نبرد آلیاژها: راهنمای جامع و مهندسی مقایسه زاماک با آلومینیوم، برنج و سایر فلزات ریخته‌گری

مقدمه: چرا دنیای مهندسی عاشق جزئیات است؟

تصور کنید یک دستگیره در را لمس می‌کنید. حس سردی فلز، وزنی که در دست احساس می‌شود و درخششی که چشم را خیره می‌کند. این حس «کیفیت»، اتفاقی نیست؛ نتیجه انتخاب دقیق متریال توسط مهندسان است. در دنیای ریخته‌گری تحت فشار (Die Casting)، ما همیشه با یک دو راهی کلاسیک روبرو هستیم: انتخاب بین «زاماک» (Zamak) و رقبای سرسختش مثل آلومینیوم و برنج.

به عنوان کسی که عاشق نفوذ به عمق ساختار میکروسکوپی فلزات است، باید بگویم این انتخاب فقط مربوط به قیمت نیست؛ مربوط به فیزیک، شیمی و هنر تولید است. در این مقاله، می‌خواهیم با ذره‌بین دقیق‌تری به این موضوع نگاه کنیم. ما فراتر از کلیات می‌رویم و با تمرکز ویژه بر تفاوت زاماک و آلومینیوم، تمام زوایای فنی را بررسی می‌کنیم. منابع ما در این تحلیل، داده‌های فنی از هندبوک‌های متالورژی و استانداردهای ASTM و منابع معتبر صنعتی انگلیسی‌زبان هستند. آماده‌اید؟ بیایید شیرجه بزنیم درون مذاب!

فصل اول: زاماک چیست؟ شناسنامه یک قهرمان سنگین‌وزن

قبل از مقایسه، باید خود «زاماک» را بشناسیم. اسم ZAMAK یک کلمه آلمانی مخفف نیست، بلکه ترکیبی از عناصر سازنده آن است:

• Z (Zink – روی): فلز پایه (حدود ۹۵٪).

• A (Aluminum – آلومینیوم): عنصر کلیدی برای استحکام (حدود ۴٪).

• MA (Magnesium – منیزیم): مقدار بسیار کم اما حیاتی برای جلوگیری از خوردگی.

• K (Kupfer – مس): برای افزایش سختی (در برخی گریدها).

آلیاژهای روی (Zinc Alloys) که تحت عنوان تجاری زاماک شناخته می‌شوند، به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود در ریخته‌گری تحت فشار، به سرعت جایگاه خود را در صنایع مختلف تثبیت کرده‌اند. ساختار پایه این آلیاژها، روی با کیفیت بالا (High Purity Zinc) است که برای اطمینان از مقاومت در برابر خوردگی، باید مقادیر ناچیزی از عناصری مانند سرب، کادمیوم یا قلع در آن نباشد (استاندارد ASTM B86).

چرا ۴ درصد آلومینیوم؟ (جادوی یوتکتیک)

یک نکته نردی (Nerdy) که باید بدانید: چرا تقریباً همه گریدهای زاماک حدود ۴٪ آلومینیوم دارند؟ چون این نقطه یوتکتیک (Eutectic) سیستم دوتایی روی-آلومینیوم است.

در نمودار فاز دو جزئی روی-آلومینیوم، دمای یوتکتیک، پایین‌ترین دمایی است که مخلوط جامد می‌شود و در این دما، آلیاژ از حالت مایع به یک ترکیب همگن از دو فاز (آلفا و بتا) در یک بازه دمایی بسیار کوچک تبدیل می‌شود.

رابطه تقریبی دمای ذوب (T_m) برای سیستم روی-آلومینیوم به صورت زیر است:

T_m = 382°C (دمای یوتکتیک سیستم Zn–Al)

نتایج این ترکیب یوتکتیکی:

1. سیالیت فوق‌العاده: آلیاژ در دمای پایین‌تری ذوب می‌شود و ویسکوزیته (گرانروی) پایین‌تری دارد، که به آن اجازه می‌دهد تا پیچیده‌ترین جزئیات و نازک‌ترین دیواره‌های قالب را پر کند.

2. انجماد سریع و یکنواخت: دامنه انجماد محدود به معنای کاهش زمان چرخه تولید است.

