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汽车轻量化专题报告:轻量化需求驱动,铝合金压铸是优质赛道

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发表于 2020-2-12 09:41:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
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1. 轻量化趋势

1.1 节能减排倒逼汽车轻量化

1.1.1 中国汽车保有量逾 2.5 亿辆,能源和环境问题将更加突出

中国汽车产销量总体保持增长态势,受到国五国六政策和新能源补贴退坡的影响,2018 和 2019 年的中 国汽车产销量略有下降,2019 年汽车产量达 2552.8 万辆,同比上升-8.1%,销量 2551.52 万辆,同比增长1.09%。

中国汽车拥有量不断上升,截至 2018 年年底,民众汽车拥有量达到 2.32 亿辆,私人汽车拥有量达到 2.06 亿辆。截至 2019 年 6 月,我国民众汽车拥有量达到 2.5 亿辆,仅次于美国。世界银行公布了 2019 年全 球 20 各主要国家千人汽车拥有量数据,其中中国每 1000 人拥车量为 173 辆,位列榜单第 17 名,可以看出, 目前我国汽车渗透率低于欧美、日韩等发达国家。随着国民可支配收入的提高和城镇化的推进,我国汽车消 费的刚性需求仍将保持,未来中国汽车保有量仍将增长,预计 2020 年年底将超过 2.7 亿辆,超越美国汽车 保有量(2.5-2.6 亿辆水平),跃居全球首位,由此带来的能源安全和环境问题将更加突出。

1.1.2 汽车排放是大气污染重要原因,节能减排必须提上议程

燃油车尾气排放是大气污染重要源头之一,也是国家目前重点治理方向之一。2017 年,全球机动车四 项污染物初步核算为 4359.7 万吨,比起 2016 年削减 2.5%。其中,一氧化碳(CO)3327.3 万吨,碳氢化合 物(HC)407.1 万吨,氮氧化合物(NOX)574.3 万吨,颗粒物(PM)50.9 万吨。汽车是污染物排放量的 主要贡献者,在一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)超过 80%,氮氧化合物(NOX)和颗粒物(PM)超 过 90%。

美国健康效应研究所发布的《2019 全球空气状况》报告显示,2017 年全球因长期暴露于室外和室内空 气污染而死于中风、心脏病、肺癌、糖尿病和慢性肺病的人数达到近 500 万;中国是 120 万,在全球占比 24%。在全球所有健康风险因素中,空气污染位列第五,在中国空气污染在健康风险因素中位列第四。2017 年在全球范围内,室外和室内空气污染致人均预期寿命缩短达 20 个月,在中国空气污染使人均预期寿命缩 短23个月。在非传染性疾病中,空气污染对肺癌发病的贡献率是26%,对心脏病、中风的贡献率分别是17%、 12%。这凸显了必须加速治理空气污染的重要性。

1.1.3 发达国家纷纷出台燃油车禁售时间,我国改进双积分政策

多国政府已计划于 21 世纪中叶前禁售内燃机汽车。截至 2019 年 1 月,以欧盟成员国为主的共 9 个国家正式作出了限制或终止内燃机汽车销售与注册的承诺并通过有关法案,部分国家的发达地区也已制定了 有关计划。2019 年 8 月我国工信部发布《对十三届全国人大二次会议第 7936 号建议的答复》指出,未来会 因地制宜、分类施策,支持有条件的地方和领域开展城市公交出租先行替代、设立燃油汽车禁行区等试点。

双积分政策改变由“正向激励”向“奖罚并行”演变。2017 年版双积分政策明确了 CAFC、NEV 双积分的 核算、抵偿方法,2019 和 2020 年度 NEV 积分比例要求,以及对未抵偿清零负积分企业的处罚措施。 2019 年 7 月,工信部发布 2021-2023 年《乘用车企业平均燃料消耗量(CAFC)与新能源汽车(NEV)积分 并行管理办法(征求意见稿)》修正案,新增 2021-2023 年度 NEV 积分比例要求,在 NEV 积分达标值计算过 程中引入低油耗乘用车的概念,并对积分计算方法、工况标准进行了调整;2019 年 9 月,工信部发布关于 修改《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法(征求意见稿)》的决定(以下简称“2019 版 双积分修订征求意见稿”),将低油耗乘用车的生产量或者进口量按照其数量的 0.2 倍改为 0.5 倍计算以及调 整纯电动车型能耗目标值等。

1.2 新能源汽车成为轻量化的急先锋

2019 年新能源受补贴退坡影响,下半年呈现大幅下降态势,我国新能源汽车产销分别为 124.2 万辆和 120.6 万辆,同比分别下降 2.3%和 4.0%。其中纯电动汽车生产 102 万辆,同比增长 3.4%;销售 97.2 万辆, 同比下降 1.2%;插电式混合动力汽车产销分别为 22.0 万辆和 23.2 万辆,同比分别下降 22.5%和 14.5%;燃 料电池汽车产销分别为 2833 辆和 2737 辆,同比分别增长 85.5%和 79.2%。

2018 年全球新能源汽车保有量超过 510 万辆,较 2017 年增加了近 200 万辆。其中,纯电动汽车保有量 329 万辆、插电式混合动力汽车保有量 183 万辆,分别增加了近 140 万辆和 60 多万辆,增速分别为 69.1% 和 52.4%。国际能源机构 IEA 预测,到 2030 年,全球新能源汽车保有量将达到 1.3 亿辆。

在销售方面,全球新能源汽车销售规模不断扩大,新能源汽车产业进入快速发展通道。2018 年,新能 源汽车的销量近 200 万辆,较 2017 年增长 68.2%。2011~2018 年,新能源汽车销售一直保持较高增速,平均 增速超过 60%。全球新能源汽车销售量从 2011 年的 4.9 万辆增长至 2018 年的 197.5 万辆,7 年时间销量增 长近 40 倍。

电动车续航里程短,电池成本高,成为电动车发展的制约要素。近年来国内新能源汽车行业蓬勃发展, 电动车销量节节攀升。从汽车之家在售的纯电动新能源汽车统计得知,可以续航 300-400 公里的有 96 种车, 可以续航 400 公里以上的有 77 种车。

