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中国汽车轻量化前景分析及常见轻量化材料的优缺点
作者:来源:访问:36时间:2024-05-25

汽车轻量化是汽车工业发展的大趋势,轻量化实现路径主要包括材料、工艺、结构三个方面,可从动力、车身、底盘、内外饰等多个部位减重。


根据《中国汽车轻量化行业发展趋势分析与投资前景预测报告(2023-2030年)》显示,目前来看,车企轻量化方向包括:1)在汽车底盘、动力、车身、电池盒等部件上用铝合金代替钢;2)内外饰件使用塑料代替钢;3)使用一体化压铸工艺。汽车零部件每个环节都能实现轻量化制造,国内外主流零部件公司均在致力于轻量化制造。


铝合金、镁合金等是汽车轻量化的关键材料

1、铝合金

铝合金是现阶段较好的轻量化材料之一。当前众多主流车型均采用全铝车身,前后悬架大部分材料也采用铝合金,用铝化程度越来越高,最大程度实现轻量化制造。

目前底盘、车身、刹车系统等用铝转化比率较低,未来十年内汽车的多个主要部件用铝渗透率都将明显提高。工信部《节能与新能源技术路线图》提出我国 2025/2030 年单车用铝量目标为250kg/辆和 350kg/辆,2030 年单车铝合金用量相较于 2021 年有望翻倍增长。


汽车各部位用铝量(kg)

部位2018年2025年E2030年E
底盘和悬架11.639.559.4
轮毂和刹车系统24.644.749.7
电池系统42.253.359.3
传动系统9.817.419.4
热交换系统11.114.916.6
车身结构9.918.525.3
车身开闭件823.336.3
碰撞管理系统6.99.411.1
其他部件4.45.86.4
合计128.5226.8283.5

2、镁合金

镁合金有着减震等独特的优势:1)密度较低但强度高,在主要金属中,镁的密度相较于铝降低 35%,是目前商用最轻的金属结构材料;2)韧性好、阻尼衰减能力强,可以有效减少振动和噪声;3)热容量低、凝固速度快,压铸性能好;4)具有优异的切削加工性能;5)资源丰富且易于回收再生。综上,镁合金可满足军民多领域对轻质、高强、抗冲击、防辐射等要求,目前镁合金压铸工艺处于高速成长阶段。


镁合金压铸处于高速成长期

据《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》规划,未来 10 年汽车轻量化发展趋势不变,铝、镁等轻量化材料在车身的应用比例有望不断上升。2020 年、2025 年、2030 年,单车用镁量计划达到15kg、25kg、45kg,镁合金整车占比分别为 1.2%、2%、4%,发展空间广阔。


一体化压铸是轻量化的前沿技术,先发企业将构筑高壁垒

传统汽车生产制造由冲压、焊装、涂装、总装四大工艺组成。其中,冲压就是将金属板材压制成车身所需的各个组成部件,而后再采用焊接或铆接组合的方式制造出大型铝制件。而一体化压铸则是采用特大吨位压铸机,把冲压与焊装改为压铸,前两步合成一步,将多个单独、分散的零部件高度集成,直接铸造出大部件。


汽车一体化压铸的优势

一体化压铸有两种业务模式,一种是自研模式:主机厂直接采购压铸机、材料和模具等物料,自建工厂生产压铸件,代表车企有特斯拉、小鹏和沃尔沃。另一种为采购模式:主机厂直接向压铸厂商采购压铸件,由压铸厂商采购相关的物料,生产压铸件后交付给主机厂,代表车企有蔚来、理想。长期来看,由于主机厂自建厂房与产线成本较高,并且汽车销量可能会成为产能利用率的压制因素,因此采购模式有望成为长期主流。

从产业链来看,一体化压铸产业链的上游为压铸机、材料与模具厂商,中游为铝合金压铸厂和自研主机厂,下游为采购主机厂。


从进入壁垒来看,一体化压铸也有着较高的技术壁垒,使得厂商先发优势会被放大。

1、材料壁垒

材料配方和专利为免热处理铝合金的核心竞争壁垒,构筑产业有较高的客户粘性和进入门槛。免热处理铝合金的设计思路是以铝为基础金属元素,控制硅、镁、铁、铜、锰、锌等元素的含量和配比关系,不同合金元素的加入会直接影响铝合金的机械性能。对于一体化压铸件来说,铝合金的机械性能要求更高,复杂的材料配方大幅提升了厂商进入一体化压铸市场的技术门槛,已掌握合金原料配方和专利的企业更具优势。同时材料的专利会锁定铝合金材料配方,包括重要元素的种类和含量,也为材料厂商的重要竞争点。

