2024年机械设备行业分析：钛合金导入消费电子，板块复苏带动刀具市场需求外溢

1 行业现状：消费电子有望迎复苏，钛合金成行业趋势

1.1 应用趋势：手机出货量迎来拐点，钛合金为 3C 电子材料端亮点

消费者需求修复，全球和中国市场的智能手机出货量在 2023 年第二季度以后的 跌幅趋势有所减缓。全球市场来看：根据 Canalys 的数据，2023 年第一季度和第二 季度的全球智能手机出货量分别为 2.70 亿部和 2.58 亿部，同比分别下降了 13%和 10%。2023 年第三季度，全球智能手机市场降幅收窄至 1%，由于厂商在二季度库存 状况得到改善，并在三季度推出新品，因此出货量达 2.946 亿部。国内市场来看： 2023 年第二季度，中国智能手机市场的出货量约为 6430 万部，同比下降 5%。2023 年第三季度，中国智能手机市场出货连续两个季度下跌平缓，同比下滑 5%至 6670 万部。这表明从第二季度开始，中国市场的智能手机出货量跌幅显著收窄。

中国智能手机市场出货量有望在 2023 年第四季度迎来拐点，实现近 10 个季度 的首次反弹。随着 8 月以来多个爆款新品的上市，中国智能手机市场热度回暖，社会 各界对于智能手机的关注度明显高于上半年，消费者需求出现好转。IDC 中国手机月 度 sale out 零售数据显示，今年第三季度中国智能手机实际零售量已实现同比增长 0.4%，10 月上半月依然延续同比增长趋势。随着各品牌大量竞争力十足的新产品集 中上市以及年终电商平台的促销推动，新一轮换机周期逐渐开始。

小米、三星、OPPO、华为等 3C 大厂纷纷推出钛合金材质打造零部件的产品。 2023 年 10 月 26 日，小米发布新机 Xiaomi 14 Pro，并推出钛金属特别版，是全球 首款使用钛金属作为中框的安卓手机。此前，2023 年 10 月 19 日，OPPO 发布新机 折叠屏 Find N3，铰链采用航天级 MIM 合金，重量降低 7%，强度大幅提升，其中“潜 航黑”配色版以钛合金作为摄像头圆环材质，是对钛合金 3C 零部件的初步探索。更早之前，2023 年 7 月，荣耀发布折叠屏手机 Magic V2，铰链的轴盖部分首次采用 钛合金 3D 打印工艺，成为 3D 打印在手机上的首次规模化应用；9 月，苹果发布 iPhone 15 Pro/Pro Max 采用钛合金外壳，Apple Watch Ultra2 采用钛合金表壳。

手机材料大致的走向是塑胶→金属→玻璃、陶瓷、塑胶、金属，逐渐向钛合金、 碳纤维渗透，材质的多元化是目前这个时代的标志。而产品的每一次更新换代，背后 都是一次科技的创新，包含了硬件和软件。手机等 3C 产品的加工工艺随着材料的变 化也在不断变化，这就要求切削刀具也需要不断创新，以适应新材料、新工艺发展需 求。下图为苹果手机的材料变化情况，可以看出 3C 电子手机领域逐渐由原来的塑料 向铝合金、钛合金方向转变。

1.2 材料对比：解决 3C 行业痛点，难加工与高价格限制行业发展

钛合金具备高强度、强抗腐蚀性、耐高低温等性质。钛（Ti）是一种银白色过渡 金属，熔点为 1660℃，密度为 4.54g/cm3。钛具有十大特性：①密度小，强度高， 比强度大；②耐热性能好；③耐蚀性能优异；④低温性能好；⑤无磁；⑥热导率小； ⑦弹性模量低；⑧抗拉强度与屈服强度接近；⑨在高温下容易被氧化；⑩抗阻尼性能 低。此外，钛具有三种特殊的功能：①形状记忆；②超导；③储氢。被广泛应用于航 空、航天、舰船、兵器、生物医疗、化工冶金、海洋工程、体育休闲等领域。

