A ampla aplicação de ferramentas PDC (composto de diamante policristalino) em perfuração de petróleo, exploração geológica e usinagem de alta-resistência ao desgaste-decorre das vantagens combinadas de alta dureza, alta resistência ao desgaste e boa resistência ao impacto proporcionadas por sua estrutura composta exclusiva. No entanto, a concretização desta vantagem depende, em primeiro lugar, da seleção científica dos materiais. A composição do material, as características da fase de ligação e a microestrutura da camada superficial e da matriz da ferramenta determinam diretamente o seu desempenho e vida útil sob diferentes condições de trabalho. Portanto, a correspondência precisa de materiais com base nos requisitos da aplicação é um pré-requisito para liberar o potencial das ferramentas PDC.
A estrutura básica de uma ferramenta PDC consiste em uma camada superficial de diamante policristalino (PCD) e uma matriz inferior de metal duro. As propriedades do material e os efeitos sinérgicos destas duas camadas determinam o desempenho geral. A camada superficial de PCD realiza as principais tarefas de corte e{2}}quebra de rochas, e o núcleo de sua seleção de material está na qualidade e na distribuição do tamanho das partículas do pó de diamante. O pó de diamante de cristal único-de alta-pureza garante a formação de uma forte rede de ligação covalente entre os grãos, alcançando assim dureza e resistência ao desgaste próximas às do diamante natural. A distribuição do tamanho do grão deve equilibrar a resistência macroscópica e a nitidez microscópica do corte; camadas de diamante-de granulação fina oferecem melhor resistência ao desgaste e são adequadas para usinar formações ou materiais altamente abrasivos, enquanto camadas de diamante de granulação-grossa têm vantagens na resistência ao impacto e são adequadas para condições contendo partículas duras ou impactos intermitentes.
O material da fase de ligação é um fator chave que afeta a estabilidade térmica e a durabilidade da camada de PCD. As ferramentas convencionais de PCD geralmente usam metais de transição, como cobalto e níquel, como catalisadores e aglutinantes. Esses metais catalisam a conversão do diamante em grafite em altas temperaturas, limitando a temperatura operacional e a vida útil da ferramenta. Para condições de alta-temperatura, alta-velocidade ou forte choque térmico, baixa atividade-catalítica-ou fases de ligação não{7}}metálicas (como silicietos, boretos e carbonetos) devem ser priorizadas. Esses materiais podem inibir efetivamente a grafitização, elevando a temperatura de decomposição térmica para acima de 700 graus, mantendo ao mesmo tempo uma resistência de ligação de limite de grão suficiente, permitindo que a ferramenta mantenha o desempenho de corte mesmo em ambientes extremos.
A escolha do material para a matriz subjacente de metal duro prioriza a tenacidade e a confiabilidade da fixação. Ligas de tungstênio-cobalto comumente usadas (como WC-Co) oferecem excelente resistência ao impacto, tenacidade e usinabilidade, fornecendo suporte mecânico robusto para a camada de PCD, absorvendo e dispersando cargas de impacto geradas durante o corte e evitando que a camada de diamante se frature devido à fragilidade excessiva. O teor de cobalto na matriz pode ser ajustado para atingir um equilíbrio entre dureza e tenacidade: alto teor de cobalto aumenta a tenacidade, mas reduz ligeiramente a dureza, adequado para aplicações de alto-impacto; baixo teor de cobalto resulta em maior dureza, adequada para resistência ao desgaste sob cargas estáveis. Além disso, a uniformidade da densidade e a densidade de sinterização da matriz também afetam a resistência geral e devem ser garantidas através de um rigoroso controle do processo de fabricação.
A seleção de materiais requer otimização direcionada para diferentes cenários de aplicação. Por exemplo, em perfurações de petróleo e gás que enfrentam formações de arenito e calcário altamente abrasivas, é preferível uma camada de diamante de granulação-fina com uma fase de ligação catalítica baixa (PCD), combinada com uma matriz de metal duro com teor médio de cobalto, para equilibrar a resistência ao desgaste e a resistência ao impacto. Nas operações de perfuração de exploração geológica, ao encontrar impactos de cascalho ou intercamadas, o tamanho do grão do diamante pode ser aumentado adequadamente e a tenacidade da matriz melhorada para reduzir o risco de quebra dos dentes. Em aplicações de usinagem de precisão, como ligas de alumínio com alto teor de silício, além da resistência ao desgaste, o baixo coeficiente de atrito e a inércia química do material devem ser considerados para reduzir a adesão da ferramenta e danos à superfície.
Em resumo, a seleção de materiais para ferramentas PDC é uma tarefa sistemática que integra a qualidade do pó de diamante, as características da fase de ligação e o desempenho da matriz de metal duro. Somente combinando cientificamente o material e os parâmetros estruturais de cada camada de acordo com a dureza, abrasividade, resistência ao impacto e condições de temperatura das condições de trabalho específicas é que a ferramenta pode ter garantia de possuir excelente estabilidade e durabilidade, ao mesmo tempo em que consegue corte e quebra de rocha eficientes, fornecendo assim suporte técnico confiável para ambientes de trabalho complexos.
