A PDC-szerszámok (polikristályos gyémánt kompozit szerszámok) jelentős előnyökkel rendelkeznek az olajfúrásban, a geológiai feltárásban és a nagy -kopásálló-megmunkálásban, mivel egyedülálló tervezési elvük-a szuperkeménység és a jó szívósság szinergikus hatását éri el egy felületi mátrixmátrix és cementkötésű polikristályos gyémántréteg (polikristályos polikristályos) kompozit szerkezete révén. lehetővé teszi számukra a hatékony vágási és kőzettörési-képesség fenntartását bonyolult és megerőltető munkakörülmények között. Ez a tervezés nem egy egyszerű anyagrakás, hanem egy kiegészítő anyagtulajdonságokon és funkcionális felosztáson alapuló rendszermérnöki megközelítés. Alapkoncepciója abban rejlik, hogy szervesen ötvözi a gyémánt extrém keménységét a cementált keményfém ütésállóságával, leküzdve egyetlen anyag teljesítménybeli korlátait extrém körülmények között.
A PDC szerszám alapvető szerkezete két különböző funkciójú anyagrétegből áll: egy felületi polikristályos gyémántrétegből és egy alul cementált keményfém mátrixból. A felületi PCD réteg a szerszám forgácsoló és kőzet{1}}törő funkcionális területe, tervezési elve pedig a gyémánt kristályos tulajdonságain alapul. A gyémánt, amely erős kovalens kötésekkel összekapcsolt szénatomok sűrű, háromdimenziós hálózatából áll, keménysége megközelíti a természetes gyémántét, kopásállósága pedig messze meghaladja a hagyományos cementált karbid és kerámia anyagokét. Magas-hőmérsékletű, nagy-nyomású (HPHT) szinterezéssel a mikron- vagy szubmikron-méretű gyémántpor folytonos polikristályos szerkezetté szilárdul. Ez az eljárás megőrzi az egykristályos gyémánt nagy keménységét, miközben csökkenti a törékenységet a szemcsehatár-hálózaton keresztül, ami kiváló kopásállóságot és karcállóságot eredményez síkvágásnál és kőzetnyírásnál.
Az alatta lévő cementált keményfém mátrix tervezési elve a mechanikai megtámasztásra és az ütési energia elnyelésére összpontosít. Az általánosan használt wolfram-kobaltötvözetek (mint például a WC-Co) nagy nyomószilárdsággal és ütésállósággal rendelkeznek, hatékonyan eloszlatják és továbbítják a vágás során keletkező mechanikai terheléseket, pufferolják a kőzet vagy munkadarab azonnali becsapódását a gyémántrétegre, és megakadályozzák a felület túlzott repedését vagy leválását. A kobalt (Co) kötőanyag-fázisként működik a mátrixban, és tartalma közvetlenül befolyásolja a szívósság és a keménység egyensúlyát: a magas kobalttartalom növeli a szívósságot, hogy megbirkózzanak az erős ütési körülményekkel, míg az alacsony kobalttartalom növeli a keménységet, hogy megfeleljen a kopásállósági követelményeknek stabil terhelés mellett. Ez a „merev-rugalmas” kétrétegű-szerkezet lehetővé teszi a PDC-szerszámok számára, hogy hatékony anyageltávolítást hajtsanak végre folyamatos vágás közben, miközben megőrzik a szerkezeti integritást időszakos ütközési környezetben.
A kötési fázis kialakítása kulcsfontosságú a két réteg összekapcsolásához és a szinergikus teljesítmény eléréséhez. A PCD réteg előkészítési folyamata során megfelelő mennyiségű kötési fázist kell bevezetni a gyémántrészecskék közötti metallurgiai kötés elősegítésére. A hagyományos kötési fázisok gyakran átmeneti fémek, például kobalt és nikkel, de van egy bizonyos katalitikus grafitizáló hatásuk, ami korlátozza a szerszám magas hőmérsékleti teljesítményét. Ezért magas-hőmérsékletű, nagy{5}}sebességű vagy erős hősokk esetén a modern PDC-szerszámok alacsony-katalitikus-aktivitású vagy nem-fémes kötőfázisokat (például szilicideket, boridokat és karbidokat) használnak. Ezek a kötési fázisok biztosítják a szemcsék közötti kötési szilárdságot, és elnyomják a gyémánt-a-grafit fázis átalakulását, jelentősen javítva a hőstabilitást és az oxidációval szembeni ellenállást, lehetővé téve a szerszám számára, hogy a gyémántfázis stabilitását 700 fok felett tartsa.
Ezenkívül a szerszám geometriai kialakítása is követi a vágási és kő{0}}törő mechanizmusokat. A vágófogak korona alakjának (pl. lapos tetejű, lekerekített tetejű, kúpos tetejű), dőlésszögének és hézagszögének kiválasztását a célanyag mechanikai tulajdonságai és az eltávolítási mód alapján optimalizálni kell. Például a lekerekített felső fogprofil folyamatosabb nyírási pályát biztosíthat és csökkenti az ütközési terhelést; az ésszerű dőlésszög kialakítása egyensúlyba tudja hozni a vágási erőt és a forgácseltávolítási hatékonyságot, megakadályozva a forgács vagy salak eltömődését. A forgácseltávolító hornyok alakja és eloszlása befolyásolja a forgácseltávolítás simaságát, és elkerüli a gyémántréteg másodlagos csiszolását és kopását.
Összefoglalva, a PDC szerszámok tervezési elve a "funkcionális rétegezés-anyagkomplementaritás-szerkezeti optimalizálás" szisztematikus megközelítését testesíti meg: a felületi gyémántréteg felelős az ultra-kemény és kopásálló-vágásért, az alatta lévő cementált keményfém biztosítja a szívósság támogatását és az ütési pufferelést, a vágási stabilitást és az erős vágási mechanizmust. Ez a többdimenziós együttműködési kialakítás lehetővé teszi a PDC-eszközök számára, hogy extrém munkakörülmények között is ötvözzék a nagy hatékonyságot, a tartósságot és a megbízhatóságot, így alapvető megoldássá válnak a hagyományos szerszámok teljesítménybeli szűk keresztmetszetein, és lefektetik az elméleti alapot a szélesebb körű alkalmazásokhoz.
