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Aluminium, Magnésium et Zamak, comment choisir son alliage ?

#Zamak
26/10/2017


Depuis la création de miniatures de voitures ou d'avions, jusqu'à la production de pièces mécaniques qui figurent dans leurs modèles d’origine, grandeur nature, la fonderie sous pression est un des processus industriels les plus efficaces et polyvalents au monde.

La coulée sous pression est une industrie de précision qui consiste à injecter un métal en fusion sous haute pression dans un moule (un outillage) conçu selon la forme désirée. Les outillages sont construits avec de l’acier de grande qualité qui résiste à l'usure du temps (thermique). La forme des pièces de fonderie injectées sous pression peut être épurée comme elle peut être aussi incroyablement sophistiquée dans sa fonction ou sa complexité géométrique. Après un temps de solidification et de refroidissement dans le moule, la pièce est éjectée pour ébavurage, usinage ou revêtement de surface.

Ce processus peut être répété des centaines, des milliers voire des millions de fois, avec une incroyable précision dimensionnelle, faisant de cette technique industrielle l'une des meilleures pour des grands volumes de moulage.

En fonction de la complexité de la pièce, la grande précision des outillages permet d’éliminer un maximum d’opérations d’usinage. Ajoutées à cette précision dimensionnelle, les cadences de production élevées permettent de produire des dizaines, parfois des centaines de pièces par heure. Grâce à un cycle de production à grande vitesse, de grande précision, avec des pièces de grande qualité, la fonderie d’injection sous pression est devenue une méthode d'industrialisation à forts gains de productivité, depuis son invention en 1838.

L'un des choix les plus importants à faire lors de la mise en place de ce processus pour mouler une pièce est de déterminer quel type d'alliage conviendra le mieux à une application spécifique. Les alliages d’aluminium, de magnésium, de zinc sont les alliages métalliques les plus communs utilisés dans la fonderie sous pression.
 

Les alliages et les méthodes de fonderie


Chaque alliage dispose de ses propres propriétés physiques et mécaniques, qui sont des facteurs importants pour déterminer la longévité, la résistance et surtout la fonctionnalité du produit fini. À la différence des alliages de cuivre ou des alliages ferreux, les alliages les plus souvent utilisés ont des températures de fusion plus basses, ce qui favorise leur utilisation en injection sous pression. La complexité de la pièce, l'épaisseur minimum de ses parois et la précision géométrique de la pièce vont influencer les conditions de production (moulage + choix de l’alliage).

Selon l’usage de la pièce et l'alliage métallique utilisé, il existe plusieurs méthodes différentes de moulage qui offrent une flexibilité d'industrialisation. Celles-ci incluent la chambre chaude et la chambre froide.

La fonderie sous pression en chambre chaude est plus adaptée pour les métaux avec une température basse de fusion et une agressivité moindre en corrosion sur le fer, comme les alliages de zinc ou certains alliages de magnésium. La fonderie en chambre froide est utilisée pour des alliages métalliques comme l'aluminium qui a des températures de fusion plus hautes et le magnésium, dont la température de fusion peut aller jusqu’à 640°C (AM60).
 

Les différentes propriétés des alliages


Aluminium, magnésium et zinc sont les 3 matériaux de base qui, sous forme d’alliages, sont les plus utilisés dans la fonderie sous pression au monde. La fonction de votre pièce, sa densité, sa résistance à la traction, sa limite élastique, son exposition thermique, son module d'élasticité sont autant de facteurs importants à prendre en compte avant de sélectionner l'alliage qui conviendra le mieux aux besoins de la pièce.
 

Les alliages d'aluminium


Bien qu'il ne soit pas considéré aussi « moulable » que l’alliage de zinc, étant donné sa plus haute température de fusion, l'alliage d’aluminium est le plus utilisé dans l'industrie de fonderie sous pression. Il demeure parmi les matériaux les plus économiques pour les projets de fonderie à grands volumes. Les pièces de fonderie en aluminium se retrouvent partout, dans les composants utilisés pour conduire une voiture, jusqu'aux outils électriques et électroniques utilisés par des millions de personnes tous les jours.

