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速度，是人类最原始的追求之一。在汽车领域，F1、勒芒、拉力赛等便是速度的代名词。要提升速度，加大马力是一个思路，于是便出现了V6、V8、V12等终极引擎；另一方面，拆除赛车上一切不必要的部件以降低车重，也可能是助力车手领先对手零点零几秒的关键要因。
随着消费者对环保及能耗的关注度提升，轻量化思路开始从赛车转移到普通乘用车，尤其是进入电动化时代以来，三电系统导致的整车重量飙升将轻量化推上更高的舞台。
本文首先介绍汽车轻量化发展背景及实现途径，然后对其中的铝合金压铸技术详细展开，最后分析铝合金压铸的市场空间和竞争格局。
01
汽车轻量化发展背景
一、双碳目标下汽车领域碳达峰节点前置
科学证据表明，人类活动产生的温室气体，尤其是工业革命之后产生的大量温室气体，是目前全球气候异常的重要原因。在新版《巴黎协定》的背景下，我国于2020年9月提出了“力争在2030年前达到碳排放峰值，在2060年前实现碳中和”的“双碳目标”。
2020年10月，工信部指导的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》正式发布，提出汽车产业碳排放总量要先于国家碳排放总量，于2028年左右提前达到峰值，到2035年排放总量较峰值降低20%以上。
图1 《节能与新能源汽车技术路线图2.0》
汽车产业碳承诺
二、轻量化是汽车节能减排的关键技术之一
为助推汽车产业双碳达标，各种节能减排技术迅速发展，如发动机效能提升、制动能量回收、尾气净化、新型燃料应用、整车轻量化等等。整车轻量化来源于赛车运动，旨在通过降低赛车重量，获得更优的加速性能和过弯性能。从汽车理论角度分析，当汽车在平直路面行驶时，其受到三个阻碍汽车向前的力，即空气阻力、加速阻力和滚动阻力，只有当动力系统输出的力，超过这三个阻力的合力，汽车才能向前行驶或加速。
图片来源：公开信息整理
图2 汽车在平直路面行驶时的阻力分析
由图中公式可知，空气阻力（对油耗的贡献约25%）与整备质量无关，而加速阻力和滚动阻力（合计对油耗的贡献约75%）与整备质量呈线性关系，即汽车整备质量越小，这两个阻力也越小。研究表明，燃油汽车整备质量每下降10%，油耗将降低6~8%，排放将减少10%。电动汽车整备质量每降低100kg，电耗将降低约0.4kWh/100km，续航将增加约25km。
图片来源：《电车资源》
图3 汽车轻量化的主要效果
三、轻量化可有效降低整车轻量化系数
此外，《节能与新能源汽车技术路线图2.0》还对不同类型汽车未来的轻量化系数做出指示。对于燃油车而言，到2025年轻量化系数需降低10%，到2030年需降低18%，到2035年需降低25%。对于纯电动汽车而言，三个节点的轻量化系数降低幅度分别增加至15%、25%和35%。
图4 《节能与新能源汽车技术路线图2.0》轻量化总体目标
根据中国汽车工程学会发布的标准《乘用车整车轻量化系数计算方法》，轻量化系数计算公式如下：
图5 轻量化系数计算公式
可以发现，轻量化系数与多个因素有关，V和A体现的是整车的空间属性，P体现的是整车的动力水平，Q体现的是整车的能耗等级，而m体现的是整车的重量情况。由于公式中的两个m均在分子的位置，L与m呈平方关系，要降低轻量化系数L，降低整备质量m是最为有效的途径。
综上所述，在“碳中和”背景下，《节能与新能源汽车技术路线图2.0》对未来汽车的油耗和轻量化水平提出了要求，而降低整备质量是降低轻量化系数改善整车油耗的最有效途径。
02
汽车轻量化实现路径
汽车轻量化，就是在性能不弱化和成本可接受的前提下，从材料(Materials)、结构(Structures)、工艺(Processes)三方面入手，降低零部件乃至整车的重量(Weights)。
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图6 汽车轻量化工作开展方向
一、材料轻量化
在材料方面，可使用比强度更高的轻质材料进行替代，如高强钢、超高强钢、铝合金、镁合金、工程塑料和碳纤维等，不同材料的关键参数如下。
表1 不同轻量化材料的相关参数对比
资料来源：公开信息整理
二、工艺轻量化
材料确定后，需匹配相应的成型工艺进行实现。汽车轻量化常用的先进成型工艺主要有激光拼焊、不等厚轧制、内高压成型、热冲压成型、辊压成型和高压铸造等。
表2 不同轻量化工艺对比
资料来源：公开信息整理
三、结构轻量化
材料和工艺决定了零部件的性能基础，在此基础上进行的零部件结构设计，需满足整车由上及下分解的性能指标，而对于超额的性能冗余，应采用结构优化的方式予以去除。结构优化主要通过尺寸优化、形状优化、形貌优化、拓扑优化几种方式开展。
