CN107630138A - 一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，包括U型磁铁，所述U型磁铁安装在滑动平台中，所述滑动平台设在底板上，并能沿底板滑动，所述U型磁铁由L型铁芯和倒T型铁芯构成，所述倒T型铁芯和L型铁芯均包括水平段和竖直段，所述倒T型铁芯水平段的底面与L型铁芯水平段的顶面紧密接触，并能沿L型铁芯的水平段移动，所述倒T型铁芯和L型铁芯的竖直段的下方均在滑动平台内，并与滑动平台紧密接触，所述倒T型铁芯的竖直段的上方缠绕第一线圈，所述L型铁芯的竖直段的上方缠绕第二线圈，所述第一线圈和第二线圈与可编程电源串联。本发明能提高钻头胎体的耐磨性和抗弯强度；适用多种不同外径的钻头，避免造成磁感应强度的急速衰减。

Description

一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置和方法

技术领域

本发明涉及钻探工程领域，尤其涉及一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置和方法。

技术背景

在地质钻探行业，热压孕镶金刚石钻头以其适用范围广、成本低、性能可靠等特点受到广大钻探施工队伍的欢迎。目前热压金刚石钻头胎体体系主要分为碳化钨基、钴基和铁基。碳化钨基胎体硬度高、耐磨性强；钴基胎体对金刚石润湿性较好、热侵蚀作用小，且钴基胎体性能好；但前两者价格远远高于铁基金刚石钻头，如果直接用铁代替碳化钨或钴，会出现很多负面问题，故对铁基钻头改性是一个研究热点。

近三十年来逐渐兴起了一种通过磁场来改善材料使用性能的技术。在磁处理工艺参数恰当的前提下，磁处理相对于传统热处理具有诸多优点：(1)综合优化材料性能，如降低残余应力(最高1/3)、提高表面硬度、提高抗腐蚀能力等等；(2)处理时间短，绿色低碳，环保节能，几乎没有附加变形等副作用。但，磁处理相关专利主要集中在对钢材与硬质合金方面的改性，对热压金刚石钻头胎体的磁处理鲜有报道。

目前，对于钻头胎体的改性主要是从烧结工艺、胎体配方这两个方面展开进行，但是这种改性经济成本较高，易产生污染，采用磁处理改性方式就能够克服这些缺点，且对热压铁基金刚石钻头的耐磨性、抗弯强度有积极效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种通过低频交变磁场对热压铁基钻头胎体进行优化处理，提高胎体耐磨性和抗弯强度的热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置和方法。

本发明的实施例提供一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，包括U型磁铁，所述U型磁铁安装在滑动平台中，所述滑动平台设在底板上，并能沿底板滑动，所述U型磁铁由L型铁芯和倒T型铁芯构成，所述倒T型铁芯和L型铁芯均包括水平段和竖直段，所述倒T型铁芯水平段的底面与L型铁芯水平段的顶面紧密接触，并能沿L型铁芯的水平段移动，所述倒T型铁芯和L型铁芯的竖直段的下方均在滑动平台内，并与滑动平台紧密接触，所述倒T型铁芯的竖直段的上方缠绕第一线圈，所述L型铁芯的竖直段的上方缠绕第二线圈，所述第一线圈和第二线圈与可编程电源串联，所述可编程电源产生交流电，进而使第一线圈和第二线圈之间产生交变磁场，所述钻头设在磁处理装置的上方，所述第二线圈在所述钻头内，所述第一线圈在所述钻头外，所述磁处理装置对钻头进行磁处理时，滑动所述滑动平台调整第二线圈与钻头间的距离，滑动所述倒T型铁芯调整第一线圈与钻头间的距离。

进一步，所述第一线圈和第二线圈同匝数、同线径、同方向，所述第一线圈和第二线圈通过导线与可编程电源串联，所述第一线圈的下端与第二线圈的下端通过导线连接，所述第一线圈的上端连接导线，所述导线穿过第一线圈的内部，并从第一线圈的下端穿出连接可编程电源，所述第二线圈的上端连接导线，所述导线穿过第二线圈的内部，并从第二线圈的下端穿出连接可编程电源。