目前一般内燃机车加满油的续航里程都在 500 公里以上,大部分的电动车续航里程在 300-400 公里左 右,和内燃机汽车差距是存在的。为了增加续航里程,可以通过增加电池容量,但同时也增加整车质量,使 得续航里程的改善达不到预期效果。因此光增加电池很难解决续航里程问题,必须同时降低整车质量。纯电 动车的整车成本结构中,电池约占 30%-50%。在相同的续航里程下,采用轻量化技术的电动车可以减少电 池数量,从而大幅度降低电池成本和整车成本。

1.3 轻量化成为汽车节能降耗的最主要方式

随着汽车保有量的逐年提升,汽车已经成为石油的消耗主体。因此我国为应对空气污染等问题,严格制 定了乘用车燃料消耗量标准法规,对乘用车燃料消耗量及应对二氧化碳的排放提出了严格的要求。要实现节 能降耗,汽车企业可以通过发展新能源汽车、调整产品结构、研发高效驱动系统、汽车轻量化等多种方式。 其中,轻量化是汽车企业最易于采用并最为有效的方式。由于环保和节能要求日趋严格,汽车轻量化已成为 世界汽车发展的势不可挡的趋势。《中国制造 2025》把轻量化当成汽车产业发展的重要方向。轻量化已是汽 车发展的必然需求。降低汽车自身重量可以提高整车的输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性,提高车速、降低油耗、减少废气排放量。研究表明,若汽车整车重量降低 10%,燃油效率可提高 6%-8%;汽车整 备质量每减少 100 公斤,百公里油耗可降低 0.3-0.6 升;汽车重量降低 1%,油耗可降低 0.7%。据欧洲铝业 协会报告,汽车质量每降低 100kg,每百公里可节约 0.6L 燃油,减排 800-900g 的 CO2。

随着电动车的产销快速上升,续航里程目前仍然是制约电动车发展的一个重要因素。除去动力电池能量 和密度因素外,整车重量是影响电动车续航里程的关键因素,例如纯电动汽车整车重量若降低 10kg,续驶 里程则可增加 2.5km。因此,新形势下电动车的发展对轻量化的需求也显得十分迫切。
2.汽车轻量化路径:材料、工艺、结构设计并行

2.1 铝合金综合性价比突出,是汽车轻量化的首选材料

目前汽车轻量化使用的材料主要有:高强度钢、铝合金、镁合金和碳纤维复合材料。从减重效果看,高 强度钢-铝合金-镁合金-碳纤维呈现减重效果递增的态势;从成本方面看,高强度钢-铝合金-镁合金-碳纤维呈 现成本递增的态势。在汽车轻量化材料中,铝合金材料综合性价比要高于钢、镁、塑料和复合材料,无论应 用技术还是运行安全性及循环再生利用都具有比较优势。铝合金应用范围广,国内外全铝汽车的快速发展, 特斯拉(TESLA)ModelS 系列车型中 95%结构采用铝合金材料。此外,上游供应稳定,配套产业完善,铝 合金零部件厂商议价能力有保障。

2.1.1 高强度钢

高强度钢是指冷轧 340MPa、热轧 490MPa 以上的钢。钢的强度越高,减重效果越好。相对于传统的 340MPa 的材料,600MPa 级的钢种在理论上的减重潜能大约为 20%,800MPa 的材料减重潜能会提高至 30% 以上。目前高强钢主要应用在汽车安全件、底盘及车身等方面。

由于高强度钢相对于其他轻量化材料使用成本更低,各大车企以及相关配套企业对第三代先进高强度 钢研究及资金的投人力度越来越大。这些钢种通过调节合金成分及热处理工艺,获得比现有先进高强度钢更 高的强度和延展性能,连接能力也更加高效,同时成本也低。预计到 2020 年全球汽车先进高强度钢需求量 2839 万吨,年均复合增长 12%,对应市场规模 4258 亿元。

2.1.2 铝合金

铝的密度是钢的 1/3,质量更轻,具有较高的比强度、很好的挤压性、很强的耐腐蚀性和高度的可回收 性。铝合金在汽车产品上运用,减重的同时,能实现更加的刹车性、更优的操控性、更好的驾驶舒适度和更 突出的动力。铝合金型材生产工艺流程:熔铸、挤压、表面处理、深加工工。

目前铸造铝合金约占汽车用铝量的 77%,可用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件; 变形铝合金(锻造铝合金和铝合金板材)在车身零件及结构件的应用方面也发展较快,主要应用于发动机盖、 翼子板、保险杠、车厢底板结构件、热交换器、车轮以及车身骨架等。汽车车身用铝合金材料主要包括:铜 元素含量最高、硬度也较高的 2000 系;主含镁元素,又称“镁铝合金”的 5000 系;镁硅含量高、抗腐蚀和 抗氧化性能好的 6000 系;镁锌铜含量高、可热处理合金、有良好的耐磨性和焊接性的 7000 系。汽车车身的 不同受力部位会采用不同系列型号的板材、型材、管材及高性能铸铝等铝合金材料。

中国乘用车单车用铝量距离发达国家仍有一定距离。预计到 2020 年,我国乘用车平均单车用铝量将达 231kg,年平均复合增速达 15%。预计 2020 年我国汽车用铝量需求为 510 万吨,按照车用铝合金 4 万元/吨 市场价计算,市场空间可达 2500 亿元。2016-2020 年 CAGR 为 12%,其中 SUV 和新能源汽车将是汽车用铝 成长最快的领域。

2.1.3 镁合金

镁合金是目前商用的最轻的金属结构材料。镁的密度只有 1.8 g/cm3,是铝的 2/3,钢的 2/9,采用镁合 金可在使用铝合金的基础上再减轻 15%-20%。镁合金具有优良的导电性、导热性、电磁屏蔽性能、高的比 度、减震性、加工工艺性能、易回收和有利于环保。现阶段 62%的镁合金制品应用在汽车产业上,镁合金在 汽车上的应用主要集中于车身、发动机和内饰三大部分。镁合金在汽车上应用的零部件有 100 多种,主要分 为壳类和架类两类零件。

