四方达研究报告：复合超硬材料龙头CVD培育钻石带来第二曲线

四方达研究报告：复合超硬材料龙头，CVD培育钻石带来第二曲线一、复合超硬材料龙头，三头并进（一）聚焦于复合超硬材料，技术持续迭代突破公司是国内主要的聚晶金刚石（PCD）研发与生产企业。公司聚焦超硬材料，产品在下游应用较为广泛，目前主要产品包括，（1）油气、煤田矿山开采类产品：油气相关产品以钻探用金刚石复合片为主，公司复合片配套于石油及天然气钻探用PCD复合钻头；煤田及矿山复合片可用于煤田及矿山开采，也可以应用于工程施工。（2）精密加工类产品：主要产品包括PCD刀片、金刚石刀具、PCD微钻钻头、金刚石锯片、PCBN刀片、CBN刀具、拉丝模坯、成品模等，主要用于铜、铝等有色金属及橡胶、陶瓷等非金属材料的切割，下游广泛应用于汽车零部件、装备制造等领域。（3）CVD法培育钻石：2021年，公司与郑州大学合作成立天璇半导体公司，天璇半导体聚焦于MPCVD金刚石业务。天璇已于2022年6月下旬完成工商登记，实现并表，未来公司CVD钻石产品将带来新的业绩增长。聚焦于复合超硬材料，核心产品不断取得突破。1997年，河南四方硬材料股份有限公司成立，是业内首家以钴基为结合剂的聚晶金刚石拉丝模坯生产厂家。公司陆续在石油/天然气金刚石复合片、煤田/矿山金刚石复合片取得技术突破；基于国内六面定压机技术发展，公司在刀片刀具领域的大尺寸聚晶金刚石复合片有所突破。产品端，2004年之前，公司主要产品为PCD高品级拉丝模坯；2004年起开始进行矿山及石油用PCD复合片的生产销售；2006年以后，公司开始进行刀具用PCD/PCBN复合片的生产销售；2021年，子公司天璇半导体成立，公司布局MPCVD培育钻石的生产销售。（二）创始人技术出身，公司贯彻“1+N”战略家族控股，创始人技术出身。方海江先生为公司主要创始人，现任公司董事长，1992年-1996年，方先生就职于“三磨所”，从事超硬材料制品的研发工作。1997年至今一直担任公司董事长，全面负责公司的科研开发、技术人才管理和技术发展战略的制定工作。公司副董事长为付玉霞女士，付女士与方先生为夫妻关系，持有公司股份7.01%。方先生与付女士共同为公司的实控人，天璇半导体在2022年实现并表，公司直接及间接持股合计53.2%，方先生为天璇半导体的实控人。公司以“1+N”战略为核心。战略端，公司将聚焦复合超硬材料，根据产业发展趋势积极开发布局多个应用领域。以时间维度看，（1）短期：公司以油气开采类产品为重点，把握油气高景气区间，目标在海外大客户的市占率提升；（2）中期：公司将推进刀具刀片等精密加工板块，进一步实现进口替代；（3）长期：公司将培育金刚石作为重要发展方向，将积极把握消费端高景气、探索产品在工业领域的更高端用途。（三）收入结构稳定，盈利能力保持高水平油气及矿山复合片稳健增长，两大业务板块毛利率相对稳定。2017年-2021年，公司营收有所波动，2020年公司营收同比下降36%，主要系油气及矿山相关产品景气度受油价波动影响所致。2021年，公司营收及归母净利润分别为4.17亿元及0.92亿元，分别同比增长30.9%和22.2%；2022年上半年，受益于油气板块高景气，公司营收及归母净利润分别为2.62亿元及0.89亿元，分别同比增长32.7%和82.9%。营收结构相对稳定，油气及矿山开采设备占比60%左右。近年精密加工板块收入稳健增长，2021年同比增长52.1%，收入占比从2018年的30.6%提升至2022H1的35.0%。油气及矿山开采板块毛利率稳定在60%左右，精密加工板块毛利率在40%左右。盈利能力稳定，研发投入增加。成本端，公司主要原材料为单晶超硬材料微粉、压机顶锤及合金等，原材料成本占总成本的70%左右。近年公司境外毛利率基本稳定在60%以上，境内毛利率基本稳定在40%以上。