高强度与低密度：钛合金具有出色的强度与硬度，但相对于其他金属而言， 密度较低。这使得钛合金在提供强大性能的同时，减轻了结构的重量负荷。 优异的抗腐蚀性：钛合金具有出色的抗腐蚀性能，能够在酸性、碱性和盐性 环境中抵御侵蚀。其钝化层可以有效地保护结构不受腐蚀和氧化的影响。 良好的生物相容性：由于其低毒性和与人体组织的良好相容性，广泛用于医 疗和人体植入物等领域。不会引起过敏反应，并能够促进骨组织生长和愈合。 良好的加工性能：钛合金具有良好的可塑性和可加工性，可通过锻造、旋压、 铸造和粉末冶金等多种工艺方法进行成型和加工。 耐高温性能：钛合金能够在高温环境中保持稳定性能，具有良好的耐氧化及 耐热腐蚀性能。因此，它常被应用于航空航天、航空发动机、燃气涡轮机等高温工作 条件下的部件和结构。

钛合金轻量化和高强度适用于 3C 电子领域。智能手机的支撑结构手机中框（用 于固定手机屏幕、后盖板及内部元器件）对材质要求较高的强度及硬度、较好的耐腐 蚀性。目前中高端智能手机常用的材质有不锈钢 SUS304、SUS316L、铝合金 AL6063、 AL7075，将钛合金与其对比可以看出钛合金兼具轻量化和高强度的优势。

痛点一：加工难度大、良品率低。 电子产品金属结构件一般以不锈钢和铝合金为主，不锈钢光泽感好，但重量不占 优势；铝合金有轻量优势，但硬度一般。而钛合金的强度高于不锈钢，重量却只有同 体积不锈钢的一半，能同时做到硬度和重量两者兼顾。由于钛合金的传统加工难度大， 良率低，从而造成生产成本较高，因此一直没有被 3C 行业广泛应用。

点二：价格相较处于高位，原材料成本高昂。

1.3 钛材对比：钛铝复合材料为消费电子主流材质，制作工艺有待成熟

纯钛指的是钛含量在 99%以上的钛，实质为钛合金。工业纯钛含有较多量的氧、 氮、碳及多种其他杂质元素，它实质上是一种低合金含量的钛合金，其强度不高，塑 性好，易于加工成形，冲压、焊接、可切削加工性能良好，具有良好的耐腐蚀性，抗 氧化性优于大多数奥氏体不锈钢，耐热性较差，使用温度不宜太高。 添加不同合金元素得出不同类型钛合金。钛合金，是指以钛元素为基础，添加单 种或多种其他元素制备形成的新型合金。钛的活性较高，大多数元素均可与其互相作 用。目前国内外，商用的钛合金中常用的合金元素有铝、锡、锆、钒、钼、锰、铁、 铬、铜、硅等，而且几乎在所有的钛合金中都含有铝，只是数量不同，最多不超过 8%。

α相与β相钛性能各不相同。钛具有两种同素异构结构，即α相与β相，其同素 异构转变点约为 882℃，当温度低于相变温度时，钛具有密排六方结构，被称为α(α -Ti)；当温度高于相变温度时，钛具有体心立方结构，被称为β钛((β-Ti)。β相的强 度高于α相的强度，且滑移系统较多，更容易承受塑性变形，高强钛合金通常是以β 相为基的合金。α相的耐热性、抗蠕变性能均比β相好，高温钛合金通常为α合金和 近α合金。

