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汽车轻量化和工业型材高端化成为两大主要潮流

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  爆发的汽车行业与国产大飞机

  铝合金密度低、强度远超钢材,具有优越的比强度;而且耐腐蚀、易成形、可焊接、可进行各种表面处理,在交运、建筑、电子电力等领域应用广泛,进一步替代铜、钢、木的前景非常广阔。

  从消费结构看,铝加工的主力增长极正在由建筑用铝向交通运输、包装等工业用铝转换,结构升级正在进行。上一轮周期中国房地产业迅猛增长以及节能、环保标准的提高,使得美观、轻质的铝合金在铝门窗、幕墙和装饰材料领域的应用大量增加,建筑用铝成为铝材的消费主流。

  而目前,随着房地产的高光时代过去,以及国内节能环保、高端装备制造业的兴起,铝加工行业正在经历一场从建筑用铝向工业型材的转型。与西方成熟经济体的铝消费结构相比,中国在交通运输领域(汽车、轨交、航空、船舶)和包装领域的消费占比提升空间尤为广阔,这将强劲驱动高端铝板带箔需求。

  以产量占比最大的铝型材为例,结构升级的趋势非常明显——建筑型材在上轮周期高歌猛进之后,近年来工业型材成为增长主力。2003~2007年国内建筑行业迅猛发展给铝型材带来了巨大机会,建筑需求一度占铝挤压材消费量70%以上。随着各种合金、品种、规格和高精度、复杂的实心和空心铝合金型材在交运、电子电器、石化、汽车部门逐渐取得广泛应用,工业挤压材产量也快速增长。

  汽车轻量化和工业型材高端化成为两大主要潮流。

  一是汽车轻量化。铝合金型材在中国交通运输领域的应用只占工业铝型材整体需求的27%,远低于北美(47%)、欧洲(45%)、日本(50%)等发达市场,在节能环保、新能源车大发展以及提高汽车机动性能的趋势下,汽车轻量化大势所趋。

  二是工业型材高端化。这主要来自中国高端装备制造业崛起的迫切需要,包括轨道交通、航空航天、海水淡化、海洋工程、军工等领域的需求将有力驱动高端工业型材的增长。

  汽车轻量化大势所趋,进口替代大有可为

  铝合金的密度只有2.68g/cm3,仅为钢的30%,在等弯曲刚度的条件下,铝对钢的厚度比为1.43,铝的减重潜力是49%,在等弯曲强度的条件下,铝对钢的减重潜力是38%。统计数据显示,铝合金代替传统的钢铁制造汽车,整车、发动机、缸体/缸盖将分别减重30-40%、30%、30-40%,铝质散热器比相同的铜制品轻达20%-40%。

  汽车轻量化是节能减排、提高汽车性能、新能源应用,以及降低对行人碰撞伤害的大势所趋。首先,节能减排日趋严格,提高汽车铝化比例迫在眉睫。目前大量研究表明,约75%的油耗与整车重量有关,降低汽车重量就可有效降低油耗,而油耗的下降意味着二氧化碳、氮氧化物等有害气体排放的下降。

  据测算,汽车重量每下降10%,油耗下降8%,尾气排放下降4%。针对汽车工业发展、汽车产量增多、汽车保有量的加大所带来油耗和环保的压力,各国都制定了相应的政策要求。为了应对节能减排大潮,目前已有多款海外高端车型采用全铝车身打造,处理后的铝合金用材既可保证车身强度,又能大幅降低车身自重。

  通过大量使用铝,能明显获得两个好处,一是减轻自重能减小动力和传动系统负荷,可在较低的牵引负荷下表现出同样或更好的性能,如簧载质量下降,将明显提高行驶平稳性和舒适性。二是为了提高轿车安全性而增加的辅助装置导致汽车增重,也需要通过轻量化予以补偿。

  中国汽车工程协会的研究表明,如果以“重量比功率=整备质量÷发动机功率”来衡量质量与动力的匹配程度,0.95-1.05比功率是合理比功率值分布带。而中国乘用车(尤其是自主品牌)符合该标准的比例整体偏低,超重情况显著,汽车铝化势在必行。

  与这个大趋势同步进行的,是我国新能源汽车发展迈入快车道,车型轻量化大势所趋。根据中国汽车工业协会统计,我国2016年新能源汽车生产51.7万辆,销售50.7万辆,比上年同期分别增长51.7%和53%。其中纯电动汽车产销分别完成41.7万辆和40.9万辆,比上年同期分别增长63.9%和65.1%;插电式混合动力汽车产销分别完成9.9万辆和9.8万辆,比上年同期分别增长15.7%和17.1%。而根据国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》,到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆,未来发展前景不可限量。

  由于汽车动力电池的储能限制,新能源汽车的车体轻量化程度将直接决定其续航里程。站在产业端看,虽然碳纤维复合材料兼顾了高强度与低重量的特点,被视为新能源车体的最佳材料,但考虑到新能源汽车的发展仍在初期推广阶段,碳纤维复合材料高昂的使用成本短期内不利于消费市场开拓,铝合金车身仍将在未来竞争中长期占据主流。

