无热铝合金材料行业专题:集成压铸产生需求,再生铝企业受益

(报告出品方/作者:国信证券,刘孟峦、焦方冉)

行业分析:一体化压铸催生免热处理材料

铝的性能:轻量化、高性价比的车用材料

铝-优良的汽车轻量化材料:铝的密度为2.7g/cm3,仅为钢密度的34%,铜密度的30%。纯铝硬度较软,但添加合金元素后强度大幅提高,且塑形优良,可加工成复杂形状,是一种 优良的汽车轻量化材料。铝的轻量化优势使汽车用铝需求空间广阔。铝的密度仅为钢的1/3左右,汽车用铝量提升主要是为了实现轻量化。根据2020年中国汽车工程学会牵头编制的《节能与新能源汽车技 术路线图2.0》,汽车轻量化是节能汽车、新能源汽车和智能网联汽车的共性基础技术,不但可以实现有效减排、还能提升车辆加速性、制动性、操稳性等诸多性能。

铝压铸在车用铝材中居主体地位

采用铝合金代替钢铁来加工汽车零部件早期可以追溯到20世纪初,当时美国福特公司T型汽车和意大利法拉利公司的360赛车都采用铝制车身;20世纪40年代, 意大利菲亚特公司研制出了铝合金气缸盖,并应用到部分车型上;20世纪50年代,德国的一家公司对低压铸造技术进行改进,生产出了复杂结构的铝合金压铸 件,并开始大量生产发动机后盖、空冷缸盖等铝合金压铸件;20世纪60年代以后,由于高压压铸技术的发展,压铸铝合金在汽车中的应用大幅增加,铝合金压 铸件逐步替代铸铁,用量逐年增加,奠定了现代汽车工业广泛采用铝合金压铸件的基础。

铝压铸工艺简介

铸造是实现零部件成形的基础工艺之一,其具有生产效率高、一次成形复杂铸件、生产成本低等优点,被广泛应用于航空航天、汽车等领域。铸造按工艺可分为 重力铸造、离心铸造、挤压铸造、压力铸造等。

铝压铸的原料主要是再生铝

铝压铸对杂质允许含量较宽。铝压铸的原料主要是铝及其他合金元素,由于压铸铝合金对杂质允许含量比较宽,特别是铝合金中对力学性能影响比较敏感的铁含 量,在压铸铝合金中允许含量较高,这既是压铸成型工艺要求的,也是压铸高压充填和迅速凝固方式决定的。因此压铸所用的铝合金原料绝大部分来自再生铝。

铝压铸件的合金系列

压铸铝合金的成分及其含量对铸件的力学性能影响显著,对于不同铸件的性能要求,应选用不同压铸工艺及相应的铝合金成分。目前工业领域中压铸铝合金应用广泛的是Al-Si 二元合金系、Al-Mg二元合金系、Al-Si-Mg合金系、Al-Si-Cu合金系等。

热处理是提高压铸铝力学性能的有效方法

热处理是提高铝合金性能的一种有效方法:铝合金的性能是由其显微组织来控制的,在特定温度下,控制铝合金的加热速度,在规定时间内达到一定温度后进 行快速冷却,使铝合金的内部组织发生改变。合理的热处理制度对于铝合金材料显微组织的改善有着极为重要的作用。

行业分析:现有免热处理材料概览

开发免热处理材料:调整合金成分+工艺路线设计

一般传统的压铸铝合金中主要加入的合金元素有Si、Fe、Cu等,其中Si元素的加入能增强铝合金的流动性,Fe元素的加入有利于压铸件脱模,Cu元素的加入能增强铸件强度,各 种不同合金元素的加入使铝合金具有不同的性质及优缺点。压铸铝合金中也常加入稀土元素,稀土元素的原子半径大于铝元素的原子半径,铝元素的晶体结构是面心立方晶格,稀土元素为密排六方晶格,因此稀土元素在铝合金中的溶解 度小,不易生成固溶体。铝合金中加入稀土元素,会富集在固液界面的前面,出现成分过冷现象,提高铝合金的力学性能。对于合金中的Fe元素等杂质,稀土元素可与其发生反 应,净化铝液。

免热处理材料分为Al-Si系和Al-Mg系

行业内领先的公司针对需求开发了一系列的免热处理材料。目前汽车结构件非热处理压铸铝合金的研究主要集中在Al-Si系和Al-Mg系两大类,主流的免热处 理材料都是在传统Al-Si系合金基础上通过添加合适的化学变质元素,并结合实际压铸的凝固条件,形成细小晶粒和充分弥散的细化组织,获得以前传统固溶 时效强化才能获得的力学性能。

美国铝业公司:免热处理铝合金材料先行者

成熟的材料体系:美国铝业公司在免热处理铝合金行业布局较早,形成了一系列免热处理铝合金牌号,其中有Al-Si系的C611,也有Al-Mg系的560合金及A152/A153合金,且美国 铝业公司的免热处理铝合金均已有大规模应用。美铝仅为下游的铸造厂提供各种铸造铝合金锭,并不直接参与铝铸件的生产。