Avec une densité de 2,7, l'aluminium est considéré comme l’un des corps simples les plus légers, mais il est rarement moulé dans sa composition pure.

À cause du risque de fente et de rétrécissement, l'aluminium est souvent mélangé avec d'autres matériaux comme le silicium, le magnésium et le cuivre. Le silicium améliore la coulabilité du métal et sa résistance à la corrosion ; il limite les risques de criques (amorces de rupture). En revanche, le silicium diminue l'usinabilité de la pièce et rend plus difficile le traitement anodique de décoration. Le cuivre contribue à l'amélioration des caractéristiques mécaniques des alliages et améliore les aptitudes à l'usinage des pièces réalisées. À l'inverse, le cuivre est défavorable à la tenue à la corrosion de la pièce. Une protection de surface (peinture, anodisation) est souvent nécessaire.

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Les concepteurs ont le choix entre plusieurs alliages d'aluminium avec des possibilités d'applications multiples grâce à leurs nombreuses propriétés physiques et mécaniques.

En plus d'être légers, les alliages d'aluminium sont aussi résistants à la corrosion, ils ont une bonne résistance à des températures élevées et fournissent une stabilité dimensionnelle élevée quand le moulage implique des géométries complexes et de fines épaisseurs de parois. Ils possèdent également une bonne conductivité thermique et électrique. L'usinage de l'aluminium est plus facile que pour d'autres matériaux comme le fer, l'acier ou le titane.
 

Les alliages de magnésium


Avec une densité de 1,7 en tant que corps simple, le magnésium est le plus léger des 3 matériaux. À son bas point de fusion, sont associés un faible module d’élasticité et un fort coefficient de dilatation thermique. Le magnésium offre l’avantage d’une solidité et d’une rigidité supérieures, ainsi que des propriétés inhérentes de blindage électromagnétique et radioélectrique, de durabilité, de dissipation de la chaleur. Il est par ailleurs intégralement recyclable.

Si sa conductivité électrique est excellente, sa fragilité à la corrosion dans certains cas le fait écarter des applications électriques. Sa conductivité thermique est très moyenne. Son affinité pour l’oxygène est grande : il s’enflamme vers 350°C sous forme finement divisée, ce qui exige des précautions en usinage. Sa couche d’oxyde résiste mal à l’air humide, et il lui faut une protection. L’usinabilité est la meilleure par rapport à tous les autres matériaux métalliques.

Le magnésium est très malléable, ductile mais peu tenace. Pour améliorer ses propriétés d'usage dans des domaines précis, on a créé des alliages. Les premiers mis au point sont encore considérés comme les alliages classiques ; on les rencontre dans de très fréquentes applications. Ils contiennent essentiellement de l'aluminium et du zinc. Une addition faible de manganèse améliore leurs propriétés mécaniques et leur résistance à la corrosion.

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L’alliage AZ91D est l’alliage de magnésium le plus souvent utilisé pour la fonderie sous pression. Il offre une excellente combinaison de propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion et de coulabilité. La résistance à la corrosion est obtenue en imposant des limites très strictes en ce qui concerne trois impuretés métalliques : le fer, le cuivre et le nickel. Ces éléments sont limités à des niveaux très bas, ce qui rend nécessaire l’utilisation de magnésium de première fusion pour la production de cet alliage.

Les alliages AM60B, AM50A et AM20 sont aussi utilisés dans la fonderie sous pression. Ils offrent une meilleure ductilité tout en maintenant une bonne résistance à la corrosion. Pour des applications qui requièrent une résistance encore plus forte lors d’une exposition à des températures encore plus élevées, les alliages AS41B and AE42 sont souvent la meilleure option.
 

