概念

汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。国内外基于环境压力，针对汽车能源消耗和污染排放制定高压限制政策。在降低油耗的途径中，可行性最大、对汽车整体设计影响最小的即为轻量化。汽车整备质量的大小对于汽车的油耗起着重要作用，汽车的质量会影响汽车的滚动阻力、坡度阻力和加速阻力，这些阻力都会影响油耗；其他途径包括提升发动机热效率，降低传动过程中损耗和改善车轮摩擦特性等，均涉及大量重新设计、标定的工作，开发周期相对较长，可行性较低。

一：汽车轻量化驱动因素

1.环境污染

美国健康效应研究所发布的《2019全球空气状况》报告显示，2017年全球因长期暴露于室外和室内空 气污染而死于中风、心脏病、肺癌、糖尿病和慢性肺病的人数达到近500万；中国是120万，在全球占比24%。在全球所有健康风险因素中，空气污染位列第五，在中国空气污染在健康风险因素中位列第四。2017年在全球范围内，室外和室内空气污染致人均预期寿命缩短达20个月，在中国空气污染使人均预期寿命缩短23个月。在非传染性疾病中，空气污染对肺癌发病的贡献率是26%，对心脏病、中风的贡献率分别是17%、12%。这凸显了必须加速治理空气污染的重要性。

根据生态环境部门数据，2018年全国机动车四项污染物排放总量为4065.3万吨，中国产业调研网预测，2020年四项污 染排放物总量3844.1万吨，较2018年同比减少5.4%，而2017年至2018年同比增 速为-6.7%，相比之下污染排放量降低速度趋缓。2018年四项排放物中，汽油车在CO、HC排放占比最高，占比分别达87.5%/77%；柴油车在NOx排放占比达71.2%，几乎贡献PM所有的排放量，占比达99%以上。

2.节能降耗

随着汽车保有量的逐年提升，汽车已经成为石油的消耗主体。《中国制造2025》把轻量化当成汽车产业发展的重要方向。轻量化已是汽 车发展的必然需求。降低汽车自身重量可以提高整车的输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量。研究表明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整 备质量每减少100 公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。据欧洲铝业 协会报告，汽车质量每降低100kg，每百公里可节约0.6L燃油，减排800-900g的CO2。

3.政策推动

根据工信部最新政策《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》要求：我国乘用车新车平均燃料消耗量水平在2025年下降至4L/100km，对应二氧化碳排放约为95g/km 的国家总体节能目标。

2015-2020年间，中国油耗目标降幅6.2%，均高于美国、欧盟及日本的2.2%/5.6%/3.6%；2015-2025年中国目标油耗降幅达42%，年均降幅为5.3%，仅略低于欧盟（目标降幅46，年均降幅6%）。随着全球陆续更新油耗降减标准，各国出台环境保护政策，同时我国汽车不断完善汽车排放限制标准，轻量化将作为百公里油耗降低的必然途径，开启汽车节能减排新进程。欧盟委员会在《欧洲2020战略》中提出将以“创新”和“绿色”为导向，逐步形成建立在绿色低碳经济基础之上的产业竞争力；《2050年迈向具有竞争力的低碳经济路线图》中又提出要求2050年欧盟的碳排放量比1990年下降80%至95%。意大利罗马最早将在2024年禁售柴油车，随后荷兰、挪威将开始在2025年禁售燃油汽车。2019年3月海南省政 府提出2030年“禁售燃油车”时间表，并在2020年6月获得官宣，打响我国禁售燃油车第一枪。未来随着全球环境保护标准要求的提升，我国各地区禁售时间陆续推 进，汽车轻量化将成为节能减排的重要途径。

2017年版双积分政策明确了CAFC、NEV 双积分的 核算、抵偿方法，2019和2020年度 NEV 积分比例要求，以及对未抵偿清零负积分企业的处罚措施。 2019年7月，工信部发布2021-2023年《乘用车企业平均燃料消耗量（CAFC）与新能源汽车（NEV）积分 并行管理办法(征求意见稿)》修正案，新增2021-2023年度 NEV 积分比例要求，在NEV积分达标值计算过 程中引入低油耗乘用车的概念，并对积分计算方法、工况标准进行了调整；2019年9月，工信部发布关于 修改《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法（征求意见稿）》的决定（以下简称“2019版双积分修订征求意见稿”），将低油耗乘用车的生产量或者进口量按照其数量的0.2 倍改为0.5倍计算以及调 整纯电动车型能耗目标值等。