北美、欧洲、日本等地汽车用镁持续增长,我国成长空间大。2015 年北美地区单车用镁量已达到 3.8kg, 使用和研发中的镁合金零部件达 100 多种;日本单车用镁量高达 9.3kg,越来越多的在汽车的变速杆、座椅 架等部位采用镁合金材料;欧洲车用镁合金铸件的使用量以年均 25%的速度增长,奔驰、通用、宝马的部分 车型,镁合金用量已超过 20kg。相比而言,我国 2015 年单车用镁量约为 1.5kg。预计 2020 年国内单车用镁 量目标为 10kg,汽车业对镁合金的需求量将达到 33.1 万吨。

2.1.4 碳纤维复合材料

碳纤维是有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的,一种含碳量在 95%以上的高强度、高模量的新型纤维 材料。碳纤维是一种高强度、高模量的高性能纤维材料,不仅具有碳材料强抗拉力的特性,还兼具纤维软加 工性,与传统材料相比,碳纤维密度不到钢的 1/5,强度是钢的 8 倍。碳纤维还对一般的有机溶剂、酸、碱 具有良好的耐腐蚀性,具有很好的润滑性,摩擦系数小,导电性好,不存在生锈问题。


碳纤维复合材料(CFRP)在汽车中可应用于车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、 中控台、装饰条、传动轴、板簧、构架、刹车片、内饰和外饰配件等系统。宝马 i8 车型使用符合材料模块化 设计,全碳纤维的座舱(LifeDrive 架构),类似 F1 赛车的设计,整车重量仅 1480 千克。

碳纤维复合材料在汽车上应用不但能满足轻量化的需求,还能提升安全性能,实现更好的驾驶性能,更 低的组装耗费和更好的碰撞安全性。碳纤维复材的总体需求量将不断上升,预计到 2020 年,碳纤维复材的 需求量可以达到约 20 万吨的左右。

2.2 制造工艺

一、激光拼焊(TWB)及不等厚度轧制板(VRB)
    激光拼焊技术:将不同厚度、不同材质、不同强度、不同冲压性能和不同表面处理状况的板坯拼在一起,再进行冲压成形。采用拼焊制造的结构件有车身侧框架、车门内板、风挡玻璃框架/前风挡框、轮罩 板、地板、中间支柱等。目前,几乎所有知名汽车制造商都采用了激光拼焊技术。

2.不等厚度轧制板:变厚板式轧钢机通过柔性轧制工艺生产的金属薄板,即在钢板轧制过程中, 通过计 算机实时控制和调整轧辊的间距,以获得沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板料。

二、内高压成形(液压成形)制造技术

管件液压成形是将管坯放入模具内,利用高压液体充入管坯空腔,同时辅以轴压补料,使其直径胀大至 贴靠凹模的成形过程。液压成形适用于汽车领域的沿构件轴线变化的圆形、矩形截面或各种异形截面空心构 件。与传统冲压焊接工艺相比,液压成形技术具有成形精度高、可节约材料、减少成形件数量和后续机械加 工与焊接量、提高成形件的强度与刚度、减少模具数量、降低生产成本等优点。液压成形在底盘部件中应用 较多,如前副车架主管、扭力梁、控制臂等,车身结构件主要应用于 A、B 柱等件。

三、超高强度钢热冲压成形技术

热成形技术通过热处理和高温成形相结合的方式来实现零件的高强度。热成形技术适用于对舒适性、强 度和安全性要求高的零件,典型的热冲压零件有前、后门左右防撞杆(梁),前后保险杠横梁,A 柱、B 柱、 C 柱加强板,地板中通道和车顶加强梁等。

四、辊压成形技术

辊压成形工艺通过顺序配置的多到次成形轧辊,把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲,以制成 特定断面的型材。辊压成形的优势在于能够加工其他工艺无法实现的复杂形状。一般,辊压成形为等截面零 件,近年来开始开发三维变截面辊压成形技术。其优势是合理设计型材的几何断面,提高承载能力,减轻零 件质量。辊压成形因其成本低和效率高而得到重视,凯迪拉克 ATS 地板有 8 件采用超高强度钢辊压成形, 奔驰新B级车地板有多个零件采用辊压成形,材料利用率在 90%以上。

五、高压铸造成型技术

高压铝合金铸造件的优势在于其可高效率生产集成设计复杂薄壁构件的能力。除动力传动系统壳体构件 和发动机缸体,奔驰新 SL 大量应用铝合金高压铸造技术,零部件数量大大减少。其中,A 柱由两个铸造件 构成,替代了原来的 13 个构件。前悬架固定座整合了 7 个构件,B 柱内板整合了 11 个构件,后纵梁整合了 22 个构件,前防火墙整合了 6 个构件。

六、低(差)压铸造成型技术

低(差)压铝合金铸造件的优势主要在于获得较高工艺品质的同时,可以生产一体化设计的中空、薄壁、 复杂构件。除车轮和缸盖外,主要用于汽车悬架系统、转向系统、行驶系统的轻量化构件生产,迄今已在国 外高端汽车的上述系统的铝合金构件生产上得到批量应用,达到了极好的轻量化和提高车辆驾乘性能的效 果。在国内,除车轮、缸盖外,底盘和悬架系统其他方面的应用较少。

七、汽车轻量化连接技术

汽车轻量化连接技术包括激光焊接、搅拌摩擦焊、锁铆技术、自锁铆、热熔自攻螺钉以及胶粘连接等技 术,通过上述先进连接技术将轻量化构件连接成零部件总成或车身,以达到较好的刚度和结构强度。

2.3 结构设计

车身结构轻量化也就是结构优化设计,即通过采用先进的优化设计方法和技术手段,在满足车身强度、 刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命、NVH(振动噪声)、车身结构可制造性、生产成本等诸多方面的性能 要求,以及相关的法律、法规、标准的前提下,通过优化车身结构参数,提高材料的利用率,去除零部件冗 余部分,同时又使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以减轻重量,实现轻量化。结构轻量化,根据设计 变量及优化问题类型的不同,可分为拓扑优化、尺寸优化、形状优化、形貌优化四种。

