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淺談鋁合金及鎂合金輪轂鍛造和鑄造工藝的優劣

發布時間:2018-11-16

     自從鋁合金輪轂的鍛造工藝被引進到國內以來,業內就出現了一種觀點,并一直流傳至今,就是鍛造鋁合金輪轂會成為車輪產品的發展方向,并最終會完全取代鑄造鋁合金輪轂。但是,從這三十年的鋁合金輪轂的生產、經營實踐來看,我們認為目前這兩種主流的制造工藝應該是沒有優劣之分的,只有適不適合具體的市場需求之區別,也就是說我們判斷制造工藝選擇的是否合適,主要看該鋁合金輪轂產品的銷售要定位在哪一個細分市場。以手表為例,大部分喜歡簡單、低調生活的人群在選擇手表時會更看重產品的走時精準、外觀漂亮、價格便宜的屬性,對手表的品牌往往要求不高,那么針對這個細分市場的特點,手表制造商就只能采用機械化、流水線式的制造工藝來進行高效率的大批量生產,以犧牲個性化達到降成本的目的,來滿足消費者對產品“物美價廉”的需求;而另外一部分喜歡精致、炫耀活法的人們則會挑選能夠代表其“身份”的價格昂貴的大牌機械腕表,雖然走時遠遠不如石英表準確,但大家依然趨之若鶩,因為相對于計時的功能,這部分人群更看重的是那個品牌背后附加的“價值”,那么這類產品的制造商就肯定會不惜成本的選擇傳統手工工藝來打造個性化的甚至“限量版”的腕表,來滿足奢侈品市場這部分消費者的需求。所以在這里你就不能簡單的說傳統手工打造的工藝就比機械化流水線生產的工藝好,亦或說機械化流水線的工藝高于手工工藝,同樣,鋁合金車輪產品的制造工藝也是如此。
鋁合金汽車車輪目前主流的成型工藝按大的類別分就是鍛造與鑄造,在同等條件下,鍛造鋁合金(6061合金)車輪的機械性能指標要優于鑄造鋁合金(A356.2合金)車輪,因此同樣結構、同樣要求的輪子,采用鍛造工藝的6061材質的鋁合金輪轂可以做到略輕于A356.2材質的鑄造輪子,粗略統計這個重量差大概在3~5%左右,但由于工藝的局限性,鍛造鋁合金輪轂的制造成本目前要遠遠高于鑄造鋁合金車輪。
首先,材料成本方面。現在市場上6061與A356合金材料的加工費幾乎是一樣的,廢輪廢料回收價格也一樣,在這方面兩者間沒有任何差別,但是目前采用鍛造工藝的鋁輪轂生產廠的現狀是絕大部分都沒有配備熔化爐和6061鑄棒設備,這也就意味著鍛造工藝生產線產生的大量廢料及廢輪都要以極低的價格(A00價格的80~90%)被外賣了,而鑄造工藝的生產線本身就配備有能夠回收廢品的熔化爐,如果稍微增加點投資就連鋁屑也一并回收利用了,所以對于鑄造工藝的生產線來說,鋁屑及廢料的價值等同于原材料,自己回收重熔就避免了這一塊的巨額損失。
其次,設備投資方面。在十幾年前鋁合金輪轂鍛造工藝的設備沒有國產化之前,整條生產流程的設備幾乎都需要進口,投資之巨絕對令人望而卻步,當時一條20~30萬只年產能的生產線沒有幾個億是下不來的,即便是在當下部分國產設備已經勉強可用的情況下,鍛造生產線的設備投入依然不菲,與鑄造生產線相比,單位產能的固定資產投資,前者應該是后者的兩到三倍以上。因此每只產品成本中的折舊費用,鍛造工藝的產品自然要高于鑄造工藝的輪子。