خانواده گریدها: تنوع در عملکرد

خانواده زاماک استاندارد بر اساس میزان مس (Kupfer) طبقه‌بندی می‌شود و هر گرید برای کاربرد خاصی بهینه‌سازی شده است:

• Zamak 3: محبوب‌ترین و استانداردترین گرید. حاوی مس کمتر (حدود ۰.۲۵٪). تعادل عالی بین خواص فیزیکی، ریخته‌گری و مقاومت به خوردگی. این گرید استاندارد طلایی (Gold Standard) در بسیاری از صنایع است.

• Zamak 5: دارای حدود ۱٪ مس. این افزودنی، استحکام کششی و سختی سطح را بهبود می‌بخشد اما در عوض، کمی از خاصیت ارتجاعی (Ductility) کاسته و مقاومت به خوردگی آن نسبت به زاماک ۳ ضعیف‌تر است.

• Zamak 2: بیشترین مقدار مس (تا ۳٪). سخت‌ترین و قوی‌ترین عضو خانواده. استفاده از آن محدودتر است و در کاربردهایی که سایش بالا مد نظر است (مانند برخی یاتاقان‌های کوچک) کاربرد دارد.

• Zamak 7: نسخه بسیار خالص‌تر زاماک ۳ با کنترل دقیق‌تر بر منیزیم و مس. این گرید برای دستیابی به بالاترین سیالیت و کاهش حباب‌های گازی (Porosity) در دیواره‌های بسیار نازک طراحی شده است.

فصل دوم: تفاوت زاماک و آلومینیوم؛ نبرد اصلی (Main Event)

اینجا جایی است که کلمه کلیدی اصلی ما، تفاوت زاماک و آلومینیوم، زیر ذره‌بین می‌رود. بیایید این دو غول ریخته‌گری را در رینگ مسابقه قرار دهیم. اگرچه هر دو در گروه فلزات غیرآهنی قرار دارند و هر دو به صورت دایکست تولید می‌شوند، تفاوت‌های بنیادینی در شیمی و فرآیند آن‌ها وجود دارد.

۱. فرآیند تولید: اتاق گرم در برابر اتاق سرد (Hot Chamber vs. Cold Chamber)

این بزرگترین تفاوت فنی است که بر هزینه، سرعت و پایداری عملیاتی تأثیر می‌گذارد.

زاماک (Hot Chamber Die Casting)

به دلیل نقطه ذوب بسیار پایین زاماک (حدود ۳۸۵ درجه سانتی‌گراد)، ماشین‌های ریخته‌گری مخصوصی به نام “محفظه گرم” (Hot Chamber) استفاده می‌شوند.

• مکانیسم: سیلندر تزریق (Injection Cylinder) و پیستون، مستقیماً داخل بوته حاوی مذاب روی قرار دارند. پمپ مذاب را به صورت داخلی می‌کشد و تزریق می‌کند.

• مزیت: تماس مستقیم با منبع مذاب باعث می‌شود دمای کارکرد ماشین پایین بماند، سرعت پمپاژ بسیار بالا باشد و زمان چرخه تولید (Cycle Time) به شدت کاهش یابد. این فرآیند برای تولید انبوه با سرعت بالا ایده‌آل است.

آلومینیوم (Cold Chamber Die Casting)

آلومینیوم (مثل گرید A380 استاندارد) در دمای بسیار بالاتری ذوب می‌شود (حدود ۶۰۰ تا ۶۶۰ درجه سانتی‌گراد).

• مکانیسم: دمای مذاب آلومینیوم به قدری بالاست که می‌تواند به سیلندر و قطعات فولادی ماشین آسیب برساند (جوش سرد یا ذوب شدن). بنابراین، مذاب باید در بوته‌های خارجی ذوب شده و با یک ملاقه (Ladle) به صورت دستی یا اتوماتیک به داخل سیلندر تزریق سرد ریخته شود.

• عیب: این فرآیند کندتر است، زمان چرخه طولانی‌تری دارد و انرژی بیشتری برای حفظ دمای بالا مصرف می‌شود.

۲. عمر قالب (Tooling Life): اقتصاد مهندسی

طول عمر قالب‌های دایکست مستقیماً با دمای مذاب و تهاجمی بودن آن رابطه دارد.

• آلومینیوم: مذاب آلومینیوم به دلیل دمای بالا، شوک حرارتی (Thermal Shock) شدیدی به فولاد قالب وارد می‌کند. این امر منجر به ترک‌های ریز (Heat Checking) روی سطح حفره قالب می‌شود. عمر معمول قالب‌های آلومینیومی اغلب بین ۵۰,۰۰۰ تا ۲۰۰,۰۰۰ شات است.

