Mòn của chi tiết choòng (răng, ổ đỡ…) có 3 dạng chính: mòn hạt mài, dính và mỏi, do điều kiện làm việc phức tạp gây ra.
Các dạng phá hủy răng choòng là bịđập vỡ, tróc, mẻ và mòn hạt mài.
Căn cứ vào tính chất cơ lý của đất đá khoan và chếđộ khoan mòn răng của choòng có thể chia làm 3 dang chính:
- Theo chiều cao và cạnh vẫn duy trì góc nhọn của răng.
- Theo chiều cao với sự dịch chuyển độ cùn răng song song với chân răng. - Theo chiều cao mà đỉnh răng mòn.
Trong gần hai thập kỷ qua đã có nhiều nhà nghiên cứu về tuổi thọ răng choòng và nguyên nhân mòn.
48
Nghiên cứu các choòng đã hư hỏng phát hiện các vết nứt trên bề mặt răng và trên rãnh lăn ổđỡ. Chiều sâu vết nứt bằng bề dày lớp phủ hợp kim cứng hoặc thấm cacbon. Nứt nẻ làm vỡ từng mảnh răng. Phần không được phủ cứng bị mòn do mài và biến dạng dẻo.
Vết nứt trên răng choòng có thể do 2 nguyên nhân:
- Không tuân thủ đúng quy trình nhiệt luyện, gia công hóa nhiệt và thành phần hóa học của kim loại.
- Choòng chịu tải trọng động có tính chu kỳ với các ứng suất tiếp xúc vượt quá giới hạn bền.
Nghiên cứu mòn của răng choòng khi khoan đá cứng và rất cứng cho thấy rằng dạng phá hủy chủ yếu của răng là sứt mẻ bề mặt, mài mòn và ép lún. Nguyên nhân sự tạo thành các nứt mỏi là do va đập theo chu kỳ của răng lên đáy giếng khoan.
Sự mòn của răng choòng còn chịu ảnh hưởng của sự cháy tế vi xuất hiện vào lúc răng choòng và đập vào đá, đặc biệt là vào đá rắn. Cơ năng ma sát biến thành nhiệt. E.Mm Kuzmak nghiên cứu kim tương của răng choòng bị hư hỏng trong đá cứng cho thấy nhiệt độ của các lớp mặt tinh thể tế vi có thê đạt 800o hoặc hơn. Nhiệt độ tăng ở lớp bề mặt của răng choòng làm cho kim loại chuyển sang trạng thái dẻo nhiệt, giảm độ bền, gây biến dạng nén và bị cắt tế vi một cách mãnh liệt hơn. Sau khi ra khỏi sự tiếp xúc với đá răng choòng được làm mát và tùy thuộc vào nhiệt độ đáy giếng khoan có thể xảy ra sự ram lớp dưới mặt. Quá trình này mang đặc tính chu kỳ nhiều lần.
Đặc điểm của cấu trúc thức cấp là tính nứt nẻ của chúng gây ra sự mòn bỏ sung trên bề mặt răng do bị sứt dập. Do đó mức độ mài mòn của kim loại có thể xác định không phải là độ cứng nguyên thủy mà là do độ cứng kim loại trên lớp bề mặt xuất hiện trong quá trình mòn.
Sự thay đổi độ cứng bề mặt khi choòng khoan làm việc trên đáy phụ thuộc vào trị số năng lượng riêng cặp ma sát, điều kiện mát và độ bền nhiệt của kim loại. Khi công suất ma sát cao thì độ cứng của thép trên lớp bề mặt phụ thuộc vào độ bền
49
nhiệt, còn khi công suất ma sát thấp-phụ thuộc vào độ cứng ban đầu. Vì vậy khi khoan đất đá có độ cứng khác nhau, có nghĩa là yêu cầu đối với thép cũng như gia công hóa-nhiệt khi chế tạo chóp xoay cần phải khác nhau.
Sự mòn do mòn hạt mài - quá trình phá hủy bề mặt chi tiết khi ma sát trượt trong môi trường mài, thể hiện sự biến dạng cục bộ.
Sự mòn do mỏi – quá trình phá hủy mãnh liệt bề mặt chi tiết trong những điều kiện đặc biệt của trạng thái ứng suất. Đặc tính chủ yếu và sự phát triển các hư hỏng mỏi được xác định bởi các quá trình biến dạng dẻo lặp đi lặp lại (khoảng 105- 107 chu kỳ). Sự phá hủy bề mặt khi bị hư hỏng mỏi được đặc trưng bởi sự xuất hiện các vết nứt tế vi, các rãnh trũng phân nhóm hay độc lập.
Sự phân nhóm và mài mòn các chi tiết trên bề mặt ma sát và trên kim loại có thể xảy ra các dạng ăn mòn, biến dạng dẻo.
Hiện tượng mòn cơ học choòng khoan được áp dụng trong khi khoan trong dung dịch chứa vật mài mòn.
Hiện tượng mòn cơ học choòng khoan được áp dụng trong khi khoan trong dung dịch chứa vật mài mòn.
