一体化压铸模具技术与市场交流会议纪要0623

模具技术难点:

1. 一体化压铸模具尺寸更大,传统压铸模具的产品尺寸在1m以内, 一体化压铸产品尺寸达到1.6-2m,对应模具的尺寸需要达到3m以上,导致加工难度提升,一体化压铸模具的重量达到150吨以上。

2. 超真空压铸环境,一体化压铸对模具的密封性要求高,需要达到的真空环境低于30mPa,由于模具的零部件数量多, 对密封圈等要求较高。

3.开发周期长, 开发成本更高, 超大型压铸模具的开发周期在150-180天,传统压铸模具的成本不超过400万,超大型压铸模具的成本普遍在千万以上。

4. 模具的定制化程度高, 一般都是采用私人订制的方式接受订单,设计方案复用水平较低,一般第二款模具就需要重新进行开发。

5. 材料性能要求高,由于大型压铸机的压射速度更快,导致模具需要承受的压力更大,其次对材料的回火性能、韧性、热膨胀系数要求高,以及表面处理等技术都是难点。

模具材料:

模具可以分为模芯和模框,模框材料技术要求不高,一般是外包生产,技术难点主要在于模芯。

模芯材料可以分为软模和硬模两种方案,软模的使用寿命在3-4万模次,可以作为过渡使用,软模的材料一般使用P20锻件,国内在黄岩的一些公司都可以做,技术壁垒不高。硬模的使用寿命可以达到8万模次以上,材料目前都是由日本和瑞典的公司供应。硬模材料的成本在11元/Kg。

模具价格与成本拆分:

一体化压铸模具的价格在1500-2000万,由于行业壁垒比较高,目前毛利率接近40%。

成本方面,材料成本占比50%以上,加工成本20%,试模成本5%,总成本接近1000万,净利润接近20%以上。

模具供应商:

赛维达:赛维达主要给特斯拉供应,给特斯拉北美工厂供应了8-10套模具,但后来与特斯拉之间的合作出了一些问题;

臻至:特斯拉供应商,做一体化模具的时间比较短,主要供给特斯拉上海工厂和理想。

广州型腔:国内最大的压铸模具制造商,主要供给小鹏和蔚来。

目前国内有产品供应的主要是以上三家,而重庆广澄模具、旭升以及合力目前均处于开发阶段。合力科技预计今年有产品落地。

一体化压铸模具制造进入难点一是在于设备投资,包括加工中心和合模机等,二是在于超真空压铸环境的实现,主要是密封技术,三是在于模芯材料等。

一体化/轻量化模块:

广东鸿图(DMI电机壳、支架)、中鼎股份(空气悬架)、保隆科技(空气弹簧)、光洋股份(后轮轴承总成)、立中集团(铸造铝合金板)、文灿股份(压铸件)、嵘泰股份(铝合金精密件)、拓普集团(悬架系统)、哈工智能(压铸产线)

上游

1.合金材料:必须使用免热处理的铝合金材料,成为汽车大型压铸件制造中的一个重要技术壁垒。

立中集团:国内最大的中间铝合金生产企业之一,公司取得免热处理专利,研发的免热处理合金材料实现了汽车零部件在一体化、大尺寸、薄壁、结构复杂和热处理易变形的新能源车结构件上的“铝代钢”材料替代,打破国外企业在该领域的产品和技术壁垒。

2.大型压铸机:压铸机和压铸模具是压铸生产的核心设备。

伊之密:一体化压铸要求压铸机锁模力至少大于6000t,目前掌握此类重型压铸机的A股上市公司只有伊之密。由于压铸机单价过高,存在较高进入壁垒,未来可能会是四分天下的格局,力劲(供货特斯拉)、伊之密、海天和德国布勒(全球第一)。公司目前已完成7000t级的内部调试工作,同时与一汽集团达成SUV车身底盘后端1/3改造合作协议,预计6月下旬开始生产,等调试完约4个月时间。

压铸模具行业竞争较分散,目前国内没有以压铸模具为主业的上市公司。

中游:铝铸件供应商

拓普集团:2022年2月25日,国内首个基于7200t巨型压铸机正向开发的一体化超大压铸车身后舱正式量产下线,实现了15%-20%的减重效果,也是目前汽车零部件领域已知最大的一体化铝合金压铸件。设备方面,2021年公司签署战略协议采购21台套压铸单元,包括6台7200t、10台4500t和5台2000t的压铸设备。

文灿股份:主要从事汽车铝合金精密压铸件的研发、生产和销售,模具自制能力行业领先,产品主要应用于中高端汽车的发动机系统、变速箱系统、底盘和制动系统、车身结构件等,是国内少数可批量供应奔驰、蔚来、特斯拉等主机厂车身结构件的tier1。车身结构件与一体化压铸技术同源性较强,公司能力得以顺延;公司传统技术优势为高压铸造,近年设立子公司进一步建设发展低压铸造工艺,并通过收购法国百炼集团补齐工艺短板。