第三,生產效率。由于工藝技術上的局限,對于同樣外觀造型的產品,目前鍛造鋁合金輪轂輪輻及其窗口的機械加工量要遠遠高于鑄造鋁合金輪轂,即使是鍛造過程中增加了碾鍛工序的鍛造輪,雖然能初步完成窗口及輪輻的基本造型,但其機加工序的加工時間也要高于同樣鑄造輪的兩三倍以上,輪輻造型越復雜的輪轂這個差別就越大。因此為匹配整條鍛造生產線各工序間的加工能力,往往需要在機加工工序配備比鑄造生產線更多的數控加工中心,以便在遇到窗口造型復雜的輪型時,不致讓機加工序成為瓶頸,但在生產輪輻窗口加工量小的產品時,這些設備的加工能力又可能會部分閑置。這些問題的存在都是由于鍛造工藝的特性所決定的,最終都會反映到產品的成本上來。
第四,金屬利用率。上面我們提到鍛造鋁合金輪轂的機械加工量較大,這也就意味著鍛造鋁合金輪轂生產線在機加工序會產生大量的金屬屑,即使鋁屑能夠實現自行回收再利用,也會有2~3%的燒損及能耗損失,金屬利用率越低,燒損和鋁屑回收利用時能源的消耗就越大。鍛造鋁合金輪轂的這一塊額外的損耗最終也會體現在產品的制造成本上。
所以基于以上原因,在選擇鋁合金輪轂的生產制造工藝的時候,一定要考慮不同細分市場對不同制造工藝的鋁合金輪轂本身那些固有功能的偏好及市場對產品成本的承受能力。
鋁合金輪轂近年來之所以越來越多的搶占了傳統鋼制車輪的市場份額,一方面是由于它與鋼制車輪相比,本身具有美觀、散熱、質量輕、均勻性好等非常明顯的優勢,另一方面是隨著經濟的發展,消費者的購買力有了大幅提高,對鋁合金輪轂這個產品的有效需求增加了。在《西方經濟學》的教科書中對需求(Demand)的定義是這樣的:在一定的時期,在一既定的價格水平下,消費者愿意并且能夠購買的商品數量。所以一個產品能否產生需求,一是要本身具有能夠使消費者產生購買欲望的功能,另一個是要有消費者能夠承受得起的成本。因此,對于鋁合金輪轂來說,只有其本身固有的功能與成本(價格)這兩個要素完美的結合,才能在其各個細分市場產生最大的需求。
輪以車貴,鋁合金車輪產品的市場按照其配套使用的車的不同,大致可分為高、中、低三個檔次,下面我們就分別對車輪產品的高、中、低端市場的特點及適合不同市場的產品制造工藝進行逐一剖析。
一、高端車輪市場:
這個市場又可分為競技用車的車輪市場和頂級品牌乘用車的車輪市場。
競技用車的最終目的是為了取得好成績,為達到目標可以不計成本,而且某些高端比賽的車輪都是由贊助商無償提供的,例如國際汽車運動聯合會(FIA)舉辦的世界一級方程式錦標賽比賽用車,也就是我們俗稱的F1賽車的車輪就都是由BBS、O.Z Racing、RAYS和Enkei這些我們耳熟能詳的制造商免費贊助的。因此在這個細分市場,對車輪的要求主要是強度高、質量輕、散熱好和真圓度高,由于這類產品往往被要求在比賽過程中必須按時或按賽程更換新的,所以對這些近乎一次性使用的輪子來說,外觀是否美觀、輪子是否耐腐蝕等問題基本不會做過多考慮,因此在這個細分市場常見的鋁合金輪轂基本都是采用鍛造工藝制造的,同時這個市場也經常有鎂合金輪轂、碳纖維輪轂的身影出現,但該市場體量極其狹小,在現在全球每年消耗的三億多只鋁合金輪轂的總量中可以忽略不計的,所以我們也不做過多探究,只是了解一下就好。
