Spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Zamak

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Bei der Konstruktion eines Druckgussbauteils steht meist die mechanische Festigkeit, die Toleranz oder die Oberflächenqualität im Vordergrund. Zwei weniger sichtbare Eigenschaften – die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit von Zamak – bestimmen jedoch unmittelbar, wie schnell das Gussteil in der Form erstarrt, wie hoch die Herstellkosten ausfallen und ob das Bauteil eine Wärmeableitungsfunktion übernehmen kann. Dieser Leitfaden erklärt die technische Bedeutung dieser Größen, nennt typische Werte der Zamak-Legierungen (ZP3, ZP5, ZP2, ZP8) und leitet daraus konkrete Konsequenzen für die Formauslegung beim Warmkammer-Druckguss ab.

Spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit: Definitionen im Kontext Zamak

Die spezifische Wärmekapazität (in J/kg·K) gibt an, wie viel Energie nötig ist, um ein Kilogramm Legierung um ein Grad zu erwärmen. Sie ist eine Speichergröße: Sie beschreibt, wie viel Wärme ein Zamak-Gussteil beim Erwärmen und Abkühlen aufnimmt oder abgibt. Eine höhere spezifische Wärmekapazität bedeutet, dass mehr Energie nötig ist, um die Legierung auf Gießtemperatur zu bringen – aber auch, dass das Metall während der Erstarrung mehr Wärme abzuführen hat.

Die Wärmeleitfähigkeit (in W/m·K) beschreibt dagegen, wie schnell Wärme das Material durchdringt. Sie ist eine Transportgröße: Sie quantifiziert, wie zügig thermische Energie von heißen zu kalten Bereichen eines Gussteils wandert. Im Druckguss entscheidet dies darüber, wie schnell die Wärme der Schmelze die Formwände erreicht und über das Kühlsystem abgeführt wird.

Bei Metallen verlaufen thermische und elektrische Leitfähigkeit meist parallel: Beide beruhen überwiegend auf der Bewegung freier Elektronen. Wie der einschlägige Fachartikel dazu zusammenfasst, weisen Metalle bei beiden Größen hohe Werte auf – mit bemerkenswerten Ausnahmen wie Diamant, der Wärme sehr gut, Strom aber kaum leitet. Diese Korrelation erklärt, warum Zink – Basis der Zamak-Legierungen und ihrer Zusammensetzung – sowohl für thermische Anwendungen als auch für elektromagnetische Abschirmungen interessant ist.

Typische Werte der Zamak-Legierungen (ZP3, ZP5, ZP2, ZP8) und der ZA-Legierungen

Reines Zink besitzt bei Raumtemperatur eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Die Zamak-Legierungen, die vor allem Aluminium (~4 %) sowie geringere Mengen Magnesium und Kupfer beimischen, zeigen weiterhin ein gutes thermisches Verhalten – wenngleich unter dem des reinen Metalls: Die Legierungselemente schaffen Hindernisse für die Elektronenbewegung und reduzieren dadurch sowohl die thermische als auch die elektrische Leitfähigkeit leicht.

Die Zusammensetzung wirkt sich direkt auf die Werte aus. Kupfer, enthalten in Zamak 5 mit Kupferzusatz (~1 %) und noch stärker in Zamak 2 (~3 %), erhöht Festigkeit und Härte, senkt aber tendenziell die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Zamak 3, der Basislegierung. Die aluminiumreicheren ZA-Legierungen (z. B. ZA-8, ~8 % Al) weisen ein nochmals anderes thermophysikalisches Profil auf, bei geringerer Dichte (~6,3 g/cm³ gegenüber ~6,6 g/cm³ bei klassischem Zamak).

Legierung	Kennzeichnende Elemente	Erwartete thermische Wirkung	Konstruktionshinweis
Zamak 3 (ZP3)	Basis ~4 % Al, Cu ≤0,10 %	Referenz-Wärmeleitfähigkeit, die höchste der ZP-Familie	Duktilste Legierung, Standard für über 70 % der nordamerikanischen Gussteile
Zamak 5 (ZP5)	~4 % Al + ~1 % Cu	Leitfähigkeit leicht unter ZP3	+10 % Festigkeit gegenüber ZP3
Zamak 2 (ZP2)	~4 % Al + ~3 % Cu	Reduzierte Leitfähigkeit durch hohen Kupferanteil	Härteste und festeste, am wenigsten duktile Legierung
ZP8 / ZA-8	~8 % Al + ~1 % Cu	Thermisches Profil durch hohen Aluminiumanteil verändert	Geringere Dichte (~6,3 g/cm³)

Warum diese Größen bei der Formauslegung für Warmkammer-Druckguss entscheidend sind

Beim Warmkammer-Druckguss wird die Schmelze in die Kavität eingespritzt und muss kontrolliert erstarren, bevor sich die Form öffnet. Wie schnell das geschieht, hängt von den thermophysikalischen Eigenschaften der Legierung ab: Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität bestimmen, wie viel Energie abgeführt werden muss und wie schnell dies geschehen kann.