2021年11月,公司6000t超大型压铸岛成功试模,一体化压铸的汽车后底板产品成功下线,配套蔚来,但业绩受大众缺芯及原材料上涨拖累,今年3月下旬以来铝锭回落,后期考虑到产能利用率的回升及铝价企稳,盈利有望修复。2022年公司将初步计划采购3台超大型压铸机,届时公司将拥有4台6000-8000t、3台9000t压铸机设备。

旭升股份:国内铝合金零部件龙头之一,具备压铸、锻造、挤出三大工艺,基本覆盖汽车动力系统、底盘系统、电池系统最核心的铝合金产品,可以满足新能源车轻量化铝制部件的一站式需求。2021年,公司与海天金属签署战略合作协议,将在未来三年内向海天订购总价约2亿元的压铸岛设备,压铸机型覆盖1300-4500t、6600t、8800t。

爱科迪:领先的汽车铝合金精密压铸件专业供应商,公司聚焦轻量化,业务覆盖欧美及亚洲的汽车工业发达地区,目前已拥有1250-4400t各种规格的压铸机,并计划导入3500t、6100t、8400t等大型机。

广东鸿图:国内压铸行业龙头之一,核心业务为精密铝合金压铸件和汽车内外饰件,公司在材料开发、产品和工艺设计和装备制造等方面具有显著优势。2022年1月,首台国产6800t超大型智能汽车铝合金零部件压铸单元生产的新能源车底盘一体化结构件正式下线,实现了该领域的自主可控。未来公司还将向力劲采购包括2套12000t压铸单元在内的8套大型及超大型智能汽车铝合金零部件单元。

泉峰汽车:公司形成以汽车热交换、传动和引擎零部件以及新能源车零部件为核心的产品体系,目前主要应用于中高端汽车,新能源业务也已完整覆盖新能源车“三电系统”。

南京总部的 2700t压铸机已进入量产阶段,5000t正在调试,马鞍山将增设7台2700-8000t各种大型压铸机,此外,公司的匈牙利工厂也将布局大型压铸设备

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新能源渗透带动轻量化提升 提高续航里程,轻量化大有可为

汽车轻量化是在满足汽车使用要求、安全性和成本控制的条件下,将结构轻量化设计技 术与多种轻量化材料、轻量化制造技术集成应用,实现产品减重。

1)汽车轻量化并非 新兴概念,国外优秀的整车厂很早就已开启汽车轻量化进程。根据《中国汽车轻量化调 查》,在 1990-2010 年间,受欧美各国法规政策影响,欧美汽车企业制造的产品重量就 已减轻了 20%-26%。

2)我国有清晰的汽车轻量化发展规划,根据 2020 年由中国汽车 工程学会发布的节能与新能源汽车技术路线图 2.0,预计我国 2025年纯电乘用车整车 轻量化系数降低 15%,2035年纯电乘用车整车轻量化系数降低 35%。

随着新能源汽车行业的快速发展,汽车轻量化凸显出以下三个优点。

1)轻量化可提升新能源汽车的续航里程。目前续航里程是新能源汽车进一步发展的主要瓶颈,在电池能力提升逐渐达到极限的情况下,轻量化是解决该问题的另一手段。根 据 The Aluminum Association 的研究,电动汽车减重 10%和 15%可分别减少 6.3%和 9.5%的电能消耗。根据比亚迪的研究,约有 70%的能耗用在车身质量上,整车质量每 减轻 100 kg,每百公里电耗大约降低 0.5~1 k W·h。根据 DRIVEALUMINUM 的研究,在电动汽车中使用铝材可以将车辆的行驶里程增加与减轻重量大致相同的比例(如将重 量减少 20%可使车辆在同等电量下多行驶 20%的距离)。

2)轻量化可提高新能源汽车加速性、制动性、操稳性等诸多车辆性能,并进而提升汽车使用寿命。一方面,减轻车重可以减少汽车轮胎和制动系统承受的压力,进而延长这些零部件的使用寿命,根据中国产业信息网统计,纯电动汽车每减重 100kg,续航里程 可提高 6%-11%的同时,日常损耗成本可降低 20%。另一方面,减轻车重可以提高汽车行驶性能,有效降低刹车距离,使得转向和过弯的过程中更加灵活,同时在受冲击时铝 合金等轻量化材料能吸收分散更多的能量,因此轻量化可提升汽车的舒适性和安全性。

3)轻量化可在一定程度上降低整车制造成本。行驶同样里程,车身越轻所需电池越少,根据 DRIVEALUMINUM 的研究,电动车采用全铝制车身结构后,每辆车可最多因此节 省 3000 美元。

材料、设计、工艺是轻量化三种途径

汽车轻量化主要通过轻量化材料、轻量化设计和轻量化工艺三种途径实现。轻量化材料主要包括高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维等,其中铝合金材料由于可回收、易成型、性价比高等等特点成为目前最有应用前景的轻量化材料。理论上铝制汽车 可以比钢制汽车减轻重量达 30%-40%,其中铝质发动机可减重 30%,铝散热器比铜的轻 20%-40%,全铝车身比钢材减重 40%以上,汽车铝轮毂可减重 30%。镁合金有更好 的减重和减震效果,但由于强度相对较低且耐腐蚀性差等缺点,目前未在汽车上广泛使用。