頂級品牌乘用車的車輪市場,也就是我們俗稱的“豪車”(以我們所熟知的布加迪、勞斯萊斯等品牌為代表的乘用車)的車輪市場,包括OEM和A/M(售后市場)。首先購買頂級“豪車”的消費者,并不是因為“豪車”本身有多么強大的實用性,他們看重的是“豪車”的品牌所包含的象征意義:身份、地位、生活品位以及所處的生活圈子等,車本身的價格越高,這種品牌認同感就越強。同樣,作為“豪車”上一個重要的外觀件和安全件,車輪也要與“豪車”的這個屬性相匹配,所以這個細分市場的輪子一定要“貴”,同時一定還要外觀精美,至于輪子本身重量是否輕、能否省油則不是這個市場的消費者所考慮的問題。因此,在這個細分市場里,只要能被認可,采用成本較高的(6061鋁合金)鍛造工藝和成本相對低廉的(A356鋁合金)鑄造工藝都可以,因為輪子的售價足以支撐任何工藝方式的制造成本,區別就是利潤率的高低。這個細分市場里的OEM暫時也與我們的關系不大,一方面是因為訂單量非常小,另一方面這個市場也都是被歐美的幾個輪轂廠所壟斷,我們目前只能在國內的售后市場自娛自樂的做幾個“豪車”的輪子作為噱頭,為其它細分市場的產品造一造聲勢。
二、中端車輪市場:
這個市場其實就是我們平常所說的那個“車輪市場”,它包含了整個汽車車輪市場90%以上的份額,分為乘用車輪和商用車輪兩個市場。
(一)乘用車車輪市場:這個市場也可以根據其相應配套、使用的乘用車的檔次細分為高中低三個市場。
1、高檔乘用車車輪市場:
高檔乘用車就是我們日常所見的諸如保時捷、瑪莎拉蒂及“BBA”(奔馳寶馬、奧迪)等品牌中的高配置乘用車及與之同等價位的其它品牌乘用車。購買高檔乘用車的一部分消費者其心理與購買頂級“豪車”消費者的心理其實是一樣的,首先也是看中了高檔乘用車品牌背后所附帶的那些功能,而對車子本身的實用性考量卻排到了第二位;還有一部分消費者采購高檔乘用車是為了通過增加企業費用來減少企業利潤,達到在“享受”的同時又能合理避稅(企業所得稅)的目的,這部分消費者一般都是股權高度集中的非國營企業主或管理者。上面這兩類消費者選擇高檔車的目的是因為看中了高檔車的高價位,因此他們對輪子的高成本也是能接受或者說是根本不在意的,所以這個細分市場的輪子與上述頂級“豪車”輪子一樣,只要能被整車廠認可,鍛造、鑄造都是可以的。
2、中低檔乘用車車輪市場:
這里的中低檔乘用車是指諸如“BBA”品牌中的中檔配置及與之相同價位的其它品牌以下的全部檔次乘用車的總和,這一檔次范圍內的乘用車是中國大陸乘用車銷售市場的主力,占到中國大陸乘用車銷售市場份額的九成以上。我們之所以把中檔車和低檔車的車輪市場放在一起討論,主要是因為這個檔次范圍內的乘用車消費者完全符合經濟學里“合乎理性的人”的基本特征,“合乎理性的人”是所有經濟理論在研究過程中都必須設定的一個基本假設條件,也簡稱做“理性人”或“經濟人”的假設條件,這個假設是對在經濟社會中從事經濟活動的所有人的一個一般性的抽象,其基本特征就是:每一個從事經濟活動的人所采取的經濟行為都是力圖以自己的最小經濟代價去獲得自己的最大經濟利益。