Finite element analysis of the hot rolling process on the origins of inhomogeneities related to steel bar distortion

Recent analyses of the distortion of shafts made of the steel 20MnCr5 showed a bending along their length axis. Metallographic analyses revealed remarkable concentration fluctuations of Manganese and Chromium in the shaft center, which could be attributed to macro-segregations. Its characteristic rectangular shape correlated with the direction of shaft bending. In order to understand the origin of the rectangular segregation in shafts manufactured from hot-rolled round bars and to determine the influence of the forming process on the found distribution, a Finite element (FE) analysis of the whole hot-rolling process was carried out. The results show a significantly inhomogeneous strain distribution at the shaft cross-section, which provides a distortion potential for a preferred shaft bending direction. Further it was found, that the forming process influences the shape of the macro-segregation in the shaft center, but the analysis hints in this case on an origin of the rectangular macro-segregation in continuous casting. Neuere Analysen zum Verzugsverhalten von Wellen aus dem Einsatzstahl 20MnCr5 zeigen ein Krummen entlang ihrer Langsachse. Die metallographischen Analysen deuten auf eine signifikante Schwankung der Chrom- und Mangankonzentration in der Wellenmitte hin, die das Kennzeichen einer Makroseigerung sind. Ihre charakteristische rechteckige Verteilung konnte mit der Wellenkrummungsrichtung korreliert werden. Um die Ursache fur die rechteckige Seigerungsform in den Wellen aus warm gewalzten Rundstaben und den Einfluss des Umformprozesses auf die Verteilung am Querschnitt zu bestimmen, wurde eine Finite-Elemente-Analyse des gesamten Warmwalzprozesses durchgefuhrt. Die Ergebnisse weisen zum einen auf eine entsprechend inhomogene Umformgradverteilung am Stab- bzw. Wellenquerschnitt hin, die damit ein Verzugspotenzial fur eine bevorzugte Verzugsrichtung aufweist. Uber die Stoffflussanalyse konnte gezeigt werden, dass die angewendete Warmumformstrategie einen Einfluss auf die Form der Makroseigerung in der Wellenmitte haben kann, die rechteckige Form der Seigerung im vorliegenden Fall aber auf den Stranggussprozess als Ursache zuruckzufuhren sein ist.