进一步，所述L型铁芯和倒T型铁芯的制作材料为软磁性材料，所述L型铁芯和倒T型铁芯的制作材料为矽钢片，所述L型铁芯和倒T型铁芯通过矽钢片叠加而成。

进一步，所述倒T型铁芯水平段的底面与L型铁芯水平段的顶面均为抛光面。

进一步，所述滑动平台的长度与L型铁芯的水平段的长度相一致，所述滑动平台的中间开有与L型铁芯的水平段相适配的长槽，所述长槽的中间开有T型槽，所述L型铁芯的水平段安装在长槽内，所述倒T型铁芯的水平段安装在T型槽内，所述滑动平台的两端设有限位挡板，所述限位挡板将L型铁芯固定在长槽内，所述倒T型铁芯的水平段能在T型槽内滑动；所述滑动平台的底部设有梯形凸起，所述底板上开有与梯形凸起相适配的梯形滑槽，所述梯形凸起安装在梯形滑槽，并在梯形滑槽内滑动，进而使滑动平台在底板上滑动。

进一步，所述长槽的两侧对称设有倒T型槽，所述倒T型铁芯的竖直段上套有一矩形板，所述矩形板设在滑动平台的上方，所述矩形板的两侧开有通孔，并与倒T型槽的位置相对应，所述通孔通过螺栓与倒T型槽连接，所述螺栓的两端通过螺帽固定，一螺帽在倒T型槽内，另一螺帽在矩形板的上方；

所述梯形滑槽两侧对称设有倒T型长槽，所述滑动平台的两侧底端均设有翼板，所述翼板上开有通孔，并与倒T型长槽的位置相对应，所述通孔通过螺栓与倒T型长槽连接，所述螺栓的两端通过螺帽固定，一螺帽在倒T型长槽内，另一螺帽在翼板的上方。

进一步，滑动平台和限位挡板通过螺栓固定在一起，所述倒T型长槽的外侧开有通孔，所述通孔中被插入螺栓将底板固定在地面或机台上。

一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理方法，包括以下步骤：

S1.将钻头通过钻杆设置在磁处理装置的上方，将第二线圈设置在钻头内，将第一线圈设置在钻头外；

S2.通过滑动所述滑动平台调整第二线圈与钻头间的距离，滑动所述倒T型铁芯调整第一线圈与钻头间的距离，使第一线圈和第二线圈相互靠近，并不接触钻头；

S3.接通可编程电源，通过可编程电源产生交流电，并控制交流电的大小、频率和波形进而控制磁处理的磁感应强度、频率和波形，在磁处理过程中，所述钻头旋转，所述钻头的转速不是磁感应频率的整数倍，所述钻头的转速与磁处理时间相关。

进一步，所述步骤S2中，所述第一线圈至位于第一线圈和第二线圈间的钻头外壁的距离为1～2mm，所述第二线圈至第一线圈和第二线圈间的钻头内壁的距离为1～2mm。

进一步，所述步骤S3中，磁感应强度接近钻头的饱和磁化强度，磁感应强度为0.5～2.0T，磁感应频率为10～35Hz，磁处理时间为10～50min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过低频交变磁场对热压铁基钻头胎体进行优化处理，提高钻头胎体的耐磨性和抗弯强度，不需要改变烧结工艺和胎体配方，经济成本低，无污染；适用范围广泛，通过调整磁处理参数可适用于对铁磁性钻头胎体的改性；磁处理线圈的距离可以调整，可以适用多种不同外径的钻头，有效避免磁感应强度及磁场均匀区因线圈与钻头间的距离过大，造成急速衰减，避免因持续增加电流造成的设备发热严重等安全隐患，可以在不显著增大电流的情况下，保证钻头磁处理时所需的磁感应强度，提高铁基金刚石钻头耐磨性、抗弯强度，提高钻井生产效率；另外，本发明的结构设计可以有效减少漏磁。

附图说明

图1是本发明一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置的示意图。

图2是图1中滑动平台的示意图。

图3是图1中U型磁铁的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，钻头7设在磁处理装置的上方，磁处理装置包括U型磁铁1、滑动平台2、底板3、第一线圈4、第二线圈5和可编程电源6，U型磁铁1安装在滑动平台2中，所述滑动平台2设在底板3上，并能沿底板3滑动。