• زاماک: دمای پایین تزریق زاماک فشار حرارتی کمتری وارد می‌کند. قالب‌های زاماک می‌توانند به راحتی تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ شات یا بیشتر عمر کنند، به شرطی که عملیات حرارتی مناسبی روی آن‌ها انجام شده باشد.

نتیجه اقتصادی: اگر پروژه شما به تیراژ میلیونی می‌رسد، هزینه‌های اولیه قالب (CAPEX) برای زاماک به دلیل عمر طولانی‌تر، سریع‌تر مستهلک می‌شود.

 

• وزن و حس: زاماک به دلیل چگالی بالا، حس “محکم” و “گران‌قیمت” را به مصرف‌کننده منتقل می‌کند. آلومینیوم به دلیل سبکی برای کاربردهایی که کاهش وزن (Lightweighting) هدف اصلی است (مانند قطعات خودرو برای بهبود راندمان سوخت)، انتخاب می‌شود.

۴. دقت ابعادی و جداره‌های نازک (Thin Walls)

به دلیل سیالیت عالی ذاتی روی، زاماک به طور سنتی در تولید قطعات با تلرانس‌های نزدیک (Tight Tolerances) و دیواره‌های نازک (Thin Wall Section) برتری دارد.

با استفاده از زاماک، ضخامت دیواره تا ۰.۸ میلی‌متر در قطعات بزرگ نیز قابل دستیابی است، بدون اینکه نیاز به فشار تزریق بسیار بالا باشد. این امر فشار کمتری به قالب وارد کرده و پر شدن کامل حفره را تضمین می‌کند. آلومینیوم برای رسیدن به این سطح از جزئیات معمولاً نیاز به فشار تزریق بالاتری دارد که می‌تواند منجر به تخلخل (Porosity) در داخل قطعه شود.

۵. پرداخت سطحی (Finishing): رویای آبکاری

این شاید مهمترین مزیت تجاری زاماک باشد.

• زاماک: سطح زاماک دارای ساختار شیمیایی بسیار مناسبی برای اتصال شیمیایی با لایه‌های پوششی است. آبکاری الکترولس نیکل، کروم، مس و طلا به راحتی و با چسبندگی فوق‌العاده انجام می‌شود. این امر باعث می‌شود زاماک انتخاب اول برای لوازم بهداشتی، دستگیره‌های لوکس و قطعات تزئینی باشد.

• آلومینیوم: آلومینیوم به طور طبیعی یک لایه اکسیدی پایدار روی سطح خود ایجاد می‌کند که عایق است. برای آبکاری آلومینیوم، باید فرآیند پیچیده‌تری به نام فعال‌سازی (Activation) یا استفاده از لایه واسط (Zincate Pre-treatment) طی شود که هزینه‌ها و پیچیدگی را به شدت افزایش می‌دهد.

 

 

فصل سوم: زاماک در برابر برنج (Brass)؛ نبرد اقتصادی

برنج (آلیاژ مس و روی) در ریخته‌گری تحت فشار (بیشتر در فرآیند Hot Chamber به دلیل نقطه ذوب پایین‌تر) استفاده می‌شود، اگرچه به اندازه زاماک رایج نیست.

 

نتیجه‌گیری اقتصادی: مهندسان زمانی به سراغ برنج می‌روند که خواص الکتریکی مس (هدایت الکتریکی) یا مقاومت سایش بسیار بالا مورد نیاز باشد، یا زمانی که ظاهر طلایی طبیعی برنج مد نظر باشد و هزینه مسئله‌ای نباشد. برای ۹۰٪ قطعات تزئینی و مکانیکی با عملکرد متوسط، زاماک برنده است.

 

 

فصل چهارم: زاماک در برابر منیزیم (Magnesium)؛ جنگ سبک‌وزن‌ها

منیزیم، به ویژه آلیاژ AZ91D، رقیب اصلی آلومینیوم در نبرد کاهش وزن است.

 

 

نتیجه‌گیری: منیزیم در کاربردهایی که وزن کم مطلق است (مانند قاب‌های داخلی لپ‌تاپ، ابزارهای برقی پرتابل) استفاده می‌شود، اما زاماک به دلیل پایداری بهتر در محیط و ایمنی فرآیند، برای قطعات بیرونی و مصرفی ارجح است.