中低檔乘用車市場的消費群體,其實就是包括我們自己(土豪讀者除外)在內的這樣一群正常的“理性人”,他們的消費邏輯是追求品牌性能價格比,對價格很敏感。車對于這個群體的主要基本功能就是代步,說白了買車就是用來上班和買菜,偶爾也會自駕游,這個用途決定了這些車大部分是在城區內行駛,也就是說低速、頻繁啟停是車輛行駛的常態,所以對于這類車上的鋁合金車輪來講,什么質量輕能省油、熱傳導率高散熱好、真圓度高乘坐舒適等優勢一概都沒有機會展現,除了外觀漂亮外,其功用幾乎與鋼輪沒啥區別。所以在這個細分市場里,消費者對車輪的要求只能是外觀漂亮和價格合理,所謂價格合理也就是價格高點的車,輪子稍微貴點也可接受,但對于便宜的車,輪子一定不能貴(雖然相同工藝的鋁合金輪轂成本都差不多)。那么在目前成熟的制造工藝中,能夠做到讓車輪既美觀多樣又成本合理的就只有鋁合金鑄造工藝了,鑄造工藝中的低壓鑄造由于其生產效率高,便于實現少人化或無人化操作,非常適合大批量少品種的OEM產品的生產;而鑄造工藝中的另一種常見的重力鑄造工藝,由于設備造價低,鑄造模具便宜,則非常適合小批量多品種的售后市場產品的生產,特別是重力鑄造加旋壓的工藝在技術層面上堪稱完美,其產品質量甚至優于同樣造型的低壓鑄造的產品。
(二)商用車車輪市場:這個市場根據其相應配套、使用的商用車的不同分為大型商用車車輪市場和輕型商用車車輪市場。
1、大型商用車車輪市場:
這個市場又可再細分為大型客車車輪市場和大型載重貨車車輪市場。
大型客車主要的運行環境就兩個,一個是市內客運,也就是公交;另一個是長途客運。市內公交車行駛的主要特征是低速、頻繁啟停,所以這就決定了這個細分市場對輪子的要求不會也用不著很高,首先輪胎的散熱基本不需要;其次車輪帶來的舒適性在市內行駛時根本體會不到;至于輪子外觀是否漂亮的問題,那些趕時間的乘客更關心的可能是公交車是否快捷方便;而對于車輛能耗的影響,駕駛者的駕駛習慣因素可能要比鋼輪換鋁輪的影響更大。所以在公交車車輪這個市場,低壓鑄造的鋁合金輪轂就已經完全能滿足需要了,如果想進一步降低成本,那么鋼輪加裝飾罩就是最好的選擇。反之,對于經常在高速公路上行駛的大型客車來講,輪胎的散熱和輪子動平衡的好壞就顯得非常重要和必要了,所以對于這個細分市場來說,車輪最好要選擇鍛造工藝或者鑄造工藝制造的鋁合金輪轂,差別是前者造價要高于后者。


北京街頭安裝了鋁合金輪轂的公交車


沾滿泥土的鋁合金輪轂絲毫感覺不到美感


至于大型載重貨車,其運行狀況應該是大部分時間都在跑長途,這個細分市場對車輪的要求是強度高、散熱好、輕量化。強度高能夠保證車輛超載運輸時的安全;散熱好可以延長輪胎的使用壽命,同時對車輛制動系統的性能保證也有益處;而輕量化既可以降低一點點能耗的同時又可多拉點貨物,特別是在嚴禁超載運輸的當下,如果全部將鋼制車輪都換成鋁合金輪轂,一輛二拖三半掛車可多運載半噸多貨物,這就是為什么近幾年載重貨車用鋁合金輪轂突然火爆的原因。所以說在這個細分市場里,如果超載管制放松了,對于民營車主來說采用鋼制車輪肯定是最實惠的;而在嚴查超載或者將來道路收費負擔減輕,民營車主不必再通過超載掙辛苦錢的情況下,那么采用鍛造和鑄造工藝制造的鋁合金輪轂就是最好的選擇了。
