Zamak

À température ambiante, la limite d'élasticité des alliages de zinc est très supérieure à celle des alliages d’aluminium et de magnésium ainsi qu’à celle des plastiques les plus résistants. Les alliages de zinc sont capables d’absorber une grande quantité d’énergie en se déformant sous l’effet d’une contrainte largement supérieure à la contrainte maximale admissible.

Les alliages de zinc sont reconnus comme des matériaux rigides. Leur résistance au cisaillement, à la torsion, à la flexion et à la compression est élevée. Ces propriétés alliées à la résistance mécanique du Zamak permettent de diminuer les volumes des pièces à réaliser, économisant ainsi du poids et de l’espace.

Une forte résistance aux chocs et une bonne ductilité sont les qualités intrinsèques des alliages de zinc, qualités qu’on retrouve plus rarement dans les autres alliages de fonderie réalisés en sous pression. La ductilité est importante dans les opérations de post fonderie telles que le rivetage et de sertissage. La résistance aux chocs (résilience) permet l’utilisation des alliages de zinc dans des conditions d’emplois difficiles.

Pièces en Zamak fabriquées en grande série.

Les alliages de zinc sont plus durs que les alliages en aluminium ou en magnésium. Les éléments d’addition tels que le cuivre améliorent la résistance à l’usure. Les alliages de zinc sont ainsi utilisés dans des applications de frottement sous charge moyenne où les propriétés de frottement du Zamak permettent de réaliser des pièces sans recourir à des traitements de surface. On trouve ainsi de nombreuses applications dans la serrurerie ou l’horlogerie.

Comme les alliages de zinc conduisent bien la chaleur et l’électricité, ils peuvent être utilisés pour produire des dissipateurs de chaleur. L’excellente coulabilité (fluidité) des alliages de zinc permet ainsi de créer des ailettes très fines de refroidissement sur les pièces. La conductivité électrique permet de concevoir des boîtiers répondant aux exigences électroniques en termes de protection et blindage électromagnétique (protection EMI, RFI et ESD). 

La résistance à la fatigue est un critère important dans le choix d’un matériau, la rupture due à la fatigue étant le cas le plus fréquent dans les pièces mécaniques. Les alliages de zinc ont des résistances à la fatigue sept à dix fois plus importantes qu’un plastique de type ABS.

Tous les matériaux fluent. Le fluage est un phénomène physique qui provoque la déformation irréversible différée d'un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d'élasticité du matériau, pendant une durée suffisante. Les alliages de zinc, comme tous les matériaux, peuvent présenter des déformations lorsqu’ils sont soumis de manière permanente à un couple « température + contraintes » important. D’une manière générale, une attention particulière doit être apportée pour des utilisations au-delà de 70 °C, sous contrainte permanente. Pour des applications présentant un risque de fluage, comme l’application continue d’une force à une température élevée, les alliages de zinc ont une résistance supérieure par rapport aux plastiques courants injectés. Cette propriété permet aux alliages de zinc d’être utilisés dans le cas de chargement statique. Cependant, un dessin optimisé en termes de contraintes minimales et une étude poussée des températures appliquées sont nécessaires pour vérifier la compatibilité des alliages de zinc avec le cahier des charges de l’application finale.

La santé matière des pièces est en grande partie liée à la conception de produit, la bonne réalisation du moule et au contrôle de l’injection. Ces paramètres maîtrisés permettent de répondre à des demandes d’étanchéité d’une pièce soumise à une pression donnée. Comme pour tous les matériaux injectés, plastique ou métallique, il y a une forte intrication entre le design de la pièce et l’optimisation du remplissage.

La capacité d’amortissement des alliages de zinc en termes d’absorption d’énergie (vibrations mécaniques ou naturelles) est comparable à celle des alliages de magnésium et cinq à dix fois supérieure à celle des alliages d’aluminium. Cette caractéristique permet aux alliages de zinc d’être un choix parfaitement adapté pour les applications où des absorptions de vibrations sont demandées.

En ambiance d’intérieur, les alliages de zinc se ternissent. Ce changement de coloration correspond à la formation d’une très fine pellicule d’oxyde de zinc. Aucun traitement protecteur n’est donc nécessaire si l’on ne recherche pas un aspect décoratif. Le zinc est utilisé de façon courante pour protéger l’acier en extérieur (galvanisation) : pylônes, toitures, glissières de sécurité. En ambiance extérieure agressive (tropicale, pétrochimique, marine), cette couche d’oxyde de zinc apparaîtra sous une forme blanchâtre communément appelée rouille blanche. Cette oxydation n’altère en rien les caractéristiques mécaniques du Zamak. Elle peut être retardée par l’application d’une passivation. Les alliages de zinc ne sont pas attaqués par les hydrocarbures liquides raffinés, ni par les différents combustibles gazeux utilisés pour les usages domestiques, d’où son utilisation pour la fabrication de carburateurs ainsi que d’appareils destinés à la distribution du gaz naturel.