4.新能源汽车发展需求

新能源汽车对轻量化的需求更为迫切：

目前一般内燃机车加满油的续航里程都在500公里以上，大部分的电动车续航里程在300-400公里左右，和内燃机汽车差距是存在的。为了增加续航里程，可以通过增加电池容量，但同时也增加整车质量，使得续航里程的改善达不到预期效果。因此光增加电池很难解决续航里程问题，必须同时降低整车质量。纯电动车的整车成本结构中，电池约占30%-50%。在相同的续航里程下，采用轻量化技术的电动车可以减少电池数量，从而大幅度降低电池成本和整车成本。纯电动汽车整车重量每降低10kg，续航里程可增加2.5km。同时轻量化技术的应用有利于减少制动距离，增加动能节省，亦有利于减轻噪音振动性。

由于消费者对于续航里程及充电时间的敏感，轻量化对于新能源汽车尤为重要，随着未来新能源汽车不断普及，充电设施陆续覆盖，节能环保需求提高，新能源汽车轻量化市场空间非常广阔。

二：轻量化材料

目前汽车行业轻量化材料主要有：高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料， 对应减重效果及成本费用上由低到高。

1.高强度钢和复合材料

高强度钢（HSS）是指屈服强度在210-550MPa之间、抗拉强度在270-700MPa之间的钢材，而屈服强度超过550MPa的钢材则称为超高强度钢。高强度钢依然是客车轻量化主要材料，近年来，钢材作为客车车身的主要材料，在满足刚度、强度及防腐能力要求的基础上，通过多种改进技术，钢材的品质和性能大大提高。

复合材料主要有玻璃纤维增强材料，碳纤维增强材料，具有重量轻，刚度，强度和耐腐蚀好等优点，在仪表盘、前部保险杠，车身内饰件、侧围内饰衬板、地板及座椅等结构上应用并取得显著效果。碳纤维（增强聚合物基）复合材料有足够的强度和刚度，抗拉强度一般在3500MPa 以上是钢结构的7～9倍，抗拉弹性模量在2000MPa，质量比铝合金轻，具有耐腐性、高模量的特性，其适用于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料，碳纤维可使汽车车身、底盘减轻40%～60%的重量，相当于钢结构重的1/3～1/6，碳纤维具有良好的减重效果。

2.铝合金

以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、回钛、铬、锂答等。

铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。

铝合金分两大类：铸造铝合金，在铸态下使用；变形铝合金，能承受压力加工，力学性能高于铸态。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等。

铝合金的优点：

（1）铝合金质量轻、耐腐蚀，加工成形好。

（2）铝合金热传导效能和导电性能好。

（3）铝合金的非磁性，使得其用于特殊的电气设备。

（4）铝合金的无毒性及可回收性。

铝合金的缺点：

（1）铝合金硬度比较低，耐磨性较差。

（2）铝合金熔点低，高温使用受到限制。

（3）铝合金弹性模量比较差，只有钢的⅓。

（4）铝合金电子电位极负，和其他异金属接触时，易作为阳极产生严重的电偶腐蚀。

3.镁合金

镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（1.8g/cm3左右），强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。

镁合金的优点

1、镁合金密度小但强度高、刚性好。在现有工程用金属中，镁的密度最小，是钢的1/5，锌的1/4，铝的2/3。普通铸造镁合金和铸造铝合金的刚度相同，因而其比强度明显高于铝合金。镁合金的刚度随厚度的增加而成立方比增加，故而镁合金制造刚性好的性能对整体构件的设计十分有利。

2、镁合金的韧性好、减震性强。镁合金在受外力作用时，易产生较大的变形。但当受冲击载荷时，吸收的能量是铝的1.5倍，因此，很适合应于受冲击的零件—车轮；镁合金有很高的阻尼容量，是避免由于振动、噪音而引起工人疲劳等场合的理想材料。

