PDC-Werkzeuge (Polykristalline Diamant-Verbundwerkzeuge) bieten aufgrund ihres einzigartigen Konstruktionsprinzips erhebliche Vorteile bei der Ölbohrung, der geologischen Erkundung und bei der Bearbeitung mit hoher -Verschleiß-Beständigkeit-Erzielen eines synergistischen Effekts von Superhärte und guter Zähigkeit durch eine Verbundstruktur aus einer Oberflächenschicht aus polykristallinem Diamant (PKD) und einer darunter liegenden Hartmetallmatrix. Dies ermöglicht es ihnen, unter komplexen und anspruchsvollen Arbeitsbedingungen effiziente Schneid- und Gesteinsbrechfähigkeiten aufrechtzuerhalten. Bei diesem Design handelt es sich nicht um eine einfache Materialstapelung, sondern um einen systemtechnischen Ansatz, der auf komplementären Materialeigenschaften und funktionaler Aufteilung basiert. Sein Kernkonzept besteht darin, die extreme Härte von Diamant mit der Schlagzähigkeit von Hartmetall zu kombinieren und so die Leistungsbeschränkungen eines einzelnen Materials unter extremen Bedingungen zu überwinden.
Die Grundstruktur eines PDC-Werkzeugs besteht aus zwei Materialschichten mit unterschiedlichen Funktionen: einer polykristallinen Diamantschicht auf der Oberfläche und einer unteren Hartmetallmatrix. Die PKD-Oberflächenschicht ist der Funktionsbereich des Werkzeugs zum Schneiden und Brechen von Gestein. Ihr Konstruktionsprinzip basiert auf den kristallinen Eigenschaften von Diamant. Diamant besteht aus einem dichten dreidimensionalen Netzwerk von Kohlenstoffatomen, die durch starke kovalente Bindungen verbunden sind, und weist eine Härte auf, die der von natürlichem Diamant nahe kommt, und eine Verschleißfestigkeit, die die von herkömmlichen Hartmetall- und Keramikmaterialien bei weitem übertrifft. Durch Sintern bei hoher Temperatur und hohem Druck (HPHT) wird Diamantpulver in Mikrometer- oder Submikrongröße zu einer kontinuierlichen polykristallinen Struktur verfestigt. Durch diesen Prozess bleibt die hohe Härte von einkristallinem Diamant erhalten und gleichzeitig wird die Sprödigkeit durch das Korngrenzennetzwerk gemildert, was zu einer hervorragenden Verschleißfestigkeit und Kratzfestigkeit beim Planschneiden und Gesteinsscheren führt.
Das Konstruktionsprinzip der zugrunde liegenden Hartmetallmatrix konzentriert sich auf mechanische Unterstützung und Absorption der Aufprallenergie. Häufig verwendete Wolfram-Kobaltlegierungen (wie WC-Co) verfügen über eine hohe Druckfestigkeit und Schlagzähigkeit, wodurch die beim Schneiden entstehenden mechanischen Belastungen effektiv verteilt und übertragen werden, der unmittelbare Aufprall von Gestein oder Werkstück auf die Diamantschicht abgefedert wird und Oberflächenrisse oder Abblättern aufgrund übermäßiger Sprödigkeit verhindert werden. Kobalt (Co) fungiert als Bindephase in der Matrix und sein Gehalt wirkt sich direkt auf das Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Härte aus: Ein hoher Kobaltgehalt erhöht die Zähigkeit, um starken Schlagbedingungen standzuhalten, während ein niedriger Kobaltgehalt die Härte erhöht, um die Anforderungen an die Verschleißfestigkeit unter stabilen Belastungen zu erfüllen. Diese „starre-flexible“ zweischichtige Struktur ermöglicht es PDC-Werkzeugen, beim kontinuierlichen Schneiden eine effiziente Materialentfernung durchzuführen und gleichzeitig die strukturelle Integrität in Umgebungen mit intermittierenden Stößen aufrechtzuerhalten.
Die Gestaltung der Verbindungsphase ist entscheidend für die Verbindung der beiden Schichten und die Erzielung einer synergistischen Leistung. Während des Vorbereitungsprozesses der PKD-Schicht muss eine angemessene Menge an Bindungsphase eingeführt werden, um die metallurgische Bindung zwischen Diamantpartikeln zu fördern. Herkömmliche Bindungsphasen sind oft Übergangsmetalle wie Kobalt und Nickel, sie haben jedoch einen gewissen katalytischen Graphitisierungseffekt, der die Hochtemperaturleistung des Werkzeugs einschränkt. Daher tendieren moderne PDC-Werkzeugkonstruktionen für Bedingungen mit hoher-Temperatur, hoher-Geschwindigkeit oder starkem Thermoschock dazu, niedrig-katalytische-Aktivität oder nicht-metallische Bindungsphasen (wie Silizide, Boride und Karbide) zu verwenden. Diese Bindungsphasen gewährleisten die Bindungsstärke zwischen den Körnern und unterdrücken die Phasenumwandlung von Diamant -zu -, wodurch die thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit erheblich verbessert werden, sodass das Werkzeug die Stabilität der Diamantphase über 700 Grad aufrechterhalten kann.
Darüber hinaus folgt das Geometriedesign des Werkzeugs auch den Schneid- und Steinbrechmechanismen. Die Auswahl der Kronenform (z. B. flache Oberseite, abgerundete Oberseite, konische Oberseite), des Spanwinkels und des Freiwinkels der Schneidzähne muss auf der Grundlage der mechanischen Eigenschaften des Zielmaterials und der Abtragsmethode optimiert werden. Beispielsweise kann ein abgerundetes oberes Zahnprofil für eine gleichmäßigere Scherbahn sorgen und die Stoßbelastung verringern. Eine vernünftige Gestaltung des Spanwinkels kann die Schnittkraft und die Effizienz der Spanabfuhr ausgleichen und so ein Verstopfen von Spänen oder Schlacke verhindern. Die Form und Verteilung der Spanabfuhrnuten beeinflussen die gleichmäßige Spanabfuhr und verhindern Nachschleifen und Verschleiß der Diamantschicht.
Zusammenfassend verkörpert das Konstruktionsprinzip von PDC-Werkzeugen einen systematischen Ansatz der „Funktionsschichtung-Materialkomplementarität-Strukturoptimierung“: Die Oberflächendiamantschicht ist für ultra-hartes und verschleißfestes-schneiden verantwortlich, das darunter liegende Hartmetall sorgt für Zähigkeitsunterstützung und Schlagpufferung, Phasenoptimierung sorgt für thermische Stabilität und starke Bindung und die geometrische Struktur passt zum Schneidmechanismus. Dieses multi-dimensionale kollaborative Design ermöglicht es PDC-Werkzeugen, hohe Effizienz, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit unter extremen Arbeitsbedingungen zu vereinen und so zu einer Kernlösung zur Überwindung der Leistungsengpässe herkömmlicher Werkzeuge zu werden und die theoretische Grundlage für ihre Anwendung in einem breiteren Spektrum von Bereichen zu legen.
