Razširjena uporaba orodij PDC (polikristalni diamantni kompozit) pri vrtanju nafte, geološkem raziskovanju in strojni obdelavi z visoko-odpornostjo-na obrabo izhaja iz skupnih prednosti visoke trdote, visoke odpornosti proti obrabi in dobre odpornosti na udarce, ki jih zagotavlja njihova edinstvena kompozitna struktura. Vendar pa je uresničevanje te prednosti odvisno predvsem od znanstvene izbire materialov. Sestava materiala, značilnosti vezne faze in mikrostruktura površinske plasti in matrice orodja neposredno določajo njegovo zmogljivost in življenjsko dobo v različnih delovnih pogojih. Zato je natančno ujemanje materialov na podlagi aplikacijskih zahtev predpogoj za sprostitev potenciala orodij PDC.
Osnovno strukturo orodja PDC sestavljata površinska plast polikristalnega diamanta (PCD) in spodnja matrica iz cementnega karbida. Lastnosti materiala in sinergijski učinki teh dveh plasti določajo splošno učinkovitost. Površinska plast PCD opravlja glavne naloge rezanja in lomljenja kamnin, jedro izbire materiala pa je v kakovosti in porazdelitvi velikosti delcev diamantnega prahu. Visoko{4}}enokristalni-diamantni prah zagotavlja tvorbo močne mreže kovalentnih vezi med zrni, s čimer se doseže trdota in odpornost proti obrabi, ki sta blizu naravnemu diamantu. Porazdelitev velikosti zrn mora uravnotežiti makroskopsko moč in mikroskopsko rezalno ostrino; fino{7}}zrnate diamantne plasti ponujajo boljšo odpornost proti obrabi in so primerne za strojno obdelavo visoko abrazivnih formacij ali materialov, medtem ko imajo grobo{8}}diamantne plasti prednosti pri odpornosti na udarce in so primerne za pogoje, ki vsebujejo trde delce ali občasne udarce.
Material vezne faze je ključni dejavnik, ki vpliva na toplotno stabilnost in vzdržljivost plasti PCD. Konvencionalna orodja PCD pogosto uporabljajo prehodne kovine, kot sta kobalt in nikelj, kot katalizatorje in veziva. Te kovine katalizirajo pretvorbo diamanta v grafit pri visokih temperaturah, kar omejuje delovno temperaturo in življenjsko dobo orodja. Pri visoki-temperaturi, visoki-hitrosti ali močnem toplotnem šoku je treba dati prednost nizko-katalitski-aktivnosti ali ne-kovinskim veznim fazam (kot so silicidi, boridi in karbidi). Ti materiali lahko učinkovito zavirajo grafitizacijo in dvignejo temperaturo termične razgradnje nad 700 stopinj, hkrati pa ohranijo zadostno trdnost vezi z mejami zrn, kar orodju omogoča, da ohrani učinkovitost rezanja tudi v ekstremnih okoljih.
Pri izbiri materiala za spodnjo matrico iz karbidne trdine je prednostna naloga žilavost in zanesljivost vpenjanja. Običajno uporabljene volfram-kobaltove zlitine (kot je WC-Co) ponujajo odlično odpornost na udarce, žilavost in obdelovalnost, zagotavljajo robustno mehansko podporo za plast PCD, absorbirajo in razpršijo udarne obremenitve, ki nastanejo med rezanjem, in preprečujejo zlom diamantne plasti zaradi čezmerne krhkosti. Vsebnost kobalta v matrici je mogoče prilagoditi, da se doseže ravnovesje med trdoto in žilavostjo: visoka vsebnost kobalta poveča žilavost, vendar rahlo zmanjša trdoto, kar je primerno za aplikacije z velikim-udarcem; nizka vsebnost kobalta povzroči večjo trdoto, primerno za odpornost proti obrabi pri stabilnih obremenitvah. Poleg tega enakomernost gostote in gostota sintranja matrice vplivata tudi na celotno trdnost in ju je treba zagotoviti s strogim nadzorom proizvodnega procesa.
Izbira materiala zahteva ciljno optimizacijo za različne scenarije uporabe. Na primer, pri vrtanju nafte in plina, ki se sooča z zelo abrazivnimi formacijami peščenjaka in apnenca, je boljša fino{1}}zrnata diamantna plast z nizko-katalitsko vezavno fazo (PCD), skupaj z matriko iz cementnega karbida s srednjo vsebnostjo kobalta, da uravnovesita odpornost proti obrabi in odpornost na udarce. Pri geoloških raziskavah jedrovanja, ko naletimo na gramoz ali vmesne plasti, je mogoče ustrezno povečati velikost diamantnega zrna in izboljšati žilavost matrice, da se zmanjša tveganje zloma zoba. Pri aplikacijah natančne strojne obdelave, kot so visoko-silicijeve aluminijeve zlitine, je treba poleg odpornosti proti obrabi upoštevati nizek koeficient trenja in kemično inertnost materiala, da se zmanjša oprijem orodja in poškodbe površine.
Če povzamemo, je izbira materiala za orodja PDC sistematična naloga, ki združuje kakovost diamantnega prahu, značilnosti vezne faze in zmogljivost matrice iz cementnega karbida. Samo z znanstvenim usklajevanjem materiala in strukturnih parametrov vsake plasti glede na trdoto, abrazivnost, odpornost na udarce in temperaturne pogoje specifičnih delovnih pogojev je mogoče zagotoviti, da ima orodje odlično stabilnost in vzdržljivost, hkrati pa dosega učinkovito rezanje in lomljenje kamnin, s čimer zagotavlja zanesljivo tehnično podporo za kompleksna delovna okolja.