Phụ thuộc vào thời gian chia ra hai giai đoạn mòn:
a. Giai đoạn đầu: Hay là giai đoạn rà, khi tốc độ mòn thay đổi đến một trị số không đổi, đặc trưng cho thời kỳ mòn được thiết lập.
b. Giai đoạn mòn tăng cường làm biến đổi hình dạng chi tiết làm việc.
Phương pháp chống mài mòn răng choòng:
Trong quá trình sản xuất choòng, sự tăng bền ngỗng và chóp được tiến hành bằng phương pháp thấm carbon, hàn phủ hợp kim cứng lên răng choòng.
Tác dụng cơ học bên ngoài có ảnh hưởng lớn đến sự thay đổi vận tốc các quá trình xuất hiện trên bề mặt ma sát. Điều đó sẽ làm thay đổi trước hết là nhiệt độ bề mặt ma sát phụ thuộc vào trị số vận tốc trượt và áp lực riêng.
Sự thay đổi vận tốc trượt và áp lực riêng liên quan sự biến đổi vận tốc, trị số và cường độ biến dạng kim loại các lớp bề mặt và thời gian tiếp xúc bề mặt làm việc.
50
Do đó các chi tiết làm việc khi ma sát trượt hoặc khi ma sát lăn sẽ làm biến đổi mạnh tính chất đàn hồi dẻo của lớp bề mặt rất mỏng, dẫn đến sự thay đổi các quá trình xảy ra trên các lớp bề mặt và đối với các dạng mòn khác.
Khi ma sát lăn trạng thái ứng suất của các lớp trên bề mặt và sự biến dạng dẻo xuất hiện sẽ làm bền kim loại, tạo thành ứng suất dư và trạng thái mỏi, làm phá hủy mỏi bề mặt.
Khi ma sắt trượt, phụ thuộc vào trị số và bản chất của ứng suất và nhiệt độ tại vùng ma sát, xuất hiện sự biến dạng dẻo sẽ tạo ra sự phát triển các hiện tượng bám hay oxy hóa. Vận tốc dịch chuyển tương đối ảnh hưởng lớn tới sự thay đổi vận tốc mòn, còn áp lực riêng khi ma sát ảnh hưởng đến đặc tính các quá trình vật lý xảy ra khi ma sát.
Một trong những đặc tính cơ học quan trong nhất ảnh hưởng đến quá trình xuất hiện khi ma sát là giới hạn chẩy δs của vật liệu. Tăng δs của vật liệu và duy trì tải trọng sẽ làm giảm rất nhiều vận tốc bám.
Sự mòn của răng choòng khoan khi phá hủy đá thường ảnh hướng đến tốc độ khoan và tuổi thọ choòng khoan.
Trong thực tế sự mòn này xảy khi cắt hoặc mài. Dạng mòn như thế xảy ra nếu độ cứng đất đá gần bằng độ cứng của vật liệu chế tạo răng choòng. Hiện nay răng choòng được chế tạo từ thép, hợp kim cứng và kim cương. Răng phay bị mòn chỉ có thể gặp khi khoan vào thạch anh hoặc một vài loại đá gồm một vài khoáng vật có độ cứng gần bằng độ cứng của thạch anh. Đối với hợp kim cứng hoặc kim cương thì không có một loại đất đá nào có thể làm mòn.
Mòn của choòng khoan là một quá trình rất phức tạp, phụ thuộc rất nhiều yếu tố tác động đồng thời, trong đó chủ yếu là:
- Tính chất cơ lý của đất đá ởđáy giếng khoan; - Các thông số chếđộ khoan;
- Loại dung dịch khoan và các tính chất của chúng.
Trong quá trình phá hủy đá ở đáy giếng khoan, bề mặt các răng choòng khoan phải chịu tải trọng lớn và không đều do tác dụng của tải trọng tĩnh và tải
51
trọng động, momen quay, chất lỏng mài mòn dưới tác dụng lớn. Trị số tải trọng tĩnh lên choòng thay đổi từ 0,025 – 0,4MPa ( phụ thuộc vào đường kính choòng khoan). Khi choòng quay, chóp xoay lăn trên đáy, răng choòng khoan tiếp xúc với đá trong thời gian khoảng hàng phần mười giây, còn số lần tiếp xúc khi choòng làm việc phụ thuộc vào cấu tạo và đường kính của choòng trong khoảng 1,5.105 đến 2.106. Sự tiếp xúc kèm theo va đập, đặc biệt trong đá cứng và rất cứng, ở đây tác dụng đập của răng choòng chủ yếu là truyền năng lượng từ choòng lên đáy. Khi choòng quay, giữa răng choòng với đá xuất hiện sự tiếp xúc điểm với tiết diện thực tế không lớn, do đó tỷ áp lực lên bề mặt tiếp xúc của răng đạt trị số cao, do đó gây ra nên sự mòn mạnh và đôi khi gãy vỡ răng chóp xoay.
Sự mòn của choòng khoan khi phá hủy đá thường làm ảnh hưởng đến tốc độ khoan và tuổi thọ choòng khoan.