免热处理合金需求爆发，先发企业迎来新机
时间：2022-06-12 10:21 来源：雅延咨询 作者：雅延 点击:
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*免热合金是一体铸造的刚需，性能要求更上一层楼 汽车轻量化潮流促进以铝代钢，铝合金材料应用比例持续增加。普通 B 级车钢制 白车身重量通常在 300-400kg，以铝代钢可使白车身种类降低 30%-40%。世界铝业协 会报告指出，NEDC 工况下汽车自重每减少 10%，能减少 6%-8%的能耗。由于以铝代 钢减重及节能效益明显，汽车传统非承载件（例如壳体、支架类）已广泛使用铝合金材 料；近
*免热合金是一体铸造的刚需，性能要求更上一层楼
汽车轻量化潮流促进“以铝代钢”，铝合金材料应用比例持续增加。普通 B 级车钢制 白车身重量通常在 300-400kg，“以铝代钢”可使白车身种类降低 30%-40%。世界铝业协 会报告指出，NEDC 工况下汽车自重每减少 10%，能减少 6%-8%的能耗。由于“以铝代 钢”减重及节能效益明显，汽车传统非承载件（例如壳体、支架类）已广泛使用铝合金材 料；近年来，随着高致密度压铸成型技术发展，部分大型、复杂、薄壁汽车关键承载件（如 汽车减震塔、副车架、座椅骨架、压铸底盘等）开始采用压铸铝合金进行生产。2021 年 6 月，特斯拉宣布下一步计划采用 2-3 个大型压铸结构件组装车体总成。
传统压铸结构件需热处理、矫形，一体压铸下尺寸精度和成本难以兼顾。目前传统压 铸结构件因其使用材料的限制，在压铸工艺后需要通过热处理（高温固溶+过时效）来提 升其强度、坚固性、延展性等指标，以达到汽车碰撞安全的要求；但是热处理加热和冷却 的过程会导致零件变形，需要通过专业设备或人工进行矫形，以保证尺寸精度。这样的工 艺设计不利于一体压铸技术的应用，因为零部件尺寸成倍变大后，其热处理、矫形的制造 费用以及产生废品的风险大幅提升，极大影响零件的生产效率和成本。因此，传统的铝合 金压铸材料难堪一体铸造的大任，免热处理材料应运而生。
免热合金优势显著兼顾优异性能与降本增效。传统热处理铝合金材料，仅适用于压铸 中小型结构件，总成组装仍需经过数十至上百次的铆接/焊接过程。免热处理铝合金具备非 常好的热稳定性能与力学性能，适合大型压铸件生产，可实现一次简单压铸加工，由焊接 几小时改善为压铸几分钟，精简连接工序、节约生产时间，使得车身结构件的成本和性能 具有较大优势，亦提高产品的良品率，并可以减少碳排放（省去零件压铸后的热处理工艺）， 顺应碳中和节能减排趋势要求，所以其为一体压铸最佳材料选择。（报告来源：未来智库）
*一体压铸对合金材料要求有哪些？
（1）力学性能要求更高。一体化大铸件通常具有尺寸大、壁薄、结构复杂等特征， 且大型关键结构件在服役过程中往往承受持续、交变的载荷，因此一体化压铸件需要满足 车身不同部位对受力、强度以及韧性的不同要求。在力学性能方面，免热处理合金需具备 强的塑性和强度，该指标越高对应材料减重效果越明显亦兼顾提升零件碰撞，疲劳性能； 此外，一体化大铸件难以做到铸件整体各区域的性能统一，需采取不同的连接方式对材料 性能要求不同，因此，材料需具备高的连接包容性；大铸件流程较长对材料的充型距离挑 战较大，需具备较好的铸造性能避免材料欠铸与变形等问题。
（2）更高的微量元素和杂质元素包容度。免热合金出品率为 60%，40%的回炉料需 要重新使用，此外还可能结合再生料使用，两种材料会带来微量与杂质元素可能引起材料 粗化，需在材料设计时给予更高的微量、杂质元素容忍度，确保经济性及铸件的性能要求。