请参考图3，U型磁铁1由L型铁芯12和倒T型铁芯11构成，在一实施例中，L型铁芯12和倒T型铁芯11的制作材料为软磁性材料，所述L型铁芯12和倒T型铁芯11的制作材料优选为矽钢片，所述L型铁芯12和倒T型铁芯11通过矽钢片叠加而成。

倒T型铁芯11包括水平段111和竖直段112，L型铁芯12包括水平段121和竖直段122，倒T型铁芯11水平段111的底面与L型铁芯12水平段121的顶面紧密接触，在一实施例中，倒T型铁芯11水平段111的底面与L型铁芯121水平段121的顶面均为抛光面，抛光面滑动有效保证紧密接触防止漏磁，倒T型铁芯11水平段111能沿L型铁芯12的水平段121移动。

倒T型铁芯11的竖直段112和L型铁芯12的竖直段122的下方均在滑动平台2内，并与滑动平台2紧密接触，防止漏磁。

请参考图1和图2，滑动平台2的长度与L型铁芯12的水平段121的长度相一致，滑动平台2的中间开有与L型铁芯12的水平段121相适配的长槽21，长槽的两侧对称设有倒T型槽23，所述长槽21的中间开有T型槽22，所述滑动平台2的两侧底端均设有翼板24，所述翼板24上开有通孔241，所述滑动平台2的底部设有梯形凸起25，所述滑动平台2的两端设有限位挡板8，滑动平台2和限位挡板8通过螺栓固定在一起。

L型铁芯12的水平段121安装在长槽21内，所述倒T型铁芯11的水平段111安装在T型槽22内，所述限位挡板8将L型铁芯12固定在长槽21内，所述倒T型铁芯11的水平段111能在T型槽内滑动。

倒T型铁芯11的竖直段112上套有一矩形板9，所述矩形板9设在滑动平台2的上方，所述矩形板9的两侧开有通孔91，并与倒T型槽23的位置相对应，所述通孔91通过螺栓(图中未示出)与倒T型槽23连接，所述螺栓的两端通过螺帽(图中未示出)固定，一螺帽在倒T型槽23内，另一螺帽在矩形板9的上方，限制倒T型铁芯11的移动范围在滑动平台2内。

底板3上开有与梯形凸起25相适配的梯形滑槽31，梯形滑槽31两侧对称设有倒T型长槽32，倒T型长槽32的外侧开有通孔33，所述通孔33插入螺栓将底板3固定在地面或机台上。

梯形凸起25安装在梯形滑槽31，并在梯形滑槽31内滑动，进而使滑动平台2在底板3上滑动。

翼板24上的通孔241与倒T型长槽32的位置相对应，所述通孔241通过螺栓与倒T型长槽32连接，所述螺栓的两端通过螺帽固定，一螺帽在倒T型长槽32内，另一螺帽在翼板24的上方，限制滑动平台2的移动范围在底板3内。

倒T型铁芯11的竖直段112的上方缠绕第一线圈4，所述L型铁芯12的竖直段122的上方缠绕第二线圈5，第一线圈4和第二线圈5同匝数、同线径、同方向，所述第二线圈5在所述钻头7内，所述第一线圈4在所述钻头7外，所述磁处理装置对钻头7进行磁处理时，滑动所述滑动平台2调整第二线圈5与钻头7间的距离，滑动所述倒T型铁芯11调整第一线圈4与钻头7间的距离。

第一线圈4和第二线圈5与可编程电源6串联，在一实施例中，所述第一线圈4和第二线圈5通过导线与可编程电源6串联，所述第一线圈4的下端与第二线圈5的下端通过导线连接，所述第一线圈4的上端连接导线，所述导线穿过第一线圈4的内部，并从第一线圈4的下端穿出连接可编程电源6，所述第二线圈5的上端连接导线，所述导线穿过第二线圈5的内部，并从第二线圈5的下端穿出连接可编程电源6。

可编程电源6产生交流电，进而使第一线圈4和第二线圈5之间产生交变磁场，通过交变磁场对钻头7进行磁处理，调整可编程电源6产生交流电的大小、频率和波形进而控制磁处理的磁感应强度、频率和波形。

