3C刀具专题：钛合金增质减重，带动刀具消费增加

投资要点 钛合金增质减重，苹果手机首次应用钛合金中框，引领消费电子新潮流。2023年9月苹果发布的新机iPhone 15 Pro系列应用钛合金中框，相对于传统铝合金、不锈钢材料，钛合金的核心优势在于比强度（强度/密度）更高，是6系铝合金的1.4倍，304不锈钢的3.1倍，可在保持强度不下降的情况下，大幅降低手机重量，提升消费者使用体验。应用钛合金中框的iPhone 15 Pro比iPhone 14 Pro质量减轻19克，重量相比下降9%。 钛合金材料应用场景继续拓宽，更多消费电子品牌跟进。早在21世纪初，苹果及其他消费电子品牌即尝试应用钛合金材料，但受限于高昂成本，并未大规模推广。最近几年，随着钛合金生产工艺进步和产品升级需要，钛合金被广泛应用于手表表壳，苹果、三星、华为均在高端手表系列应用钛合金制作表壳。 手机中框领域，随着苹果于2023年9月首发应用钛合金后，其他消费电子品牌有望在其高端产品系列跟进。小米在2023年10月份发布14 pro钛金属特别版手机，市场反馈良好；三星预计在S24系列应用钛金属中框；荣耀、oppo、vivo已在其折叠屏手机的铰链上应用钛合金材料。 钛合金属于难加工材料，CNC加工刀具消耗量成倍增长。钛合金的材料特性包括导热系数小、化学活性高、冷硬现象严重、刀-屑接触长度短、弹性模量小等，其加工性能比不锈钢低35%-40%，比铝合金低更多，导致刀具磨损快、寿命低，即钛合金加工对刀具的消费量要明显高于不锈钢和铝合金。根据产业链调研，钛合金加工的刀具消费量约是不锈钢的2倍，铝合金的5倍，钛合金手机中框的应用将使3CCNC加工刀具消费明显增加。涂层整体硬质合金刀具是目前钛合金结构件加工的首选刀具，超硬刀具会被应用于高速精密加工工序。 钛合金渗透率提升背景下，硬质合金棒材需求提振。整硬刀具的初始原材料为钨精矿，国内开采实行配额制，供给稳定；直接原材料为硬质合金棒材，2022年国内30家主要企业产量为1.35万吨，最近5年复合增速为4.0%。钛合金手机中框的渗透率提升，将直接带动整硬刀具的消费，进而提振硬质合金棒材的需求。国内棒材市场集中度较高，两大龙头中钨高新和厦门钨业市占率合计超过40%。 重点关注：华锐精密、鼎泰高科、沃尔德、欧科亿、中钨高新等。 风险提示：宏观经济波动风险、钛合金应用低于预期、行业竞争加剧风险。 1苹果手机应用钛合金中框，掀起消费电子新潮流 1.1钛合金性能优异，比强度高特性可增质减重 iPhone 15 Pro系列首次应用钛合金中框。2023年9月，苹果发布新机iPhone 15系列，其中iPhone 15Pro及iPhone 15 ProMax首次应用钛合金作为中框金属材料。 钛合金性能优于铝合金及不锈钢，比强度高降低机身重量是核心优势。钛是一种银灰色、轻质且具有高度耐腐蚀性的金属，通常与少量铝和钒混合，制成钛合金。钛合金在航空航天、医疗器械（如假肢制造）等领域得到了广泛应用，其中航空航天军工应用占比约3/4。其中，TC4钛合金（Ti-6Al-4V）应用最为广泛，其耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，是钛合金工业中的王牌合金 ，使用量约占全部钛合金的75%-85%。钛合金的材料优势主要在于： 1）比强度高：比强度是材料的抗拉强度与材料表观密度之比，比强度越高表明达到相应强度所用的材料质量越轻。TC4钛合金的强度为 900M Pa以上，密度为4.43 g/cm3 ，比强度在20.3以上，是6系铝合金的1.4倍，镁合金的1.6倍，304不锈钢的3.1倍，堪称金属材料中的冠军。使用钛合金材料作为手机中框，可在不降低手机强度的提前下，大幅减轻其重量，以iphone 15 Pro为例，其应用钛合金中框后比应用不锈钢中框的iphone 14 Pro质量减少19克，重量下降9%。 表1：钛合金材料比强度明显优于不锈钢和铝合金 2）热强度高：钛元素的熔点为1725℃，中等温度下依然能保持良好的强度。对比来看，铝合金在环境温度达到150℃强度明显降低，而钛合金在450-500℃的环境下，依然能达到一定强度要求，并可在该温度下长期工作。 