Nástroje PDC (kompozitné nástroje z polykryštalického diamantu) majú významné výhody pri vŕtaní ropy, geologickom prieskume a vysoko{0}}opotrebení{1}}odolnom obrábaní vďaka svojmu jedinečnému konštrukčnému princípu-dosahujúc synergický efekt supertvrdosti a dobrej húževnatosti vďaka kompozitnej štruktúre povrchovej matrice polykryštalického diamantu (PCD) zachovávajú schopnosť rezania vrstvy z polykryštalického diamantu (PCD) a pod ňou ležiaceho komplexu slinutých karbidov, umožňujú ich efektívne rezanie{4}. a náročné pracovné podmienky. Pri tomto návrhu nejde o jednoduché stohovanie materiálov, ale o systémový inžiniersky prístup založený na komplementárnych materiálových vlastnostiach a funkčnom rozdelení. Jeho základná koncepcia spočíva v organickej kombinácii extrémnej tvrdosti diamantu s rázovou húževnatosťou slinutého karbidu, čím sa prekonávajú výkonnostné obmedzenia jedného materiálu v extrémnych podmienkach.
Základná štruktúra PDC nástroja pozostáva z dvoch vrstiev materiálov s rôznymi funkciami: povrchová vrstva polykryštalického diamantu a spodná matrica zo slinutého karbidu. Povrchová vrstva PCD je funkčnou oblasťou nástroja na rezanie a rozbíjanie kameňov-a princíp jej konštrukcie je založený na kryštalických vlastnostiach diamantu. Diamant, zložený z hustej trojrozmernej siete atómov uhlíka spojených silnými kovalentnými väzbami, sa môže pochváliť tvrdosťou približujúcou sa tvrdosti prírodného diamantu a odolnosťou proti opotrebeniu ďaleko prevyšujúcou konvenčné slinuté karbidové a keramické materiály. Diamantový prášok s mikrónovou- alebo submikrónovou- veľkosťou tuhne prostredníctvom vysoko{5}}teplotného, vysokotlakového-spekania (HPHT) do súvislej polykryštalickej štruktúry. Tento proces zachováva vysokú tvrdosť monokryštálového diamantu{10}}a zároveň zmierňuje krehkosť cez sieť hraníc zŕn, čo vedie k vynikajúcej odolnosti proti opotrebovaniu a odolnosti voči poškriabaniu pri rovinnom rezaní a strihaní hornín.
Princíp konštrukcie základnej matrice zo slinutého karbidu sa zameriava na mechanickú podporu a absorpciu energie nárazu. Bežne používané volfrámové-zliatiny kobaltu (ako WC-Co) majú vysokú pevnosť v tlaku a rázovú húževnatosť, účinne rozptyľujú a prenášajú mechanické zaťaženie vznikajúce pri rezaní, tlmia okamžitý náraz horniny alebo obrobku na diamantovú vrstvu a zabraňujú praskaniu alebo odlupovaniu povrchu v dôsledku nadmernej krehkosti. Kobalt (Co) pôsobí ako spojivová fáza v matrici a jeho obsah priamo ovplyvňuje rovnováhu medzi húževnatosťou a tvrdosťou: vysoký obsah kobaltu zvyšuje húževnatosť, aby sa vyrovnal so silnými nárazovými podmienkami, zatiaľ čo nízky obsah kobaltu zvyšuje tvrdosť, aby sa splnili požiadavky na odolnosť proti opotrebovaniu pri stabilnom zaťažení. Táto „tuhá-flexibilná“ dvojvrstvová štruktúra umožňuje nástrojom PDC vykonávať efektívne odstraňovanie materiálu pri nepretržitom rezaní pri zachovaní štrukturálnej integrity v prostrediach s občasnými nárazmi.
Návrh fázy spájania je rozhodujúci pre spojenie dvoch vrstiev a dosiahnutie synergického výkonu. Počas procesu prípravy PCD vrstvy je potrebné zaviesť vhodné množstvo väzbovej fázy, aby sa podporila metalurgická väzba medzi diamantovými časticami. Bežné spájacie fázy sú často prechodné kovy, ako je kobalt a nikel, ale majú určitý katalytický grafitizačný efekt, ktorý obmedzuje výkon nástroja pri vysokých-teplotách. Preto pri podmienkach vysokej-teploty, vysokej{5}}rýchlosti alebo silného tepelného šoku má moderný dizajn nástrojov PDC tendenciu používať fázy s nízkou -katalytickou-aktivitou alebo ne-kovové spojovacie fázy (ako sú silicidy, boridy a karbidy). Tieto spojovacie fázy zaisťujú pevnosť spojenia medzi zrnami a potláčajú fázovú transformáciu diamantu-na{11}}grafit, čím výrazne zlepšujú tepelnú stabilitu a odolnosť voči oxidácii, čo umožňuje nástroju udržiavať stabilitu diamantovej fázy nad 700 stupňov .
Geometria nástroja sa navyše riadi mechanizmami rezania a rozbíjania kameňov-. Výber tvaru korunky (napr. plochý vrch, zaoblený vrch, kužeľovitý vrch), uhla sklonu a uhla vôle rezných zubov je potrebné optimalizovať na základe mechanických vlastností cieľového materiálu a spôsobu odstraňovania. Napríklad zaoblený horný profil zuba môže poskytnúť plynulejšiu trajektóriu šmyku a znížiť nárazové zaťaženie; primeraná konštrukcia uhla čela môže vyvážiť reznú silu a účinnosť odstraňovania triesok, čím sa zabráni blokovaniu trieskami alebo troskou. Tvar a rozmiestnenie drážok na odvod triesok ovplyvňuje plynulosť odvádzania triesok a zabraňuje sekundárnemu brúseniu a opotrebovaniu diamantovej vrstvy.
Stručne povedané, princíp konštrukcie nástrojov PDC stelesňuje systematický prístup „funkčného vrstvenia-komplementárnosti materiálu-štrukturálnej optimalizácie“: povrchová diamantová vrstva je zodpovedná za ultra-tvrdé a opotrebenie-odolné rezanie, základný slinutý karbid poskytuje podporu húževnatosti a tlmenie nárazov, optimalizácia fáz dosahuje tepelnú stabilitu a pevné spojenie rezu, Tento multi{5}}dimenzionálny dizajn spolupráce umožňuje nástrojom PDC kombinovať vysokú účinnosť, odolnosť a spoľahlivosť v extrémnych pracovných podmienkach, čím sa stáva základným riešením na prekonanie výkonnostných prekážok tradičných nástrojov a položí teoretický základ pre ich použitie v širšom rozsahu oblastí.