Die Dimensionierung der Kühlkanäle ist die praktische Umsetzung dieser Parameter. Ein Kühlflüssigkeitskreislauf im Formeinsatz sorgt für die Wärmeabfuhr; der Konstrukteur muss Durchmesser, Position und Durchflussmenge entsprechend der abzuführenden Wärmemenge auslegen. Eine Legierung mit höherer spezifischer Wärmekapazität speichert mehr thermische Energie und erfordert entweder effizientere Kühlkreisläufe oder längere Kühlzeiten.

Die Auswirkung auf die Zykluszeit ist direkt: Je effektiver die Wärme abgeführt wird, desto schneller lässt sich die Form öffnen und das Bauteil entnehmen – mit direkter Wirkung auf die Produktivität. Der Warmkammerprozess ist für Zamak besonders vorteilhaft, weil die Legierung mit diesem Verfahren kompatibel ist: Unterhalb von ~450 °C reduziert der Aluminiumanteil der Legierung den korrosiven Angriff der Schmelze auf die eisenhaltigen Formwerkstoffe drastisch, sodass die Gießeinheit direkt im Metallbad eingetaucht werden kann. Die Formauslegung muss daher Wärmeabfuhr, Gussteilqualität und Standzeit des Werkzeugs in Einklang bringen.

Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf Gefüge und Endeigenschaften

Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Zamak-Gussteilen hängen nicht nur von der Legierungszusammensetzung ab, sondern auch von den Gießbedingungen, die die Abkühlgeschwindigkeit beeinflussen. Es handelt sich um ein etabliertes metallurgisches Prinzip: Bedingungen, die eine schnelle Abkühlung in der Form begünstigen, liefern die höchsten Festigkeits- und Härtewerte.

Daraus ergibt sich eine überraschende praktische Konsequenz: dünne Wandstärken erreichen proportional höhere Festigkeiten als dicke. Eine dünne Wand kühlt schneller ab, entwickelt ein feineres Gefüge und damit bessere mechanische Eigenschaften. Dieses Verhalten wird genau von den beschriebenen thermophysikalischen Eigenschaften gesteuert: hohe Leitfähigkeit und moderate spezifische Wärmekapazität begünstigen schnelle thermische Übergänge.

Die Beziehung zwischen thermophysikalischen Eigenschaften und Gießbedingungen ist somit bidirektional: Die Materialeigenschaften definieren die thermischen Grenzen, während die Prozessparameter – Einspritztemperatur, Formtemperatur, Kühleffizienz – bestimmen, wie viel von diesem Potenzial tatsächlich in die Endeigenschaften des Gussteils übersetzt wird.

Temperaturleitfähigkeit: die Verbindung zwischen spezifischer Wärmekapazität, Dichte und Wärmeleitfähigkeit

Um das instationäre thermische Verhalten eines Gussteils vorherzusagen, fasst eine einzige Kenngröße alle drei Grundgrößen zusammen: die Temperaturleitfähigkeit. Thermodynamisch ist sie definiert als Wärmeleitfähigkeit geteilt durch das Produkt aus Dichte und spezifischer Wärmekapazität bei konstantem Druck, mit der Einheit m²/s.

α = k / (ρ · c_p)   [m²/s]

Die Temperaturleitfähigkeit misst, wie schnell sich eine Temperaturänderung im Material ausbreitet. Ein Material mit hoher Temperaturleitfähigkeit erreicht rasch ein thermisches Gleichgewicht; eines mit niedriger Temperaturleitfähigkeit reagiert langsamer auf Änderungen. Das ist entscheidend für thermische Übergangszustände: wie schnell ein Zamak-Gussteil in der Form abkühlt, aber auch wie schnell ein Bauteil im Betrieb auf einen Wärmelastspitzenwert reagiert.

Werkstoff	Richtwert Dichte	Qualitatives thermisches Verhalten
Zamak	~6,6 g/cm³	Gute Leitfähigkeit, hohe Dichte: ausgewogenes thermisches Verhalten, ideal für komplexe Geometrien
Aluminium	~2,7 g/cm³	Sehr hohe Leitfähigkeit, geringe Dichte: hohe Temperaturleitfähigkeit, schnelle Wärmeableitung, erfordert jedoch Kaltkammerverfahren
Eisen / Stahl	~7,8 g/cm³	Geringere Leitfähigkeit als die beiden vorgenannten: langsameres thermisches Ansprechverhalten

Der Vergleich ist qualitativ: Die genauen Werte variieren mit Temperatur und Zusammensetzung. Der entscheidende Punkt ist konzeptioneller Natur – die Temperaturleitfähigkeit erklärt, warum zwei Werkstoffe mit unterschiedlicher Dichte und Dichte der Zamak-Legierungen sich auch bei vergleichbarer Leitfähigkeit unterschiedlich verhalten können.

Zamak als Kühlkörperwerkstoff: Vergleich mit Aluminium

Die ausgezeichnete thermische und elektrische Leitfähigkeit von Zink macht Zamak-Legierungen in Kombination mit präzisen Gusstoleranzen zu einer idealen Wahl für Kühlkörper, elektrische Bauteile und Anwendungen mit Anforderungen an elektromagnetische Abschirmung. Das ist keine graue Theorie: Genau deshalb steht Zamak in der Elektronikbranche in direkter Konkurrenz zu Aluminium.

