เครื่องมือ PDC (เครื่องมือคอมโพสิตเพชรโพลีคริสตัลไลน์) มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการขุดเจาะน้ำมัน การสำรวจทางธรณีวิทยา และการตัดเฉือน-การสึกหรอ-สูง เนื่องจากหลักการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์- ซึ่งให้ผลการทำงานร่วมกันของความแข็งยิ่งยวดและความเหนียวที่ดีผ่านโครงสร้างคอมโพสิตของชั้นเพชรโพลีคริสตัลไลน์ (PCD) และเมทริกซ์คาร์ไบด์ซีเมนต์ที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถรักษาความสามารถในการตัดและสกัดหินที่มีประสิทธิภาพ-ภายใต้การทำงานที่ซับซ้อนและมีความต้องการสูง เงื่อนไข การออกแบบนี้ไม่ใช่การวางซ้อนวัสดุอย่างง่าย แต่เป็นแนวทางทางวิศวกรรมระบบโดยพิจารณาจากคุณสมบัติของวัสดุเสริมและการแบ่งหน้าที่ แนวคิดหลักอยู่ที่การผสมผสานความแข็งขั้นสุดของเพชรเข้ากับความทนทานต่อแรงกระแทกของซีเมนต์คาร์ไบด์แบบอินทรีย์ เอาชนะข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของวัสดุชนิดเดียวภายใต้สภาวะที่รุนแรง
โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องมือ PDC ประกอบด้วยวัสดุ 2 ชั้นที่มีฟังก์ชันต่างกัน ได้แก่ ชั้นเพชรโพลีคริสตัลไลน์ที่พื้นผิว และเมทริกซ์ซีเมนต์คาร์ไบด์ด้านล่าง ชั้น PCD บนพื้นผิวคือพื้นที่ฟังก์ชันการตัดและทำลาย-ของเครื่องมือ และหลักการออกแบบจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติผลึกของเพชร เพชรที่ประกอบด้วยโครงข่ายสามมิติ-หนาแน่นของอะตอมของคาร์บอนที่ถูกพันธะด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง มีความแข็งใกล้เคียงกับเพชรธรรมชาติและความต้านทานการสึกหรอสูงกว่าซีเมนต์คาร์ไบด์และวัสดุเซรามิกทั่วไปมาก ด้วยการเผาผนึกด้วยอุณหภูมิสูง-อุณหภูมิสูง-ความดัน (HPHT) ผงเพชรขนาดไมครอน- หรือต่ำกว่าไมครอน- จะถูกแข็งตัวเป็นโครงสร้างโพลีคริสตัลไลน์แบบต่อเนื่อง กระบวนการนี้ยังคงรักษาความแข็งสูงของเพชรคริสตัลเดี่ยว-ไว้ในขณะเดียวกันก็บรรเทาความเปราะบางผ่านโครงข่ายขอบเขตเกรน ส่งผลให้มีความทนทานต่อการสึกหรอและความต้านทานการขีดข่วนที่ดีเยี่ยมในการตัดแนวระนาบและการตัดหิน
หลักการออกแบบของเมทริกซ์ซีเมนต์คาร์ไบด์ที่เน้นไปที่การสนับสนุนทางกลและการดูดซับพลังงานกระแทก โลหะผสมโคบอลต์ทังสเตน-ที่ใช้กันทั่วไป (เช่น WC-Co) มีกำลังรับแรงอัดสูงและทนทานต่อแรงกระแทก กระจายและถ่ายเทภาระทางกลที่เกิดขึ้นระหว่างการตัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ กักเก็บแรงกระแทกทันทีของหินหรือชิ้นงานบนชั้นเพชร และป้องกันการแตกร้าวหรือการหลุดลอกของพื้นผิวเนื่องจากความเปราะบางมากเกินไป โคบอลต์ (Co) ทำหน้าที่เป็นเฟสสารยึดเกาะในเมทริกซ์ และปริมาณของสารในนั้นส่งผลโดยตรงต่อความสมดุลระหว่างความเหนียวและความแข็ง: ปริมาณโคบอลต์สูงช่วยเพิ่มความทนทานในการรับมือกับสภาวะแรงกระแทกที่รุนแรง ในขณะที่ปริมาณโคบอลต์ต่ำจะเพิ่มความแข็งเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านความต้านทานการสึกหรอภายใต้ภาระที่มั่นคง โครงสร้างเลเยอร์คู่ที่ "แข็ง-ยืดหยุ่น"- นี้ทำให้เครื่องมือ PDC สามารถทำการขจัดวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพในการตัดอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกันก็รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างในสภาพแวดล้อมที่มีการกระแทกเป็นระยะๆ
การออกแบบเฟสการติดเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเชื่อมต่อสองชั้นและบรรลุประสิทธิภาพการทำงานร่วมกัน ในระหว่างกระบวนการเตรียมชั้น PCD จำเป็นต้องมีเฟสการติดในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อส่งเสริมการยึดเกาะทางโลหะระหว่างอนุภาคเพชร ขั้นตอนการติดพันธะแบบทั่วไปมักเป็นโลหะทรานซิชัน เช่น โคบอลต์และนิกเกิล แต่ขั้นตอนเหล่านี้มีเอฟเฟกต์กราฟไลเซชันแบบเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะจำกัดประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูง-ของเครื่องมือ ดังนั้น สำหรับอุณหภูมิสูง -ความเร็วสูง - หรือสภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน การออกแบบเครื่องมือ PDC สมัยใหม่มีแนวโน้มที่จะใช้-ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา-ต่ำหรือเฟสพันธะที่ไม่ใช่-โลหะ (เช่น ซิลิไซด์ บอไรด์ และคาร์ไบด์) ขั้นตอนการติดเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจถึงความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างเกรนและยับยั้งการเปลี่ยนเฟสของเพชร-เป็น- กราไฟต์ ซึ่งช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนและความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันได้อย่างมาก ทำให้เครื่องมือสามารถรักษาเสถียรภาพของเฟสของเพชรที่สูงกว่า 700 องศาได้
นอกจากนี้ การออกแบบรูปทรงของเครื่องมือยังเป็นไปตามกลไกการตัดและการแตกหิน-อีกด้วย การเลือกรูปทรงเม็ดมะยม (เช่น ด้านบนเรียบ ด้านบนโค้ง ด้านบนทรงกรวย) มุมคาย และมุมหลบของฟันตัด จำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม โดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางกลของวัสดุชิ้นงานและวิธีการถอดออก ตัวอย่างเช่น โปรไฟล์ฟันด้านบนที่โค้งมนสามารถให้วิถีการตัดเฉือนที่ต่อเนื่องมากขึ้นและลดแรงกระแทก การออกแบบมุมคายที่เหมาะสมสามารถสร้างสมดุลระหว่างแรงตัดและประสิทธิภาพในการกำจัดเศษ ป้องกันการอุดตันของเศษหรือตะกรัน รูปร่างและการกระจายตัวของร่องคายเศษส่งผลต่อความเรียบของการกำจัดเศษ และหลีกเลี่ยงการเจียรและการสึกหรอขั้นที่สองบนชั้นเพชร
โดยสรุป หลักการออกแบบของเครื่องมือ PDC ผสมผสานแนวทางที่เป็นระบบของ "การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง-การเสริมวัสดุ- ให้เป็นชั้นเชิงฟังก์ชัน": ชั้นพื้นผิวเพชรมีหน้าที่รับผิดชอบในการตัดที่ทนทาน-แข็งเป็นพิเศษและการสึกหรอ- ซีเมนต์คาร์ไบด์ที่อยู่ด้านล่างให้การรองรับความเหนียวและการบัฟเฟอร์ผลกระทบ การปรับเฟสให้เหมาะสมที่สุดทำให้มีความเสถียรทางความร้อนและการยึดเกาะที่แข็งแรง และโครงสร้างทางเรขาคณิตที่ตรงกับกลไกการตัด การออกแบบการทำงานร่วมกันหลาย-มิตินี้ทำให้เครื่องมือ PDC สามารถผสมผสานประสิทธิภาพ ความทนทาน และความน่าเชื่อถือสูงภายใต้สภาพการทำงานที่หนักหน่วง กลายเป็นโซลูชันหลักในการขจัดปัญหาคอขวดด้านประสิทธิภาพของเครื่องมือแบบดั้งเดิม และวางรากฐานทางทฤษฎีสำหรับการใช้งานในสาขาต่างๆ ที่กว้างขึ้น