3、镁合金的热容量低、凝固速度快、压铸性能好。镁合金是良好的压铸材料，它具有很好的流动性和快速凝固率，能生产表面精细、棱角清晰的零件，并能防止过量收缩以保证尺寸公差。由于镁合金热容量低，与生产同样的铝合金铸件相比，其生产效率高40%～50%，且铸件尺寸稳定，精度高，表面光洁度好。

4、镁合金具有优良的切削加工性。镁合金是所有常用金属中较容易加工的材料。加工时可采用较高的切削速度和廉价的切削刀具，工具消耗低。而且不需要磨削和抛光，用切削液就可以得到十分光洁的表面。

5、资源丰富。中国是镁资源大国，菱镁矿、白云石矿和盐湖镁资源等优质炼镁原料在中国的储量十分丰富，为中国的原镁工业及“下游”产业的蓬勃发展和不断进步提供了物质保证。进入20世纪90年代以来，随着改革开放和市场经济的不断深入发展，中国镁工业也有了突飞猛进的发展。2000年全国镁产量约为200kt，几乎占世界镁产量的40%，位居全球第一。2005年，原镁产量达到354kt，原镁产能接近600kt，比2004年净增100kt，同比增长32.1%，占全球镁产量的2/3，成为中国继铝、铜、铅、锌之后的第五大有色金属。

镁合金的缺点

1、易燃性。镁元素与氧元素具有极大的亲和力，其在高温下甚至还处于固态的情况下，就很容易与空气中的氧气发生反应，放出大量热，且生成的氧化镁导热性能不好，热量不能及时发散，继而促进了氧化反应的进一步进行，形成了恶性循环，而且氧化镁疏松多孔，不能有效阻隔空气中氧的侵入。

2、室温塑性差。镁属于密排六方晶体结构，其在室温下只有1个滑移面和3个滑移系，因此它的塑性变形主要依赖于滑移与孪生的协调动作，但镁晶体中的滑移仅发生在滑移面与拉力方向相倾斜的某些晶体内，因而滑移的过程将会受到极大地限制，而且在这种取向下孪生很难发生，所以晶体很快就会出现脆性断裂。在温度超过250℃时，镁晶体中的附加滑移面开始起作用，塑性变形能力变强。

3、耐蚀性差。镁具有很高的化学活泼性，其平衡电位很低，与不同类金属接触时易发生电偶腐蚀，并充当阳极作用。在室温下，镁表面与空气中的氧发生反应，形成氧化镁薄膜，但由于氧化镁薄膜比较疏松，其致密系数仅为0.79，即镁氧化后生成氧化镁的体积缩小， 因此耐蚀性很差。

三：研究分析

市场上最主流的轻量化材料为高强度钢和铝合金材料，高强度钢由于其超高强度主要应用于车身骨架的关键部位；铝合金材料由于其良好的减重效果主要应用于覆盖件，壳体等位置。两者的性能和价格可达到平衡，因此了实现大规模商业化应用。

镁合金耐腐蚀性差、易燃、成本较高的缺陷限制了其应用，因此镁合金一般应用于内饰，轮毂和动力总成中。碳纤维复合材料成本远超镁铝合金，但减重效果远胜于金属材料，目前仅应用于赛车、超级跑车等。

鉴于高强度钢和铝合金材料已经实现大规模商用；碳纤维复合材料的成本过高，无法做到商用，公司将镁合金部分进行了细化研究。

1.镁产业链

镁产业链条当中，在原镁制造及加工环节，镁合金已成为原镁下游需求增长的主要动力，其中国内原镁下游需求结构当中镁合金用量占比达41%；另外相当大一部分作为冶金添加原料，主要应用于铝合金、钢铁冶炼当中的脱硫脱硝等。镁合金通过压铸等深加工工艺制备的零部件，65-70%应用于汽车行业，20%应用于3C产品，航空航天等其他消费领域占比10-15%，目前镁合金的需求驱动主要来自汽车行业；

