Le zinc est un métal important et polyvalent qui joue un rôle important dans un grand nombre d'applications industrielles, commerciales et biologiques. Le zinc est utilisé dans l'industrie, la construction et les revêtements de protection en raison de sa grande résistance à la corrosion et de son aspect bleu-argenté. L'une de ses propriétés les plus précieuses est sa capacité à former des alliages très solides, notamment avec l'aluminium, le cuivre et le magnésium, dont il améliore considérablement la résistance et la durabilité. Ces caractéristiques rendent le zinc extrêmement adapté aux processus de fabrication tels que le moulage sous pression. Le zinc est également connu comme un matériau spécial dans le contexte de l'industrie automobile, car il n'existe aucun autre matériau présentant de telles propriétés mécaniques et, en même temps, autant d'avantages en termes de fabrication. Il peut être utilisé pour créer des formes très complexes et détaillées avec peu de travail mécanique, ce qui les rend parfaites pour les composants décoratifs et fonctionnels des véhicules. En outre, son faible point de fusion permet de réduire la consommation d'énergie lors de la production, conformément aux objectifs de développement durable. L'importance du zinc s'accroît à mesure que la technologie automobile évolue. La plupart des pièces des systèmes d'avion peuvent désormais être fabriquées à partir de zinc, car il permet une production en grande quantité avec une excellente uniformité des pièces, ce qui en fait un matériau essentiel, non seulement pour les conceptions actuelles des systèmes, mais aussi pour les nouvelles conceptions à venir.

Qu'est-ce que la coulée sous pression du zinc ?

Le moulage sous pression du zinc est un procédé de fabrication de précision qui consiste à injecter de l'alliage de zinc en fusion dans une matrice personnalisée (également appelée moule) sous haute pression pour former des pièces métalliques. Il est normalement utilisé pour la production de composants complexes et détaillés avec des tolérances serrées, des finitions de surface fines et des propriétés mécaniques élevées.

Le moulage sous pression du zinc possède d'excellentes propriétés mécaniques et combine en même temps une grande précision. Il permet la fabrication de pièces complexes, à tolérance étroite, avec des finitions de surface lisses et répond aux exigences de la conception actuelle des véhicules.

Pourquoi le zinc ? Principales propriétés des matériaux

Le zinc est préféré dans le processus de moulage sous pression en raison de plusieurs propriétés uniques.

Haute résistance et ductilité

Parce qu'il est plus résistant que de nombreux autres métaux moulés sous pression, les alliages de zinc sont utilisés dans les applications à parois minces.

Excellente précision dimensionnelle

Le moulage sous pression du zinc est une pièce qui conserve ses formes et ses dimensions avec une grande régularité, ce qui permet de réduire les opérations de post-traitement.

Résistance supérieure à la corrosion

Le zinc est naturellement résistant à la corrosion, en particulier aux revêtements supplémentaires. Cette résistance est cruciale pour les pièces utilisées dans les véhicules en présence de conditions routières et météorologiques défavorables.

Haute fluidité

Le zinc en fusion s'écoule très facilement, et ces pièces aux caractéristiques réduites et aux parois minces ont été coulées avec succès.

Un outillage rentable

La fonderie de zinc bénéficie de matrices à longue durée de vie par rapport à l'aluminium ou au magnésium ; le zinc présente donc plus d'avantages économiques si l'on souhaite produire une grande quantité de pièces.

Recyclabilité

La transition de l'industrie automobile vers une plus grande durabilité signifie également que le zinc est un matériau respectueux de l'environnement qui est 100% recyclable sans perte de propriétés.

Processus de fabrication : Aperçu étape par étape

1. Conception et outillage :

Les logiciels de CAO sont utilisés par les ingénieurs pour concevoir les composants. Ensuite, une matrice en acier de haute précision est fabriquée avec un grand nombre de cavités pour construire plusieurs pièces en un seul cycle.

2. Fusion de l'alliage de zinc :

Le zinc est fondu à une température d'environ 420°C (788°F), moins élevée que celle de l'aluminium et avec des coûts énergétiques nettement inférieurs.

3. Injection :

En général, le zinc fondu est injecté dans la matrice à une pression de 1 500 à 25 000 psi, suffisamment élevée pour que le moule soit rempli rapidement et uniformément.

4. Refroidissement et solidification :

Lorsque l'alliage de zinc entre dans la matrice, il se refroidit et se solidifie rapidement (en quelques secondes).

