1. Фактическая, в ковше; 2 и 3- Равновесная с углеродом и кремнием соответственно.

Для реакции (3.4.1) величина _ф определяется выражением:

_ф = , (3.4.3)

где индексами «ф» и «р» обозначены фактические и равновесные концентрации кремния и кислорода в чугуне.

В немодифицированном чугуне содержание кремния равномерно распределено в расплаве и [Si]_Ф = [Si]_Р (обычно 1,5-2,5 %) , поэтому

_ф = , (3.4.4)

При активности кислорода в жидком чугуне a_о,ф ≈ (2,5 – 5,0)∙10^-4 % _ф ≈ 25-100, тогда как _кр 80. Поэтому процесс формирования включений SiO₂ в немодифицированном чугуне носит вялотекущий характер.

При обработке чугуна ферросилицием, особенно в начальный период его растворения в расплаве, условия для формирования включений SiO₂ существенно изменяются. Это связано с тем, что в расплаве образуется множество микрозон с повышенным содержанием кремния в очагах растворения ферросилиция. В этих микрозонах фактическое значение степени пересыщения _ф = 250-5000, что намного превосходит его критическое значение ( _кр 80). Вследствие этого процесс формирования вторичных неметаллических частиц SiO₂ существенно интенсифицируется, что стимулирует активное протекание процесса кристаллизации графита.

Следовательно, роль ферросилиция в графитизирующем модифицировании чугуна заключается в стимулировании процесса формирования цетров кристаллизации графита в виде вторичных неметаллических включений SiO₂. Но не ограничивается только этим.

Не менее важная роль его заключается в создании термодинамических условий для вытеснения углерода из раствора в виде графита. Это обусловлено тем, что в очагах растворения ферросилиция углеродный эквивалент С_Е = С + Si/3 ≈ 3 + 75/3 = 28 % в начальный момент модифицирования, что исключает возможность кристаллизации цементита (С_Е ≤ 6,7 %). По мере растворения ферросилиция и рассеяния кремния в объеме расплава значение С_Е в микрозонах уменьшается, движущая сила вытеснения графита из расплава ослебевает и соответственно модифицирующий эффект будет падать. Он полностью исчезнет при гомогенизации состава чугуна по кремнию. Но практически он перестанет проявляться при углеродном эквиваленте С_Е ≤ 6,7 %, что соответствует содержанию кремния в микрозонах ниже 11-12 %. В этом случае состав расплава микрозон попадает (по диаграмме состояния Fe- C) в зону альтернативной кристаллизации чугуна – как с выделением Fe₃C, так и свободного графита.

Изложенные представления позволяют дать, на наш взгляд, корректную трактовку извествным фактам процесса графитизирующего модифицирования, которые подвергаются дискуссионному обсуждению.

Так, затухание модифицирующего эффекта обусловлено не только с завершением растворения ферросилиция и исчезновением микрозон с повышенным содержанием кремния, в которых зарождаются графитные включения. Оно связано также и с уменьшением количества потенциальных центров кристаллизации вследствие ухудшения термодинамических условий для их формирования по мере гомогенизации расплава, а также агрегации дисперсных частиц, их удаления из расплава при длительной выдержке и восстановления исходного состояния расплава.

Повышение эффекта графитизирующего модифицирования при вводе в состав ферросилиция алюминия, кальция, бария, РЗМ и др. сильных элементов-раскислителей обусловлено тем, что в этом случае в расплаве формируется неметаллическая фаза сложного состава. При этом критическая степень химического пересыщения _кр уменьшается. А фактическая степень химического пересыщения _ф в соответствии с (3.4.3) , наоборот, возрастает, но не за счет увеличения [O]_Ф (числителя), а за счет уменьшения [O]_Р (знаменателя). Вследствие этого легче достигается условие гомогенного зарождения вторичных неметаллических включений _ф> _кр. Следовательно, при дополнительном вводе в состав ферросилиция химически активного к кислороду элемента действуют два фактора (увеличение _ф и уменьшение _кр), которые способствуют повышению эффекта графитизирующего модифицирования чугуна.

Высокая эффективность внутриформенного модифицирования с излагаемых представлений также тесно связана с количеством сверхравновесно растворенного кислорода. В процессе заполнения полости литейной формы вследствие вторичного окисления активность кислорода в чугуне возрастает 1,4–2.4 раза (см. Рис. 1): до = %. При этом в соответствии с выражением (3.4.3) степень химического пересыщения за счет увеличения [O]_Ф дополнительно повышается в 2-6 раз. Поэтому расплав чугуна в этом случае становится более подготовленным к формированию вторичных неметаллических включений. Вследствие этого, при внутриформенном модифицировании чугуна эффект графитизирующей обработки не только полнее сохраняется, но также получается более сильным.