Trong các cuộc thảo luận trước đây về thiết kế thiết bị y tế, chúng tôi đã giải thích các phương pháp giảm mài mòn thép không gỉ và cách sử dụng lớp phủ bảo vệ crom mỏng, đặc trong giai đoạn thiết kế có thể kéo dài tuổi thọ của ứng dụng.
Giờ đây, chúng ta sẽ chuyển trọng tâm sang việc giảm ma sát . Chúng ta sẽ trình bày tổng quan về hai loại ma sát và giải thích tại sao việc biết giá trị ma sát ban đầu là chưa đủ để lựa chọn vật liệu phù hợp cho các thiết bị y tế. Chúng ta cũng sẽ mô tả các phương pháp thử nghiệm và tiêu chuẩn để xác định ma sát, đồng thời cung cấp danh sách các yếu tố cần xem xét trong thiết kế để giảm ma sát trong các ứng dụng y tế.
Nguyên nhân gây ma sát trong vật liệu y tế
Ma sát là lực cản gặp phải khi trượt hoặc cố gắng trượt hai bề mặt. Việc có xảy ra ma sát trong thép không gỉ dùng trong y tế hay không phụ thuộc vào nhiều yếu tố có liên quan đến nhau:
Tính chất vật liệu
Thành phần và cấu trúc vi mô của thép không gỉ cũng có thể ảnh hưởng đến ma sát, vì các loại thép không gỉ khác nhau có thể có các đặc tính ma sát khác nhau.
Độ nhám bề mặt
Bề mặt thép không gỉ có thể có những chỗ gồ ghề siêu nhỏ. Độ nhám bề mặt quá mức này thường làm tăng ma sát giữa vật liệu không bôi trơn và vật liệu được bôi trơn. Lưu ý rằng hình dạng của các chỗ gồ ghề trên bề mặt rất quan trọng; các bề mặt có cùng độ nhám trung bình có thể có hình dạng bề mặt rất khác nhau. Hình dạng bề mặt có thể giống như những ngọn đồi nhấp nhô hoặc hình răng cưa. Hình dạng gồ ghề hơn sẽ làm tăng ma sát bằng cách bám chặt vào vật liệu tiếp xúc.
Bôi trơn
Khi không có đủ chất bôi trơn, hai bề mặt có thể tiếp xúc trực tiếp với nhau, và độ nhám cũng như các chỗ gồ ghề trên bề mặt có thể lồng vào nhau, gây ra lực cản chuyển động.
Nhiệt độ
Nhiệt độ tăng cao hoặc thay đổi đột ngột có thể khiến bề mặt kim loại giãn nở, dẫn đến chúng tiếp xúc gần nhau hơn, gây ra ma sát tăng lên. Ngoài ra, sự thay đổi nhiệt độ có thể gây ra những thay đổi về tính chất vật lý và hóa học của vật liệu, chẳng hạn như tăng độ nhám bề mặt, giảm độ dẻo và tăng độ cứng. Những thay đổi này có thể khiến các bề mặt khớp chặt hơn. Trong một số trường hợp, nhiệt độ cao cũng có thể làm cho chất bôi trơn bị phân hủy hoặc bay hơi, dẫn đến tiếp xúc trực tiếp.
Sức ép
Áp lực cũng có thể gây ra biến dạng và độ bám dính tăng lên, thay đổi tính chất bôi trơn và thay đổi diện tích tiếp xúc giữa các bề mặt.
ô nhiễm
Bụi, các hạt mài mòn và mảnh vụn có xu hướng làm tăng lực cản trượt. Hơn nữa, kích thước, hình dạng và độ cứng của các hạt tạp chất có thể ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng của các tác động ma sát.
Ngoài ra, sự hiện diện của các chất gây ô nhiễm có thể dẫn đến sự hình thành ăn mòn hoặc các phản ứng hóa học khác, gây ra hiện tượng rỗ bề mặt, sần sùi và tăng độ bám dính.
Đặc trưng của ma sát
Chúng ta phân loại ma sát thành ma sát tĩnh hoặc ma sát động (còn gọi là ma sát trượt) và biểu thị nó bằng các hệ số ma sát tĩnh và động.
Ma sát tĩnh là lực cản cần thiết để bắt đầu chuyển động trượt - lực này thường lớn hơn lực cản cần thiết để duy trì ma sát động. Tuy nhiên, nếu lực tác dụng vượt quá lực ma sát tĩnh tối đa, vật sẽ bắt đầu chuyển động, và lực ma sát sẽ giảm xuống giá trị thấp hơn (ma sát động) . Lực ma sát tĩnh tối đa phụ thuộc vào bản chất của các bề mặt tiếp xúc và lực pháp tuyến ép chúng lại với nhau.
