alt=Lingots en Zamak|vignette|Lingots en zamak.
Le zamak est un alliage à base de zinc, auquel sont liés de l'aluminium, du magnésium et du cuivre. Il tire son nom de l'acronyme en allemand de chaque élément entrant dans sa composition : , , et (cuivre). Sa masse volumique est de et sa température de fusion de .
Particulièrement adaptés à la coulée sous pression, les alliages de zinc permettent d’obtenir des pièces minces et des pièces de configuration complexe.
Les excellentes caractéristiques mécaniques du zamak, la très bonne coulabilité sous pression, la stabilité dimensionnelle, la résistance à la corrosion (la première fonction du zinc est de protéger l’acier) en font un alliage propice à la fabrication de pièces très minces, de forme complexe, permettant des cadences de production élevées, faisant de cet alliage un composant techniquement fiable et économiquement très compétitif pour les concepteurs de technologies.
Les alliages de zinc sont réutilisables à 100 %, sans perte de caractéristiques par le recyclage des produits en fin de vie. Ils contribuent ainsi à la consommation raisonnée des matières premières.
Histoire L’appellation commerciale zamak date du premier brevet (1926) déposé par August Heckscher et Stephen S. Palmer, dirigeants de la New Jersey Zinc Company, future Horsehead Corporation. Elle met en évidence la nécessité d’utiliser du zinc de haute pureté titrant à 99,995 % pour l’élaboration de ces alliages. Grâce à l’addition d’éléments tels que l’aluminium, le cuivre et le magnésium, les caractéristiques mécaniques, dimensionnelles et de fonderie sont optimisées.
La mise au point de la composition chimique des alliages de zinc est le fruit de longues recherches garantissant des caractéristiques adaptées à de multiples applications.. Chacun des composants joue un rôle essentiel et les qualités qu’il confère à l’alliage lui sont propres.
Si le zinc utilisé a trop d'impuretés, il peut s'altérer avec le temps. Le zamak des années 1950 tombait fréquemment en poussière : on parlait de la peste du zinc.
Composition Selon les normes obsolètes de AFNOR « Alliages de zinc en lingots » et « Pièces moulées sous pression en alliages de zinc », la composition normalisée du zamak est :
pour le Z-A4 G (commercialisé sous le nom de zamak 3) : 3,9 à 4,3 % d'aluminium, 0 à 0,10 % de cuivre, 0,03 à 0,06 % de magnésium, tout le reste de l'alliage (soit 95,54 % au moins) étant constitué de zinc ; pour le Z-A4 U1 G (commercialisé sous le nom de zamak 5) : 3,9 à 4,3 % d'aluminium, 0,75 à 1,25 % de cuivre, 0,03 à 0,06 % de magnésium, tout le reste de l'alliage (soit 94,39 % au moins) étant constitué de zinc.
La norme NF EN 1774 en 1997 fixe les compositions suivantes.. :
pour le : 3,8 à 4,2 % d'aluminium, 0,03 % de cuivre maximum, 0,035 à 0,06 % de magnésium, 0,003 % de plomb au maximum, 0,003 % de cadmium au maximum, 0,001 % d'étain au maximum, 0,02 % de fer au maximum, 0,001 % de nickel au maximum, 0,02 % de silicium au maximum, le solde étant du zinc ; pour le ZnAl4Cu1 : même définition, mais avec une teneur en cuivre comprise entre 0,7 et 1,1 %.
Utilisation Le zamak est utilisé dans les industries suivantes :
automobile (éléments de tableau de bord, éclairage, freinage, essuie-glaces, équilibrage des roues, serrurerie et sécurité de l’habitacle) ; bâtiment (charnière, distribution gaz, mécanisme pour volet et store, serrure, ventilation) ; décoration (horlogerie, parfumerie et cosmétique, articles publicitaires, médailles sportives) ; électricité et l’électronique (alarme, armoire électrique, boîtier de commande connectique) ; habillement (boucle, fermeture éclair) ; armement (les culasses et glissières de certaines armes sont en zamak) ; jouets (moulinet, cyclisme, voitures miniatures)..
Propriétés Résistance mécanique 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.
Résistance à la déformation 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.
Résilience et ductilité 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.
Dureté alt=Pièces en zamak fabriquées en grande série|vignette|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.
Conductivité 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).
Résistance à la fatigue 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.
Fluage 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 , 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.
Étanchéité aux fluides sous pression 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.
Capacité d'amortissement 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.
Résistance à la corrosion 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.
Autres propriétés Tous les alliages de zinc à l’exception du 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.
Caractéristiques économiques Les alliages de zinc sont des matériaux techniques, durables et économiques. Aucun autre type d’alliage n’offre une telle combinaison de résistance mécanique et de recyclabilité, dans des conditions économiques compétitives.
Les caractéristiques intrinsèques du zamak permettent de tout au long de la vie d’un produit.
Fabrication 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).
Vie des produits 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).
Fin de vie des produits Le zamak peut être recyclé à 100 %, au moyen d'une faible dépense d’énergie (grâce à sa 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, selon le modèle du berceau au berceau, soit le produit est recyclé à travers une filière de distillation ou une filière de production d'oxydes. Cela arrive quand la teneur de certains éléments de composition de l'alliage obtenu excède les limites de la .
Création d'une pièce en zamak