2.用镁量情况

2015年国内单辆汽车用镁量约为1.5kg，虽然2018年单车用镁量上升至4kg左右，但与发达国家的差距近年来并没有明显收窄，同时相比于2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》当中提到的2020/2025/2030 年镁合金单车用镁量要达到 15kg/25kg/45kg 的目标，也有很长的路要走。

目前国内市场镁合金在汽车当中小型零部件如方向盘骨架已得到普遍应用（渗透率 90%以上），但在中大型零部件如支架类普及度仍低。

3.镁发展不及预期原因分析

3.1原因---技术不成熟（但现在国内镁合金技术已经跟上国际水平）

我国拥有丰富的镁资源和低成本优势，所生产镁产品除了能够满足自身需求（据海关总署统计，2019年进口金额仅为702万美元），在出口量方面也占到全球近一半。但从出口结构来看，初级产品（镁锭、镁合金、镁粉/粒、废镁）占比高达98%，而在高附加值的深加工产品方面，镁加工材（主要是型材、板材、锻件）和镁制品占比过低，高端产品出口数量基数极低的情况下，从最新数据来看，2019年镁合金加工材及制品出口量反而出现下降。整体来看，我国镁合金深加工规模和高端制造水平还很低，镁产业仍以生产和出口低附加值产品为主，且对出口依赖程度很大，并未有效将战略资源优势转化为产业核心竞争力，从硬件层面尚未准备好迎接汽车轻量化大趋势下的镁制品需求增长。

虽然镁合金具有重量轻、减震性能好等优秀综合性能，但同时存在耐热性和耐腐蚀性较差等缺陷，相比钢、铝合金等材料来说稳定性一直是被质疑的点。而对于主要下游市场汽车制造行业来说，在综合成本相差不大的情况下，优先会考虑材料的成熟性，毕竟如果要规模化应用某种新材料，就需要进行材料认证、设备更新、聘请新的专业技术人员、培训工人等，这都是额外的成本增加。因此理论上来说，工业应用都会滞后于实验研究几年甚至更长时间，而镁合金成为轻量化材料研究热点并没有很长时间，未来要实现大规模应用仍需不断实践和产业内外推动力

2.2原因---镁价格不存在优势（但从最新的数据来看，镁价和铝价已经近似）

历史上来看大部分的时候镁的价格均高于铝的价格（最新的价格已经比铝低了，但是下滑有解释说是因为国内需求量较低，镁相关产品很大一部分是依赖出口，而海外疫情因素，导致的库存积压，最终导致的价格下跌，同样国内也有一定的疫情影响，如果属实，那这个价格的下跌是不可持续的），同时下游终端实际应用中因为如上一点提到的技术不成熟的因素会存在潜在成本增加的问题，理论上就需要更低的镁价。（例如汽车行业）

2.3原因---行业整体分散（未来产能向龙头聚集）

目前我国的原镁产能几乎都是皮江法（2018年134万吨原镁产能中只有5万吨为电解法）（电解法和皮江法是生产原镁的两大主流工艺，电解法的原材料是菱镁矿或卤水，该工艺曾经一度占据全球80%的原镁产能，但由于生产工艺较难控制，酸性环境对设备的腐蚀以及污染严重等问题，近年来逐步减少。而皮江法工艺流程和设备较为简单、建厂投资少、生产规模灵活，很快取代电解法成为当前的主流工艺。）

整体来看原镁端行业集中度较低，生产规模普遍较小，并且多以民营中小企业为主，产业端难以形成技术和资源的集聚效应，更难以独立推动镁作新材料的替代和建立新的材料开发应用体系

4.改善预期

4.1节能，环保，轻量化政策

已在本文开头提及，不做重复叙述

4.2各类合金的使用

镁、铝合金成为未来汽车轻量化的主要理想材料。汽车轻量化的途径主要有两种：一是优化汽车框架结构；另一个是在车身制造上采用轻质材料。其中，镁、铝合金成为未来汽车轻量化的主要理想材料。使用镁合金比使用铝合金减轻效果更为明显。在整车中，重量最大的组件为动力系统、底盘系统及车身，这三大系统的总重量达到整车重量的83%，其中车身重量比重为28%。以白车身为例，如果使用铝合金代替钢和高强度钢，其重量仅为230kg，减重比例最高可以达到40%；而镁合金的重量约为铝合金的2/3,其重量仅为153kg，减重比例可超50%。

