A PDC (polikristályos gyémánt kompozit) szerszámok széles körben elterjedt alkalmazása az olajfúrásban, a geológiai feltárásban és a nagy -kopásálló-megmunkálásban a nagy keménység, a nagy kopásállóság és a jó ütésállóság együttes előnyeiből fakad, amelyeket egyedi kompozit szerkezetük eredményez. Ennek az előnynek a megvalósítása azonban mindenekelőtt az anyagok tudományos kiválasztásától függ. Az anyagösszetétel, a kötési fázis jellemzői, valamint a szerszám felületi rétegének és mátrixának mikroszerkezete közvetlenül meghatározza a szerszám teljesítményét és élettartamát különböző munkakörülmények között. Ezért az alkalmazási követelményeken alapuló pontos anyagillesztés előfeltétele a PDC-szerszámokban rejlő lehetőségek kibontakoztatásának.
A PDC szerszám alapvető szerkezete egy felületi polikristályos gyémánt (PCD) rétegből és egy alul cementált keményfém mátrixból áll. E két réteg anyagtulajdonságai és szinergikus hatásai meghatározzák az általános teljesítményt. A felületi PCD réteg vállalja a fő forgácsolási és kőzettörési feladatokat, anyagválasztásának lényege pedig a gyémántpor minőségében és szemcseméret-eloszlásában rejlik. A nagy-tisztaságú egykristályos-gyémántpor biztosítja a szilárd kovalens kötéshálózat kialakulását a szemcsék között, így a természetes gyémánthoz közeli keménységet és kopásállóságot ér el. A szemcseméret-eloszlásnak egyensúlyban kell lennie a makroszkopikus szilárdság és a mikroszkopikus vágási élesség között; A finomszemcsés gyémántrétegek jobb kopásállóságot biztosítanak, és erősen koptató képződmények vagy anyagok megmunkálására alkalmasak, míg a durva-szemcsés gyémántrétegek előnyt jelentenek az ütésállóság terén, és alkalmasak kemény részecskéket vagy időszakos ütéseket tartalmazó körülményekre.
A kötési fázis anyaga kulcsfontosságú tényező, amely befolyásolja a PCD réteg hőstabilitását és tartósságát. A hagyományos PCD-eszközök gyakran átmenetifémeket, például kobaltot és nikkelt használnak katalizátorként és kötőanyagként. Ezek a fémek katalizálják a gyémánt grafittá történő átalakulását magas hőmérsékleten, korlátozva a szerszám működési hőmérsékletét és élettartamát. Magas-hőmérséklet, nagy-sebesség vagy erős hősokk esetén az alacsony-katalitikus-aktivitású vagy a nem-fémes kötőfázisokat (például szilicideket, boridokat és karbidokat) kell előnyben részesíteni. Ezek az anyagok hatékonyan gátolhatják a grafitizálódást, 700 fok fölé emelve a termikus bomlási hőmérsékletet, miközben fenntartják a megfelelő szemcsehatár-kötési szilárdságot, lehetővé téve a szerszám számára a vágási teljesítmény fenntartását extrém körülmények között is.
Az alatta lévő cementált keményfém mátrix anyagának megválasztása előtérbe helyezi a szívósságot és a befogási megbízhatóságot. Az általánosan használt wolfram-kobaltötvözetek (mint például a WC-Co) kiváló ütésállóságot, szívósságot és megmunkálhatóságot kínálnak, robusztus mechanikai alátámasztást biztosítanak a PCD-rétegnek, elnyelik és eloszlatják a vágás során keletkező ütési terheléseket, és megakadályozzák a gyémántréteg túlzott ridegség miatti törését. A mátrix kobalttartalma beállítható úgy, hogy egyensúlyt teremtsen a keménység és a szívósság között: a magas kobalttartalom növeli a szívósságot, de kissé csökkenti a keménységet, alkalmas nagy ütésű alkalmazásokhoz; az alacsony kobalttartalom nagyobb keménységet eredményez, így stabil terhelés mellett is kopásálló. Ezenkívül a mátrix sűrűségének egyenletessége és szinterezési sűrűsége szintén befolyásolja az általános szilárdságot, és ezt szigorú gyártási folyamat-ellenőrzéssel kell biztosítani.
Az anyagválasztás célzott optimalizálást igényel a különböző alkalmazási forgatókönyvekhez. Például az olaj- és gázfúrásnál, amely erősen koptató hatású homokkő- és mészkőképződményekkel néz szembe, a kopásállóság és az ütésállóság kiegyensúlyozása érdekében előnyös az alacsony-katalitikus kötőfázisú (PCD) finom-szemcsés gyémántréteg, amely közepes kobalttartalmú cementált karbidmátrixszal párosul. A geológiai feltáró magozási műveleteknél kavics vagy rétegközi behatások esetén a gyémánt szemcsemérete megfelelően növelhető és a mátrix szívóssága javítható a fogtörés kockázatának csökkentése érdekében. A precíziós megmunkálási alkalmazásoknál, mint például a magas -szilícium-alumíniumötvözetek esetében, a kopásállóság mellett az anyag alacsony súrlódási együtthatóját és kémiai tehetetlenségét is figyelembe kell venni a szerszám tapadása és a felületi sérülések csökkentése érdekében.
Összefoglalva, a PDC szerszámok anyagának kiválasztása szisztematikus feladat, amely integrálja a gyémántpor minőségét, a kötési fázis jellemzőit és a cementált karbid mátrix teljesítményét. Csak az egyes rétegek anyag- és szerkezeti paramétereinek az adott munkakörülmények keménységéhez, koptatóképességéhez, ütésállóságához és hőmérsékleti viszonyaihoz való tudományos egyeztetésével biztosítható, hogy a szerszám kiváló stabilitással és tartóssággal rendelkezzen, miközben hatékony forgácsolást és kőzettörést tesz lehetővé, megbízható műszaki támogatást nyújtva összetett munkakörnyezetekhez.