（3）长效的、高效的变质剂。免热处理合金没有热处理流程在凝固过程中直接形成 组织，只能依靠单一的组织调控，主要是依靠变质剂进行组织调控，来实现材料的强度和塑性。实际生产过程中，大铸件由于机台或模具需要熔体长时间保温，在该过程中如果变 质剂不具备长效与高效特性，会打断生产的连续性。
（4）完善的材料数据库（包括材料物性参数与不同材料卡片）
材料物性参数数据库。大铸件无法做到所有位置性能一致，不用位置由于结构或 充型的差异带来不同力学性能，在零件设计时需要把完整的材料物性参数，带入 到高精度的铸造模拟过程中，以识别出生产过程中哪些流程或位置较大概率存在 缺陷，并采取措施应对。
不同材料卡片（服役性能数据库）。大铸件无法做到所有位置性能一致，零件设 计时在进浇口、远浇口、合流或者填充流向改变的位置，在这些本体性能较差时， 不同区域赋予对应材料卡片，旨在仿真中得到真实零件受力，为零件设计在仿真 方面提供安全的保证。
*免热合金需求快速释放，预计国内 2022-2025 年市场规模 CAGR 为 161%
一体压铸加速渗透，其中材料端免热合金需求快速释放空间广阔。我们对 2022-2025 年国内与国外新能源车与 2030 年国内与国外乘用车整体免热处理合金市场空间进行测算。 预计 2022-2025 年国内新能源车整体免热合金市场规模分别为 8.15 亿元、22.97 亿元、 46.35 亿元、145.15 亿元，对应 2022-2025 年 CAGR 为 161%；保守/中性/乐观情形下估 计 2030 年国内乘用车整体免热合金市场规模为 377/562/665 亿元。伴随主机厂一体压铸 强需求牵引，大型压铸设备与配套模具持续落地提供强底层支撑，材料端免热处理合金成 功革新，产业链各环节配合渐入佳境，工艺愈发成熟，模式逐步跑通，一体压铸有望加速 渗透带动免热合金需求快速释放。测算过程及相关假设如下：
免热合金用量测算倒推过程： 根据前文一体压铸结构件空间测算结果，我们去除掉不使用热合金的一体压铸结构件 空间，主要包括 2030 年时保守假设下的前副车架、电机/电驱外壳，中性假设下后副车架、 车门，乐观假设下车顶、汽车座椅等部位，得出使用免热合金一体压铸结构件市场空间， 再除以一体压铸结构件平均单位价值量（假设为 35 元/kg），最后得出免热合金总体用量。 免热合金价格假设： 假设铝价保持在 20000 元/吨左右，材料商加工费假设为 5000 元/吨，对应单吨铝价 为 25000 元左右。
免热合金技术与专利壁垒高，强者恒强的可能性大
免热处理合金材料成分、工艺复杂，具备较高的技术壁垒，其中合金材料成分设计是 免热处理合金开发的核心技术壁垒。
（1） 合金主要成分配比是合金性能基础：常用压铸铝合金可以分为 Al-Si 系、Al-Mg 系、 Al-Si-Cu 系、Al-Si-Mg 系，主要成分配比影响合金强度、硬度等力学性能指标， 同时影响流动性、凝固性等铸造性能指标；
（2） 微量特殊元素引入可调节合金品质但元素选取与引入比例较难把握：以上海交大 轻合金中心专利《一种非热处理强化高强高韧压铸铝镁铜合金及其制备方法》为 例，Al-Si-Cu 系合金，可通过引入稀土元素 Y、Er 以及 Ce 作为活性元素，形成 细小弥散相以提高合金的强度；德国德国莱茵金属公司的 Castasil-37 合金是一种 高韧性 Al-Si 合金，主要通过添加微量 Mo、Zr 等元素提高压铸过程的合金强度。 但是微量元素的选取种类较难确定及引入区间较窄或特定，不同元素有其各自性 能优缺点，且不同元素之间可能存在相互作用，只有当元素种类选取合理且各元 素添加比例适宜时，才能生产出符合要求的免热合金，技术难度较大，这需要生 产企业长时间的生产实践经验积累，拥有多年材料配方设计经验。
