Approche corrélative vers une production durable de fonte ADI d'un traitement thermique intégré innovant et de son usinabilité

The environmental impacts of material production and processing are rapidly increasing and critical. These impacts can be reduced, to some extent, by development of either a suitable material or by implementing a novel process route to improve the material efficiency. In such circumstances, the recent emergence of near-net shape austempered ductile iron (ADI) can be considered as a significant economic advantage to the increasing industrial demand of cost and weight efficient materials. The present study is thus dedicated to the development of an innovative methodology for austempered ductile iron (ADI) manufacturing considering all production aspects such as melt treatment, casting, heat treatment and machining. The innovative process design advances the integrated approach towards casting and heat treatment practices for ADI production in a permanent mould. It is based on the fundamental correlation between the production conditions and its combined influences on the microstructure and mechanical properties of ADI. Moreover, the present study introduces a correlative thermal methodology approach to understand the castability of ductile iron in a permanent mould for ADI production. The simulation tool correlates the combined influences of thermal characteristics, heat transfer at melt/mould interface, and melt's castability on the final casting quality. Finally, the ecological machining of ADI is introduced by implementing the dry and MQL machining process. The key aspect of the novel ADI machinability was investigated with respect to its microstructural characteristics, tool wear mechanisms, chip formation characteristics and the machined surface's quality. The combined correlative approaches provide the key findings aim to (i) understand the influence of microstructural characteristics of novel ADI on its mechanical properties, (ii) demonstrate the influence of thermal characteristics of melt on the castability of ductile iron in a permanent mould, and (iii) correlating the machining characteristics of ADI with its microstructure and production conditions.Les impacts environnementaux dans la production des matériaux métalliques et leurs procédés de transformation sont en augmentation rapide et critique. Ils peuvent être réduits, dans une certaine mesure, par le développement soit d'un matériau de fonction ou par la mise en œuvre d'un nouveau processus de fabrication éco-durable. Dans cette optique, l'émergence récente de fonte " bainitique " (ADI -Austempered Ductile Iron-) peut être considéré comme un saut technologique important répondant à la demande croissante pour les matériaux à hautes caractéristiques mécaniques avec un coût de fabrication maîtrisé. La présente étude traite le développement d'une approche de couplage procédé par l'intégration du processus de coulée, de traitements thermiques et d'usinage de la fonte ductile ADI dans une optique de développement durable. Ce procédé innovant de fabrication de pièces en fonte ADI dit " dans la chaude de coulée " consiste à réaliser les traitements thermiques directement à la suite de la coulée en moule métallique en relation avec l'usinabilité induite. L'analyse des influences des paramètres de ce procédé intégré sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'ADI a été étudiée expérimentalement. Une approche méthodologique sur la coulabilité de la fonte a été développée, puis validée par simulation. Elle utilise les caractéristiques thermiques du métal en fusion pour corréler l'effet combiné du transfert de chaleur à l'état fondu, à l'interface moule/métal, et pendant l'écoulement au travers des sections critiques du moule afin de prédire les défauts de coulée. Enfin, l'usinage de la fonte ADI est étudié expérimentalement dans le cas du perçage à sec et en micro-lubrification (MQL), en lien avec les caractéristiques microstructurales, les mécanismes d'usure d'outil, de formation des copeaux et de la qualité de surface usinée. L'approche corrélative du couplage procédé visent essentiellement à (i) comprendre l'influence des caractéristiques microstructurales de cette nouvelle fonte ADI sur ses propriétés mécaniques, (ii) démontrer l'influence des caractéristiques thermophysiques sur la coulabilité de la fonte ductile dans un moule permanent, et (iii) mettre en corrélation les paramètres de perçage de cette nouvelle fonte ADI avec sa microstructure et ses paramètres de fabrication