整体毛利率基本位于50%-60%之间，近年净利率持续提升，至2022年H1，公司净利率为33.0%，达到了2012年以来的最高值，系下游油气领域高景气、刀具刀片产品开始产生规模化，毛利率双升。公司近年研发费用率有所提升，2020年至今均保持在10%以上，旨在加大核心板块产品竞争力。二、石油复合片高景气，精密加工受益汽车产业发展（一）石油复合片：行业复苏已至，公司α属性凸显1.高中枢油价拉动勘探复苏，下游需求快速回暖原油价格回升并处于高价中枢，油服市场景气度回升，处于上行周期。（1）原油价格：根据IPE数据，布伦特原油期货结算价格已经从2020年9月最低的20美元/桶回升至2022年9月的90美元/桶以上。高油价中枢下，海外油服巨头资本开支增加，开采活动有所增加，勘探开始复苏。（2）新钻井数量：根据EIA数据，美国新钻井数量处于回升通道，2022年7月月度新钻井数量为954口，同比增长62.2%。目前新增钻机数量处于历史中低位，仍有可观上行空间。（3）活跃钻机数量：根据贝克休斯数据，截至2022年9月9日，美国活跃钻机数量为759部，持续回升中。当前活跃钻机数较上一轮油价高点期间活跃钻机数量仍差距较大。2.PDC钻头成为主流，下游客户集中度较高PDC的产生原理：金刚石复合片（PDC）是由聚晶金刚石（PCD）在碳化钨—钴基体上高温烧结而成，包括四个主要阶段。（1）冷压实：PCD颗粒互相挤压、破碎形成更小的颗粒；（2）热压实：温度升高产生塑性形变，颗粒之间错位；（3）钴渗入：PCD颗粒卷入液态钴，表面碳元素溶解；（4）液相烧结：溶解的碳从钴溶液析出，重新沉淀在PCD表面，在PCD颗粒间形成金刚石键。PDC工作原理：PDC钻头的位置由三个空间参数及三个空间方向参数决定。空间位置参数：切削齿定位参考点到轴线间的长度、到钻头高度方向的基准面之间的距离、和钻头在圆周方向上形成的位置夹角。空间方向参数：前倾角、侧向角、法向角。PDC齿在工作状态下为螺旋向下运动，通过侧向压力实现破碎岩石。在给予垂向载荷P的情况下，PDC切削齿斜向作用于岩石，切削角为。垂向载荷P可以分解为法向力及齿面的剪切力，随着载荷P逐步增加，岩石发生破碎时与井底平米夹角为。聚晶金刚石复合片（PDC）钻头成为主流。石油、天然气勘探和开采主要采用牙轮钻头和聚晶金刚石钻头。21世纪以来，石油勘探和开采技术水平提高，聚晶金刚石复合片钻头（PDC）的用量占据了主导地位。PDC钻头的破岩性能优越，在低钻压、高转速下可以获得较高的机械转速，目前国内外相关企业在石油及天然气钻探行业广泛采用PDC。石油复合片市场空间超90亿元，油服龙头集中度较高。根据公司招股书，钻头的30%的成本为PCD复合片，再扣除工业复合片20%的毛利率，预计石油复合片的市场空间为石油钻头市场空间的24%（30%x80%）。2008年全球石油钻头市场规模约为385亿元，当年石油复合片市场空间约为92.5亿元；同年中国石油钻头消耗量约为20亿元，石油复合片市场空间约为4.8亿元（20x30%x80%）。根据公司年报数据，油气开采需求主要集中在国际油服龙头斯伦贝谢、哈利伯顿、贝克休斯，三者市占率合计超过了75%。对于PDC市场，石油天然气用PCD复合超硬材料产品在全球范围内主要由DI公司、美国合成、元素六、日本住友等公司所垄断。根据公司招股书披露，美国合成及元素六市占率接近70%。3.公司技术储备充足，油气领域大客户战略成效显著公司技术储备充足，是国内龙头企业。公司深耕复合超硬材料二十多年，是国内规模优势明显的复合超硬材料企业。公司技术储备充足，工艺成熟，具有自主知识产权的六面定压机合成技术及完整工艺，在国内处于龙头地位，具备先发优势。行业壁垒较高，体现在（1）技术壁垒：PCD拉丝模坯、石油复合片及刀具用复合片生产技术含量较高，工艺落后的企业较难生存；（2）规模壁垒：企业需要持续研发投入，小规模企业无法跟随投入；（3）产品认可壁垒：因石油钻探行业的特殊性，客户对产品要求较为严苛，对复合材料企业的履历及产品认可度存在粘性。