钛铝复合材料性能优越，3C 领域加速渗透。钛铝复合材料以钛和铝为基础，结 合了钛合金和铝合金的优点。它具有比较高的强度，耐磨性良好，优异的耐蚀性，良 好的导热性能和轻质化特点。而且，钛铝复合材料的材料和加工成本都较低于纯钛合 金，使得钛铝复合材料成为一种更具经济性和高性能的选择。苹果手机钛金属边框通 过固态扩散技术，与新的铝金属内框焊接在一起。这项行业创新技术利用热机械加工 工艺，实现了这两种金属的高强度接合，内框以 100% 再生铝金属打造，提升再生 材料的整体使用率。小米边框采用高纯钛材质设计，钛纯度高达 99%，外侧钛层实 现高级质感和可靠性，内侧铝层用于平衡加工成本。通过在高温高压下，将钛、铝两 种材料的热轧复合，实现外层钛、内层铝的材料组合，并形成有一定强度的固相结合 界面。

目前钛/铝复合板的制备方法主要为热轧复合法与爆炸复合法。这两种复合方法 优点突出，但也有局限性：其一在进行热处理之前，不可避免的会在结合界面处生成 分布不均匀的金属间化合物，严重影响板材的结合质量；其二工艺复杂，工业化生产 难度大，能耗高，环境不友好。因此，在小米探索制备钛铝复合材料工艺时： 问题一：硬度过高的金属在变形时容易产生较大的内应力，从而易发生钵层开裂、铝 分层等问题，由此导致了良品率低和原材料大量报废。 解决方案：调整材料方案，选用高延伸率、低内应力的高纯钵材质，有效降低了 折弯抗力和界面应力，避免了开裂、分层风险。 问题二：如何将钛铝复合材料组成一个完整的手机中框。 解决方案：将钛铝复合材料通过连料工艺形成一个整体料块，方便操作的同时还可以复用铝合金中框加工方案和线体，避免增加额外的设备和加工成本。友商是使用 “夹具方案”，用夹具将互相分离的各部件夹持成一个整体，夹具跟随物料走完全流 程加工，这期间制品均需夹具连接，不仅操作不便，且夹具成本极高。 问题三：后段加工过程中还伴有大量热输入，温度交替变化会让中框内部产生大量残 余应力。在加工后应力逐步释放，会导致中框成品变形严重。 解决方案：通过抓取全加工制程的平面度变寻数据和批量平面度变形趋势，逐工 站分析。提出了 10 多组 CNC 反变形补偿方案 DOE，辅以情密整形工艺，使最终 中框成品平面度得到明显改善。最终还需要经过 100+ 道精密加工工序的打磨，整个 过程非常复杂。

2 加工刀具：以硬质合金为主，需进行部分结构与材料优化

2.1 主流刀具：硬质合金为目前主流刀具，超硬刀具运用逐渐提升

硬质合金和超硬合金为主流加工刀具。从历史角度来看，机械加工早期主要采用 高速钢刀具；随后，以硬质合金和陶瓷刀具为代表的新型材料刀具开始逐步替代原有 高速钢刀具。随着产业升级与技术进步，超硬材料刀具开始广泛应用于工业加工，并 在部分领域替代硬质合金和陶瓷刀具。但目前超硬刀具价格较硬质刀具价格差距过大， 距超硬刀具的广泛运用仍有一段路程要走。

超硬刀具使用量占比逐年提升。超硬材料刀具所用的超硬材料主要是与天然金刚 石的硬度、性能相近的人造金刚石和 CBN（立方氮化硼）。由于天然金刚石价格比较 昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石（ PCD）、聚晶立方氮化硼（ PCBN）， 以及它们的复合材料。以 PCD 和 PCBN 刀具为代表的超硬刀具具有比硬质合金、 陶瓷刀具更高的硬度和更优良的耐磨性能, 能适应更高的切削速度。

2.2 加工刀具：硬质刀具为主，超硬刀具为辅

钛有三种基体结构，导热性差、弹性模量小等原因导致难加工。钛是同素异构体， 室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α钛合金、β钛合金、 （α+β）钛合金。钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优点，因此在航空、航天、 发电设备、核能、船舶、化工、医疗器械等领域中得到了越来越广泛的应用。但在切 削过程中存在切削温度高、 材料化学活性大等问题，导致刀具易磨损易粘刀且表面 加工质量差，使得钛合金成为典型难加工材料。

