Den utbredte bruken av PDC (Polycrystalline Diamond Composite)-verktøy i oljeboring, geologisk leting og høy-slitasje-bearbeiding stammer fra de kombinerte fordelene med høy hardhet, høy slitestyrke og god slagmotstand forårsaket av deres unike komposittstruktur. Å realisere denne fordelen avhenger imidlertid først og fremst av det vitenskapelige utvalget av materialer. Materialsammensetningen, bindingsfasens egenskaper og mikrostrukturen til verktøyets overflatelag og matrise bestemmer direkte ytelsen og levetiden under forskjellige arbeidsforhold. Derfor er presis materialtilpasning basert på applikasjonskrav en forutsetning for å frigjøre potensialet til PDC-verktøy.
Den grunnleggende strukturen til et PDC-verktøy består av et overflatelag av polykrystallinsk diamant (PCD) og en bunnsementert karbidmatrise. Materialegenskapene og synergistiske effektene til disse to lagene bestemmer den totale ytelsen. Overflate-PCD-laget påtar seg de viktigste skjærings- og-klippeoppgavene, og kjernen i materialvalget ligger i kvaliteten og partikkelstørrelsesfordelingen til diamantpulveret. Høy-renhet enkelt-diamantpulver sikrer dannelsen av et sterkt kovalent bindingsnettverk mellom korn, og oppnår dermed hardhet og slitestyrke nær den for naturlig diamant. Kornstørrelsesfordelingen må balansere makroskopisk styrke og mikroskopisk skjæreskarphet; finkornede diamantlag gir bedre slitestyrke og er egnet for bearbeiding av svært slitende formasjoner eller materialer, mens grovkornede diamantlag har fordeler i slagfasthet og er egnet for forhold som inneholder harde partikler eller periodiske støt.
Materialet i bindingsfasen er en nøkkelfaktor som påvirker den termiske stabiliteten og holdbarheten til PCD-laget. Konvensjonelle PCD-verktøy bruker ofte overgangsmetaller som kobolt og nikkel som katalysatorer og bindemidler. Disse metallene katalyserer omdannelsen av diamant til grafitt ved høye temperaturer, og begrenser verktøyets driftstemperatur og levetid. For høy-temperatur, høy-hastighet eller sterke termiske sjokkforhold bør lav-katalytisk-aktivitet eller ikke-metalliske bindingsfaser (som silicider, borider og karbider) prioriteres. Disse materialene kan effektivt hemme grafitisering, og heve den termiske nedbrytningstemperaturen til over 700 grader samtidig som de opprettholder tilstrekkelig korngrensebindingsstyrke, slik at verktøyet opprettholder skjæreytelsen selv i ekstreme miljøer.
Valget av materiale for den underliggende hardmetallmatrisen prioriterer seighet og innspenningspålitelighet. Vanlig brukte wolfram-koboltlegeringer (som WC-Co) tilbyr utmerket slagfasthet, seighet og bearbeidbarhet, og gir robust mekanisk støtte for PCD-laget, absorberer og sprer slagbelastninger som genereres under skjæring, og forhindrer at diamantlaget sprekker på grunn av overdreven sprøhet. Koboltinnholdet i matrisen kan justeres for å finne en balanse mellom hardhet og seighet: høyt koboltinnhold øker seigheten, men reduserer hardheten noe, egnet for bruk med høy-påvirkning; lavt koboltinnhold gir høyere hardhet, egnet for slitestyrke under stabil belastning. Videre påvirker tetthetsensartetheten og sintringsdensiteten til matrisen også den totale styrken og må sikres gjennom streng produksjonsprosesskontroll.
Materialvalg krever målrettet optimalisering for ulike applikasjonsscenarier. For eksempel, i olje- og gassboring mot svært abrasive sandstein- og kalksteinsformasjoner, er et fint-diamantlag med en lav-katalytisk bindingsfase (PCD) å foretrekke, sammen med en sementert karbidmatrise med middels koboltinnhold, for å balansere slitestyrke og slagfasthet. Ved kjerneboringsoperasjoner for geologisk leting, når man møter grus- eller mellomlagsstøt, kan diamantkornstørrelsen økes passende og matrisens seighet forbedres for å redusere risikoen for tannbrudd. I presisjonsbearbeidingsapplikasjoner som høy-silisiumaluminiumslegeringer, i tillegg til slitestyrke, må materialets lave friksjonskoeffisient og kjemiske inerthet vurderes for å redusere verktøyets adhesjon og overflateskader.
Oppsummert er materialvalg for PDC-verktøy en systematisk oppgave som integrerer diamantpulverkvalitet, bindingsfaseegenskaper og sementert karbidmatriseytelse. Bare ved å vitenskapelig matche materialet og strukturelle parametere for hvert lag i henhold til hardheten, slitestyrken, slagfastheten og temperaturforholdene til de spesifikke arbeidsforholdene kan verktøyet sikres å ha utmerket stabilitet og holdbarhet samtidig som det oppnås effektiv skjæring og steinbryting, og dermed gi pålitelig teknisk støtte for komplekse arbeidsmiljøer.