公司运用六面顶压机，使用特殊合成块原材料，结合自身成熟工艺生产复合片。涉及的核心技术包括PCD拉丝模坯方面技术、切削刀具用聚晶金刚石复合片技术、石油及矿山用聚晶金刚石复合片技术、其他综合技术。公司主要石油复合片包括异形齿和平齿两种，根据四方达招股书披露，美国合成的石油复合片均价是公司的2.94倍左右。油气领域大客户战略效果显著，对单一大客户依赖程度下降。在“十四五”规划中，国家重视石油安全，加强国内油气勘探开发，加快全国干线油气管道建设。随着油价位于较高中枢，国内及海外龙头资本开支增加，公司深入推进“大客户战略”，把握政策与市场的机遇。凭借自身完整的产品体系，涵盖软地层、中硬层、硬地层、含砾地层等所有地质结构的平齿、异形齿产品组合。从营收集中度看，近年公司前五大客户营收占比在30%-40%之间，2017年后，第一大客户收入占比与CR5的剪刀差在拉大，公司对单一大客户依赖程度较低。大客户战略助力市占率提升，进一步拉动业绩向上。（1）从市占率视角：按照公司2021年年报数据，资源开采类收入为2.35亿元，按招股书数据石油复合片市场空间为92.5亿元。公司资源开采类收入主要来自石油复合片，按照资源开采总收入计算，公司2021年市占率不到3%，可提升空间较大。（2）从开拓与粘性视角：下游需求集中，主要为油服龙头。因油服公司对石油复合片的稳定性及安全性要求较高，公司产品在大客户的验证周期较久，从推出到验证通过到快速增长一般需要1-2年时间。开拓的难度大也决定了与下游客户的产品粘性高，我们预计公司下游大客户资本开支增长，叠加复合片产品的强耗材属性，增量需求+替换需求均将拉动公司石油复合片业绩向上。（二）刀具复合片：超硬刀具国产替代空间广阔，公司发展加速1.超硬刀具发展动力足，国产化率低按材料划分，刀具材料主要包括硬质合金、工具钢、陶瓷和超硬材料。目前硬质合金刀具占主要空间；超硬刀具特点为切削速度好、加工效率高、一致性好以及加工精度高，但是价格偏贵。根据对中国制造业未来发展判断，精密加工的需求会持续上升，超硬刀具将会充分受益。超硬刀具的优势体现为硬度和耐磨性更好，且在切削时工件表面光洁度更好，可实现以车代磨。超硬刀具主要包括PCD（聚晶金刚石）及PCBN（立方氮化硼）刀具。精细化加工需求下，超硬刀渗透率有提升动力。（1）PCD刀具：PCD刀具因较好的加工质量及经济性，在非金属材料、有色金属及合金材料、金属基复合材料等切削加工优势较大，下游应用于汽车、航空航天、电子及石油钻探等。发达国家对PCD刀具较早，国内PCD刀具渗透率仍有待提升。（2）PCBN刀具：以CBN微粉为原材料，在粘结剂或高温高压烧结而成。PCBN刀具硬度及耐磨性较高，高温下可以保持刀具材料高硬度，常用于切削淬火钢、铸铁等黑色金属，下游应用于发动机气缸及活塞、刹车盘等。根据中国机床工具工业协会数据，全球2020年超硬刀具渗透率约为7%，提升空间较大。刀具整体国产化率超过70%，超硬刀具国产化率有待提升。根据中国机床工具工业协会数据，2021年中国刀具市场规模达477亿元，较2020年同比增长13.3%。从市场空间增速看，2016至2021年，中国刀具市场空间CAGR为8.2%；从进口刀具金额占比看，2016年至今进口占比逐渐下降，刀具整体国产化率超过70%。根据中商情报网数据，中国超硬刀具市场规模在60亿元左右，市场空间相对稳定。目前PCD及PCBN刀具复合片高端市场主要被DI、元素六、日本住友等占据。根据四方达招股书披露，超硬刀具复合片国产化率小于5%。2.技术储备充足，精密加工业务快速增长公司技术储备充足，超硬刀具及刀片业务有望快速增长。公司精密加工类产品主要包括PCD刀片、金刚石刀具、PCD微钻钻头、金刚石锯片、PCBN刀片、CBN刀具、拉丝模坯等，可以把公司精密加工产品分为两类，即刀具刀片产品、刀具用复合片产品。