步过渡到560以上,其中以豫金刚石设备最优,压机全部为650以上,自主研发的1000的压机更是国内最大且独有。
国内其余企业在规模及压机水平上与上述三大企业存在较大差距,400及以下的压机依然占较大的数量。
企业产能增长路径——原有压机的技改+新购置压机。
对于同一缸径的压机,可以通过技术改造扩大合成腔体的大小,从而对产能增长有明显拉动。
如下表所示,对于缸径500mm的压机,合成腔体直径由39mm提高到42mm,产量提高了16%。
根据豫金刚石公告,公司目前HJ-650压机的合成腔直径为45~51mm,正在进行55mm合成腔体的技术改造和生产试验,力争提高产量30%以上。
另一方面,产能增长的另一更直接的路径是新购置压机,目前,HJ-650压机的售价在100万元以内,相对于两大上市企业目前超过1个亿的净利润而言,新购设备不存在明显的资金压力。
总之,我们认为,一旦技术工艺实现突破,产能的外延扩张将会很快,而由于单产提高带来的成本下降,设备工艺领先企业的规模扩张将会对小企业有明显的挤出效应,龙头企业的市场份额将会迅速扩大。
③差异化之三:
原辅材料
合成棒的成分配比以及整个合成块的结构形状和组装方式对金刚石合成过程以及产量和质量均有重大影响。
因此,合成棒和合成块的设计和组装是金刚石合成技术的重要组成部分。
举个例子,实验数据显示,当采用传统的片状石墨时,合成转化率只有20%左右,这也是行业内目前普遍的水平,但是如果采用粉状石墨,转化率明显提高,达到50%~60%。
另一方面,合金触媒的成分和形态改进对合成产量和质量也有显著的影响。
综合而言,原辅材料的差异化主要体现在:
石墨形态、合金触媒的成分和形态、合成棒及合成块组装方式等,而这些工艺细节都是需要专业的技术专家以及长期的生产实践才能逐渐摸索和改进的。
二、金刚石产业链各环节市场空间预测
1、简述及预测结果列示
替代进程综述及预测:
综合而言,目前单晶制品领域(磨具、锯切工具)的替代较为充分,主要是由于单晶合成产业发展较早,单晶价格从20世纪初至今跌幅40%以上,价格的下跌促进了替代的进行。
而聚晶领域则不同,尤其是刀具领域,复合片的生产目前主要还是国外几大巨头控制,价格长期处于高位,该领域的生产壁垒较高,市场垄断的打破相对更加困难,产品价格因此相对坚挺。
目前,钻头领域70%左右的是金刚石钻头,刀具领域国内则只有25%左右的是金刚石刀具。
我们认为,目前时点,替代并未进入加速期。
真正的替代加速发展期应该是国内生产技术发展成熟,国内生产规模迅速扩大,国内产品大举替代国外产品之时。
而目前,除了龙头企业四方达已经有大批量替代的潜力外,国内其余生产企业在石油片、刀具片,尤其是高端产品的生产方面还没有看到蓬勃发展的迹象。
因此,我们认为,未来两年金刚石钻头和刀具在钻头与工具领域的整体比例提升可能较为缓慢,但替代是长期的大趋势,这是毋庸置疑的。
基于上述判断,我们在做市场空间预测时,单晶制品的空间扩大主要是下游行业需求的增长,并未考虑其进一步的替代;聚晶制品领域,比例提升假设相对较为保守。
目前,金刚石产业链中,上市公司涉及的主要业务产品包括:
制品、聚晶复合片、单晶、微粉、预合金结合剂。
A股上市公司的业务覆盖如下表所示。
2、单晶制品市场空间预测
磨具和锯切工具是主要的两种金刚石单晶制品,由于磨削和切削效率高,相对成本低,对传统的碳化硅和刚玉工具具有显著的替代效应。
在单晶制品制造的上游原料生产环节中,金刚石生产企业覆盖的业务领域主要有两:
单晶金刚石的人工合成、预合金结合剂的生产。
(1)金刚石(立方氮化硼)磨具
磨具是金刚石发展最早的应用领域,根据结合剂不同分为两种:
金属结合剂金刚石磨具、树脂磨具,树脂磨具目前的占比达到60%左右。
结构:
金刚石磨具由基体、过渡层、工作层构成,如下图所示。
主要原料包括作为磨料的金刚石,作为粘结剂的金属粉末以及作为基体的钢或者铜。
国内市场空间测算——2011年100亿元,2012、2013年增速分别为10%、15%
磨具主要应用于硬质合金、合金工具钢、陶瓷、玻璃等非金属硬脆材料的磨削。
涉及到的主要下游行业有电子、汽车、家电及刀具的加工和修整等。
在上述领域中,由于其显著的性能优越性和成本经济性,金刚石磨具对传统碳化硅磨具的取代是行业公认的大势所趋,且在大多数领域中已经占据了绝大多数的市场份额。
因此,我们认为未来金刚石磨具市场空间的扩大主要源自下游行业的增长。
2006年,我国电子
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