免热处理铝合金是一体化压铸的重要环节,涉及零件、模具设计以及后续工艺优化等环节,为避免专利纠纷,整车厂一般会指定材料厂商,并更倾向于选择有专利保护的厂商,因此材料专利一般为主机厂与材料厂商合作的前提。同时已授权专利厂商会对新进入者形成较大阻碍,后来者即使在现有专利基础上进行元素微调也可能属于专利侵权。

2、设备壁垒

(1)高技术门槛

一体化压铸件对压铸设备的锁模力提出更高的新要求,由于压铸机的锁模单元需要提供足够的锁模力以确保合金溶液注入模具时模具不被撑开,因此越大型的压铸机要求越大的锁模力。特斯拉布局一体化压铸之前,业内压铸机最大锁模力在 4400 吨,而压铸机的锁模力每提升 500 吨一般需要 1-2 年,有较大吨位的压铸机厂商更有先发优势。同时,由于一体化压铸件为多个零部件压铸而成,降低了汽车零部件的通用性,压铸设备需主机厂与压铸商定制开发,如特斯拉与全球知名压铸厂商 IDRA Group 合作开发大型一体化压铸机 Giga Press。压铸设备的高度定制化属性使得产业有较高的定制开发技术壁垒。

(2)高资金储备要求

主机厂布局一体化压铸需设立压铸岛,其由压铸机、模具、其他周边配合设备构成,具有较高的价值量,同时由于一体化压铸技术对压铸机性能要求较高,有较高的研发成本,根据力劲集团的公告,其研发大吨位压铸设备的设备投入约 8000 万元资本能力为压铸设备产业的重要竞争壁垒,且要求厂商有能力规模化生产以分摊较高投资成本。在主机厂纷纷跟进布局一体化压铸的需求驱动下,压铸机大型化发展趋势基本确立,5000 吨以上的锁模能力有望成为厂商的重要竞争要素。目前力劲集团在 5000 吨以上机型市场先发优势明显,同时国内外压铸机厂商纷纷加快布局,布勒 2023 年下线了 9200 吨压铸机,海天金属推出了 8800 吨机型,伊之密推出了 9000 吨机型。

3、模具壁垒

压铸技术是一种通过将铝液在高速高压下射入紧缩的模具空腔内结晶凝固的方法来生产铝合金件的工艺。压铸工程中模具的可靠性对于压铸件的良品率至关重要,具体而言,压铸模具的质量决定了铸件的形状和尺寸公差级别,浇注系统决定了金属液的填充情况,而模具的强度限制则决定了最大压射比压等。随着压铸模具的不断升级,模具的制造难度也在逐渐增加。模具的精度越高,就需要更复杂的热平衡设计、更高难度的机械加工和更多的脱模设计考虑因素,技术难度也就越大。由于当前超大型模具技术壁垒较高,较少模具厂商具有超大型一体化模具生产能力,近乎所有 Tier1 厂商采用外购模具模式,因此当前模具市场呈现高端缺乏、低端竞争激烈的格局,同时大型一体模具市场的集中度更高,目前我国中高端模具厂商主要有赛维达、广东型腔、臻至等,旭升股份从模具起家,也具有模具设计能力,在2022 年 10 月战略投资科佳模架后,模具设计能跟市面上的大型压铸机的吨位进行匹配。一体化压铸件需要设备、模具、材料等产业配合,要求极强的产业 know-how积累,其中模具结构复杂、大型化生产能力稀缺、且具有强定制化水平,大型压铸模具市场有更强的竞争壁垒,当前模具厂商与 Tier1 合作为主要商业模式,头部有望受益产业链扩张,得以迅速成长。

