Cuando los lectores preguntan qué es el diamante policristalino, la primera cuestión es si se refieren al material en sí o a un componente compuesto fabricado a partir de él. El PCD no es un diamante monocristalino. Es un material de diamante policristalino fabricado uniendo muchos granos de diamante. A menudo forma la capa de trabajo de un cortador PDC, pero el PCD y el cortador completo no son el mismo objeto.

¿Qué significan PCD y PDC?

PCD significa Diamante Policristalino y se refiere principalmente al material. PDC normalmente significa Compacto de Diamante Policristalino y se refiere a un compuesto en el que una capa de diamante policristalino está unida a un sustrato de soporte. En un cortador PDC típico, la sección superior es la capa de trabajo de diamante, la sección inferior es un sustrato de carburo cementado y una interfaz de unión los conecta.

La capa de diamante proporciona la función principal de corte y resistencia al desgaste. El sustrato de carburo soporta la capa, asume parte del impacto y proporciona la base para la instalación. La interfaz de unión transfiere la carga aplicada. En otras palabras, PCD describe el material de diamante policristalino, mientras que PDC describe la estructura compuesta completa formada por la capa de diamante y el sustrato. La tableta de PCD, la tableta de diamante y la capa de diamante normalmente se refieren a la capa de diamante policristalino de trabajo; el sustrato de carburo se refiere al cuerpo de carburo cementado debajo de ella.

¿Cómo afecta la estructura policristalina al rendimiento?

La capa de trabajo de PCD está hecha de granos de diamante sintético de tamaño micrométrico o más finos. Los granos forman una red de unión continua diamante-diamante y, por lo general, no están alineados a lo largo de una dirección cristalográfica. Esta orientación aleatoria reduce la tendencia de una grieta a viajar a través del material a lo largo de un plano de clivaje. No significa que el PCD no pueda agrietarse, o que todo material policristalino sea perfectamente isotrópico.

Quedan pequeños espacios entre los granos que pueden contener cobalto u otra fase metálica secundaria. La continuidad de la unión directa del diamante, el contenido de fase metálica, los poros y la tensión residual influyen en el comportamiento del material. La dureza, la resistencia al desgaste, la tenacidad a la fractura, la resistencia al impacto y la estabilidad térmica son propiedades diferentes. Una alta dureza no significa automáticamente que un material no se astillará, y una alta resistencia al desgaste no garantiza un rendimiento fiable en todas las condiciones de impacto.

¿Cómo forma HPHT una capa de diamante policristalino?

La capa de diamante policristalino en el PDC de perforación se forma comúnmente a través de HPHT, o sinterización a alta presión y alta temperatura. En una ruta típica, el polvo de diamante seleccionado se coloca sobre un sustrato de carburo cementado. Bajo alta presión y alta temperatura, el cobalto u otro solvente-catalizador promueve la disolución, el transporte y la reprecipitación del carbono. Los granos adyacentes forman entonces enlaces diamante-diamante mientras que la capa de diamante y el sustrato se convierten en una estructura compuesta.

La presión, la temperatura y el tiempo de mantenimiento no son los mismos para cada producto PDC. El equipo, la celda de síntesis, la formulación del polvo, el tamaño del producto y la curva de proceso afectan la ventana de proceso aplicable. Por lo tanto, un número de proceso debe leerse junto con el material específico y la ruta del producto, en lugar de tratarse como un parámetro universal de PDC.

¿Por qué las propiedades del material no son intercambiables?

El cobalto ayuda a formar la estructura policristalina durante la sinterización. Después de la sinterización, el cobalto que queda entre los granos puede contribuir al embotamiento de grietas y a la transferencia de carga, pero también limita la estabilidad a alta temperatura. A temperatura elevada, el cobalto puede promover la conversión del diamante hacia una estructura de grafito, reduciendo la dureza y la resistencia al desgaste. Las rutas de eliminación de cobalto u otras rutas térmicamente estables pueden cambiar el comportamiento térmico del área de trabajo, mientras que la profundidad y el grado de eliminación de cobalto también afectan los poros, la resistencia, la transferencia de calor, las trayectorias de las grietas y la resistencia al impacto.

Se pueden encontrar ejemplos públicos de dureza Vickers para PCD sinterizado convencional que contiene cobalto en el rango de aproximadamente 50–90 GPa. El resultado depende del penetrador, la carga, la preparación de la superficie, el tamaño de grano, el contenido de metal y la ubicación de la medición. Este rango describe muestras y métodos particulares; no debe reescribirse como un parámetro garantizado para un grado FIDE.

¿En qué se diferencia el PCD sinterizado por HPHT del diamante policristalino CVD?

El diamante policristalino se puede formar mediante una ruta de sinterización a alta presión y alta temperatura o mediante deposición química de vapor. El PCD sinterizado por HPHT contiene granos de diamante, unión directa de diamante y material residual en los espacios entre los granos. El diamante policristalino CVD crece capa por capa a partir de especies de carbono en una fase gaseosa sobre un sustrato y se puede fabricar como una película delgada, una película gruesa u otra forma. La capa de diamante en el PDC de perforación es normalmente PCD sinterizado por HPHT.

Las dos rutas implican diferentes estructuras y objetos de prueba. Cuando se cita un valor de dureza, conductividad térmica o estabilidad térmica, primero identifique si describe PCD sinterizado por HPHT, diamante policristalino CVD, una capa de PCD o un cortador PDC completo. Los datos de diferentes objetos materiales no deben tratarse como directamente intercambiables.

¿Por qué debería entenderse el PCD como parte de un cortador PDC?

Un cortador PDC no es una capa de diamante que trabaje sin soporte. La capa de diamante contacta la roca y proporciona corte y resistencia al desgaste. El sustrato de carburo cementado proporciona soporte y la base de instalación, mientras que la interfaz de unión transfiere la carga aplicada. En una broca PDC, múltiples cortadores están dispuestos alrededor de la broca y eliminan la roca mediante raspado y cizallamiento a medida que la broca gira.

El grado de material de un cortador no puede determinar de forma independiente la tasa de penetración o la vida útil de la broca completa. La estructura de la broca y las condiciones de campo también afectan el resultado final. Por lo tanto, la forma útil de entender el diamante policristalino es identificar tanto la capa de material como la estructura compuesta en la que trabaja esa capa.