Rasprostranjena primjena PDC (polikristalnog dijamantnog kompozita) alata u bušenju nafte, geološkim istraživanjima i visoko{0}}otpornosti-na habanje proizlazi iz kombiniranih prednosti visoke tvrdoće, visoke otpornosti na habanje i dobre otpornosti na udarce koje donosi njihova jedinstvena struktura kompozita. Međutim, ostvarenje ove prednosti prvenstveno ovisi o znanstvenom odabiru materijala. Sastav materijala, karakteristike faze vezivanja i mikrostruktura površinskog sloja i matrice alata izravno određuju njegovu izvedbu i vijek trajanja u različitim radnim uvjetima. Stoga je precizno usklađivanje materijala temeljeno na zahtjevima primjene preduvjet za oslobađanje potencijala PDC alata.
Osnovna struktura PDC alata sastoji se od površinskog sloja polikristalnog dijamanta (PCD) i donje matrice od cementnog karbida. Svojstva materijala i sinergijski učinci ova dva sloja određuju ukupnu izvedbu. Površinski PCD sloj preuzima glavne zadatke rezanja i -lomljenja stijena, a srž njegovog odabira materijala leži u kvaliteti i raspodjeli veličine čestica dijamantnog praha. Jedno-kristalni dijamantni prah visoke čistoće osigurava stvaranje jake mreže kovalentne veze između zrnaca, čime se postiže tvrdoća i otpornost na habanje bliska prirodnom dijamantu. Raspodjela veličine zrna mora uravnotežiti makroskopsku snagu i mikroskopsku oštrinu rezanja; fino{7}}zrnati dijamantni slojevi nude bolju otpornost na habanje i prikladni su za strojnu obradu visoko abrazivnih formacija ili materijala, dok krupno-zrnati dijamantni slojevi imaju prednosti u otpornosti na udarce i prikladni su za uvjete koji sadrže tvrde čestice ili povremene udarce.
Materijal faze spajanja ključni je faktor koji utječe na toplinsku stabilnost i trajnost PCD sloja. Konvencionalni PCD alati često koriste prijelazne metale kao što su kobalt i nikal kao katalizatore i veziva. Ovi metali kataliziraju pretvorbu dijamanta u grafit na visokim temperaturama, ograničavajući radnu temperaturu i vijek trajanja alata. Za visoke-temperature, velike-brzine ili jake uvjete toplinskog šoka, treba dati prednost niskoj-katalitičkoj-aktivnosti ili ne-metalnim veznim fazama (kao što su silicidi, boridi i karbidi). Ovi materijali mogu učinkovito spriječiti grafitizaciju, podižući temperaturu toplinske razgradnje na iznad 700 stupnjeva uz održavanje dovoljne čvrstoće prianjanja granica zrna, omogućujući alatu da zadrži performanse rezanja čak i u ekstremnim okruženjima.
Izbor materijala za temeljnu matricu od cementnog karbida daje prednost žilavosti i pouzdanosti stezanja. Uobičajeno korištene legure volframa-kobalta (kao što je WC-Co) nude izvrsnu otpornost na udarce, žilavost i obradivost, pružajući robusnu mehaničku potporu PCD sloju, apsorbirajući i raspršujući udarna opterećenja nastala tijekom rezanja i sprječavajući lomljenje dijamantnog sloja zbog pretjerane lomljivosti. Sadržaj kobalta u matrici može se prilagoditi kako bi se uspostavila ravnoteža između tvrdoće i žilavosti: visok sadržaj kobalta povećava žilavost, ali malo smanjuje tvrdoću, što je prikladno za-udarne primjene; nizak sadržaj kobalta rezultira većom tvrdoćom, pogodnom za otpornost na habanje pod stabilnim opterećenjima. Nadalje, ujednačenost gustoće i gustoća sinteriranja matrice također utječu na ukupnu čvrstoću i moraju se osigurati kroz strogu kontrolu procesa proizvodnje.
Odabir materijala zahtijeva ciljanu optimizaciju za različite scenarije primjene. Na primjer, kod bušenja nafte i plina nasuprot visoko abrazivnim formacijama pješčenjaka i vapnenca, fino{1}}zrnati dijamantni sloj s niskom-fazom vezivanja katalizatora (PCD) je poželjan, uparen s matricom cementnog karbida srednjeg sadržaja kobalta, kako bi se uravnotežila otpornost na trošenje i otpornost na udarce. U operacijama vađenja jezgre za geološka istraživanja, kada se naiđe na udare šljunka ili međusloja, veličina dijamantnog zrna može se na odgovarajući način povećati, a žilavost matrice poboljšati kako bi se smanjio rizik od loma zuba. U primjenama precizne strojne obrade kao što su aluminijske legure s visokim-silicijem, osim otpornosti na habanje, moraju se uzeti u obzir niski koeficijent trenja i kemijska inertnost materijala kako bi se smanjilo prianjanje alata i oštećenje površine.
Ukratko, izbor materijala za PDC alate sustavan je zadatak koji integrira kvalitetu dijamantnog praha, karakteristike vezivne faze i performanse matrice od cementnog karbida. Samo znanstvenim usklađivanjem materijala i strukturnih parametara svakog sloja prema tvrdoći, abrazivnosti, otpornosti na udarce i temperaturnim uvjetima specifičnih radnih uvjeta može se osigurati izvrsna stabilnost i izdržljivost alata uz postizanje učinkovitog rezanja i razbijanja stijena, čime se osigurava pouzdana tehnička podrška za složena radna okruženja.