拓扑优化:包括连续体结构拓扑优化和离散体结构拓扑优化,前者是从总成的角度,找到有效载荷传递 路径、最佳材料分布,提高整体结构性能和结构设计效率;后者是从零部件的角度,局部拓扑,优化材料布 局,如开孔数量、大小、位置等。

尺寸优化:以零部件尺寸参数为设计变量,如板材厚度、截面面积等,寻找最优设计参数的组合。尺寸 优化的方法主要是灵敏度分析,设计变量可包括弯曲刚度、扭转刚度、模态等,通过确定在设计变量中哪个 部分对结构响应最为敏感,进而获得最佳的设计参数和最关心部位的灵敏度系数,再相应的进行减薄和加厚 处理。

形状优化:在不改变现有拓扑模式下,以零部件的几何外形作为设计变量进行优化。如:在 CAE 的应 力分析中,找到应力集中点,通过形状优化,起到提升零部件强度的作用。

形貌优化:以加强筋、凹凸结构的形状、位置和数量等为变量,在不显著增加质量的条件下,改善钣金 结构件的刚度及模态等。如:开闭件的内板通过形貌优化,在不增加重量的情况下,实现性能的达标。

3.各国轻量化路线各有侧重

3.1 美国汽车轻量化路线,以材料进步为驱动

美国汽车轻量化路线,分三步走,以材料进步为驱动,综合衡量材料成本、性能、可回收性及用量。20102025 年高强度钢拉伸强度 1500-2000MPa,密度下降 5%,模量增加 10%;铝合金机械性能提升 40%,成本 降低 25%,高性能铝循环利用 50%;镁合金成本下降至与铝相当,可用性提升 2 倍,消除异种材料电化学腐 蚀;钛合金、镍合金成本降低 50%,成本是不锈钢 2 倍;碳纤维占车重 5%,单价 5 美元/磅,刚度提升 30%, 25%可再生,碳足迹降 25%。2025-2050 年高强度钢拉伸强度 2500-3000MPa,密度下降 10%,模量增加 20%; 铝合金机械性能提升 200%,成本降低 40%,高性能铝循环利用 100%;镁合金成本与钢相当,可用性提升 4 倍,采取通用的一步式预处理;钛合金、镍合金成本降低至铝合金水平,成本是不锈钢 1.5 倍;碳纤维占车 重 15-25%,单价 2.5 美元/磅,刚度与铝材相当,50%可再生,碳足迹降 75%。美国的轻量化路线以材料降 本与性能优化贯穿其中,美国汽车零部件制造的特点是综合考虑不同材料的性价比在汽车的不同部位得到 应用。

3.2 欧洲汽车轻量化路线,瞄准多材料应用技术

欧洲汽车轻量化路线,以先进的钢铁材料、轻金属镁铝、碳纤维强化复合材料三类先进轻量化材料应用 为出发点,目标瞄准多材料应用技术。欧洲汽车轻量化的发展路径以创新为驱动,围绕先进的材料技术,新 的模块化构造,先进的功能集成,可负担性和成本效应性,多材料连接,多材料模拟,多材料在循环。材料 的开发与应用过程包括:设计概念,应用材料技术,建模与模拟,材料加工技术,零件生产,可制造性和成 本分析,试验和验证,LC 分析与 EL 评价。欧洲的汽车轻量化路线充分结合材料特性与成本、制造工艺和 结构设计,多层次多角度协调实现轻量化的目标。

3.3 日本汽车轻量化路线,材料和工艺实用化

日本汽车轻量化路线,以材料和工艺的基础研究突破为实用化出发点,材料进步驱动轻量化。钢铁以高 刚度钢铁材料、纳米纤维材料为基础性研究,以蜂窝结构材料为根源研究,以高延展性高强度钢、各向异性 控制、高冲压成形性钢板进行突破性研究,开发出高强度高韧性非调质钢。铝以高强度高延展性铝合金为基 础性研究,以铝合金的刚强性化为根源研究,以多孔铝复合结构材料、线束的铝制化进行突破性研究,实现 冲压成形技术改良、挤出异型材利用。镁以高强度冷轧成型板材合金设计技术、高性能型材的高速挤出技术 为基础性研究,以铸造材料组织微细化技术为根源研究,以大型材高性能表面处理进行突破性研究,实现铸 造材料的生产性创新技术。复合材料以透明 DLC 技术、SP 处理纳米粒子和成绩书为基础性研究,实现 SP 处理纳米粒子表面改进技术。加工技术以伺服冲压机利用技术、板锻件为基础性研究,以净成形技术、智能 热冲压为根源研究,以 CFRP 成形、镁冷冲压成型技术进行突破性研究,开发出中空材料的成形技术、高强 度钢的成形技术。连接不同材料技术经过基础性和根源突破性研究,确立了金属/高分子/C-FRP 三维形状连 接体创新技术。2010 年以来,日系整车厂商也相继提出轻量化目标,本田对主要车型设定减重目标,三菱各 车型平均减重 10%,马自达连续两个 5 年实现投放车型减重 100kg,尼桑 2015 年后车型减重 15%,丰田 2015 年全部车型平均减重 5-10%。预计自 2010 开始, 2015 年、2020 年、2030 年分别实现轻量化比率 1/4、1/3、 1/2。

3.4 中国汽车轻量化路线,材料-设计-工艺协同发展

国内汽车轻量化的出发点始于高强度钢、铝、复合材料等新材料的应用与开发,通过材料、设计、工艺 三个方面共同作用实现减重三步走的目标。根据中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》, 中国汽车轻量化自 2015 年到 2020 年实现减重 18%,适量应用铝、镁合金及碳纤维增强复合材料,根据材料 特性和性能要求进行优化设计,工艺以冷成形为主,热成形、辊压成形、激光拼焊为辅;到 2025 年实现减 重 30%,扩大铝、镁合金与碳纤维增强复合材料在车身上的应用,采用结构-材料-性能一体化轻量化多目标 协同优化设计,工艺以热成形、温成形、内高压成形为主,挤压成形、弯曲成形及热固性纤维材料成形为辅; 到 2030 年以纤维复合材料为主、轻合金和高强度钢为辅,结合制造工艺和成本控制要求进行集成化设计, 以热塑性纤维材料成形及挤压成形、弯曲成形为主,温成形、热成形为辅。在政策的驱动,对轻量化的迫切 需求下,铝合金压铸市场容量有望扩大,有较强材料制备、设计能力并且掌握先进工艺的铝合金压铸企业发 展潜力大。

