免热铝合金行业深度系列报告一：多壁垒并举，构筑一体化压铸基石

汽车轻量化趋势明显，一体化压铸变革催生免热处理合金。在国家降低燃油车油耗排放、增加电动车续航政策的不断催动下，汽车轻量化大势所趋。铝的密度仅为钢的1/3，成为车身压铸件用材的首选。在特斯拉一体化压铸浪潮的引领下，铝合金压铸件趋向大型化、薄壁化，这也带来热处理后铸件变形、后续整形难度以及报废率提升的问题。免热合金材料一方面可以直接在铸态下就能获得要求的合金组织和力学性能；另一方面因省去热处理工序，具备降低零件制造成本节能减排等优点。 为一体压铸最佳材料。 一体压铸大势所趋，免热合金长坡厚雪。我们预计国内22-25年市场规模CAGR将超过200%，根据对一体化压铸渗透率的预测和对单车压铸零部件的估算，国内免热合金一体化压铸结构件市场空间约达280亿。一体压铸有望加速渗透带动免热合金需求快速释放。 一体化压铸初期免热合金行业多壁垒并举，先发优势特征显著。在免热处理合金开发过程中，合金主要成分配比和微量特殊元素引入是核心技术壁垒，此外净化处理、温度控制、浇铸工艺亦会影响合金性质。国内免热处理铝合金已实现自主研发，铝硅系列为绝对主流。专利壁垒对合金材料配方成分进行锁定，为下游客户合作的前置条件。一体化压铸产业高度协同，免热合金起到“穿针引线”的作用，目前一体压铸处于发展初期，基于安全性考虑，主机厂严格选定材料厂商并限制数目。材料认证流程复杂叠加需优化匹配客户零件特性，客户粘性壁垒高企。免热合金行业需要依次经历研发转换周期、配方专利保护周期、产品验证及客户导入周期，行业先发优势特征显著。此外，先发者材料体系不断迭代丰富，有望拉大竞争优势。行业前期竞争核心在于材料厂商基于产品优势建立客户资源壁垒，占据先发优势。 投资建议：特斯拉引领一体化压铸变革，国内多车企纷纷跟进，一体化压铸优势显著趋势明确，目前正处于从0到1到快速变革期，免热处理铝合金作为一体化压铸的最佳材料与关键环节，将持续充分受益于一体化压铸产业未来放量红利。基于产业发展初期阶段，在上游免热合金领域，我们认为应该优选具备技术、专利、客户资源等维度先发优势的行业玩家，建议关注：立中集团、永茂泰、广东鸿图。 风险提示：由于疫情或其他因素，导致汽车产销不及预期；新能源汽车渗透率低于预期，导致行业需求增速偏低；一体化压铸产业化进程不及预期 行业相关股票 1.汽车轻量化趋势明确，一体压铸变革催生免热合金 1.1.双碳背景下，汽车轻量化趋势明确 顶层政策与车企需求共振，汽车轻量化趋势明确。据统计，汽车重量每下降10%，油耗下降6-8%，每使用1kg铝，可使轿车寿命期减少20kg尾气排放。双碳背景下，2020年《节能与新能源汽车技术路线图2.0》顶层政策出台，要求2035年燃油乘用车/纯电动乘用车轻量化系数分别下降25%/35%。具体材料方面，根据《节能与新能源技术路线图》规划，2025年铝合金单车用量将达到250kg，而2020年用量约为129kg/辆，5年车均用量增长接近1倍。此外，从车企角度来看，汽车轻量化是降低传统能源车油耗和提高新能源车续航里程的关键，车企亦纷纷加码轻量化布局，不断推出含有轻量化设计的车型。 图1：汽车轻量化系数仍存在较大下降空间 图2：2035年我国单车用铝量超过350kg 1.2.铝合金车身结构件性能要求高，压铸件占据主导地位 汽车关键结构件尺寸大、壁薄、结构复杂，对合金材料性能要求高。汽车结构件是指在车身上起到主要支撑及承载作用的构件，作为车身关键部件通常具有尺寸大、壁薄、结构复杂等特征。大型关键结构件在服役过程中往往承受持续、交变的载荷，且与汽车安全性密切相关，因此在保证较高抗拉和屈服强度的同时，还需要具备良好的韧性。 图3：车身典型结构件 图4：汽车车身铝合金满足的性能要求 铝合金压铸件在汽车用铝合金中占据主导地位。汽车用铝合金包括变形铝合金、铸造铝合金，其中铸造铝合金占据主导，占汽车用铝量的80%左右。细分来看，目前汽车用铝合金材料中55.1%的使用高压压铸生产，25.7%的为普通铸造，8.9%的为轧制，8.6%为挤压，1.7%为锻造。 