未来十年内汽车的各个主要部件用铝渗透率都将明显提高。根据 Ducker Worldwide 的 预测,铝制引擎盖的渗透率会从 2015 年的 48%提升到 2025 年的 85%,铝制车门渗透 率会从 2015 年的 6%提升到 2025 年的 46%。具体反映在平均单车用铝量上,1980 年 北美地区每辆车平均用铝量为 54kg,到 2010 年增长到 154kg,预计到 2025 年每辆车的平均用铝量将会达到接近 325kg。根据工信部委托、中国汽车工程学会牵头、500 位 专家历时一年完成的大型联合研究项目——节能与新能源汽车技术路线图,单车用铝的 具体的目标是:2020 年 190kg;2025 年达到 250kg;2030 年达到 350kg。

以特斯拉为例。车身方面,定位高端的 Model S/X 使用全铝车身,相比传统的钢材质车身,Model S/X 大幅地降低了重量,可以保证足够的续航能力。全铝车身减重效果明显,但是成本十分高昂,不单单是材料采购成本高,在汽车制造环节也更复杂,且全铝车身 后期的维修成本也更高。Model 3 作为定位中端的车型,为平衡成本和重量,放弃了全铝车身,选择铝合金、低 碳钢、高强度钢和超高强度钢的混合方案。Model 3 铝合金材质更多集中在尾部,来平 衡前后重量分布,而在车身纵梁、A 柱、B 柱、车顶纵梁以及底板梁等位置使用超高强 度钢,目的是保障车身主体框架的强度,提升车辆被动安全性。

从轻量化工艺角度,汽车上常用的铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金在 汽车上应用最多,如动力系统中壳体类的发动机缸体、缸盖等;底盘系统的转向器壳体、减速器差速器壳体、副车架、控制臂、车轮轮毂等。采用锻造工艺生产的零件主要为力 学性能要求较高的零件,例如车轮、底盘悬架系统控制臂、转向节、空调压缩机涡旋盘 等。

随着对强度和硬度的追求提升,其铸造工艺也在持续改进,形成了多种工艺。按照难度 从易到难分类,分别为重力铸造、高压铸造、低压铸造、差压铸造、真空压铸、半固态 压铸和挤压压铸。其中重力铸造是最原始的铸造工艺,成本低廉,但产品强度差,高压 铸造是最常见的铸造工艺,相对于重力铸造其产品致密性得到提高,但容易产生气孔。低压和差压属于同一类,但差压在低压的基础上结合了结晶成型,产品强度相比低压更 高。为解决压铸件内部存在的气孔和缩孔问题,能够生产出高强度、高密性、可焊接可 热处理、可扭曲等各种高要求的压铸件,真空压铸、半固态压铸和挤压压铸是在普通压 铸的基础上形成的新技术,对技术、设备提出了更高要求。

一体压铸改变行业生态,成为轻量化重大增量
降本增效,一体压铸有望成为制造主流

新能源车因车身结构差异,用铝量有显著提升。根据 DuckerFrontier 研究,新能源车单 车铝合金使用量比传统燃油车多 41.6%。其中由于减少了燃油车用发动机、传动系统以 及其他看不见,使燃油车用铝量分别减少了 24.0%、18.9%和 2.2%。而纯电动车因动 力系统和车身结构件铝合金用量更多,动力传动系统、结构件及其他零部件分别使单车 用铝量提高了 10.3%、48.7%、2.3%。

全铝车身具有出色的的轻量化表现,但过去受限于成本与技术未能广泛推广应用。早在 1994 年奥迪 A8 就采用全铝车身进行轻量化改进,全铝车身可降低车身重量实现油耗和 排放大幅降低的同时,相较传统车身具有更高安全性和可操作性。但受限于技术与成本,全铝车身尚未成为目前车身主流。

一体压铸是轻量化材料、工艺和设计的有机结合,可有效降低全铝车身生产成本提升生 产效率。一体压铸是指将车身一体化铸造,相较于传统全铝车身生产具有以下几个好处:

1)产品性能更好,且生产材料回收率高。一体压铸基础工艺是高压铸造,可实现生产 的少切削、无切削, 可避免冲压生产的回弹情况,且废料可以直接融化,材料的回收利 用率较高。同时,相比传统的铸造技术, 铸件性能有所提高的同时,压铸生产的原辅料 消耗、能源消耗都有所降低。