5. Expulsion :

Des broches d'éjection éjectent ensuite la pièce nouvellement formée de la matrice.

6. Découpage et finition :

La pièce peut faire l'objet d'une finition supplémentaire, telle que l'ébavurage, le polissage, la peinture ou le revêtement, et l'excédent de matière (bavure) est éliminé.

7. Contrôle de la qualité :

Certains composants sont inspectés pour vérifier l'exactitude des dimensions, les défauts de surface et l'intégrité mécanique, comme c'est souvent le cas avec des systèmes automatisés ou des scanners 3D.

Alliages de zinc courants utilisés dans l'industrie automobile

Dans l'industrie automobile, la sélection de l'alliage de zinc approprié est importante car les propriétés de l'alliage jouent un rôle important dans la performance, la fiabilité et la rentabilité. Les fabricants peuvent adapter les matériaux à des applications spécifiques en fonction de l'équilibre entre la résistance, la ductilité, la fluidité et la résistance à la corrosion que les différents alliages ont à offrir dans des mesures variables. Les alliages de zinc les plus couramment utilisés dans le moulage sous pression des automobiles sont indiqués ci-dessous.

1. Alliages de zamak (alliages de zinc et d'aluminium)

Le principal élément d'alliage dans une famille d'alliages de zinc connue sous le nom de zamak est l'aluminium à environ 4%. Le nom vient des noms allemands des métaux utilisés : Zink, Aluminium, Magnésium et Kopper (cuivre).

Zamak 3 :

• C'est l'alliage de zinc le plus utilisé pour le moulage sous pression.
• Offre une excellente stabilité dimensionnelle, un bon état de surface et une bonne aptitude au moulage.
• Ces surfaces sont courantes dans les composants intérieurs tels que les poignées de porte, les boutons et les pièces de garniture.

Zamak 5 :

• Il est légèrement plus cuivré que le Zamak 3 et offre une résistance et une dureté plus élevées.
• Approprié pour les applications sous contrainte mécanique telles que les supports structurels.

Zamak 2 :

• Le plus résistant et le plus dur des alliages de Zamak.
• Il est utilisé dans les systèmes de verrouillage ou les boîtiers d'engrenage où la résistance à l'usure est essentielle.

2. Alliages ZA (zinc-aluminium)

Les alliages ZA (ZA-8, ZA-12, ZA-27) ont une teneur en Al plus élevée que le Zamak, ce qui leur confère une plus grande solidité et une meilleure résistance à l'usure. Ils sont généralement utilisés dans la coulée par gravité, probablement dans certains cas dans la coulée sous pression également.

ZA-8 :

• Contient de l'aluminium 8%.
• Offre une bonne résistance et des propriétés de coulée modérées.
• Convient aux composants structurels des véhicules légers.

ZA-12 et ZA-27 :

• Difficile à couler, mais plus résistant.
• Utilisé dans des applications ou pièces semi-structurelles, où il est soumis à des frottements.

3. ACuZinc5

Il s'agit d'un alliage spécial de zinc-cuivre-aluminium destiné à obtenir les caractéristiques d'aptitude au moulage du Zamak et la résistance des alliages ZA.

• Résistance extrêmement élevée et résistance supérieure à l'usure.
• Utilisé dans les carters d'engrenages, les actionneurs et les liaisons mécaniques dans les systèmes automobiles.
• Le matériau de remplacement est idéal pour remplacer le bronze et l'acier usinés dans les applications où la durabilité est nécessaire.

4. EZAC (Enhanced Zinc-Aluminum-Copper) (zinc-aluminium-cuivre amélioré)

L'EZAC est un alliage relativement nouveau, qui présente une très grande résistance mécanique et une résistance au fluage jusqu'à des températures élevées.

• Convient aux pièces qui doivent conserver leur forme et leur résistance même sous la charge, par exemple les composants de montage ou les moteurs.
• Il offre une résistance deux fois supérieure à celle du Zamak 3, mais nécessite un outillage plus perfectionné.

5. Alliages zinc-nickel

Les plaques de zinc-nickel sont moins courantes que le zinc moulé sous pression dans ces domaines, mais elles sont fréquemment utilisées pour améliorer la résistance à la corrosion (en particulier au sel et à l'humidité) pour les pièces situées sous le capot ou le train de roulement.

