Vetro indurito - Hardned glass - UNI 1863

IL VETRO INDURITO - HARDNED GLASS

La procedura di tempera termica del vetro è un trattamento di raffreddamento veloce che si realizza in un determinato intervallo di tempo partendo dalla temperatura di tempera fino alla temperatura di strain point, al disotto della quale agiscono solo le deformazioni in campo elastico. Si produce una modifica della struttura cui seguono le tensioni che si completano al termine del raffreddamento alla temperatura ambiente.

I profili delle tensioni variano con continuità in funzione delle caratteristiche del trattamento da cui dipendono, per posizione ed entità, i valori di trazione e compressione misurabili sulla superficie e all’interno delle lastre.

Agendo sulla entità e durata del riscaldamento e del raffreddamento successivo è possibile distribuire le tensioni nella maniera più opportuna a seconda dello spessore delle lastre e delle necessità di impiego.

Talvolta la richiesta di resistenza del vetro si concretizza in livelli modesti di tensioni accumulate che forniscono resistenza sufficiente alle piccole sollecitazioni meccaniche, termiche (shock termico)  privilegiando aspetti dell’ottica  e qualità delle superfici, oltre alla maggiore omogeneità della distribuzione delle tensioni e migliore tolleranza nei confronti delle inclusioni di solfuro di nichel. Il vetro indurito si presenta come un materiale stabile e prevedibile nelle installazioni in edilizia.

La sicurezza richiesta nei confronti di rotture con frammenti che per questo prodotto sarebbero di dimensioni elevate e quindi pericolosi, è affidata ad un eventuale successivo processo di laminazione con plastico interposto (PVB, EVA, Policarbonato, etcc.); in questi casi la tempera completata a norma è messa da parte e si parla di vetro semplicemente indurito o Hardned. Le caratteristiche sono normate dalla UNI 1863 - 2012 che esamina aspetti estetici, geometrici e di frammentazione per definire precisamente il vetro indurito che non deve essere realizzato come un cattivo temperato, ma piuttosto rappresentare un prodotto differente.

L'andamento delle linee di separazione dei frammenti prodotti dalla rottura fornisce indicazioni sullo stato tensionale del particolare studiato, a tale proposito si mostra la frammentazione, prodotta con il punzone, di un normale vetro ricotto dimensionalmente analogo al campione richiesto dai test della UNI per il quale le linee della rottura si arrestano in prossimità del punto di impatto e che nel tempo si propagheranno.

   - Rottura lastra 8mm ricotta dopo 10s dall'impatto

La rottura, prodotta da penetrazione, procederà nel tempo successivamente con continuità fino a dividere finalmente la lastra in frammenti di notevole dimensione. La resistenza strutturale è tipica del vetro ricotto, quindi scarsa nei confronti delle sollecitazioni termiche e meccaniche che producono sollecitazioni di trazione.

Diversamente accade durante la frammentazione di una lastra indurita termicamente, il percorso delle linee di flusso è guidato e deve seguire l'andamento dello stato tensionale di compressione realizzato, limitato nella entità e confinato in prossimità della superficie.


- Rottura lastra 8mm indurita dopo 10s dall'impatto

Nella immagine precedente, relativa ad un vetro indurito, l'andamento delle linee di frammentazione mostra percorsi che raggiungono direttamente i bordi della lastra, senza delimitare aree chiuse all'interno della superficie. Linee che si chiudono su se stesse mostrano un tensionamento eccessivo che si può correggere riducendo il riscaldamento ed il raffreddamento.
A titolo di esempio, si mostra la continuità dei risultati ottenibili partendo dalla stessa ricetta in forno e agendo solo sul raffreddamento di tempera;  riporto di seguito una immagine che mostra tre differenti situazioni di frattura per lastre spesse 5mm,  .

 

Vale la pena osservare che il comportamento di una testa di tempera sottoposta a regolazione nella portata non fornisce risultati omogenei nella distribuzione dei flussi provenienti da tutti i singoli ugelli, essendo legato al riempimento del plenum, quindi attenzione quando si riducono le portate nella tempera per vetri di grande spessore!!!! Analogamente accade per quanto riguarda la variazione delle distanze uscita ugello - supefice del vetro nel caso di forni a rulli lato sopra/lato sotto.  Non è superfluo ricordare che un vetro indurito è un vetro con le superfici esterne in compressione (condizione tipica della tempera), notevolmente più resistente di un vetro ricotto. il trattamento Hardned glass si applica preferenzialmente a lastre di grosso spessore essendo espanso il fattore tempo tecnico di tempera, a differenza degli spessori sottili per i quali il procedimento diviene via via sempre più difficile al ridursi dello spessore.
Le foto seguenti mostrano tre campioni di vetro spessore 6mm induriti e sottoposti al test di frammentazione (le dimensioni e l’esecuzione sono quelle richieste dalla norma UNI EN 1863 – 2013).

Il primo campione si avvicina molto a quanto richiesto e potrebbe anche essere accettato ma presenta due isole grandi  (1 e la 2) ed una piccola (la 3) che andrebbero valutate in base al peso etcc…. Il secondo campione invece è quasi perfetto e sposa quanto richiesto; il terzo è eccellente e mostra la perfetta simmetria delle linee di flusso conseguenti alla frammentazione.

