Caracterización y evaluación de la resistencia a la corrosión de películas delgadas de oxinitruro y/o óxido de cerio sobre AISI 316l

Abstract

Through the sputtering technique, cerium oxynitride and / or cerium oxide films were synthesized on AISI 316L surgical steel. In total 8 deposit conditions were planned under which the temperature (180, 200, 250 and 300 ° C) and the nitrogen flow (15.0 and 20.0 sccm) were changed. Additionally, the results of morphology and corrosion resistance were compared with those of zirconia oxynitride films and nickel copper oxynitrides which are known to improve the corrosion resistance of surgical grade stainless steel and favor osteoblast cell growth. The latter were deposited under previously standardized conditions within the research group. CeO2 and / or CeOxNy, ZrOxNy and NiCuON films were morphologically, chemically and structurally characterized by SEM, EDX and DRX. Zirconium and nickel copper oxynitride have a homogeneous morphology with good adhesion, without micropores and microcracks; while those of CeO2 and / or CeOxNy, are characterized by having a large number of surface defects and low adhesion to the substrate in some of the selected deposit conditions. Those deposited at a temperature of 200 ° C and nitrogen flow N2 = 20.0 sccm, presented the best morphology, with little delamination, micropores and microcracks. As for the crystalline structure of the CeO2 and / or CeOxNy films, it was cubic with preferential growth on the planes (111) and (220) of CeO2. The corrosion resistance results evaluated from EIS electrochemical impedance spectroscopy and potentiodynamic polarization curves show that despite the surface defects of the CeO2 and / or CeOxNy films, all the test pieces presented impedance values, Corrosion current density, polarization resistance, corrosion potential and pitting nucleation, better than bare 316L stainless steel, suggesting that the cerium ceramic coating would induce galvanic protection of the steel. The films deposited at 200 ° C and flow of N2 = 20.0 sccm presented the greatest protection against corrosion in Hank's solution. The results obtained in this work are a contribution to the development of surgical steel surface coatings for biomedical applications.

Por medio de la técnica sputtering se sintetizaron películas de oxinitruro de cerio y/o oxido de cerio sobre acero quirúrgico AISI 316L. En total se planearon 8 condiciones de depósito en las que se cambió la temperatura (180, 200, 250 y 300°C) y el flujo de nitrógeno (15.0 y 20.0 sccm). Adicionalmente, los resultados de morfología y resistencia a la corrosión se compararon con los de películas de oxinitruros de zirconia y oxinitruros de níquel cobre de los que se sabe mejoran la resistencia a la corrosión del acero inoxidable grado quirúrgico y favorecen el crecimiento celular de osteoblastos. Estos últimos, se depositaron en condiciones previamente estandarizadas dentro del grupo de investigación. Las películas de CeO2 y/o CeOxNy, ZrOxNy y NiCuOxNy se caracterizaron morfológica, química y estructuralmente mediante SEM, EDX y DRX. Las de oxinitruro de zirconio y de níquel cobre presentan una morfología homogénea con buena adherencia, sin microporos y microgrietas; mientas que las de CeO2 y/o CeOxNy, se caracterizan por tener gran cantidad de defectos superficiales y baja adherencia al sustrato en algunas de las condiciones de depósito seleccionadas. Las depositadas a una temperatura de 200°C y flujo de nitrógeno N2=20.0 sccm, presentaron la mejor morfología, con poca delaminación, microporos y microgrietas. En cuanto a la estructura cristalina de las películas de CeO2 y/o CeOxNy, fue cubica con crecimiento preferencial sobre los planos (111) y (220) de CeO2. Los resultados de resistencia a la corrosión evaluados a partir de espectroscopía de impedancia electroquímica EIS y curvas de polarización potenciodinámica, muestran que a pesar de los defectos de la superficie de las películas de CeO2 y/o CeOxNy, todas las probetas presentaron valores de impedancia, densidad de corriente de corrosión, resistencia a la polarización, potencial de corrosión y de nucleación de picadura, mejores que el acero inoxidable 316L desnudo, lo que sugiere que el recubrimiento cerámico de cerio induciría una protección galvánica del acero. Las películas depositadas a 200°C y flujo de N2=20.0 sccm presentaron la mayor protección contra la corrosión en solución de Hank. Los resultados obtenidos en este trabajo son un aporte al desarrollo de recubrimientos de superficies de acero quirúrgico para aplicaciones biomédicas.