Un nouvel alliage de zinc haute fluidité
#Recherche&Développement
06/11/2018
Un nouveau matériau permet d’étendre les caractéristiques des alliages de zinc actuels et améliore l’efficacité énergétique.
Un nouvel alliage de zinc haute fluidité a vu le jour. Ce nouveau matériau permet aux fondeurs de réaliser des économies significatives et de consommer moins d’énergie. Nommé « HF » pour « Haute fluidité », cet alliage est le fruit d’un projet de plusieurs années. Ce projet a été géré par l’International Zinc Association, avec l’appui financier du département de l'Énergie des États-Unis.
L’alliage HF est basé sur les alliages ZAMAK que l’on connaît, avec une fluidité jusqu’à 40% supérieure. Les évaluations et essais industriels ont confirmé l’excellente fluidité de ce nouvel alliage, ainsi que la simplicité de son utilisation et de son adoption. Les tests ont montré qu’il possède des propriétés physiques, mécaniques et de résistance à la corrosion comparables à celles des alliages 3 et 7, et qu’il est le plus adapté pour le moulage sous pression de pièces dont l’épaisseur de coupe est inférieure à 0,45 mm. Cet alliage peut également être utilisé pour les pièces difficiles à remplir ou qui présentent des exigences élevées en matière de finition de surface.
Un cas concret d'utilisation de cet alliage de zinc haute fluidité par un fabricant de téléphone mobile est illustré ici.
LE ZAMAK : Une base solide
Les alliages de zinc présentent de nombreux avantages uniques pour le moulage sous pression : ils sont solides, durables et économiques. Leurs propriétés mécaniques sont supérieures à celles de la fonte d’aluminium, du magnésium, du bronze, des plastiques et des fontes. Ces caractéristiques, ainsi que les possibilités de finition supérieures et la multiplicité des procédés de moulage disponibles, font des alliages de zinc l’option de choix pour les procédés de moulage sous pression modernes.
Le zinc est également considéré comme l’alliage technique le plus économe en énergie en raison de son point de fusion bas et de sa capacité à permettre une mise en forme proche des dimensions finales. En effet, cette dernière propriété permet de limiter les opérations d’usinage. Autres avantages des alliages de zinc, ils offrent la vitesse de production la plus rapide et maximisent la durabilité des outils.
1. Le nombre d’opérations d’assemblage nécessaires est réduit.
Des ensembles entiers peuvent être moulés en une seule unité, ce qui permet d’éviter de coûteuses opérations d’assemblage manuelles.
2. La quantité de matériau requise est moindre.
La coulabilité supérieure du zinc, sa résistance et sa rigidité permettent la conception de pièces minces pour un poids réduit et des économies sur le coût du matériau.
3. Le nombre d’opérations d’usinage nécessaires est réduit.
Les alliages de zinc permettent une mise en forme proche des dimensions finales et éliminent ainsi les opérations d’usinage ou en limitent le nombre de manière significative.
4. Production faible, intermédiaire ou importante : le choix vous appartient.
Divers procédés de moulage permettent une fabrication à bas coût, quels que soient la taille des pièces et leur nombre.
5. Élimination des roulements et glissières.
Les excellentes propriétés de résistance aux frottements et à l’usure du zinc permettent une plus grande souplesse de conception et réduisent les coûts de fabrication secondaires en éliminant les petites glissières et les inserts d’usure.
6. Une production plus rapide et des outils plus durables.
La production de pièces moulées sous pression est bien plus rapide avec le zinc qu’avec l’aluminium ou le magnésium. Par ailleurs, les moules permettent souvent de produire plus d’un million de pièces, ce qui réduit considérablement les frais liés à l’outillage et à l’utilisation des machines.
Moins de poids = moins d’énergie
Le poids joue un rôle majeur dans l’efficacité énergétique des pièces moulées, en particulier au niveau du transport des pièces finies, de leur utilisation (dans des véhicules par exemple), de leur récupération et de leur recyclage (une fois arrivées en fin de vie). Les pièces moulées étant créées selon des dimensions spécifiques, la seule façon de réduire leur poids est de sélectionner l’alliage dont la densité est la plus faible (au risque de limiter les performances) ou d’utiliser moins de matériau en réduisant l’épaisseur des parois. Cette dernière approche permet en outre de réduire la quantité de matériau à manipuler et à fondre, ainsi que la quantité de déchets.