• Choisir le bon alliage
• Le choix de l'alliage de zinc dépend de plusieurs facteurs
• Exigences mécaniques (résistance à la traction, résistance aux chocs)
• Besoins en matière de finition de surface
• Coût et volume de production
• Exposition à des contraintes environnementales (chaleur, corrosion)

C'est pourquoi les ingénieurs travaillent souvent avec des scientifiques et des fournisseurs de matériaux pour choisir un alliage qui soit aussi bien adapté à la tâche que le coût le permet, en respectant à la fois les contraintes de performance et de coût.

Rôle de la coulée sous pression du zinc dans l'industrie automobile

Le moulage sous pression du zinc revêt une grande importance dans la construction automobile en raison de sa haute précision, de sa résistance élevée et de sa fabrication économique de composants de petite et moyenne taille. Ce procédé permet de produire des pièces complexes de haute précision dans un délai très court et est excellent pour les applications automobiles en grande série.

Les alliages de zinc présentent d'excellentes propriétés mécaniques, telles que la durabilité, la résistance à la corrosion et la stabilité dimensionnelle. Ce sont ces éléments qui font du zinc le meilleur choix pour les poignées de porte, les supports, les serrures, les emblèmes, etc. en tant que pièces automobiles. Le zinc est également facile à plaquer ou à peindre, car sa surface est lisse.

Bien que le zinc soit plus lourd que l'aluminium ou le magnésium, il peut être compétitif pour les applications où le poids n'est pas la priorité absolue en termes de résistance et de détails. En raison de son point de fusion bas, il nécessite moins d'énergie et offre une longue durée de vie aux outils. Le zinc est également 100% recyclable, ce qui contribue à accélérer la promotion du développement durable dans l'industrie automobile.

Le moulage sous pression du zinc continue de fournir des solutions fiables et de haute qualité pour les applications automobiles exigeantes, alors que la conception des véhicules évolue.

Propriétés physiques et chimiques du zinc 

Propriétés physiques du zinc

1. L'apparence :

Le métal thermoélectrique bleu-argent ou grisâtre présente un éclat métallique brillant lorsqu'il est fraîchement poli.

2. Densité :

Comme le zinc a une densité d'environ 7,14 g/cm³ à température ambiante, il est modérément lourd par rapport à d'autres métaux.

3. Point de fusion :

Cependant, à une température relativement basse de 419,5°C (787°F), le zinc convient aux procédés thermiques, tels que le moulage sous pression, pour lesquels une faible consommation d'énergie est souhaitée.

4. Point d'ébullition :

Le zinc bout à 907°C (1665°F).

5. Dureté :

Le zinc a une dureté d'environ 2,5 sur l'échelle de Mohs, ce qui signifie qu'il n'est pas trop dur par rapport à l'acier, mais pas trop mou comme le sont l'étain ou le plomb purs.

7. Conductivité électrique :

Toutefois, si le cuivre et l'argent sont de très bons conducteurs d'électricité, le zinc ne l'est pas autant. C'est pourquoi il est souvent utilisé dans les piles et la galvanoplastie.

8. Conductivité thermique :

La conductivité thermique modérée du zinc lui permet de gérer la chaleur, mais il est moins efficace que l'aluminium.

9. Malléabilité et ductilité :

Le zinc est cassant et peut donc facilement se briser à température ambiante. Il est cependant malléable lorsqu'il est chauffé à environ 100-150°C (212-302°F), ce qui permet de le façonner facilement.

10. Structure cristalline :

En outre, les composés binaires du zinc cristallisent dans une structure hexagonale serrée (hcp) qui affecte les propriétés mécaniques, en particulier la fragilité à basse température.

Propriétés chimiques du zinc

1. Réactivité avec l'air :

Au contact de l'air, le zinc forme une fine couche d'oxyde de zinc (ZnO) à la surface. Le zinc sur la face supérieure empêche une corrosion plus profonde et est donc très résistant à la rouille par oxydation atmosphérique.

2. Réactivité avec les acides :

Les acides dilués, comme l'acide chlorhydrique (HCl), réagissent facilement avec le zinc en dégageant de l'hydrogène (H₂). Cette propriété rend donc le zinc utile dans la galvanisation et les anodes sacrificielles pour la protection contre la corrosion.

3. Nature amphotère :

Le zinc est amphotère et peut être attaqué à la fois par des acides et des bases puissantes. Par exemple, il réagit avec l'hydroxyde de sodium (NaOH) pour donner du zincate de sodium.

4. Formation d'alliages :

Le zinc s'allie facilement à plusieurs métaux, dont le cuivre, pour produire du laiton, de l'aluminium, du magnésium et de nombreux autres métaux.