Kriterium	Zamak (Warmkammer)	Aluminium (Kaltkammer)
Wärmeleitfähigkeit	Gut	Sehr hoch
Gusstoleranzen	Sehr präzise	Weniger eng
Geometrische Komplexität	Hoch, dünne Wandstärken	Eingeschränkter
EMV-Abschirmung	Ausgezeichnet	Gut
Verfahren	Warmkammer, schneller Zyklus	Kaltkammer

Der entscheidende Vorteil von Zamak im Wärmemanagement liegt nicht in der reinen Leitfähigkeit – hier ist Aluminium überlegen –, sondern in der Kombination aus ausreichender Leitfähigkeit, präzisen Toleranzen und der Fähigkeit, komplexe Geometrien mit dünnen Wandstärken kostengünstig umzusetzen. Ein Kühlkörper oder Gehäuse mit engen Rippen, Hinterschnitten und integrierten Details lässt sich im Zamak-Warmkammerverfahren effizienter fertigen als in Aluminium. Die Unterschiede zwischen Zamak- und Aluminium-Druckguss behandeln wir in einem eigenen Beitrag ausführlich.

Die Wahl von Zamak wird naheliegend, wenn ein Bauteil mehrere Funktionen in sich vereinen muss: Wärmeableitung, elektromagnetische Abschirmung, Maßgenauigkeit und mechanische Befestigungspunkte in einem einzigen Gussteil. Das ist der typische Fall vieler Gehäuse für Messtechnik und Sensorik.

Einfluss der Oberflächenbeschichtung (Cu-Ni-Aufbau) auf die Wärmeableitung

Ein Zamak-Bauteil mit Wärmeableitungsfunktion wird nahezu immer beschichtet – aus Korrosionsschutz- und optischen Gründen. Der maßgebliche galvanische Standardaufbau für die dekorative Vernickelung ist der Kupfer-Nickel-Zyklus (Cu-Ni): Eine Kupfer-Grundschicht (Undercoat) ist unverzichtbar, da Nickel ohne diese Schicht das Zink angreifen würde. Kupfer wirkt als Sperrschicht und Haftgrund.

Jede Schicht fügt einen thermischen Kontaktwiderstand hinzu: Die Wärme muss die Beschichtungen durchdringen, bevor sie die Umgebung oder die Wärmeableitungs-Schnittstelle erreicht. Kupfer und Nickel sind gute Leiter, doch die Gesamtschichtdicke beeinflusst den Wärmepfad. Bei Bauteilen, deren Hauptfunktion die Wärmeableitung ist, müssen Oberflächenschutz und gewünschte Leitfähigkeit sorgfältig gegeneinander abgewogen werden.

Konstruktiv bedeutet das, frühzeitig über Schichtdicken, thermische Kontaktflächen und die eventuelle Abdeckung funktionaler Oberflächen zu sprechen. Unsere galvanischen Oberflächenbehandlungen für Zamak-Gussteile werden an qualifizierte Partner ausgelagert, während der Cu-Ni-Zyklus die technische Grundlage jeder dauerhaften dekorativen Beschichtung auf Zamak bleibt.

Micrometal-Anwendungsfälle: Wärmemanagement in Elektronik und Automotive

Seit 1991 übersetzt Micrometal mit Sitz in Erbusco (Brescia) und ISO-9001-Zertifizierung diese thermophysikalischen Eigenschaften in konkrete Fertigungsentscheidungen. Unser Maschinenpark umfasst 11 Einheiten – 7 Warmkammer-Druckgussmaschinen (Agrati, Italpresse und Frech) und 4 Roboterzellen – mit Schließkräften von 20 bis 90 Tonnen.

Unsere technische Abteilung legt die Kühlkreisläufe der Form unter genauer Berücksichtigung von spezifischer Wärmekapazität und Leitfähigkeit der gewählten Legierung aus, um die Zykluszeiten zu optimieren, ohne die Gussteilqualität zu beeinträchtigen. Genau in dieser Phase werden aus tabellarischen thermophysikalischen Werten konkrete Kühlmitteldurchflüsse, Kanalpositionen und Kavitätsgeometrien.

Typische Anwendungsbereiche sind Elektronikgehäuse mit Anforderungen an EMV-Abschirmung und Wärmeableitung sowie Bauteile für Kühlsysteme, bei denen Zamak Maßgenauigkeit, geometrische Komplexität und kontrolliertes thermisches Verhalten vereint. In beiden Fällen stellt die Kombination aus Legierungsleitfähigkeit und Cu-Ni-Beschichtung einen konstruktiven Vorteil dar – neben ästhetischen und korrosionsschützenden Aspekten.

Wenn Sie Zamak für ein Bauteil mit Anforderungen an das Wärmemanagement in Betracht ziehen, unterstützt Sie unser Technik-Team bei der Legierungswahl und der Formauslegung: technische Beratung anfragen oder unter +39 030 7760830 anrufen.

Technische Prüfung: Marco Sega