刀具材料的切削性能和零件材料的切削加工性能以及加工条件为决定刀具选择 的关键因素。主要遵循原则为：（1）加工普通工件材料时，一般选用普通高速钢与硬 质合金，加工难加工材料时，可选用高性能和新型刀具材料牌号，只有在加工高硬材 料或精密加工中常规刀具材料难以胜任时，才考虑用超硬材料立方氮化硼和金刚石。 （2）由于任何刀具材料在强度、韧性和硬度耐磨性两者之间总是难以完全兼顾的， 在选择刀具材料牌号时，根据零件材料切削加工性和加工条件，通常先考虑耐磨性， 崩刃问题尽可能用最佳几何参数解决，如果因刀具材料性脆还要崩刃，再考虑降低耐 磨性要求，选强度和韧性较好的牌号。一般来说，低速切削时，切削过程不平稳，容 易产生崩刃现象，宜选强度和韧性好的刀具材料，高速切削时，高的切削温度对刀具 材料的磨损影响最大，应选择耐磨性好的刀具材料牌号。

硬质合金与超硬材料综合性能更强，在切削温度和刀具黏结问题上有较好表现。 完成铁合金零件加工时，主要考虑切削温度和刀具黏结两个因素，所以刀具的红硬性 和导热能力要好，抗弯曲能力要强，加工时不易出现力具与工件相互黏结的现象。以 下材料适宜加工铁合金零件：1）对于复杂、多刃刀县可选用高速钢材料，适于制作切削铁合金的钻头、饺刀、立铣刀、拉刀丝锥等刀具。2）加工铁合金零件常用硬质 合金铣刀。3）涂层刀具，抗黏结性能和抗氧化性能都非常强。4）CBN 刀具（最理 想刀具材料），切削中速度最高可达 250 m/min,整个加工过程效果较好。5）PCD 刀 具可以实现高速、高稳定性、高精座的铁合金材料加工，目加工效果良好。

2.3 改进方式：钛合金高质高效切削加工刀具方法

为实现钛合金构件的高质高效切削加工，需要科学选用或设计开发高性能切削刀 具，相关技术包括刀具材料与刀具结构设计、刀具涂层制备、刀具切削参数优选、刀 具加工状态监控及切削数据库开发。

对钛合金零部件加工环节，需要对刀具材料设计、涂层制备以及刀具结构设计等 方面进行改进。1）刀具材料设计：进行钛合金与刀具材料力学性能和理化性能的匹 配性分析，建立钛合金切削加工刀具-工件作用的材料学及热力学研究体系；2）涂层 制备：需针对钛合金的高化学活性特点，选用兼具减摩、耐磨与热障作用的涂层材料， 并开发相应的涂层制备工艺和设备。3）根据钛合金加工工艺特点和技术要求，开发 钛合金加工特殊刃型刀具（如 Wiper 刀片）、整体超硬材料及密齿结构刀具等。

3 市场空间：24 年对应空间达 50 亿，未来行业加速渗透

截至目前，消费电子钛合金材料用 CNC 加工的品牌与结构为中框（苹果、三星、 小米）、表盖（苹果、三星、华为）。1）中框：Iphone15 Pro/Pro Max，钛金属边框 通过固态扩散技术与铝金属内框焊接，有强度高质量轻的优势，相比于不锈钢中框的 iPhone 14 代重量轻了 20g 左右。2）表盖：Apple Watch Ultra/Ultra2，外观采用 49 毫米钛金属表壳，高山回环式表带采用抗腐蚀的钛金属 G 式表扣，海洋表带采用钛 金属表扣和带弹性的钛金属环。3）中框：Galaxy S24 Ultra，据 Techweb，三星下一 代旗舰 Galaxy S24 Ultra 将会采用钛合金中框，它将对标同样采用钛合金的 iPhone 15 Pro Max，新款手机有望在今年底亮相。4）表盖：Galaxy Watch5 Pro，表壳采用 钛合金材质，更耐刮擦。5）中框：Xiaomi 14 Pro ，采用钛金属中框设计，相比其他 材质拥有耐磨性好、重量轻等优点，小米 14 Pro 也是全球首款搭载钛金属中框的安 卓手机。6）表壳：华为 Watch 4 Pro，采用 48 毫米的钛合金表壳，比普通金属更强 韧坚固、耐腐蚀。