4.铝合金压铸市场是优质赛道

4.1 车用铝合金市场情况(欧洲 vs 中国)

4.1.1 受益新能源汽车用铝量增长,欧洲汽车铝合金市场稳步增长

根据汽车研究机构 Duckerfrontier 发布的欧洲乘用车用铝量报告,2018 年欧盟乘用车产量 1680 万辆, 预计欧洲汽车产量将稳步增长,2019 年至 2025 年的年复合增长率为 1.54%。2019 年小型车(如大众高尔 夫、福特福克斯等)在乘用车产量中占比最大达 43%,预计到 2025 年,细分市场仍保持当前的态势,微型 车市场的增长将更为强劲,而普通型车市场的增长将有所放缓。

2018 年欧洲电动乘用车产量 38.3 万辆,预计电动乘用车(BEV 和 PHEV)的产量将迅速增加,2025 年 将达到 332 万辆,2019 年到 2025 年的年均增长率将超过 30%。2018 年 BEV 纯电动车与 PHEV 混合式电动 车产量分别为18 万辆和20 万辆。与 PHEV 混合动力相比,预计 BEV 纯电动车型产量将呈现更强劲的增长, 2025 年产量达 228 万辆,年均增幅为 42.6%。

2019 年欧洲乘用车单车平均用铝量约 179kg,整个乘用车市场(包括电动汽车)的铝总用量估算为 298.9 万吨,其中铝铸件占比最大约为 65%。预计 2025 年欧洲平均每辆乘用车的铝用量将比 2019 年增加约 20kg, 欧洲乘用车铝合金总用量将达到 363.5 万吨,铝铸件仍是主要的应用产品。

2019 年,小型车占乘用车铝总需求量的份额比例最大达 36%,合计铝用量 108.5 万吨。大型乘用车的 单车平均用铝量最高,达 442kg/辆。预计 2025 年各种类型车的单车平均用铝量均有所增长,平均单车用铝 量从 2019 年的 179.2kg 上升至 198.8kg。

乘用车各部件系统中发动机、车轮、变速器、底盘、热传输的用铝需求量较大,分别为 70.2、64.2、32.3、 31.4、31 万吨,发动机和车轮的用铝量占据汽车总用铝的 45%。随着电动汽车产量的加速,电池箱和电动机 外壳的平均用铝量将快速增长。

到 2025 年,电气化组件将是主要的增长领域,电池箱和车身将成为用铝量平均增长的最大受益者。其 中,电池箱的用铝量占未来铝用量平均增量的近 2/3。传统动力系统部件的铝需求将会下降。按照部件成形 工艺划分的用铝量,铸铝部件一直占铝总用量的大部分份额。至 2025 年,铝型材和薄板将获取更多市场份 额,这主要是来自电气系统铝部件和车身铝部件需求的增加。

BEV 电动车型铝用量明显高于 ICE 燃油车型,这主要是由于 BEV 车的电池箱使用了铝材。总的来说, 车辆级别越大,BEV 和 ICE 车型的用铝量差异就越大。在 PHEV 车型中使用的大型动力电池,以及在 PHEV 车型中使用的双动力系统组件,是驱动汽车用铝增长的强大动力。电动汽车的增长将进一步提高每辆汽车的 平均用铝量。

4.1.2 汽车轻量化需求驱动,中国汽车铝合金市场前景广阔

2017 年中国汽车总产量 2902 万辆,2018-2019 年由于整体经济增速放缓,车市遇冷,产量分别为 2781 和 2572 万辆,同比分别下滑 4.16%和 7.51%。根据国际铝业协会发布的《中国汽车工业用铝量评估报告(20162030)》,研究对象为乘用车、货车、客车和特种车,2017 年汽车行业用铝量为 390 万吨,2018 年汽车行 业用铝量同比下滑 2.56%至 380 万吨,下滑幅度小于汽车产量变化。2017 年至 2018 年汽车行业平均单车用 铝量由 134kg 上升至 137kg。预测 2030 年中国汽车行业用铝量将达 1070 万吨,年复合增长率为 9%。

2018 年和 2019 年中国乘用车产量分别为 2312 和 2076 万辆,同比分别下滑 4.84%和 10.23%。2017 年 至 2018 年乘用车铝消费量从 290 万吨下降至 280 万吨,同比下滑 3.6%。乘用车单车平均用铝量从 119kg 上 升至 121kg,主要原因是 2018 年新能源汽车产量显著增加,其中纯电动汽车需求强劲。

2018 年车市不景气的情况下,新能源汽车产量强势增长至 107 万辆,同比上升 80.36%,2019 年新能源 汽车补贴退坡叠加经济不景气,新能源汽车产量增速放缓上升至 109 万辆,同比上升 2.04%。新能源汽车中 BEV 纯电动车增长势头强劲,2019 年产量在新能源汽车中占比达 80%。预计至 2030 年,新能源乘用车产量 将上升至 1160 万辆,复合增长率 22%,BEV 纯电动汽车产量将上升至 920 万辆,复合增长率达 23%。

2017 至 2018 年中国新能源汽车用铝量从 7.5 万吨上升至 14.6 万吨,同比增长 95%。在政府制定的节 能减排目标的推动下,中国新能源汽车行业的前景乐观,预计到 2030 年,中国新能源汽车行业使用铝的比 例将从目前占铝消费总量的 3.8%升至 29.4%。2018 年,新能源汽车的平均铝消耗量估计为 141.5 千克(纯 电动汽车 128.4 千克,混合动力汽车为 179.6 千克)。预测到 2030 年新能源汽车单车用铝量将超过 280 千 克,纯电动汽车单车用铝量将达到 283.5 千克。

