Les alliages de zinc dans la fonderie : 10 questions - réponses

Voici les 10 questions les plus fréquentes posées aux fondeurs sur les alliages de zinc et leur utilisation :

1. Quels sont les avantages qu’offre la fonderie ?

La caractéristique principale de la fonderie est de transformer la matière en passant par un état liquide intermédiaire qui confère au métal des propriétés isotropes (homogènes dans toutes les directions) et permet d’obtenir quelle forme en une seule opération.

C’est un procédé d’autant plus économique que les pièces à produire ont un tracé et des fonctions complexes.

2. Pourquoi le zinc est-il utilisé en fonderie ?

A l’état pur, le zinc présente de très bonnes propriétés telles que la coulabilité ou la ductilité. Mais en fonderie, il est généralement associé à d’autres métaux (alliages de zinc et alliage au zinc, comme le laiton).

L’intérêt d’utiliser les alliages de zinc en fonderie réside aussi bien dans leurs bonnes caractéristiques mécaniques que dans leur excellente aptitude au moulage qui permet de réaliser des formes complexes avec des détails d’une très grande finesse et des épaisseurs très faibles lorsque les conditions d’utilisation l’autorisent.

Leur bas point de fusion conduit à une faible consommation d’énergie. Ils ne nécessitent aucun traitement métallurgique d’affinage, de dégazage ou de désoxydation. Leur fusion répétée ne modifie ni leur composition ni leurs propriétés physiques ou mécaniques, ce qui permet un recyclage optimal des retours (jets, canaux de coulée, masselottes, etc.)

Le zinc est naturel et donc non polluant ; l’utiliser, c’est participer à la défense de l’environnement grâce à son recyclage à 100%.

Enfin, grâce au faible retrait de ces alliages, les pièces peuvent être réalisées avec une précision remarquable et des dépouilles très réduites.
 

3. Quel est le tonnage de pièces en alliages de zinc réalisé en fonderie ?

Le zinc dans la fonderie représente un marché annuel de l’ordre de 1.150.000 tonnes de pièces produites dans le monde dont 340.000 tonnes en Europe et 45.000 tonnes en France.

La stabilité constatée provient d’une évolution des pièces produites qui sont aujourd’hui en moyenne 25% plus légères, à fonctions égales, que par le passé. Cette baisse est compensée par un nombre croissant de secteurs utilisateurs et d’applications nouvelles de pièces en alliages de zinc.

4. Quels sont les principaux alliages utilisés ?

Les alliages de zinc normalisés en fonderie sont des alliages zinc-aluminium avec des teneurs variables en aluminium (de 4 à 30%), de faibles additions de magnésium (de 0,012%) à 0,06%) et de cuivre (de 0 à 3%).

• Les alliages ZL3, ZL5 et ZL2 (Zamak) sont essentiellement utilisés en moulage sous pression, ils représentent environ 95% du marché. Leur composition est définie par les normes NF EN 1774 « Zinc et alliages de zinc – Alliages pour fonderie – Lingots et liquide » et EN 12844 « Zinc et alliages de zinc – Pièces moulées – Spécifications », ainsi que par la norme internationale ISO 301.
• Les alliages Kayem utilisés pour la fabrication économique d’outillages de presse (outils de découpe et d’emboutissage, moules d’injection, de soufflage ou de thermoformage des matières plastiques).
• Les alliages ZL8, ZL12 et ZL27 (ZA) avec :

- Le ZL8 qui apporte une bonne tenue en température, présente un ensemble de propriétés mécaniques d’un très bon niveau et qui est moulable sur les machines à chambre chaude.
- Le ZL12 principalement utilisé dans la réalisation de prototypes ou de pré-séries de pièces qui seront ensuite réalisées en Zamak par moulage sous pression.
- Le ZL27 qui se caractérise par une charge de rupture élevée (de 400 à 450 MPa). C’est le seul alliage susceptible de recevoir un traitement thermique d’homogénéisation qui améliore sa ductilité. Il existe également d’autres alliages spéciaux qui répondent à des exigences particulières de résistance au frottement ou de tenue en température.
 

5. Quelles sont les techniques de moulage spécifiques aux alliages de zinc ?

Les alliages de zinc peuvent être mis en œuvre par n’importe quelle technique de moulage. Les plus courantes sont néanmoins le moulage au sable, le moulage en coquille et le moulage sous pression.