2)模块化生产减少零部件数量,显著减少焊接工艺部件,解决铝合金连接技术要求高 的问题并实现进一步减重。采用铝合金压铸件设计方案可实现高度模块化集成设计,有 效减少零部件数量,2011 款 Audi A6 的前减震器塔使用铝合金高真空压铸件设计,实 现 10 个冲压件集成为 1 个铸件,且实现单车 10.9kg 的减重。根据 2020 年特斯拉电池 日公布数据,采用了一体压铸后车底的 Model Y 相较 Model 3 整块后车底缩减 79 个零部件,焊点大约由 700-800 个减少到 50 个,下车底重量降低 30%。特斯拉的下一代车 身底盘设计方案计划将电池盒整合进汽车底盘,用 2-3 个大型压铸件替换由 370 个零件 组成的整个下车体总成,并将 10%的重量,由此可增加 14%的续航里程。

3)精简生产流程,提高生产效率。Model Y 相较 Model 3,减少了 300 台工业机器人,简化生产和质检流程。

4)基于以上优点,一体压铸可以降低生产成本。特斯拉 Model Y 采用一体压铸后制造 成本下降了 40%。特斯拉下一代车身底盘设计方案可进一步降低 7%的制造成本。

技术持续进化,一体压铸产品有望持续延展

目前铝合金铸件在全铝车身上使用较为广泛且下车体上应用较多,未来上车体应用铸件 的车型有望逐步增多。参考相关文献及近十年 ECB 会议发布车型信息,统计了行业内 主流车型铝合金铸件的应用情况,1)整体而言,铝合金铸件已经成为复合材料车身、全 铝车身、钢铝混合车身的必备部件,甚至已在部分高端的钢制车身应用;2)铝合金铸件 主要应用在下车体上,最为典型的部件为前减震器塔、后减震器塔和后纵梁;上车体应 用铸件的车型逐步增多,典型部件为 A 柱模块以及 A/C/D 柱上接头等件。

随着压铸机吨位升级已经特斯拉带来的示范效应,国外企业也积极探索车身一体压铸的 可能性。

1)底盘:根据 2020 年特斯拉电池日信息,特斯拉将在 2024 年前实现下一代 车身底盘设计方案。斯拉将用 2-3 个大型压铸件替换由 370 个零件组成的整个下车体总 成,最终白车身的下车体仅由三个零件组成——前下车体、中下车体(也是电池包)、后 下车体。其中下车体设计采用结构化电池组(structural battery)的方案,即由底盘提供 保护功能,充当电池盒的角色,电池直接内置在底盘结构中。结构化电池组的设计可以更密集的包装电芯并将电池移近汽车的质心,提高电池效率、整体结构的安全性以及汽 车灵活性。

2)副车架:2021 年 6 月,压铸企业汉特曼(Handtmann)研制出大型一体化压铸后副 车架集成了更多的性能并降低了生产成本。

3)电池盒:除了特斯拉将电池盒整合到彻 底外,宝马、大众、本田等整车厂都有采用压铸的铝合金下壳体,但多为混动车所用,体积较小。2021 年 6 月,压铸企业乔治费舍尔(GF Casting Solutions)与雷诺公司一 起为雷诺两款车开发了一体压铸的铝合金电池外壳。该电池外壳尺寸为 1.00×0.55×0.15 米,重约 15 千克,并集成了冷却电路等功能。在传统生产工艺下,电池外壳需要组装 100 多个单独的部件,如框架、型材或连接点等,GF 的一体式压铸电池壳体将其整合 为一个整体,并减少了装配步骤,避免了焊接和铣削等劳动密集型的连接和后工序。

4)电机电驱壳体:电驱动系统集成化发展已有时日,目前三合一电驱总成成为整车厂 选配的主流方案,且逐渐整合更多功能,如比亚迪八合一、华为 DriveOne 七合一、上 汽变速器&威迈斯七合一电驱动等。目前电机壳体主要使用压铸工艺,随着电驱高度集 成化发展,一体集成式电机壳体体积也越来越大,因此预期未来电机壳体所使用压铸件 体积也将越来越大。

结合目前铝铸件使用情况,预期未来随着压铸机吨位的提升以及铝合金性能的提升,车 企可以通过一体压铸生产更大的铸件。根据特斯拉“一体铸造”技术专利推测,未来特 斯拉有可能会将车身底盘分为前车身、中间车身和左右侧围、后车身和底板几个大型部 件一体压铸。1)一体压铸前车身可整合前纵梁、前隔板、前减震器塔、前保险杠等构 件;2)一体压铸中间车身和侧围可整合立柱、门槛板、地板、车顶等构件;3)一体压铸后车身和底板可整合行李箱、后盖板、后侧板、后保险杠、后纵梁、后减震器塔等构件。

一体压铸助力市场扩容,轻量化需求处于爆发期
电动车快速应用,一体压铸市场有望超百亿

目前对于市场空间测算,主要有以下四个假设:

1)单车铝合金一体压铸件使用量和铝合金价格

参考目前研发进展,未来一体压铸工艺除应用于后车底外,还将应用于电池盒、副车架、电机壳体等部件,根据前述部分重量计算,预计 2025 年新能源车一体压铸工艺部件重 量可达 100KG。根据 DuckerFrontier 研究,纯电动车因动力系统和车身结构件铝合金用量更多,新能源 车单车铝合金使用量比传统燃油车多 41.6%,且无电机、电池盒等部件需要,假设 2025 年传统燃油车一体压铸工艺部件重量约为 70kg。