Được định nghĩa là tỷ lệ giữa lực trượt và tổng lực ép giữa hai bề mặt, hệ số ma sát , f , là một trong những tính chất vật lý tổng quát của vật liệu. Chúng ta mô tả hệ số ma sát bằng công thức: f = F/N, trong đó f là hệ số ma sát, F là lực để bắt đầu trượt, và N là tổng lực (pháp tuyến) giữa hai bề mặt.
Một biện pháp để giảm ma sát được thể hiện bằng hình vẽ một khối trượt trên bề mặt phẳng, trong đó lực pháp tuyến (N) bằng trọng lượng.
Khi nói về ma sát, chúng ta muốn nói đến lực cản chuyển động. Ma sát ban đầu thường không phải là con số quan trọng; điều quan trọng hơn là liệu ma sát có duy trì không đổi trong suốt quá trình sử dụng dụng cụ hay không?
Kiểm tra Pin-On-Disk
Trong thử nghiệm ma sát pin-on-disk với ba cấu hình vật liệu khác nhau, hiện tượng mài mòn gần như không đáng kể đối với các mẫu sử dụng lớp phủ ME-92 so với mẫu 17-4 PH trần. Thử nghiệm này không chỉ cung cấp thông tin về độ mài mòn mà còn cho phép các hệ thống máy tính liên tục theo dõi và vẽ biểu đồ các giá trị ma sát.
Hình ảnh biểu đồ so sánh tổng hợp cho các thử nghiệm chốt nhằm giảm ma sát.
- Trong cấu hình đầu tiên, 17-4 PH trên 17-4 PH (đường răng cưa trên cùng), ma sát tăng lên đáng kể khi quãng đường trượt và thời gian hoạt động tăng lên.
- Ngoài ra, còn có những biến động lớn về ma sát trong suốt quá trình thử nghiệm, gây ra bởi sự mài mòn và sự tạo ra các hạt. Một dụng cụ phẫu thuật hoạt động như vậy sẽ có chuyển động giật cục. Lực cần thiết để vận hành một dụng cụ như vậy có thể thay đổi rất nhiều trong quá trình sử dụng.
- Kết quả của cấu hình cuối cùng, trong đó 17-4 PH hoạt động trên lớp phủ ME-92® (biểu đồ dưới), cho thấy tổng ma sát vẫn thấp và ổn định so với đĩa thép không gỉ trần.
Mặc dù giá trị ma sát ban đầu của ba cấu hình rất giống nhau, ma sát của thép 17-4 PH trần tăng đáng kể khi quá trình thử nghiệm tiếp tục. Giá trị ma sát ổn định nhất thu được khi cả hai thành phần đều được phủ ME-92® — không phát hiện thấy sự mài mòn hay sự tạo hạt nào.
Điều này chứng tỏ rằng chỉ riêng phép đo ma sát ban đầu không phải là tiêu chí thiết kế đủ. Cần phải xem xét sự thay đổi của ma sát theo thời gian đối với các cụm chuyển động để đạt được hiệu suất mong muốn trong thực tế nhằm giảm ma sát.
Kiểm tra ma sát
Nhiều thiết bị hữu ích để đo lực cần thiết để bắt đầu hoặc duy trì sự trượt. Cả hệ thống trượt và hệ thống quay đều được sử dụng phổ biến để giảm ma sát.
- Bạn có thể sử dụng một thiết bị đo để đo lực cần thiết để bắt đầu và duy trì sự trượt của một khối trên bề mặt nằm ngang. Sau đó, chia các giá trị lực đo được cho trọng lượng của khối để xác định hệ số ma sát tĩnh và ma sát động. Chúng ta gọi thiết lập này là một hệ số ma sát tĩnh. sắp xếp phẳng trên phẳng (FOF)
- Các nhà nghiên cứu cũng đã sử dụng các cảm biến lực xoắn để đo lực cản quay gây ra bởi việc ép các khối vật liệu này vào các mẫu tròn vật liệu khác. Họ chia lực cản đo được cho tải trọng tiếp xúc bình thường để tính toán hệ số ma sát.
