Nástroje PDC (kompozitní nástroje z polykrystalického diamantu) mají významné výhody při vrtání ropy, geologickém průzkumu a obrábění s vysokou -opotřebitelností{1}} díky svému jedinečnému konstrukčnímu principu- dosahují synergického efektu supertvrdosti a dobré houževnatosti prostřednictvím kompozitní struktury povrchové matrice z polykrystalického diamantu (PCD) a umožňují tak účinné řezání vrstvy z polykrystalického diamantu (PCD) a pod nimi ležící slinutý karbid{4}. a náročné pracovní podmínky. Tento návrh není jednoduchým vrstvením materiálu, ale přístupem systémového inženýrství založeným na doplňkových materiálových vlastnostech a funkčním rozdělení. Jeho základní koncepce spočívá v organickém spojení extrémní tvrdosti diamantu s rázovou houževnatostí slinutého karbidu, čímž překonává výkonnostní omezení jediného materiálu v extrémních podmínkách.
Základní struktura PDC nástroje se skládá ze dvou vrstev materiálů s různými funkcemi: povrchová vrstva polykrystalického diamantu a spodní matrice ze slinutého karbidu. Povrchová vrstva PCD je funkční oblastí nástroje pro řezání a rozbíjení hornin-a její konstrukční princip je založen na krystalických vlastnostech diamantu. Diamant, složený z husté trojrozměrné sítě atomů uhlíku spojených silnými kovalentními vazbami, se může pochlubit tvrdostí blížící se přírodnímu diamantu a odolností proti opotřebení daleko převyšující konvenční slinuté karbidové a keramické materiály. Diamantový prášek o velikosti mikronů - nebo submikronové velikosti- ztuhne pomocí vysokoteplotního, vysokotlakého- sintrování (HPHT) do souvislé polykrystalické struktury. Tento proces zachovává vysokou tvrdost monokrystalického diamantu{10}}a zároveň snižuje křehkost prostřednictvím sítě hranic zrn, což má za následek vynikající odolnost proti opotřebení a odolnost proti poškrábání při rovinném řezání a stříhání hornin.
Princip konstrukce základní matrice ze slinutého karbidu se zaměřuje na mechanickou podporu a absorpci nárazové energie. Běžně používané wolframové-slitiny kobaltu (jako WC-Co) mají vysokou pevnost v tlaku a rázovou houževnatost, účinně rozptylují a přenášejí mechanické zatížení vznikající při řezání, tlumí okamžitý dopad horniny nebo obrobku na diamantovou vrstvu a zabraňují praskání nebo odlupování povrchu v důsledku nadměrné křehkosti. Kobalt (Co) působí jako pojivová fáze v matrici a jeho obsah přímo ovlivňuje rovnováhu mezi houževnatostí a tvrdostí: vysoký obsah kobaltu zvyšuje houževnatost, aby se vyrovnal s podmínkami silného nárazu, zatímco nízký obsah kobaltu zvyšuje tvrdost, aby byly splněny požadavky na odolnost proti opotřebení při stabilním zatížení. Tato „tuhá-flexibilní“ dvouvrstvá-struktura umožňuje nástrojům PDC provádět efektivní odstraňování materiálu při nepřetržitém řezání při zachování strukturální integrity v prostředí s občasnými nárazy.
Pro spojení dvou vrstev a dosažení synergického výkonu je rozhodující návrh spojovací fáze. Během procesu přípravy vrstvy PCD je třeba zavést vhodné množství vazebné fáze, aby se podpořila metalurgická vazba mezi diamantovými částicemi. Konvenční vazebné fáze jsou často přechodné kovy, jako je kobalt a nikl, ale mají určitý efekt katalytické grafitizace, který omezuje výkon nástroje při vysokých-teplotách. Proto pro podmínky vysoké-teploty, vysoké-rychlosti nebo silného tepelného šoku má moderní konstrukce nástrojů PDC tendenci používat nízko-katalytickou-aktivitu nebo ne-kovové spojovací fáze (jako jsou silicidy, boridy a karbidy). Tyto vazebné fáze zajišťují pevnost vazby mezi zrny a potlačují transformaci diamantové-na{11}}grafitovou fázi, čímž výrazně zlepšují tepelnou stabilitu a odolnost proti oxidaci, což umožňuje nástroji udržovat stabilitu diamantové fáze nad 700 stupni.
Geometrie nástroje se navíc řídí mechanismy řezání a rozbíjení{0}}kamen. Výběr tvaru korunky (např. plochý vrchol, zaoblený vrchol, kónický vrchol), úhel čela a úhel hřbetu řezných zubů je třeba optimalizovat na základě mechanických vlastností cílového materiálu a způsobu odstraňování. Například zaoblený horní profil zubu může poskytnout kontinuálnější trajektorii střihu a snížit rázové zatížení; Přiměřená konstrukce úhlu čela může vyvážit řeznou sílu a účinnost odstraňování třísek, čímž se zabrání zablokování třískou nebo struskou. Tvar a rozmístění drážek pro odvod třísek ovlivňuje plynulost odstraňování třísek a zabraňuje sekundárnímu broušení a opotřebení diamantové vrstvy.
Stručně řečeno, konstrukční princip nástrojů PDC ztělesňuje systematický přístup „funkčního vrstvení-komplementarity materiálu-strukturální optimalizace“: povrchová diamantová vrstva je zodpovědná za ultra-tvrdé a otěruvzdorné-obrábění, podkladový slinutý karbid poskytuje podporu houževnatosti a tlumení nárazů, optimalizace fází dosahuje tepelné stability a silného spojení řezu, Tento multi-dimenzionální kolaborativní design umožňuje nástrojům PDC kombinovat vysokou účinnost, odolnost a spolehlivost v extrémních pracovních podmínkách, čímž se stává základním řešením pro překonání výkonnostních překážek tradičních nástrojů a položením teoretického základu pro jejich použití v širší řadě oblastí.