另外補充一點,大型商用車車輪的海外市場與中國大陸市場有很大不同,特別是美國大型商用車市場對鋁合金車輪的要求基本限定于6061鋁合金材質的鍛造工藝生產的產品,其它工藝制造的鋁合金車輪則占很小的一部分比例。因此針對美國這個細分市場的鋁合金輪轂產品一定要采用鋁合金鍛造工藝。
2、輕型商用車車輪市場:
輕型商用車泛指我們常見的諸如輕卡、皮卡、微卡、面包車等車型,自身重量和載重量都不大,無論是采用鍛造工藝還是鑄造工藝生產的鋁合金車輪都能滿足車輛對于車輪的技術要求。這個市場也可再細分為輕型客車車輪市場和輕型貨車車輪市場。
輕型商用客車車輪市場的特點與乘用車車輪市場相似,也就是說如果車價高利潤空間大,那么采用鍛造工藝生產的鋁合金輪轂也無妨;如果又想外觀好看還想降低點成本那么鑄造工藝的鋁合金輪轂就最實惠;至于價格非常低廉的多座面包車,最好還是選用傳統鋼制車輪,畢竟鋼輪的成本低,如果整車廠非要標配鋁合金車輪又無法給輪轂制造商合理的價格,那么這樣的鋁合金車輪的產品質量就很難不會受到影響。
對于輕型貨車車輪市場來說,由于我們政策法規、消費理念、技術等方面的原因,使得我國輕型貨車的發展滯后于整個汽車行業發展的平均水平,整車的性能和價格都不高,因此這個細分市場對車輪的要求就是堅固耐用、經濟實惠,對外觀漂亮也有相當大的需求,所以針對這個市場,采用鑄造工藝生產的A356鋁合金輪轂就能夠滿足其基本的需求了,如果忽略外觀或為降低成本,那么傳統鋼制車輪就是唯一的選擇。同樣,這個輕型貨車的海外市場也與我國市場有很大區別,特別是我們熟知的美國和日本的“皮卡車”,其性能和價位都已超過我們前面討論過的中檔乘用車的水平了,因此該細分市場的特征和要求可參照中檔乘用車市場。
三、低端車輪市場
該市場主要是指為老年代步車、三輪、兩輪電動車、低檔摩托車等價格幾千至一兩萬間的車輛配套的車輪市場。在這個市場里由于車輛本身的價格有限,所以對輪子的要求就只能是經濟實惠,其它功能要素都可忽略,因此價格低廉堅固耐用的鋼制車輪應該是首選。但現在的實際情況卻恰恰相反,與中端車輪市場相比較,這個市場選用鋁合金車輪的比例反而非常高,車輛制造商之所以這么做,主要原因就是對自己產品的極端不自信,想通過鋁合金車輪“漂亮”的外觀來抬高所配套車輛的檔次,但鋁合金輪轂的漂亮外觀也是需要成本的,低價的鋁合金輪轂無法做到真正的美觀漂亮。據了解,目前該市場的鋁合金輪轂幾乎都是重力鑄造的,原材料也都是添加了高比例回用料的A356合金,車削加工粗糙,涂裝工藝簡單,熱處理工藝大部分都不很規范,甚至有極個別廠家對一些載荷不大的產品省略了熱處理工序。
上面是我們針對現階段不同車輪市場對鍛造和鑄造工藝鋁合金輪轂的需求分析,下面我們再簡單的探討一下最近非常熱門的鎂合金汽車輪轂產品的前景。
鎂合金汽車輪轂最早在上世紀六十年代就已出現,只是由于技術和成本的原因一直沒能進行批量化的生產,產品僅僅是少量的應用在高級跑車或賽車這些消費者對價格承受能力很強的車輛上。鎂合金汽車輪轂近幾年之所以熱度不斷提升,主要是由于金屬鎂的價格大幅下滑引發的,那么鎂為什么會降價呢?這就不得不要說說鎂的提煉方法了。