 

 

فصل پنجم: بررسی‌های فنی پیشرفته (The Geeky Stuff)

برای درک کامل برتری یا ضعف یک آلیاژ در شرایط بارگذاری خاص، باید به خواص ترمومکانیکی آن‌ها توجه کرد.

پدیده خزش (Creep) در دماهای بالا

خزش به تغییر شکل تدریجی مواد در طول زمان تحت بار ثابت اطلاق می‌شود، به ویژه زمانی که دما به بخشی از نقطه ذوب مطلق (تبدیل کلوین) نزدیک می‌شود.

• زاماک: زاماک (روی خالص شده) به شدت مستعد خزش در دماهای نسبتاً پایین است. اگر دمای عملیاتی قطعه‌ای از حدود (90^\circ C) (۱۹۴ درجه فارنهایت) فراتر رود، استحکام تسلیم آن به شدت کاهش می‌یابد و قطعه تحت بار شکل خود را از دست می‌دهد.

• آلومینیوم: آلومینیوم (به ویژه گرید A380 با سیلیکون) تا دمای حدود ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد مقاومت بسیار بهتری در برابر خزش نشان می‌دهد.

Critical PointZamak​≈0.3,Tm​(Absolute Scale)

درس مهندسی: برای قطعاتی که در معرض گرمای تولید شده توسط موتور یا قطعات الکترونیکی با توان بالا هستند (مانند قسمت‌های داخلی خودرو یا سخت‌افزارهای صنعتی)، آلومینیوم یا آلیاژهای دیگر با نقطه ذوب بالاتر انتخاب می‌شوند.

میراث شیلدینگ (EMI/RFI Shielding)

قابلیت مسدود کردن تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) و فرکانس رادیویی (RFI) برای قطعات الکترونیکی حیاتی است. هر سه فلز اصلی (روی، آلومینیوم، منیزیم) رسانای خوبی هستند و خاصیت شیلدینگ قوی دارند.

• هدایت الکتریکی: زاماک رسانایی کمتری نسبت به آلومینیوم خالص دارد، اما چگالی بالاتر آن در سطح مقطع یکسان، باعث می‌شود که لایه محافظ مؤثرتری ایجاد کند.

• میرایی ارتعاش (Damping): ساختار کریستالی آلیاژهای روی اغلب بهتر از آلومینیوم لرزش‌های مکانیکی را جذب و میرا می‌کند. این ویژگی زاماک را برای ساخت هوزینگ‌هایی که باید نویز و ارتعاشات را کاهش دهند (مثل قطعات مربوط به قفل‌های الکترونیکی یا موتورهای کوچک)، مطلوب می‌سازد.

فصل ششم: جدول مقایسه جامع خواص (داده‌های آزمایشگاهی)

در این بخش، داده‌های فنی را برای زاماک ۳ و آلومینیوم A380 (استانداردهای رایج دایکست) به صورت شفاف مقایسه می‌کنیم. توجه داشته باشید که این مقادیر تقریبی هستند و بر اساس فرآیند استاندارد ریخته‌گری محاسبه شده‌اند.

 

 

تحلیل کمی: محاسبه نسبت استحکام به وزن (Strength-to-Weight Ratio)

برای مقایسه واقعی عملکرد، باید تأثیر وزن را لحاظ کنیم. این نسبت با تقسیم استحکام تسلیم بر چگالی محاسبه می‌شود:

1. زاماک 3:
   R_Zamak = 208 MPa ÷ 6.60 g/cm³ ≈ 31.5

   آلومینیوم A380:
   R_Al = 159 MPa ÷ 2.70 g/cm³ ≈ 58.9

برای مقایسه واقعی عملکرد مواد، لازم است نسبت استحکام به وزن را در نظر بگیریم؛ یعنی استحکام تسلیم را بر چگالی تقسیم کنیم. برای زاماک 3، این نسبت حدود 31.5 به دست می‌آید و برای آلومینیوم A380 حدود 58.9 است. در نتیجه، آلومینیوم تقریباً دو برابر کارایی وزنی بیشتری نسبت به زاماک ارائه می‌دهد. این برتری نشان می‌دهد که هرجا کاهش وزن یک الزام طراحی باشد، آلومینیوم گزینه به‌مراتب مناسب‌تری نسبت به زاماک محسوب می‌شود.