3）抗蚀性好：钛合金材料中的化学成分，易和空气中的氮气、氧气发生化学反应，会在材料表面生成保护层，从而提高抗腐蚀性能，对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。 4）低温性能好：钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。以TA7、TC4等为代表的低温钛合金，其强度随温度的降低而提高，但塑性变化却不大，可在-196℃低温下保持较好的延性及韧性，避免了金属冷脆性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。 图1：钛合金广泛应用于航空航天及军工领域 图2：钛合金中框应用使iPhone 15 Pro重量减轻9% 1.2钛合金材料应用场景继续拓宽，更多消费电子品牌跟进 钛合金在智能产品领域早有应用，但受限于成本未大规模推广。2001年，苹果公司即推出了全球第一款钛合金外壳笔记本电脑，其质量仅2.4 kg，成为市面上的高端笔记本产品； 2005年，诺基亚公司推出Nokia 8910，是最早采用钛外壳的手机之一；2006年，佳能首次在IXUS 900 Ti相机上采用钛材质外壳，而后，佳能发布的IXUS 960 IS，外壳依然采用钛，在数码相机市场上引发一阵追捧。钛合金作为优质金属，早在21世纪初即应用于智能产品，但受限于高昂成本，并未大规模推广。 近年来钛合金已规模化应用于手表表壳。早在2019年，苹果发布的Apple Watch S5便推出钛合金表壳版本；随后在2022开始推出的高端旗舰手表Apple Watch Ultra系列均标配钛合金表壳，包括2023年9月推出的Apple Watch Ultra 2。除了苹果，三星和华为也纷纷推出钛合金手表，三星在2020年推出的Galaxy Watch3钛金属版和2022年推出的Galaxy Watch5 Pro均使用了钛合金外壳；华为在2022年推出的HUAWEI WATCH GT 3 Pro和2023年5月推出的HUAWEI Watch 4 Pro亦使用了钛合金表壳。 图3：钛合金已规模化应用于手表表壳 2023年苹果率先批量化应用钛合金手机中框，其他手机品牌有望跟进。钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温、对身体无害等特性，采用钛合金制作手机中框，可提高手机结构强度，同时明显减轻重量，为消费者提供更好的使用体验。因此，继2023年9月苹果在iPhone 15 Pro系列采用钛合金中框之后，小米在2023年10月份发布14 pro钛金属特别版手机，市场反馈良好；三星有望在其S24系列应用钛金属中框；荣耀、oppo、vivo已在其折叠屏手机的铰链上应用钛合金材料。我们认为，随着苹果手机率先应用钛合金中框，打通钛合金产业链及消费市场，其他手机品牌有望在其高端产品系列跟进钛合金中框的应用。 图4：苹果引领高端手机中框应用钛合金 表2：近年来钛合金在消费电子产品应用日渐增加 2钛合金难加工，CNC加工刀具消费明显增加 2.1钛合金属于难加工材料，其渗透率提升将大幅提高刀具消费 钛合金难加工，CNC加工刀具消费明显扩容。根据《钛及钛合金铣削加工解决方案》，广泛应用的退火钛合金TC4的加工性能比退火304不锈钢的加工性能低35%-40%。根据产业链调研，钛合金的难加工特性导致其刀具消费比不锈钢明显提高，相对铝合金更是大幅提高；加工同规格的手机中框，钛合金的刀具消费约是不锈钢的2倍，铝合金的5倍。总结下来，钛合金之所以难加工，主要因为以下特性： 1）导热系数小：TC4钛合金的导热系数只有8.0W/(m·k)，仅相当于45号钢的1/5-1/7。 导热系数小导致切削时产生的热不易传出，热量集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，局部切削温度很高，使得刀尖急剧磨损、使用寿命降低。相同条件下，钛合金切削热可比45号钢高出一倍以上。 