4、生产经验壁垒

实际压铸过程面临复杂多变的作业环境,模拟仿真分析或有效补充第三方压铸厂的工艺 know-how 能力。压铸前进行的仿真模拟分析可充分预测压铸过程中可能发生的缺陷,并对工艺设计做出相应改良措施,有望提高产品良品率、加快生产节拍。一体化压铸产业方兴未艾,压铸厂对大型一体化压铸件的工艺积累尚且不足,往后看,具备强大软件分析能力的压铸厂可结合模拟仿真结果与实际工艺经验,有望快速补充行业 know-how 短板,调整到相对最优的工艺参数。第三方压铸厂前期固定资产布局包括厂房和大吨位压铸机,一方面一体化压铸厂房一般需较大面积满足较高的生产需求,一方面大吨位压铸机单机价值量较高,导致整体资金投入水平较高。同时由于一体压铸结构件尺寸和重量较大,运输成本较高,压铸厂一般需要在主机厂附近建厂就近供货,以快速响应主机厂需求、降低运输成本。抢占了产能布局先机的厂商有望在中短期内维持竞争优势,可凭借现有或规划产能获得更多订单,率先享受产业发展红利。

                               
常见轻量化材料的优缺点

1 、铝合金

      优点:质量轻、耐磨、耐腐蚀、弹性好、抗冲击性能优、加工成型好和100%可回收等特点,逐渐成为汽车企业钟爱的材料。福特公司日前展示了 一款与美国能源部合作开发的基于Fusion/蒙迪欧打造的轻量化技术验证车,由于使用大量铝合金,该款车比标准版的蒙迪欧轻了363公斤,减重约25%。路虎揽胜越野车、大众奥迪A8、奔驰CLA、通用雪佛兰Corvette跑车等车身部分或全部采用铝材料。新能源车方面,特斯拉Model S车型是全铝车身,其前后悬架大部分材料也采用铝材。


      缺点:铝合金的抗承载能力较钢有很大的差距,所以即使是市面上全铝车身的汽车,其底盘一般仍然采用钢铁材料。而且,铝合金的制备工艺复杂,成本相对较高。目前,较多使用铝合金的车型往往是中高档的汽车。


2 、镁合金

      优点:镁合金是工程应用中最轻的结构材料,也是汽车轻量化材料中的一员。纯镁的密度仅为铝的2/3,钢的1/4,接近工程塑料的密度。而且镁合金的比强度也比铝合金、钢铁高。因此在不降低零部件强度条件下,镁合金铸件比铝铸件的重量减轻大约25%。此外,镁合金还有良好的焊接和铸造性能、对振动与冲击的吸收性能好,抗凹陷性能好,易于机械加工。


      缺点:由于价格较高和高温抗蠕变问题尚未得到有效解决,镁合金目前主要应用于仪表盘基座、风扇架、方向盘轴、灯托架等汽车零部件中。


3、 碳纤维

      优先:强度高。碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。宝马最新的i3就采用了一个碳纤维的顶棚。


      缺点:碳纤维是脆性材料,受力过大直接断裂,因此损坏后基本无法修复。它高强度只限于轴向,径向强度较低。最致命的是高昂的成本,使得碳纤维目前只能局限在部分超豪华车型上,难以普及。例如雷克萨斯推出的全碳纤维车身和底盘的LFA,售价高达30万-40万英镑。很明显,在相当长时期内,碳纤维不会成为汽车的主要材料。


4 、工程塑料

      优点:具有质轻、防锈、吸震、可设计自由大等特点,工程塑料在汽车零部件,特别是内饰部件的应用越来越大。工程塑料在汽车上的用量,甚至超过了铸铁的用量。很多塑料零件应用于车身上,比如大众系的车子都采用了塑料的前端水箱框架,有些车子有塑料的后地板等等。 


      缺点:满满的塑料感,档次低。


5、 钢铁材料

      提高性能:高强度钢在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面较铝、镁合金、碳纤维具有明显的优势,能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要。从成本与性能角度双重来看,先进高强度钢是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料。高强钢,通过提升钢材的屈服强度,使同样结构设计的情况下,纵梁能吸收更多能量,A柱B柱不发生明显变形等等。现在屈服强度1000MPa的热成形钢已经普及了,未来屈服强度超过2000MPa的马氏体钢也已经开始了产业化。


      降低成本:在保证性能的前提下,生产厂商会使用成本更低的材料,以获得更高的利润。以我们日常生活中常见的易拉罐为例。宝钢生产的钢制易拉罐,罐壁最薄处只有0.007毫米,毫不逊色于铝制易拉罐,而且能耗更低、更容易降解。最重要的是,每个钢制易拉罐比铝制易拉罐的成本少1分钱。这就意味着宝钢每年向可口可乐公司提供数十亿个钢制易拉罐,其节省成本约上千万。

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