公司是国内少数能够制造刀具用复合片的企业，且在国内率先实现规模生产直径46mm的大尺寸PCD复合片。公司在超硬刀具的核心优势可总结为：材料优势、刀具设计优势、优秀的刀具加工能力。精密加工业务快速成长，在刀具复合片及超硬刀具市占率提升空间均较大。2021年公司精密加工板块实现营收1.59亿元，同比增长52.1%；2022H1公司精密加工板块实现营收0.92亿元，同比增长26.5%。根据华经产业研究院数据，2018年国内超硬刀具市场较为分散。据公司招股书，公司在国内刀具复合片市占率约5-10%。未来公司在超硬刀具、刀具复合片的市占率均有提升空间。早期超硬刀具主要集中在欧美、日韩等国家，近年来国内出现了沃尔德、四方达、威硬工具、富耐克等企业。四方达近年精密加工营收快速增长，盈利能力随着规模化效应有所提升。汽车是超硬刀具下游主要应用，新能源汽车拉动超硬刀具发展。汽车工业是超硬刀具最大的应用领域，根据华经产业研究院数据，汽车占需求比在70%左右。在传统燃油车领域，汽车发动机活塞、缸体、轮毂、变速齿轮箱等已经广泛使用超硬材料加工，汽车超高速磨削以CBN砂轮为主。整车厂使用的工具大部分由国外CBN砂轮垄断，国产CBN砂轮主要用于配件如曲轴和凸轮轴等，近年国内CBN砂轮取得较大进展，在转向器、变速箱等配件正在逐步替代进口砂轮。近年新能源汽车渗透率快速提升，车身轻量化发展使铝合金等轻质材料的应用迅速提升，PCD刀具硬度高、导热率高、与铝合金的摩擦系数小，非常适合铝合金高精度、高销量和高表面光洁度加工。未来新能源汽车的发展将持续拉动超硬刀具渗透率提升。三、发力培育钻石，掘金蓝海市场（一）人造金刚石：工业端应用广泛，消费端需求高增人造金刚石产品，按用途可以分为工业端和消费端。工业产品包括单晶、微粉等产品，在建筑建材、光伏、半导等领域用途广泛；消费端近年持续高增，利润丰厚。人造金刚石工业端用途广泛，工艺较为成熟。金刚石工业端产品主要包括金刚石单晶和微粉，单晶需求主要来自建材石材领域；微粉产品下游应用广泛，尤其受益于光伏产业及半导体产业发展。光伏领域，金刚石线锯加工具备表面损伤小、切片薄等优点，带动线锯微粉快速增长；半导体领域，金刚石线锯切割具有高效率、低损耗及大尺寸切割等优势。培育钻石是“真钻”，成本优势显著。与莫桑钻、立方氧化锆等仿钻不同，培育钻石是“真钻”。培育钻石与天然钻石具有相同的化学、物理和光学特性，其晶体结构完整性、透明度、折射率、色散等方面可与天然钻石相媲美。总结培育钻石有以下比较优势：（1）参数可控，满足不同需求：培育钻石其成色、尺寸、颜色等均可通过优化合成方法和技术而实现可控，产品品质能满足不同市场需求；（2）效率、成本更有优势：随着技术的不断进步，培育钻石在颜色、粒度、净度等方面与天然钻石别无二致，但市场价格仅为天然钻石格的一半甚至更低。钻石消费空间广阔，培育钻石处于渗透率提升带来高成长阶段。根据DeBeers数据，2019年全球钻石珠宝销售额达790亿美元，2009年至2019年CAGR为2.94%，全球珠宝市场需求稳步增长。全球天然钻石供给有限，且开采商呈寡头垄断的格局，四大巨头（埃罗沙、戴比尔斯、博茨瓦纳、力拓）占据了2018年全球65%的天然毛坯钻石产量。根据贝恩的统计数据，2020年全球天然毛坯钻石产量为1.11亿克拉，较2019年下降了20.14%。在需求平稳增长，天然钻石供给偏紧的大背景下，培育钻石景气度将保持高位。中游市场集中度超过90%，可有效验证产业链景气度。因产业链中游环节超90%集中在印度，跟踪印度钻石进口及出口数量可有效进行产业链景气度验证。根据印度宝石与珠宝出口促进委员会数据，2020年6月后，随着疫情影响消退，印度培育钻石进出口金额均实现持续高速增长。2022年8月，印度培育钻石毛坯进口1.13亿美元，同比增长54.8%；出口1.43亿美元，同比增长13.5%。印度中游培育钻出口金额保持高增速，8月增速有所下降，一定程度与美国库存增加及加息有关，长期不改行业高景气趋势。