Deposition and properties characterisation of tan coatings deposited at different nitrogen contents

Abstract

ABSTRACT: This study focused on the study of the influence of nitrogen content on the microstructure, chemical composition, mechanical and tribological properties of TaN coatings deposited on 420 stainless steel and silicon samples (100) using the magnetron sputtering technique. For the deposition of the TaN coatings an argon/nitrogen atmosphere was used, varying the nitrogen flux between 12% and 25%. For the coating characterization, scanning electron microscopy, energydispersive X-ray spectroscopy, atomic force microscopy, X-ray diffraction (XRD), micro-Raman spectroscopy, a microhardness tester, and a ball on disc tribometer were used. A refining of the columnar structure of the coatings, accompanied by a decrease in their thickness with the increased nitrogen content was observed. Initially, fcc-TaN (111) cubic phase growth was observed; this phase was changed to the fcc-TaN (200) above N2 12%. For contents greater than N2 18%, another nitrogen-rich phase was formed and the system tended towards amorphicity, particularly for a coating with N2 25% content. The TaN-1sample deposited with N2 12% in the gas mixture presented the highest micro-hardness value with 21.3GPa and the lowest friction coefficient and wear rate with 0.02 and 1.82x10-7 (mm3 /Nm), respectively. From the obtained results, an important relationship between the microstructural, mechanical and tribological properties of the coated samples and their nitrogen content was observed.

RESUMEN: Este trabajo se enfocó en el estudio de la influencia del contenido de nitrógeno sobre la microestructura, composición química, propiedades mecánicas y tribológicas de los recubrimientos de TaN depositados sobre acero inoxidable 420 y silicio (100) mediante la pulverización catódica. Los recubrimientos se depositaron en una atmosfera de argón/ nitrógeno variando el flujo de nitrógeno entre 12% y 25%, y fueron caracterizados por SEM, EDX, DRX, AFM, Microraman, Microindentación y usando un tribómetro tipo bola sobre disco. Se apreció una refinación de la estructura columnar de los recubrimientos acompañado de una disminución de su espesor con el incremento del contenido de nitrógeno en éstos. Inicialmente se observó un crecimiento preferencial de la fase cúbica fcc del TaN (111), la cual cambió a la estructura fcc TaN (200) por encima del 12% de N2 . A contenidos mayores al 18% de N2 se forman otras fases ricas en nitrógeno y el sistema tiende a la amorficidad, muy particularmente para un 25% de N2 . El recubrimiento TaN-1, depositado con 12% N2 en la mezcla de gases, presentó la mayor dureza de 21.3 GPa, el menor coeficiente de fricción y tasa de desgaste de 0,02 y 1,82x10-7 (mm3 /Nm), respectivamente. A partir de los resultados obtenidos se observó una importante relación entre la microestructura, las propiedades mecánicas y tribológicas de las muestras recubiertas y su contenido de nitrógeno