Développement d’un alliage
Le moulage de sections minces en alliage technique est limité par les propriétés de moulage de l’alliage liquide, les propriétés thermiques du moule, la forme du composant à mouler et la conception du système introduction du métal, notamment les attaques et les canaux.
Les alliages de zinc permettent de mouler des parois moins épaisses que la plupart des autres alliages métalliques et procédés de moulage en raison du point de fusion très bas du zinc et de sa bonne fluidité pendant le moulage. Avant l’apparition du nouvel alliage HF, les moulages de zinc étaient limités à une épaisseur d’environ 0,75 mm. Le nouvel alliage améliore considérablement la fluidité. Il dépasse les objectifs fixés en matière d’épaisseur minimale et permet le moulage de pièces dont l’épaisseur des parois peut atteindre 0,25 mm.
Le nouvel alliage HF
Les évaluations et essais industriels ont confirmé l’excellente fluidité de l’alliage, ainsi que la simplicité de son utilisation et de son intégration aux procédés de moulage sous pression existants.
Résistance
Historiquement, les alliages de zinc destinés au moulage sous pression sont composés de 0,02 à 0,05 % de magnésium (Mg). Ces niveaux recommandés permettaient de s’assurer que les effets délétères liés aux impuretés de plomb (Pb), d’étain (Sn) et de cadmium (Cd) sur la résistance à la corrosion étaient neutralisés efficacement. Depuis, la pureté du zinc primaire raffiné s’est considérablement améliorée, au point qu’il est aujourd’hui quasiment dépourvu d’impuretés. Par conséquent, il est désormais possible d’abaisser le niveau spécifié de magnésium dans l’alliage HF à 0,01 % sans compromettre la résistance à la corrosion.
Comportement de la dépouille
La dépouille est créée sur des surfaces de coulée perpendiculaires au plan de joint pour garantir un démoulage efficace. La dépouille recommandée dépend de la profondeur ou de la longueur de l’empreinte par rapport au plan de joint. Dans de nombreux cas, l’alliage HF, comme la plupart des alliages de zinc pour moulage sous pression, peut être coulé sans dépouille si la température du moule est régulée avec soin afin d’éviter tout collage.
Finitions de surface
L’alliage HF, comme tous les alliages de zinc pour moulage sous pression, est compatible avec une vaste gamme de finitions de surface, y compris les traitements de conversion chimique, et notamment la galvanoplastie et la pulvérisation et cuisson de polymères. Il est possible d’obtenir n’importe quelle caractéristique esthétique et ainsi de donner au moulage l’apparence de l’or massif, du laiton vieilli, de l’acier inoxydable ou même du cuir. Dans la plupart des applications, les pièces moulées en zinc ne sont pas exposées à des environnements corrosifs, et ce sont donc des exigences esthétiques qui définissent quelle finition, le cas échéant, doit être utilisée.
Économies et impact sur le marché
Le nouvel alliage HF permet d’économiser du matériau et de l’énergie, mais également de réduire les coûts par rapport aux autres alliages techniques. Ses propriétés techniques uniques sont reconnues par certains concepteurs et utilisateurs.
Le nouvel alliage HF permettra également de concevoir des dissipateurs thermiques plus efficaces. Les performances des dissipateurs thermiques dépendent davantage de la surface des ailettes permettant le transfert de chaleur par convection que de l’épaisseur de ces ailettes, qui joue plutôt sur la conduction de la chaleur. L’alliage HF permet de produire des ailettes d’une épaisseur de 0,25 mm et ainsi de créer des dissipateurs thermiques haute performance, économiques et aux formes personnalisées. Les économies obtenues par rapport à des dissipateurs thermiques en aluminium usiné atteignent 75 %.
De plus, comme le zinc, l’alliage HF permet de recouvrir les connecteurs et boîtiers d’un blindage électromagnétique. Même dans les connecteurs Ethernet 10 Gbit/s, une épaisseur de 0,2 mm de zinc offre un blindage complet, évitant ainsi la diaphonie et le couplage du signal. Un autre avantage de cet alliage réside dans la possibilité de produire des pièces proches des dimensions finales.
