Orodja PDC (kompozitna orodja iz polikristalnega diamanta) imajo znatne prednosti pri vrtanju nafte, geološkem raziskovanju in obdelavi z visoko-obrabo-odpornostjo zaradi edinstvenega načela zasnove-ki dosegajo sinergistični učinek supertrdote in dobre žilavosti s kompozitno strukturo plasti površinskega polikristalnega diamanta (PCD) in osnovnega cementnega karbida matrix. To jim omogoča ohranjanje učinkovitega rezanja in zmožnosti-lomljenja kamnin v zapletenih in zahtevnih delovnih pogojih. Ta zasnova ni preprosto zlaganje materialov, temveč pristop sistemskega inženiringa, ki temelji na komplementarnih lastnostih materialov in funkcionalni delitvi. Njegov osrednji koncept je v organskem združevanju izjemne trdote diamanta z udarno žilavostjo cementnega karbida, s čimer presega omejitve zmogljivosti enega samega materiala v ekstremnih pogojih.
Osnovno strukturo orodja PDC sestavljata dve plasti materialov z različnimi funkcijami: površinska polikristalna diamantna plast in spodnja matrica iz cementnega karbida. Površinska plast PCD je funkcionalno področje orodja za rezanje in lomljenje kamnin, njeno načelo oblikovanja pa temelji na kristalnih lastnostih diamanta. Diamant, sestavljen iz goste tri-dimenzionalne mreže atomov ogljika, povezanih z močnimi kovalentnimi vezmi, se ponaša s trdoto, ki se približuje trdoti naravnega diamanta, in odpornostjo proti obrabi, ki daleč presega trdoto običajnega cementnega karbida in keramičnih materialov. S sintranjem pri visoki-temperaturi in visokem{6}}tlaku (HPHT) se diamantni prah velikosti mikronov- ali submikronov- strdi v neprekinjeno polikristalno strukturo. Ta postopek ohranja visoko trdoto eno-kristalnega diamanta, hkrati pa zmanjšuje krhkost skozi mrežo mej zrn, kar ima za posledico odlično odpornost proti obrabi in odpornost na praske pri ravninskem rezanju in striženju kamnin.
Načelo oblikovanja osnovne matrice iz cementnega karbida se osredotoča na mehansko podporo in absorpcijo energije udarca. Običajno uporabljene volfram-kobaltove zlitine (kot je WC-Co) imajo visoko tlačno trdnost in udarno žilavost, učinkovito razpršujejo in prenašajo mehanske obremenitve, ki nastanejo med rezanjem, blažijo trenutni udar kamenine ali obdelovanca na diamantno plast in preprečujejo površinske razpoke ali luščenje zaradi čezmerne krhkosti. Kobalt (Co) deluje kot vezivna faza v matrici in njegova vsebnost neposredno vpliva na ravnotežje med žilavostjo in trdoto: visoka vsebnost kobalta poveča žilavost za obvladovanje močnih udarnih pogojev, medtem ko nizka vsebnost kobalta poveča trdoto za izpolnjevanje zahtev glede odpornosti proti obrabi pri stabilnih obremenitvah. Ta "toga-fleksibilna" dvo-slojna struktura omogoča orodjem PDC učinkovito odstranjevanje materiala pri neprekinjenem rezanju, hkrati pa ohranja strukturno celovitost v občasnih udarnih okoljih.
Zasnova faze lepljenja je ključnega pomena za povezavo obeh plasti in doseganje sinergijske učinkovitosti. Med postopkom priprave plasti PCD je treba uvesti ustrezno količino vezne faze, da se spodbudi metalurška vez med delci diamanta. Običajne vezne faze so pogosto prehodne kovine, kot sta kobalt in nikelj, vendar imajo določen katalitični grafitizacijski učinek, ki omejuje visoko-temperaturno delovanje orodja. Zato pri visoki-temperaturi, visoki-hitrosti ali močnem toplotnem udaru sodobna zasnova orodij PDC ponavadi uporablja nizko-katalitsko-aktivnost ali ne-kovinske vezne faze (kot so silicidi, boridi in karbidi). Te vezne faze zagotavljajo vezno trdnost med zrni in zavirajo transformacijo diamantne-v-grafitne faze, s čimer znatno izboljšajo toplotno stabilnost in odpornost proti oksidaciji, kar orodju omogoča ohranjanje stabilnosti diamantne faze nad 700 stopinjami.
Poleg tega geometrija orodja prav tako sledi mehanizmom za rezanje in lomljenje skal{0}}. Izbira oblike krone (npr. raven vrh, zaobljen vrh, stožčast vrh), nagnjenega kota in svetlega kota rezalnih zob je treba optimizirati na podlagi mehanskih lastnosti ciljnega materiala in metode odstranjevanja. Na primer, zaobljeni zgornji profil zoba lahko zagotovi bolj neprekinjeno strižno pot in zmanjša udarno obremenitev; razumna zasnova z nagibnim kotom lahko uravnoteži rezalno silo in učinkovitost odstranjevanja ostružkov ter prepreči zamašitev ostružkov ali žlindre. Oblika in porazdelitev utorov za odvajanje odrezkov vplivata na gladkost odstranjevanja odrezkov in preprečujeta sekundarno brušenje in obrabo diamantne plasti.
Če povzamemo, načelo zasnove orodij PDC uteleša sistematičen pristop "funkcionalnega razslojevanja-komplementarnosti materiala-strukturne optimizacije": površinska diamantna plast je odgovorna za ultra-trdo in obrabno-odporno rezanje, spodnji cementni karbid zagotavlja podporo žilavosti in blaženje udarcev, fazna optimizacija dosega toplotno stabilnost in močno vez ter geometrijska struktura se ujema z rezalnim mehanizmom. Ta več-dimenzionalna sodelovalna zasnova omogoča, da orodja PDC združujejo visoko učinkovitost, vzdržljivost in zanesljivost v ekstremnih delovnih pogojih, s čimer postanejo osrednja rešitev za preboj ozkih grl v delovanju tradicionalnih orodij in postavitev teoretičnih temeljev za njihovo uporabo na širšem razponu področij.