一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置进行磁处理的方法，包括以下步骤：

S1.将钻头7通过钻杆(图中未示出)设置在磁处理装置的上方，第二线圈5设置在钻头7内，第一线圈4设置在钻头7外；

S2.通过滑动所述滑动平台2调整第二线圈5与钻头7间的距离，滑动所述倒T型铁芯11调整第一线圈4与钻头7间的距离，使第一线圈4和第二线圈5相互靠近，并不接触钻头7；优选地，所述第一线圈4至位于第一线圈4和第二线圈5间的钻头7外壁的距离为1～2mm，所述第二线圈4至第一线圈4和第二线圈5间的钻头7内壁的距离为1～2mm。

S3.接通可编程电源6，通过可编程电源6产生交流电，并控制交流电的大小、频率和波形进而控制磁处理的磁感应强度、频率和波形，优选地，磁感应强度接近钻头的饱和磁化强度，由于粉末冶金制品相对于铸造、锻造制品而言多孔、力学性质较差，故不宜达到或超过材料饱和磁感应强度，磁感应强度优选为0.5～2.0T，磁感应频率优选为10～35Hz，磁处理时间优选为10～50min；在磁处理过程中，所述钻头7旋转，所述钻头7的转速不是磁感应频率的整数倍，所述钻头7的转速与磁处理时间相关，若转速慢则需要延长磁处理时间，故在保证钻头正常旋转、且不与磁头相碰的前提下，可提高转速，以提高磁处理效率。

磁处理对热压铁基胎体抗弯强度的影响：将含铁磁性材料铁、镍、钴总计58.25％的含金刚石浓度为75％(400％浓度制)的含金刚石胎体，制成规格为5×5×30mm的胎体，对胎体进行磁处理。所施加磁感应强度比饱和磁感应强度略低，若胎体磁导率低应更接近饱和磁感应强度，若胎体磁导率高所加磁感应强度可进一步降低，实验分别选择磁感应强度为0.5T、0.8T、1.1T；磁场频率为15Hz；由于是对单个胎体进行磁处理，故胎体始终处于磁处理条件下，磁处理时间应适当缩短，选择磁处理时间为3min。每个组磁感应强度下对4个试样抗弯强度取平均值。结果显示未经磁处理胎抗弯为136MPa；0.5T条件下胎体抗弯强度143MPa；0.8T条件下胎体抗弯强度147MPa；1.1T条件下胎体抗弯强度为144MPa，经过磁处理后比未经过磁处理的胎体抗弯强度分别提高5.1％、8.1％、5.8％。

本发明通过低频交变磁场对热压铁基钻头胎体进行优化处理，提高钻头胎体的耐磨性和抗弯强度，不需要改变烧结工艺和胎体配方，经济成本低，无污染；适用范围广泛，通过调整磁处理参数可适用于对铁磁性钻头胎体的改性；磁处理线圈的距离可以调整，可以适用多种不同外径的钻头，有效避免磁感应强度及磁场均匀区因线圈与钻头间的距离过大，造成急速衰减，避免因持续增加电流造成的设备发热严重等安全隐患，可以在不显著增大电流的情况下，保证钻头磁处理时所需的磁感应强度，提高铁基金刚石钻头耐磨性、抗弯强度，提高钻井生产效率；另外，本发明的结构设计可以有效减少漏磁。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，其特征在于，包括U型磁铁，所述U型磁铁安装在滑动平台中，所述滑动平台设在底板上，并能沿底板滑动，所述U型磁铁由L型铁芯和倒T型铁芯构成，所述倒T型铁芯和L型铁芯均包括水平段和竖直段，所述倒T型铁芯水平段的底面与L型铁芯水平段的顶面紧密接触，并能沿L型铁芯的水平段移动，所述倒T型铁芯和L型铁芯的竖直段的下方均在滑动平台内，并与滑动平台紧密接触，所述倒T型铁芯的竖直段的上方缠绕第一线圈，所述L型铁芯的竖直段的上方缠绕第二线圈，所述第一线圈和第二线圈与可编程电源串联，所述可编程电源产生交流电，进而使第一线圈和第二线圈之间产生交变磁场，所述钻头设在磁处理装置的上方，所述第二线圈在所述钻头内，所述第一线圈在所述钻头外，所述磁处理装置对钻头进行磁处理时，滑动所述滑动平台调整第二线圈与钻头间的距离，滑动所述倒T型铁芯调整第一线圈与钻头间的距离。