Sources : IZA, NADCA, U.S. Department of Energy
Crédit photo : MRT Castings
The new High Fluidity Zinc Alloy
Extending zinc’s alloying capabilities and improving energy efficiency
A new high fluidity zinc alloy has been developed that provides die casters significant energy and cost savings and performance improvements compared to existing alloys. Designated the HF (High-Fluidity) Alloy, it was developed through a multi-year project coordinated by the Cast Metals Coalition, an industry consortium including the North American Die Casting Association. The International Zinc Association managed the project with financial support from the US Department of Energy.
The HF alloy is based on the commonly used ZAMAK alloys but possesses up to 40% better fluidity. Industrial trials and evaluations have confirmed the excellent fluidity of the alloy as well as its easy use and adoption. Tests have shown the alloy has comparable physical, mechanical and corrosion properties as Alloy 3 and 7 and is best suited for casting parts with section thickness less than 0.45 mm. It can also be used for casting parts that are difficult to fill or have high surface finish requirements.
A Solid Foundation
Zinc alloys have many unique benefits for the die casting process; they are strong, durable and cost effective. Their mechanical properties compare favourably with cast aluminium, magnesium, bronze, plastics and cast irons. These characteristics, together with their superior finishing capabilities and choice of casting processes make zinc alloys a highly attractive option for modern die casting.
Zinc is also considered the most energy efficient of the engineering alloys by virtue of its low melting point and superior net-shape casting capability (which allows for reduced machining operations). Zinc alloys also offer the fastest production rates and longest tool life.
1. Assembly operations are reduced.
Entire assemblies can be cast as a single unit, eliminating the need for expensive manual assembly operations.
2. Less material is required.
Zinc’s superior casting fluidity, strength and stiffness permits the design of thin wall sections for reduced weight and material cost savings
3. Maching operations are reduced.
Due to the superior net-shape casting capability of zinc alloys, maching can be eliminated or drastically reduced.
4. Choice of low, medium and high production.
A variety of casting processes are available to economically manufacture any size and quantity required.
5. Eliminate bearings and bushings.
Zinc’s excellent bearing and wear properties allow greater design flexibility and reduce secondary fabrication costs by eliminating small bushings and wear inserts.
6. Faster production and extended tool life.
Die casting production rates for zinc are much faster than for aluminum, or magnesium. Coupled with a tool life often exceeding 1 million parts, tooling and machine usage charges are dramatically reduced.
Less Weight = Less Energy
Weight is a major factor in reducing the energy efficiency of castings, especially since the energy savings transport of finished parts, during use (e.g. vehicle applications) and end-of-life collection and recycling. Since castings are created to specific dimensions, the only way to reduce weight is to select the lowest density casting alloy (which may come with performance trade-offs) or use less material by reducing the thickness of the casting wall. The latter approach of reducing casting wall thickness brings the added benefit of reduced material handling, melting and scrap costs.
Alloy Development
Thin section casting in all engineering alloys is limited by the casting properties of the liquid alloy, the thermal properties of the mould or die, the shape of the component to be cast and the design of the metal introduction system including gates and runners.
Zinc alloys allow a thinner wall section as compared to most other metal alloys or casting processes because of zinc’s low melting point and its good fluidity during the casting process. Prior to the development of the new HF alloy, zinc castings were limited to a thickness of around 0.75 mm. The new alloy significantly improves zinc alloy fluidity to allow a reduction in casting section thickness to 0.3 mm or less.
The New HF Alloy
The HF alloy is based on the commonly used ZAMAK alloys but possesses up to 40% better fluidity than Alloy 7, which until this development was the previously most successful commercial high-fluidity zinc alloy.
Tests have shown the alloy has comparable physical, mechanical and corrosion properties to Alloy 3 and 7 and is best suited for casting parts with section thickness less than 0.45 mm. It can also be used for casting parts that are difficult to fill or have high surface finish requirements. The new alloy exceeded minimum thickness targets and allows for casting parts with a wall thickness as thin as 0.25 mm. Industrial trials and evaluations have confirmed the excellent fluidity of the alloy as well as its ease of use and integration in existing die casting operations.