2)使用一体压铸工艺的乘用车销量

国内新能源乘用车和传统燃油车销量和轻量化部分预测保持一致。根据目前有公布采用一体压铸工艺的国内整车厂(特斯拉、蔚来、小鹏、高合、小康汽车(仅考虑赛力斯))2021 年销量约占国内新能源乘用车销量的 22%,假设上述整车厂 2025 年所有车型标配一体压铸工艺,加之可能有其他整车厂后续也采用一体压铸工艺,假设 2025年使用一体压铸工艺的纯电动车占比达 30%。因目前国内尚无传统燃油车品牌宣布入局一体压铸,考虑到车型设计时间,假设 2025 年有 5%的传统燃油车采用一体压铸工艺。

底盘、电池盒、电驱壳体放量,电动车轻量化整体空间有 望达到 1000 亿以上

除一体压铸外,新能源尤其纯电动汽车的结构升级推动轻量化单车价值提升,如底盘、电驱壳体等均形成较大的单车价值量,叠加需求快速提升,纯电动乘用车轻量化市场空 间快速扩容。

底盘:新能源汽车底盘与传统底盘对比来看,取消原有的传动轴、输油管等部件,增加 了电池盒。纯电动汽车省却了发动机后,动力传动系统大幅优化。传统汽车一般采用发 动机前置、同时驱动后置的构架,不可避免需要传动机构实现动力的传输。纯电动汽车 采用电机驱动,电机的放置可以根据车型灵活调整,从而省去了传动机构。另一方面,纯电动汽车电池包未来将主要放置在汽车底盘部分,所以需要电池盒进行加固和保护。

电驱壳体:纯电动汽车采用电机驱动,电驱壳体是新能源轻量化中的重要增量部分。电驱壳料主要有铁质和铝质两种,也有少部分电机壳采用铜质的。铝合金电驱壳体相比铁 铜材料的优势在于重量轻,导热性能好,可塑性强,可压铸可挤压,延伸率、稳定性、隔音性更高。随着电驱动系统集成化发展,电驱壳体由“分体式壳体”向“集成式壳体” 再向“一体集成式壳体”,壳体中连接件数量逐渐减少,单车价值预计在 1500 元左右。

基于以上分析,我们通过纯电动乘用车销量、单车用铝量等假设,计算出纯电动乘用车 国内轻量化市场空间: 核心假设:

1)2021 年中国新能源乘用车销量为 332 万辆,其中纯电动乘用车销量 271 万辆,纯电动车销量占比 82%。根据三部委印发的《汽车产业中长期发展规划》,合理 假设 2025 年中国新能源乘用车渗透率达 53%,销量达到 1353 万辆,其中纯电动乘用 车销量 719 万辆,纯电动车销量占比 53%。

2)2025 年铝合金使用量:全铝车身可比全钢车身减重 40%,由此测算可得铝合金渗透 率每提升 2.5%,车身可减重 1%。根据 Dackfrontier 统计,2020 年北美汽车单车平均 用铝量为 208kg,其中电动汽车单车用铝量为 292kg,非电动汽车单车用铝量为 206kg。而根据智研咨询数据测算,2017 年我国平均单车用铝量为 156.2kg,根据《节能与新能 源汽车技术路线图》设定我国 2020 年、2025 年、2030 年的单车用铝量达到 190kg、250kg、350kg。结合两方面信息表明,我国汽车铝代钢的进程落后北美约 5 年进度,假设 2021 年中国纯电单车铝合金使用量 180kg,2025 年纯电铝合金使用量 205kg。

3)铝合金价格:铝合金价格假设同一体压铸市场空间测算保持一致。

4)2021 年铝合金使用量:根据对目前国内主要新能源车型底盘和车身材质梳理测算,2021 年电动车铝合金转向节、控制臂、副车架的渗透率分别约为 47%、41%、13%(考 虑到部分车型是部分采用铝合金副车架,对应销量除以一半),铝合金电池盒渗透率 100%。由此测算出,2021 年单车铝合金价值约为 9419 元。

新材料应运而生,免热合金&模具钢脱颖而出
免热处理合金:为一体压铸而生,批产空间释放

从上游材料环节来看,大型零部件压铸一体化工艺的横空出世,带动原料免热处理铝合 金和高端模具钢等核心新材料亦进入产业链布局关注重点。

为何非免热处理合金不可?