2018 年,中国生产了 2210 万辆燃油车,比 2017 年下降 8.6%。据统计,2018 年燃油车生产消耗了 260 万吨铝,平均单车用铝量为 118.7kg。鉴于政府对新能源汽车的明确鼓励措施,中国燃油车行业的前景不被 看好,预测未来 10 年,中国的燃油车产量将保持在或接近 2018 年的水平。预计到 2030 年,由于铝的使用 量增加以及实现轻量化的需要,燃油车的铝总消费量将稳步增长,并由目前的 260 万吨增至 490 万吨。此 外,其他车辆消耗的铝总量为 110 万吨,包括公共汽车、货车、特种车和两轮、三轮自行车。2018 年按单车 消费铝量计算,新能源客车行业铝消耗量大,预计每辆客车消耗铝 210kg。PHEV 汽车、BEV 汽车和 ICE 汽车的单车铝消耗量分别为 179.6kg、128.4kg 和 118.7kg,与美国、日本等发达国家相比,中国汽车铝的用 量还有较大差距。

据 CM 调查,2018 年铝铸件的消费量约为 290 万吨,占总消费量的 75%。CM 预测,随着纯电动汽车 (BEV)在未来的市场份额越来越大,铸件的份额将会下降,而主要用于制造电池外壳和车身板的轧制产品 份额将会增加。

4.2 国内铝合金精密压铸件企业异同

国内主要从事汽车铝合金精密压铸件业务的上市公司有广东鸿图、鸿特精密(现:派生科技)、旭升股 份、爱柯迪和文灿股份。各公司在行业中有各自擅长的领域,广东鸿图主要做中大件包括动力总成系统、传 动系统和新能源汽车的结构件。鸿特精密的主要产品是应用于汽车发动机、变速箱及底盘制造的铝合金精密 压铸件及其总成。旭升股份凭借模具上的优势,拿到了特斯拉的订单,因此在新能源汽车方面份额占据绝对 优势,拓展业务至锻造领域体现了其差异化战略。爱柯迪的产品以中小件为主,覆盖雨刷系统、转向系统、 发动机系统、传动系统等,主要客户是一级供应商,变速箱和拨叉的份额排名第一。文灿股份早期做中小零 部件,专注于发动机系统、变速箱系统、底盘系统、制动系统和车身结构件,与大众、特斯拉、奔驰等整车 厂商和一级供应商合作。汽车行业铝合金结构件品类多,产品各具特点,因此铝合金压铸行业是分散的。

汽车铝压铸行业属于资金密集型行业,熔炼设备、压铸设备、模具生产设备、机加工设备、精密检测设 备购置费用高,尤其是生产高端精密零部件。为了保证产品的精度、强度、可加工性等技术指标达到较高的 水平,企业需要投入高端的加工设备,需要更多的资金投入,对行业内企业的资金实力提出了较高的要求。 铝合金压铸件的定制化特点决定企业需要较强模具设计与制造能力,以满足下游客户的需求,爱柯迪和文灿 股份 2019 年被中国铸造协会评选为“中国压铸模具生产企业综合实力 20 强”,彰显了公司的模具自制能 力。由于人工成本日益上升,行业呈现出智能化及无人化生产趋势,旭升股份、爱柯迪、派生科技正在积极 打造“数字化车间”,布局智能制造。

铝合金压铸行业亦是技术密集型产业,生产过程中的零件设计、模具制造、压铸、精密加工、工艺优化 等各环节均需要长期的技术积累。铝合金压铸企业研发支出呈现逐年上升趋势,2019 年前三季度五家企业 的研发费用占比均高于 4%。汽车类产品系压铸件中的高端产品,对于研发能力的要求较高,主要体现在汽 车类压铸件形状复杂、材料性能和精度要求很高,特别是汽车零件壁厚不均匀、结构尺寸较大,给成型和加 工带来了更大的难度。零件的材料性能取决于材料的成分和熔炼的水平,而零件的形状和精度必须通过相应 的精密模具进行压铸成型和精密的数控加工完成,需要精密模具设计制造和机械加工技术相结合。随着下游 行业的快速发展,整车制造企业及零部件供应商对汽车零部件的技术含量、可靠性、精度和节能环保等要求 越来越高,零部件生产企业将面临较大的技术创新和产品升级压力。

2018 年国内铝合金压铸企业中广东鸿图和爱柯迪营业收入位于前列,分别为 35.44 亿元和 25.07 亿元。 旭升股份、爱柯迪、文灿股份、广东鸿图、派生科技 5 家公司 2018 年的压铸业务的毛利率均超过 21%,其 中旭升股份毛利率达 41.59%优势显著,主要原因是特斯拉订单份额高,相关产品毛利率高于同业;爱柯迪 毛利率为 33.47%主要原因是具备较强的境外配套供应能力,且境外毛利率一直高于境内水平。旭升股份和 爱柯迪的净利率高于其他三家公司,分别为 26.81%和 18.93%,说明其费用管控能力强。

从五家企业国内外销售占比来看,旭升股份、爱柯迪、文灿股份国外销售占比较大,分别为 79.46%、 65.95%和 36.79%;结合毛利率来看,国外客户配套产品的毛利率整体高于国内客户,这也解释了此三家企 业毛利率水平较其他两家更高的原因。旭升股份受益于为特斯拉 Model S/X ,Model 3 提供驱动单元壳体、 散热器壳体等零部件,其中 Model S/X 的配套价值在 3500-4000 元,Model 3 配套价值在 2000 元左右。爱柯 迪在墨西哥注册成立子公司 IKD FAEZA ,启动建立以北美市场为中心的海外生产基地,利用先进的生产工 艺和高效制造能力的优势,减少物流成本,缩短客户服务半径,提升客户黏度;业务均衡覆盖美洲、欧洲以 及亚洲的汽车工业发达地区,全球化市场布局提升了公司抵抗市场波动风险的能力。文灿股份先后成为采埃 孚天合(ZF TRW)、威伯科(WABCO)、格特拉克(GETRAG)等一级零部件供应商和特斯拉(TESLA)、 大众等整车厂商的全球供应商,收购法国百炼集团为文灿全球化生产、销售、供应体系发展提供了机遇。