- Các dung môi hữu cơ thường được sử dụng để làm sạch cuối cùng trong các thử nghiệm ma sát không bôi trơn, nhằm loại bỏ các lớp màng trên bề mặt. Dầu trên các bề mặt tiếp xúc thường làm thay đổi kết quả thử nghiệm bằng cách cho ra các giá trị ma sát thấp bất thường.
Thử nghiệm mặt phẳng nghiêng
Một cách đơn giản để xác định hệ số ma sát tĩnh của vật liệu là đo góc nghiêng lớn nhất trước khi trượt.
Trong thí nghiệm mặt phẳng nghiêng, một khối vật liệu được đặt trên một bề mặt phẳng, sau đó bề mặt được nghiêng từ từ cho đến khi khối vật trượt. Lực tổng hợp (R) bằng và ngược chiều với lực (P) của vật trượt. Lực tổng hợp có thể được phân giải thành thành phần pháp tuyến (N) và thành phần ma sát (Fr), có tác dụng cản trở sự trượt. Hệ số ma sát tĩnh được cho bởi phương trình sau: f₀ = tan⁰⁰, trong đó θ₀ là góc nghỉ hoặc góc cân bằng ngay trước khi trượt.
Sau khi bắt đầu trượt, lực ma sát, Fr, thường giảm xuống giá trị lực cản thấp hơn, F. Hệ số ma sát trượt , f, thường được biểu thị bằng công thức F=N f.
Hệ số ma sát cho các cặp được chọn
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong quá khứ để mô tả đặc tính ma sát giữa các kim loại tương tự và các cặp vật liệu khác nhau. Kết quả rất khác nhau tùy thuộc vào cấu hình và điều kiện thử nghiệm. Do đó, cần thiết phải so sánh các kết quả ma sát được thu thập trong cùng hoặc các điều kiện tương tự.
Một cấu hình thường được sử dụng là FOF (bề mặt phẳng trượt trên bề mặt phẳng), so sánh hệ số ma sát không bôi trơn của các vật liệu và lớp phủ y tế khác nhau khi trượt trên Teflon. Lớp phủ hợp chất crom có giá trị ma sát thấp nhất trong bốn vật liệu kim loại và gốm được liệt kê. Kết quả này cho thấy ma sát của ME-92® trượt trên Teflon tương đương với ma sát của Teflon trượt trên Teflon. Ma sát tăng lên đối với tất cả các vật liệu khi Teflon trở thành vật liệu chuyển động; hệ số ma sát phụ thuộc vào cả hai vật liệu tiếp xúc và vật liệu được sử dụng cho bộ phận chuyển động.
Kết quả từ một cấu hình thử nghiệm FOF khác, so sánh hệ số ma sát trượt của thép không gỉ được phủ và thép không gỉ không phủ, cho thấy hai loại thép không gỉ cứng hơn (17-4 PH và 440C) có giá trị hệ số ma sát thấp hơn một chút so với loại 316. Việc sử dụng lớp phủ Teflon và ME-92® đã làm giảm ma sát của thép không gỉ không phủ. Cần lưu ý rằng những con số này chỉ là giá trị ma sát ban đầu. Trong quá trình sử dụng thực tế, ma sát của thép không gỉ không phủ có thể tăng lên đột ngột do mài mòn và tạo ra các hạt. Điều này đã được chứng minh bằng kết quả thử nghiệm mài mòn chốt trên đĩa được trình bày trước đó.
Các yếu tố cần cân nhắc khi thiết kế ứng dụng ma sát
Tóm lại, điều kiện bề mặt đóng vai trò rất quan trọng khi đo ma sát. Ma sát nhạy cảm với nhiều yếu tố, chẳng hạn như bụi và độ ẩm trong không khí, lớp màng oxit, độ nhẵn bề mặt, vận tốc trượt, tải trọng, nhiệt độ, độ rung, sự nhiễm bẩn bề mặt và chất bôi trơn.
Các chuyên gia tư vấn ME-92® tại Trung tâm Đổi mới Armoloy ở Dekalb, IL sẵn sàng hỗ trợ khách hàng xác định cách mỗi yếu tố ảnh hưởng đến một cụm lắp ráp cụ thể. Hơn nữa, để lựa chọn đúng đắn, mỗi cặp vật liệu cần được đánh giá dựa trên các biến số sau:
Cấu hình trượt
Điều quan trọng là phải biết loại ma sát nào đang diễn ra (quay, tịnh tiến, v.v.) và vật liệu nào là bộ phận chuyển động. Ma sát có thể thay đổi tùy thuộc vào bề mặt nào trong hai bề mặt là bộ phận trượt. Ví dụ, Teflon trượt trên hợp kim titan có hệ số ma sát tĩnh là 0.17, trong khi hợp kim titan trượt trên Teflon có giá trị là 0.2300. Loại thông tin này thường không được tiết lộ hoặc biết đến. Các cụm lắp ráp không được bôi trơn đặc biệt nhạy cảm với cấu hình thử nghiệm.