Campione n°1 accettabile ma non perfetto per presenza di superfici chiuse (isole)

Campione n°2 OK, rispetta quasi perfettamente le richieste della norma (leggera asimmetria)

Campione n°3, perfetto 100% simmetrico con assenza di isole

Le temperature superficiali di partenza per i tre campioni sono le stesse (circa 640 C° da pirometro); riferendosi alla temperatura di uscita dal forno è necessario rimanere sempre al disopra dello strain point perchè anche nel caso del vetro indurito occorre indurre tensioni permanenti; Per individuare la ricetta termica corretta conviene partire dalle condizioni raggiunte per ottenere la tempera necessaria dello stesso particolare,  abbassando soltanto la temperatura di set point di alcuni gradi a pari durata del trattamento per limitare il riscaldamento senza modificare le oscillazioni.  In alternativa qualora il mix di produzione richiesto all'impianto fosse molto variabile presentando temperati e induriti da accoppiare successivamente, potrebbe essere conveniente modificare solo la durata del riscaldamento dei particolari induriti lasciando immutate le regolazioni dei set point. Il raffreddamento dei tre campioni del test riportato nelle immagini cambia pochissimo nelle prevalenze utilizzate, con un leggero prolungamento nel tempo della parte iniziale a bassissima pressione nel caso dei particolari 2 e 3. In sintesi sembra che il primo sia leggermente più tensionato, quindi in questo caso peggiore, mentre riducendo di poco il raffreddamento e le tensioni, si raggiunge successivamente una notevole omogeneità rappresentata da linee di frammentazione continue e assenza di aree chiuse.

L’uso della tempera a passaggio per gli impianti che dispongono di questa opzione è dedicato ai temperati di basso spessore, ininfluente nel nostro caso a causa della permanenza troppo breve tra le soffianti, va escluso perché peggiorativa dal punto di vista del corretto raffreddamento del vetro indurito.

Come regola generale il raffreddamento per ottenere le condizioni di hardening deve procedere con tempi molto più lunghi rispetto a quelli necessari per la tempera , ossia nel caso dell’indurito di grande spessore (8 - 10 - 12mm) il cuore del pezzo dovrebbe rimanere al disopra dello strain point per una durata almeno 5 – 7 volte maggiore rispetto ai tempi della tempera e soprattutto la differenza di temperatura tra pelle e centro dovrebbe essere più bassa (circa 50 – 80 °C). Al crescere dello spessore della lastra (10 - 12 - 20mm) la prevalenza iniziale del fluido di raffreddamento deve essere estremamente ridotta, addirittura sarebbe preferibile lasciare il compito del raffreddamento superficiale alla sola perdita naturale della energia per irraggiamento, sfruttando l'alta emissività del vetro,   facendo intervenire un blando raffreddamento forzato solo successivamente. Occorre tuttavia controllare lo stato degli isolanti protettivi in kevlar dei rulli di tempera che potrebbero danneggiarsi in assenza totale di raffreddamento.  Le considerazioni precedenti suggeriscono che il raffreddamento ideale dovrebbe procedere mantenendo una prevalenza variabile con continuità in proporzione inversa con l’abbassamento della temperatura del cuore. Questo trattamento potrebbe essere realizzato facilmente con la regolazione dei motore in CC agendo sulla pendenza e durata della rampa, ma è possibile semplificare strutturandolo a gradini con step successivi di differente durata e prevalenza crescente, ciascuno con pressione differente ma costante nel suo interno. Dopo aver stabilizzato le tensioni, quindi al disotto della temperatura di plasticità,  la fase di raffreddamento può continuare a prevalenza maggiore per accelerare i tempi di consegna allo scarico.

Una ipotesi di raffreddamento di partenza per il 6mm potrebbe essere

1   1)  300 giri per 70s + 2) 400 giri per 120s + 3) rampa di accelerazione + 4) 800 giri sino alla T ambiente. (maggiore capacità raffreddamento)

2   1)  280 giri per 80s + 2) 350 giri per 120s + 3) rampa di accelerazione + 4) 800 giri sino alla T ambiente. (minore raffreddamento)

I valori sono tipici dell'impianto considerato e solo illustrativi delle sequenze che possono essere realizzate in vari altri modi.

Le prime due fasi rappresentate realizzano il raffreddamento e solidificazione delle superfici esterne mentre le temperature all'interno variano con continuità lentamente. Le temperature al centro  della lastra sono al disopra dello strain point che è raggiunto al termine della fase plastica; la rampa e il successivo periodo ad alta pressione (800 giri) rappresentano la durata del raffreddamento finale che può procedere con similitudine alla tempera di vetri dello stesso spessore sino alla temperatura ambiente.

L’attenzione importante durante tutto il processo è mantenere una distribuzione delle tensioni più pianeggiante rispetto alla normativa per la tempera (circa 140 MPask/mmq) ed evitare il reirraggiamento della superficie da parte del cuore che essendo a temperatura più alta, soprattutto nel caso di grossi spessori, potrebbe riportare le superfici al disopra dello strain point. Una riduzione temporanea del raffreddamento (ad ex  perdendo il tensionamento già raggiunto) complicherebbe la continuità dell’andamento delle temperature tra centro ed esterno che dovrebbero decrescere di pari passo senza avvicinarsi e senza allontanarsi con una distanza tra le due curve (cuore - superfici) più ridotta rispetto a quanto accade per la tempera.

Di seguito è rappresentata la distribuzione delle tensioni, evidentemente simmetrica rispetto alla mezzeria, lungo lo spessore di una lastra piana. Si nota la grande differenza nella profondità di tempera nei tre casi riportati.

Una osservazione pertinente è riferita alla distribuzione delle tensioni all'interno della lastra quando vogliamo ridurre il rischio di rottura causata da solfuro di nichel. La tempera definisce una situazione di equilibrio tra forze generate dalla storia termica e mantenere un profilo pianeggiante (bassi scambi e basse tensioni) all'interno del pezzo limita le variazioni di volume delle eventuali inclusioni di solfuro, se il vetro indurito è correttamente realizzato.