图片来源：公开信息整理
图7 结构优化的主要开展方式
在材料、工艺、结构三个轻量化方向中，结构优化不论选取何种材料均需要开展，它体现的是企业的设计水平；工艺优化是随着材料选择的不同而变化的，它体现的是企业的制造水平；而材料选择是另外两个方向的工作基础，因此各大车企都将轻量化重点工作放在轻质材料的开发应用上。
四、铝合金是当前性价比最优的轻量化材料
如前文所述，轻质材料主要指高强钢、铝合金、镁合金、工程塑料和碳纤维等。工程塑料强度较低，顾客对塑料也有廉价的印象，车型应用较少，故后文分析中暂不考虑工程塑料。以400kg普通钢材所达到的性能为目标，考虑不同材料的平均减重比例，分析其余几种材料满足同等性能所需要的重量；并纳入成本因素，分析单位减重量所需要付出的成本，得出如下图表。
图片来源：公开信息整理
图8 不同材料轻量化成本对比
由图可知，高强钢单位减重量成本最低，仅为4元/kg，但其整体减重幅度有限，当前虽已大量应用，但仍无法满足行业迫切的减重需求。铝合金与镁合金的减重幅度和单位减重成本相差不大，是比较理想的轻量化材料。考虑到镁合金的防腐问题仍未解决，其适用范围缩小到车内被包覆部件（如方向盘骨架、座椅骨架等），应用前景不及铝合金。碳纤维的减重比例最大，而且比强度高，是极为优秀的轻量化材料，但其成本过高，只有少部分超跑车型有能力承担。在当前的技术条件下，综合考虑材料性能、成本、工艺和轻量化效果等因素，铝合金是未来一段时间应用前景最广阔的轻量化材料。
03
压铸铝合金助力汽车轻量化
铝是地球上最丰富的金属元素，占地壳总量的7.5%。纯铝的延展性好但强度低，一般仅用于常温下的低应力结构。为了改善纯铝的性能，人们在纯铝中添加各种金属元素制成不同品类的铝合金。
一、铝合金按合金添加量分类
根据合金添加量的不同，铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金。如下二元相图所示，当横坐标合金量超过D点时，在液相线温度以下，不论温度如何变化，材料始终存在α和β两相，该类组织变形阻力大，铸造后不适于变形加工，因此该区间合金只被称为铸造铝合金；反之，当合金含量低于D点时，合金加热至固溶线FD以上，可形成单相α固溶体，该类组织塑性好，适于变形加工，故该区间的合金称为形变铝合金。在形变铝合金中，当合金含量低于F点时，无论温度如何变化，始终只有α相一种组织，其性能不能通过热处理进行强化，被称为热处理不可强化铝合金；而在F点和D点之间的合金，β相会随着温度的上升和下降固溶或者析出，从而改变材料的性能，因此其被称为热处理可强化铝合金。
图片来源：《金属材料学》
图9 铝合金二元相图
二、铝合金按合金种类分类
按照添加元素的不同，铝合金通常被分为不同系列合金。汽车领域使用较多的是铸造铝合金中的Al-Si系、Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg系以及形变铝合金中的5000系、6000系和7000系合金。
图片来源：公开信息整理
图10 铝合金按添加合金成分分类
三、铝合金按加工工艺分类
按加工工艺的不同，汽车常用的铝合金则可分为轧制铝合金、挤压铝合金、铸造铝合金以及锻造铝合金。轧制铝合金用于汽车的外覆盖件，如四门两盖和翼子板等（下图绿色件）；挤压铝合金一般用于强度要求较高的部位，如前后防撞梁、左右门槛梁等（下图橙色件）；铸造铝合金一般用于减重需求较大和处于震动传动路径的部位，如减震塔、副车架、轮毂、三电壳体等（下图紫色件）；而锻造铝合金可视为铸造铝合金的升级，它是在铸造铝合金的基础上，给予材料外部锻压，使得材料更加致密，性能更优，重量更轻。当然，锻造铝合金的成本也显著高于铸造铝合金，因此其一般只用于性能车型的轮辋、转向节、悬架摆臂等影响操控品质的簧下部位，常规车型或常规部位一般仅采用铸造铝合金。
图片来源：公开信息整理
图11 铝合金在汽车上的主要应用部位
在以上四种不同工艺铝合金中，铸造铝合金用量占据主导地位，占比约80%（高压铸造55%+普通铸造25%）。
图片来源：公开信息整理
图12 不同工艺铝合金在汽车上的使用比例
四、铝合金铸造工艺细分
普通铸造基本可理解为重力铸造，由于其主要依靠液体的自重成型，因此产品表面质量不佳，组织致密度低，强度稍差；压力铸造可分为低压铸造和高压铸造，两者的主要差别在于压力的不同，低压铸造的压力大约在kPa级别，而高压铸造的压力一般是MPa级别，因此高压铸造的工艺复杂度、产品品质和生产效率等均优于低压铸造。目前业内常说的“压铸”一般指“高压铸造”。
图片来源：知乎
图13 常用铸造工艺对比
在压铸过程中，熔融金属在冲头的作用下高压、高速地充填模具型腔，并在模具冷却系统的作用下快速凝固，形成最终的铸件。