Resistance
Historically, zinc die casting alloys have been made with Magnesium (Mg) levels between 0.02-0.05%. These recommended levels ensured that harmful effects of lead (Pb), tin (Sn) and cadmium (Cd) impurities on corrosion resistance were effectively counteracted. Since then, the purity of refined primary zinc has improved considerably making it essentially free of the impurities. Consequently, it is possible to lower the specified level of Mg in the HF Alloy to 0.01% without compromising corrosion resistance.
Draft Behavior
Draft, or taper, is created on die casting surfaces perpendicular to the parting line for proper ejection from the die. Recommended draft is a function of depth or length of the feature from the parting line. In many cases the HF alloy, as with other zinc die casting alloys, can be cast with zero draft if die temperature is carefully controlled to prevent die soldering.
Surface Finishes
The cast HF Alloy, like all zinc die castings accepts a wide assortment of surface finishes, including chemical conversion treatments; electroplating and sprayed and baked polymers, among others. Almost any desired aesthetic characteristic can be achieved making the HF casting look like solid gold, weathered brass, stainless steel and even leather. The majority of zinc die cast applications are not exposed to corrosive environments and it is appearance requirements that define which finish, if any, will be used.
Cost-Savings and Market Impact
The new HF Alloy offers the potential of saving material, energy and costs relative to other engineering alloys. Its unique technical properties are being recognized by some designers and users and will impact the market.
The new HF alloy also shows promise in the design of more effective heat sinks. The performance of heat sinks depends more on the available fin area for convective heat transfer than the fin thickness conducting the heat. The HF Alloy allows for producing 0.25mm thick ns making possible high performance, low cost heat sinks in custom shapes. Cost savings of 75% compared to heat sinks made of machined aluminium machined have been realized.
The HF Alloy also shares zinc’s capabilities of providing electromagnetic shielding in connectors and housings. Even in 10GB Ethernet connectors, a 0.2mm zinc section thickness provides complete shielding avoiding signal coupling and crosstalk. Another advantage is the production of a near-net shape part.
Sources: IZA, NADCA, U.S. Department of Energy
Photo credit: MRT Castings
Extending zinc’s alloying capabilities and improving energy efficiency
A new high fluidity zinc alloy has been developed that provides die casters significant energy and cost savings and performance improvements compared to existing alloys. Designated the HF (High-Fluidity) Alloy, it was developed through a multi-year project coordinated by the Cast Metals Coalition, an industry consortium including the North American Die Casting Association. The International Zinc Association managed the project with financial support from the US Department of Energy.
The HF alloy is based on the commonly used ZAMAK alloys but possesses up to 40% better fluidity. Industrial trials and evaluations have confirmed the excellent fluidity of the alloy as well as its easy use and adoption. Tests have shown the alloy has comparable physical, mechanical and corrosion properties as Alloy 3 and 7 and is best suited for casting parts with section thickness less than 0.45 mm. It can also be used for casting parts that are difficult to fill or have high surface finish requirements.
A Solid Foundation
Zinc alloys have many unique benefits for the die casting process; they are strong, durable and cost effective. Their mechanical properties compare favourably with cast aluminium, magnesium, bronze, plastics and cast irons. These characteristics, together with their superior finishing capabilities and choice of casting processes make zinc alloys a highly attractive option for modern die casting.
Zinc is also considered the most energy efficient of the engineering alloys by virtue of its low melting point and superior net-shape casting capability (which allows for reduced machining operations). Zinc alloys also offer the fastest production rates and longest tool life.
1. Assembly operations are reduced.
Entire assemblies can be cast as a single unit, eliminating the need for expensive manual assembly operations.
2. Less material is required.
Zinc’s superior casting fluidity, strength and stiffness permits the design of thin wall sections for reduced weight and material cost savings
3. Maching operations are reduced.
Due to the superior net-shape casting capability of zinc alloys, maching can be eliminated or drastically reduced.
4. Choice of low, medium and high production.
A variety of casting processes are available to economically manufacture any size and quantity required.