Tous les alliages de zinc à l’exception du ZA 27 sont considérés comme « non étincelables ». Ils sont une alternative parfaite et peu coûteuse par rapport aux bronzes dans des environnements potentiellement explosifs. Le zinc étant amagnétique, il peut être un matériau idéal dans l’électronique ou pour des applications sensibles aux perturbations magnétiques. 

• L’excellente coulabilité des alliages de zinc permet d’envisager des pièces esthétiques et complexes, à même de valoriser le produit du client. Ces pièces fonctionnelles peuvent être moulées en une seule unité, ce qui évite des opérations d’assemblage.
• Les technologies récentes d’injection, alliées à une conception précise des outillages autorisent des parois très fines, réduisant directement la quantité de matière et la masse à transporter.
• Les caractéristiques physiques du Zamak induisent l’utilisation de machines d’injection en chambre chaude proportionnellement plus petites (fluidité de l’alliage), fonctionnant à plus haute cadence (capacité de production et productivité), consommant moins d’énergie (basse température de fusion), avec une fréquence de maintenance des pièces d’usure beaucoup plus faible (interaction zinc – fer réduite). Ce dernier point permet aussi de garantir une durée des outillages beaucoup plus longue (pouvant atteindre un million de cycles voire plus, selon la complexité de l’outillage).

Avec une chaîne logistique simple et sécurisée. Les différents alliages de zinc, peu nombreux, sont normalisés et donc commercialisés par plusieurs producteurs. De plus, l’excellente tenue à la corrosion et à l’usure permet d’envisager une longue durée de vie (supérieure à vingt ans).

Le Zamak peut être recyclé à 100 %, avec une faible dépense d’énergie (faible température de fusion). Soit le produit est recyclé en Zamak sans perte de ses caractéristiques et il prend ainsi la forme d’un nouveau produit, dans le pur respect du modèle du berceau au berceau (ou économie circulaire à impact positif). Soit le produit est recyclé à travers une filière de distillation ou une filière de production d'oxydes. Ceci arrive quand la teneur de certains éléments de composition de l'alliage obtenu excède les limites de la norme NF EN 1774.

Cette étape est réalisée en étroite collaboration entre le fondeur et le donneur d’ordre pour répondre aux exigences du cahier des charges, et aux impératifs de la technologie de moulage sous pression d’alliages de zinc. Cette définition fonctionnelle numérisée, une fois redéfinie, servira à la réalisation des études des outillages. Ce travail permet d’optimiser les coûts et de fiabiliser la fabrication du produit.

Le prototypage rapide de pièces en Zamak se fait selon le procédé de coulée sous vide dit « à cire perdue ». L’utilisation de l’alliage ILZRO 12 permet d’obtenir des pièces dont les propriétés mécaniques sont très proches de celles des alliages de zinc coulés sous pression, avec néanmoins une moindre précision dimensionnelle.

Exemple d'outillage, fonderie Zamak.

La conception des outillages se fait sur CAO 3D à partir des éléments précédents (DFN de la pièce et simulation de remplissage). Un moule peut schématiquement se décomposer en trois parties :

• les empreintes : blocs d’acier usinés à la forme négative de la DFN de la pièce de fonderie définie à l’étape 1, retrait pris en compte ;
• le système d’alimentation : il permet l’acheminement du métal en fusion, depuis le four de fusion jusque dans les empreintes. Il est réalisé à partir des résultats de la simulation de remplissage ;
• la carcasse : ossature qui maintient les empreintes et qui comprend les éléments de fixation du moule sur la machine, les guidages du moule et les différentes cinématiques (éjection, glissières).

La réalisation est confiée à des spécialistes. Différentes techniques d’usinage sont utilisées : fraisage et tournage conventionnels, rectification plane et cylindrique, électro-érosion par enfonçage ou par fil ; fraisage 3D sur machine-outil à commande numérique.