图片来源：《第一压铸》
图14 高压铸造结构原理图
五、压铸工艺核心设备
压铸过程所需装备主要包括压铸岛、压铸机、模具三大部分。
压铸岛是压铸机运行、铝合金浆料浇注、机器人取件、成品检测等步骤的场所。
压铸机是决定产品性能的关键设备，主要完成锁模-开模-压射浆料进模具-保压成型-开模这些过程。压铸机的压力越大，铸件的结晶体越细致，缩孔气泡等缺陷越少，铸件的性能越佳。不同尺寸零部件所需的压铸机吨位等级不同，压铸件尺寸越大，所需的压机吨位也越高。
表3 汽车零部件尺寸或重量与压机吨位的关系
资料来源：公开信息整理
模具是强迫金属大批量快速成型的工具，被称为“工业之母”，主要包含成型系统、浇注系统、模架系统、排溢系统、温控系统等部分。模具水平对铸件产品影响巨大，业内素有“七分模具，二分设备，一分工艺”的说法。模具制造的难点主要体现在两方面，一是设计，需综合考虑热平衡、进料方向、排气和脱模等问题；二是模具材料的选取，模具直接与高温金属接触，并反复经受激冷激热，模具材料需具备较高的热稳定性、高温强度、耐磨性、韧性、导热性等。
04
市场空间预测
一、汽车销量预测
根据国际铝业协会（International Aluminum）预测，到2030年，中国生产的机动车（含二三轮车）总量将增加至9550万辆，年复合增长率1.77%，其中纯电动汽车和混合动力汽车的年复合增速分别高达23%和18.8%。
数据来源：国际铝业协会
图15 中国市场2030年机动车产量预测
二、单车用铝量预测
对不同车型未来的单车用铝量数据进行预测，如下图所示。预计到2030年，二/三轮车的单车用铝量将增长至11kg；乘用车（含燃油汽车、混合动力汽车、纯电动汽车）单车用铝量将增长至242.2kg；商用车（含客车和卡车）单车用铝量将增长至253.2kg；特种作业车单车用铝量将增长至158.6kg。
图片来源：国际铝业协会数据
图16 不同种类车型2030年单车用铝量预测
三、汽车整体用铝量及价值量预测
综合未来机动车产量和单车用铝量数据，协会预计，到2030年，中国市场的铝消耗将会达到1070万吨，其中乘用车合计占800万吨左右。按照80%为铸造铝合金计算，2030年的铸造铝合金市场为640万吨，以40000元/吨的价格计算，则中国市场2030年的铸造铝合金市场规模达2560亿元。
图片来源：国际铝业协会
图17 不同种类车型2030年总用铝量预测
四、电价走低促进铝合金应用下探增量预期明显
此外，风光储行业的迅速发展，将促进电价持续走低，从而为电解铝材料的降价铺平道路，更低的价格将会显著提升铝合金在平价车型上的应用比例。根据乘联会公布的我国乘用车市场销量结构数据，C级车占比约10%，B级车占比约25%，A级车占比约50%。当前铝合金主要在B/C级车型上应用，若下探到A级及以下车型，将会有翻倍的增量空间。
图片来源：乘联会
图18 中国市场汽车销量结构
具体到一体化压铸方面，2020年9月特斯拉公布Model Y将使用一体化后地板，按照后地板重量55kg，成品单价55元/kg计算，单车一体化压铸价值量在3000元左右。根据特斯拉年报，2021年Model Y车型全球销量40万辆，则一体化后地板的价值量为12亿元。未来随着一体化压铸技术在整车其他零部件的渗透，单车价值有望提升到12000~15000元的水平；另一方面，全球车企积极布局一体化压铸技术，将会显著提升一体化压铸技术在不同车型中的应用比例。据中信建投和天风证券预测，到2025年中国市场一体化压铸零部件市场规模有望达到300~400亿元，到2030年有望达到2000~3000亿元。
轻量化技术在降低整车重量减少油耗/电耗节约用车成本的同时，还可增加汽车的安全性和驾驶性能，是各大汽车厂商尤其是电动汽车厂商争相布局的方向。
轻量化的本质就是“物尽其用”，选用合适的材料、合适的工艺、合适的结构，满足刚刚好的性能，不多一分，不少一厘。在此基础上，轻量化材料如铝合金、镁合金、碳纤维甚至工程塑料，轻量化工艺设备及服务如激光拼焊、不等厚轧制和压铸，轻量化产品如轮毂、副车架、防撞梁等减重潜力较大的部件都具备深入挖掘投资机会的意义。
铝合金由于研究时间最早，综合性能最优，在汽车领域的应用最为深入，尤其是特斯拉引领的一体化压铸风潮，将铝合金的想象空间扩大了数倍。在汽车领域降本的背景下，围绕一体化压铸铝合金上下游而展开的材料、设备、产品端都有较好的布局机会。
来源：泓诺创投
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编辑：柳力莎
审核：刘晨辉
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来源：学术期刊