5. Eliminate bearings and bushings.
Zinc’s excellent bearing and wear properties allow greater design flexibility and reduce secondary fabrication costs by eliminating small bushings and wear inserts.
6. Faster production and extended tool life.
Die casting production rates for zinc are much faster than for aluminum, or magnesium. Coupled with a tool life often exceeding 1 million parts, tooling and machine usage charges are dramatically reduced.
Less Weight = Less Energy
Weight is a major factor in reducing the energy efficiency of castings, especially since the energy savings transport of finished parts, during use (e.g. vehicle applications) and end-of-life collection and recycling. Since castings are created to specific dimensions, the only way to reduce weight is to select the lowest density casting alloy (which may come with performance trade-offs) or use less material by reducing the thickness of the casting wall. The latter approach of reducing casting wall thickness brings the added benefit of reduced material handling, melting and scrap costs.
Alloy Development
Thin section casting in all engineering alloys is limited by the casting properties of the liquid alloy, the thermal properties of the mould or die, the shape of the component to be cast and the design of the metal introduction system including gates and runners.
Zinc alloys allow a thinner wall section as compared to most other metal alloys or casting processes because of zinc’s low melting point and its good fluidity during the casting process. Prior to the development of the new HF alloy, zinc castings were limited to a thickness of around 0.75 mm. The new alloy significantly improves zinc alloy fluidity to allow a reduction in casting section thickness to 0.3 mm or less.
The New HF Alloy
The HF alloy is based on the commonly used ZAMAK alloys but possesses up to 40% better fluidity than Alloy 7, which until this development was the previously most successful commercial high-fluidity zinc alloy.
Tests have shown the alloy has comparable physical, mechanical and corrosion properties to Alloy 3 and 7 and is best suited for casting parts with section thickness less than 0.45 mm. It can also be used for casting parts that are difficult to fill or have high surface finish requirements. The new alloy exceeded minimum thickness targets and allows for casting parts with a wall thickness as thin as 0.25 mm. Industrial trials and evaluations have confirmed the excellent fluidity of the alloy as well as its ease of use and integration in existing die casting operations.
Resistance
Historically, zinc die casting alloys have been made with Magnesium (Mg) levels between 0.02-0.05%. These recommended levels ensured that harmful effects of lead (Pb), tin (Sn) and cadmium (Cd) impurities on corrosion resistance were effectively counteracted. Since then, the purity of refined primary zinc has improved considerably making it essentially free of the impurities. Consequently, it is possible to lower the specified level of Mg in the HF Alloy to 0.01% without compromising corrosion resistance.
Draft Behavior
Draft, or taper, is created on die casting surfaces perpendicular to the parting line for proper ejection from the die. Recommended draft is a function of depth or length of the feature from the parting line. In many cases the HF alloy, as with other zinc die casting alloys, can be cast with zero draft if die temperature is carefully controlled to prevent die soldering.
Surface Finishes
The cast HF Alloy, like all zinc die castings accepts a wide assortment of surface finishes, including chemical conversion treatments; electroplating and sprayed and baked polymers, among others. Almost any desired aesthetic characteristic can be achieved making the HF casting look like solid gold, weathered brass, stainless steel and even leather. The majority of zinc die cast applications are not exposed to corrosive environments and it is appearance requirements that define which finish, if any, will be used.
Cost-Savings and Market Impact
The new HF Alloy offers the potential of saving material, energy and costs relative to other engineering alloys. Its unique technical properties are being recognized by some designers and users and will impact the market.
The new HF alloy also shows promise in the design of more effective heat sinks. The performance of heat sinks depends more on the available fin area for convective heat transfer than the fin thickness conducting the heat. The HF Alloy allows for producing 0.25mm thick ns making possible high performance, low cost heat sinks in custom shapes. Cost savings of 75% compared to heat sinks made of machined aluminium machined have been realized.
The HF Alloy also shares zinc’s capabilities of providing electromagnetic shielding in connectors and housings. Even in 10GB Ethernet connectors, a 0.2mm zinc section thickness provides complete shielding avoiding signal coupling and crosstalk. Another advantage is the production of a near-net shape part.
Sources: IZA, NADCA, U.S. Department of Energy
Photo credit: MRT Castings
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