Široké používanie nástrojov PDC (polykryštalický diamantový kompozit) pri vŕtaní ropy, geologickom prieskume a obrábaní s vysokou{0}}opotrebením{1}} vychádza z kombinovaných výhod vysokej tvrdosti, vysokej odolnosti proti opotrebovaniu a dobrej odolnosti proti nárazu, ktoré prináša ich jedinečná kompozitná štruktúra. Uvedomenie si tejto výhody však závisí predovšetkým a predovšetkým od vedeckého výberu materiálov. Zloženie materiálu, charakteristiky väzobnej fázy a mikroštruktúra povrchovej vrstvy a matrice nástroja priamo určujú jeho výkon a životnosť pri rôznych pracovných podmienkach. Preto je presné prispôsobenie materiálov na základe požiadaviek aplikácie predpokladom pre uvoľnenie potenciálu PDC nástrojov.
Základná štruktúra PDC nástroja pozostáva z povrchovej vrstvy polykryštalického diamantu (PCD) a spodnej matrice zo slinutého karbidu. Materiálové vlastnosti a synergické účinky týchto dvoch vrstiev určujú celkový výkon. Povrchová vrstva PCD vykonáva hlavné úlohy rezania a rozbíjania kameňov-a jadro výberu materiálu spočíva v kvalite a distribúcii veľkosti častíc diamantového prášku. Vysoko-jednokryštálový diamantový prášok{5}}zaisťuje vytvorenie silnej kovalentnej väzobnej siete medzi zrnami, čím sa dosahuje tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu blízka kvalite prírodného diamantu. Distribúcia veľkosti zrna musí vyvážiť makroskopickú silu a mikroskopickú ostrosť rezu; Jemnozrnné diamantové vrstvy ponúkajú lepšiu odolnosť proti opotrebeniu a sú vhodné na obrábanie vysoko abrazívnych útvarov alebo materiálov, zatiaľ čo hrubozrnné diamantové vrstvy{8}} majú výhody v odolnosti voči nárazu a sú vhodné pre podmienky obsahujúce tvrdé častice alebo prerušované nárazy.
Materiál spojovacej fázy je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim tepelnú stabilitu a trvanlivosť PCD vrstvy. Bežné nástroje PCD často používajú ako katalyzátory a spojivá prechodné kovy, ako je kobalt a nikel. Tieto kovy katalyzujú premenu diamantu na grafit pri vysokých teplotách, čím obmedzujú prevádzkovú teplotu a životnosť nástroja. V prípade vysokej-teploty, vysokej{4}}rýchlosti alebo silného tepelného šoku by mala byť prioritou nízka-katalytická-aktivita alebo ne-kovové spojovacie fázy (ako sú silicidy, boridy a karbidy). Tieto materiály môžu účinne inhibovať grafitizáciu, zvýšiť teplotu tepelného rozkladu nad 700 stupňov pri zachovaní dostatočnej pevnosti spoja na hranici zŕn, čo umožňuje nástroju udržiavať rezný výkon aj v extrémnych prostrediach.
Výber materiálu pre základnú matricu zo slinutého karbidu uprednostňuje húževnatosť a spoľahlivosť upnutia. Bežne používané volfrámové-zliatiny kobaltu (ako WC{2}}Co) ponúkajú vynikajúcu odolnosť proti nárazu, húževnatosť a opracovateľnosť, poskytujú robustnú mechanickú podporu vrstve PCD, absorbujú a rozptyľujú nárazové zaťaženie vznikajúce počas rezania a zabraňujú lámaniu diamantovej vrstvy v dôsledku nadmernej krehkosti. Obsah kobaltu v matrici možno upraviť tak, aby sa dosiahla rovnováha medzi tvrdosťou a húževnatosťou: vysoký obsah kobaltu zvyšuje húževnatosť, ale mierne znižuje tvrdosť, vhodný pre aplikácie s vysokým-nárazom; nízky obsah kobaltu má za následok vyššiu tvrdosť, vhodný na odolnosť proti opotrebovaniu pri stabilnom zaťažení. Okrem toho rovnomernosť hustoty a hustota spekania matrice tiež ovplyvňujú celkovú pevnosť a musia byť zaistené prísnou kontrolou výrobného procesu.
Výber materiálu vyžaduje cielenú optimalizáciu pre rôzne aplikačné scenáre. Napríklad pri ropných a plynových vrtoch, ktoré čelia vysoko abrazívnym pieskovcovým a vápencovým formáciám, sa uprednostňuje jemnozrnná diamantová vrstva s nízkou -katalytickou väzbovou fázou (PCD), spárovaná s matricou zo slinutého karbidu so stredným obsahom kobaltu, aby sa vyvážila odolnosť proti opotrebovaniu a odolnosť proti nárazu. Pri geologických prieskumných jadrových operáciách, keď narazíte na nárazy štrku alebo medzivrstvy, veľkosť diamantového zrna sa môže primerane zvýšiť a húževnatosť matrice sa zlepší, aby sa znížilo riziko zlomenia zubov. Pri aplikáciách presného obrábania, ako sú zliatiny hliníka s vysokým-kremíkom, sa okrem odolnosti proti opotrebeniu musí zohľadniť aj nízky koeficient trenia materiálu a chemická inertnosť, aby sa znížila priľnavosť nástroja a poškodenie povrchu.
Stručne povedané, výber materiálu pre nástroje PDC je systematická úloha, ktorá integruje kvalitu diamantového prášku, charakteristiky väzobnej fázy a výkon matrice zo slinutého karbidu. Iba vedeckým prispôsobením materiálových a štrukturálnych parametrov každej vrstvy podľa tvrdosti, abrazivity, odolnosti proti nárazu a teplotným podmienkam špecifických pracovných podmienok môže byť zaistené, že nástroj bude mať vynikajúcu stabilitu a trvanlivosť pri dosahovaní efektívneho rezania a lámania hornín, čím poskytuje spoľahlivú technickú podporu pre zložité pracovné prostredia.