5. États d'oxydation :

L'état d'oxydation +2 (Zn²⁺) du zinc est le plus courant. Cet état d'oxydation est associé à des composés de zinc tels que l'oxyde de zinc (ZnO) et le sulfate de zinc (ZnSO₄).

6. Résistance à l'eau :

L'eau pure ne réagit pas avec le zinc à température ambiante, mais à des températures plus élevées, le zinc peut réagir avec elle, formant lentement de l'hydrogène et de l'oxyde de zinc.

7. Activité galvanique :

Le matériau de l'anode, le zinc, est très efficace car il perd facilement des électrons dans les cellules galvaniques (batteries).

Zinc et autres matériaux dans les applications automobiles

Contrairement à l'aluminium, au magnésium, au plastique ou à l'acier, le moulage sous pression du zinc présente plusieurs avantages. Le zinc se distingue par ses performances et son coût dans la conception automobile et, bien que chaque matériau ait sa place dans la conception automobile, le zinc est particulièrement efficace dans ces paramètres.

Zinc ou aluminium :

Dans une forme souvent choisie pour sa légèreté, l'aluminium est trop faible et trop mou à faible épaisseur par rapport au zinc. En outre, le zinc offre une meilleure stabilité dimensionnelle et les géométries complexes supplémentaires ne nécessitent pas d'usinage important. L'outillage pour ce type de moulage a également tendance à durer plus longtemps, ce qui signifie que les coûts de production à long terme sont moins élevés.

Zinc vs Magnésium :

Le zinc est plus léger que le magnésium, mais il est plus cher lorsqu'il est acheté sans revêtement spécial. Cependant, les alliages de zinc offrent une excellente résistance à la corrosion et ne nécessitent aucun traitement de surface supplémentaire pour les rendre résistants dans la plupart des environnements. En outre, la coulée du zinc permet d'obtenir une meilleure précision et une meilleure finition.

Zinc ou plastique :

Cependant, le plastique est léger, peu coûteux, mais comparativement plus faible, il ne résiste pas très bien aux températures et est moins durable que le métal. Les composants en zinc résistant à l'usure, aux chocs ou à la charge constituent une alternative solide lorsque l'intégrité structurelle, la durée de vie et la résistance aux dommages dus aux chocs ou à l'usure sont importantes, en particulier lorsqu'il s'agit de mouvement ou de charge.

Zinc ou acier :

L'acier est un bon matériau, solide et couramment utilisé dans les applications structurelles, mais il est beaucoup plus lourd et, dans de nombreux cas, plus coûteux à façonner dans des formes ornementales. Le moulage sous pression du zinc, parce qu'il produit des pièces de forme presque nette avec un post-traitement minimal, est bien adapté aux cas où des composants de petite et moyenne taille doivent être produits.

En général, le zinc offre un bon équilibre entre la résistance mécanique, le coût, la formabilité et la finition de surface et constitue donc un excellent matériau pour les pièces automobiles, quelle que soit leur fonction.

Tableau récapitulatif des principales propriétés du zinc

Applications de la coulée sous pression du zinc dans la construction automobile

Une large gamme de composants pour véhicules peut être traitée par moulage sous pression du zinc. Parmi les plus courants, on peut citer:- les pièces en acier inoxydable

1. Composants intérieurs :

• Poignées de porte
• Ceinture de sécurité
• Leviers de commande du tableau de bord
• Boutons et interrupteurs de chauffage, de ventilation et de climatisation

Les composants de ces pièces sont de haute précision, la sensation tactile doit être bonne et l'ajustement doit être d'une grande finition. La capacité du zinc à fournir des détails de surface fins et une précision dimensionnelle est adaptée à ces pièces qui sont visibles et utilisées fréquemment.

2. Composants extérieurs :

• Emblèmes et logos
• Verrouillage des portes et du coffre
• Supports de miroir
• Composants du système d'essuyage

Étant donné que le bruit indique souvent la cause du bruit et que la localisation de la cause n'est pas aussi importante que le bruit lui-même, la résistance à la corrosion et la solidité sont utilisées pour l'utilisation après une exposition à l'environnement et donnent l'apparence et la fonction.

3. Composants sous le capot :

• Pièces de carburateur
• Pièces du système d'alimentation en carburant
• Corps de vanne
• Couvercles de courroie de distribution

La stabilité thermique, la solidité et la résistance à l'usure sont essentielles pour ces pièces. Le moulage sous pression du zinc permet de réaliser des géométries complexes, des tolérances de haute précision et des applications de systèmes de moteurs à fluide.

