ROTTURA PER INCLUSIONE DI SOLFURO DI NICHEL

HST - test termico di selezione

Talvolta la rottura di alcune lastre di vetro temperate può avvenire, in assenza di cause esterne evidenti, per infragilimento dovuto a inclusioni di solfuro di nichel.

Tali inclusioni derivano dalla presenza di tracce di nickel e zolfo nell'ambiente del bagno non ben controllato del vetro allo stato fluido ad altissima temperatura e quindi sono già presenti all’interno delle lastre con distribuzione imprevedibile quando esse si raffreddano. Il trattamento di tempera termica successiva è asimmetrico dal punto di vista della tempistica dello scambio termico, infatti il raffreddamento finalizzato alla tempera della lastra è realizzato in tempi molto brevi, mentre le variazioni di volume delle particelle incluse di solfuro di nichel, riscaldate ad alta temperatura, recuperano lentamente la struttura stabile alla temperatura ambiente. Le inclusioni di solfuro, durante il  raffreddamento, non rispondono immediatamente manifestando nel tempo una crescita del volume, caratteristico della struttura trigonale, stabile a bassa temperatura.

Le stesse possono agire da elemento destabilizzante dell’equilibrio tensionale riducendo localmente lo sforzo di trazione all’interno della lastra nell'intorno del punto di inclusione, la trazione collassa e l'equilibrio delle tensioni salta liberando l'energia distruttiva delle parti in compressione.

Ricordo brevemente che la tempera fisica realizza la continuità della distribuzione in equilibrio tra compressione esterna e trazione all'interno della lastra, un equilibrio che si può interrompere localmente fino ad annullarsi sulla superficie che risulta scarica in alcuni punti dai quali parte la rottura che funziona da innesco per la trasmissione al resto della lastra.  L'imprevedibilità della diffusione e dimensione delle particelle di solfuro crea le condizioni per definire una rischiosità di rottura di tipo statistico per alcune partite di vetro primitivo collegata al processo di tempera, alle sollecitazioni in opera e al trascorrere del tempo. La distribuzione delle inclusioni all'interno delle lastre temperate può risultare non pericolosa se esse sono confinata nelle zone in compressione, addirittura andando nella direzione dell'incremento del tensionamento (da notare che essendo una presenza puntiforme è comunque difetto destabilizzante), ma distruttiva se presente nei volumi nell'intorno della mezzeria dello spessore che sono posti in trazione dal processo di tempera. Conviene ricordare che qualunque discontinuità, chimica, fisica o tensionale presente in una lastra di vetro può agire come promotore di rottura se le sollecitazioni esterne divengono pericolose proprio in loro corrispondenza, Una lastra difettosa può continuare a mantenere la struttura solida integra, ma un fattore esterno (temperatura, sollecitazione meccanica, debole urto impulsivo) può modificare l'intorno tensionale del difetto provocando la rottura. Per la comprensione del fenomeno della rottura da inclusioni di solfuro fattore non secondario ê il trascorrere del tempo che favorisce la maturazione dei nuclei destabilizzanti; spesso una rottura diviene facilmente comprensibile quando la causa evidente si associa all'effetto (rottura), come conseguenza immediata; più difficile è la attribuzione a fattori dispersi nel tempo che quando si palesano vengono attribuiti all'imponderabile per giustificare il danno.

La frattura si propaga sempre con andamento radiale a partire da una coppia di frammenti speculari nella forma con un aspetto caratteristico (come le ali di una farfalla), generati in corrispondenza della inclusione.

Le lastre di vetro interessate dalla presenza di solfuro devono essere escluse dal processo di tempera ma  possono essere utilizzate come normale vetro ricotto, tuttavia mostrano una scarsa qualità del processo produttivo del materiale proveniente dal forno di fusione. In situazioni di necessità, se si è in grado, è possibile tentare sul materiale a rischio il procedimento per ottenere del vetro indurito soft hardned, meno interessato alle rotture per inclusione, se il prodotto finito non sarà particolarmente sollecitato e soprattutto se l'indurimento sarà realizzato nel rispetto della normativa (distribuzione corretta delle tensioni), ben lontani dallla situazione di "cattivo temperato", scarsamente tensionato, che solitamente viene prodotto al posto dell'indurito secondo le norme..  

Frammentazione per inclusione NiS (pannello fotovoltaico)

Lastra stratificata con rottura dello strato con presenza solfuro

Le immagini precedenti mostrano la frammentazione di tre differenti tipologie di lastre in ciascuna delle quali è evidente il punto di partenza della rottura che si trova nella mezzeria dei due frammenti più grandi. Partita la rottura, la dimensione generalizzata degli altri  frammenti rispetta il livello di tensionamento della lastra ed è evidente che una tempera eccessiva, non perfettamente bilanciata e distribuita, aumenta la rischiosità legata alla posizione della inclusione che diviene massimamente pericolosa quando si viene a trovare proprio nella zona centrale dello spessore. La trazione viene scaricata a livello puntuale come se si tagliasse una molla e parte la rottura.

La selezione del materiale a rischio, quando richiesta dal Cliente nel rispetto di capitolati di fornitura, può essere effettuata mediante HST test che consiste in un trattamento termico di maturazione accelerata, in ambiente a temperatura controllata, che provoca la rottura delle lastre in cui sono presenti le inclusioni in zone pericolose.
La presenza del solfuro di nichel in zone non pericolose (aree compresse) non induce rottura pur costituendo un elemento destabilizzante in particolari condizioni di stress meccanico, quindi l'HST test non individua le lastre esenti dalla presenza di solfuro, ma solo quelle a minore rischio di rottura.

Diagramma tempo - temperatura

Resta da raccomandare un uso consapevole del test HST (quando è correttamente realizzato) poichè il riscaldamento riduce il livello medio delle tensioni delle lastre che sopravvivono restando integre, ma le stesse risultano meno resistenti del materiale che non è stato sottoposto al trattamento nel forno HST. Occorre quindi valutare le nuove caratteristiche raggiunte dalle lastre, che sono state riscaldate, in funzione delle sollecitazioni cui saranno sottoposte durante l'uso per garantire sempre le condizioni di sicurezza dei manufatti.