目前镁合金在汽车上的应用零部件主要可以归纳成两类，壳体类：如离合器壳体、阀盖、仪表板、变速箱体、发动机前盖等；支架类：如方向盘、转向支架、刹车支架、座椅骨架、车镜支架等。在实际应用中，针对不同零部件所产生的减重效果是不同的（具体见下图），从30%-80%不等。除了减重效果外，由于具备极为良好的减震性能，采用镁合金不仅提高了汽车零部件使用寿命，增强了汽车的安全性，还降低了汽车行驶时的振动和噪声，提升乘坐舒适性。

从轻量化需求角度来看，新能源汽车厂商意愿更为强烈，近年来两个事件对镁行业有所提振，一个是2017 年登陆市场的蔚来 ES8的仪表盘支架及前端模块框架皆由镁合金所制，相比于传统的钢结构减重 50%以上，单车用镁量突破7kg，这一水平已接近欧美国家汽车的单车用量；另一个是2020年特斯拉 Model Y 座椅骨架（靠背+座框）全部使用镁合金，随着后续特斯拉供应链逐步本土化，将给相关企业带来确定性订单增量。

目前镁合金应用零部件以铸造件为主，目前主要应用在转向支撑（CCB）、座椅骨架、前端模块等，而转向支撑镁合金在汽车方向盘领域的渗透率达到90%，国内也在逐步推广镁合金在仪表盘支架、座椅支架和中控支架这些在国外已经较为成熟的运用。作为新能源汽车的标杆企业之一的特斯拉已在座椅支架中开始使用镁合金。

4.3国内外差异

在汽车上使用镁合金较多的国家主要是欧洲、日本、美国等发达国家，单车使用量最多达20kg 以上，而我国镁合金使用量还十分有限，单车用量仅为4kg，与海外相比我国还有 3-4 倍的提升空间。理性来看，现阶段镁合金更适用于对抗腐蚀性要求不高且对减震性要求比较高的车内部件，仪表盘支架、中控支架和座椅骨架等是最可能普及的镁合金部件。

4.4其他应用方向

3C产品是镁合金下游第二大需求领域，在3C产品中主要用作壳体材料，由于拥有重量轻、散热性好、电磁屏蔽能力强、抗震性好等优点，相比 ABS 壳体有明显优势，符合手机、笔记本电脑等 3C 产品轻薄、尺寸缩小的发展需求。现对应镁合金需求量将从4.5万吨。但全球3C产品保有量趋于饱和，销量增速下滑的问题

使用镁合金可以明显减轻飞行器结构重量，综合减重效果比铝合金高出25%~35%，能为航空航天设备带来巨大的经济效益。与此同时，镁合金的性能可满足航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求。《镁合金在航空航天领域中的应用》一文中研究表明，航空航天设备每减少 1 磅重量所带来的经济效益，商用飞机为300美元，战斗机为3000美元，航天器则高达3万美元，因此镁品在航空航天中的应用前景广阔。

共享单车、5G基站、动力电池等镁合金新兴应用不断拓展。

镁合金用于共享单车的轮毂可减轻重量，另外在山地车的避震前叉外筒、镁合金车架、脚踏、手把等也可使用镁合金。

高强高导热镁合金应用于5G基站建设4G及其以前的通讯基站关键仪器仪表的基座和壳体材料主要采用铝合金，但5G基站功耗是4G基站的2.5-4倍，发热量将增加，散热不及时就会严重影响网络稳定性和设备使用寿命，那么具有高强度、高导热性能且质量更轻的镁合金将替代铝合金成为新的基座和壳体材料。新一代移动通信产品大量使用挖空镁合金框架，据中国有色金属协会镁业分会数据，在4G和5G通信基站散热器方面，国内已经至少有500多亿元的市场需求量。万丰镁业已拿到华为5G 基站用镁合金的生产订单。

镁合金可用于动力电池箱体。镁合金电池箱体可减重、延长续航里程以及有效散热，公司正在和宁德时代、比亚迪等合作开发相关镁合金产品。