传统铸造铝合金的生产工艺中,需要经过热处理和机械矫直两个必要的生产步骤。热处 理能提升铸件的机械性能、耐腐蚀性能、稳定尺寸,使铸件在强度、韧性、耐腐蚀等属性达到车身结构件的要求。经过热处理后,铸件还需经过机械矫直恢复原始的几何形状,进一步的稳定尺寸。值得说明的是,热处理也会引发铸件弯曲变形和表面缺陷的问题,由此限制了传统铸造铝合金在尺寸更大、形状更复杂、弯曲程度更高的汽车结构件上的应用。

压铸一体化工艺重点在于零部件大型化、尺寸表面精细化、一体化高效,而传统铸造铝 合金的热处理工艺受限于零部件小型化、尺寸表面不稳定化、分散化组装,因此催生出 成分和工艺创新的免热处理压铸铝合金应运而生。免热合金通过对主成分元素的控制、对合金成分元素的控制、对恒量元素的控制、对有 害元素的控制,以及对整个生产流程精准的控制,实现了在不需要经过热处理工艺下达 到和传统铸造铝合金相当甚至更优的机械性能,具有优越的铸造性能和充型能力,良好 的抗拉强度、屈服强度和韧性的同时还具有结构集成化、易加工成型和性能稳定性良好 的优点。

由于免热处理合金无需经过热处理流程,节省了传统流程中消耗的大量的能量、精力和 时间,因此,下游压铸上,免热处理合金能够降本增效,使车身更轻、更安全。

1)传统铸造铝合金压铸成零件后,需要经过焊接、铆接组装成车身件;免热处理合金将 零件一次压铸成型,缩短了工艺流程,从焊接几小时改善为压铸几分钟,精简连接工序、降本增效。

2)传统铸造铝合金结构件连接点多,车身重量大;一体化压铸减少了连接材料的重量,满足汽车“轻量化”需求,提升新能源汽车节能减排和续航能力。

3)传统铸造铝合金结构件在连接点处存在安全隐患,焊接、铆接过程容易引发合金变 形,使结构件疲劳性能不稳定;一体化压铸从整体提升结构件的强度和韧性,比拼接的 结构件更安全。

哪些轻量化合金存在一体压铸潜力?

除铝合金外,当前最有可能应用于一体化压铸的材料是镁合金。从产品性能上看,镁合 金密度比铝合金更小,减震性能比铝合金优异;镁合金压铸件可以比铝合金生产的更薄,在压铸效率、加工性能上更有优势;最重要的是,镁合金具有高流动性、尺寸稳定性,非常有利于一体化压铸上的应用。相比铝合金,目前镁合金在车身件上的应用更有限,单车用镁仅 10kg 左右。

镁合金存在的上述问题正在逐步解决。

1)针对易腐蚀的问题,主要采用电镀涂层的方 法,在镁合金表面增加一层保护层;

2)针对六氟化硫的处置问题,主要通过开发六氟化 硫有效回收循环利用的技术;

3)针对镁合金材料机械性能不足的问题,主要通过在合 金成分中加入稀土元素以及采取创新的铸造加工技术提高强度和韧性;

4)针对标准体 系建设不完善的问题,镁合金生产企业正广泛和主机厂、压铸厂形成产业联盟,推广镁 合金在我国车身结构件的应用。

目前镁合金的成本相对铝合金较高,但随着材料技术工业的发展与突破,冶炼工艺的不 断提高,成本会逐渐下降。未来倘若镁合金缺陷和成本等痛点逐步解决,有望成为下一 代压铸一体化产业应用的重要材料。

模具钢:压铸关键耗材,静待国产替代

作为有“工业之母”之称的模具钢,其质量直接影响着制造业加工工艺的质量、产品的 精度以及生产成本。随着下游整体升级以及装备技术的提升,对模具材料的质量以及规 格的定制化需求更为突出。压铸模反复与炽热金属接触,要求压铸模具材料具有良好的 可锻性、切削性、耐磨性和耐蚀性,在高温下具有较高的红硬性、高温强度、抗回火稳 定性和冲击韧度。具体来说,压铸模具对模具的性能要求主要为:

1)压铸模具应具备良好的热疲劳抗力。压铸模具表面反复受到高温加热与冷却,不断 膨胀、收缩,产生交变热应力,此应力超过模具材料的弹性极限时,就发生反复的 塑性变形,引起热疲劳。同时模具表面长时间受到熔融金属的腐蚀与氧化,也会逐 渐产生微细裂纹出现早期龟裂,大多数情况下,热疲劳是决定压铸模具寿命的最重 要因素。

2)压铸模用钢在高温下应具有足够的强度、硬度、韧性、塑性及耐热性能。铝合金压 铸模具受到熔融金属注入时的高温、高压和热应力作用,容易发生变形,甚至开裂,因此,模具钢在工作温度下应具有足够的高温强度与韧度,以及较高的硬度和耐热 性能。

3)压铸模具应具备良好的抗熔融金属的损伤性。随着一体化压铸时代的到来,对压铸 机的要求也逐渐转向大型化,压铸压力也在增大,已从低压的 20-30MPa,提高到 高压 150-500MPa。高温高压浇铸可产生明显的熔融损伤,因此,模具材料必须具 有较大的高温强度、较小的对熔融金属的亲和力,要求模具表面粗糙度小,并附有 适当的氧化膜、氮化层等保护层,且不存在脱碳层。