4. Parties structurelles :

• Supports
• Plaques de montage
• Supports de châssis (dans les petits véhicules)

Bien qu'ils ne soient pas utilisés pour les structures porteuses primaires, les composants en zinc ont une rigidité et des propriétés mécaniques fiables qui les rendent utiles pour soutenir les cadres et les assemblages.

La flexibilité du zinc permet de répondre aux exigences décoratives et fonctionnelles de toutes les catégories de véhicules. En raison de sa capacité à réduire le post-traitement, le blindage EMI et la consolidation des composants, le moulage sous pression du zinc s'étend à de plus en plus de plates-formes électriques et conventionnelles.

Avantages de la coulée sous pression par rapport aux autres matériaux de coulée sous pression

Bien que l'aluminium et le magnésium aient également été utilisés dans le secteur automobile, le zinc présente un avantage :

Il est facile de voir que pour les composants de petite et moyenne taille pour lesquels la précision et la résistance sont très importantes, le moulage sous pression du zinc est une très bonne option.

Les défis de la coulée sous pression du zinc

Le moulage sous pression du zinc présente certains inconvénients :

Poids :

Le zinc est trop lourd pour être utilisé dans les châssis de véhicules électriques et dans d'autres applications où la réduction du poids est essentielle, car il est plus lourd que l'aluminium ou le magnésium.

Propriétés thermiques : 

La conductivité thermique du zinc est inférieure à celle de l'aluminium, ce qui fait qu'il ne convient pas pour les pièces de dissipation de la chaleur telles que les radiateurs de moteur.

Limites de taille :

Par exemple, les outils ne peuvent pas être utilisés pour couler des composants de très grande taille et des défauts de solidification peuvent survenir.

Oui, grâce à une ingénierie intelligente et à la conception de matériaux hybrides, la plupart de ces défis peuvent être relevés.

Facteurs environnementaux et de durabilité

Le moulage sous pression du zinc se distingue par le fait que l'industrie automobile mondiale s'oriente vers des pratiques plus écologiques.

100% Recyclabilité :

Les déchets de fonderie de zinc sont collectés et retravaillés sans aucune dégradation.

Efficacité énergétique :

La température de fusion de l'aluminium étant beaucoup plus élevée, la consommation d'énergie est nettement inférieure à celle de l'aluminium.

Longue durée de vie de l'outil : 

Il prolonge la durée de vie de la matrice, réduisant la fréquence de remplacement de l'outil, ce qui signifie moins de déchets et de temps sans production.

Par conséquent, les entreprises qui s'efforcent de respecter des réglementations environnementales plus rigoureuses sont attirées par le zinc, car il s'agit d'une excellente option qui ne compromet ni la qualité ni les performances.

Innovations et tendances futures

Technologie des parois minces :

Les matrices perfectionnées et les alliages de zinc plus fluides permettent aujourd'hui d'obtenir des pièces aux parois extrêmement fines, qui réduisent le poids sans perdre en résistance.

Assemblages hybrides : 

En outre, les pièces en zinc sont de plus en plus utilisées en combinaison avec des plastiques ou d'autres métaux pour créer des pièces multifonctionnelles.

Véhicules électriques (VE) : 

Les VE ont besoin de composants compacts et robustes pour les boîtiers de batterie, les systèmes de contrôle et les connecteurs, et le zinc s'avère prometteur en raison de sa précision et de son rôle de métal de protection contre les interférences électromagnétiques (EMI).

L'outillage intelligent : 

Dans la production de masse, l'utilisation de l'IA et de l'apprentissage automatique pour la maintenance des matrices permet également de réduire la durée de vie des matrices et les défauts.

Conclusion

Moulage sous pression du zinc est plus qu'une méthode de fabrication, c'est une stratégie gagnante pour obtenir un avantage concurrentiel dans le secteur automobile. Il présente une combinaison optimale en termes de résistance mécanique, de flexibilité de conception, de rentabilité et de durabilité. Les véhicules étant de plus en plus légers, respectueux de l'environnement et sophistiqués, le moulage sous pression du zinc a un rôle important à jouer en tant que nouvelle génération de composants automobiles. Le zinc est très utilisé dans la fabrication automobile, qu'il s'agisse de petites poignées intérieures ou de puissantes structures sous le capot. Une fois que les innovations continueront à affiner leur application, les années à venir permettront une adoption encore plus large sur les plates-formes de véhicules conventionnels, hybrides et électriques.