本文假设：

智能手机出货量：本文对于智能手机各公司的出货量的假设主要是依据 2022 年-2023 年各品牌出货量情况进行判断：1）苹果出货量：2022 年苹 果出货量为 2.264 亿台，2023 年前半年 Pro 型号手机占总出货量占比为 46.8%。因此，本文预计 2023 年 15pro 以上的机型出货量达 3167 万台， 24 年之后使用钛合金比例保持在 50%以上。2）三星出货量：2022 年三星 出货量为 2.609 亿台，2023 年前半年 Ultra 型号手机占总出货量占比为 8.4%，因此本文预计后续三星手机 Ultra 型号占比在 10%以上。3）小米出货量：2022 年小米出货量为 1.531 亿台，因为公司今年末推出 14Pro 钛合 金版手机，今年销售 2 个月的情况下出货量预计达到 20 万台，明年预计达 到 200 万台。

智能手表出货量：本文对于智能手表各公司的出货量的假设主要是依据 2022 年-2023 年各品牌出货量情况进行判断：1）苹果出货量：2022 年出 货量为 3215.63 万台，预计 2023 年出货量 4160 万台。按结构来看， 8 系 列第一季度销售 342 万台，折合全年 1368 万台，占比为 32.9%。今年 Apple Watch Ultra 2 为更高端产品，价格显著高于旗舰产品，保守预计今年出货 量占比为 5%，未来占比将逐渐提升。2）华为 2022 年出货量为 631.81 万 台，今年上半年华为手表出货量同比增长 58%，假设今年出货量为 910 万 台；从结构来看，中国市场手表超过 501 美金的出货量占比为 11%，假设 华为出货结构占比与全国一致，未来占比将稳定逐步提升，钛合金运用将逐 渐扩大。3）三星 2022 年出货量为 924.14 万台，预计今年出货量将达到 1300 万台；从结构来看，Galaxy Watch5 Pro 一季度出货量为 72.1 万台， 折合全年为 288.4 万台，即占比为 22.18%。

刀具市场用量：对刀具进行弹性测试进行市场空间测算，由于中框或者表盖 都需要多种不同刀具进行生产，同时每个刀具可以加工的零部件数量不同， 本文选择设置每个中框/表盖平均需要道具数量来进行测算，设置的数量分 别为 1/1.5/2 个进行测算。

刀具价格：本文选取的是沃尔德硬质刀具均价与华锐精密刀具均价的中间 值，主要是因为运用加工钛合金材料的刀具是需要特殊定制的硬质道具，因 此在两者之间比较合理。

刀具加工使用比率：对于钛合金中框来看，近两年 CNC 技术成本优势明显， 将维持竞争力，假定刀具加工使用比率为 100%。表壳由于复杂度更高，由 此 MIM 技术与 3D 打印技术具有一定的技术优势，于此表盖刀具加工未来 刀具加工使用比率逐渐降低。 24 年钛合金对应刀具市场预计为 53.46 亿元。同时，随着未来钛合金加工工艺 的成熟，将有更多品牌、更多机型会使用更加优质的钛合金金属作为成品的结构件， 市场空间将逐渐扩张。

随着 3C 电子逐渐向高端化发展，未来钛合金运用将愈发广泛。相比之前采用的 不锈钢和铝合金材料，钛合金在手机制造中更好地平衡了坚固性和轻薄性的特点。钛 合金的高强度与低密度使得手机的厚度和重量得以降低，同时提升了整体的结构强度。 因此，未来在平板电脑、笔记本电脑、手机其他零部件等都将用到钛合金作为结构件 进行生产组装。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）