客户的实力及订单份额将影响铝合金压铸企业的业绩,从前五大客户销售收入看,广东鸿图和爱柯迪领 先于其他三家企业,分别为 20.73 亿元和 15.49 亿元。从前五大客户的集中度来看,旭升股份、爱柯迪、文 灿股份前五大客户占比较大,分别为 73.75%、61.78%和 44.1%。

2015-2018 年 5 家可比公司的应收账款周转率均在 3次以上且水平相当,应收账款账龄均较短,基本在 1 年以内。合作客户中国内外知名的汽车整车厂商、汽车一级零部件供应商的资金实力较强、信誉良好,应 收账款不能收回的可能性较小。同期 5 家公司的存货周转率平均水平维持在 5 次,文灿股份的存货周转率明 显高于其他公司,体现了公司较强的存货管理能力和营运能力。

根据 p=净利率/固定资产计算出行业平均值约为为 30%,即 1 单位固定资产可带来 0.3 单位的净利率。 5 家可比公司中旭升股份和爱柯迪资产相对较轻,主要原因是产能扩充使得两家公司获得较高的利润增长; 广东鸿图和文灿资产相对较重。旭升股份、文灿股份、爱柯迪的产能利用率基本都在 80%以上,均处于合 理水平,一部分原因是为客户额外的订单预留了 10%-20%的产能,爱柯迪的产能利用率领先其他两家公司, 说明公司设备利用率高。

综合以上分析,整合得到铝合金压铸企业综合对比表,企业的发展潜力主要看以下 4 点:(1)产品: 细分产品的市占率和增长潜力,提前布局新能源领域,电池箱和车身结构件增长潜力较大,旭升股份、文灿 股份、广东鸿图在新能源领域具备先发优势;(2)工艺:持续的研发投入,先进的工艺技术能够帮助企业 获得优质客户订单,与时俱进适应轻量化的发展需求,旭升股份拓展铝锻件领域,文灿股份收购百炼集团整 合重力铸造工艺体现了技术布局的前瞻性;( 3)客户:合作优质客户,彰显公司产品技术、质量的优越性, 有利于提高品牌知名度,客户的强势发展为企业带来更优的业绩,旭升股份受益特斯拉,爱柯迪合作法雷奥、 博世等全球知名一级供应商,文灿股份合作大众、威伯科、特斯拉等全球知名整车厂商与一级供应商;( 4) 盈利:营业收入、毛利率和净利率指标体现了公司持续发展的后劲。

5.车用铝合金市场预测

5.1 市场容量预测

2018 年中国汽车工业将消耗 384 万吨铝,其中 72%被乘用车消耗。预测到 2030 年,铝的总消费量将以 8.9%的复合年增长率增长,并达到 1073 万吨。包括乘用车,公共汽车和电动自行车在内的新能源汽车将占 总铝消费量的 34%,即 370 万吨。

乘用车是铝的主要市场领域,2017 年估计消耗量为 280 万吨,占总量的 74%。由于中国经济放缓,2018 年乘用车总产量下降 6.6%,导致 3.6%乘用车的铝用量下降。但是,新能源乘用车的产量大幅增加 2018 年 增长了 75%,主要是由于对电动汽车的强劲需求。中国新能源汽车的铝消费量增长了 96%,从 2017 年的 5.64 吨增长到 2018 年的 9.89 吨。在政府强制性的节能政策和排放支持下减排目标,看好新能源汽车行业的 前景,预测该新能源汽车铝的使用比例将从目前的 3.8%增长到 2030 年的 29.4%。


再生铝主要用于制造发动机、变速箱和其他小型铸件。由于对质量的更高要求,车轮主要由一次铸造制 成。受燃油汽车产量下降的影响,预测汽车行业使用的再生铝的比例将从 2018 年的 53%下降到 2030 年的 38%。随着产量的增加,预计新能源汽车中再生铝使用量将会增加,主要用于底盘和悬架以及传动系统中。 在 2018 年,估计汽车和摩托车行业总共使用 203 万吨的再生铝,占二次金属总产量的 32%。随着未来铝用 量的增长,预测 2030 年回收铝的用量将增加到 400 万吨,约占总产量的 35%。

受我国新型冠型病毒的影响,基于 2019 年汽车比较低迷的行情,预计我国单车消耗不同类型的铝合金 保持 2019 年同样的增长。预测 2016 年到 2030 年单车用铝量从 110kg 到 214kg,年均复合增速为 5.24%; 2016 年到 2030 年铝铸件从 86kg 到 130kg,年均复合增速为 3.23%,铝铸件占比的年均复合增速为-1.91%。

根据国际铝业协会预测的新车产量(含:乘用车、货车、客车和特种车)、总铝用量、铝制压铸件占比, 假设铝合金单价 4 万元/吨,计算出 2018 年单车用铝量为 118kg,汽车铝制压铸件市场容量为 1080.81 亿元。 预计 2030 年单车用铝量达到 234.35kg,对应的压铸件占比为 61%,铝制压铸件市场容量为 2448.97 亿元, 年复合增长率 7%。

5.2 市场集中度

从全球范围而言,压铸行业是充分竞争的行业。发达国家的压铸企业经营历史长,单个企业的规模较大, 专业化程度较高,在技术、装备和客户资源等方面具有较强优势。国际上具有代表性的汽车压铸件生产企业 主要有墨西哥 NEMAK、日本 RYOBI 株式会社、瑞士 DGS 公司等。

目前国内压铸行业的集中度较低,我国现有压铸企业暨压铸相关联企业约有 12,000 余家,其中生产压 铸件的企业约占 70%以上,企业主要分布在广东、江苏、重庆等地,规模大、专业化的企业大部分集中在珠 江三角洲和长江三角洲地区,且大型压铸企业占比仅为 10%左右。国内主要的汽车精密压铸件生产厂商有广 东鸿图、鸿特精密、爱柯迪、旭升股份、文灿股份等。