图5：高压压铸在汽车用铝合金中的应用比例最大 图6：不同车身结构件对应不同铝合金成型工艺 1.3.高压铸造是铝合金材料最高效的成型方法 真空高压铸造是铝合金车身结构件生产最优选。压铸是一种近净成型的特种铸造方法，具有自动化程度高、生产效率高、能近净成型复杂薄壁件的工艺特性，成为制作铝合金汽车结构件最为常用的一种铸造工艺。车身结构件通常属于碰撞安全件，采用铆钉连接，需要压铸件在保持良好的强度的同时具备良好的韧性，因此相比传统压铸件，此类压铸件一方面采用高真空的压铸工艺来减少压铸件的气孔缺陷，另一方面则采用高强韧的压铸铝合金，来获得优异的综合力学性能。 真空压铸技术扩展了压铸件的使用范围，使其能够运用在对力学性能要求更高的汽车结构件上，成为制作汽车用铝合金压铸件常用的一种快速成型工艺。 表1：各类铸造工艺及典型应用对比 1.4.AlSi10MnMg合金广泛应用于车身压铸结构件，通过热处理提高机械性能AlSi10MnMg合金为广泛应用的车身真空压铸结构件用压铸铝合金。工业应用的压铸铝合金按成分差异主要可分为Al-Si、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu、Al-Mg等几个系列。普通压铸铝合金通常易形成粗大的针状富铁相并诱发缩孔，导致压铸件的力学性能不高。AlSi10MnMg因其良好的铸造性能及可通过热处理获得较为广泛的机械性能而成为汽车结构件领域运用最多的高强韧压铸合金。该合金的特点是控制低的Fe含量，同时提升Mn含量以改善粘模问题，低的Fe/Mn比例通过析出形成汉字状、星状或多面体状的αAl(Fe,Mn)Si相，避免析出薄片状的β-AlFeSi相，从而获得良好的韧性。通过调整Mg元素含量和热处理，可以获得不同强韧性匹配的压铸件材料力学性能。 表2：AlSi10MnMg合金化学成分（质量分数）合金代号Si Cu Mn Mg ENAC-AlSi10MnM 图7：需热处理压铸铝合金的工艺特点 1.5.特斯拉引领一体压铸变革，优势显著势在必行 特斯拉引领一体压铸变革，优势明显势在必行。2019年特斯拉采用一体成形压铸的方式生产Model Y的整个后部车体，将原先由多工序所需的70多个零件集成为1个，减少了组装焊接等程序，减重约30%，降低制造成本约40%。Model Y的一体压铸后车身仅重66kg，比尺寸更小的Model3同样部位轻了10~20kg。 一体化成型压铸工艺具有成本低、效率高、轻量化等优势，替代传统冲压焊装工艺大势所趋。并且,特斯拉宣布下一步计划将应用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,重量将进一步降低10%,对应续航里程可增加14%。 图8：特斯拉一体化压铸由后底板到前底板再到一体车身的趋势 1.6.传统压铸件需热处理、矫形，一体化压铸下尺寸精度与成本难以兼顾 传统压铸结构件需热处理、矫形，一体化压铸下部件形变大难以应用。对于汽车真空压铸结构件，AlSi10MnMg合金的热处理过程会导致压铸件出现变形与表面起泡的问题，特别是随着压铸件的不断大型化，后续整形难度以及报废率将大幅提升。一体压铸下部件形变误差风险进一步放大，难以满足后续需与车体其他部位安装匹配精度要求，若强行通过矫正工艺可以改善一定的尺寸精度，但部件损失大，良品率很低，而且高真空压铸与热处理工艺导致整个工艺流程较长，进一步推高成本，部件最终成本无法接受。因此，传统需热处理合金材料在一体压铸应用中难当大任。 图9：热处理后铸件变形 1.7.免热铝合金为一体压铸最佳材料，并有其独特要求 免热铝合金为一体压铸最佳材料，兼顾性能与成本优势。免热铝合金材料一方面可以直接在铸态下就能获得要求的合金组织和力学性能，通过特殊的合金配方，在完成压铸成型后无需热处理即可获得理想的机械性能，可避免在热处理（高温固溶+时效处理）过程中造成的工件变形。