  各国交通法规对于降低汽车对行人碰撞伤害的要求也使汽车轻量化成为必要。从理论上说,汽车碰撞时的冲击能量与汽车的质量成正比。在同等条件下汽车越轻,碰撞时产生冲击能量越小,车身结构的变形、侵入量和乘员受到的冲击加速度就越小,汽车对乘员的保护性能更佳。此外,汽车制动时所消耗能量也与汽车质量成正比,车重较轻的汽车刹车时对制动器消耗能量较小,制动减速效果好,制动距离更短,从而提升汽车主动安全性。因此无论从汽车被动安全性和主动安全性角度,合理的汽车轻量化都利于汽车安全性能的提升。

  全球汽车铝化趋势明显,国产车用铝量提升空间巨大。实际上,海外汽车铝挤压材的应用已很普遍,在汽车车身系统、热交换系统、底盘系统、悬挂系统、制动系统等应用程度已很高,尤其是很多国家的热交换系统铝造比例已经达到100%。以北美为例,铝材占汽车总量的比例从2006年的6.9%提高到了2009年的7.2%,2012年进一步提升至9%,预计2025年将提升至16%。中国汽车用铝量比欧美要低很多,且挤压材在国产汽车上的应用比较有限,以热交换系统管路、底盘悬挂系统、导轨、车窗框架以及内部镶饰件为主。

  车身结构件、覆盖件、安全件是下一步汽车铝化的重点,铝板材最受关注。从海外看,铝合金在汽车上的应用日臻完善,发动机、变速箱、热交换器等功能件的铝化已基本完成,未来铝化的重点是车身结构件、覆盖件、安全件。从国内看,汽车功能件的铝使用量与国外尚有差距;而在车身结构件和覆盖件方面,国内技术起步晚,仍受制于铝材塑性成型工艺的限制,发展空间极大。

  除了汽车,另外一个不可忽视的领域是正处于爆发前夜的国产大飞机行业。

  铝材是民用航空器主导材料。

  几乎所有的铝材(板、箔、管、棒、型、线、锻件、压铸件、铸件等)都在航空、航天器中获得应用,其中使用最多的是板材和型材。根据统计,目前民用飞机的铝化率约占75%,著名机型波音777客机铝合金约占机体结构质量的70%。虽然近年来钛、镁、碳纤维复合材料等各种新型高性能轻量化材料不断进入飞机制造领域,但铝材仍然未来在飞机制造中占据较大比例。

  2017年5月5日我国自主研发的大型客机C919在上海浦东国际机场顺利起飞,这是中国首次按照国际标准研制、拥有自主知识产权的大型客机。至此,中国成为继美国,欧盟,俄罗斯第四个有能力生产建造大型客机的国家。C919的试飞再一次吸引了全国人民的目光,同时必将提升国内铝合金、铝锂合金材料在航空领域需求。

  C919客机机头、前机身、中央翼、中后机身等九大部段都由中航工业集团等国内航空工业企业制造,飞行控制系统、机轮刹车系统、辅助动力装置和导航系统等由霍尼韦尔公司提供,发动机由美国通用电气提供,采用了中国自主研发的超临界机翼,提速省油,性能优越。同时机身采用了大量的新型铝合金、铝锂合金等新型材料,铝锂合金的应用更是达到国际先进水平,其中部分材料将来自于美国爱励铝业(Aleris),国内中国铝业旗下西南铝也参与供货。

  支线飞机方面,中国商飞公司自行研制的ARJ21-700客机选用了大量的符合国际先进标准的铝合金材料,否则会影响民机在航线上使用,为此,为获取适航证而制造的一些飞机的铝材全部从美国铝业公司等进口,该机的铝化率约达75%,共用13种变形铝合金。

  国产飞机发展的初期阶段为了保证快速获得适航证以及性能的稳定,进口铝合金材料仍将占据不小比例,但考虑到国内研发力量的提高与生产技术的拓展,未来进口替代已是大势所趋,前景广阔。

  铝材同样是海外客机的是首选用材。以空客A380为例,为了尽可能地降低最大起飞质量,飞机最大限度的地使用了铝,采用质量占材料总采购量的78%,广泛运用在客机机身的座位轨道、主舱地板粱、各种铸造门、机身蒙皮等部分;以及机翼的桁条、机翼蒙皮、翼粱、外翼等部位。目前国内外主要大型客机的铝化率约70-75%。所有铝材(板、箔、管、棒、型、线、锻件、压铸件、铸件等)都在航空、航天器中获得应用,但用得最多的是板材和型材。轧制板材使用率达到60%,挤压型材约占28%。

  2015年9月,中国商飞公司发布《2015-2034年民用飞机市场预测年报》。年报预测,未来二十年,全球航空旅客周转量(RPK)将以平均每年4.7%的速度递增,预计将有37049架新机交付,价值约48,235亿美元(以2014年目录价格为基础),用于替代和支持机队的发展。中国市场将接收50座以上客机6,218架,价值约8,037亿美元(以2014年目录价格为基础),折合人民币近5万亿元。其中,50座以上涡扇支线客机交付773架,价值347亿美元;单通道喷气客机4195架,价值3900亿美元;双通道喷气客机1250架,价值3800亿美元。


更新日期:2018-05-25 | 返回