Η ευρεία εφαρμογή των εργαλείων PDC (Polycrystalline Diamond Composite) στη γεώτρηση πετρελαίου, τη γεωλογική εξερεύνηση και τη μηχανική κατεργασία υψηλής{0}}φθοράς-πηγάζει από τα συνδυασμένα πλεονεκτήματα της υψηλής σκληρότητας, της υψηλής αντοχής στη φθορά και της καλής αντοχής στην κρούση που επιφέρει η μοναδική σύνθετη δομή τους. Ωστόσο, η συνειδητοποίηση αυτού του πλεονεκτήματος εξαρτάται πρώτα και κύρια από την επιστημονική επιλογή των υλικών. Η σύνθεση του υλικού, τα χαρακτηριστικά φάσης συγκόλλησης και η μικροδομή του επιφανειακού στρώματος και της μήτρας του εργαλείου καθορίζουν άμεσα την απόδοση και τη διάρκεια ζωής του εργαλείου υπό διαφορετικές συνθήκες εργασίας. Επομένως, η ακριβής αντιστοίχιση υλικών με βάση τις απαιτήσεις εφαρμογής είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την απελευθέρωση των δυνατοτήτων των εργαλείων PDC.
Η βασική δομή ενός εργαλείου PDC αποτελείται από ένα επιφανειακό στρώμα πολυκρυσταλλικού διαμαντιού (PCD) και μια μήτρα καρβιδίου με τσιμέντο στο κάτω μέρος. Οι ιδιότητες του υλικού και τα συνεργιστικά αποτελέσματα αυτών των δύο στρωμάτων καθορίζουν τη συνολική απόδοση. Το επιφανειακό στρώμα PCD αναλαμβάνει τις κύριες εργασίες κοπής-και θραύσης πετρωμάτων και ο πυρήνας της επιλογής υλικών του βρίσκεται στην ποιότητα και την κατανομή μεγέθους σωματιδίων της σκόνης διαμαντιού. Η σκόνη διαμαντιού μονοκρυστάλλου υψηλής-καθαρότητας- διασφαλίζει το σχηματισμό ενός ισχυρού δικτύου ομοιοπολικού δεσμού μεταξύ των κόκκων, επιτυγχάνοντας έτσι σκληρότητα και αντοχή στη φθορά κοντά σε αυτήν του φυσικού διαμαντιού. Η κατανομή μεγέθους κόκκου πρέπει να εξισορροπεί τη μακροσκοπική αντοχή και τη μικροσκοπική ευκρίνεια κοπής. Τα λεπτά-στρώματα διαμαντιών με κόκκους προσφέρουν καλύτερη αντοχή στη φθορά και είναι κατάλληλα για κατεργασία πολύ λειαντικών σχηματισμών ή υλικών, ενώ τα χονδρόκοκκα στρώματα διαμαντιού έχουν πλεονεκτήματα στην αντοχή στην κρούση και είναι κατάλληλα για συνθήκες που περιέχουν σκληρά σωματίδια ή διαλείπουσες κρούσεις.
Το υλικό της φάσης συγκόλλησης είναι ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει τη θερμική σταθερότητα και την ανθεκτικότητα του στρώματος PCD. Τα συμβατικά εργαλεία PCD χρησιμοποιούν συχνά μέταλλα μετάπτωσης όπως το κοβάλτιο και το νικέλιο ως καταλύτες και συνδετικά. Αυτά τα μέταλλα καταλύουν τη μετατροπή του διαμαντιού σε γραφίτη σε υψηλές θερμοκρασίες, περιορίζοντας τη θερμοκρασία λειτουργίας και τη διάρκεια ζωής του εργαλείου. Για συνθήκες υψηλής-θερμοκρασίας, υψηλής-ταχύτητας ή ισχυρού θερμικού σοκ, πρέπει να δοθεί προτεραιότητα σε φάσεις χαμηλής-καταλυτικής-δραστικότητας ή μη-μεταλλικής σύνδεσης (όπως πυριτίδια, βορίδια και καρβίδια). Αυτά τα υλικά μπορούν να αναστείλουν αποτελεσματικά τη γραφιτοποίηση, αυξάνοντας τη θερμοκρασία θερμικής αποσύνθεσης σε πάνω από 700 βαθμούς, διατηρώντας παράλληλα επαρκή αντοχή στα όρια των κόκκων, επιτρέποντας στο εργαλείο να διατηρεί την απόδοση κοπής ακόμη και σε ακραία περιβάλλοντα.
