Diversi sono i metodi di rinforzo del vetro basati su processi chimici.

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1 Diversi sono i metodi di rinforzo del vetro basati su processi chimici. Un primo metodo fa riferimento alla creazione di uno strato superficiale con coefficiente di dilatazione inferiore. Ciò può essere ottenuto mediante scambio ionico a temperature superiori alla Tg (per immersione del componente in un sale allo stato fuso) o favorendo la cristallizzazione superficiale (per riscaldamento controllato della superficie del componente). Tali metodi sono però scarsamente utilizzati poiché con il processo a scambio ionico si verificano possibili distorsioni o perdite della forma, mentre con la cristallizzazione superficiale si ha spesso perdita della trasparenza. 1

2 Il processo chimico maggiormente utilizzato è quello dello scambio ionico a T<Tg. Tale processo è definito tempra chimica. L oggetto in vetro, contenente uno ione A (per es. Na), è immerso in un sale fuso contenente uno ione B (per es. K), più grande. Lo scambio ionico e il successivo raffreddamento causano la nascita di uno stato di compressione nello strato superficiale (poiché lo ione K + che va a sostituirsi è più grande di quello del N a + ). Il processo (che è diffusivo) è regolato dalla temperatura (migliora con un aumento della temperatura), dalla durata (con il protrarsi nel tempo del trattamento viene favorito lo scambio di ioni in profondità) e dalla concentrazione degli ioni coinvolti nello scambio. La concentrazione dello ione scambiato varia con il tempo (t) e la profondità (x). 2

3 c = concentrazione φ = potenziale elettrostatico causato dalla migrazione degli ioni Se c A tende ad 1, D tende a D B. 3

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5 L effetto dello scambio ionico è paragonabile al rigonfiamento della matrice di vetro la quale, sotto la Tg, non può altro che causare la genesi di sforzi di compressione in superficie. 5

6 Il processo di tempra chimica consiste nell immersione degli oggetti in vetro (anche dalle forme più strane!) in una vasca in acciaio inox contenente il sale fuso (KNO 3 per il vetro sodico-calcico). Si utilizza per questo in genere una gabbia in acciaio inox (la profondità di penetrazione degli ioni non dipende dalle dimensioni dell oggetto). Finito il trattamento, il tutto viene raffreddato e lavato con acqua. 6

7 Il profilo della concentrazione dello ione scambiato si ripercuote sul profilo dello sforzo di compressione superficiale. Tuttavia, il rilassamento degli sforzi e le variazioni di coefficiente di dilatazione termica con la composizione del vetro determinano profili di sforzo residuo non monotoni (come la concentrazione), soprattutto per durate prolungate della tempra. 7

8 Lo sforzo massimo di compressione ottenibile dipende dalla differenza tra i raggi degli ioni coinvolti nello scambio. In realtà il rilassamento degli sforzi riduce notevolmente la compressione superficiale. 8

9 Quanto rappresentato nel grafico e in tabella, dimostra come in realtà non ha senso fare trattamenti esageratamente lunghi in quanto la la resistenza non aumenta oltre un certo valore limite. Lo sforzo di compressione superficiale varia in genere tra 100 e 500 MPa. Non dipende ovviamente dallo spessore del componente. Analogamente si hanno valori di resistenza oscillanti tra i 100 e i 600 MPa. Nei vetri sodico calcici la profondità di tempra raggiunge al massimo i 50 µm. Migliore il comportamento dei vetri allumino-silicati che, possedendo una T g superiore, possono essere temprati a temperature più elevate. In tutti i casi il basso sforzo di trazione nel cuore non genera elevata frammentazione al momento della rottura. 9

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