全球领先铝合金压铸企业主要集中在欧美日等汽车发达工业国家。国际上规模领先的企业包括有:墨西 哥 NEMAK(诺玛科),日本 RYOBI(利优比),日本 AHRESTY(阿雷斯提),瑞士 GEORG FISHER(费 歇尔),DSG,德国 PIERBURG 等公司。2018 财年,NEMAK 销售收入折合人民币 314 亿元,RYOBI 销售 收入折合人民币 248 亿元, GEORG FISHER 压铸业务销售收入折合人民币 106 亿元, AHRESTY 销售收 入折合人民币 80 亿元。

全球铝合金压铸市场集中度较高,龙头企业的市场份额高于中国企业。根据我们的测算,2018 年全球 汽车用铝合金市场规模约 3821 亿人民币。 NEMAK、 RYOBI、GEORG FISHER、AHRESTY 四家企业的市 场份额分别为 8.24%、6.50%、2.78%、2.09%。

国内单个企业市场份额较低,各有各的特色和市场。2018 年广东鸿图、爱柯迪、文灿股份、派生科技、 旭升股份五家企业的营业收入分别为 35.44 亿元、25.07 亿元、16.20 亿元、14.75 亿元、10.96 亿元。根据我 们的测算,2018 年中国汽车用铝合金压铸市场规模约 1081 亿人民币。广东鸿图、爱柯迪、文灿股份、派生 科技、旭升股份五家企业的市场份额分别为 3.28%、2.32%、1.50%、1.36%、1.01%。

国内铝合金压铸企业具有全球竞争力。根据《Modern Casting》,2010-2017 年,全球全球铸铝合金铁件产量从 1087 万吨增长至 1907 万吨,年复合增长 8.35%。同期,中国铸铝合金铁件产量从 380 万吨增长至 730 万吨, 年复合增长 9.78%。2017 年中国铸铝合金铁件产量在全球占比为 38.27%,位居全球第一位,超过第二至六 位的总和。

国内铝合金压铸企业毛利率普遍高于高外同行,我们认为有以下几方面的因素:1)天时:新能源汽车 崛起大潮,相应供应商体系重构。中国市场是全球最大的新能源汽车市场,占全球新能源汽车产销量的一半。 2)地利:中国为主要第一大原料产地,采购成本低。中国长三角地区和珠三角地区,是汽车零部件原料和 配套最为成熟的区域;3)人和:工程师红利。得益于工程师红利,铝合金压铸企业的人工成本低于欧洲、 北美等国外发达国家,而效率高于拉美、东南亚等发展中国家。


综上所述国内铝合金压铸行业的市场集中度较低,分散程度高,毛利率和净利率具备优势,存在较大的 市场空间和发展潜力。参照福耀玻璃、敏实集团、华域内饰等汽车零部件制造业龙头的发展路径和特点,国 内铝合金压铸企业要提高市场份额、提升核心竞争力有以下重点和难点:

提升业务专注度:福耀玻璃来自汽车玻璃业务的收入在总营收中占比高达 95%,通过专注将玻璃做到极致,带来规模效应和品牌效应。汽车铝合金压铸领域涉及的品类多,产品特点以及非标准化生产决定了行业 的分散性,因此企业想要抢占市场份额的突破口是将擅长领域做到极致,提升效率,做出规模效应。

降低生产成本:华域内饰市占率排名第一,公司有较强的成本控制能力:(1)优化生产线,提高生产 效率;(2)提升自动化设备,改善增强未来的成本控制能力,缓解工资成本上升的问题;(3)工厂布局合 理,临近整车厂建设生产基地,有助于节约运输费用;(4)使用垂直整合商业模式,通过整合上游生产链 降低原材料采购成本。

全球化布局:敏实集团从 2007 年开始海外业务,先后在泰国、墨西哥等国家建立工厂,先后收购美国 和德国的企业。从在中国给客户配套,延伸到在欧美国家以及在新兴市场给主机厂做全球配套。全球化布局 常见的模式是收购并购,在业务整合、企业经营、公司治理、人力资源规范管理、财务成本管理等方面存在 难度。

增大资本投入:铝合金压铸行业资本投入大,投资回报期长,需要持续进行研发投入,巩固产品质量, 保证技术领先。熔炼设备、压铸设备、模具生产设备、机加工设备、精密检测设备购置费用高,尤其是生产 高端精密零部件,为了保证产品的精度、强度、可加工性等技术指标达到较高的水平,需要高端的进口加工 设备,价值较高,需要更多的资金投入,对行业内企业的资金实力提出了较高的要求。作为汽车零部件供应 商的汽车铝合金压铸企业需具备较强的材料开发与制备技术、压铸技术,甚至是产品方案设计、模具设计与 制造能力,才能满足整车厂商和上一级零部件供应商对产品的质量要求。

合作优质客户:汽车行业对产品的质量、性能和安全具有很高的标准和要求,汽车零部件供应商在进入 整车厂商或上一级零部件供应商的采购体系前须履行严格的资格认证程序,而这一过程往往需要耗费合作 双方巨大的时间和经济成本,因此一旦双方确立供应关系,其合作关系一般比较稳定。客户的粘性增大了企 业开拓新客户新订单的难度。

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发表于 2020-2-12 09:41:25 | 显示全部楼层
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节能减排倒逼汽车轻量化,新能源汽车成为轻量化的急先锋。
中国汽车保有量逾 2.5 亿辆,能源和环境问题将更加突出。燃油车尾气排放是大气污染重要源头之一,也是国家目前重点治理方向之一。
在相同的续航里程下,采用轻量化技术的电动车可以减少电池数量,从而大幅度降低电池成本和整车成本。
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发表于 2020-2-12 09:42:00 | 显示全部楼层
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为了多拉一些货简直就是不要命了,车架用铝合金,驾驶室为什么不用铝合金?
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发表于 2020-2-12 10:37:05 | 显示全部楼层
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信息量真大
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发表于 2020-2-12 12:49:57 铸造论坛手机版 | 显示全部楼层
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