Lựa chọn vật liệu
Hệ số ma sát phụ thuộc vào cả hai vật liệu tiếp xúc. Ma sát có thể thay đổi đáng kể khi một trong hai vật liệu tiếp xúc được thay đổi. Giảm hệ số ma sát sẽ làm giảm lực cần thiết để vận hành thiết bị. Điều này giúp việc vận hành thiết bị dễ dàng hơn và người vận hành nhạy bén hơn.
Bôi trơn
Có nhiều loại chất bôi trơn được sử dụng để giảm ma sát. Than chì, molypden sunfat, PTFE và lớp phủ ME-92® là những ví dụ về chất bôi trơn khô. Molypden sunfat hoạt động rất tốt trong điều kiện chân không, trong khi than chì có thể trở nên mài mòn trong cùng điều kiện. Ngoài ra còn có nhiều loại chất bôi trơn lỏng hòa tan trong nước và hòa tan trong dầu. Các thông số hoạt động và khả năng tương thích sinh học của chất rắn và chất lỏng cũng phải được xem xét cho từng ứng dụng.
Kết thúc bề mặt
Như đã thảo luận trước đó, độ nhám bề mặt quá mức có thể làm tăng ma sát giữa các vật liệu không được bôi trơn. Đánh bóng bề mặt có thể giúp giảm ma sát. Ma sát của ổ bi thường giảm trong quá trình sử dụng nhờ quá trình đánh bóng lẫn nhau diễn ra, với điều kiện là các mảnh vụn mài mòn đã được loại bỏ trước đó.
Lượng oxy có sẵn
Sẽ rất hữu ích nếu điều kiện hoạt động duy trì một lớp màng oxit trên các bề mặt trượt. Một số vật liệu hoạt động kém hiệu quả trong môi trường thiếu oxy. Cần đặc biệt lưu ý đến các hệ thống hoạt động trong môi trường khí trơ, môi trường khử hoặc chân không.
Tải trọng tiếp xúc, vận tốc trượt và nhiệt độ
Việc tăng tải trọng tiếp xúc có thể gây ra sự gia tăng ma sát ban đầu. Điều này khác với những gì chúng ta đã được học về ma sát. Sự gia tăng ma sát này liên quan đến những thay đổi trên bề mặt tiếp xúc. Tăng vận tốc trượt có thể làm tăng nhiệt độ hoạt động. Điều này thường làm tăng ma sát. Tuy nhiên, nếu một trong hai bề mặt bị hóa lỏng do nhiệt độ tăng, ma sát có thể giảm.
ô nhiễm
Sự hiện diện của các chất gây ô nhiễm bề mặt có thể làm tăng hoặc giảm ma sát. Kết quả của thử nghiệm ma sát kiểu chốt trên đĩa, được trình bày trước đó, cho thấy ma sát tăng gấp tám lần trên bề mặt 17-4 PH trần do sự hình thành các hạt. Một số lớp màng, chẳng hạn như dầu cơ thể, có thể hoạt động như chất bôi trơn. Tuy nhiên, dầu bám vào trong quá trình xử lý có thể đẩy nhanh quá trình ăn mòn bề mặt.
Hãy tin tưởng các chuyên gia về lớp phủ Biochrome ME-92®
Nhiều phương pháp biến đổi đang được sử dụng để thay đổi các đặc tính bề mặt của thép không gỉ. Các lớp phủ được tìm kiếm nhằm giảm ma sát, giảm tốc độ mài mòn, giảm hiện tượng kẹt dính, và tạo cảm giác dễ dàng tách khuôn và chống dính.
Đối với các ứng dụng y tế, điều cần thiết là lớp phủ phải không phản ứng với cơ thể - một trong nhiều lợi ích mà lớp phủ crom tương thích sinh học ME-92® mang lại. Hãy để các chuyên gia tư vấn, nghiên cứu và thử nghiệm về luyện kim và vật liệu của chúng tôi giúp bạn kéo dài tuổi thọ thiết bị y tế bằng cách giảm ma sát.
Chia sẻ trên LinkedIn Chia sẻ trên Facebook
Trò chuyện với Armoloy
