PDC (polikristāliskā dimanta kompozīta) instrumentu plašā pielietošana naftas urbšanā, ģeoloģiskajā izpētē un apstrādē ar augstu -nodilumizturību- izriet no apvienotajām priekšrocībām, proti, augstu cietību, augstu nodilumizturību un labu triecienizturību, ko nodrošina to unikālā kompozītmateriāla struktūra. Tomēr šīs priekšrocības apzināšanās pirmām kārtām ir atkarīga no materiālu zinātniskās atlases. Materiāla sastāvs, savienošanas fāzes raksturlielumi un instrumenta virsmas slāņa un matricas mikrostruktūra tieši nosaka tā veiktspēju un kalpošanas laiku dažādos darba apstākļos. Tāpēc precīza materiālu saskaņošana, pamatojoties uz pielietojuma prasībām, ir priekšnoteikums, lai atraisītu PDC rīku potenciālu.
PDC instrumenta pamatstruktūra sastāv no virsmas polikristāliskā dimanta (PCD) slāņa un apakšējās cementēta karbīda matricas. Šo divu slāņu materiāla īpašības un sinerģiskā iedarbība nosaka kopējo veiktspēju. Virsmas PCD slānis veic galvenos griešanas un iežu -laušanas uzdevumus, un tā materiālu izvēles pamatā ir dimanta pulvera kvalitāte un daļiņu izmēra sadalījums. Augstas-tīrības vienkristāla-kristāla dimanta pulveris nodrošina spēcīgas kovalentās saites tīkla veidošanos starp graudiem, tādējādi panākot cietību un nodilumizturību, kas ir tuvu dabiskajam dimantam. Graudu izmēra sadalījumam jāsabalansē makroskopiskā izturība un mikroskopiskā griešanas asums; smalkgraudainiem dimanta slāņiem ir labāka nodilumizturība un tie ir piemēroti ļoti abrazīvu veidojumu vai materiālu apstrādei, savukārt rupjiem-graudainiem dimanta slāņiem ir priekšrocības triecienizturībā, un tie ir piemēroti apstākļiem, kuros ir cietas daļiņas vai periodiski triecieni.
Saistīšanas fāzes materiāls ir galvenais faktors, kas ietekmē PCD slāņa termisko stabilitāti un izturību. Parastie PCD instrumenti kā katalizatori un saistvielas bieži izmanto pārejas metālus, piemēram, kobaltu un niķeli. Šie metāli katalizē dimanta pārvēršanu grafītā augstā temperatūrā, ierobežojot instrumenta darba temperatūru un kalpošanas laiku. Augstas-temperatūras, liela-ātruma vai spēcīga termiskā trieciena apstākļos priekšroka jādod zemas-katalītiskās-aktivitātes vai nemetāliskā savienojuma fāzēm (piemēram, silicīdiem, borīdiem un karbīdiem). Šie materiāli var efektīvi kavēt grafitizāciju, paaugstinot termiskās sadalīšanās temperatūru līdz virs 700 grādiem, vienlaikus saglabājot pietiekamu graudu robežas savienojuma stiprību, ļaujot instrumentam saglabāt griešanas veiktspēju pat ekstremālos apstākļos.
Pamatā esošās cementētā karbīda matricas materiāla izvēle dod priekšroku stingrībai un iespīlēšanas uzticamībai. Parasti izmantotie volframa-kobalta sakausējumi (piemēram, WC-Co) nodrošina izcilu triecienizturību, stingrību un apstrādājamību, nodrošinot stabilu mehānisku atbalstu PCD slānim, absorbējot un izkliedējot trieciena slodzi, kas rodas griešanas laikā, un novēršot dimanta slāņa lūzumu pārmērīga trausluma dēļ. Kobalta saturu matricā var regulēt, lai panāktu līdzsvaru starp cietību un stingrību: augsts kobalta saturs palielina stingrību, bet nedaudz samazina cietību, kas ir piemērots izmantošanai ar lielu -triecienu; zems kobalta saturs nodrošina augstāku cietību, kas ir piemērots nodilumizturībai pie stabilām slodzēm. Turklāt matricas blīvuma viendabīgums un saķepināšanas blīvums ietekmē arī kopējo izturību, un tas ir jānodrošina ar stingru ražošanas procesa kontroli.
Materiāla izvēlei nepieciešama mērķtiecīga optimizācija dažādiem lietojuma scenārijiem. Piemēram, naftas un gāzes urbumos ar ļoti abrazīviem smilšakmens un kaļķakmens veidojumiem priekšroka tiek dota smalkgraudainam dimanta slānim ar zemu-katalītisko saistīšanas fāzi (PCD), kas savienots pārī ar cementēta karbīda matricu ar vidēju kobalta saturu, lai līdzsvarotu nodilumizturību un triecienizturību. Ģeoloģiskās izpētes serdes operācijās, saskaroties ar grants vai starpslāņu triecieniem, var atbilstoši palielināt dimanta graudu izmēru un uzlabot matricas stingrību, lai samazinātu zobu lūzuma risku. Precīzās apstrādes lietojumos, piemēram, augsta -silīcija alumīnija sakausējumos, papildus nodilumizturībai jāņem vērā arī materiāla zemais berzes koeficients un ķīmiskā inerce, lai samazinātu instrumenta saķeri un virsmas bojājumus.
Rezumējot, materiālu izvēle PDC instrumentiem ir sistemātisks uzdevums, kas apvieno dimanta pulvera kvalitāti, saistīšanas fāzes raksturlielumus un cementētā karbīda matricas veiktspēju. Tikai zinātniski saskaņojot katra slāņa materiālu un strukturālos parametrus atbilstoši konkrēto darba apstākļu cietībai, abrazivitātei, triecienizturībai un temperatūras apstākļiem, instrumentam var nodrošināt izcilu stabilitāti un izturību, vienlaikus panākot efektīvu griešanu un iežu laušanu, tādējādi nodrošinot uzticamu tehnisko atbalstu sarežģītās darba vidēs.