从渗透率看，22Q3开始月度进出口渗透率稳定在7%左右。（二）两种技术路线并行，设备及工艺均有迭代空间培育钻石的两种合成技术高压高温法（HPHT）及化学气相沉淀法（CVD），中国以HPHT路线为主。HPHT原理是石墨粉在超高温、高压条件及金属触媒粉催化作用下发生相变生长出金刚石晶体，该种方法下合成的人造金刚石主要为颗粒状单晶。CVD合成原理是甲烷和氢气混合物在超高温、低压条件下被激发分解出活性碳原子，通过控制沉积生长条件促使活性碳原子在基体上沉积交互生长成金刚石晶体，其产业化应用主要是利用金刚石在光、电、磁、声、热等方面的性能优势作为功能性材料应用在新兴产业。我们认为未来两种技术路线将并行发展，且两种技术之间可作补充，如CVD毛坯可以经过HPHT工艺改色。HPHT法产能主要集中在中国，CVD法以美国印度为主。据贝恩咨询统计，中国是HPHT产能占比超过90%，2020年全球宝石级培育钻石的毛坯50%-60%来自中国，且HPHT生产企业在河南形成了产业集群。目前全球掌握CVD培育钻石技术的并可以量产的国家包括美国、欧洲、西亚、印度、新加坡、中国等。两种技术路线下设备端及工艺端的展望。（1）HPHT核心设备之六面顶压机：国内高温高压技术路线较为成熟，我们认为未来六面顶压机发展的趋势在于腔体大型化、机器型化后配套大尺寸顶锤的稳定性提升、机器大型化后的传压介质问题等；工艺端的进步在于多层触媒技术、良率及优等品率逐步提升等。（2）CVD路线以MPCVD为主：未来MPCVD可技术迭代之处在于高功率稳定运行、沉积速率的提升等。按微波等离子谐振腔电场的生产模式可划分为：单模谐振腔与多模谐振腔；按使用微波频率可划分为2.45GHz及915MHz。（三）收购天璇半导体，发力MPCVD培育钻石发力培育钻石，MPCVD产能快速增加。公司成立以来聚焦于超硬材料，通过自主研发及与郑州大学进行合作，掌握了CVD设备制造及CVD培育钻石工艺。2021年10月，天璇半导体注册成立，标志公司买入CVD培育钻石业务。除了消费端外，公司还瞄准工业市场，旨在长期探索半导体等领域，高品质大尺寸超纯CVD培育钻石可用于珠宝首饰、精密刀具、光学窗口、芯片热沉、半导体及功率器件等高端先进制造业及消费领域。随着半导体功率器件对原材料性能要求不断提升，培育钻石优异的物理特性将会为其在特定场景创造出应用空间。根据天璇半导体公众号，公司100台MPCVD产线建设及安装已进入尾声，即将进入相关配套设备上线安装与集成调试阶段。根据天璇介绍，公司可产出无色CVD培育钻石，经专业人士鉴定为E/F色。公司具备设备制造能力，天璇半导体实现并表，打开成长空间。根据公司2022年中报，天璇半导体已经完成工商变更，实现并表。国内CVD培育钻石企业正积极发展，包括上海征世、杭州超然、宁波晶钻、国机精工、四方达、沃尔德等。公司具备CVD设备自制能力，具备扩产速度优势，且在盈利及成本端有较好的控制。未来随着公司产能陆续增加，将带来可观的业绩增长。四、盈利预测公司聚焦复合超硬材料，主要产品包括石油及矿山复合片、精密加工、CVD培育钻石。预计公司22-24年将实现营业收入5.498.72/11.80亿元，增速31.7%/58.9%/35.2%

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实现归母净利润1.54/2.36/3.09亿元，增速64.7%/55.9%/30.6%。1.石油及矿山复合片：石油复合片是公司主要收入来源，公司一直聚焦主业，石油复合片产品领先，且受益于下游油服龙头开采景气度提升，公司与大客户合作情况较好。公司2021年和2022H1石油矿山复合片产品收入为2.35亿元、1.52亿元，分别同比增长20.8%、31.7%，预计2022-2024年公司石油及矿山复合片产品收入增速为30%/20%/20%。22H1公司石油