Le moule est monté sur la presse à injecter et le technicien procède aux réglages de la presse. Il vérifie :

• les fermetures entre les parties en mouvement ;
• les différentes cinématiques ;
• le bon remplissage ;
• la bonne éjection sans déformation ;
• la qualité d’égrappage de l’alimentation.

L’égrappage est la séparation de la pièce et des autres éléments qui constituent la « grappe » : le système d’alimentation, soit l’ensemble des canaux permettant de remplir la pièce, et les talons de lavage, sorte de poches situées en aval de la pièce, permettant de récupérer les oxydes et autres impuretés. Cette séparation peut être effectuée mécaniquement avec un outil de découpe, ou bien manuellement, ou encore par un procédé en vrac appelé « tonneau » où la séparation se fait par le brassage des grappes et nécessite ensuite un tri pour isoler les pièces nobles des déchets à recycler.

Grappe.

Plusieurs procédés de finition peuvent être appliqués sur les pièces brutes :

• grenaillage : projection d’une poudre métallique, en général pour supprimer les bavures de moulage à l’intérieur d’une machine permettant de traiter un lot de pièces (procédé vrac) ;
• sablage : projection d’une poudre métallique sur la pièce à l’aide d’un jet dirigé (procédé unitaire, plus précis) ; cela permet de traiter à la fois les bavures et l’état de surface ;
• tribofinition : les pièces sont placées dans un bac vibrant contenant des cailloux abrasifs en céramique ou en matériaux polymères ; le frottement des cailloux sur les pièces réduit les traces laissées par les plans de joint et adoucit les angles vifs ;
• émerisage : les contours de la pièce peuvent être adoucis par un procédé abrasif, manuellement ou à l’aide d’un robot ;
• ébavurage : les bavures, potentiellement présentes dans les zones de fermeture de l’outillage, peuvent être retirées manuellement à l’aide d’un outil coupant ;
• polissage : les surfaces de la pièce peuvent être rendues lisses par un procédé abrasif ; ce procédé est souvent utilisé préalablement à un traitement de surface de très haute qualité d’aspect.

Une bonne conception de pièce, associée au procédé d’injection des alliages de zinc, permet d’obtenir des pièces ayant des formes complexes, des détails précis et un fini de surface qui rendent possible la réalisation de certains filetages et taraudages lors de l’injection. Cependant, des opérations de reprise peuvent être nécessaires à la finition des pièces : annuler certaines dépouilles, tenir des tolérances très serrées, réaliser des filetages ou des taraudages qui ne peuvent venir de moulage. L’usinabilité des alliages de zinc est excellente. En règle générale, on utilise des vitesses de coupe élevées, une avance réduite et une lubrification abondante. Après usinage, les pièces sont lavées et dégraissées pour être débarrassées des copeaux et des traces de lubrifiant. La ductilité du Zamak permet de réaliser des taraudages par refoulement, ce qui permet d’éviter la formation de copeaux.

Les possibilités de revêtement sur pièces en alliages de zinc sont multiples et permettent d’améliorer certaines caractéristiques comme la résistance à l’abrasion ou au frottement, d’obtenir une grande variété de présentations et d’aspects décoratifs, de renforcer leur tenue dans des conditions corrosives particulières.

• Traitements de conversion : les principaux traitements de conversion appliqués sur zinc sont la chromatation, la passivation, les phosphatations.
• Traitements par voie électrolytique : ils sont généralement utilisés dans des buts décoratifs et/ou de protection contre la corrosion. Tous les dépôts électrolytiques courants peuvent être effectués sur les alliages de zinc : cuivre, laiton, nickel, chrome, or, argent, etc. Hormis le laiton, ils nécessitent une sous-couche de cuivre afin d’éviter l’attaque du zinc.
• Peintures : peinture par cataphorèse, peinture liquide ou peinture en poudre.
• Métallisation sous vide : il est possible de déposer sur les alliages de zinc des matériaux métalliques (purs ou alliés), des oxydes ou des produits carbonés par les techniques de métallisation sous vide.
• Dépôts de polytétrafluoréthylène (PTFE) : ils sont utilisés lorsque l’on rencontre des problèmes de corrosion (sel blanc) et de frottement sur alliages de zinc.

Afin d’éliminer des opérations d’usinage (perçage, filetage et taraudage) et supprimer les éléments d’assemblage (vis, écrous, rivets), les alliages de zinc offrent la possibilité de réaliser des liaisons du type :

• sertissage / rivetage ;
• vissage ;
• emmanchement ;
• collage ;
• insert surmoulé ;
• surmoulage d’une pièce en Zamak.