2）化学活性高：钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。 3）冷硬现象严重：由于钛的化学活性大，在高切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮元素，形成硬而脆的外皮，且切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且会加剧刀具磨损，是钛合金切削时的重要特点。 4）刀-屑接触长度短：钛合金切屑在空气中氧和氮的作用下形成硬脆化合物，使切屑成短碎片状，导致刀-屑接触长度变短，单位接触面积上的切削力和切削热大大增加，易造成刀具崩刃现象。 5）弹性模量小：钛合金的弹性模量仅约为钢的1/2，在载荷作用下已加工表面容易产生回弹，特别是薄壁零件的加工回弹更为严重，易引起后刀面与已加工表面产生强烈摩擦，从而磨损刀具和崩刃。 表3：钛合金材料特性导致刀具加工困难 “整硬为主（需加涂层），超硬为辅”是钛合金中框的刀具消费格局。鉴于钛合金的材料特性，切削钛合金的刀具材料至少应具有如下性能：①高硬度兼备高强度和韧性；②具有较好的耐磨性；③刀具材料与钛元素亲合性较低，不与钛合金材料发生熔敷、扩散；④良好的抗热冲击性。目前，适合加工钛合金的刀具材料主要有硬质合金和超硬材料（包括立方氮化硼PCBN和聚晶金刚石PCD）两大类。针对手机中框加工，考虑到工件尺寸较小，整体杆状式刀具应用比例较高；考虑到成本优势，硬质合金刀具经济性更好（为提高使用寿命，需要加TiAlN、TiCN等涂层），因此涂层整体硬质合金刀具是目前钛合金结构件加工的首选刀具。此外，超硬刀具凭借更高的切削速度和更好的表面质量，也会被应用于钛合金高速精密加工工序。例：PCD刀具热膨胀系数低，在切削加工中产生的切削热容易散发，切削温度较低，刀具不易产生大的热变形，这一优越特性对于尺寸精度要求极高的精密加工极为重要 。 图5：整体硬质合金刀具（简称整硬刀具） 图6：超硬刀具 2.2钛合金渗透率提升背景下，硬质合金棒材需求提振 整硬刀具以钨精矿为初始原材料，国内供给刚性；棒材为整硬刀具的直接原材料。钨属于稀有难熔金属，是国内战略性矿产，我国在《全国矿产资源规划（2016-2020年）》中将钨列入战略性矿产目录。目前我国对钨矿开采实行配额制，2023年我国钨精矿的开采指标为11.1万吨（标吨），相对2015年指标增长接近2万吨，最近3年复合增速为1.9%，供给相对刚性。钨精矿的下游产业链主要为生产硬质合金，硬质合金下游又以刀具生产为主，包括整硬刀具和数控刀片两大类，其中整硬刀具以硬质合金棒材为直接原材料。 图7：整硬刀具产业链 图8：国内钨精矿供给稳定 图9：棒材为整硬刀具的直接原材料 钛合金渗透率提升背景下，硬质合金棒材需求提振。最近两年我国硬质合金棒材产量保持高位，据中国钨业协会统计30家主要企业的数据，2022年我国棒材生产量为1.35万吨，同比下降2.6%，2018-2022年5年复合增速为4.0%。钛合金手机中框的渗透率提升，将直接带动整硬刀具的消费，进而提振硬质合金棒材的需求。国内棒材市场集中度较高，根据公司公告测算，两大龙头中钨高新和厦门钨业市占率合计超过40%。 图10：2018-2022年国内棒材产量CAGR约为4%（单位：吨） 3重点关注：相关整刀供应商及棒材龙头企业 华锐精密：新建340万只整刀产能，2023年实现批量出货。华锐精密是国内数控刀片领军企业之一，2022年数控刀片销量9005万片，位列国内前三名。公司自2021年上市以来，积极扩充产品种类，通过IPO募投项目新建200万只整体铣刀产能，2022年通过可转债项目新建140万只整体钻刀产能，合计340万只整硬刀具。该产能于2022年底开始逐步释放，预计将于2023年底达产。公司抓住钛合金中框对刀具消费扩容的机遇，2023年下半年实现对富士康和立讯精密的批量出货，并积极接洽比亚迪电子、三星等3C行业客户。公司在钛合金中框加工领域取得了一定的先发优势，将受益于行业需求扩容。 鼎泰高科：聚焦3C行业，更改募投项目积极布局整硬