Alliages d’aluminium vS. alliages de magnésium


À l’instar de l’aluminium, les alliages de magnésium permettent de satisfaire aux exigences de gain de poids dans le secteur automobile, en fournissant de bonnes propriétés mécaniques et physiques. Des expériences ont été menées pour tenter de remplacer le magnésium par de l’aluminium, mais le magnésium demeure plus stable et il montre un excellent rapport densité/résistance à la traction.

Avec sa structure cristalline, le magnésium possède une excellente capacité de réduction de la transmission de vibrations. Il est aussi plus fluide que l’aluminium, ce qui permet de remplir plus facilement un moule complexe pour le moulage sous pression. Le magnésium sert également à la création de pièces plus minces, donc plus légères. Il présente d’excellentes propriétés de protection électromagnétique. Par exemple, un mur d’1mm d’épaisseur réduit de 80 % la transmission électromagnétique. Enfin, le magnésium a un effet moins agressif que l’aluminium sur les moules en acier, permettant ainsi de prolonger la durée de vie des outillages.

Cependant, malgré tous les avantages du magnésium, l’aluminium demeure une alternative plus économique pour la fonderie sous pression.
 

Alliages de zinc vs. Alliages de magnésium


L’une des principales différences entre les alliages de magnésium et les alliages de zinc est leur température de fusion. Pour le Zamak, elle est plus basse. Dès lors, la durée de vie des outillages est plus longue pour le Zamak que le magnésium, ce qui aide à réduire les coûts de production.

À la différence du magnésium qui requiert des traitements spécifiques pour résister à la corrosion, les alliages de zinc se montrent très résistants à la corrosion et et reflètent fidèlement l’état de surface de l’outillage.
 

Les alliages de zinc et zinc-aluminium


Quand il s’agit de mouler des pièces de grandes tolérances avec des sections à parois très fines, il n’existe pas meilleurs alliages que les alliages de zinc et de zinc-aluminium. L’élément zinc possède une gravité spécifique de 7.1, ce qui en fait l’un des matériaux les plus lourds utilisés dans la fonderie sous pression. Le Zamak convient parfaitement à la fonderie d’injection sous pression chambre chaude, qui permet de mouler des pièces en très grande série. 

Comme le magnésium et l’aluminium, le zinc est mélangé à d’autres métaux pour lui donner une meilleure résistance à la corrosion, à la fatigue et à la déformation, une stabilité dimensionnelle, une capacité d’amortissement et une bonne conductivité. Ces alliages sont connus sous le nom de Zamak.

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Le Zamak 3 (ZL3) est l’alliage recommandé pour la plupart des applications. Il présente une grande stabilité dimensionnelle, il est malléable, résistant à la corrosion, et conserve de bonne résistance au choc même après usage prolongé à 90°C. Il est couramment employé pour la réalisation de pièces fonctionnelles, mécaniques (engrenages) et décoratives dans toutes les industries.

Le Zamak 5 (ZL5) est quelquefois préféré pour sa résistance à la traction et sa dureté. Il est excellent pour les pièces de frottement : paliers, bagues, platine, bras porte-contact.

L’apport de cuivre dans la composition des alliages de zinc leur confère une dureté supérieure et une résistance à l’usure plus intéressante. C’est le cas des alliages ZL2 et ZL5. Le cuivre améliore le frottement, en revanche il diminue la résistance à la corrosion. L’aluminium améliore la coulabilité.

Les alliages de zinc présentent une bonne capacité d’amortissement. Pour des pièces soumises aux vibrations, mieux vaut privilégier un tracé mince et nervuré plutôt que des épaisseurs importantes. La qualité du métal en sera meilleure (grains plus fins, absence de porosité), l’inertie plus élevée (effet de nervures) et les contraintes plus faibles (poids réduit). 

Les alliages de zinc-aluminium, à plus haute teneur en aluminium que les Zamak, sont utilisés pour augmenter davantage encore la résistance et les capacités de déformation lors d’une tension mécanique. Le ZL8 peut être moulé en coquille ou sous-pression chambre chaude pour des pièces dont on recherche un bon état de surface, une aptitude à la décoration et d’excellentes caractéristiques mécaniques. Le ZL12 est adapté à la réalisation en coulée par gravité de pièces prototypes pour l’étude de faisabilité de pièces coulées sous-pression en Zamak. Le ZL27 est un alliage de zinc aux caractéristiques mécaniques élevées. Il peut être moulé par gravité, au sable, en coquille ou sous-pression en chambre froide.
 

