PDC (Polycrystalline Diamond Composite) -työkalujen laaja käyttö öljynporauksessa, geologisessa etsinnässä ja korkean{0}}kulumiskestävyyden-koneistuksessa johtuu niiden ainutlaatuisen komposiittirakenteen tuomista yhdistetyistä eduista: korkea kovuus, korkea kulutuskestävyys ja hyvä iskunkestävyys. Tämän edun ymmärtäminen riippuu kuitenkin ennen kaikkea materiaalien tieteellisestä valinnasta. Materiaalin koostumus, sidosvaiheen ominaisuudet sekä työkalun pintakerroksen ja matriisin mikrorakenne määräävät suoraan työkalun suorituskyvyn ja käyttöiän erilaisissa työolosuhteissa. Siksi tarkka materiaalisovitus sovellusvaatimusten perusteella on edellytys PDC-työkalujen potentiaalin vapauttamiselle.
PDC-työkalun perusrakenne koostuu pintapolykiteisestä timanttikerroksesta (PCD) ja pohjasta sementoidusta kovametallimatriisista. Näiden kahden kerroksen materiaaliominaisuudet ja synergistiset vaikutukset määräävät kokonaissuorituskyvyn. Pinta-PCD-kerros hoitaa tärkeimmät leikkaus- ja kivi-murtotehtävät, ja sen materiaalivalinnan ydin on timanttijauheen laadussa ja hiukkaskokojakaumassa. Korkean-puhtauden yksikiteinen-kiteinen timanttijauhe varmistaa vahvan kovalenttisen sidosverkoston muodostumisen rakeiden välille, mikä saavuttaa luonnontimantin kovuuden ja kulutuskestävyyden. Raekokojakauman tulee tasapainottaa makroskooppinen lujuus ja mikroskooppinen leikkausterävyys; hienorakeiset timanttikerrokset tarjoavat paremman kulutuskestävyyden ja sopivat erittäin hankaavien muodostelmien tai materiaalien työstöön, kun taas karkearakeisilla-timanttikerroksilla on etuja iskunkestävyydessä ja ne sopivat olosuhteisiin, joissa on kovia hiukkasia tai ajoittaisia iskuja.
Liimausvaiheen materiaali on PCD-kerroksen lämpöstabiilisuuteen ja kestävyyteen vaikuttava avaintekijä. Perinteisissä PCD-työkaluissa käytetään usein siirtymämetalleja, kuten kobolttia ja nikkeliä, katalyytteinä ja sideaineina. Nämä metallit katalysoivat timantin muuttumista grafiitiksi korkeissa lämpötiloissa, mikä rajoittaa työkalun käyttölämpötilaa ja käyttöikää. Korkean-lämpötilan, suuren-nopeuden tai voimakkaan lämpöshokin olosuhteissa alhainen-katalyyttinen-aktiivisuus tai ei--metalliset sidosfaasit (kuten silidit, boridit ja karbidit) tulee asettaa etusijalle. Nämä materiaalit voivat tehokkaasti estää grafitoitumista, nostaen lämpöhajoamislämpötilan yli 700 asteeseen säilyttäen samalla riittävän raerajasidontalujuuden, jolloin työkalu voi säilyttää leikkaussuorituskyvyn jopa äärimmäisissä ympäristöissä.
Materiaalin valinnassa alla olevan kovametallimatriisin lujuus ja kiristysvarmuus ovat etusijalla. Yleisesti käytetyt volframi-kobolttiseokset (kuten WC-Co) tarjoavat erinomaisen iskunkestävyyden, sitkeyden ja työstettävyyden. Ne tarjoavat vankan mekaanisen tuen PCD-kerrokselle, absorboivat ja hajottavat leikkauksen aikana syntyviä iskukuormia ja estävät timanttikerroksen murtumista liiallisen haurauden vuoksi. Matriisin kobolttipitoisuutta voidaan säätää tasapainon saavuttamiseksi kovuuden ja sitkeyden välillä: korkea kobolttipitoisuus lisää sitkeyttä, mutta alentaa hieman kovuutta, mikä sopii suuriin -iskusovelluksiin; alhainen kobolttipitoisuus johtaa korkeampaan kovuuteen, joka soveltuu kulutuskestävyyteen vakaissa kuormissa. Lisäksi matriisin tiheyden tasaisuus ja sintraustiheys vaikuttavat myös kokonaislujuuteen, ja ne on varmistettava tiukan valmistusprosessin valvonnan avulla.
Materiaalin valinta edellyttää kohdennettua optimointia erilaisiin sovellusskenaarioihin. Esimerkiksi öljy- ja kaasuporauksessa, jossa on erittäin hankaavia hiekka- ja kalkkikivimuodostelmia, hieno-rakeinen timanttikerros, jossa on alhainen-katalyyttinen sitoutumisfaasi (PCD), on parempi yhdistettynä keskikokoisen kobolttipitoisuuden omaavaan sementoituun karbidimatriisiin kulutuksen- ja iskunkestävyyden tasapainottamiseksi. Geologisessa etsinnässä sora- tai väliiskuja vastaan voidaan timantin raekokoa nostaa sopivasti ja matriisin sitkeyttä parantaa hampaiden murtumisriskin vähentämiseksi. Tarkkuustyöstösovelluksissa, kuten korkean -piin alumiiniseoksissa, kulutuskestävyyden lisäksi materiaalin alhainen kitkakerroin ja kemiallinen inertisyys on otettava huomioon työkalun tarttuvuuden ja pintavaurioiden vähentämiseksi.
Yhteenvetona voidaan todeta, että materiaalin valinta PDC-työkaluille on systemaattinen tehtävä, joka yhdistää timanttijauheen laadun, sidosvaiheen ominaisuudet ja kovametallimatriisin suorituskyvyn. Vain sovittamalla kunkin kerroksen materiaali- ja rakenneparametrit tieteellisesti yhteen kovuuden, hankauskyvyn, iskunkestävyyden ja lämpötilaolosuhteiden mukaan, voidaan varmistaa, että työkalulla on erinomainen vakaus ja kestävyys samalla, kun saavutetaan tehokas leikkaus ja kiven murtaminen, mikä tarjoaa luotettavaa teknistä tukea monimutkaisiin työympäristöihin.