目前國際上通行的金屬鎂冶煉方法主要有兩種,一種是電解法,與電解鋁相似主要依靠電力為能源,成本較高;另一種是熱還原法也叫皮江法(Pidgeon process),主要以煤炭為燃料,成本與煤炭價格高度相關,該工藝也是目前中國冶煉鎂的主要方式。在上個世紀,本來是金屬鎂的價格要遠遠高于金屬鋁的價格的,直至本世紀初中國小煤窯泛濫,低廉的煤炭價格使得中國大陸熱還原法冶煉鎂的產能得到了近乎爆炸式的增長(這也就是中國陜西、山西等煤炭資源豐富的省份成為了鎂及鎂合金產業最集中的區域的根本原因),中國一夜之間成為了鎂的生產和輸出大國,大量鎂及鎂合金的出口迅速拉低了國際市場上金屬鎂的價格,造成了現在鎂與鋁同價甚至某些時候低于鋁價的情況,這也就促使了鎂合金輪轂再度成為熱點。據不完全統計,中國大陸近幾年公開在媒體上披露的“計劃建設”和“已經投產”的鎂合金輪轂項目不下十個,“鎂合金輪轂取代鋁合金輪轂并將成為未來輕質車輪發展方向”的聲音也不絕于耳,那么與鋁合金輪轂相比鎂合金輪轂的前景到底如何呢?下面我們還是按著分析鋁合金輪轂產品的思路,來看看現在鎂合金輪轂的生產工藝能否適合當前汽車車輪市場的需求。
首先在技術層面上,如果不計成本的話,現在無論是采用鑄造還是鍛造工藝,我們都有能力制造出符合汽車車輪機械性能要求的鎂合金輪轂。由于鎂活潑的化學特性和現有技術的局限,目前采用鍛造工藝生產鎂合金輪轂還是相對容易一些,所以現在中國大陸這些鎂合金輪轂項目基本上都在使用或準備采用鍛造成型工藝來進行鎂合金輪轂的生產。既然鍛造工藝是目前鎂合金輪轂生產制造的主要工藝方式,那么我們前面所討論的鍛造鋁合金輪轂工藝所存在的諸多成本問題,在鎂合金輪轂的生產過程中也同樣會存在,而且問題會更多,這主要是由于以下兩個原因造成的。第一,由于鎂的化學性質非常活潑,極易在自然環境中被氧化、腐蝕,而且與鋁不同的是金屬鎂氧化后在其表面形成的這層氧化膜疏松多孔,起不到保護基體的作用,因此鎂合金輪轂在涂裝工序中要增加一道額外的表面處理工序,目前普遍采用的是化學轉化膜等表面改性和表面涂層技術以達到隔離基體與外部環境的方法,這道工序需要專門的硬件設施,也要消耗一定的能源和耗材,同時也會產生新的環保問題,這些因素都額外增加了鎂合金輪轂的生產成本。另外,汽車車輪的工作環境我們大家都很清楚,一旦車輪遭到磨損、磕碰、刮蹭導致這個保護層破裂,而消費者又沒有及時發現時,那么后果恐怕就嚴重了,所以定期的檢查、修補、更換車輪也會增加消費者的后期使用成本。第二,中國大陸鎂合金輪轂的產業鏈還遠遠沒有達到鋁合金輪轂產業鏈那樣完善,無論是專用的設備、原輔材料的供應還是相關技術人員的招募、培養都會帶來額外的成本。
其次在外觀方面,由于鎂合金輪轂采用鍛造成型工藝,所以與鋁合金鍛造輪轂一樣,在外觀造型上鎂合金輪轂也會存在一定的局限性;同時,生產過程中額外增加的防腐處理工序使得鎂合金輪轂永遠不可能有象鋁合金輪轂“車亮面”的那種強烈金屬質感的外觀效果,鎂合金的車輪只能選擇全涂裝這種單一的表面處理方式,因此,上述這些種種無奈都會使鎂合金輪轂在外觀顏值上大打折扣。


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