Les alliages d’aluminium VS. les alliages de zinc


À l’instar du magnésium, l’une des principales différences entre les alliages d’aluminium et de zinc est que le zinc a une basse température de fusion et requiert des pressions de fonderie plus basses. Le Zamak est considéré comme l’alliage le plus adapté à la fonderie sous pression.

Grâce à sa température de fusion plus basse, les outillages pour les alliages de zinc durent plus longtemps que ceux pour les alliages d'aluminium. Or les outillages sont coûteux, et le fait de pouvoir les garder plus longtemps fournit une approche plus rentable pour des projets de fonderie à grand volume.

Par ailleurs, la température plus basse de fusion du zinc permet l'injection sous pression chambre chaude qui est moins coûteuse que le procédé chambre froide. Le principe de la fonderie sous pression en chambre chaude est le plus répandu, grâce à ses avantages technico-économiques et sa vitesse de production élevée. Le Zamak est l’alliage le plus solide, ses capacités de résistance dépassent celles des alliages d'aluminium moulé sous pression.

Un autre avantage à utiliser un alliage de zinc plutôt qu’un alliage d’aluminium est que le Zamak est idéal pour mouler des pièces à parois fines et aux détails complexes. Avec le Zamak, les opérations d’usinage, d’ébavurage et de revêtement de surface sont moindres, voire superflues. Quand le Zamak est moulé, le processus de fonderie maintient les qualités d'état de surface de l'outillage, même lorsque la pièce est éjectée du moule. 
 

Choisir son alliage et déterminer les coûts de fonderie


Selon l’application et le design de la pièce, les coûts peuvent être abaissés en fonction de la quantité de matériau nécessaire et de son poids.

Le magnésium et l’aluminium sont des matériaux légers qui offrent une excellente stabilité. Cependant, ils ont une température de fusion plus haute que pour le zinc, ce qui peut contribuer à une augmentation du coût de fonderie. La fonderie sous pression à chambre chaude, utilisée avec les alliages de zinc et de magnésium, est moins coûteuse que le procédé de moulage sous pression chambre froide. En outre, elle est plus rapide.

Si l’industrie de la fonderie reste onéreuse, les coûts de production actuels demeurent raisonnables. Pour réduire les dépenses, il convient aussi d’avoir une vision des coûts sur toute la durée de vie du moule. Et pour le Zamak, on sait que les outillages durent bien plus longtemps.

Au moment de déterminer l’alliage qui convient le mieux à la configuration de la pièce, les opérations d’usinage et de finition devraient aussi être prises en compte. Les alliages de zinc et de zinc-aluminium offrent des résultats supérieurs comparés à l’aluminium et au magnésium dans les phases de finitions, et ils peuvent réduire de façon drastique la charge de travail pour l’obtention du produit final. 

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La chose la plus importante lors du choix de l’alliage est de considérer ses propriétés mécaniques et physiques intrinsèques et comment elles vont avoir un impact sur la performance et la longévité de la pièce.

Pour des projets qui impliquent des expositions prolongées à de hautes températures, l’aluminium offre une meilleure résistance que les autres alliages. Pour des designs qui requièrent une charge d’essai et un module d’élasticité élevés, les alliages de zinc sont les plus appropriés. Enfin, le magnésium possède des avantages dus à son poids plus léger, il peut se substituer à l’aluminium pour des composants spécifiques.


Sources :

Premier-Die-Casting-Company


Crédits photo :
Photo de couverture : Glencore
Photo Alliage Aluminum : Italpres
Photo Alliage Magnésium : Mag Specialties
Photo Alliage Zinc : Metalco
Dernière photo de l'article : Roanne Fonderie

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