同时需在材料选用、净化处理、工艺过程保障等方面综合调控保证合金性质 （1）材料选用：需要依据成分设计结构，选用纯度较高的电解铝、工业硅和其他添 加材料，保证杂质 Fe、Ca、Na、P 等元素尽可能少的带入，才能保证铝合金材料具有良 好的铸造能力和充型能力、较好的延展性、良好的抗拉强度和良好的屈服强度。 （2）净化处理：通过对铝液中非金属夹杂物、氧化物及含气的高效去除，方能保证 铝液具有较高的纯净度，从而避免因铝液中含气量影响，提高产品良率。 （3）浇铸工艺：适宜的浇铸温度和浇铸参数，可保证合金材料具有均匀、致密的晶 粒组织及较好的力学性能。
专利壁垒：对合金材料配方成分进行锁定，其他企业需“绕道而行”
专利壁垒锁定合金成分，后发超车难度加大。基于上文分析我们知道合金材料成分料 配方设计为技术壁垒的核心，而专利壁垒主要是通过专利中对于合金中其他元素添加的比 例进行限制，后发者需要绕过原有专利的配方成分设计研发出符合主机厂要求的免热合金材料，技术难度愈发加大，行业门槛进一步拔高。即使后发企业绕过专利壁垒成功突破免 热合金技术研发，后续还将面临量产阶段的产品性能与成本平衡问题，后发超车难度加大。
免热合金后续格局演绎有望呈现强者恒强趋势。我们认为具备先发优势的免热合金厂 家有望强者恒强，主要原因将从以下三个维度阐述：
维度一：后发者面临多重困难。后发厂家需要长周期经验积累与高研发投入才可能绕 过现有专利配方实现免热合金技术突破，新材料技术突破非一蹴而就，以行业基本规律来 看，一项新材料技术的开发至少需要 5-10 年，甚至更长的时间，即使研发成功后续还 将面临量产之后产品性能与成本的平衡问题，难度进一步加大。
维度二：合作商应用材料一旦定型转换成本较高。前期一体化产品设计流程中主机厂 需求、材料性能与对应压铸模具、压铸工艺参数等需相互针对性优化，各个节点紧密配合 才能促成最终压铸件稳定生产。一旦先发者材料在车企广泛推广应用，较大可能成为这套 体系里的早期标准制定者，定型之后如果出现新的材料想要进行应用替换，这需要重新更 改后续流程的模具、改冲压工艺等等，过程复杂，代价较大。即使后发者材料性能更优， 大多数车企也不愿意做出调整和改变。所以早期抢占市场者后续有望获得最为陡峭成长曲 线。
维度三：先发者产品持续迭代升级与降本强者恒强。在此期间先发厂家基于产品应用 经验积累与持续研发投入进行产品迭代升级，同时可通过推进应用再生料于免热材料的研 发和生产过程中的技改提效等方式，助力未来成本进一步下探，强化产品量产性价比优势， 构筑强大客户粘性壁垒，引领技术先进性与市场份额。
不受自供、外携等商业影响，享受行业增量确定性高
主机厂自供和第三方供应的方案将长期共存。目前一体压铸模式主要有车企自供、第 三方压铸厂合作两种模式，目前除特斯拉采取自供外，其他主机厂大多采取与压铸厂合作 供应方案，两种模式共存的状态将长期存在。
成本之差：规模效应是关键。一体压铸前期需一次性投入高价值大型压铸设备、配套 设施厂房等固定成本，所以产能利用率高低通过固定成本摊薄直接影响产品单位成本，第 三方压铸厂基于单台大型压铸设备，可以通过更换不同模具配套多家主机厂不同车型产品， 提升单台设备产值，实现单位固定成本快速下降，同时产能饱满带来生产连续性提升与能 源利用率提升，单位能耗降低。叠加学习效应助力生产效率与制造成熟度提升，实现单位 可变成本的下行。而主机厂自行压铸结构件主要是配套自家有限车型，目前，大多数主机 厂销量规模难以匹敌特斯拉，规模效应不足直接推高一体压铸结构件单位成本，短期主机 厂难以看见正向利率将会积极寻求与第三方供应商合作。