模具钢优质的性能使其成为一体压铸产业中不可或缺的材料,目前较为主流模具钢为 H13 型(热作模具钢)和 Cr12MoV 型(冷作模具钢)。模具钢下游行业具体应用在国际 市场中首当其冲的是汽车制造,汽车行业是模具钢原料消费的第一大行业,90%以上零 件都由模具成型,同时使用热作、冷作及塑料模具钢。此外,家电生产也需大量塑料模 具和冷冲模具,特别是大型塑料模具和冷冲模具。而电子通讯行业 60%-80%的零部件 都要依靠模具成型,这意味着电脑、手机、电子设备等都需要大量的模具,精密冲压模具和精密塑料模具约占电子通讯市场的 20%左右。同时,房地产业中大量建筑塑料型 材,塑料门窗、PVC 水管等都依赖大中型模具材料,以塑料和铝合金挤压模为主。

目前,我国高端产品对进口模具钢的依赖仍然较大,我国模具钢每年的净进口总量约 10 万吨,其中精品模具钢占据了国内模具钢高端市场份额的 60%。进口来源主要有日本大 同、日立、德国 Schmiedewerke Gröditz GmbH(葛利兹钢厂)、瑞典 ASSAB Group(一 胜百集团)、美国芬可乐等。进口模具钢价格要比国内同类产品高出 3-6 倍,但高端产 品对进口模具钢的依赖仍然较大,原因是国外模具钢的品质主要体现在纯净、均匀、组 织细小、尺寸精确。

产业链存在哪些投资机会?
应用环节:市场大幅扩容,轻量化零部件迎来快速增长

相比于传统产品,一体压铸产品具有高性能、生产效率高、生产成本低等优势,因此未 来一体压铸市场有望快速扩容。预计 2025 年国内一体压铸件市场规模有望达到 128.6 亿元,2021-2025 年 CAGR 约为 183.7%。铝合金普通压铸、锻造、挤压等在车身、底 盘、电池盒等仍有广泛应用,预计 2025 年纯电动乘用车轻量化相关产品的市场空间将 达到 1078 亿元,2021-2025 年 CAGR 约为 43.3%。

长期来看,一体压铸零部件仍将主要由 Tier 1 供应,且有以下三点优势的企业具有一定 竞争优势。1)快速的产能投放速度;2)具有一定压铸先发优势;3)较强的营运能力,包括较好的内部管理和供应链管理等。

拓普集团:布局压铸业务,蓄势待发

拓普已具备了轻合金领域六大工艺能力,可完全覆盖底盘部件及车身部件,提供一站式 轻量化解决方案。拓普已量产的产品类型涵盖底盘系统、动力总成结构件、电池包结构 件、车身结构件以及热管理阀板等。根据不同的工艺,产品壁厚设计范围宽,成型后屈 服强度能实现从 100MPa 到 350MPa 全覆盖,延伸率从 2%到 12%全覆盖。基于以上 布局,拓普可为客户提供定制化服务,针对客户产品使用场景和性能要求,推荐最适合 的轻量化工艺。

拓普已根据 7200T 压铸机进行产品研发。2021 年 9 月,拓普与力劲集团就汽车轻量化、大型汽车结构件一体化成型项目达成全新战略合作协议,在已经购置了近 100 台力劲压 铸机的基础上,拓普向力劲继续订购 21 套压铸单元,其中包括 6 台 7200 吨、10 台 4500 吨和 5 台 2000 吨的压铸设备。基于 7200T 真空铸造设备,拓普将前沿的铸造一 次成型技术迅速地应用在了一体式后舱轻量化量产零件上。对比传统的冲压焊接工艺,一体铸造将 70 多个部件整合为 1 个部件,同时也不再需要焊接工艺,2022 年 2 月,拓普生产的国内首个基于 7200吨巨型压铸机正向开发的一体化超大压铸车身后舱正式量产下线,结构件长宽分别近 1700mm 和 1500mm,可实现 15%~20%的减重效果。

旭升股份:深度绑定特斯拉,新客户持续拓展

旭升主要从事精密铝合金零部件的研发、生产与销售,聚焦新能源汽车领域,涵盖多个 汽车核心系统,包括传动系统、控制系统、悬挂系统、电池系统等。从工艺角度,旭升 同时掌握压铸、锻造、挤压三大铝合金成型工艺并均具备量产能力,能够针对不同客户 需求提供一站式轻量化解决方案。

旭升客户范围持续拓宽,营业收入快速增长,公司前五大客户占比近年持续下降,其中 特斯拉营收占比也持续下降。公司近年客户持续开拓,与长城、蔚来、宁德时代等新客 户展开合作。2021 年公司前五大客户贡献营收 20.02 亿元,占公司营收比重为 66.20%,其中特斯拉为公司贡献营收 12.07 亿元,占公司营收比重为 39.93%。

爱柯迪:中小铝压铸件龙头,发力布局中大件压铸业务

爱柯迪是中小铝压铸件龙头,定位“新能源汽车+智能驾驶”产品市场,近年汽车用通 用中小件市场占有率持续提升,经营优势明显。受益于新业务及新客户开拓,公司近年 营业收入稳步增长。2021 年,公司营收 32.1 亿元,同比增长 24.8%,受原材料及海运 费价格持续上涨、人民币升值等因素影响,公司归母净利润 3.1 亿元,同比下降 27.2%。