2.根据权利要求1所述的热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，其特征在于，所述第一线圈和第二线圈同匝数、同线径、同方向，所述第一线圈和第二线圈通过导线与可编程电源串联，所述第一线圈的下端与第二线圈的下端通过导线连接，所述第一线圈的上端连接导线，所述导线穿过第一线圈的内部，并从第一线圈的下端穿出连接可编程电源，所述第二线圈的上端连接导线，所述导线穿过第二线圈的内部，并从第二线圈的下端穿出连接可编程电源。

3.根据权利要求1所述的热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，其特征在于，所述L型铁芯和倒T型铁芯的制作材料为软磁性材料，所述L型铁芯和倒T型铁芯的制作材料为矽钢片，所述L型铁芯和倒T型铁芯通过矽钢片叠加而成。

4.根据权利要求1所述的热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，其特征在于，所述倒T型铁芯水平段的底面与L型铁芯水平段的顶面均为抛光面。

5.根据权利要求1所述的热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，其特征在于，所述滑动平台的长度与L型铁芯的水平段的长度相一致，所述滑动平台的中间开有与L型铁芯的水平段相适配的长槽，所述长槽的中间开有T型槽，所述L型铁芯的水平段安装在长槽内，所述倒T型铁芯的水平段安装在T型槽内，所述滑动平台的两端设有限位挡板，所述限位挡板将L型铁芯固定在长槽内，所述倒T型铁芯的水平段能在T型槽内滑动；所述滑动平台的底部设有梯形凸起，所述底板上开有与梯形凸起相适配的梯形滑槽，所述梯形凸起安装在梯形滑槽，并在梯形滑槽内滑动，进而使滑动平台在底板上滑动。

6.根据权利要求5所述的热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，其特征在于，所述长槽的两侧对称设有倒T型槽，所述倒T型铁芯的竖直段上套有一矩形板，所述矩形板设在滑动平台的上方，所述矩形板的两侧开有通孔，并与倒T型槽的位置相对应，所述通孔通过螺栓与倒T型槽连接，所述螺栓的两端通过螺帽固定，一螺帽在倒T型槽内，另一螺帽在矩形板的上方；

所述梯形滑槽两侧对称设有倒T型长槽，所述滑动平台的两侧底端均设有翼板，所述翼板上开有通孔，并与倒T型长槽的位置相对应，所述通孔通过螺栓与倒T型长槽连接，所述螺栓的两端通过螺帽固定，一螺帽在倒T型长槽内，另一螺帽在翼板的上方。

7.根据权利要求6所述的热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置，其特征在于，所述滑动平台和限位挡板通过螺栓固定在一起，所述倒T型长槽的外侧开有通孔，所述通孔中被插入螺栓将底板固定在地面或机台上。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的热压取芯式铁基金刚石钻头改性的磁处理装置进行磁处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将钻头通过钻杆设置在磁处理装置的上方，将第二线圈设置在钻头内，将第一线圈设置在钻头外；

S2.通过滑动所述滑动平台调整第二线圈与钻头间的距离，滑动所述倒T型铁芯调整第一线圈与钻头间的距离，使第一线圈和第二线圈相互靠近，并不接触钻头；

S3.接通可编程电源，通过可编程电源产生交流电，并控制交流电的大小、频率和波形进而控制磁处理的磁感应强度、频率和波形，在磁处理过程中，所述钻头旋转，所述钻头的转速不是磁感应频率的整数倍，所述钻头的转速与磁处理时间相关。

9.根据权利要求8所述的磁处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第一线圈至位于第一线圈和第二线圈间的钻头外壁的距离为1～2mm，所述第二线圈至第一线圈和第二线圈间的钻头内壁的距离为1～2mm。

10.根据权利要求8所述的磁处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，磁感应强度接近钻头的饱和磁化强度，磁感应强度为0.5～2.0T，磁感应频率为10～35Hz，磁处理时间为10～50min。