另一方面因省去热处理工序，具备降低零件制造成本，提高产品的良品率，节能减排等优点。随着“双碳目标”逐步被企业提上日程，免热处理强韧化压铸铝合金将会是汽车行业的新宠。另外，随着轻量化设计需求和铝合金一体压铸结构件的集成化程度不断提升，新型压铸合金的开发将朝着提升强度和韧性，同时具有良好的流动性和铸造性能的方向发展。 一体化压铸零件通常具有尺寸大、壁厚薄、结构复杂等特点，这对铝合金材料性能提出了更高的要求。综合考虑使用性能、工艺特点和生产条件等因素。据上海有色金属行业协会介绍，一体化压铸铝合金材料不仅在常规性能（图7）上比普通压铸高，还有铸态下具有高强韧性、具备优异铸造性能、高连接包容性、具备更高的微量元素与杂质元素容忍度和需要长效且高效变质剂五点独特的要求。 图10：免热处理合金的独特性能要求 1、在不进行热处理的条件下，需保证材料成型后依然具有良好的机械性能，且车身结构件来讲，还需兼顾碰撞、疲劳等性能要求，因此一体化压铸结构件要求材料在铸态下具有高的强度和塑性； 2、对于一体化压铸结构件来说，材料的充型能力很关键，目前最远的流程可以达到2米7左右，如果充型能力不足，将导致欠铸等问题； 3、大型一体化压铸车身结构件在零件的不同部位无法做到性能统一，焊接、SPR、胶接等连接方式可能在零件不同部位使用，而不同的连接方式对于材料的性能要求也不一致，例如SPR就需要材料具有高的韧性，而焊接则要求材料不应存在气孔等，因此高连接包容性是必要的； 4、目前一体化铸件大概有40%的件需要回炉重新使用，因此难免会引入杂质元素，在低碳背景下未来再生料将融入免热处理锭生产的过程中，因此材料能够对元素及杂质拥有高的容忍度，才能确保经济性和铸件性能； 5、免热处理材料通过控制凝固过程中形成的组织来实现材料的强度和塑性，其关键点在于共晶组织的控制，目前依靠现有的La、Gd或者稀土元素作为变质剂进行组织调控，在实际生产过程中，工艺上需要熔体有很长的时间的保温，如果变质剂效力下降乃至失效，将对于生产的连续性存在极大的挑战。 2.空间测算：一体压铸大势所趋，免热合金长坡厚雪 国内免热合金一体化压铸结构件市场规模有望在2025年超280亿元。新能源车销量增长迅猛，免热铝合金材料一体化压铸市场广阔。2015年至2021年期间，中国新能源汽车销量由32.9万辆增长至近351万辆，年复合增长率48%，新能源汽车渗透率由1.3%达到了近13.4%；根据《中国汽车工业用铝量评估报告(2016—2030)》，中国新能源汽车的铝消费量从2017年的7.5万吨增至2018年的14.6万吨，增加95%。在政府制定的节能减排目标的支持下，中国新能源汽车行业的前景广阔，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%。免热铝合金一体化压铸市场前景广阔。根据对一体化压铸渗透率的预测和对单车压铸零部件的估算，预计到2025年国内免热合金一体化压铸结构件市场空间将约达280亿，预计22-25年市场规模CAGR将超过200%。 表3：国内免热合金一体化压铸结构市场测算（单位：亿元） 3.竞争格局：一体化压铸初期免热合金多壁垒并举，先发优势特征显著 3.1.成分设计为核心+工艺过程保障，构筑免热合金技术壁垒 在免热处理合金开发过程中，合金主要成分配比和微量特殊元素引入是核心技术壁垒，此外净化处理、温度控制、浇铸工艺也会影响合金性质。 合金材料成分设计是免热处理合金开发的核心技术壁垒，其中又以微量元素配比为核心。免热合金设计思路为以合金组织控制为出发点，引入微量元素对组织进行变质、细化，确保合金组织细小，弥散，保证合金强度与塑性。其中，成分设计的难点在于微量元素种类选取与较窄的引入比例范围，需考虑不同微量元素对合金性能影响。具体来看，免热处理铝合金以Al为基础金属元素，为调节并改善金属性能以达到工程适用的条件，主要方法是添加并控制硅、镁、铁、铜、锰、锌等元素的含量及相互关系，配比原则为既保证合金中能形成足够的强化相，又保证具有一定的流动