• Le moulage au sable : il est principalement adapté à la fabrication de pièces unitaires ou de petites séries, ou bien aux pièces de grandes dimensions. Les alliages utilisés dans cette technique sont le Kayem, le ZL12 et le ZL27.
• Le moulage en coquille par gravité : il convient bien aux fabrications de petites et moyennes séries. Il conduit à une meilleure précision dimensionnelle que le moulage au sable, ce qui évite ou tout au moins réduit les opérations d’usinage. Le refroidissement plus rapide du métal confère également de meilleures propriétés mécaniques. Les coquilles sont généralement en fonte ou en acier. Les alliages ZL8, ZL12 et ZL27 sont les mieux adaptés à cette technique pour laquelle il est possible d’utiliser néanmoins des alliages de type Zamak.
• Le moulage sous pression : il est plus généralement utilisé dans les fabrications de moyennes et de grandes séries. Toutefois, il entre de plus en plus dans la fabrication de petites séries où il apporte un avantage économique certain. Il permet d’obtenir à la fois une très grande précision dimensionnelle, d’excellents états de surface, de très faibles épaisseurs et de bonnes caractéristiques mécaniques. C’est le procédé le plus largement employé pour le moulage des alliages de zinc. Deux types de machines peuvent être utilisées :

- Les machines à chambre chaude dans lesquelles le dispositif d’injection est immergé en permanence dans le métal liquide, ce qui conduit à une alimentation automatique en métal. Les alliages mis en œuvre sur ce type de machine sont les Zamak et le ZL8.
- Les machine à chambre froide dans lesquelles le four de fusion est séparé de la machine. Le métal liquide doit être introduit dans la chambre d’injection avant chaque moulage, soit manuellement, soit par un système de transfert automatisé. Ces machines, utilisées pour des alliages qui à l’état liquide sont agressifs vis-à-vis du fer, ont des cadences de moulages plus lentes que les chambres chaudes. Les alliages du type ZL12 ou ZL27 sont mis en œuvre sur ces machines.

6. Quelles sont les propriétés des pièces en alliages de zinc ?

Les alliages de zinc en un ensemble de propriétés très homogènes et de bon niveau :

• Une charge de rupture de 300 à 450 MPa,
• Des allongements de 6 à 8%,
• Une excellente résistance aux chocs (10 à 12 da J. cm2),
• Une bonne malléabilité qui permet de mettre les pièces en forme après fonderie ou de réaliser des assemblages par rivetage ou par sertissage de rivets ou collerettes venus de fonderie. Ceux-ci sont très intéressants sur le plan économique, ont de bonnes propriétés de frottement qui conduisent à des applications telles que les engrenages ou évitent dans la plupart des cas à recourir à l’emploi de bagues autolubrifiantes.

Certaines de leurs propriétés physiques sont également dignes d’intérêts, notamment leur conductivité thermique, qui en font un matériau de choix pour les applications nécessitant une bonne évacuation des calories. Leur conductivité électrique similaire à celle du laiton permet également de les utiliser pour des pièces conductrices de courant.

Les alliages de zinc sont également utilisés pour le blindage contre les interférences électromagnétiques et pour sa masse atomique qui est un obstacle aux rayons X.

On peut noter également leur très haute pureté chimique qui favorise la constance de leurs propriétés.
 

7. Quelles sont les dimensions limites des pièces moulées en alliages de zinc ?

Il n’y a pratiquement pas de limite aux formes et aux dimensions des pièces moulées en alliages de zinc, sinon celles d’ordre économique qui peuvent être différentes selon la technique de moulage employée.

En moulage sous pression, il est courant de produire des pièces de quelques dizaines de milligrammes seulement avec des épaisseurs pouvant être limitées à 0,3 mm et des diamètres d’alésage également de l’ordre du millimètre, alors qu’en fonderie sable, les pièces les plus importantes réalisées à ce jour atteignent une dizaine de tonnes (outils d’emboutissage par exemple).