爱柯迪发力布局中大件压铸业务,拟购入 10 台 3200T 以上吨位压铸机。根据 2021 年 底爱柯迪智能制造科技产业园环评信息显示,公司拟为该产业园购入 45 台压铸机,其 中包括 2 台 8400T、2 台 6100T 和 4 台 4400T 和 2 台 3200T,以及 35 台 3200T 以 下吨位压铸机。

文灿股份:深耕铝合金精密铸件市场,全力布局一体压铸业务

文灿股份深耕铝合金精密铸件市场,受益于公司新能源汽车产品放量,近年营收快速增长。2021 年公司营收 41.1 亿元,同比增长 58.1%,归母净利润 1.0 亿元,同比增长 16.0%。

2021 年起,文灿股份持续重点布局一体压铸业务,目前进展顺利。

1)2021 年,与力劲科技集团有限公司签订了《战略合作协议》,向力劲采购了 9 台大型压铸机,包括 2 台 9000T、两台 6000T、三台 4500T、一台 3500T、一台 2800T,用于研发及生产车身 结构件、一体化电池盒托盘、电机壳、变速箱壳体等。截至 2022 年 4 月,除一台 9000T 压铸机外,其余 8 台压铸机已完成安装调试,预计最后一台 9000T 将于今年 5 月份安 装调试完毕并在 6 月份为客户超大型一体化车身结构件产品试模。

2)文灿股份在 6000T 压铸设备上已于 2021 年 11 月 18 日完成首次半片式后地板的试制,试制产品在某新势 力客户整车厂中完成白车身安装下线;此外 9000T 压铸机系当下全球吨位最大的压铸 机,定点产品已经开始试制阶段工作,用于另一知名头部新势力客户的 SUV 车型。

3)2022 年,文灿股份将继续向力劲采购 9 台大型压铸机,包括 2 台 2800T、3 台 3500T、2 台 4500T 和 2 台 7000T,用于超大型一体化结构件及车身结构件的生产,进一步满 足公司的产能需求。

4)2022 年 5 月,与立中集团签订《战略合作框架协议》,在新能 源汽车的大型一体化车身结构件、一体化铸造电池盒箱体等产品的材料开发和工艺应用 领域建立战略合作关系。

新材料:海外先发,国产替代加速崛起
美国铝业、莱茵费尔德、特斯拉、立中集团、广东鸿图等企业纷纷布局免热处理合金,和目前广泛在车身的传统铸造合金 AlSi9MgMn 经过热处理后的性能接近。随着国产研 发技术和工艺成本优化,未来免热处理合金的国产替代大势所趋。

莱茵费尔德、美国铝业:深耕多年的老牌企业

作为传统的铸造铝合金生产商,莱茵费尔德和美国铝业深耕铝合金行业多年,拥有多项 技术专利。莱茵费尔德研发生产的 Silafont-36(AlSi10MgMn)是目前车身应用最广泛的传 统铸造铝合金材料,现存许多产品都是基于该产品改进。美铝研发的免热合金 C611 系 列具有极佳的流动性,被欧美许多压铸厂家广泛地应用于薄壁结构件(例如减震塔)的 生产。

立中集团:成本和技术领先,蓄势待发

根据立中集团年报,公司通过材料成分配比、工艺路线设计、性能指标设定、工艺过程 保障等方面综合调控,使得公司的免热处理合金在抗拉强度、屈服强度和延伸率等方面 表现出了良好且均衡的机械性能,在保持高强度和良好铸造性能的基础上,延伸率较传 统压铸材料提升了 5 倍以上,能够更好的应用于高强、高韧、超大型一体化压铸零部件 的生产。

根据公司公告,受疫情对汽车产业链的影响,今年二季度对公司产品主要是铸造合金、铝合金车轮的销量有一定影响。但因中间合金业务应用行业比较分散,同时受高端晶粒 细化剂、航空航天用特种中间合金等高端产品逐步提升、铝合金车轮板块报价模式调整、海运费联动、公司出口业务稳定发展、内外铝价正挂以及美元升值等诸多有利因素影响,因此这些因素或有望对冲疫情扰动。

高端模具钢:天工国际龙头布局,静待花开

天工国际作为全球工模具钢优质龙头,在全球经济波动周期中,通过自身极强成本控制、产品技术升级、精细化管理等综合竞争力,成功穿越下行周期,实现稳健成长。公司 3 月官网发布,7000 吨快锻项目正式进入施工阶段,通过完善公司产品结构体系,以更好地满足市场需求,如在一体成型压铸领域中对大规格模具钢的广泛需求。该项目 完成后,公司圆钢产品最大规格将从目前的直径 880mm 扩展到直径 1200mm 以上,模 块产品将从 800mm厚增加到 1200mm 厚以上,产品规格进一步丰富。

作者:郭伟松_鑫鑫投资
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