美铝免热处理铝合金牌号:560合金

美铝560材料是一款2008年开发的成熟免热处理材 料。早于一体化压铸技术兴起之前,2008年,美 铝所开发的560免热处理铸造铝合金已用于日产 GT-R的大尺寸车门零部件。尼桑这款车门零部件 在德国索斯特(Soest)生产,是当时最大尺寸的 真空压铸汽车零部件,投影面积0.5m2,壁厚仅仅 2mm-3mm,重量仅5.5kg,实现减重35%。

美铝免热处理铝合金牌号:C611

C611铝合金材料是美国铝业公司为大型压铸件开发的一款免热处理材料,是美国铝业公司EZCastTM系列当中的一个牌号。使用C611材料生产的压铸件单件重量 可达100kg。C611材料在汽车工业当中已经广泛应用,该材料成功应用于Audi A8以及Ferrari 360 Modena的全铝车身。铸态的C611铝合金材料屈服强度123MPa, 屈服强度268MPa,延伸率达16.2%,折弯角达45°。(报告来源:未来智库)

行业趋势:头部再生铝企业迎来发展契机

头部再生铝企业具备多点布局优势

多点布局覆盖更多客户,节约运费。大型一体化压铸件不便于长距离运输,且运费昂贵,压铸机往往布局在整车周边。铝合金材料企业只有多点布局,才能更加 靠近下游客户,实现多客户覆盖,同时节省材料的运输费用。而中小型再生铝企业往往只有单一厂区,无法做到覆盖更多客户。

铝液直供模式互利共赢:铝液直供指生产铝液并以液态铝的形式直接销售给客户使用。铝液直供省去了客户二次重熔铝合金锭的熔炼工序,可以减少客户对熔炼 设备和工人的投入,避免铝合金锭重熔造成的材料和能源损耗,并能有效防止由于铝合金锭重熔所造成的质量波动,为铸造工序提供更可靠的原料,同时可以减 少客户铝合金锭的采购库存及对客户流动资金的占用,是较为先进的铸造行业铝原料的供应方式。立中集团、顺博合金、永茂泰等行业头部企业均在不同生产基 地向客户直供铝液。如永茂泰等在客户铸造车间的同一厂区内就地供应液态的铝合金。

免热材料终将使用再生铝

再生铝碳排放远低于原生铝。铝产业高排放环节主要在电解过程,再生铝只需将废铝熔融除杂添加合金元素,因此碳排放远小于原铝。根据欧洲铝业协会的数据, 生产1吨再生铝能耗仅为原铝5%,仅产生0.5吨二氧化碳排放。根据国内的数据,与生产等量的原铝相比,生产1吨再生铝相当于节约3.4吨标准煤,节水14立方米, 减少固体废物排放20吨。

当前免热处理铝合金使用的是原生铝。由前面章节介绍可知,用于大型薄壁一体化压铸件的免热处理铝合金材料处于大规模推广初期,企业对该材料的认识还处于 摸索阶段,因此免热处理铝合金对各合金成分控制严格,需使用电解铝,精确添加各类合金元素制造。而一体化压铸所取代的原有小型压铸件,则大部分由再生铝 制造。由此带来一体化压铸件的碳排放远高于原有小压铸件。

免热处理铝合金终将使用再生铝作为原料。一体化压铸大量使用原生铝,将显著提高材料的碳排放量,是长期隐忧。只有通过进一步研究,探索使用再生铝生产免 热处理材料,才能解决碳排放问题。另外如果全球铝行业要在2050年实现碳中和目标,必须加强废铝循环使用,废铝在铝供应结构当中占比会进一步提高。再生铝 企业具备废铝采购渠道及经验优势,且对再生铝的性能理解更加深刻,未来有望主导材料端。

再生铝行业竞争格局改善

再生铝行业市场竞争充分。2021年再生铝产量为830万吨,同比增长12.16%,实现产品产值约1800亿元,同比增长38.5%。截至2021年年底,国内再生铝建成产能 1579.5万吨。全国再生铝企业约1000余家,行业集中度极低,大部分为规模较小的小型企业,根据中国有色金属工业协会再生金属分会的数据,目前行业单厂最 大产能为38万吨/年,产能达到10万吨/年的企业仅30家。行业龙头立中集团2021年铸造铝合金产量83.2万吨,市占率10%;顺博合金2021年产销量约60万吨,市 占率7.2%。

头部再生铝企业在免热处理材料研发、生产、销售环节均具备明显优势:压铸厂往往选择与大型再生铝企业合作研发生产免热处理铝合金,材料认证通过后会形 成稳定的合作关系。压铸厂试验初期可能选择几款材料,但到验证后期只锁定1-2款材料进行装车、碰撞试验,因此先发优势明显。未来可能由少数行业头部企 业主导免热处理材料研发、生产和销售,具备先发优势,竞争格局明显改善,产品毛利润有望远高于当前水平。

报告节选:

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。未来智库 – 官方网站

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