Powszechne zastosowanie narzędzi PDC (kompozytu diamentu polikrystalicznego) w odwiertach ropy naftowej, badaniach geologicznych i obróbce skrawaniem-o wysokiej odporności-na zużycie wynika z połączonych zalet wysokiej twardości, wysokiej odporności na zużycie i dobrej odporności na uderzenia, wynikających z ich unikalnej struktury kompozytowej. Jednak wykorzystanie tej zalety zależy przede wszystkim od naukowego doboru materiałów. Skład materiału, charakterystyka fazy wiązania oraz mikrostruktura warstwy wierzchniej i osnowy narzędzia decydują bezpośrednio o jego wydajności i żywotności w różnych warunkach pracy. Dlatego precyzyjne dopasowanie materiałów w oparciu o wymagania aplikacji jest warunkiem wstępnym uwolnienia potencjału narzędzi PDC.
Podstawowa struktura narzędzia PDC składa się z powierzchniowej warstwy diamentu polikrystalicznego (PCD) i dolnej osnowy z węglika spiekanego. Właściwości materiału i synergiczne działanie tych dwóch warstw decydują o ogólnej wydajności. Powierzchniowa warstwa PCD wykonuje główne zadania związane z cięciem i-kruszeniem skał, a sedno jej doboru materiału leży w jakości i rozkładzie wielkości cząstek proszku diamentowego. Proszek diamentowy o-pojedynczych kryształach-o wysokiej czystości zapewnia utworzenie silnej sieci wiązań kowalencyjnych pomiędzy ziarnami, dzięki czemu osiąga się twardość i odporność na zużycie zbliżone do naturalnego diamentu. Rozkład wielkości ziaren musi równoważyć wytrzymałość makroskopową i mikroskopijną ostrość cięcia; Drobno-warstwy diamentu zapewniają lepszą odporność na zużycie i nadają się do obróbki formacji lub materiałów o wysokim stopniu ścierania, natomiast grubo-warstwy diamentu mają większą odporność na uderzenia i nadają się do stosowania w warunkach zawierających twarde cząstki lub sporadyczne uderzenia.
Materiał fazy wiążącej jest kluczowym czynnikiem wpływającym na stabilność termiczną i trwałość warstwy PCD. Konwencjonalne narzędzia PCD często wykorzystują metale przejściowe, takie jak kobalt i nikiel, jako katalizatory i spoiwa. Metale te katalizują przemianę diamentu w grafit w wysokich temperaturach, ograniczając temperaturę roboczą i żywotność narzędzia. W przypadku wysokiej-temperatury, dużych-prędkości lub silnego szoku termicznego należy priorytetowo traktować fazy wiążące o niskiej-katalitycznej-aktywności lub nie-metaliczne (takie jak krzemki, borki i węgliki). Materiały te mogą skutecznie hamować grafityzację, podnosząc temperaturę rozkładu termicznego do ponad 700 stopni, zachowując jednocześnie wystarczającą siłę wiązania na granicach ziaren, umożliwiając narzędziu utrzymanie wydajności cięcia nawet w ekstremalnych warunkach.
Przy wyborze materiału podstawowej osnowy z węglika spiekanego priorytetem jest wytrzymałość i niezawodność mocowania. Powszechnie stosowane stopy wolframu-kobaltu (takie jak WC-Co) zapewniają doskonałą udarność, wytrzymałość i podatność na obróbkę skrawaniem, zapewniając solidne mechaniczne wsparcie dla warstwy PCD, pochłaniając i rozpraszając obciążenia udarowe powstające podczas skrawania oraz zapobiegając pękaniu warstwy diamentu z powodu nadmiernej kruchości. Zawartość kobaltu w osnowie można regulować w celu uzyskania równowagi pomiędzy twardością a wytrzymałością: wysoka zawartość kobaltu zwiększa wytrzymałość, ale nieznacznie zmniejsza twardość, nadaje się do zastosowań-silnie udarowych; niska zawartość kobaltu skutkuje wyższą twardością, odpowiednią dla odporności na zużycie przy stabilnych obciążeniach. Co więcej, jednorodność gęstości i gęstość spiekania osnowy również wpływają na ogólną wytrzymałość i muszą być zapewnione poprzez ścisłą kontrolę procesu produkcyjnego.
Wybór materiału wymaga ukierunkowanej optymalizacji dla różnych scenariuszy zastosowań. Na przykład podczas wierceń ropy i gazu w obliczu wysoce ściernych formacji piaskowca i wapienia preferowana jest-drobnoziarnista warstwa diamentu z niską-fazą wiązania katalitycznego (PCD) w połączeniu z osnową z węglika spiekanego o średniej zawartości kobaltu, aby zrównoważyć odporność na zużycie i udarność. W operacjach rdzeniowania w badaniach geologicznych, w przypadku napotkania uderzeń żwiru lub międzywarstw, można odpowiednio zwiększyć wielkość ziaren diamentu i poprawić wytrzymałość osnowy, aby zmniejszyć ryzyko złamania zębów. W zastosowaniach związanych z obróbką precyzyjną, takich jak stopy aluminium o wysokiej{{5}krzemie, oprócz odporności na zużycie należy wziąć pod uwagę niski współczynnik tarcia i obojętność chemiczną materiału, aby zmniejszyć przyczepność narzędzia i uszkodzenia powierzchni.
Podsumowując, wybór materiału na narzędzia PDC to systematyczne zadanie, które uwzględnia jakość proszku diamentowego, charakterystykę fazy wiązania i wydajność osnowy z węglika spiekanego. Tylko poprzez naukowe dopasowanie parametrów materiałowych i strukturalnych każdej warstwy pod kątem twardości, ścieralności, odporności na uderzenia i warunków temperaturowych specyficznych warunków pracy można zapewnić, że narzędzie będzie miało doskonałą stabilność i trwałość, jednocześnie zapewniając wydajne cięcie i kruszenie skał, zapewniając w ten sposób niezawodne wsparcie techniczne w złożonych środowiskach pracy.