En moulage sous pression, les plus grosses machines utilisées en France ont une force de fermeture de 1.000 tonnes et permettent de couler des pièces pesant jusqu’à 3 kg. Les pièces de quelques dixièmes de grammes à 2 kg sont néanmoins les plus représentatives du marché actuel des alliages de zinc moulés sous pression.
 

8. Quel est l’intérêt des alliages de zinc sur le plan économique ?

L’utilisation la plus traditionnelle des alliages de zinc est le moulage sous pression. Ce procédé conduit à des cadences de production élevées avec une excellente reproductibilité des caractéristiques et des dimensions. Il contribue à l’utilisation la plus rationnelle des propriétés de l’alliage (par exemple : renforcement des caractéristiques par l’emploi des parois minces).

Il s’agit là d’une remarquable complémentarité entre le matériau et le procédé. Celle-ci apporte des avantages déterminants pour les fabrications de grandes séries grâce à une très faible usure des outillages.

Un exemple répandu dans le secteur de l’automobile est celui des rétroviseurs extérieurs. Constituées de 2 pièces principales, une embase et un support, ces pièces en Zamak ont un tracé très fouillé et assurent de multiples fonctions, notamment l’absorption des vibrations provoquées par le véhicule. Le même moule autorise la production journalière de plusieurs milliers de rétroviseurs, la longévité de l’outillage pouvant atteindre 1 million d’injections avec une maintenance restreinte.

Dans le cas de petites pièces, l’outillage peut assurer plusieurs millions d’injections, ce qui, dans le cas de moules à empreintes multiples, peut représenter une production de plusieurs dizaines de millions de pièces. Les moules à empreintes multiples permettent également d’accroître la productivité du procédé. Dans certaines fabrications de très grandes séries, le même moule peut assurer une production journalière d’environ 1 million de pièces. C’est le cas, par exemple, des mécanismes des briquets jetables.
 

9. Quels sont les traitements que l’on peut appliquer sur les pièces en alliages de zinc ?

Grâce à leur excellent comportement à la corrosion, les pièces en alliages de zinc n’ont pas spécialement besoin d’être protégées dans la plupart de leurs utilisations. Cependant, lorsque les pièces sont utilisées dans une atmosphère particulièrement agressive ou lorsqu’elles doivent répondre à des critères esthétiques, elles se prêtent à une très grande diversité de traitements de finitions ou de revêtements.

• Les traitements de conversion les plus couramment appliqués aux alliages de zinc pour renforcer leur résistance à la corrosion sont la chromatation, la phosphatation ou l’anodisation. Il est également possible de réaliser un noircissement chimique des pièces.
• Les revêtements électrolytiques peuvent répondre aussi bien à des exigences de tenue à la corrosion que de décoration. Le chromage comporte successivement des dépôts de cuivre, de nickel et de chrome qui assurent respectivement un bon accrochage du revêtement, sa résistance à la corrosion et la durabilité de l’aspect qui peut être mat, satiné ou brillant. Il est également possible de revêtir les pièces avec des dépôts métalliques d’or, d’argent, de laiton, de bronze ou d’étain. L’application de multiples patines sur ces dépôts permet de réaliser n’importe quel aspect décoratif.
• Les revêtements organiques tels que les peintures ou vernis complètent la gamme de revêtements utilisables.
  
  
   

10. Dans quels secteurs les alliages de zinc sont-ils les plus utilisés ?

La gamme étendue de propriétés des alliages de zinc, les possibilités de forme et de dimensions illimitées offertes par les différents procédés de moulage, leur facilité et leur économie de mise en œuvre confèrent à ces alliages un caractère d’universalité.

Chacun les utilise partout, tous les jours à tout moment.

On rencontre les pièces en alliages de zinc aussi bien :
dans un flacon de parfum que dans un micro-ondes,
dans une boucle d’oreille que dans une boucle de ceinture de sécurité,
dans une fermeture à glissière que dans un verrou,
dans un châssis de voiture modèle réduit que dans celui d’un ordinateur,
dans un smartphone que dans une cigarette électronique,
dans une console de cuisinière que dans une console de visualisation Airbus,
dans une bougie d’allumage que dans un chandelier.


Crédits photos :
photo couverture : Adélaïde Blanc
photo 1 : MRT Castings
photo 2 : fonderie Moulaire
photo 3 : Verbrugge
photo ceinture sécurité : forum-auto