Η επιλογή του υλικού για την υποκείμενη μήτρα τσιμεντοειδούς καρβιδίου δίνει προτεραιότητα στη σκληρότητα και την αξιοπιστία σύσφιξης. Τα κοινώς χρησιμοποιούμενα κράματα βολφραμίου-κοβαλτίου (όπως το WC-Co) προσφέρουν εξαιρετική αντοχή στην κρούση, σκληρότητα και δυνατότητα επεξεργασίας, παρέχοντας στιβαρή μηχανική υποστήριξη για το στρώμα PCD, απορροφώντας και διαχέοντας τα κρουστικά φορτία που δημιουργούνται κατά την κοπή και αποτρέποντας τη θραύση του στρώματος διαμαντιού λόγω υπερβολικής ευθραυστότητας. Η περιεκτικότητα σε κοβάλτιο στη μήτρα μπορεί να ρυθμιστεί για να επιτευχθεί μια ισορροπία μεταξύ σκληρότητας και σκληρότητας: η υψηλή περιεκτικότητα σε κοβάλτιο αυξάνει την σκληρότητα αλλά μειώνει ελαφρώς τη σκληρότητα, κατάλληλη για εφαρμογές υψηλής-κρούσης. Η χαμηλή περιεκτικότητα σε κοβάλτιο έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη σκληρότητα, κατάλληλη για αντοχή στη φθορά κάτω από σταθερά φορτία. Επιπλέον, η ομοιομορφία πυκνότητας και η πυκνότητα πυροσυσσωμάτωσης της μήτρας επηρεάζουν επίσης τη συνολική αντοχή και πρέπει να διασφαλίζονται μέσω αυστηρού ελέγχου της διαδικασίας κατασκευής.
Η επιλογή υλικού απαιτεί στοχευμένη βελτιστοποίηση για διαφορετικά σενάρια εφαρμογών. Για παράδειγμα, σε γεωτρήσεις πετρελαίου και φυσικού αερίου που αντιμετωπίζουν εξαιρετικά λειαντικούς σχηματισμούς ψαμμίτη και ασβεστόλιθου, προτιμάται μια στρώση λεπτοκοκκώδους διαμαντιού με χαμηλή-φάση καταλυτικής δέσμευσης (PCD), σε συνδυασμό με μια μήτρα τσιμεντοειδούς καρβιδίου μέτριας περιεκτικότητας σε κοβάλτιο, για εξισορρόπηση της αντοχής στη φθορά και της αντοχής στην κρούση. Σε εργασίες πυρήνα γεωλογικής εξερεύνησης, όταν αντιμετωπίζετε κρούσεις χαλικιών ή ενδιάμεσων στρωμάτων, το μέγεθος των κόκκων του διαμαντιού μπορεί να αυξηθεί κατάλληλα και η σκληρότητα της μήτρας να βελτιωθεί για να μειωθεί ο κίνδυνος θραύσης των δοντιών. Σε εφαρμογές κατεργασίας ακριβείας όπως κράματα αλουμινίου υψηλής-πυριτίου, εκτός από την αντοχή στη φθορά, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ο χαμηλός συντελεστής τριβής και η χημική αδράνεια του υλικού για τη μείωση της πρόσφυσης του εργαλείου και της ζημιάς στην επιφάνεια.
Συνοπτικά, η επιλογή υλικού για εργαλεία PDC είναι μια συστηματική εργασία που ενσωματώνει την ποιότητα της σκόνης διαμαντιού, τα χαρακτηριστικά της φάσης σύνδεσης και την απόδοση της μήτρας τσιμεντοειδούς καρβιδίου. Μόνο με την επιστημονική αντιστοίχιση των υλικών και των δομικών παραμέτρων κάθε στρώσης σύμφωνα με τη σκληρότητα, τη λειαντικότητα, την αντοχή στην κρούση και τις συνθήκες θερμοκρασίας των συγκεκριμένων συνθηκών εργασίας, μπορεί να διασφαλιστεί ότι το εργαλείο διαθέτει εξαιρετική σταθερότητα και ανθεκτικότητα, επιτυγχάνοντας αποτελεσματική κοπή και θραύση βράχων, παρέχοντας έτσι αξιόπιστη τεχνική υποστήριξη για πολύπλοκα περιβάλλοντα εργασίας.