فصل هفتم: ملاحظات زیست‌محیطی و بازیافت

در عصر تولید پایدار، بازیافت‌پذیری مواد یک مزیت رقابتی محسوب می‌شود.

• قابلیت بازیافت: هر دو فلز آلومینیوم و زاماک ۱۰۰٪ قابل بازیافت هستند.

• انرژی بازیافت: به دلیل دمای ذوب پایین زاماک $(384^\circ\text{C})$، انرژی لازم برای ذوب‌ریسی آن به‌مراتب کمتر از آلومینیوم است که دمای ذوب آن حدود $(593^\circ\text{C})$ است. همین اختلاف دمای ذوب باعث می‌شود بازیافت زاماک انرژی کمتری مصرف کند و در نتیجه، ردپای کربنی پایین‌تری نسبت به بازیافت آلومینیوم داشته باشد.

جلوگیری از پدیده “Zinc Pest” (آفت روی)

در گذشته، اگر آلیاژهای روی حاوی ناخالصی‌های سرب (Pb)، قلع (Sn) یا کادمیوم (Cd) در مقادیر بالا بودند، در دمای اتاق یک تحول فازی رخ می‌داد که منجر به انبساط حجمی و در نهایت پودر شدن کامل قطعه (Zinc Pest) می‌شد.

امروزه این مشکل، به‌واسطه استانداردهای سخت‌گیرانه ریخته‌گری—از جمله گریدهای جهانی نظیر AG40A یا Zamak 3/5—که خلوص روی در آن‌ها باید به حدود $99.99\%$ برسد، عملاً برطرف شده است. قطعات زاماکِ مدرن، در صورتی که مطابق مشخصات فرآیند تولید شوند، از پایداری ابعادی بسیار عالی برخوردارند و دیگر هیچ‌گونه تمایلی به بروز پدیده «پُست» نشان نمی‌دهند.

نتیجه‌گیری: کدام را انتخاب کنیم؟ (The Verdict)

انتخاب بین زاماک و آلومینیوم یک معامله بین عملکرد در سطح نهایی (Surface Performance) و عملکرد مکانیکی/وزنی (Mass Performance) است. هیچ “بهترین” فلزی وجود ندارد، فقط “مناسب‌ترین” فلز برای کاربرد شما وجود دارد.

زاماک (Zamak) را انتخاب کنید اگر:

1. زیبایی‌شناسی و پرداخت سطح اولویت است: آبکاری آینه‌ای کروم برای شیرآلات، دستگیره‌ها، لوازم خانگی (مانند توستر یا قهوه‌ساز) و قطعات تزئینی خودرو.

2. تیراژ تولید بسیار بالا است: به دلیل چرخه تولید سریع‌تر (Hot Chamber) و عمر قالب طولانی‌تر.

3. نیاز به حس وزن و استحکام بالا در تلرانس‌های نزدیک دارید: برای قطعاتی مانند سگک‌ها، قفل‌ها و اجزای مکانیکی دقیق که باید صلب به نظر برسند.

آلومینیوم (Aluminum) را انتخاب کنید اگر:

1. کاهش وزن یک الزام طراحی است: کاربردهای حمل و نقل (خودرو، هوافضا) که نسبت استحکام به وزن اهمیت حیاتی دارد.

2. قطعه در محیط‌های با دمای بالا کار می‌کند: نزدیک به موتور یا هر منبع حرارتی شدیدی که دمای آن بیش از $100^\circ\text{C}$ باشد.

3. نیاز به آنودایز کردن رنگی دارید: آلومینیوم برای آنودایز کردن عالی است، در حالی که زاماک برای این فرآیند مناسب نیست.

در نهایت، تفاوت زاماک و آلومینیوم در فلسفه طراحی آن‌هاست: زاماک قهرمان دقت، زیبایی سطح و سرعت چرخه تولید است، در حالی که آلومینیوم قهرمان سبکی و مقاومت حرارتی است. دفعه بعد که یک محصول با کیفیت را در دست گرفتید، به ساختار کریستالی و انتخاب هوشمندانه مهندس پشت آن فکر کنید!

راهنمای خرید زاماک

---

(References)

NADCA (North American Die Casting Association) Technical Standards.

استانداردهای ASTM B240 (برای شمش‌های روی) و ASTM B86 (برای قطعات ریختگی روی).

ASM Handbook, Volume 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Specialty Metals.

MakeItFrom.com Materials Data and Industry White Papers.